入門知識三層交換機基本特點

1、7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔 在概述部分中，我們給出了三層交換機的基本特點綜述，主要有下列特點： 1、二層交換和三層互通 2、實現(xiàn)三層精確匹配查詢 3、專門針對局域網(wǎng)，特別是以太網(wǎng)進行了優(yōu)化 4、引入了一些在二層交換機和三層路由器上都不存在的特性 5、實現(xiàn)了初步的 BAS 功能 一般來說， 只要能做到第一點， 就可以稱為三層交換機了， 但目前大多數(shù)流 行的三層交換機都不局限于第一點， 而是實現(xiàn)了上述的大部分功能。 因此，為了 更好的理解三層交換機，接下來我們對上述特點進行詳細講述。 2.1 二層交換和三層互通 三層交換機首先是一個交換機， 即完成二層交換功能。 在以太網(wǎng)上， 跟普通 的二層交換機一樣，

2、三層交換機也維護一張用于二層交換的地址表（通常稱為 CAM 表），該表是 MAC 地址與出接口的對應關(guān)系。這樣每當接收到一個以太 網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，三層交換機判斷如果該數(shù)據(jù)幀不是發(fā)送給自己的（這個概念很重要， 至于三層交換機怎么判斷， 在下面的講述中會詳細說明） ，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 地址對應的轉(zhuǎn)發(fā)項），則根據(jù)查詢的結(jié)果，通常是一個出接口列表，來進 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。 交換機的這張 CAM 表可以通過多種方式獲得，比如靜態(tài)配置，動態(tài)學習， 針對多播還可以通過各種多播協(xié)議，比如 IGM

3、P 窺探， GMRP 協(xié)議等方式獲得 7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔 7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔 （注意，多播轉(zhuǎn)發(fā)表不能通過學習獲得， 而且多播轉(zhuǎn)發(fā)項跟普通轉(zhuǎn)發(fā)項不同的是， 跟其對應的出口可能不止一個， 而是一個出口集合， 如果想詳細了解多播的一些 基礎概念，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 習。 當交換機接收到一個數(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)進行 CAM 表查詢，如果能查找到結(jié)果，則根據(jù)結(jié)果進行數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)，如 果不能命中，則（向除接收端口外的）所有端口進行復制。在進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的同 時，交換機還進行一個學習的過程，交換機把數(shù)據(jù)幀的源 MAC 地址提

4、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，如果沒有，則 把該 MAC 地址和接收到該 MAC 地址的端口綁定起來，插入 CAM 表項，這樣 當接收到一個發(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 表的學習則是以源 MAC 地址為依據(jù)。 交換機動態(tài)學習的 CAM 表項并不是一成不變的， 而是啟動一個定時器， 當 該定時器遞減到零時， 該 CAM 表項被刪除， 每使用一次該 CAM 表項進行轉(zhuǎn)發(fā)， 則恢復定時器初始值。 上述情況

5、是沒有 VLAN 的工作過程， 現(xiàn)在的交換機一般都實現(xiàn)了 VLAN（即 虛擬局域網(wǎng)，詳細內(nèi)容請參考以太網(wǎng)的有關(guān)教程），這樣在交換機進行轉(zhuǎn)發(fā)的 CAM 表就進行了變化，由原來的兩項對應關(guān)系（ MAC 地址跟接口）變成了三 項對應關(guān)系（ MAC 地址， VLANID ，出口），這樣當接收到一個數(shù)據(jù)幀的時候， 交換機根據(jù)數(shù)據(jù)幀的目的 MAC 地址和 VLANID 兩項來查詢 CAM 表，找到接口 后把該數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)出去。 7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔 7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔 但如果交換機根據(jù) MAC 地址和 VLANID 查詢 CAM 表失敗，即沒有跟該 MAC 和 VLANID 的對應關(guān)系，則交換機把該數(shù)據(jù)幀

