三層交換入門

1、入門知識：三層交換機(jī)基本特點(diǎn)在概述部分中，我們給出了 HYPERLINK /tag/1766/index.html t _blank 三層交換機(jī)的基本特點(diǎn)綜述，主要有下列特點(diǎn)：1、二層交換和三層互通2、實(shí)現(xiàn)三層精確匹配查詢3、專門針對 HYPERLINK /z/network/29/index.html t _blank 局域網(wǎng)，特別是 HYPERLINK /z/network/lan/index.html t _blank 以太網(wǎng)進(jìn)行了優(yōu)化4、引入了一些在 HYPERLINK /tag/1339/index.html t _blank 二層交換機(jī)和三層路由器上都不存在的特性5、實(shí)現(xiàn)了初步的B

2、AS功能一般來說，只要能做到第一點(diǎn)，就可以稱為三層交換機(jī)了，但目前大多數(shù)流行的三層交換機(jī)都不局限于第一點(diǎn)，而是實(shí)現(xiàn)了上述的大部分功能。因此，為了更好的理解三層交換機(jī)，接下來我們對上述特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)講述。2.1 二層交換和三層互通三層交換機(jī)首先是一個交換機(jī)，即完成二層交換功能。在以太網(wǎng)上，跟普通的二層交換機(jī)一樣，三層交換機(jī)也維護(hù)一張用于二層交換的地址表（通常稱為CAM 表），該表是 HYPERLINK /tag/861/index.html t _blank MAC地址與出接口的對應(yīng)關(guān)系。這樣每當(dāng)接收到一個以太網(wǎng) HYPERLINK /tksys/pclick.php?kwcode=2034&lo

3、c=http%3A/exchange/s324680.html&ref=http%3A/exchange/index.html t _blank 數(shù)據(jù)幀，三層交換機(jī)判斷如果該 HYPERLINK /tksys/pclick.php?kwcode=2153&loc=http%3A/exchange/s324680.html&ref=http%3A/exchange/index.html t _blank 數(shù)據(jù)幀不是發(fā)送給自己的（這個概念很重要，至于三層交換機(jī)怎么判斷，在下面的講述中會詳細(xì)說明），則根據(jù)數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址查詢CAM表，如果能命中（所謂命中，就是在CAM表中找到與該MAC地址對應(yīng)

4、的轉(zhuǎn)發(fā)項(xiàng)），則根據(jù)查詢的結(jié)果，通常是一個出接口列表，來進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。如果不能命中，則向所有端口廣播該數(shù)據(jù)幀。交換機(jī)的這張CAM表可以通過多種方式獲得，比如靜態(tài) HYPERLINK /z/sys/safe-seting/index.html t _blank 配置，動態(tài) HYPERLINK /tksys/pclick.php?kwcode=1771&loc=http%3A/exchange/s324680.html&ref=http%3A/exchange/index.html t _blank 學(xué)習(xí)，針對 HYPERLINK /z/duobo/index.html t _blank 多播還可以通過

5、各種多播 HYPERLINK /z/protocol/index.html t _blank 協(xié)議，比如IGMP窺探，GMRP協(xié)議等方式獲得（注意，多播轉(zhuǎn)發(fā)表不能通過學(xué)習(xí)獲得，而且多播轉(zhuǎn)發(fā)項(xiàng)跟普通轉(zhuǎn)發(fā)項(xiàng)不同的是，跟其對應(yīng)的出口可能不止一個，而是一個出口集合，如果想詳細(xì)了解多播的一些基礎(chǔ)概念，請參考前面的專題資料）。但對于單播，最重要的一種建立方式是學(xué)習(xí)。當(dāng)交換機(jī)接收到一個數(shù)據(jù)幀，提取出該數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址，并依此為根據(jù)進(jìn)行CAM表查詢，如果能查找到結(jié)果，則根據(jù)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)，如果不能命中，則（向除接收端口外的）所有端口進(jìn)行復(fù)制。在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的同時，交換機(jī)還進(jìn)行一個學(xué)習(xí)的過程，交換機(jī)

6、把數(shù)據(jù)幀的源MAC地址提取出來，查詢CAM 表，看CAM表中是否有針對該MAC地址的轉(zhuǎn)發(fā)項(xiàng)，如果沒有，則把該MAC地址和接收到該MAC地址的 HYPERLINK /tag/1317/index.html t _blank 端口綁定起來，插入CAM表項(xiàng)，這樣當(dāng)接收到一個發(fā)送到該MAC地址的數(shù)據(jù)幀時，就不需要向所有端口廣播，而僅僅向這一個端口發(fā)送即可。需要注意的是，數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)是依據(jù)目的MAC地址查詢CAM表，而 CAM表的學(xué)習(xí)則是以源MAC地址為依據(jù)。交換機(jī)動態(tài)學(xué)習(xí)的CAM表項(xiàng)并不是一成不變的，而是啟動一個定時器，當(dāng)該定時器遞減到零時，該CAM表項(xiàng)被刪除，每使用一次該CAM表項(xiàng)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，則恢復(fù)定

