三層交換器有哪些用途.

1.1 共享技術(shù)所謂共享技術(shù)即在一個邏輯網(wǎng)絡(luò)上的每一個工作站都處于一個相同的網(wǎng)段上。以太網(wǎng)采用CSMA/CD 機(jī)制，這種沖突檢測方法保證了只能有一個站點(diǎn)在總線上傳輸。如果有兩個站點(diǎn)試圖同時訪問總線并傳輸數(shù)據(jù)，這就意味著“沖突”發(fā)生了，兩站點(diǎn)都將被告知出錯。然后它們都被拒發(fā)，并等待一段時間以備重發(fā)。這種機(jī)制就如同許多汽車搶過一座窄橋，當(dāng)兩輛車同時試圖上橋時，就發(fā)生了“沖突”，兩輛車都必須退出，然后再重新開始搶行。當(dāng)汽車較多時，這種無序的爭搶會極大地降低效率，造成交通擁堵。網(wǎng)絡(luò)也是一樣，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的用戶量較少時，網(wǎng)絡(luò)上的交通流量較輕，沖突也就較少發(fā)生，在這種情況下沖突檢測法效果較好。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的交通流量增大時，沖突也增多，同進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量也將顯著下降。在交通流量很大時，工作站可能會被一而再再而三地拒發(fā)。1.2 交換技術(shù)局域網(wǎng)交換技術(shù)是作為對共享式局域網(wǎng)提供有效的網(wǎng)段劃分的解決方案而出現(xiàn)的，它可以使每個用戶盡可能地分享到最大帶寬。交換技術(shù)是在OSI 七層網(wǎng)絡(luò)模型中的第二層，即數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行操作的，因此交換機(jī)對數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)是建立在MACMedia Access Control 地址--物理地址基礎(chǔ)之上的，對于IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來說，它是透明的，即交換機(jī)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時，不知道也無須知道信源機(jī)和信宿機(jī)的IP 地址，只需知其物理地址即MAC 地址。交換機(jī)在操作過程當(dāng)中會不斷的收集資料去建立它本身的一個地址表，這個表相當(dāng)簡單，它說明了某個MAC 地址是在哪個端口上被發(fā)現(xiàn)的，所以當(dāng)交換機(jī)收到一個TCP ／IP 封包時，它便會看一下該數(shù)據(jù)包的目的MAC 地址，核對一下自己的地址表以確認(rèn)應(yīng)該從哪個端口把數(shù)據(jù)包發(fā)出去。由于這個過程比較簡單，加上這功能由一嶄新硬件進(jìn)行--ASICApplication Specific Integrated Circuit，因此速度相當(dāng)快，一般只需幾十微秒，交換機(jī)便可決定一個IP 封包該往那里送。值得一提的是:萬一交換機(jī)收到一個不認(rèn)識的封包，就是說如果目的地MAC 地址不能在地址表中找到時，交換機(jī)會把IP 封包"擴(kuò)散"出去，即把它從每一個端口中送出去，就如交換機(jī)在處理一個收到的廣播封包時一樣。二層交換機(jī)的弱點(diǎn)正是它處理廣播封包的手法不太有效，比方說，當(dāng)一個交換機(jī)收到一個從TCP/IP 工作站上發(fā)出來的廣播封包時，他便會把該封包傳到所有其他端口去，哪怕有些端口上連的是IPX 或DECnet 工作站。這樣一來，非TCP/IP 節(jié)點(diǎn)的帶寬便會受到負(fù)面的影響，就算同樣的TCP/IP 節(jié)點(diǎn)，如果他們的子網(wǎng)跟發(fā)送那個廣播封包的工作站的子網(wǎng)相同，那么他們也會無原無故地收到一些與他們毫不相干的網(wǎng)絡(luò)廣播，整個網(wǎng)絡(luò)的效率因此會大打折扣。從90 年代開始，出現(xiàn)了局域網(wǎng)交換設(shè)備。從網(wǎng)絡(luò)交換產(chǎn)品的形態(tài)來看，交換產(chǎn)品大致有三種:端口交換、幀交換和信元交換。1端口交換端口交換技術(shù)最早出現(xiàn)于插槽式集線器中。這類集線器的背板通常劃分有多個以太網(wǎng)段每個網(wǎng)段為一個廣播域、各網(wǎng)段通過網(wǎng)橋或路由器相連。以太網(wǎng)模塊插入后通常被分配到某個背板網(wǎng)段上，端口交換適用于將以太模塊的端口在背板的多個網(wǎng)段之間進(jìn)行分配。這樣網(wǎng)管人員可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況，將用戶在不同網(wǎng)段之間進(jìn)行分配。這種交換技術(shù)是基于OSI第一層物理層上完成的，它并沒有改變共享傳輸介質(zhì)的特點(diǎn)，因此并不是真正意義上的交換。