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      1. 詳析三層交換原理

        時間:2024-07-28 22:01:30 藹媚 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 我要投稿
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        詳析三層交換原理

          三層交換原理一直是許多讀者朋友最難理解的,在日常的讀者交流中也經(jīng)常見到有讀者提出這方面的問題,特別是三層交換與路由原理方面的區(qū)別與聯(lián)系。下面就跟小編一起了解一下三層交換機(jī)的原理吧!

          三層交換原理

          二層交換機(jī)的二層數(shù)據(jù)交換一般都是使用ASIC(Application Specific Integrated Circuit ,專用集成電路)的硬件芯片中的CAM表來實(shí)現(xiàn)的,因?yàn)槭怯布D(zhuǎn)發(fā),所以轉(zhuǎn)發(fā)性能非常高。而三層交換機(jī)的三層轉(zhuǎn)發(fā)也是依靠ASIC芯片完成的(路由器的路由功能主要依靠CPU軟件進(jìn)行的),但其中除了二層交換用的CAM表外,還保存有專門用于三層轉(zhuǎn)發(fā)的三層硬件轉(zhuǎn)發(fā)表。

          三層交換機(jī)的三層交換原理比較復(fù)雜,不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下、不同廠家的三層交換機(jī)的三層交換流程都不完全相同。如圖7-55所示的僅一個直接連接在一臺三層交換機(jī)上的兩個不同網(wǎng)段主機(jī)三層交換的基本流程,各主要步驟解釋如下:

          (1)源主機(jī)在發(fā)起通信之前,將自己的IP地址與目的主機(jī)的IP地址進(jìn)行比較,如果源主機(jī)判斷目的主機(jī)與自己位于不同網(wǎng)段時,它需要通過網(wǎng)關(guān)來遞交報文的,所以它首先需要通過一個ARP請求報文獲取網(wǎng)關(guān)的MAC地址(在源主機(jī)不知道網(wǎng)關(guān)MAC地址的情形下),即源主機(jī)先發(fā)送ARP請求幀以獲取網(wǎng)關(guān)IP地址對應(yīng)的MAC地址。

          (2)網(wǎng)關(guān)在收到源主機(jī)發(fā)來的ARP請求報文后以一個ARP應(yīng)答報文進(jìn)行回應(yīng),在應(yīng)答報文中的“源MAC地址”就包含了網(wǎng)關(guān)的MAC地址。

          (3)在得到網(wǎng)關(guān)的ARP應(yīng)答后,源主機(jī)再用網(wǎng)關(guān)MAC地址作為報文的“目的MAC地址”,以源主機(jī)的IP地址作為報文的“源IP地址”,以目的主機(jī)的IP地址作為“目的IP地址”,先把發(fā)送給目的主機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)給網(wǎng)關(guān)。

          三層交換基本流程

          (4)網(wǎng)關(guān)在收到源主機(jī)發(fā)送給目的主機(jī)的數(shù)據(jù)后,由于查看得知源主機(jī)和目的主機(jī)的IP地址不在同一網(wǎng)段,于是把數(shù)據(jù)報上傳到三層交換引擎(ASIC芯片),在里面查看有無目的主機(jī)的三層轉(zhuǎn)發(fā)表。

          (5)如果在三層硬件轉(zhuǎn)發(fā)表中沒有找到目的主機(jī)的對應(yīng)表項(xiàng),則向CPU請求查看軟件路由表,如果有目的主機(jī)所在網(wǎng)段的路由表項(xiàng),則還需要得到目的主機(jī)的MAC地址,因?yàn)閿?shù)據(jù)包在鏈路層是要經(jīng)過幀封裝的。于是三層交換機(jī)CPU向目的主機(jī)所在網(wǎng)段發(fā)送一個ARP廣播請求包,以獲得目的主機(jī)MAC地址。

          (6)交換機(jī)獲得目的主機(jī)MAC地址后,向ARP表中添加對應(yīng)的表項(xiàng),并轉(zhuǎn)發(fā)由源主機(jī)到達(dá)目的主機(jī)的靈氣包。同時三層交換機(jī)三層引擎會結(jié)合路由表生成目的主機(jī)的三層硬件轉(zhuǎn)發(fā)表。

          以后到達(dá)目的主機(jī)的數(shù)據(jù)包就可以直接利用三層硬件轉(zhuǎn)發(fā)表中的轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,不用再查看CPU中的路由表了。

          以上流程適用位于不同VLAN(網(wǎng)段)中的主機(jī)互訪時屬于這種情況,這時用于互連的交換機(jī)作三層交換轉(zhuǎn)發(fā)。這就是“一次路由,多次交換”的原理。

