2007牟第1期
中图分类号：TP393．11 文献标识码 ：A 文章编号：1009—2552(20o7)o7—0139—02
浅 析 第 三 层 交 换 技 术
刘福利
(中国石油东北销售大庆分公司，大庆 163314)
摘 要：提出了第三层交换技术的概念、实现过程及在网络中应用的优点，并对 “交换”和
“路由”在网络中不同层次的工作原理进行简述。路由器在 100M以上的局域网络中进行数据转
发时，极易造成网络的瓶颈，而在传统帧交换技术基础上发展起来的第三层交换技术解决了大
规模局域网中各子网段之间网络信息传输的瓶颈问题，取代了昂贵的路由器，成为一种实用、
经济的组网技术而得到应用。
关键词：第三层交换；路由器；三层交换机
Analysis of third—stage exchange technology
ⅡU ．1i
(~qing Branch ofThe Northeast Sales Company of Petro China，l>aqmg 163314，China)
Abstract：The thesis indicated the concept of third—stage exchange technology，realization process and ad—
vantages in network application．Further／'YIOI'~。it explained the working principle of“exchange’’and“router’’in
diffei'ent layers of network briefly．While山e router is transferring data in lacal area network(IAN)above
loo M，it often results in the problem of network bo ttleneck．Th ird —stage exchange technology based on the
traditional backbone network exchange settles the bottleneck problem in individual network information trans—
ferring of LAN，replaces the expensive router，and it is applied as practical and eeonomie techn ology of entire
network．
Key words：third —-stage exchange；router；third —-stage exchange machine
／ntranet的出现，大大方便了企业的网络应用，
也显著地扩充了企业对内、外信息的传输需求。所
有信息在网络中的传输都离不开数据的交换和转
发，数据交换和转发直接影响到网络的传输速度，是
网络传输中重要的一个环节。
1 第三层交换技术
1．1 “交换”和“路由”在网络中属不同层次
“交换”和“路由”在网络中属不同层次的模型。
“交换”是属网络七层参考模型的第二层——数据链
路层的作业，而“路由”则属于第三层——网络层的
作业。在局域网中，交换技术是对共享的局域网进
行最有效的网段划分，而使网上的每个用户尽可能
分享到最大带宽的网络技术。它在 OSI网络七层模
型中的第二层——数据链路层进行操作。“交换”是
在数据链路层对数据帧采用“点对点”的方式而非
“广播”方式进行转发。这种转发是以以太网或令牌
环的介质存取控制(MAc)地址为基础，每台以太网
设备出厂时都有一个唯一的MAC地址。一般交换
机都有若干物理端口，它在工作时会不断地收集资
料去建立一个地址表，主要标明某个MA C地址是在
哪个端口发现的，从而建立起每个端口地址与 MA C
地址的映射。
当交换机收到一个以太网数据帧时，它会提取
数据帧标识部分的MA C目的地址，并查阅地址表以
确定把数据帧发往哪个端 口。
1．2 第二层交换
所有采用 TCP／IP协议通信的主机都具有一个
唯一的 地址。网上的任何站点与其他站点通信
时，都要知道它的 地址。但光知道接受站的
收稿日期：2007—06一墙
作者简介：刘福利(1965一)，男，1998年毕业于抚顺石油学院计算机
软件专业，研究方向为计算机硬件管理。
-- — — 139 。。———
维普资讯
2007 斗第 7翩 刀7 信息技术
叫价吵移奥秘旬，
中图分类号 :1凹 文献标识码 :A 文章编号: 1盼- 2552(2即7)07 - 0139- 但
浅析第三层交换技术
刘福利
(中国石油东北销售大庆分公司，大庆 163314)
摘要:提出了第三层交换技术的概念、实现过程及在网络中应用的优点，并对"交换"和
"路由"在网络中不同层次的工作原理进行简述。路由器在 1∞M 以上的局域网络中进行数据转
发时，极易造成网络的瓶颈，而在传统帧交换技术基础上发展起来的第三层交换技术解决了大
规模局域网中各子网段之间网络信息传输的瓶颈问题，取代了昂贵的路由器，成为一种实用、
经济的组网技术而得到应用。
关键词:第三层交换;路由器;三层交换机
Analysis of third - stage exchange technologý
UU fu-li
(Daqing Branch of 1be Nor也回st SaIeS Company of Petro 由恤， I)a(归g 163314，由ina)
Ab幽-act: 咀le thesis indic现ted the concept of third - stage 四.ch缸tge k记hnology ， realization process and ad-
vantages in network app1ication. Further more , it explained the working principle of "田change"and" router" in
different layers of network briefly. While the router is transferring data in lacal area network ( LAN) above
1∞M ， it offen results in the problem of network botÙeneck. 四lÏrd - stage exchange technology ba回d ∞ the
traditional backbone network 田change 配时臼出e botÙeneck problem in individual network infonnation trans-
ferring of LAN , replaces the e巧克:nsive router , and it is applied as practical and e∞nomic t田hnology of entire
network.