2幀交換幀交換是目前應(yīng)用的最廣的局域網(wǎng)交換技術(shù)，它通過對傳統(tǒng)傳輸媒介進(jìn)行分段，提供并行傳送的機(jī)制，減少了網(wǎng)絡(luò)的碰撞沖突域，從而獲得較高的帶寬。不同廠商產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)幀交換的技術(shù)均有差異，但對網(wǎng)絡(luò)幀的處理方式一般有:存儲轉(zhuǎn)發(fā)式和直通式兩種。存儲轉(zhuǎn)發(fā)式Store-and-Forward :當(dāng)一個數(shù)據(jù)包以這種技術(shù)進(jìn)入一個交換機(jī)時，交換機(jī)將讀取足夠的信息，以便不僅能決定哪個端口將被用來發(fā)送該數(shù)據(jù)包，而且還能決定是否發(fā)送該數(shù)據(jù)包。這樣就能有效地排除了那些有缺陷的網(wǎng)絡(luò)段。雖然這種方式不及使用直通式產(chǎn)品的交換速度，但是它們卻能排除由破壞的數(shù)據(jù)包所引起的經(jīng)常性的有害后果。直通式Cut-Through :當(dāng)一個數(shù)據(jù)包使用這種技術(shù)進(jìn)入一個交換機(jī)時，它的地址將被讀取。然后不管該數(shù)據(jù)包是否為錯誤的格式，它都將被發(fā)送。由于數(shù)據(jù)包只有開頭幾個字節(jié)被讀取，所以這種方法提供了較多的交換次數(shù)。然而所有的數(shù)據(jù)包即使是那些可能已被破壞的都將被發(fā)送。直到接收站才能測出這些被破壞的包，并要求發(fā)送方重發(fā)。但是如果網(wǎng)絡(luò)接口卡失效，或電纜存在缺陷；或有一個能引起數(shù)據(jù)包遭破壞的外部信號源，則出錯將十分頻繁。隨著技術(shù)的發(fā)展，直通式交換將逐步被淘汰。在“直通式”交換方式中，交換機(jī)只讀出網(wǎng)絡(luò)幀的前幾個字節(jié)，便將網(wǎng)絡(luò)幀傳到相應(yīng)的端口上，雖然交換速度很快，但缺乏對網(wǎng)絡(luò)幀的高級控制，無智能性和安全性可言，同時也無法支持具有不同速率端口的交換；而“存儲轉(zhuǎn)發(fā)”交換方式則通過對網(wǎng)絡(luò)幀的讀取進(jìn)行驗(yàn)錯和控制。聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品都采用“存儲轉(zhuǎn)發(fā)”交換方式。3信元交換信元交換的基本思想是采用固定長度的信元進(jìn)行交換，這樣就可以用硬件實(shí)現(xiàn)交換，從而大大提高交換速度，尤其適合語音、視頻等多媒體信號的有效傳輸。目前，信元交換的實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)是ATM 異步傳輸模式，但是ATM 設(shè)備的造價較為昂貴，在局域網(wǎng)中的應(yīng)用已經(jīng)逐步被以太網(wǎng)的幀交換技術(shù)所取代。1.2.1 第二層交換技術(shù)第二層的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)依據(jù)第二層的地址傳送網(wǎng)絡(luò)幀。第二層的地址又稱硬件地址MAC 地址，第二層交換機(jī)通常提供很高的吞吐量線速、低延時10 微秒左右，每端口的價格比較經(jīng)濟(jì)。第二層的交換機(jī)對于路由器和主機(jī)是“透明的”，主要遵從802.1d 標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定交換機(jī)通過觀察每個端口的數(shù)據(jù)幀獲得源MAC 地址，交換機(jī)在內(nèi)部的高速緩存中建立MAC 地址與端口的映射表。當(dāng)交換機(jī)接受的數(shù)據(jù)幀的目的地址在該映射表中被查到，交換機(jī)便將該數(shù)據(jù)幀送往對應(yīng)的端口。如果它查不到，便將該數(shù)據(jù)幀廣播到該端口所屬虛擬局域網(wǎng)VLAN 的所有端口，如果有回應(yīng)數(shù)據(jù)包，交換機(jī)便將在映射表中增加新的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)交換機(jī)初次加入網(wǎng)絡(luò)中時，由于映射表是空的，所以，所有的數(shù)據(jù)幀將發(fā)往虛擬局域網(wǎng)內(nèi)的全部端口直到交換機(jī)“學(xué)習(xí)”到各個MAC 地址為止。這樣看來，交換機(jī)剛剛啟動時與傳統(tǒng)的共享式集線器作用相似的，直到映射表建立起來后，才能真正發(fā)揮它的性能。這種方式改變了共享式以太網(wǎng)搶行的方式，如同在不同的行駛方向上鋪架了立交橋，去往不同方向的車可以同時通行，因此大大提高了流量。從虛擬局域網(wǎng)VLAN 角度來看，由于只有子網(wǎng)內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)競爭帶寬，所以性能得到提高。