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二层交换、路由和三层交换

(2011-12-11 20:31:38)
分类: 网络基础

   为了适应网络应用深化带来的挑战,网络的规模的速度都在快速发展,局域网速度已经从早期的10M、100M发展到现在的千兆甚至万兆,现在的网络结构也早已从早期的共享介质发展到交换式局域网。在目前网络集成和交换的技术中,第一层接口和第二层交换已经可以给出满意的答案,但是作为网络核心、起到网间互联作用的路由器技术却始终没有质的突破,在这种情况下,三层交换技术也应运而生。三层交换机可以看做是路由器,因为它可以实现路由器的几乎所有功能,也可以看做是交换机,因为速度极快,几乎和二层交换机相同。这三种交换技术:二层交换、路由和三层交换,它们各自是如何工作的,有什么区别,又分别运用在哪些场合呢?

二层交换

   二层交换机根据数据包的MAC地址来交换报文的。交换机内部有一张地址表,存储了MAC地址与端口的关系。当二层交换机收到一个报文时,

(1)检查报文的MAC地址,并在地址表中查询,如果找到走(2),否则走(3);

(2)将报文按照地址表中查到的端口转发出去;

(3)在所有端口中广播该报文,当目标回应时,将MAC与端口关系记入地址表。

   二层交换机一般采用专门处理数据包转发的ASIC芯片,因此转发速度非常快。

   一台二层交换机想要实现线速转发,对交换总线带宽有要求,加入一个交换机有N个端口,每个端口的带宽是M,那么交换总线带宽必须达到N*M,才能实现线速转发。

路由

   路由器是根据数据包的IP地址来交换报文的。路由器内部有一张路由表,存储了到目的IP的下一步怎么走。

当路由器收到一个报文时,

(1)拆包,去掉报文的MAC头;

(2)检查IP报文的TTL,如果TTL减到1则丢弃;

(3)根据报文的目的IP查IP表,确定转发方向(出接口)后,对报文打包,加上MAC头转发(源MAC填路由器出接口的MAC,目的MAC填下一跳或者目的MAC)。

   下图是一个路由转发的例子:

二层交换、路由和三层交换
  

   路由与二层交换的区别主要在于他们位于不同的参考模型的不同层面(二层和三层),因此需要处理的控制信息不同。路由技术包括两个基本活动:决定最佳路径和传输数据包。路由算法在路由表中写入的不同的信息,路由器会根据数据包的目的选择最佳路径。

   路由器之间可以互相通讯,可以通过传送不同类型的信息维护各自的路由表。

   路由器的处理过程相对二层交换机更复杂,因此主要依赖于中央处理器的计算,没有采用ASIC技术,因此路由器的性能逐渐成为网络中的瓶颈。

三层交换

   三层交换机是一个带有三层路由功能的二层交换机,将二层交换和三层路由功能有机结合在一起。三层交换机将路由器软件进行了区分,(1)将路由转发的工作(这些都是有规律的过程)通过ASIC硬件实现;(2)将路由表更新与维护、路由计算等工作交给中央处理器操作。这样,三层交换机就大大提升了路由转发的性能。

   当机器A和不同网段的机器B通信时,A会给网关(三层交换机)发送ARP请求,三层交换机会直接将B的MAC地址回应给A,A发送的报文到达交换机时,交换机直接走二层转发,也就是所谓的一次选路,多次转发。

   三层交换有以下特点:

(1)路由转发硬件加速和路由软件优化;

(2)除了必要的路由决定外,大部分转发由二层交换完成;

(3)多个子网互连时只是与第三层路由的逻辑连接,不需要增加端口,节省了总投资。

 

三种交换技术各自的应用场合  
   二层交换机应用在广播包影响不大的小型局域网中(比如只有二、三十台机器的网络)。

   三层交换机为IP设计,接口类型简单,有很强的二层转发能力,适用于大型局域网。在一些大型局域网中,为了减少广播,将网络分割成多个小局域网,不同网段间需要频繁访问,采用三层交换机最为适合。

   路由器端口类型多,支持的三层协议多,路由能力强,适用于大型网络间的连接。一般大型网络间的互连端口不多,主要功能不是网际快速交换,而是选择最佳路径,负载分担,链路备份和路由信息交换,此时采用路由器最为适合。

   最难区分的是三层交换机与路由器的选择。三层交换也有路由功能,但是三层交换机的优势在于网内交换,如果需要做大量的网间路由,就会大大影响三层交换机的性能;而且一般三层交换机的路由功能弱于同档次的路由器,因此如果一个网络既有大量网间路由要求,又要求响应速度很高,那么采用三层交换机做网内交换,路由器负责网间路由功能,是很好的配合。

 

 

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