三層交換機(jī)定義和工作原理的講解

1、三層交換機(jī)定義和工作原理的講解 來源于呂森林/中國電腦教育報三層的涵義三層交換機(jī)中的“三層”指的是OSI（開放系統(tǒng)互連）七層參考模型的下面三層。如果您想理解三層交換，首先就需要理解OSI參考模型1、什么是OSI參考模型OSI參考模型是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織為了解決不同系統(tǒng)的互聯(lián)而提出的模型，它將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)按功能劃分為七個層次，這就是網(wǎng)絡(luò)通信中的七層模型或七層結(jié)構(gòu)，各層名稱如圖1所示。圖1OSI各層之間存在相互依存關(guān)系。如果沒有底層，上層也將無從存在。舉一個淺顯的例子。網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)傳輸就像是過地下通道，必須一級一級臺階地下，然后一級一級臺階地上，才能完成整個過程，如圖2所示。圖22、OSI參考模型與網(wǎng)絡(luò)設(shè)

2、備OSI參考模型與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如集線器、交換機(jī)、路由器，存在一一對應(yīng)的關(guān)系，圖3就是OSI模型下三層與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備處理的數(shù)據(jù)單元的對應(yīng)圖。（1）第一層物理層物理層設(shè)備是最低層次的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，主要負(fù)責(zé)實際的信號傳輸，即比特流。對于物理層設(shè)備來講，它只認(rèn)識比特流，至于什么MAC地址、IP地址，它什么也不知道。有些校園網(wǎng)中現(xiàn)在還在使用的集線器（Hub）就是典型的物理層設(shè)備。（2）第二層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)在兩個主機(jī)上建立數(shù)據(jù)鏈路連接，向物理層傳輸數(shù)據(jù)幀，并對信號進(jìn)行處理使之無差錯并合理地傳輸。校園網(wǎng)中我們最常使用的交換機(jī)（Switch）就是典型的數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備。對于數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備來講，它只認(rèn)識

3、幀和比特流（二層以下的數(shù)據(jù)），至于IP地址（三層以上的東西），它就不知道了?！皫笔堑诙拥臄?shù)據(jù)單元，而且只在第二層中才有意義。二層交換機(jī)只能連接IP地址在同一子網(wǎng)內(nèi)的計算機(jī)，如果計算機(jī)的IP地址在不同的子網(wǎng)內(nèi)，即使連接在同一臺交換機(jī)的端口上，雖然近在咫尺，也不能相互通信，因為現(xiàn)在的計算機(jī)是通過IP地址相互通信的，而交換機(jī)不能識別IP地址。（3）第三層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)路由，即選擇合適的路徑的功能。網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常使用的路由器（Router）就是典型的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備，它能夠識別幀中的三層地址。比如一臺IP地址為“19216811”的計算機(jī)想與IP地址為“10112”的計算機(jī)通信，因為它們不在同一子網(wǎng)里

4、，必須通過路由器路由才能實現(xiàn)通信。三層交換機(jī)的工作原理三層交換是相對于傳統(tǒng)的交換概念而提出的。傳統(tǒng)的交換技術(shù)是在OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型中的第二層（即數(shù)據(jù)鏈路層）進(jìn)行操作的，而三層交換技術(shù)是在網(wǎng)絡(luò)模型中的第三層實現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的高速轉(zhuǎn)發(fā)。簡單地說，三層交換技術(shù)就是二層交換技術(shù)三層轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，三層交換機(jī)就是“二層交換機(jī)基于硬件的路由器”。圖3那么三層交換是怎樣實現(xiàn)的呢?三層交換的技術(shù)細(xì)節(jié)非常復(fù)雜，不可能一下子講清楚，不過您可以簡單地將三層交換機(jī)理解為由一臺路由器和一臺二層交換機(jī)構(gòu)成，如圖4所示。兩臺處于不同子網(wǎng)的主機(jī)通信，必須要通過路由器進(jìn)行路由。在圖4中，主機(jī)A向主機(jī)B發(fā)送的第1個數(shù)據(jù)包必須要經(jīng)過三層交換

5、機(jī)中的路由處理器進(jìn)行路由才能到達(dá)主機(jī)B，但是當(dāng)以后的數(shù)據(jù)包再發(fā)向主機(jī)B時，就不必再經(jīng)過路由處理器處理了，因為三層交換機(jī)有“記憶”路由的功能。三層交換機(jī)的路由記憶功能是由路由緩存來實現(xiàn)的。當(dāng)一個數(shù)據(jù)包發(fā)往三層交換機(jī)時，三層交換機(jī)首先在它的緩存列表里進(jìn)行檢查，看看路由緩存里有沒有記錄，如果有記錄就直接調(diào)取緩存的記錄進(jìn)行路由，而不再經(jīng)過路由處理器進(jìn)行處理，這樣的數(shù)據(jù)包的路由速度就大大提高了。如果三層交換機(jī)在路由緩存中沒有發(fā)現(xiàn)記錄，再將數(shù)據(jù)包發(fā)往路由處理器進(jìn)行處理，處理之后再轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。圖4三層交換機(jī)的緩存機(jī)制與CPU的緩存機(jī)制是非常相似的。大家都有這樣的印象，開機(jī)后第一次運行某個大型軟件時會非常慢，但是當(dāng)關(guān)閉這個軟件之后再次運行這個軟件，就會發(fā)現(xiàn)運行速度大大加快了，比如本來打開Word需要56秒，關(guān)閉后再打開Word，就會發(fā)現(xiàn)只需要12秒就可以打開了。原因在于CPU內(nèi)部有一級緩存和二級緩存，會暫時儲存最近使用的數(shù)據(jù)，所以再次啟動會比第一次啟動快得多。具有“路由器的功能、交換機(jī)的性能” 的三層交換機(jī)雖然同時具有二層交換和三層路由的特性，但是三層交換機(jī)與路由器在結(jié)構(gòu)和性能上還是存在很大區(qū)別的。在結(jié)構(gòu)上，三層交換機(jī)更接近于二層交換機(jī)，只是針對三層路由進(jìn)行了專門設(shè)計。之所以稱為“三層交換機(jī)”而不稱為“交換路由器”， 原因就在于此；在交換性能上，路由器比三層交換機(jī)