主機(jī)1 訪問主機(jī)2 同時，主機(jī)3 可以訪問主機(jī)4 。當(dāng)各個部門具有自己獨(dú)立的服務(wù)器時，這一優(yōu)勢更加明顯。但是這種環(huán)境正發(fā)生巨大的變化，因?yàn)榉?wù)器趨向于集中管理，另外，這一模式也不適合Internet 的應(yīng)用。不同虛擬局域網(wǎng)VLAN 之間的通訊需要通過路由器來完成，另外為了實(shí)現(xiàn)不同的網(wǎng)段之間通訊也需要路由器進(jìn)行互連。路由器處理能力是有限的，相對于局域網(wǎng)的交換速度來說路由器的數(shù)據(jù)路由速度也是較緩慢的。路由器的低效率和長時延使之成為整個網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。虛擬局域網(wǎng)VLAN 之間的訪問速度是加快整個網(wǎng)絡(luò)速度的關(guān)鍵，某些情況下特別是Intranet ，劃定虛擬局域網(wǎng)本身是一件困難的事情。第三層交換機(jī)的目的正在于此，它可以完成Intranet 中虛擬局域網(wǎng)VLAN 之間的數(shù)據(jù)包以高速率進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。1.2.2 VLAN 技術(shù)在傳統(tǒng)的局域網(wǎng)中，各站點(diǎn)共享傳輸信道所造成的信道沖突和廣播風(fēng)暴是影響網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素。通常一個IP 子網(wǎng)或者IPX 子網(wǎng)屬于一個廣播域，因此網(wǎng)絡(luò)中的廣播域是根據(jù)物理網(wǎng)絡(luò)來劃分的。這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無論從效率和安全性角度來考慮都有所欠缺。同時，由于網(wǎng)絡(luò)中的站點(diǎn)被束縛在所處的物理網(wǎng)絡(luò)中，而不能夠根據(jù)需要將其劃分至相應(yīng)的邏輯子網(wǎng)，因此網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)缺乏靈活性。為解決這一問題，從而引發(fā)了虛擬局域網(wǎng)VLAN 的概念，所謂VLAN 是指網(wǎng)絡(luò)中的站點(diǎn)不拘泥于所處的物理位置，而可以根據(jù)需要靈活地加入不同的邏輯子網(wǎng)中的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。VLAN 技術(shù)的基礎(chǔ)基于交換式以太網(wǎng)的VLAN在交換式以太網(wǎng)中，利用VLAN 技術(shù)，可以將由交換機(jī)連接成的物理網(wǎng)絡(luò)劃分成多個邏輯子網(wǎng)。也就是說，一個VLAN中的站點(diǎn)所發(fā)送的廣播數(shù)據(jù)包將僅轉(zhuǎn)發(fā)至屬于同一VLAN 的站點(diǎn)。而在傳統(tǒng)局域網(wǎng)中，由于物理網(wǎng)絡(luò)和邏輯子網(wǎng)的對應(yīng)關(guān)系，因此任何一個站點(diǎn)所發(fā)送的廣播數(shù)據(jù)包都將被轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)絡(luò)中的所有站點(diǎn)。在交換式以太網(wǎng)中，各站點(diǎn)可以分別屬于不同的VLAN 。構(gòu)成VLAN 的站點(diǎn)不拘泥于所處的物理位置，它們既可以掛接在同一個交換機(jī)中，也可以掛接在不同的交換機(jī)中。VLAN 技術(shù)使得網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得非常靈活，例如位于不同樓層的用戶或者不同部門的用戶可以根據(jù)需要加入不同的VLAN 。到目前為止，基于交換式以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)VLAN 主要有三種途徑:基于端口的VLAN 、基于MAC 地址的VLAN 和基于IP 地址的VLAN 。1、基于端口的VLAN基于端口的VLAN 就是將交換機(jī)中的若干個端口定義為一個VLAN ，同一個VLAN 中的站點(diǎn)具有相同的網(wǎng)絡(luò)地址，不同的VLAN 之間進(jìn)行通信需要通過路由器。采用這種方式的VLAN 其不足之處是靈活性不好，例如當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)從一個端口移動到另外一個新的端口時，如果新端口與舊端口不屬于同一個VLAN ，則用戶必須對該站點(diǎn)重新進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)地址配置，否則，該站點(diǎn)將無法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。