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李若明，王行愚

1  引言

    隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷完善，人們對網(wǎng)絡(luò)的傳輸要求也越來越高，在競爭中以太網(wǎng)以其傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢脫穎而出成為現(xiàn)代企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的首選，VLAN技術(shù)的出現(xiàn)很好地解決了網(wǎng)絡(luò)信息過載的問題，但是由于不同VLAN之間的通信必須依賴路由功能，而傳統(tǒng)的路由器由于其自身低速，復(fù)雜等局限性，很容易成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸使以太網(wǎng)的優(yōu)勢難以發(fā)揮，第三層交換技術(shù)的出現(xiàn)克服了傳統(tǒng)路由的缺點，可以解決這個難題。

2  第三層交換技術(shù)發(fā)展的必要性

    傳統(tǒng)路由器的主要功能是實現(xiàn)路由選擇與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，即通過一定途徑獲得子網(wǎng)的拓撲信息與各物理線路的網(wǎng)絡(luò)特性，并通過一定的路由算法得到到達各子網(wǎng)的最佳路徑。建立相應(yīng)的路由表，從而將每個IP包跳到跳（hop to hop）傳到目的地；其次，它必須處理不同的鏈路協(xié)議。IP包途經(jīng)每個路由器時，需經(jīng)過排隊、協(xié)議處理和尋址選擇路由等軟件處理環(huán)節(jié)，造成延時增大。同時路由器采用共享總線方式，總的吞吐量受到限制，當(dāng)用戶數(shù)量增大時，每個用戶的接入速率降低。路由器更注重對多種介質(zhì)類型和多種傳輸速度的支持，而目前數(shù)據(jù)緩沖和轉(zhuǎn)換能力比線速吞吐能力和低時延更為重要。

    與路由技術(shù)相比，交換技術(shù)的好處就是速度快，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大時，高速、大容量路由器是十分必要的。另一方面，由于現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)大都采用光纖技術(shù)，所以目前數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的主要瓶頸是結(jié)點路由器。現(xiàn)在的第三層交換、路由交換或其他相關(guān)名詞都是這種思路的體現(xiàn)。雖然第三層交換最初是為了局域網(wǎng)而設(shè)計的，它采用目的IP地址進行交換，但是現(xiàn)在這種技術(shù)也已經(jīng)開始在廣域網(wǎng)中使用。它不需要將廣播封包擴散，而是直接利用動態(tài)建立的MAC地址來通信，如IP地址、ARP等，具有多路廣播和虛擬網(wǎng)間基于IP和IPX等協(xié)議的路由功能。這方面功能的順利實現(xiàn)，主要依靠專用集成電路ASIC把傳統(tǒng)路由軟件處理的指令改為ASIC芯片的嵌入式指令，從而加速了對包的存儲轉(zhuǎn)發(fā)和過濾，使得高速下的線性路由和服務(wù)質(zhì)量都有了很高的保證。

3  第三層交換技術(shù)的基本原理及結(jié)構(gòu)框架

3.1  第三層交換技術(shù)的基本原理

    第三層交換是在網(wǎng)絡(luò)交換機中引入路由模塊而取代傳統(tǒng)路由器實現(xiàn)交換與路由相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它根據(jù)實際應(yīng)用時的情況，靈活地在網(wǎng)絡(luò)第二層或者第三層進行網(wǎng)絡(luò)分段。具有三層交換功能的設(shè)備是一個帶有第三層路由功能的第二層交換機，但它是二者的有機結(jié)合，并不是簡單地把路由器設(shè)備的硬件及軟件疊加在局域網(wǎng)交換機上。

