三層交換機(jī)的由來：

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)隨著應(yīng)用的需求在不斷的進(jìn)化和演變。80年代初期，***代局域網(wǎng)技術(shù)開始應(yīng)用于企業(yè)內(nèi)部組網(wǎng)時，當(dāng)時的應(yīng)用主要局限于主機(jī)連接、文件和打印共享，多個用戶共享10Mbit/s信道已能滿足要求。

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的日益擴(kuò)大，網(wǎng)上用戶越來越多。特別是用戶的應(yīng)用已轉(zhuǎn)向客戶/服務(wù)器、大流量的應(yīng)用、Intranet Web訪問和實時音像服務(wù)。當(dāng)時的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已不能勝任，表現(xiàn)在：HUB是基于共享介質(zhì)的通信設(shè)備，它是一種***層設(shè)備。用戶數(shù)據(jù)的碰撞檢測和出錯重發(fā)過程使傳輸?shù)男蚀蟠蠼档汀蚩善鸬骄W(wǎng)段微化、減小碰撞域從而優(yōu)化局域網(wǎng)性能的目的。它是一種第二層設(shè)備，可識別MAC地址，可以作到局域網(wǎng)間信息的智能轉(zhuǎn)發(fā)。

[[248114]]

但它是對高層(第三層交換機(jī)技術(shù)以上)協(xié)議透明的設(shè)備，不能有效的阻止廣播風(fēng)暴。路由器在子網(wǎng)間互聯(lián)、安全控制、廣播風(fēng)暴限制等方面起了關(guān)鍵的作用，但其復(fù)雜的算法、較低的數(shù)據(jù)吞吐量使其成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。

意識到以上問題，業(yè)界從HUB和橋這些直接面向用戶、可獨(dú)立形成局域網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)備入手，對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行了革命，其中***的變革就是在新一代的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成中，用局域網(wǎng)交換機(jī)替代HUB，以提高網(wǎng)絡(luò)的性能。

90年代初的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集成模式中，大量引入局域網(wǎng)交換機(jī)，局域網(wǎng)交換機(jī)是一種第二層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它可理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的第二層如MAC地址等。第三層交換機(jī)技術(shù)在操作過程中不斷的收集資料去建立它本身的地址表。這個表相當(dāng)簡單，主要標(biāo)明某個MAC地址是在哪個端口上被發(fā)現(xiàn)的，所以當(dāng)交換機(jī)接收到一個數(shù)據(jù)封包時，它會檢查該封包的目的MAC地址，核對一下自己的地址表以決定從哪個端口發(fā)送出去。而不是象HUB那樣，任何一個發(fā)方數(shù)據(jù)都會出現(xiàn)在HUB的所有端口上(不管是否為你所需)。

第三層交換機(jī)技術(shù)的引入使得網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)間可獨(dú)享帶寬，消除了無謂的碰撞檢測和出錯重發(fā)，提高了傳輸效率，在交換機(jī)中可并行的維護(hù)幾個獨(dú)立的、互不影響的通信進(jìn)程。在交換網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，用戶信息只在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行傳送，其他節(jié)點(diǎn)是不可見的。但有一點(diǎn)例外，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)上發(fā)送廣播或多目廣播時，或某一節(jié)點(diǎn)發(fā)送了一個交換機(jī)不認(rèn)識的MAC地址封包時，交換機(jī)上的所有節(jié)點(diǎn)都將收到這一廣播信息。整個交換環(huán)境構(gòu)成一個大的廣播域。

二層交換機(jī)技術(shù)：

傳統(tǒng)的局域網(wǎng)交換機(jī)是一種第二層交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它在操作過程中不斷收集信息去建立起它本身的一個MAC地址表。這個表相當(dāng)簡單，基本上說明了某個MAC 地址是在哪個端口上被發(fā)現(xiàn)的。這樣當(dāng)交換機(jī)收到一個以太網(wǎng)包時，它便會查看一下該以太網(wǎng)包的目的MAC地址，核對一下自己的地址表以確認(rèn)該從哪個端口把包發(fā)出去。但當(dāng)交換機(jī)收到一個不認(rèn)識的包時，也就是說如果目的MAC地址不在MAC地址表中，交換機(jī)便會把該包“擴(kuò)散”出去，即從所有端口發(fā)出去，就如同交換機(jī)收到一個廣播包一樣，這就暴露出傳統(tǒng)局域網(wǎng)交換機(jī)的弱點(diǎn)：不能有效的解決廣播、異種網(wǎng)絡(luò)互連、安全性控制等問題。因此，產(chǎn)生了交換機(jī)上的VLAN（虛擬局域網(wǎng)）技術(shù)。