Key words: third - stage exchange; router; thìrd - stage exchange machine
Intn削的出现，大大方便了企业的网络应用，
也显著地扩充了企业对内、外信息的传输需求。所
有信息在网络中的传输都离不开数据的交换和转
发，数据交换和转发直接影响到网络的传输速度，是
网络传输中重要的一个环节。
1 第三层交换技术
1. 1 ..交换"和"路由"在网络中属不同层次
"交换"和"路由"在网络中属不同层次的模型。
"交换"是属网络七层参考模型的第二层一一数据链
路层的作业，而"路由"则属于第三层一一网络层的
作业。在局域网中，交换技术是对共享的局域网进
行最有效的网段划分，而使网上的每个用户尽可能
分享到最大带宽的网络技术。它在 OSI 网络七层模
型中的第二层--数据链路层进行操作。"交换"是
在数据链路层对数据帧采用"点对点"的方式而非
"广播"方式进行转发。这种转发是以以太网或令牌
环的介质存取控制(MAC)地址为基础，每台以太网
设备出厂时都有一个唯一的 MAC 地址。一般交换
机都有若干物理端口，它在工作时会不断地收集资
料去建立一个地址表，主要标明某个 MAC 地址是在
哪个端口发现的，从而建立起每个端口地址与 MAC
地址的映射。
当交换机收到一个以太网数据帧时，它会提取
数据帧标识部分的 MAC 目的地址，并查阅地址表以
确定把数据帧发往哪个端口。
1. 2 第二层交换
所有采用 TCP/IP 协议通信的主机都具有一个
唯一的 E地址。网上的任何站点与其他站点通信
时，都要知道它的 E 地址。但光知道接受站的 E
收稿日期 2007-06-18
作者简介:刘福利(1965 - )，男， 1998 年毕业于抚顺石油学院计算机
软件专业，研究方向为计算机硬件管理。
一 139 -
地址，不知道其发送所需的 MAC地址是无法完成发
送的。于是发送站需要比较彼此的 II)地址掩码，得
知其地址是否同处一子网。如果两个站点在同一子
网中，发送站就要发出一个寻址的广播 ARP(Ad—
dress Resolution Protoco1)请求，用以确认接受站的II)
地址并要求接受站回应其 MA C地址。当发送站得
到接受站的MA C地址后，就将该地址保存于缓冲区
中并开始将数据包传送到接受站。此时，这种传送
若在共享网中，将是用广播的方式进行，其他站点均
不得进行信息传送；而在交换网中，这些带有 MA C
地址的数据包通过交换机中的MA C的地址表确定
其发送的物理端口，然后将数据包发送出去。其他
端口照样可以进行信息传送，这就是第二层交换。
1．3 路由器转发过程及在高速局域网中应用的局
限性
如果两个站点不在同一子网中，发送站则要通
过一个“缺省网关”(通常为路由器)将数据转发出
去。发送站就要发出一个“缺省网关”II)地址的寻
址的广播 ARP请求。当处于发送站子网中的路由
器收到一个寻址的广播 ARP请求后，路由器首先确
定接受站属于哪个子网及其转发的路由信息，然后
路由器发回一个回复封包，告诉发送站将数据发送
到其 MA C地址。路由器收到数据包后 ，便会向目的
II)地址所属的子网发出寻址的广播 ARP请求，当收
到目的 II)地址所属子网路由器的 MA C地址后 ，即
将该信息保存于缓冲区并重新改装数据包标头，将
其转发到下一个路由器。这样从一个路由器到另一
个路由器地传送，直至达到接受站点为止。这是典
型的网问路由转发，与其说适合于局域网，不如说更
适合于广域网。路由器对于 l0 M的局域网尚显得
力不从心，对于 100M的局域网就极易造成网络的
瓶颈。
1．4 第三层交换及优点
在第三层交换机中，以上过程中的路由器被内
置的第三层转发功能模块所取代，“缺省网关”的 II)
地址实际上是指向该模块。当发送站发出一个对
“缺省网关”II)地址的寻址的广播 ARP请求，交换机
将回应其内置转发模块的 MA C地址。而当发送站
开始发送带有这个 MA C地址的数据包时，交换机的
第二层交换内核将数据包直接传送到第三层转发模
块。这时，转发模块如不知道目的接受站的MAC地
址时，也将向外广播一个目的接受站的 【P地址寻址
