第 28卷 第 4期
2004年 4月
信 息 技 术
皿 ’ORMA删 TECHNOI．0G_Y
VOL．28 NO．4
Apr．20O4
第三层交换技术原理与应用
郭 丹 ，邢 琦
(1．哈尔滨理工大学计算机与控制学院，哈尔滨 150080；2．黑龙江省电子信息产品监督检验院，哈尔滨 150001)
摘 要：详细的介绍了一种新的网络交换技术第三层交换技术，并在此基础上阐述了第三层交
换技术的产生背景、工作原理及其所具有的独特技术特点。还结合了当前网络交换技术的发展
现状，分析了第三层交换技术的应用优势和发展趋势。
关键词：MAC地址；ASIC；地址分析协议；第三层交换技术；RISC处理机
中图分类号：TP393．03 文献标识码 ：A 文章编号：1009—2552(2004)04—0036—03
Theory and application of the Lay——3 switching technology
GUO Dan ，ⅪNG Q
(1．Computer&Control College，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China；
2．Heflongjiang Province Electronie Information Products Sup~ oD&Insp~ oll Institute。Harbin 150001，China)
Abstract：The article introduces a new network switching technology that is Lay一3 Switching Technology．On
the base of it。the background，theory and technological features of fast—developing Lay一3 Switching Technology
are described、Combining with the development actuality of network switching techn ology，the paper discusses
the application advantage an d development trend of Lay一3 Switching Technology．
Key words：MAC address：ASIC；ARP；Lay一3 Switching Techn ology；RISC processor
0 引言
传统的路由器虽然功能丰富，但是基于软件，且
协议相当复杂，即使是其在硬件性能上有大幅度地
提升，也难在整体性能上有很大改善。它的处理速
度同 100M／S或 1000M／S的局域网速度相比，其数据
传输率可谓相当低下。而在另一方面，路由器作为
异种网络互联的枢纽，它的地位又难用其他的网络
设备来代替，这就使得传统的路由器技术面临严峻
的挑战。随着 Intemet／Intranet的迅猛发展和 B／S计
算模式的广泛应用，跨地域、网络的业务快速增长，
路由器在网络中的瓶颈效应 日益尖锐和突出，改进
传统的路由器技术迫在眉睫。在这种情况下，一种
新的路由技术就应运而生了，这就是本文要谈论的
重点：第三层交换技术。
1 第三层交换技术
1．1 交换技术是如何转发数据的
众所周知，交换技术是在 OSI七层网络模型中
一 36 一
的第二层，即数据链路层进行操作的，因此，交换机
对数据包的转发是建立在 MA C(Media Access Con—
tro1)地址的基础上，对于 口 网络协议来说，它是透
明的。所谓“透明”，是指交换机在转发数据包时，不
知道也无须知道信源机和信宿机的 口地址，只须知
道它们的 MA C地址即可。交换机在操作过程中会
不断地搜集资料来建立它本身的一张地址表，该表
相当简单，它说明了某个 MA C地址是在哪个端口上
被发现的，所以当交换机收到一个 TCP／IP数据包
时，它会查看该包的标签部分的目的 MA C地址，核
对自己存储的地址表以确定该从哪个端口上将该数
据包发送出去。这个过程相对简单，并且该功能可
由一个硬件 ASIC(Application Specific Integrated Cir-
cuit，专用集成电路)来完成，因此速度相当快，一般
只需要几十微妙，交换机便可以决定一个 口数据包
收稿日期：2003一l1—21
作者简介：郭丹(1981一)，女，哈尔滨理工大学在校本科生。
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该往哪里去。
值得注意的是：如果交换机收到一个“不认识