三層交換技術(shù)：

三層交換（也稱多層交換技術(shù)，或IP交換技術(shù)）是相對于傳統(tǒng)交換概念而提出的。眾所周知，傳統(tǒng)的交換技術(shù)是在OSI網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)模型中的第二層交換機(jī)――數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行操作的，而三層交換技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)模型中的第三層實現(xiàn)了分組的高速轉(zhuǎn)發(fā)。簡單的說，三層交換技術(shù)就是“第二層交換機(jī)技術(shù) + 三層轉(zhuǎn)發(fā)”。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)段中的子網(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。

第二層交換機(jī)通訊過程：

假設(shè)兩個使用IP協(xié)議的站點(diǎn)A、B通過第二層交換機(jī)進(jìn)行通信，發(fā)送站點(diǎn)A在開始發(fā)送時，會先拿自己的IP地址與B站的IP地址進(jìn)行比較，判斷B站是否與自己在同一子網(wǎng)內(nèi)。若目的站B與發(fā)送站A在同一子網(wǎng)內(nèi)，則進(jìn)行二層的轉(zhuǎn)發(fā)。具體步驟如下：為了得到站點(diǎn)B的 MAC地址，站點(diǎn)A首先發(fā)一個ARP廣播報文，請求站點(diǎn)B的MAC地址。該ARP請求報文進(jìn)入交換機(jī)后，首先進(jìn)行源MAC地址學(xué)習(xí)，芯片自動把站點(diǎn)A的MAC地址以及進(jìn)入交換機(jī)的端口號等信息填入到芯片的MAC地址表中，然后在MAC地址表中進(jìn)行目的地址查找。由于此時是一個廣播報文，交換機(jī)則會把這個廣播報文從進(jìn)入交換機(jī)端口所屬的VLAN中進(jìn)行廣播。B站點(diǎn)收到這個ARP請求報文之后，會立刻發(fā)送一個ARP回復(fù)報文，這個報文是一個單播報文，目的地址為站點(diǎn)A的MAC地址。

該包進(jìn)入交換機(jī)后，同樣，首先進(jìn)行源MAC地址學(xué)習(xí)，然后進(jìn)行目的地址查找，由于此時MAC地址表中已經(jīng)存在了A站點(diǎn)MAC地址的匹配條目，所以交換機(jī)直接把此報文從相應(yīng)的端口中轉(zhuǎn)發(fā)出去。通過以上一次ARP過程，交換芯片就把站點(diǎn)A和B的信息保存在其MAC地址表中。以后A、B之間進(jìn)行通信或者同一網(wǎng)段的其它站點(diǎn)想要與A或B通信，交換機(jī)就知道該把報文從哪個端口送出。從以上過程可以看出，所有二層轉(zhuǎn)發(fā)都是由硬件完成的，無論是MAC地址表的學(xué)習(xí)過程還是目的地址查找確定輸出端口過程都沒有軟件進(jìn)行干預(yù)。

三層交換機(jī)通訊過程：

站點(diǎn)A、B通過三層交換機(jī)進(jìn)行通信。站點(diǎn)A和B所在網(wǎng)段都屬于交換機(jī)上的直連網(wǎng)段，若站點(diǎn)A和站點(diǎn)B不在同一子網(wǎng)內(nèi)，發(fā)送站A首先要向其“缺省網(wǎng)關(guān)”發(fā)出ARP請求報文，而“缺省網(wǎng)關(guān)”的IP地址其實就是三層交換機(jī)上站點(diǎn)A所屬VLAN的IP地址。當(dāng)發(fā)送站A對“缺省網(wǎng)關(guān)”的IP地址廣播出一個ARP請求時，交換機(jī)就向發(fā)送站A回一個ARP回復(fù)報文，告訴站點(diǎn)A交換機(jī)此VLAN的MAC地址，同時可以通過軟件把站點(diǎn)A的IP地址、MAC地址、與交換機(jī)直接相連的端口號等信息設(shè)置到交換芯片的三層硬件表項中。站點(diǎn)A收到這個ARP回復(fù)報文之后，進(jìn)行目的MAC地址替換，把要發(fā)給B的包首先發(fā)給交換機(jī)。交換機(jī)收到這個包以后，同樣首先進(jìn)行源MAC地址學(xué)習(xí)，目的MAC地址查找，由于此時目的MAC地址為交換機(jī)的MAC地址，在這種情況下將會把該報文送到交換芯片的三層引擎處理。

一般來說，三層引擎會有兩個表，一個是主機(jī)路由表，這個表是以IP地址為索引的，里面存放目的IP地址、下一跳MAC地址、端口號等信息。若找到一條匹配表項，就會在對報文進(jìn)行一些操作（例如目的MAC與源MAC替換、TTL減1等）之后將報文從表中指定的端口轉(zhuǎn)發(fā)出去。若主機(jī)路由表中沒有找到匹配條目，則會繼續(xù)查找另一個表――網(wǎng)段路由表。這個表存放網(wǎng)段地址、下一跳MAC地址、端口號等信息。