第三层交换技术实现VLAN间通信

2019-11-05 02:11:20

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供稿：网友

引言

    随着信息技术的飞速发展，非凡是计算机技术和网络技术的不断完善，人们对网络的传输要求也越来越高，在竞争中以太网以其传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势脱颖而出成为现代企业网络的首选，VLAN技术的出现很好地解决了网络信息过载的问题，但是由于不同VLAN之间的通信必须依靠路由功能，而传统的路由器由于其自身低速，复杂等局限性，很轻易成为网络的瓶颈使以太网的优势难以发挥，第三层交换技术的出现克服了传统路由的缺点比较满足地解决这个难题。

    1．第三层交换技术发展的必要性

    传统路由器的主要功能是实现路由选择与网络互联，即通过一定途径获得子网的拓扑信息与各物理线路的网络特性，并通过一定的路由算法得到到达各子网的最佳路径。建立相应的路由表，从而将每个ip包跳到跳（hoptohop）传到目的地；其次，它必须处理不同的链路协议。IP包途经每个路由器时，需经过排队、协议处理和寻址选择路由等软件处理环节，造成延时增大。同时路由器采用共享总线方式，总的吞吐量受到限制，当用户数量增大时，每个用户的接入速率降低。路由器更注重对多种介质类型和多种传输速度的支持，而目前数据缓冲和转换能力比线速吞吐能力和低时延更为重要。

    与路由技术相比，交换技术的好处就是速度快，当网络规模很大时，高速、大容量路由器是十分必要的。另一方面，由于现代通信网络大都采用光纤技术，所以目前数据网络的主要瓶颈是结点路由器。现在的第三层交换、路由交换或其他相关名词都是这种思路的体现。虽然第三层交换最初是为了局域网而设计的，它采用目的IP地址进行交换，但是现在这种技术也已经开始在广域网中使用。它不需要将广播封包扩散，而是直接利用动态建立的MAC地址来通信，如IP地址、ARP等，具有多路广播和虚拟网间基于IP和IPX等协议的路由功能。这方面功能的顺利实现，主要依靠专用集成电路ASIC把传统路由软件处理的指令改为ASIC芯片的嵌入式指令，从而加速了对包的存储转发和过滤，使得高速下的线性路由和服务质量都有了很高的保证。

    2．第三层交换技术的基本原理及其结构框架

    2.1第三层交换技术的基本原理

    第三层交换是在网络交换机中引入路由模块而取代传统路由器实现交换与路由相结合的网络技术。它根据实际应用时的情况，灵活地在网络第二层或者第三层进行网络分段。具有三层交换功能的设备是一个带有第三层路由功能的第二层交换机，但它是二者的有机结合，并不是简单地把路由器设备的硬件及软件叠加在局域网交换机上。

    第三层交换机的设计基于对IP路由的仔细分析，把IP路由中每个报文都必须经过的过程提取出来，这个过程是十分简化的过程。IP路由中绝大多数报文是不包含选项的报文，因此在多数情况下处理报文IP选项的工作是多余的。不同网络的报文长度是不同的，为了适应不同的网络，IP要实现报文分片的功能，但是在全以太网的环境中，网络的帧长度是固定的，因此报文分片也是一个可以省略的工作。第三层交换技术没有采用路由器的最长地址掩码匹配的方法，而是使用了精确地址匹配的方法处理，这样，有利于硬件的实现快速查找。它采用了使用高速缓存的方法，把最近经常使用的主机路由放到了硬件查找表中，只有在这个高速缓存中无法匹配的项目才会通过软件去转发。在存储转发过程中使用了流交换方式，在流交换中，分析第一个报文确定其是否表示了一个流或者一组具有相同源地址和目的地址的报文。假如第一个报文具有了正确的特征，则该标识流中的后续报文将拥有相同的优先权，同一流中的后续报文被交换到基于第二层的目的地址上，现在的三层交换机为了实现高速交换，都采用流交换方式。其在IP路由的处理上进行了改进，实现了简化的IP转发流程，利用专用的ASIC芯片实现硬件的转发，这样绝大多数的报文处理都可以在硬件中实现了，只有极少数报文才需要使用软件转发，整个系统的转发性能能够得以成千倍地增加，相同性能的设备在成本上也得到大幅度下降。

    每个VLAN对应一个IP网段。在二层上，VLAN之间是隔离的，这点跟二层交换机中交换引擎的功能是一模一样的。不同IP网段之间的访问要跨越VLAN，要使用三层转发引擎提供的VLAN间路由功能。在使用二层交换机和路由器的组网中，每个需要与其他IP网段通信的IP网段都需要使用一个路由器接口作为网关。而第三层转发引擎就相当于传统组网中的路由器，当需要与其他VLAN通信时也要在三层交换引擎上分配一个路由接口，用来做VLAN的网关。三层交换机上的这个路由接口是在三层转发引擎和二层转发引擎上的，是通过配置转发芯片来实现的，与路由器的接口不同，它是不可见的。下面举个例子来说明通信过程。假设两个使用IP协议的站点A、B通过第三层交换机进行通信，发送站A在开始发送时，把自己的IP地址与B站的IP地址比较，判定B站是否与自己在同一子网内，若目的站B与发送站A在同一子网内，则进行二层的转发，若两个站点不在同一子网内，如发送站A要与目的站B通信，发送站A要向三层交换机的三层交换模块发出ARP(地址解析)封包。当发送站A对三层交换模块的IP地址广播出一个ARP请求时，假如三层交换模块在以前的通信过程中已经知道B站的MAC地址，则向发送站A回复B的MAC地址，否则三层交换模块根据路由信息向B站广播一个ARP请求，B站得到此ARP请求后向三层交换模块回复其MAC地址，三层交换模块保存此地址并回复给发送站A，同时将B站的MAC地址发送到二层交换引擎的MAC地址表中。从这以后，A向B发送的数据包便全部交给二层交换处理，信息得以高速交换。可见由于仅仅在路由过程中才需要三层处理，绝大部分数据都通过二层交换转发，三层交换机的速度很快，接近二层交换机的速度。