    第三層交換機的設(shè)計基于對IP路由的仔細分析，把IP路由中每個報文都必須經(jīng)過的過程提取出來，這個過程是十分簡化的過程。IP路由中絕大多數(shù)報文是不包含選項的報文，因此在多數(shù)情況下處理報文IP選項的工作是多余的。不同網(wǎng)絡(luò)的報文長度是不同的，為了適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)，IP要實現(xiàn)報文分片的功能，但是在全以太網(wǎng)的環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)的幀長度是固定的，因此報文分片也是一個可以省略的工作。第三層交換技術(shù)沒有采用路由器的最長地址掩碼匹配的方法，而是使用了精確地址匹配的方法處理，這樣，有利于硬件實現(xiàn)快速查找。它采用了使用高速緩存的方法，把最近經(jīng)常使用的主機路由放到了硬件查找表中，只有在這個高速緩存中無法匹配的項目才會通過軟件去轉(zhuǎn)發(fā)。在存儲轉(zhuǎn)發(fā)過程中使用了流交換方式，在流交換中，分析第一個報文確定其是否表示了一個流或者一組具有相同源地址和目的地址的報文。如果第一個報文具有了正確的特征，則該標(biāo)識流中的后續(xù)報文將擁有相同的優(yōu)先權(quán)，同一流中的后續(xù)報文被交換到基于第二層的目的地址上，現(xiàn)在的三層交換機為了實現(xiàn)高速交換，都采用流交換方式，其在IP路由的處理上進行了改進，實現(xiàn)了簡化的IP轉(zhuǎn)發(fā)流程，利用專用的ASIC芯片實現(xiàn)硬件的轉(zhuǎn)發(fā)，這樣絕大多數(shù)的報文處理都可以在硬件中實現(xiàn)了，只有極少數(shù)報文才需要使用軟件轉(zhuǎn)發(fā)，整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)性能能夠得以成千倍地增加，相同性能的設(shè)備在成本上也得到大幅度下降。

     每個VLAN對應(yīng)一個IP網(wǎng)段。在二層上，VLAN之間是隔離的，這點跟二層交換機中交換引擎的功能是一模一樣的。不同IP 網(wǎng)段之間的訪問要跨越VLAN，要使用三層轉(zhuǎn)發(fā)引擎提供的VLAN間路由功能。在使用二層交換機和路由器的組網(wǎng)中，每個需要與其他IP網(wǎng)段通信的IP網(wǎng)段都需要使用一個路由器接口作為網(wǎng)關(guān)。而第三層轉(zhuǎn)發(fā)引擎就相當(dāng)于傳統(tǒng)組網(wǎng)中的路由器，當(dāng)需要與其他VLAN通信時也要在三層交換引擎上分配一個路由接口，用來做VLAN的網(wǎng)關(guān)。三層交換機上的這個路由接口是在三層轉(zhuǎn)發(fā)引擎和二層轉(zhuǎn)發(fā)引擎上的，是通過配置轉(zhuǎn)發(fā)芯片來實現(xiàn)的，與路由器的接口不同，它是不可見的。下面舉個例子來說明通信過程，假設(shè)兩個使用IP協(xié)議的站點A和B，通過第三層交換機進行通信，發(fā)送站A在開始發(fā)送時，把自己的IP地址與B站的IP地址比較，判斷B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)，則進行二層的轉(zhuǎn)發(fā)，若兩個站點不在同一子網(wǎng)內(nèi)，如發(fā)送站A要與目的站B通信，發(fā)送站A要向三層交換機的三層交換模塊發(fā)出ARP（地址解析）封包。當(dāng)發(fā)送站A對三層交換模塊的IP地址廣播出一個ARP請求時，如果三層交換模塊在以前的通信過程中已經(jīng)知道B站的MAC地址，則向發(fā)送站A回復(fù)B的MAC地址，否則三層交換模塊根據(jù)路由信息向B站廣播一個ARP請求，B站得到此ARP請求后向三層交換模塊回復(fù)其MAC地址，三層交換模塊保存此地址并回復(fù)給發(fā)送站A，同時將B站的MAC地址發(fā)送到二層交換引擎的MAC地址表中。從這以后，A向B發(fā)送的數(shù)據(jù)包便全部交給二層交換處理，信息得以高速交換。可見由于僅僅在路由過程中才需要三層處理，絕大部分數(shù)據(jù)都通過二層交換轉(zhuǎn)發(fā)，三層交換機的速度很快，接近二層交換機的速度。

3.2  第三層交換技術(shù)的簡單拓撲結(jié)構(gòu)

    第三層交換機的典型工作原理如圖1所示，其中所用連接到骨干交換機的設(shè)備有服務(wù)器，交換機，集線器，工作站等。

    圖1是一個三級交換結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)。其中核心交換機是一臺第三層交換機，通過它來劃分兩個不同的功能的邏輯子網(wǎng)，實現(xiàn)不同VLAN間的通信。從圖1可以看出，在同一個VLAN虛擬子網(wǎng)內(nèi)部三層交換機僅具有二層交換的功能，以保證傳輸速度的要求，而在不同的VLAN子網(wǎng)之間，三層交換機還起三層交換的作用，能正確地進行ARP解析，以保證數(shù)據(jù)流的正確傳輸，同時它還支持組播、幀和包過濾、流量計算等功能，以確保安全性能與用戶需求。