6、向該 VLAN 包含的（除接收 端口以外的）所有端口上復制。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，所以一般的交換機上在實現(xiàn) VLAN 時，還創(chuàng)建另 外一張表，即 VLAN 配置表，該表包含了 VLANID 和所有端口的對應關(guān)系，即 只要根據(jù) VLANID 查詢該表，就可以找到該 VLAN 包含的所有端口，這樣在進 行 VLAN 內(nèi)廣播的時候，就非常容易。 另外一個問題出現(xiàn)了，就是數(shù)據(jù)幀的 VLANID 是怎樣獲得的。交換機一般 根據(jù)下列原則來給一個數(shù)據(jù)幀附加上 VLAN

7、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 VLANID ； 根據(jù)農(nóng)基文的理解：當一個非 TAG 端口收到了一個數(shù)據(jù)幀， 且含有 VLANID 時，做判斷，如果 VLANID= 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 VLANID ； 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 VLANID （通過 802.1Q 協(xié)議），則該數(shù)據(jù)幀的 VLANID 就是攜帶的 VLANID. 需要注意的是，實現(xiàn) VLAN

8、的交換機在查詢 CAM 表進行轉(zhuǎn)發(fā)之前， 首先給 該數(shù)據(jù)幀附加上 VLANID. 7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔 7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔 以上功能都是二層功能， 作為一臺三層交換機， 上述功能是必須實現(xiàn)的， 但 三層交換機的最根本特點還是 VLAN 間的互通。 在三層交換機上， VLAN 之間的互通是通過實現(xiàn)一個虛擬 VLAN 接口來實 現(xiàn)的，即針對每個 VLAN ，交換機內(nèi)部維護了一個與該 VLAN 對應的接口，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，我們提到了當交換機接收到一個

9、數(shù)據(jù)幀時，判斷是不是發(fā)給自己的， 判斷的依據(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，則進行三層處理，若不是，則進行二層處理，按照上述流 程進行轉(zhuǎn)發(fā)。 既然實現(xiàn)了三層轉(zhuǎn)發(fā)， 交換機必須維護一個三層轉(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)絡層地址精確匹配的三層轉(zhuǎn)發(fā)表， 這 跟實現(xiàn)的廠家設備有關(guān)。 這樣當交換機接收到一個數(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 對應的 VLAN 接口的 MAC 地址相同，則進行三層 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，當數(shù)據(jù)幀是 多播的時候

10、） 出口和相應的二層封裝數(shù)據(jù)， 交換機于是把該數(shù)據(jù)幀所攜帶的三層 數(shù)據(jù)幀（比如，是 IP 或 IPG 數(shù)據(jù)報）進行修改，比如修改校驗和，在 IP 協(xié)議中 還進行 TTL字段遞減，然后重新計算 CHECKSUM ，完成這些后， 就把該三層數(shù) 據(jù)包進行二層封裝（根據(jù)三層轉(zhuǎn)發(fā)表查找的結(jié)果），從相應的接口發(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 ARP 協(xié)議）形成的。在后面介紹典型 產(chǎn)品實例的時候，我們以例子來講述三層轉(zhuǎn)發(fā)表的形成。 7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔 7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔 & 本部分有下列要點： 1、三層交換機有二層交

11、換機所有功能，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)），生成樹協(xié)議等； 2、三層交換機通過為每個 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 IP 地址，凡目的 MAC 地址是 VLAN 接口的數(shù)據(jù)幀，交換機都進行三層轉(zhuǎn)發(fā)或自己接收取決于目的 IP 地址是否是 交換機的接口地址。 2.2 三層精確匹配查詢 在路由器上， 每當接收到一個數(shù)據(jù)報， 路由器便進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， 最長匹配算法采用軟件

12、實現(xiàn)， 而且實現(xiàn)起來非 常復雜，導致了效率特別低。 我們可以設想， 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 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） ，當接收到一個需要進行三層轉(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 地址進行索引），如果命 中，則根據(jù)查詢出的信息進行數(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)果進行轉(zhuǎn)發(fā)，同時更新相應的精確查詢緩沖區(qū)， 這樣當?shù)竭_同一個