2.2第三层交换技术的简单拓扑结构

    所用连接到骨干交换机的设备有服务器、交换机、集线器、工作站等。其中核心交换机是一台第三层交换机，通过它来划分两个不同的功能的逻辑子网，实现不同VLAN间的通信。从图1可以看出，在同一个VIAN虚拟子网内部三层交换机仅具有二层交换的功能，以保证传输速度的要求，而在不同的VIAN子网之间，三层交换机还起三层交换的作用，能正确地进行ARP解析，以保证数据流的正确传输，同时它还支持组播、帧和包过滤、流量计算等功能，以确保安全性能与用户需求。

    3．第三层交换技术的优点和实用价值

交换技术提供网络的基本业务：交换虚电路和永久虚电路及其他补充业务,如用户群、网路用户识别等；在端到端计算机之间通信时，能进行路由选择以及流量控制，并能提供多种通信规程如数据转发、维护运行故障诊断、计费与一些网络的统计等三层交换技术除了优异的性能之外，其中的要害设备三层交换机相对于传统的二层交换机还有更优异的特性，这些特性可以给局域网、城域网等的网络建设带来更多优势。

    3.1高扩充性

    三层交换机在连接多个子网时，子网只是与第三层交换模块建立逻辑连接，不像传统外接路由器那样需要增加端口，而是预留各种扩展模块接口，在网络扩展时，可以插上模块来扩充，从而保护了用户对局域网、城域网等的设备投资，并满足企业网络不断扩充的需要。

    3.2高性价比

    三层交换机具有连接大型网络的能力，功能基本上可以取代某些传统路由器，但是价格比传统路由器低，仅接近二层交换机。

    3.3支持的协议灵活，兼容性好

    在局域网中三层交换机能够支持IP协议、IPX协议，基本上可以满足要求，对于路由协议需要仔细选择，既要考虑是否支持RIP这类小型网络的路由协议，也要考虑是否支持0SPF这类大中型网络适用的路由协议。同时三层交换机在大中型网络中也有802.1d协议的支持而能保证网络的健壮性。802.1d协议指的是生成树(SpanningTree)协议，在大中型网络中，往往来用冗余链路的方式保证网络的联通，即为了防止网络中断，一个子网连接到网络主干的路径有多个，但是这样就会形成环路，使数据总是在网络中循环，从而阻塞网络，而采用生成树协议之后，交换机就能够检测并且消除网络中出现的逻辑环路，既不破坏冗余又保证了网络的性能。

    3.4提高安全性

    在网络中，对于所传输的数据包，出于安全考虑，需要根据很多规则对数据进行过滤，确保只有符合规则的数据包才能通过第三层交换机，由于不同VLAN间的通信及数据传输都要经过交换机，交换机可以采取各种安全限制手段，而且现在的第三层交换机支持访问控制列表，能线速地对所有数据包进行过滤。

    4．第三层交换技术的应用方向

    第三层交换机的应用很简单，主要用途是代替传统路由器作为网络的核心。因此，凡是没有广域网连接需求，同时又需要路由器的地方，都可用第三层交换机来取代。在企业网和校园网中，一般会将第三层交换机用在网络的核心层，用第三层交换机上的千兆位端口或百兆位端口连接不同的子网或VLAN。这样的网络结构相对简单，结点数相对较少；另外，也需要较多的控制功能，并且成本较低。其主要应用包括下面几个方面：

    4.1作为网络的骨干交换机

    第三层交换机一般用于网络的骨干交换机和服务器群交换机，也可作为网络结点交换机。在网络中，同其他以太网交换机配合使用，网络治理员能构造无缝的10/100/1000(Mb/s)以太网交换系统，为整个信息系统提供统一的网络服务。这样的网络系统结构简单，同时还具有可伸缩性和基于策略的QoS（质量服务）等功能。

    4.2支持链路聚合的PortTrunk技术

    在应用中，经常有以太网交换机相互连接或以太网交换机与服务器互联的情况，其中互联用的单根连线往往会成为网络的瓶颈。采用PortTrunk技术能将若干条相同的源交换交换机与目的交换机的以太网连接线从逻辑上看成一条连接线。这样既保证局域网不会出现环路，同时也有效地加大了连接带宽。性能良好的第三层交换机全面支持PortTrunk技术，有效满足了企业局域网对连接带宽的要求。

    4.3实现组播和自学

    一些第三层除了支持动态路由协议RIP和OSPF外，针对日渐流行的多点组播的需求，还能够实施基于标准的多点组播协议，如距离矢量多点组播路由协议DVMRP、PIM等。

    结束语

    虽然第三层交换机本身具有协议依靠性。
其中大多数仍然需要路由器来完成一些高端路由功能。如充当VLAN到WAN的网关及其他更复杂的路由要求。因此路由器和第三层交换机都要维持路由表，这显然增加了网络治理的负担，并且由于我国通信基础设施比较薄弱，传统路由方式还将在今后较长时间内发挥一定的作用。但是作为一项新的技术其具有很强的生命力和可拓展性，第三层交换技术从概念的提出到今天的应用，虽然只经历了几年的时间，但其扩展功能不断丰富，随着ASIC硬件芯片技术的发展，第三层交换技术与产品将会得到进一步发展，并在LAN、MAN、WAN等网络交换中得到广泛应用。

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