 
圖1  第三層交換機典型應(yīng)用

4  第三層交換技術(shù)VLAN間路由配置實例

    本例主要是采用直連路由連接不同VLAN的方式，系統(tǒng)主要以華為技術(shù)有限公司的Quidway S3526三層交換機為實體進行配置，以下是主要配置步驟：

(1)  配置VLAN：配置VLAN間路由，首先按照網(wǎng)絡(luò)的路由規(guī)劃將VLAN劃分配置好，如圖2所示。

 
圖2  VLAN的基本配置

 ? 準(zhǔn)備劃分VLAN A，給VLAN A指定包含端口。
    Quidway (config)#vlan A

 ?  VLAN A包含所配置交換機的以太網(wǎng)端口1到以太網(wǎng)端口10。
    Quidway (config-vlan A)#port e0/1 to e0/10

 ? 準(zhǔn)備劃分VLAN B，給VLAN B指定包含端口。
    Quidway (config-vlan A)#vlan B

 ? VLAN B包含所配置交換機的以太網(wǎng)端口11到以太網(wǎng)端口20。
    Quidway (config-vlan B)#port e0/11 to e0/20

(2)  給VLAN配置路由接口：配置好VLAN后，各個VLAN的流量在二層上已經(jīng)隔離，在需要與其他VLAN通信的VLAN上配置路由接口。

 ? 進入VLAN A的配置模式。
    Quidway (config)#vlan A

 ? VLAN A包含所配置交換機的以太網(wǎng)端口1到以太網(wǎng)端口10。
    Quidway (config-vlan A)#port e0/1 to e0/10

 ? 為VLAN A創(chuàng)建路由接口。
    Quidway (config-vlan A)#interface vlan A

 ? 給VLAN A的路由接口指定IP地址。
    Quidway (config-if-vlan A)#ip address 1.1.1.254 255.255.255.0

 ? 進入VLAN B的配置模式。
    Quidway (config-if-vlan A)#vlan B

 ? VLAN B包含所配置交換機的以太網(wǎng)端口11到以太網(wǎng)端口20。
    Quidway (config-vlan B)#port e0/11 to e0/20

 ? 為VLAN B創(chuàng)建路由接口。
    Quidway (config-vlan B)#interface vlan B

 ? 給VLAN B的路由接口指定IP地址。
    Quidway (config-if-vlan B)#ip address 2.2.2.254 255.255.255.0

 ? 配置完成。
    Quidway (config-if-vlan B)#exit

(3)  給主機配置默認網(wǎng)關(guān)：在主機上配置主機的默認網(wǎng)關(guān)，將默認網(wǎng)關(guān)指向所在VLAN三層交換機上的接口地址。配置完以上項目后，可以使用ping等工具測試網(wǎng)絡(luò)是否聯(lián)通。

5  第三層交換技術(shù)的優(yōu)點和實用價值

    交換技術(shù)提供網(wǎng)絡(luò)的基本業(yè)務(wù)：交換虛電路和永久虛電路及其他補充業(yè)務(wù)，如用戶群、網(wǎng)路用戶識別等；在端到端計算機之間通信時，能進行路由選擇以及流量控制，并能提供多種通信規(guī)程如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、維護運行、故障診斷、計費與一些網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計等。三層交換技術(shù)除了優(yōu)異的性能之外，其中的關(guān)鍵設(shè)備三層交換機相對于傳統(tǒng)的二層交換機還有更優(yōu)異的特性，這些特性可以給局域網(wǎng)、城域網(wǎng)等的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)帶來更多優(yōu)勢。

(1)  高擴充性

    三層交換機在連接多個子網(wǎng)時，子網(wǎng)只是與第三層交換模塊建立邏輯連接，不像傳統(tǒng)外接路由器那樣需要增加端口，而是預(yù)留各種擴展模塊接口，在網(wǎng)絡(luò)擴展時，可以插上模塊來擴充，從而保護了用戶對局域網(wǎng)、城域網(wǎng)等的設(shè)備投資，并滿足企業(yè)網(wǎng)絡(luò)不斷擴充的需要。