          三層交換機(jī)簡介

          三層交換機(jī)就是具有部分路由器功能的交換機(jī),工作在OSI網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)模型的第三層:網(wǎng)絡(luò)層。三層交換機(jī)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,所具有的路由功能也是為這目的服務(wù)的,能夠做到一次路由,多次轉(zhuǎn)發(fā)。

          對于數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)等規(guī)律性的過程由硬件高速實(shí)現(xiàn),而像路由信息更新、路由表維護(hù)、路由計(jì)算、路由確定等功能,由軟件實(shí)現(xiàn)。

          運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)理

          局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi),三層交換機(jī)依循了如下的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)理:變更了路由軟件依循的舊式指令,增添了ASIC特有的嵌入芯片并以此來設(shè)定指令。借助于硬件來查驗(yàn)現(xiàn)存的路由表,擁有刷新的特性。在數(shù)據(jù)傳遞的流程中,端口芯片接納并辨識了某一信息,二層芯片辨析了對應(yīng)的獨(dú)特地址。若查驗(yàn)獲取了明確的地址,則再次予以轉(zhuǎn)發(fā);若沒能查找到,則信息被調(diào)配至后續(xù)的引擎。

          第三層引擎之內(nèi),路由表關(guān)聯(lián)著的信息可被查驗(yàn)出來,它匹配了初始的IP;數(shù)據(jù)包被發(fā)送至裝置內(nèi)的主機(jī),獲取了精準(zhǔn)的MAC。這些流程終結(jié)以后,MAC再次被發(fā)送,二層芯片予以轉(zhuǎn)發(fā)。由此可見,三層交換機(jī)提快了常態(tài)情形的交換速率,從速率來看它很近似二層的架構(gòu),并且縮減了選購路由器耗費(fèi)的支出。

          相比較而言,二層交換機(jī)借助于封包擴(kuò)散來傳遞廣播,但三層交換機(jī)則能辨識額外信息,例如ARP及某一地址。在此狀態(tài)下,三層交換機(jī)解析了各方位的廣播包,滿足快速要求,不必真正去擴(kuò)散預(yù)設(shè)的廣播包。這種設(shè)計(jì)路徑可以細(xì)分現(xiàn)有的虛擬子網(wǎng),依托于三層路由以便傳遞子網(wǎng)彼此的信息, 通信將更為便捷。

          應(yīng)用目的

          1、網(wǎng)絡(luò)骨干

          要說三層交換機(jī)在諸多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的作用,用“中流砥柱”形容并不為過。在校園網(wǎng)、城域教育網(wǎng)中,從骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)骨干、匯聚層都有三層交換機(jī)的用武之地,尤其是核心骨干網(wǎng)一定要用三層交換機(jī),否則整個網(wǎng)絡(luò)成千上萬臺的計(jì)算機(jī)都在一個子網(wǎng)中,不僅毫無安全可言,也會因?yàn)闊o法分割廣播域而無法隔離廣播風(fēng)暴。

          如果采用傳統(tǒng)的路由器,雖然可以隔離廣播,但是性能又得不到保障。而三層交換機(jī)的性能非常高,既有三層路由的功能,又具有二層交換的網(wǎng)絡(luò)速度。二層交換是基于MAC尋址,三層交換則是轉(zhuǎn)發(fā)基于第三層地址的業(yè)務(wù)流;除了必要的路由決定過程外,大部分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程由二層交換處理,提高了數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的效率。

          三層交換機(jī)通過使用硬件交換機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了IP的路由功能,其優(yōu)化的路由軟件使得路由過程效率提高,解決了傳統(tǒng)路由器軟件路由的速度問題。因此可以說,三層交換機(jī)具有“路由器的功能、交換機(jī)的性能”。

          2、連接子網(wǎng)

          同一網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算機(jī)如果超過一定數(shù)量(通常在200臺左右,視通信協(xié)議而定),就很可能會因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)上大量的廣播而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸效率低下。為了避免在大型交換機(jī)上進(jìn)行廣播所引起的廣播風(fēng)暴,可將其進(jìn)一步劃分為多個虛擬網(wǎng)(VLAN)。但是這樣做將導(dǎo)致一個問題:VLAN之間的通信必須通過路由器來實(shí)現(xiàn)。但是傳統(tǒng)路由器也難以勝任VLAN之間的通信任務(wù),因?yàn)橄鄬τ诰钟蚓W(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)流量來說,傳統(tǒng)的普通路由器的路由能力太弱。

          而且千兆級路由器的價格也是非常難以接受的。如果使用三層交換機(jī)上的千兆端口或百兆端口連接不同的子網(wǎng)或VLAN,就在保持性能的前提下,經(jīng)濟(jì)地解決了子網(wǎng)劃分之后子網(wǎng)之間必須依賴路由器進(jìn)行通信的問題,因此三層交換機(jī)是連接子網(wǎng)的理想設(shè)備。

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