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三層交換機(jī)的原理和設(shè)計(jì)

云知道

摘要：三層交換機(jī)集第二層交換技術(shù)和第三層路由技術(shù)的優(yōu)勢于一體，逐漸成為了寬帶高速網(wǎng)絡(luò)中的要害設(shè)備 。
本文在介紹三層交換技術(shù)和三層交換機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，給出了一款三層交換機(jī)的設(shè)計(jì)，依照該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的三層交換機(jī)已投入實(shí)際運(yùn)行 。
要害詞：交換；路由；三層交換機(jī)
1．引言傳統(tǒng)路由器在網(wǎng)絡(luò)中起到隔離網(wǎng)絡(luò)、隔離廣播、路由轉(zhuǎn)發(fā)以及防火墻的作業(yè)，并且隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，路由器的負(fù)荷也在迅速增長 。其中一個(gè)重要原因是出于安全和治理方便等方面的考慮，VLAN(虛擬局域網(wǎng))技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中大量應(yīng)用 。VLAN技術(shù)可以邏輯隔離各個(gè)不同的網(wǎng)段、端口甚至主機(jī)，而各個(gè)不同VLAN間的通信都要經(jīng)過路由器來完成轉(zhuǎn)發(fā) 。由于局域網(wǎng)中數(shù)據(jù)流量很大，VLAN間大量的信息交換都要通過路由器來完成轉(zhuǎn)發(fā)，這時(shí)候隨著數(shù)據(jù)流量的不斷增長路由器就成為了網(wǎng)絡(luò)的瓶頸 。為了解決局域網(wǎng)絡(luò)的這個(gè)瓶頸，很多企業(yè)內(nèi)部、學(xué)校和小區(qū)建設(shè)局域網(wǎng)時(shí)都采用了三層交換機(jī) 。三層交換技術(shù)將交換技術(shù)引入到網(wǎng)絡(luò)層，三層交換機(jī)的應(yīng)用也從最初網(wǎng)絡(luò)中心的骨干層、匯聚層一直滲透到網(wǎng)絡(luò)邊緣的接入層 。
2．第三層交換技術(shù)
2.1三層交換的概念第三層交換技術(shù)也稱為IP交換技術(shù)或高速路由技術(shù)等，是相對(duì)于傳統(tǒng)交換概念而提出的 。眾所周知，傳統(tǒng)的交換技術(shù)是在OSI 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)模型中的第二層—數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行操作的，而第三層交換技術(shù)是在網(wǎng)絡(luò)模型中的第三層實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的高速轉(zhuǎn)發(fā) 。簡單地說，第三層交換技術(shù)就是：第二層交換技術(shù)＋第三層轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，這是一種利用第三層協(xié)議中的信息來加強(qiáng)第二層交換功能的機(jī)制 。一個(gè)具有第三層交換功能的設(shè)備是一個(gè)帶有第三層路由功能的第二層交換機(jī)，但它是二者的有機(jī)結(jié)合，并不是簡單地把路由器設(shè)備的硬件及軟件簡單地疊加在局域網(wǎng)交換機(jī)上 。
2.2三層交換的原理從硬件的實(shí)現(xiàn)上看，目前，第二層交換機(jī)的接口模塊都是通過高速背板/總線交換數(shù)據(jù)的 。在第三層交換機(jī)中，與路由器有關(guān)的第三層路由硬件模塊也插接在高速背板/總線上，這種方式使得路由模塊可以與需要路由的其他模塊間高速地交換數(shù)據(jù)，從而突破了傳統(tǒng)的外接路由器接口速率的限制(10Mbit/s---100Mbit/s) 。在軟件方面，第三層交換機(jī)將傳統(tǒng)的基于軟件的路由器重新進(jìn)行了界定：
(1)．?dāng)?shù)據(jù)封包的轉(zhuǎn)發(fā)：如IP/IPX封包的轉(zhuǎn)發(fā)，這些有規(guī)律的過程通過硬件高速實(shí)現(xiàn)；
(2)．第三層路由軟件：如路由信息的更新、路由表維護(hù)、路由計(jì)算、路由的確定等功能，用優(yōu)化、高效的軟件實(shí)現(xiàn) 。
假設(shè)有兩個(gè)使用IP協(xié)議的站點(diǎn)，通過第三層交換機(jī)進(jìn)行通信的過程為：若發(fā)送站點(diǎn)A在開始發(fā)送時(shí)，已知目的站B的IP地址，但尚不知道它在局域網(wǎng)上發(fā)送所需要的MAC 地址，則需要采用地址解析(ARP)來確定B的MAC 地址 。A把自己的IP 地址與B的IP 地址比較，采用其軟件中配置的子網(wǎng)掩碼提取出網(wǎng)絡(luò)地址來確定B是否與自己在同一子網(wǎng)內(nèi) 。若B 與A 在同一子網(wǎng)內(nèi)，A 廣播一個(gè)ARP 請求，B 返回其MAC 地址，A 得到B 的MAC 地址后將這一地址緩存起來，并用此MAC 地址封包轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，第二層交換模塊查找MAC 地址表確定將數(shù)據(jù)包發(fā)向目的端口 。若兩個(gè)站點(diǎn)不在同一子網(wǎng)內(nèi)，則A 要向"缺省網(wǎng)關(guān)"發(fā)出ARP(地址解析)封包，而"缺省網(wǎng)關(guān)"的IP 地址已經(jīng)在系統(tǒng)軟件中設(shè)置，這個(gè)IP 地址實(shí)際上對(duì)應(yīng)第三層交換機(jī)的第三層交換模塊 。當(dāng)A 對(duì)"缺省網(wǎng)關(guān)"的IP 地址廣播出一個(gè)ARP 請求時(shí)，若第三層交換模塊在以往的通信過程中已得到B 的MAC 地址，則向發(fā)送站A 回復(fù)B 的MAC 地址；否則第三層交換模塊根據(jù)路由信息向目的站廣播一個(gè)ARP 請求，B 得到此ARP 請求后向第三層交換模塊回復(fù)其MAC 地址，第三層交換模塊保存此地址并回復(fù)給發(fā)送站A。以后，當(dāng)再進(jìn)行A 與B 之間數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，將用最終的目的站點(diǎn)的MAC 地址封包，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程全部交給第二層交換處理，信息得以高速交換[1]。

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