7、時器初始值。上述情況是沒有 HYPERLINK /z/network/vlan/index.html t _blank VLAN的工作過程，現(xiàn)在的交換機(jī)一般都實(shí)現(xiàn)了VLAN（即 HYPERLINK /tag/4056/index.html t _blank 虛擬局域網(wǎng)，詳細(xì)內(nèi)容請參考以太網(wǎng)的有關(guān)教程），這樣在交換機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的CAM 表就進(jìn)行了變化，由原來的兩項(xiàng)對應(yīng)關(guān)系（MAC地址跟接口）變成了三項(xiàng)對應(yīng)關(guān)系（MAC地址，VLAN ID，出口），這樣當(dāng)接收到一個數(shù)據(jù)幀的時候，交換機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址和VLAN ID兩項(xiàng)來查詢CAM表，找到接口后把該數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)出去。但如果交換機(jī)根據(jù)MAC地址

8、和VLAN ID查詢CAM表失敗，即沒有跟該MAC和VLAN ID的對應(yīng)關(guān)系，則交換機(jī)把該數(shù)據(jù)幀向該VLAN包含的（除接收端口以外的）所有端口上復(fù)制。如果只根據(jù)CAM表來確定一個VLAN包含哪些端口，則必須遍歷整個CAM表，這樣如果CAM表的規(guī)模非常大（一般情況下是4K以上），則效率特別低，所以一般的交換機(jī)上在實(shí)現(xiàn)VLAN時，還創(chuàng)建另外一張表，即 HYPERLINK /tag/1060/index.html t _blank VLAN配置表，該表包含了VLAN ID和所有端口的對應(yīng)關(guān)系，即只要根據(jù)VLAN ID查詢該表，就可以找到該VLAN包含的所有端口，這樣在進(jìn)行VLAN內(nèi)廣播的時候，就非常

9、容易。另外一個問題出現(xiàn)了，就是數(shù)據(jù)幀的VLAN ID是怎樣獲得的。交換機(jī)一般根據(jù)下列原則來給一個數(shù)據(jù)幀附加上VLAN ID：1、如果接收到數(shù)據(jù)幀的端口是一個非TAG端口，且數(shù)據(jù)幀是一個普通數(shù)據(jù)幀，則附加上該端口的默認(rèn)VLAN ID；根據(jù)農(nóng)基文的理解：當(dāng)一個非TAG端口收到了一個數(shù)據(jù)幀，且含有VLAN ID時，做判斷，如果VLAN ID=端口PVID，則可以接收；否則，丟棄。2、如果接收到數(shù)據(jù)幀的端口是一個TAG端口，而數(shù)據(jù)幀是一個普通數(shù)據(jù)幀，則附加上該端口的默認(rèn)VLAN ID；3、如果接收到數(shù)據(jù)幀的端口是一個TAG端口，數(shù)據(jù)幀自己攜帶了VLAN ID（通過802.1Q協(xié)議），則該數(shù)據(jù)幀的VLA

10、N ID就是攜帶的VLAN ID.需要注意的是，實(shí)現(xiàn)VLAN的交換機(jī)在查詢CAM表進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)之前，首先給該數(shù)據(jù)幀附加上VLAN ID.以上功能都是二層功能，作為一臺三層交換機(jī)，上述功能是必須實(shí)現(xiàn)的，但三層交換機(jī)的最根本特點(diǎn)還是VLAN間的互通。在三層交換機(jī)上，VLAN之間的互通是通過實(shí)現(xiàn)一個虛擬VLAN接口來實(shí)現(xiàn)的，即針對每個VLAN，交換機(jī)內(nèi)部維護(hù)了一個與該VLAN對應(yīng)的接口，該接口對外是不可見的，是一個虛擬的接口，但該接口有所有物理接口所具有的特性，比如有MAC地址，可配置最大傳輸單元和傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)幀類型等。在上述的說明中，我們提到了當(dāng)交換機(jī)接收到一個數(shù)據(jù)幀時，判斷是不是發(fā)給自己的，判斷的依