2、基于MAC 地址的VLAN在基于MAC 地址的VLAN 中，交換機(jī)對站點(diǎn)的MAC 地址和交換機(jī)端口進(jìn)行跟蹤，在新站點(diǎn)入網(wǎng)時根據(jù)需要將其劃歸至某一個VLAN ，而無論該站點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中怎樣移動，由于其MAC 地址保持不變，因此用戶不需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)地址的重新配置。這種VLAN 技術(shù)的不足之處是在站點(diǎn)入網(wǎng)時，需要對交換機(jī)進(jìn)行比較復(fù)雜的手工配置，以確定該站點(diǎn)屬于哪一個VLAN 。3、基于IP 地址的VLAN在基于IP 地址的VLAN 中，新站點(diǎn)在入網(wǎng)時無需進(jìn)行太多配置，交換機(jī)則根據(jù)各站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址自動將其劃分成不同的VLAN 。在三種VLAN 的實(shí)現(xiàn)技術(shù)中，基于IP 地址的VLAN 智能化程度最高，實(shí)現(xiàn)起來也最復(fù)雜。VLAN 作為一種新一代的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它的出現(xiàn)為解決網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)的靈活配置和網(wǎng)絡(luò)安全性等問題提供了良好的手段。雖然VLAN 技術(shù)目前還有許多問題有待解決，例如技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一問題、VLAN 管理的開銷問題和VALN 配置的自動化問題等等。然而，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，上述問題將逐步加以解決，VLAN 技術(shù)也將在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中得到更加廣泛的應(yīng)用，從而為提高網(wǎng)絡(luò)的工作效率發(fā)揮更大的作用。事實(shí)上一個VLAN虛擬局域網(wǎng)就是一個廣播域。為了避免在大型交換機(jī)上進(jìn)行的廣播所引起的廣播風(fēng)暴，可將連接到大型交換機(jī)上的網(wǎng)絡(luò)劃分為多個VLAN虛擬局域網(wǎng)。在一個VLAN虛擬局域網(wǎng)內(nèi)，由一個工作站發(fā)出的信息只能發(fā)送到具有相同VLAN虛擬局域網(wǎng)號的其他站點(diǎn)。其它VLAN虛擬局域網(wǎng)的成員收不到這些信息或廣播幀。采用VLAN 有如下優(yōu)勢:1. 抑制網(wǎng)絡(luò)上的廣播風(fēng)暴；2. 增加網(wǎng)絡(luò)的安全性；3. 集中化的管理控制。這就是在局域網(wǎng)交換機(jī)上采用VLAN虛擬局域網(wǎng)技術(shù)的初衷，也確實(shí)解決了一些問題。但這種技術(shù)也引發(fā)出一些新的問題:隨著應(yīng)用的升級，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃/實(shí)施者可根據(jù)情況在交換式局域網(wǎng)環(huán)境下將用戶劃分在不同VLAN虛擬局域網(wǎng)上。但是VLAN虛擬局域網(wǎng)之間通信是不允許的，這也包括地址解析ARP封包。要想通信就需要用路由器橋接這些VLAN虛擬局域網(wǎng)。這就是VLAN虛擬局域網(wǎng)的問題:不用路由器是嫌它慢，用交換機(jī)速度快但不能解決廣播風(fēng)暴問題，在交換機(jī)中采用VLAN虛擬局域網(wǎng)技術(shù)可以解決廣播風(fēng)暴問題，但又必須放置路由器來實(shí)現(xiàn)VLAN虛擬局域網(wǎng)之間的互通。形成了一個不可逾越的怪圈。這就是網(wǎng)絡(luò)的核心和樞紐路由器的問題。在這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成模式中，路由器是核心。路由器所起的作用是:1.網(wǎng)段微化網(wǎng)段之間通過路由器進(jìn)行連接:2. 網(wǎng)絡(luò)的安全控制；3. VLAN虛擬局域網(wǎng)間互連；4. 異構(gòu)網(wǎng)間的互連。1.2.3 局域網(wǎng)瓶頸1、 采用路由器作為網(wǎng)絡(luò)的核心將產(chǎn)生的問題:● 路由器增加了3 層路由選擇的時間，數(shù)據(jù)的傳輸效率低；● 增加、移動和改變節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性有增無減；● 路由器價格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜；● 增加子網(wǎng)/ VLAN虛擬局域網(wǎng)的互連意味著要增加路由器端口，投資也增大。