的数据包，即该数据包的目的 MAC地址不能在地址
表中找到，交换机便会将该包向每一个端口发送，这
很类似它收到了一个广播数据包。这就使网络从
“交换”回转到“介质共享”的广播方式，从而极大地
降低了网络的整体效率。这正是传统二层交换机的
弱点所在。
1．2 路由器转发数据与交换机有何不同
相比，路由器是工作在 OSI七层网络模型中的
第三层即网络层。路由器在网络中，收到任何一个
数据包(包括广播在内)时，都要将数据包的第二层
信息去掉，查看其第三层信息(IP地址)，接着根据
路由表来确定数据包的路由，再检查安全访问表：若
通过，则进行第二层信息的封装 ，最后将该数据包转
发；而如果在路由表中查不到对应 MAC地址的网络
地址，则路由器将向源地址的站点返回一个信息，并
将该数据包删除。
正是由于路由器对任何一个数据包都要执行一
个“拆包，打包”的过程，并且该过程主要是由于软件
来实现的，其处理的速度之慢是可以想象得到的。
这也必然使得它成为网络速度的瓶颈。
1．3 第三层交换技术
第三层交换技术也称为 IP交换技术、高速路由
技术等。它是相对于传统交换概念而提出的。第三
层交换技术是在网络模型中的第三层实现数据包的
高速转发，它是一种利用第三层协议中的信息来加
强第二层交换功能的机制。
一 个具有第三层交换功能的设备是一个带有第
三层路由功能的第二层交换机。但它是二者的有机
结合，并不是把路由设备的硬软件简单地叠加在局
域网交换机上。从硬件实现上分析，目前，第二层交
换机的接口模块都是通过高速背板／总线(速率可高
达几十 Gbits／s)交换数据的。在第三层交换机中，与
路由器有关的第三层路由硬件模块也插接在高速背
板／总线上。这种方式使得路由模块可以与需要路
由的其他模块高速的交换数据。从而突破了传统的
基于软件的路由器软件进行了界定。其做法是：
(1)对于数据封包的转发：如 IP／IPX封包的转
发。这些有规律的过程通过硬件得以高速实现。
(2)对于第三层路由软件：如路由信息的更新、
路由表维护、路由计算、路由的确定等功能，用优化、
高效的软件实现。
第三层交换技术实现路由功能的方式如下：若
有两台使用 II)协议的站点通过三层交换机及其两
侧的以太网网段进行通信，发送站点在开始发送时，
已获得目的站的 II)地址，但尚未知在以太网上发送
所需的 MAC地址，须采用地址分解协议(ARP，Ad．
dress Resolution Protoco1)来确定。发送站把自己的II)
地址与目标站的II)地址相比较，采用其软件中配备
的子网屏蔽来决定目标站与自己是否在同一子网
中。如果两个站点在同一子网中，发送站将广播一
个ARP请求，确认目的地的II)地址并要求拥有这个
地址的站点回应其 MAC地址。，发送站点得到 目的
站点的 MAC地址之后将它存人缓冲区中，并用此
MAC地址来封包，当这些已经具有 MAC目的地址
的数据包到达三层交换机时，三层交换机只需用第
二层交换的核心查找到 MAC地址表，从而确定将数
据包转发到哪个端口，将数据包转发出去。
如果两个站点在不同子网上，发送站点则希望
通过一个“缺省网关”(可将其视为一个路由器)将数
据包转发出去，而网关的II)地址已经在系统软件中
有所设置。这个 IP地址在三层交换设备中实际是
指向交换机中的第三层交换功能块。所以当站点对
缺省网关的II)地址广播出一个 ARP请求时，三层交
换机将回应出负责转发的第三层转发模块的 MAC
地址。然后，当发送站点开始传送带有这个 目的
MAC地址的以太网包时，第二层交换核心将这个数
据包直接发送给相对应的第三层转发模块。此时，
第三层转发模块需要广播一个 ARP请求来获得最
终目的站点的 MAC地址并将其存于缓冲区中。当
每一个数据包开始进行转发时，最初的 MAC目的地
址(指向第三层转发模块)已被新的指向最终目的站
点的 MAC地址所替换。然后数据包被送回到第二
层交换核心，在那里由 MAC地址表指引数据包到达
正确的输出端口。
2 第三层交换的技术特点
三层交换机基本上具有传统交换机的所有功
能，其技术特点分析如下：
2．1 可编程 ASIE
ASIC是用来优化第二层处理的集成电路，它将
多项功能集成在一个芯片上，具有设计简单、可靠性
高、能耗低，更高的性能价格比等优点。
传统的路由器中是采用软件来维护路由表，而
第三层交换机正是采用可编程的 ASIC来维护路由
表，因而它比传统的路由器速度要快十倍或数十倍，
能实现线速路由。
一 37 —
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2．2 分布式流水线
有了分布式流水线，多个分布式的转发引擎能
快速地独立传送数据包。在单个流水线中，多个
ASIC芯片同时处理多个数据帧。这种并发性和流