13、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 行轉(zhuǎn)發(fā)了。 7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔 7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔 跟 CAM 表一樣， 精確匹配查詢項也有一個定時機制， 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跟路由表同 步，每當路由表變化，必定修改精確轉(zhuǎn)發(fā)緩沖區(qū)，來保證跟路由表的同步。 如果數(shù)據(jù)鏈路層是以太網(wǎng)，網(wǎng)絡層是 IP，則這個三層高速轉(zhuǎn)發(fā)緩沖區(qū)是通 過 ARP 協(xié)議建立的，我們說明它的工作過程。 開始的時候， 三層交換機只有一張用于路由的路由表 （該路由表是通過路由 協(xié)議建立的） ，而精確匹配的三層轉(zhuǎn)發(fā)表為空， 這樣當三層交換機接收到一個

14、需 要進行三層交換的數(shù)據(jù)幀時， 它首先查詢?nèi)龑泳_匹配緩沖區(qū)， 因為三層轉(zhuǎn)發(fā)表 為空，查詢失敗，于是，三層交換機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 接口在同一個網(wǎng)段。 在第一種情況下， 三層交換機通過 ARP 解析來解析下一跳 IP 地址，獲得下 一跳的 MAC 地址后， 三層交換機把接收的數(shù)據(jù)幀進行二層封裝， 然后發(fā)送給下 一跳。在第二種情況下，三層交換機直接解析數(shù)據(jù)報的目的 IP 地址

15、，獲得目的 IP 地址對應的主機 MAC 地址后，直接把該數(shù)據(jù)幀發(fā)送給目的主機。 不論哪種情 況，交換機進行 ARP 解析的時候，都會獲得一個 IP 地址跟出口的對應關(guān)系，同 時還通過 ARP 協(xié)議獲得了下一跳的 MAC 地址，于是，三層交換機會把這些數(shù) 據(jù)組合成一個三層精確匹配項， 并插入到三層精確匹配緩沖區(qū)里面。 這樣當?shù)竭_ 同一目的地的數(shù)據(jù)報到來后，三層交換機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)果進行轉(zhuǎn)發(fā)。 7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔 7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔 需要說明的是， 實現(xiàn)三層精確匹配并不是三層交換機必須具備的特性。 在一 些低端交換機的場合下， 最長匹配查詢采用軟件實現(xiàn)，

16、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，就不適應了，在一 些高端交換機上， 最長匹配算法都是基于硬件實現(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現(xiàn)的三層交換機 上，精確匹配不是必須的。 在后面介紹典型實例分析的時候， 我們會介紹僅僅采 用最長匹配算法實現(xiàn)高端三層的交換機。 & 本部分有下列要點： 1、三層交換機為了提高效率，采用了精 78 確匹配查找算法，在一些高端 三層交換機上，該特性不是必須的， 因為采用最長匹配查找算法的效率并不一

17、定 比采用精確匹配查找算法效率差。 2.3 針對局域網(wǎng)進行優(yōu)化 傳統(tǒng)的路由器提供豐富的接口種類，比如 E1/T1 ，ISDN ，F(xiàn)rame-Relay ， G.25，POS，ATM ，SMDS 等，每種接口對應不同的封裝類型，而且每種接口 所對應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。 而三層交換機是由二層交換機發(fā)展起來的， 而且其發(fā)展過程中一直遵循為局 域網(wǎng)服務的指導思想， 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 7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔 7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔 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行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的時候， 內(nèi)部經(jīng)過的路徑 比較單純?，F(xiàn)在的通信處理器一般都是集中在一塊 ASIC 芯片上的，而且不同的 接口類型有不同的 ASIC 芯片進行處理。這樣如果接口類型比較單一，所需要的 ASIC 芯片就相對單一，交互起來必定流暢，使用 ASIC 芯片本身帶的功能就可 以完成多個接口之間的數(shù)據(jù)交換， 但如果接口類型不統(tǒng)一， 則必須有