相比之下，路由器是在OSI 七層網(wǎng)絡(luò)模型中的第三層--網(wǎng)絡(luò)層操作的，它在網(wǎng)絡(luò)中，收到任何一個數(shù)據(jù)包包括廣播包在內(nèi)，都要將該數(shù)據(jù)包第二層數(shù)據(jù)鏈路層的信息去掉稱為"拆包"，查看第三層信息IP 地址。然后，根據(jù)路由表確定數(shù)據(jù)包的路由，再檢查安全訪問表；若被通過，則再進(jìn)行第二層信息的封裝稱為"打包"，最后將該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。如果在路由表中查不到對應(yīng)MAC 地址的網(wǎng)絡(luò)地址，則路由器將向源地址的站點(diǎn)返回一個信息，并把這個數(shù)據(jù)包丟掉。與交換機(jī)相比，路由器顯然能夠提供構(gòu)成企業(yè)網(wǎng)安全控制策略的一系列存取控制機(jī)制。由于路由器對任何數(shù)據(jù)包都要有一個"拆打"過程，即使是同一源地址向同一目的地址發(fā)出的所有數(shù)據(jù)包，也要重復(fù)相同的過程。這導(dǎo)致路由器不可能具有很高的吞吐量，也是路由器成為網(wǎng)絡(luò)瓶頸的原因之一。如果路由器的工作僅僅是在子網(wǎng)與子網(wǎng)間、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)間交換數(shù)據(jù)包的話，我們可能會買到比今天便宜得多的路由器。實(shí)際上路由器的工作遠(yuǎn)不止這些，它還要完成數(shù)據(jù)包過濾、數(shù)據(jù)包壓縮、協(xié)議轉(zhuǎn)換、維護(hù)路由表、計(jì)算路由、甚至防火墻等許多工作。而所有這些都需要大量CPU 資源，因此使得路由器一方面價格昂貴，另一方面越來越成為網(wǎng)絡(luò)瓶頸。2、 提高路由器的硬件性能，無法解決路由器瓶頸問題:提高路由器的硬件性能采用更高速，更大容量的內(nèi)存并不足以改善它的性能。因?yàn)槁酚善鞒擞布瓮猓?quot;復(fù)雜的處理與強(qiáng)大的功能"主要是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的，這必然使得它成為網(wǎng)絡(luò)瓶頸。另外，當(dāng)流經(jīng)路由器的流量超過其吞吐能力時，將引起路由器內(nèi)部的擁塞。持續(xù)擁塞不僅會使轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包被延誤，更嚴(yán)重的是使流經(jīng)路由器的數(shù)據(jù)包丟失。這些都給網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用帶來極大的麻煩。路由器的復(fù)雜性還對網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)工作造成了沉重的負(fù)擔(dān)。例如，要對網(wǎng)絡(luò)上的用戶進(jìn)行增加、移動或改變時，配置路由器的工作將顯得十分復(fù)雜。3 交換機(jī)結(jié)合路由器存在不足:將交換機(jī)和路由器結(jié)合起來這也是當(dāng)今大多數(shù)企業(yè)所采用的網(wǎng)絡(luò)解決方案，從功能上來講是可行的。然而，存在顯然不足，不足之出在于:從網(wǎng)絡(luò)用戶的角度看，整個網(wǎng)絡(luò)被分為兩種等級的性能:直接經(jīng)過交換機(jī)處理的數(shù)據(jù)包享受著高速公路快速、穩(wěn)定的傳遞性能；但是那些必須經(jīng)過路由器的數(shù)據(jù)包只能使用慢速通路，當(dāng)流量負(fù)荷嚴(yán)重時，便會產(chǎn)生另人頭痛的延遲。交換機(jī)和路由器是網(wǎng)絡(luò)中不同的設(shè)備，須分別購買、設(shè)置和管理，其花費(fèi)必然要多于一個基于集成化的單一完整的解決方案的花費(fèi)。1.2.4 第三層交換技術(shù)局域網(wǎng)交換機(jī)的引入，使得網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)間可獨(dú)享帶寬，消除了無謂的碰撞檢測和出錯重發(fā)，提高了傳輸效率，在交換機(jī)中可并行地維護(hù)幾個獨(dú)立的、互不影響的通信進(jìn)程。在交換網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，用戶信息只在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行傳送，其他節(jié)點(diǎn)是不可見的。