请求 ，以获得 目的接受站的MA C地址并将其记录下
来(以后若再遇到发往该站的数据就不再重复此过
程)。然后，在数据包中的包头部分指向内置转发模
块的 MA C地址将被替换成 目的接受站的 MA C地
一 140 一
址，送回给第二层交换内核，最终由其确定发送的物
理端口将数据包发送出去。这就是第三层交换。由
于以上过程较路由转发的机制简洁，又是通过硬件
实现，转发速度极快，所以特别适合于高速局域网。
2 三层交换机 2948一L3在网络中的
应用
在网络中采用了具有第三层交换功能的Cisco
Catalyst 948G—L3交换机。
2．1 2948一L3交换机主要性能和参数
该交换机是可以支持 Intemet协议(口)，互联网
包交换( )和II)多路传输提供线速交换的固定配
置第三层( )以太网交换机。这种 Catalyst交换机
可以为拥有适当端口密度的中型园区主干提供所需
的高性能。它非常适合于集中到多个配线问或作为
其他主干交换机(例如 Catalyst 2900，Catalyst 3500、
Catalyst 4000或 Catalyst 5000交换机)的工作组交换
机。它可以提供超过 10 Mbps的集合吞吐量。这些
数据速率是在每一个端口上利用高速应用专用集成
化电路(AsIC)技术执行真正第三层交换的结果，不
仅适用于II)和IPX流量，而且也适用于II)多路传输
和桥接流量。Catalyst 2948G—L3支持一个拥有 22
Gbps带宽的高性能体系结构。交换光纤能够同时
以线速度支持所有48个 10／1OO端口及2个千兆位
上行链路。所有端口均支持 IEEE 802．3x全双工通
讯。每个端口均支持 3层交换，采用标准的、完整的
IOS网络操作系统，支持 OSPF，EIGRP，RIP2等路由
协议。第3层交换不仅支持 II)协议，还提供了IPX
及 IP Multicast协议，可以满足绝大多数网络需求。
2．2 用 2948一L3交换机实现 VLAN的第三层交换
在主干网内部，为保证各网络之间的安全性，有
效地利用带宽，建立了虚拟子网VLAN，使各子网之
间隔离广播 ，一个 VLAN是一个逻辑的子网或由定
义的成员所组成的一个网络段。将整个网络划分为
若干个子网后，根据信息流量的需求分配子网，同时
考虑了网段之间信息的交互工作 ，尽可能地减少了
网络瓶颈，使整个网络的信息流量维持在一个均衡
高效 的指标之下。在每个 VLAN中，采用 Catalyst
2948G—L3作主交换机，实现了VLAN间的第三层
交换。在建立 VLAN的基础上，实现了干道(trunk)
协商。干道是在两台交换机或交换机与路由器间的
一 条点对点链路，它可传输多个 VLAN的数据流，并
可允许用户将 VLAN从一台交换机扩展到另一台。
采用了VLAN干道协议(ⅥP)，对VLAN进行准确的
跟踪和监管，保证了整个 网络上 VLAN配置的一
致性。
责任编辑：张荣香
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地址，不知道其发送所需的 MAC 地址是无法完成发
送的。于是发送站需要比较彼此的 E地址掩码，得
知其地址是否同处一子网。如果两个站点在同一子
网中，发送埔就要发出一个寻址的广播 ARP (Ad-
dress Resolution ProtocoI)请求，用以确认接受站的 E
地址并要求接受站回应其 MAC 地址。当发送站得
到接受站的 MAC 地址后，就将该地址保存于缓冲区
中并开始将数据包传送到接受站。此时，这种传送
若在共享网中，将是用广播的方式进行，其他站点均
不得进行信息传送;而在交换网中，这些带有 MAC
地址的数据包通过交换机中的 MAC 的地址表确定
其发送的物理端口，然后将数据包发送出去。其他
端口照样可以进行信息传送，这就是第二层交换。
1. 3 路由器转发过程及在高速局域网中应用的局
限性
如果两个站点不在同一子网中，发送站则要通
过一个"缺省网关"(通常为路由器)将数据转发出
去。发送站就要发出一个"缺省网关"lP地址的寻
址的广播 ARP 请求。当处于发送站子网中的路由
