網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概念辨析：交換 路由與第三層交換

　　為了適應網(wǎng)絡(luò)應用深化帶來的挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)在規(guī)模和速度方向都在急劇發(fā)展，局域網(wǎng)的速度已從最初的10Mbit/s提高到100Mbit/s，目前千兆以太網(wǎng)技術(shù)已得到普遍應用。

　　在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面也從早期的共享介質(zhì)的局域網(wǎng)發(fā)展到目前的交換式局域網(wǎng)。交換式局域網(wǎng)技術(shù)使專用的帶寬為用戶所獨享，極大的提高了局域網(wǎng)傳輸?shù)男�率。可以說，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。但是，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。在這種情況下，一種新的路由技術(shù)應運而生，這就是第三層交換技術(shù)：說它是路由器，因為它可操作在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的第三層，是一種路由理解設(shè)備并可起到路由決定的作用;說它是交換器，是因為它的速度極快，幾乎達到第二層交換的速度。二層交換機、三層交換機和路由器這三種技術(shù)究竟誰優(yōu)誰劣，它們各自適用在什么環(huán)境?為了解答這問題，我們先從這三種技術(shù)的工作原理入手：

　　1.二層交換技術(shù)

　　二層交換機是數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)備，它能夠讀取數(shù)據(jù)包中的MAC地址信息并根據(jù)MAC地址來進行交換。

　　交換機內(nèi)部有一個地址表，這個地址表標明了MAC地址和交換機端口的對應關(guān)系。當交換機從某個端口收到一個數(shù)據(jù)包，它首先讀取包頭中的源MAC地址，這樣它就知道源MAC地址的機器是連在哪個端口上的，它再去讀取包頭中的目的MAC地址，并在地址表中查找相應的端口，如果表中有與這目的MAC地址對應的端口，則把數(shù)據(jù)包直接復制到這端口上，如果在表中找不到相應的端口則把數(shù)據(jù)包廣播到所有端口上，當目的機器對源機器回應時，交換機又可以學習一目的MAC地址與哪個端口對應，在下次傳送數(shù)據(jù)時就不再需要對所有端口進行廣播了。

　　二層交換機就是這樣建立和維護它自己的地址表。由于二層交換機一般具有很寬的交換總線帶寬，所以可以同時為很多端口進行數(shù)據(jù)交換。如果二層交換機有N個端口，每個端口的帶寬是M，而它的交換機總線帶寬超過N×M，那么這交換機就可以實現(xiàn)線速交換。二層交換機對廣播包是不做限制的，把廣播包復制到所有端口上。

　　二層交換機一般都含有專門用于處理數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的ASIC (Application specific Integrated Circuit)芯片，因此轉(zhuǎn)發(fā)速度可以做到非�？�。

　　2.路由技術(shù)

　　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。

　　路由器內(nèi)部有一個路由表，這表標明了如果要去某個地方，下一步應該往哪走。路由器從某個端口收到一個數(shù)據(jù)包，它首先把鏈路層的包頭去掉(拆包)，讀取目的IP地址，然后查找路由表，若能確定下一步往哪送，則再加上鏈路層的包頭(打包)，把該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出去;如果不能確定下一步的地址，則向源地址返回一個信息，并把這個數(shù)據(jù)包丟掉。

　　路由技術(shù)和二層交換看起來有點相似，其實路由和交換之間的主要區(qū)別就是交換發(fā)生在OSI參考模型的第二層(數(shù)據(jù)鏈路層)，而路由發(fā)生在第三層。這一區(qū)別決定了路由和交換在傳送數(shù)據(jù)的過程中需要使用不同的控制信息，所以兩者實現(xiàn)各自功能的方式是不同的。

　　路由技術(shù)其實是由兩項最基本的活動組成，即決定最優(yōu)路徑和傳輸數(shù)據(jù)包。其中，數(shù)據(jù)包的傳輸相對較為簡單和直接，而路由的確定則更加復雜一些。路由算法在路由表中寫入各種不同的信息，路由器會根據(jù)數(shù)據(jù)包所要到達的目的地選擇最佳路徑把數(shù)據(jù)包發(fā)送到可以到達該目的地的下一臺路由器處。當下一臺路由器接收到該數(shù)據(jù)包時，也會查看其目標地址，并使用合適的路徑繼續(xù)傳送給后面的路由器。依次類推，直到數(shù)據(jù)包到達最終目的地。

　　路由器之間可以進行相互通訊，而且可以通過傳送不同類型的信息維護各自的路由表。路由更新信息主是這樣一種信息，一般是由部分或全部路由表組成。通過分析其它路由器發(fā)出的路由更新信息，路由器可以掌握整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。鏈路狀態(tài)廣播是另外一種在路由器之間傳遞的信息，它可以把信息發(fā)送方的鏈路狀態(tài)及進的通知給其它路由器。

　　3.三層交換技術(shù)

　　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，但它是二者的有機結(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)交換機上。