但有一點(diǎn)例外，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)上發(fā)送廣播或組播時，或某一節(jié)點(diǎn)發(fā)送了一個交換機(jī)不認(rèn)識的MAC 地址封包時，交換機(jī)上的所有節(jié)點(diǎn)都將收到這一廣播信息。整個交換環(huán)境構(gòu)成一個大的廣播域。點(diǎn)到點(diǎn)是在第二層快速、有效的交換，但廣播風(fēng)暴會使網(wǎng)絡(luò)的效率大打折扣。交換機(jī)的速度實(shí)在快，比路由器快的多，而且價格便宜的多?？梢哉f，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成的技術(shù)中，直接面向用戶的第一層接口和第二層交換技術(shù)方面已得到令人滿意的答案。交換式局域網(wǎng)技術(shù)使專用的帶寬為用戶所獨(dú)享，極大的提高了局域網(wǎng)傳輸?shù)男?。但第二層交換也暴露出弱點(diǎn):對廣播風(fēng)暴、異種網(wǎng)絡(luò)互連、安全性控制等不能有效地解決。作為網(wǎng)絡(luò)核心、起到網(wǎng)間互連作用的路由器技術(shù)卻沒有質(zhì)的突破。當(dāng)今絕大部分的企業(yè)網(wǎng)都已變成實(shí)施TCP/IP 協(xié)議的Web 技術(shù)的內(nèi)聯(lián)網(wǎng)，用戶的數(shù)據(jù)往往越過本地的網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)際間傳送，因而，路由器常常不堪重負(fù)。傳統(tǒng)的路由器基于軟件，協(xié)議復(fù)雜，與局域網(wǎng)速度相比，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)男瘦^低。但同時它又作為網(wǎng)段子網(wǎng)，VLAN互連的樞紐，這就使傳統(tǒng)的路由器技術(shù)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。隨著Internet/Intranet 的迅猛發(fā)展和B/S瀏覽器/服務(wù)器計(jì)算模式的廣泛應(yīng)用，跨地域、跨網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)急劇增長，業(yè)界和用戶深感傳統(tǒng)的路由器在網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸效應(yīng)。改進(jìn)傳統(tǒng)的路由技術(shù)迫在眉睫。一種辦法是安裝性能更強(qiáng)的超級路由器，然而，這樣做開銷太大，如果是建設(shè)交換網(wǎng)，這種投資顯然是不合理的。在這種情況下，一種新的路由技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，這就是第三層交換技術(shù):第三層交換技術(shù)也稱為IP 交換技術(shù)、高速路由技術(shù)等。第三層交換技術(shù)是相對于傳統(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。一個具有第三層交換功能的設(shè)備是一個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，并不是簡單的把路由器設(shè)備的硬件及軟件簡單地疊加在局域網(wǎng)交換機(jī)上。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/總線速率可高達(dá)幾十Gbit/s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的交換數(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)也有重大的舉措，它將傳統(tǒng)的基于軟件的路由器軟件進(jìn)行了界定，其作法是:1 ．對于數(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)律的過程通過硬件得以高速實(shí)現(xiàn)。2 ．對于第三層路由軟件: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)兩個使用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，發(fā)送站點(diǎn)A 在開始發(fā)送時，已知目的站的IP 地址，但尚不知道在局域網(wǎng)上發(fā)送所需要的MAC 地址。要采用地址解析ARP來確定目的站的MAC 地址。發(fā)送站把自己的IP 地址與目的站的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)地址來確定目的站是否與自己在同一子網(wǎng)內(nèi)。