11、據(jù)便是查看該MAC地址是不是針對接收數(shù)據(jù)幀所在VLAN的接口MAC地址，如果是，則進(jìn)行三層處理，若不是，則進(jìn)行二層處理，按照上述流程進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。既然實(shí)現(xiàn)了三層轉(zhuǎn)發(fā)，交換機(jī)必須維護(hù)一個三層轉(zhuǎn)發(fā)表，該表可以是基于最長匹配查詢的FIB表，也可以是基于目的網(wǎng)絡(luò)層地址精確匹配的三層轉(zhuǎn)發(fā)表，這跟實(shí)現(xiàn)的廠家設(shè)備有關(guān)。這樣當(dāng)交換機(jī)接收到一個數(shù)據(jù)幀，該數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址跟該數(shù)據(jù)幀所在VLAN對應(yīng)的VLAN接口的MAC地址相同，則進(jìn)行三層轉(zhuǎn)發(fā)。轉(zhuǎn)發(fā)的過程是查詢?nèi)龑愚D(zhuǎn)發(fā)表，查找的結(jié)果是一個（或多個，當(dāng)數(shù)據(jù)幀是多播的時候）出口和相應(yīng)的二層封裝數(shù)據(jù)，交換機(jī)于是把該數(shù)據(jù)幀所攜帶的三層數(shù)據(jù)幀（比如，是IP或IPX數(shù)據(jù)報）

12、進(jìn)行修改，比如修改校驗(yàn)和，在IP協(xié)議中還進(jìn)行TTL字段遞減，然后重新計(jì)算CHECKSUM，完成這些后，就把該三層數(shù)據(jù)包進(jìn)行二層封裝（根據(jù)三層轉(zhuǎn)發(fā)表查找的結(jié)果），從相應(yīng)的接口發(fā)送出去。這個三層轉(zhuǎn)發(fā)表的形成跟二層轉(zhuǎn)發(fā)表（CAM表）的形成有很大的不同，它是通過查詢路由表并經(jīng)過其它協(xié)議（比如 HYPERLINK /tag/611/index.html t _blank ARP協(xié)議）形成的。在后面介紹典型產(chǎn)品實(shí)例的時候，我們以例子來講述三層轉(zhuǎn)發(fā)表的形成。& 本部分有下列要點(diǎn)：1、三層交換機(jī)有二層交換機(jī)所有功能，比如基于MAC地址的過濾（也就是基于MAC地址的單播轉(zhuǎn)發(fā)）， HYPERLINK /tag/1

13、780/index.html t _blank 生成樹協(xié)議等；2、三層交換機(jī)通過為每個VLAN分配一個VLAN接口完成VLAN之間的互通，VLAN接口有自己的MAC地址和 HYPERLINK /z/tech/ip/index.html t _blank IP地址，凡目的MAC地址是VLAN接口的數(shù)據(jù)幀，交換機(jī)都進(jìn)行三層轉(zhuǎn)發(fā)或自己接收取決于目的IP地址是否是交換機(jī)的接口地址。2.2 三層精確匹配查詢在路由器上，每當(dāng)接收到一個數(shù)據(jù)報，路由器便進(jìn)行路由表的查詢來找出該數(shù)據(jù)報的下一跳，然后通過相應(yīng)的接口發(fā)送出去。路由器查詢路由表采用的是最長匹配算法，在以前的路由器中，最長匹配算法采用 HYPERLIN

14、K /tksys/pclick.php?kwcode=2066&loc=http%3A/exchange/s324680.html&ref=http%3A/exchange/index.html t _blank 軟件實(shí)現(xiàn)，而且實(shí)現(xiàn)起來非常復(fù)雜，導(dǎo)致了效率特別低。我們可以設(shè)想，能否改變這種最長匹配的查找思想，而采用精確匹配的查找技術(shù)實(shí)現(xiàn)呢？可以引入一個高速緩沖區(qū)，用來存放精確查詢所需要的信息（一般是三層 IP地址跟出口的對應(yīng)fib表，還關(guān)聯(lián)有一些二層封裝信息Arp表，比如鏈路層頭等），當(dāng)接收到一個需要進(jìn)行三層轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)幀的時候，路由器先查詢高速緩沖區(qū)（采用精確匹配算法，即直接根據(jù)目的IP地址進(jìn)

15、行索引），如果命中，則根據(jù)查詢出的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，如果不能命中，則查詢路由表（采用最長匹配算法），根據(jù)查詢的結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，同時更新相應(yīng)的精確查詢緩沖區(qū)，這樣當(dāng)?shù)竭_(dá)同一個目的地的數(shù)據(jù)報來的時候，就可以直接查詢精確匹配緩沖區(qū)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)了。跟CAM表一樣，精確匹配查詢項(xiàng)也有一個定時機(jī)制，超過了一定的時間限制就從緩沖區(qū)中刪除掉，跟CAM表不同的是，三層精確匹配查詢項(xiàng)跟路由表同步，每當(dāng)路由表變化，必定修改精確轉(zhuǎn)發(fā)緩沖區(qū)，來保證跟路由表的同步。如果 HYPERLINK /tag/1855/index.html t _blank 數(shù)據(jù)鏈路層是以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)層是IP，則這個三層高速轉(zhuǎn)發(fā)緩沖區(qū)是通過ARP協(xié)議建

