【摘要】 三層交換是近年被廣泛應(yīng)用的新興網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以減少網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膹?fù)雜性、降低局域網(wǎng)組網(wǎng)成本，本文詳細(xì)介紹了三層交換的技術(shù)原理及其在中央電臺內(nèi)網(wǎng)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】 局域網(wǎng) 二層交換機(jī) 三層交換機(jī) 路由器

　　一．三層交換機(jī)產(chǎn)生的背景

　　隨著Internet的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也日新月異。以太網(wǎng)交換技術(shù)從二層交換逐漸發(fā)展到較成熟的三層交換，將來會發(fā)展到高層交換。三層交換技術(shù)是近年才出現(xiàn)的一種新型交換技術(shù)，最初是為了解決廣播域的問題。經(jīng)過多年發(fā)展，三層交換技術(shù)已經(jīng)成為構(gòu)建多業(yè)務(wù)融合網(wǎng)絡(luò)的主要力量。簡單地說，可以處理網(wǎng)絡(luò)第三層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的交換技術(shù)就是三層交換技術(shù)，其利用第三層的地址（如IP地址）實(shí)現(xiàn)報(bào)文的路由功能。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)段中各子網(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。

　　眾所周知，傳統(tǒng)的二層交換技術(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)行的，而三層交換技術(shù)是在網(wǎng)絡(luò)模型中的第三層—網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的高速轉(zhuǎn)發(fā)。簡單地說，三層交換技術(shù)就是：二層交換技術(shù)加三層轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。根據(jù)當(dāng)前流行的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，二層交換技術(shù)普遍應(yīng)用VLAN（虛擬局域網(wǎng))。它按照所接收到數(shù)據(jù)包的目的MAC地址來進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，對于網(wǎng)絡(luò)層或者高層協(xié)議來說是透明的。它不處理網(wǎng)絡(luò)層的IP地址，不處理高層協(xié)議中諸如TCP、UDP的端口地址，只需要數(shù)據(jù)包的物理地址即MAC地址，數(shù)據(jù)交換是靠硬件來實(shí)現(xiàn)的，轉(zhuǎn)發(fā)速度快，是二層交換的一個顯著的優(yōu)點(diǎn)。但是，其不能處理不同IP子網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交換。傳統(tǒng)的路由器則充當(dāng)?shù)谌龑釉O(shè)備，可以處理大量的跨越IP子網(wǎng)的數(shù)據(jù)包，但是它的轉(zhuǎn)發(fā)效率比二層低，因此要想利用二層轉(zhuǎn)發(fā)效率高這一優(yōu)點(diǎn)，又要處理三層IP數(shù)據(jù)包，三層交換技術(shù)就誕生了。一個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二層交換機(jī)，但它是二者的有機(jī)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(jī)上。

　　二．三層交換的原理

　　三層交換，工作在OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型中的第三層，是利用IP包的包頭信息來對后續(xù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流進(jìn)行標(biāo)記，具有同一標(biāo)記的業(yè)務(wù)流的后續(xù)報(bào)文被交換到相同的數(shù)據(jù)鏈路，從而打通源IP地址和目的IP地址之間的一條通路。有了這條通路，三層交換機(jī)就沒有必要每次將接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆包來判斷路由，而是直接將數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，將數(shù)據(jù)流進(jìn)行交換。

　　三層交換最大的特點(diǎn)是一次路由多次轉(zhuǎn)發(fā)，并由硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)發(fā)。下面通過一個簡單的網(wǎng)絡(luò)來看看三層交換機(jī)的工作過程。設(shè)備A通過三層交換機(jī)與設(shè)備B相連。

圖1 二層交換流程

　　如圖1所示，如A要向B發(fā)送數(shù)據(jù)，已知目的IP，則A用子網(wǎng)掩碼取得網(wǎng)絡(luò)地址，判斷B是否與自己在同一網(wǎng)段。如果在同一網(wǎng)段，但不知道目的MAC地址，則A向B發(fā)送一個ARP請求，B返回其MAC地址，A用此MAC封裝數(shù)據(jù)包并將其發(fā)送給交換機(jī)，交換機(jī)在其二層交換模塊查找MAC地址表，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到B所對應(yīng)的端口。

圖2 三層交換路由流程

　　如圖2所示，如果B與A不在同一網(wǎng)段，A要與B通訊，如果在流緩存條目中沒有對應(yīng)MAC地址，第一個數(shù)據(jù)包將發(fā)送向缺省網(wǎng)關(guān)（缺省網(wǎng)關(guān)在操作系統(tǒng)中設(shè)置），所以對于不在同一子網(wǎng)的數(shù)據(jù)，初始的MAC表中放的是缺省網(wǎng)關(guān)的MAC地址；三層路由模塊接收到此數(shù)據(jù)包后，查詢路由表以確定到達(dá)B的路由，構(gòu)造一個新的幀頭，以缺省網(wǎng)關(guān)的MAC地址為源MAC地址，以主機(jī)B的MAC地址為目的MAC地址。通過一定的識別觸發(fā)機(jī)制，確立主機(jī)A與B的MAC地址及轉(zhuǎn)發(fā)端口的對應(yīng)關(guān)系，并將其記錄到流緩存條目表，隨后A到B的數(shù)據(jù)，就可以直接交由二層交換模塊完成。

　　三．層交換機(jī)與路由器的比較

　　三層交換不是簡單的二層交換機(jī)與路由器的疊加，三層路由模塊疊加在二層交換的高速背板總線上，突破了傳統(tǒng)路由器的接口速率限制，速率可達(dá)幾十Gbit/s。簡潔的路由軟件使路由過程簡化。大部分的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，除了必要的路由選擇交由路由軟件處理，都是由二層模塊高速處理，因此三層交換機(jī)的最重要的功能是實(shí)現(xiàn)大型局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的快速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

　　路由器的轉(zhuǎn)發(fā)采用最長匹配的方式，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，通常使用軟件來實(shí)現(xiàn)。而三層交換機(jī)的路由查找是針對流的，它利用CACHE技術(shù)，很容易采用ASIC實(shí)現(xiàn)，因此，可以大大節(jié)約成本。但從技術(shù)上講，路由器和三層交換機(jī)在數(shù)據(jù)包交換操作上存在著明顯區(qū)別。路由器一般由基于微處理器的引接執(zhí)行數(shù)據(jù)包交換，而三層交換機(jī)通過硬件執(zhí)行數(shù)據(jù)包交換。

　　三層交換機(jī)現(xiàn)在還不能提供完整的路由選擇協(xié)議，而路由器則具備同時處理多個協(xié)議的能力。當(dāng)連接不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，像以太網(wǎng)和令牌環(huán)的組合網(wǎng)絡(luò)，依靠三層交換機(jī)是無法實(shí)現(xiàn)的。因此，三層交換機(jī)并不等于路由器，也不可能完全取代路由器。

　　四．現(xiàn)有播錄網(wǎng)的分析及改進(jìn)

　　通過上圖我們發(fā)現(xiàn)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全的需要內(nèi)網(wǎng)被劃分為播出、錄制、媒資等子網(wǎng)。各子網(wǎng)通過路由器相連，隨著數(shù)字化播出的不斷發(fā)展，各子網(wǎng)間數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不斷增加，如大量音頻文件需要從錄制站向播出站拷貝。路由器承擔(dān)的載荷越來越大，并導(dǎo)致各子網(wǎng)間的訪問速度越來越慢，通過上面的分析將路由器升級為三層交換機(jī)可以極大的提高子網(wǎng)間的傳輸速率，減少網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并增加網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)性。

圖3 播錄網(wǎng)絡(luò)及辦公網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>