器收到一个寻址的广播 ARP请求后，路由器首先确
定接受站属于哪个子网及其转发的路由信息，然后
路由器发回一个回复封包，告诉发送站将数据发送
到其 MAC 地址。路由器收到数据包后，便会向目的
E地址所属的子网发出寻址的广播 ARP请求，当收
到目的 E地址所属子网路由器的 MAC 地址后，即
将该信息保存于缓冲区并重新改装数据包标头，将
其转发到下一个路由器。这样从-个路由器到另一
个路由器地传送，直至达到接受站点为止。这是典
型的网间路由转发，与其说适合于局域网，不如说更
适合于广域网。路由器对于 10M 的局域网尚显得
力不从心，对于 1∞M 的局域网就极易造成网络的
瓶颈。
第三层交换及优点
在第三层交换机中，以上过程中的路由器被内
置的第三层转发功能模块所取代缺省网关"的 E
地址实际上是指向该模块。当发送站发出一个对
"缺省网关"lP地址的寻址的广播 ARP请求，交换机
将回应其内置转发模块的 MAC 地址。而当发送站
开始发送带有这个 MAC 地址的数据包时，交换机的
第二层交换内核将数据包直接传送到第三层转发模
块。这时，转发模块如不知道目的接受站的 MAC 地
址时，也将向外广播一个目的接受站的lP地址寻址
请求，以获得目的接受站的 MAC 地址并将其记录下
来(以后若再遇到发往该站的数据就不再重复此过
程)。然后，在数据包中的包头部分指向内置转发模
块的 MAC 地址将被替换成目的接受站的 MAC 地
一 140 一
址，送回给第二层交换内核，最终由其确定发送的物
理端口将数据包发送出去。这就是第三层交换。由
于以上过程较路由转发的机制简洁，又是通过硬件
实现，转发速度极快，所以特别适合于高速局域网。
2 三层交换机 2948 -口在网络中的
应用
在网络中采用了具有第三层交换功能的 Cisco
Catalyst 948G - 13 交换机。
2948- 口交换机主要性能和参数
该交换机是可以支持Intemet 协议(lP) ，互联网
包交换(lPx)和 E多阳专输提供线速交换的固定配
置第二层(口)以太网交换机。这种 Catalyst 交换机
可以为拥有造当端口密度的中型园区主干提供所需
的高性能。它非常适合于集中到多个配线间或作为
其他主干交换机(例如 C刷lyst 2'则， C叫st 35∞、
Catalyst 4刷或 Catalyst 5<删交换机)的工作组交换
机。它可以提供超过 10 Mbps 的集合吞吐量。这些
数据速率是在每一个端口上利用高速应用专用集成
化电路(ASIC)技术执行真正第三层交换的结果，不
仅适用于 E和lPX流量，而且也适用于 E 多路传输
和桥接流量。 Catalyst 2948G - 13 支持一个拥有 22
Gbps 带宽的高性能体系结构。交换光纤能够同时
以线速度支持所有 48 个 10/1∞端口及 2 个干兆位
上行链路。所有端口均支持 IEEE 全双工通
讯。每个端口均支持 3 层交换，采用标准的、完整的
IOS 网络操作系统，支持 OS町.EIG町.RlP2等路由
协议。第 3 层交换不仅支持 E 协议，还提供了lPX
及lP Multicast 协议，可以满足绝大多数网络需求。
用 2948 一口交换机实现 VLAN 的第三层交换
在主干网内部，为保证各网络之间的安全性，有
效地利用带宽，建立了虚拟子网 VLAN.使各子网之
间隔离广播，一个 VLAN 是一个逻辑的子网或由定
义的成员所组成的一个网络段。将整个网络划分为
若干个子网后，根据信息流量的需求分配子网，同时
考虑了网段之间信息的交互工作，尽可能地减少了
网络瓶颈，使整个网络的信息流量维持在一个均衡
高效的指标之下。在每个 VLAN 中，采用 Catalyst
2948G 一口作主交换机，实现了 VLAN 间的第三层
交换。在建立叽AN 的基础上，实现了干道( trunk)
协商。干道是在两台交换机或交换机与路由器间的
一条点对点链路，它可传输多个旺AN 的数据流，并
可允许用户将 VLAN 从一台交换机扩展到另一台。
采用了 VIAN 干道协议(V1凹，对 VLAN 进行准确的
跟踪和监管，保证了整个网络上 VIAN 配置的一
致性。
责任编辑:张荣香