16、立的，我們說明它的工作過程。開始的時候，三層交換機(jī)只有一張用于路由的路由表（該路由表是通過 HYPERLINK /z/network/protocol/index.html t _blank 路由協(xié)議建立的），而精確匹配的三層轉(zhuǎn)發(fā)表為空，這樣當(dāng)三層交換機(jī)接收到一個需要進(jìn)行三層交換的數(shù)據(jù)幀時，它首先查詢?nèi)龑泳_匹配緩沖區(qū)，因?yàn)槿龑愚D(zhuǎn)發(fā)表為空，查詢失敗，于是，三層交換機(jī)通過最長匹配算法查詢路由表（根據(jù)數(shù)據(jù)報的目的IP地址），查詢的結(jié)果是一個出口（一般是一個VLAN接口）和一個下一跳。于是，有兩中可能的情況：1、數(shù)據(jù)報的目的地址跟VLAN接口不在同一個網(wǎng)段；2、數(shù)據(jù)報的目的地址跟VLAN接口在同一個

17、網(wǎng)段。在第一種情況下，三層交換機(jī)通過ARP解析來解析下一跳IP地址，獲得下一跳的MAC地址后，三層交換機(jī)把接收的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行二層封裝，然后發(fā)送給下一跳。在第二種情況下，三層交換機(jī)直接解析數(shù)據(jù)報的目的IP地址，獲得目的IP地址對應(yīng)的主機(jī)MAC地址后，直接把該數(shù)據(jù)幀發(fā)送給目的主機(jī)。不論哪種情況，交換機(jī)進(jìn)行ARP解析的時候，都會獲得一個IP地址跟出口的對應(yīng)關(guān)系，同時還通過ARP協(xié)議獲得了下一跳的MAC地址，于是，三層交換機(jī)會把這些數(shù)據(jù)組合成一個三層精確匹配項(xiàng)，并插入到三層精確匹配緩沖區(qū)里面。這樣當(dāng)?shù)竭_(dá)同一目的地的數(shù)據(jù)報到來后，三層交換機(jī)使用精確匹配算法直接查詢高速緩沖區(qū)，根據(jù)查詢的結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。需要說

18、明的是，實(shí)現(xiàn)三層精確匹配并不是三層交換機(jī)必須具備的特性。在一些低端交換機(jī)的場合下，最長匹配查詢采用軟件實(shí)現(xiàn)，效率特別低，因而引入三層精確匹配算法，這是合理而且必須的，但對一些高端場合，就不適應(yīng)了，在一些高端交換機(jī)上，最長匹配算法都是基于硬件實(shí)現(xiàn)的，而且采用了效率很高的樹查找算法，其效率跟精確匹配算法相差無幾，而且只采用最長匹配算法還減少了精確匹配緩沖區(qū)和路由表的同步問題，因而在一些基于硬件實(shí)現(xiàn)的三層交換機(jī)上，精確匹配不是必須的。在后面介紹典型實(shí)例分析的時候，我們會介紹僅僅采用最長匹配算法實(shí)現(xiàn)高端三層的交換機(jī)。& 本部分有下列要點(diǎn)：1、三層交換機(jī)為了提高效率，采用了精78確匹配查找算法，在一些高

19、端三層交換機(jī)上，該特性不是必須的，因?yàn)椴捎米铋L匹配查找算法的效率并不一定比采用精確匹配查找算法效率差。2.3 針對局域網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化傳統(tǒng)的路由器提供豐富的接口種類，比如E1/T1，ISDN， HYPERLINK /tag/2569/index.html t _blank Frame-Relay，X.25，POS， HYPERLINK /z/network/atm/index.html t _blank ATM，SMDS等，每種接口對應(yīng)不同的封裝類型，而且每種接口所對應(yīng)的最大傳輸單元和最大接收單元都不相同，這樣存在數(shù)據(jù)報分片的概率相當(dāng)大，概括起來，這些特性使得路由器的轉(zhuǎn)發(fā)效率特別低。而三層交換機(jī)是由二層交換機(jī)發(fā)展起來的，而且其發(fā)展過程中一直遵循為局域網(wǎng)服務(wù)的指導(dǎo)思想，沒有過多的引入其它接口類型，而只提供跟局域網(wǎng)有關(guān)的接口，比如以太網(wǎng)接口，ATM局域網(wǎng)仿真接口等，這樣接口類型單純，大部分情況下三層交換機(jī)只提供以太網(wǎng)接口，這樣在多種類型接口路由器上所碰到的問題就徹底消除了，比如，最大傳輸單元問題，由于各個接口都是以太網(wǎng)接口，一般不存在沖突的問題，分片的概率就大大降低了。接口類型單純的另外一個好處就是在進(jìn)行數(shù)據(jù)