若目的站B 與發(fā)送站A 在同一子網(wǎng)內(nèi)，A 廣播一個ARP 請求，B 返回其MAC 地址，A 得到目的站點(diǎn)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。若兩個站點(diǎn)不在同一子網(wǎng)內(nèi)，如發(fā)送站A 要與目的站C 通信，發(fā)送站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IP 地址實(shí)際上對應(yīng)第三層交換機(jī)的第三層交換模塊。所以當(dāng)發(fā)送站A 對"缺省網(wǎng)關(guān)"的IP 地址廣播出一個ARP 請求時，若第三層交換模塊在以往的通信過程中已得到目的站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ARP 請求，目的站C 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C 之間數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)時，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。第三層交換具有以下突出特點(diǎn):1. 有機(jī)的硬件結(jié)合使得數(shù)據(jù)交換加速；2. 優(yōu)化的路由軟件使得路由過程效率提高；3. 除了必要的路由決定過程外，大部分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程由第二層交換處理；4. 多個子網(wǎng)互連時只是與第三層交換模塊的邏輯連接，不象傳統(tǒng)的外接路由器那樣需增加端口，保護(hù)了用戶的投資。第三層交換的目標(biāo)是，只要在源地址和目的地址之間有一條更為直接的第二層通路，就沒有必要經(jīng)過路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。第三層交換使用第三層路由協(xié)議確定傳送路徑，此路徑可以只用一次，也可以存儲起來，供以后使用。之后數(shù)據(jù)包通過一條虛電路繞過路由器快速發(fā)送。第三層交換技術(shù)的出現(xiàn)，解決了局域網(wǎng)中網(wǎng)段劃分之后，網(wǎng)段中子網(wǎng)必須依賴路由器進(jìn)行管理的局面，解決了傳統(tǒng)路由器低速、復(fù)雜所造成的網(wǎng)絡(luò)瓶頸問題。當(dāng)然，三層交換技術(shù)并不是網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與路由器的簡單疊加，而是二者的有機(jī)結(jié)合，形成一個集成的、完整的解決方案。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對用戶應(yīng)用所造成的限制，正是三層交換技術(shù)所要解決的關(guān)鍵問題。目前，市場上最高檔路由器的最大處理能力為每秒25 萬個包，而最高檔交換機(jī)的最大處理能力則在每秒1000 萬個包以上，二者相差40 倍。在交換網(wǎng)絡(luò)中，尤其是大規(guī)模的交換網(wǎng)絡(luò)，沒有路由功能是不可想象的。然而路由器的處理能力又限制了交換網(wǎng)絡(luò)的速度，這就是三層交換所要解決的問題。第三層交換機(jī)并沒有象其他二層交換機(jī)那樣把廣播封包擴(kuò)散，第三層交換機(jī)之所以叫三層交換機(jī)是因?yàn)樗鼈兡芸吹枚谌龑拥男畔ⅲ鏘P 地址、ARP 等。因此，三層交換機(jī)便能洞悉某廣播封包目的何在，而在沒有把他擴(kuò)散出去的情形下，滿足了發(fā)出該廣播封包的人的需要，不管他們在任何子網(wǎng)里。如果認(rèn)為第三層交換機(jī)就是路由器，那也應(yīng)稱作超高速反傳統(tǒng)路由器，因?yàn)榈谌龑咏粨Q機(jī)沒做任何"拆打"數(shù)據(jù)封包的工作，所有路過他的封包都不會被修改并以交換的速度傳到目的地。目前，第三層交換機(jī)的成熟還有很長的路，象其它一些新技術(shù)一樣，還待進(jìn)行其協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化工作。目前很多廠商都宣稱開發(fā)出了第三層交換機(jī)，但經(jīng)國際權(quán)威機(jī)構(gòu)測試，作法各異且性能表現(xiàn)不同。另外，可能是基于各廠商占領(lǐng)市場的策略，目前的第三層交換機(jī)主要可交換路由IP/IPX 協(xié)議，還不能處理其它一些有一定應(yīng)用領(lǐng)域的專用協(xié)議。因此，有關(guān)專家認(rèn)為，第三層交換技術(shù)是將來的主要網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)，傳統(tǒng)的路由器在一段時間內(nèi)還會得以應(yīng)用，但它將處于其力所能及的位置，那就是處于網(wǎng)絡(luò)的邊緣，去作速度受限的廣域網(wǎng)互聯(lián)、安全控制防火墻、專用協(xié)議的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連等。