　　從硬件上看，第二層交換機的接口模塊都是通過高速背板/總線(速率可高達幾十Gbit/s)交換數(shù)據(jù)的，在第三層交換機中，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。在軟件方面，第三層交換機也有重大的舉措，它將傳統(tǒng)的基于軟件的路由器軟件進行了界定。

　　其做法是：

　　對于數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)：如IP/IPX包的轉(zhuǎn)發(fā)，這些規(guī)律的過程通過硬件得以高速實現(xiàn)。

　　對于第三層路由軟件：如路由信息的更新、路由表維護、路由計算、路由的確定等功能，用優(yōu)化、高效的軟件實現(xiàn)。

　　假設(shè)兩個使用IP協(xié)議的機器通過第三層交換機進行通信的過程，機器A在開始發(fā)送時，已知目的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MAC地址。機器A把自己的IP地址與目的IP地址比較，從其軟件中配置的子網(wǎng)掩碼提取出網(wǎng)絡(luò)地址來確定目的機器是否與自己在同一子網(wǎng)內(nèi)。若目的機器B與機器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得到目的機器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。若兩個機器不在同一子網(wǎng)內(nèi)，如發(fā)送機器A要與目的機器C通信，發(fā)送機器A要向“缺省網(wǎng)關(guān)”發(fā)出ARP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地址實際上對應第三層交換機的第三層交換模塊。所以當發(fā)送機器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機器C的MAC地址，則向發(fā)送機器A回復C的MAC地址;否則第三層交換模塊根據(jù)路由信息向目的機器廣播一個ARP請求，目的機器C得到此ARP請示后向第三層交換模塊回復其MAC地址，第三層交換模塊保存此地址并回復給發(fā)送機器A。以后，當再進行A與C之間數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)進，將用最終的目的機器的MAC地址封裝，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。既所謂的一次選路，多次交換。

　　第三層交換具有以下突出特點：

　　有機的硬件結(jié)合使得數(shù)據(jù)交換加速;

　　優(yōu)化的路由軟件使得路由過程效率提高;

　　除了必要的路由決定過程外，大部分數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程由第二層交換處理;

　　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，保護了用戶的投資。

　　4.三種技術(shù)的對比

　　可以看出，二層交換機主要用在小型局域網(wǎng)中，機器數(shù)量在二、三十臺以下，這樣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，廣播包影響不大，二層交換機的快速交換功能、多個接入端口和低廉價格為小型網(wǎng)絡(luò)用戶提供了很完善的解決方案。在這種小型網(wǎng)絡(luò)中根本沒必要引入路由功能從而增加管理的難度和費用，所以沒有必要使用路由器，當然也沒有必要使用三層交換機。

　　三層交換機是為IP設(shè)計的，接口類型簡單，擁有很強二層包處理能力，所以適用于大型局域網(wǎng)，為了減小廣播風暴的危害，必須把大型局域網(wǎng)按功能或地域等因素劃他成一個一個的小局域網(wǎng)，也就是一個一個的小網(wǎng)段，這樣必然導致不同網(wǎng)段這間存在大量的互訪，單純使用二層交換機沒辦法實現(xiàn)網(wǎng)間的互訪而單純使用路由器，則由于端口數(shù)量有限，路由速度較慢，而限制了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和訪問速度，所以這種環(huán)境下，由二層交換技術(shù)和路由技術(shù)有機結(jié)合而成的三層交換機就最為適合。

　　路由器端口類型多，支持的三層協(xié)議多，路由能力強，所以適合于在大型網(wǎng)絡(luò)之間的互連，雖然不少三層交換機甚至二層交換機都有異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的互連端口，但一般大型網(wǎng)絡(luò)的互連端口不多，互連設(shè)備的主要功能不在于在端口之間進行快速交換，而是要選擇最佳路徑，進行負載分擔，鏈路備份和最重要的與其它網(wǎng)絡(luò)進行路由信息交換，所有這些都是路由完成的功能。

　　在這種情況下，自然不可能使用二層交換機，但是否使用三層交換機，則視具體情況而下。影響的因素主要有網(wǎng)絡(luò)流量、響應速度要求和投資預算等。三層交換機的最重要目的是加快大型局域網(wǎng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換，揉合進去的路由功能也是為這目的服務(wù)的，所以它的路由功能沒有同一檔次的專業(yè)路由器強。在網(wǎng)絡(luò)流量很大的情況下，如果三層交換機既做網(wǎng)內(nèi)的交換，又做網(wǎng)間的路由，必然會大大加重了它的負擔，影響響應速度。在網(wǎng)絡(luò)流量很大，但又要求響應速度很高的情況下由三層交換機做網(wǎng)內(nèi)的交換，由路由器專門負責網(wǎng)間的路由工作，這樣可以充分發(fā)揮不同設(shè)備的優(yōu)勢，是一個很好的配合。當然，如果受到投資預算的限制，由三層交換機兼做網(wǎng)間互連，也是個不錯的選擇。