(2)  高性價比

    三層交換機具有連接大型網(wǎng)絡(luò)的能力，功能基本上可以取代某些傳統(tǒng)路由器，但是價格比傳統(tǒng)路由器低，僅接近二層交換機。

(3)  支持的協(xié)議靈活，兼容性好

    在局域網(wǎng)中三層交換機能夠支持IP協(xié)議、IPX協(xié)議，基本上可以滿足要求，對于路由協(xié)議需要仔細選擇，既要考慮是否支持RIP這類小型網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，也要考慮是否支持OSPF這類大中型網(wǎng)絡(luò)適用的路由協(xié)議。同時三層交換機在大中型網(wǎng)絡(luò)中也有802.1d協(xié)議的支持而能保證網(wǎng)絡(luò)的健壯性。802.1d協(xié)議指的是生成樹(Spanning Tree)協(xié)議，在大中型網(wǎng)絡(luò)中，往往來用冗余鏈路的方式保證網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通，即為了防止網(wǎng)絡(luò)中斷，一個子網(wǎng)連接到網(wǎng)絡(luò)主干的路徑有多個，但是這樣就會形成環(huán)路，使數(shù)據(jù)總是在網(wǎng)絡(luò)中循環(huán)，從而阻塞網(wǎng)絡(luò)，而采用生成樹協(xié)議之后，交換機就能夠檢測并且消除網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的邏輯環(huán)路，既不破壞冗余又保證了網(wǎng)絡(luò)的性能。

(4)  提高安全性

    在網(wǎng)絡(luò)中，對于所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，出于安全考慮，需要根據(jù)很多規(guī)則對數(shù)據(jù)進行過濾，確保只有符合規(guī)則的數(shù)據(jù)包才能通過第三層交換機，由于不同VLAN間的通信及數(shù)據(jù)傳輸都要經(jīng)過交換機，交換機可以采取各種安全限制手段，而且現(xiàn)在的第三層交換機支持訪問控制列表，能迅速地對所有數(shù)據(jù)包進行過濾。

6  第三層交換技術(shù)的應(yīng)用方向

    第三層交換機的應(yīng)用很簡單，主要用途是代替?zhèn)鹘y(tǒng)路由器作為網(wǎng)絡(luò)的核心。因此，凡是沒有廣域網(wǎng)連接需求，同時又需要路由器的地方，都可以用第三層交換機來取代。在企業(yè)網(wǎng)和校園網(wǎng)中，一般會將第三層交換機用在網(wǎng)絡(luò)的核心層，用第三層交換機上的千兆位端口或百兆位端口連接不同的子網(wǎng)或VLAN。這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對簡單，結(jié)點數(shù)相對較少；另外，也不需要較多的控制功能，并且成本較低。其主要應(yīng)用包括下面幾個方面：

(1)  作為網(wǎng)絡(luò)的骨干交換機

    第三層交換機一般用于網(wǎng)絡(luò)的骨干交換機和服務(wù)器群交換機，也可作為網(wǎng)絡(luò)結(jié)點交換機。在網(wǎng)絡(luò)中，同其他以太網(wǎng)交換機配合使用，網(wǎng)絡(luò)管理員能構(gòu)造無縫的10/100/1000(Mb/s)以太網(wǎng)交換系統(tǒng)，為整個信息系統(tǒng)提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。這樣的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，同時還具有可伸縮性和基于策略的QoS（質(zhì)量服務(wù)）等功能。

(2)  支持鏈路聚合的Port Trunk技術(shù)

    在應(yīng)用中，經(jīng)常有以太網(wǎng)交換機相互連接或以太網(wǎng)交換機與服務(wù)器互聯(lián)的情況，其中互聯(lián)用的單根連線往往會成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。采用Port Trunk技術(shù)能將若干條相同的源交換機與目的交換機的以太網(wǎng)連接線從邏輯上看成一條連接線。這樣既保證局域網(wǎng)不會出現(xiàn)環(huán)路，同時也有效地加大了連接帶寬。性能良好的第三層交換機全面支持Port Trunk技術(shù)，有效地滿足了企業(yè)局域網(wǎng)對連接帶寬的要求。

(3)  實現(xiàn)組播和自學(xué)

    一些第三層除了支持動態(tài)路由協(xié)議RIP和OSPF外，針對日漸流行的多點組播的需求，還能夠?qū)嵤┗跇?biāo)準(zhǔn)的多點組播協(xié)議，如距離矢量多點組播路由協(xié)議DVMRP、PIM等。

7  結(jié)語

    雖然第三層交換機本身所具有的協(xié)議依賴性。其中大多數(shù)仍然需要路由器來完成一些高端路由功能。如充當(dāng)VLAN到WAN的網(wǎng)關(guān)及其他更復(fù)雜的路由要求。因此路由器和第三層交換機都要維持路由表，這顯然增加了網(wǎng)絡(luò)管理