讲述第三层交换机技术目标思想

下文进行详细说明下第三层交换机的构造以及工作原理，只要在源地址和目的地址之间有一条更为直接的第二层通路，硬件来维护路由表，因而能实现线速的路由  。

局域网交换机的引入，使得网络站点间可独享带宽，消除了无谓的碰撞检测和出错重发，提高了传输效率，在交换机中可并行地维护几个独立的、互不影响的通信进程  。在交换网络环境下，用户信息只在源节点与目的节点之间进行传送，其他节点是不可见的  。

但有一点例外，当某一节点在网上发送广播或组播时，或某一节点发送了一个交换机不认识的MAC 地址封包时，交换机上的所有节点都将收到这一广播信息  。整个交换环境构成一个大的广播域  。

点到点是在第二层快速、有效的交换，但广播风暴会使网络的效率大打折扣  。第三层交换机的速度实在快，比路由器快的多，而且价格便宜的多  。可以说，在网络系统集成的技术中，直接面向用户的第一层接口和第二层交换技术方面已得到令人满意的答案  。

交换式局域网技术使专用的带宽为用户所独享，极大的提高了局域网传输的效率  。但第二层交换也暴露出弱点：对广播风暴、异种网络互连、安全性控制等不能有效地解决  。作为网络核心、起到网间互连作用的路由器技术却没有质的突破  。

当今绝大部分的企业网都已变成实施TCP/IP 协议的Web 技术的内联网，用户的数据往往越过本地的网络在网际间传送，因而，路由器常常不堪重负  。传统的路由器基于软件，协议复杂，与局域网速度相比，其数据传输的效率较低  。

但同时它又作为网段(子网，VLAN)互连的枢纽，这就使传统的路由器技术面临严峻的挑战  。随着Internet/Intranet 的迅猛发展和B/S(浏览器/服务器)计算模式的广泛应用，跨地域、跨网络的业务急剧增长  。

业界和用户深感传统的路由器在网络中的瓶颈效应  。改进传统的路由技术迫在眉睫  。一种办法是安装性能更强的超级路由器，然而，这样做开销太大，如果是建设交换网，这种投资显然是不合理的  。

在这种情况下，一种新的路由技术应运而生，这就是第三层交换技术：第三层交换技术也称为IP 交换技术、高速路由技术等  。第三层交换技术是相对于传统交换概念而提出的  。

众所周知，传统的交换技术是在OSI 网络标准模型中的第二层—数据链路层进行操作的，而第三层交换技术是在网络模型中的第三层实现了数据包的高速转发  。简单地说，第三层交换技术就是：第二层交换技术＋第三层转发技术  。

这是一种利用第三层协议中的信息来加强第二层交换功能的机制  。一个具有第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，并不是简单的把路由器设备的硬件及软件简单地叠加在局域网交换机上  。

从硬件的实现上看，目前，第二层交换机的接口模块都是通过高速背板/总线(速率可高达几十Gbit/s)交换数据的，在第三层交换机中，与路由器有关的第三层路由硬件模块也插接在高速背板/总线上  。

这种方式使得路由模块可以与需要路由的其他模块间高速的交换数据，从而突破了传统的外接路由器接口速率的限制(10Mbit/s---100Mbit/s)  。在软件方面，第三层交换机也有重大的举措，它将传统的基于软件的路由器软件进行了界定，其作法是：

1 ．对于数据封包的转发：如IP/IPX 封包的转发，这些有规律的过程通过硬件得以高速实现  。

2 ．对于第三层路由软件：如路由信息的更新、路由表维护、路由计算、路由的确定等功能，用优化、高效的软件实现  。假设两个使用IP 协议的站点通过第三层交换机进行通信的过程，发送站点A 在开始发送时，已知目的站的IP 地址，但尚不知道在局域网上发送所需要的MAC 地址  。

要采用地址解析(ARP)来确定目的站的MAC 地址  。发送站把自己的IP 地址与目的站的IP 地址比较，采用其软件中配置的子网掩码提取出网络地址来确定目的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，A 广播一个ARP 请求，B 返回其MAC 地址，A 得到目的站点B 的MAC 地址后将这一地址缓存起来，并用此MAC 地址封包转发数据，第二层交换模块查找MAC 地址表确定将数据包发向目的端口  。

若两个站点不在同一子网内，如发送站A 要与目的站C 通信，发送站A 要向"缺省网关"发出ARP(地址解析)封包，而"缺省网关"的IP 地址已经在系统软件中设置  。这个IP 地址实际上对应第三层交换机的第三层交换模块  。

所以当发送站A 对"缺省网关"的IP 地址广播出一个ARP 请求时，若第三层交换模块在以往的通信过程中已得到目的站B 的MAC 地址，则向发送站A 回复B 的MAC 地址；否则第三层交换模块根据路由信息向目的站广播一个ARP 请求  。

目的站C 得到此ARP 请求后向第三层交换模块回复其MAC 地址，第三层交换模块保存此地址并回复给发送站A   。以后，当再进行A 与C 之间数据包转发时，将用最终的目的站点的MAC 地址封包，数据转发过程全部交给第二层交换处理，信息得以高速交换  。

第三层交换机具有以下突出特点：

1. 有机的硬件结合使得数据交换加速；

2. 优化的路由软件使得路由过程效率提高；

3. 除了必要的路由决定过程外，大部分数据转发过程由第二层交换处理；

4. 多个子网互连时只是与第三层交换模块的逻辑连接，不象传统的外接路由器那样需增加端口，保护了用户的投资  。

第三层交换的目标是，只要在源地址和目的地址之间有一条更为直接的第二层通路，就没有必要经过路由器转发数据包  。第三层交换使用第三层路由协议确定传送路径，此路径可以只用一次，也可以存储起来，供以后使用  。之后数据包通过一条虚电路绕过路由器快速发送  。

第三层交换技术的出现，解决了局域网中网段划分之后，网段中子网必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题  。当然，三层交换技术并不是网络交换机与路由器的简单叠加，而是二者的有机结合，形成一个集成的、完整的解决方案  。