水线可将转发性能提高到一个新的高度：在所有的
端口上实现点播、广播和组播的线速性能。
2．3 动态可多展的内存
对于先进的局域网交换产品，其真实的性能是
建立在智能化的存储器系统之上的。第三层交换机
将存储器的一部分直接与转发引擎相关联。增加更
多的接口模块，包括各自的转发引擎，存储器也相应
地扩展了。并通过流水线式的 ASIC处理，动态地构
造缓存，增加了内存的使用率，系统能处理大的突发
数据流而不丢失数据包了。
2．4 先进的队列机制
在传统上，通过网络设备的某个端 口的流量必
须在只有一个输出队列的缓存中保存，不论它的优
先级别有多高，也必须按照先进先出的方式被处理。
当队列满的时候，任何超出的部分都将被丢弃。此
外，当队列变长时，延时也增加了。基于上述的原
因，许多的网络设备厂商开发了新技术，可在一个以
太网上提供不同的服务级别，同时提供对延时和抖
动的控制。这样就引进了每端口有不同级别队列的
机制。
这种队列能更好地区分不同的流量级别，以便
将网络更接近地与高性能应用相匹配。使用加权公
平排队算法，可以更频繁地处理高优先级队列，但又
不会置低优先级的队列于不顾。传统应用的用户不
会感觉到响应时间和吞吐量的变化，而那些使用紧
急应用的用户则可得到及时的响应。
2．5 自动流量分类
有些数据流比其他数据流更重要。使用自动分
类 ，第三层交换机可以指示数据包流水线区分用户
指定的数据流，从而实现低延时、高优先级传输和避
免拥塞。
2．6 智能许可权控制
第三层交换机提供多种安全机智，并使用流量
分类器，管理员可以限制任何被识别的数据流，包括
限制对服务器的访问及排除无用的协议广播。这一
点是网络技术领域里的突破性进展，即提供了线速
防火墙。
2．7 动态流量监督
流量的分类，优先化处理以及资源保留使企业
网和 Intranet管理员能将精力集中在更重要的事情
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上，即传统的和下一代的应用。但有一个事情还需
要去做，那就是流量监督。流量监督不太算是一个
策略机制，因为它实际上是一个保护机制。它监视
流量和网络的拥塞情况，并对这些情况做出动态的
响应，以保证所有的网络元素(终端用户和网络本
身)都置于控制之下并能最佳运行。
为了在拥塞的局域网上进行优先处理，许多第三
层交换机使用了IEEE 802．1p的服务级别。为了避免
拥塞，高性能第三层交换机甚至采用了更先进的技术
来动态地监视输出列的大小，以便发现一个端口是否
将变得拥挤。通过控制队列的大小和拥塞，网络可以
维持对延时较为敏感的数据流所需的极限。
2．8 可扩展的RMON实现
对 RMON的支持已经成为进行主动和广泛的
网络管理一个不可缺少的组成部分。RFC1757定义
的 MIB含有物理层和 MAC层的统计数据，RFC2021
定义的RMON2将统计数据的采集扩展至网络层上。
2．9 向量处理技术
向量处理技术用来加速数据帧的处理速度。第
三层交换机的体系结构不仅在第二层之上增加了第
三层的控制能力，而且增加了多方位的多种向量控
制，从而极大加强了向量处理功能。第三层交换机
的向量处理有众多的优点：
(1)快速的帧处理速度。由于有了基于 ASIC的
数据包分类、转发和解释技术，由软件进行帧解码的
工作被降至最低的程度，与纯软件的设计相比较，这
种方法显然可获得高得多的性能。
(2)具有高度适应性的功能控制。向量处理与
可编程的ASIC相配合工作，从而能够以最小的开销
支持未来的新标准。例如，对 IPV6的支持已经是向
量逻辑的一部分。
(3)增强的管理功能。多方位的向量处理还包
括内置的网络挂念代理及 RMON等。
2．1O 多 RIsC处理机
在高可靠性的交换机 中，一个专门的高性能
RISC处理机是绝对需要的。而事实上，帧处理机
(vP)与向量逻辑的结合所提供的性能是无与伦 比
的。一个独立的应用处理机(AP)可辅助 FP。如 FP
一 样，AP也是一个高性能的 RISC处理机。AP可控
制除了帧转发以外的所有操作：高层的桥接和路由，
如生成树和 OSPF协议，以及 SNMP操作和 Hr】 操
作等。使用 AP和 FP的好处是显而易见的，因为管
理和计算方面的工作并不影响数据的转发，从而可
实现高吞吐量和低延时。 (下转第42页)
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系统参数表初贻化
调用GETSRAM子程序占用共享 RAM
利用本地处理机局部存储器中的前疗￡任务表
恢复当前进程在共享RztA．I中前序任务表中
的前序任务数
调用SEND．利用输HI参数"g．：Ettl口
参数输送到共享存储器
后序任务数为OFFH?