1.2.5 三層交換技術(shù)特點(diǎn)1、 線速路由:和傳統(tǒng)的路由器相比，第三層交換機(jī)的路由速度一般要快十倍或數(shù)十倍，能實(shí)現(xiàn)線速路由轉(zhuǎn)發(fā)。傳統(tǒng)路由器采用軟件來維護(hù)路由表，而第三層交換機(jī)采用ASIC Application Specific Integrated Circuit 硬件來維護(hù)路由表，因而能實(shí)現(xiàn)線速的路由。2、IP 路由:在局域網(wǎng)上，二層的交換機(jī)通過源MAC 地址來標(biāo)識數(shù)據(jù)包的發(fā)送者，根據(jù)目的MAC 地址來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。對于一個目的地址不在本局域網(wǎng)上的數(shù)據(jù)包，二層交換機(jī)不可能直接把它送到目的地，需要通過路由設(shè)備比如傳統(tǒng)的路由器來轉(zhuǎn)發(fā)，這時就要把交換機(jī)連接到路由設(shè)備上。如果把交換機(jī)的缺省網(wǎng)關(guān)設(shè)置為路由設(shè)備的IP 地址，交換機(jī)會把需要經(jīng)過路由轉(zhuǎn)發(fā)的包送到路由設(shè)備上。路由設(shè)備檢查數(shù)據(jù)包的目的地址和自己的路由表，如果在路由表中找到轉(zhuǎn)發(fā)路徑，路由設(shè)備把該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到其它的網(wǎng)段上，否則，丟棄該數(shù)據(jù)包。專用傳統(tǒng)路由器昂貴，復(fù)雜，速度慢，易成為網(wǎng)絡(luò)瓶頸，因?yàn)樗治鏊械膹V播包并轉(zhuǎn)發(fā)其中的一部分，還要和其它的路由器交換路由信息，而且這些處理過程都是由CPU 來處理的不是專用的ASIC ，所以速度慢。第三層交換機(jī)既能象二層交換機(jī)那樣通過MAC 地址來標(biāo)識轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，也能象傳統(tǒng)路由器那樣在兩個網(wǎng)段之間進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)。而且由于是通過專用的芯片來處理路由轉(zhuǎn)發(fā)，第三層交換機(jī)能實(shí)現(xiàn)線速路由。3、路由功能比較傳統(tǒng)的路由器，第三層交換機(jī)不僅路由速度快，而且配置簡單。在最簡單的情況即第三層交換機(jī)默認(rèn)啟動自動發(fā)現(xiàn)功能時，一旦交換機(jī)接進(jìn)網(wǎng)絡(luò)，只要設(shè)置完VLAN ，并為每個VLAN 設(shè)置一個路由接口。第三層交換機(jī)就會自動把子網(wǎng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)流限定在子網(wǎng)之內(nèi)，并通過路由實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)包交換。管理員也可以通過人工配置路由的方式:設(shè)置基于端口的VLAN ，給每個VLAN 配上IP 地址和子網(wǎng)掩碼，就產(chǎn)生了一個路由接口。隨后，手工設(shè)置靜態(tài)路由或者啟動動態(tài)路由協(xié)議。4、路由協(xié)議支持:第三層交換機(jī)可以通過自動發(fā)現(xiàn)功能來處理本地IP 包的轉(zhuǎn)發(fā)及學(xué)習(xí)鄰近路由器的地址，同時也可以通過動態(tài)路由協(xié)議RIP1 ，RIP2 ，OSPF 來計(jì)算路由路徑。下面介紹一下RIP 協(xié)議和OSPF 協(xié)議。路由信息協(xié)議RIP 是一個內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議IGP ，主要應(yīng)用在中等規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，RIP 協(xié)議采用距離向量算法，在路由信息中包括了到達(dá)目的IP 向量的跳躍次數(shù)距離，跳躍次數(shù)最小的路徑是最優(yōu)路徑。RIP 允許的最大跳躍次數(shù)為15 ，需要跳躍16 次及其以上的目的地址被認(rèn)為是不可達(dá)的。RIP 路由器通過周期性廣播來與鄰近的RIP 路由器交換路由信息，廣播的時間間隔可以設(shè)定。廣播的內(nèi)容就是整個路由表。當(dāng)RIP 路由器收到鄰近路由器的路由表后，要經(jīng)過計(jì)算來決定是否更新自己的路由表。如果自己的路由表需要更新，路由器在更新完畢后會立即把更新的內(nèi)容發(fā)到鄰近的路由器而不必等待廣播間隔時間的結(jié)束。