———T
将所有后序任务的前序任务数减 I，通
知后序任务本进程已经运行结束
后序任务的前序任务效为0，则表示该任务
以就绪，将该任务放人工作池中，等待运行
工作池中无就绪任务?
———1
释放共享存储器．等待随机时问
然后占用共享存储器
取得该就序任务的任务号
利用人口参数表．调用 Reeeiv 子程序．读
人该任务的人口参数
释放共享存储器，获得该任务的进程向量，
执行该任务
图 2 系统程序框图
5 结论
综上所述，本系统是基于共享存储器结构的多
单片机结构，它的设计和实施着眼于在提高运行性
能的同时，提供一定的硬件冗余(即具有一定的容错
能力)。本文所采用的通信和同步方式，任务的多副
本方式，进程自动自调度的并行机制，可以很大的提
高系统的性能。对这种调度方式来说 ，构成系统的
单片机数量多少不影响运行结果，当一个单片机模
块出现故障时，可以简单的屏蔽该模块而不影响整
吗— ^ ， ，虎
(上接第 38页)
3 第三层交换的应用优势和发展趋势
第三层交换的目标是，只要在源地址和 目的地
址之间有一条更为直接的第二层通路 ，就没有必要
经过路由器转发数据包。第三层交换使用第三层路
由协议来确定转发的路径，此路径可以只使用一次，
也可以存储起来，供以后使用。之后数据包通过一
条虚电路绕过路由器快速转发。第三层交换技术的
出现，解决了局域网中在网段划分之后，网段中子网
必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由
器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。
传统的网络结构对用户应用所造成的限制，正
是第三层交换技术所要解决的关键问题。目前，市
场上最高档路由器的最大处理能力为每秒 25万个
包。而最高档交换机的最大处理能力则为每秒
1000万个包以上，二者相差 4o倍。在交换网络中，
尤其是大规模的交换网络，没有路由功能是不可想
象的，然而路由器的处理能力又限制了交换网络的
一 42 一
个系统的运行，从而实现容错。经过样机运行，取得
很好的效果。
参 考 文 献：
[1] R v Ramamoorthy and M J Gonv~ez A Survey of Techniques for
RecongnizingPandlel Processable S,eamsin ComputerProgrmns[J]，
AFIPS Gaff．Proc，FJCC，1979，35．
[] 魏振华，王培东，基于容错机制的并行处理系统同步策略的研
究[J]．哈尔滨理工大学学报．2OOO，5(1)．
[] 张拥军，等．一种基于多处理机的容错实时任务调度算法[J]，计
算机研究与发展，2OOO，(4)． 责任缡辑：张棣
速度。这正是三层网络交换所要解决的问题。
尽管第三层交换机的技术已日益成熟完善，但
如其他一些新技术一样，还有待进行协议的标准化
工作。很多厂商都宣称 自己开发出了第三层交换
机，但经国际权威机构测试，作法各异且性能表现不
同。另外，也可能是出于商家占领市场的策略需要。
目前的第三层交换机主要是可交换路由 IP／IPX协
议，还不能处理其他一些有一定应用领域的专用协
议。因此，专家们认为，第三层交换技术是将来的主
要网络集成技术，传统的路由器在很长的一段时间
内还会得以应用，但它将处于其力所能及的位置，那
就是处于网络的边缘，作为在速度受限的广域网互
联、安全控制、专用协约的异构网络互联等。
参 考 文 献：
【1] 范毅波．多层交换【J]．福建电脑，2OOl，(12)：21．
[2] 王鹏，李彤 ，局域网最佳解决方案——三层交换机[J]，电信交
换，2o02，(3)：12．
[3] 常SP_I~I，交换新l~fi2[M／CD]．http：／／www．fzteleemn．130111．口1．
[43 联想公司．第三层交换技术[M／CDJ．http：／／www．1egned．c ．口l，
责任编辑：张荣香
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