高 昆：交换机第三层交换技术的优势
交换机第三层交换技术的优势
高 昆
(陕西 教育学 院 远程教育中心 陕西 西安 710061)
摘 要：针对目前第二层交换技术特点，浅析了他的工作原理及缺陷，结合路由的优势．分析第三层交换技术的基本
特征，并深入解析第三层交换技术的工作原理及实现方法，他将第二层交换机和第三层路 由器两者的优势结合成有机的整
体 。在肯定第三层 交换技术优点的 同时．展 望第三层 交换技术的广 阔应用前景 。
关键词 ：第二层 交换机 ；传统路 由器；第三层 交换技 术；第三层交换机
中图分类号 ：TN9l5．O5 文献标识码 ：B 文章编号 ：1004—373X (20O5)2O一124一O3
Superiority of Third Layer Exchange Technology of Exchange M achine
GA0 KUn
(Remote Educational Center．Shaanxi Educational College，Xi an．710061，China)
Abstract：In view of the feature of second layer exchange technology，analysing its work principle as well as its shortage，
combining the advantage of the route maker．here we construe the basic characteristic of the third layer of the exchange technology，
analyse the work principle of the third layer of the exchange technology deeply and discuss how tO make it into practice．It S a organic
combination of both of the advantage of the second layer exchange machine and the third layer router．W e admit the strong point of the
second lyer tecnology．At the same time，we are looking forward to the bright future of the third layer of the exchange tecnology．
Keywords：the second layer exchange machine；the traditional router；the third layer exchange technology；the third layer exchange
machine
交换机是一种具有简化、低价、高性能和高端口密度
特点的交换产品，根据OSI层次的划分，各层通过他自己
的协议与另～系统中的同级分层进行通信。每一层的协议
在同级分层之问交换被称为协议数据单元(PDU)的信息。
各层可以对他的PDU使用一个更具体的名称。
表 1 与OS1分层相应的PDU和设备 类型
各同级分层协议使用其下层的服务。这样 ．传输控制
协议 (TCP)的数据分段就被封装在第三层数据包中，第
三层数据包又封装在第二层数据帧中。各层设备只负责处
理其所负责的PDU (Protocol Data Unit)头部。
l 传统交换技术 (第二层交换技术)
通常所说的交换机是指第二层交换机 (也称为 LAN
交换机)，他体现了桥接技术的复杂交换技术在OSI／RM
的第二层操作。LAN交换机按每一包中的MAC地址相对
简单地决策信息的转发。而这种转发决策一般不考虑包中
隐藏的更深的其他信息。这点同网桥的功能是一样的。但
收稿 日期 ：2005—08—25
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交换机的转发延迟很小，接近于操作单个局域网。第二层
的交换是基于硬件的桥接。在实际应用中，数据帧的转发
是由专用集成电路 (ASIC)硬件来实现的。这就给网络管
理人员提供了在不给网络添加不必要复杂性的前提下而
增加带宽的能力。第二层数据帧既含有结构内容 (如MAC
地址)，也含有最终用户内容。在第二层 ，数据包的结构内
容像在第一层接口之间一样进行传输时，例如：从以太网
(Ethernet)到快速以太网 (fast Ethernet)是不需要进行
修改的。但是，当在不同传输介质类型之问被桥接时，则
需要改变结构内容。如在FDDI和以太网之问被桥接时，则
必须改变结构内容。
第二层交换机能经济地把网络分成小的冲突域。为每
个工作站提供更高的带宽能力。协议 (protoco1)的透明性
使得交换机在软件配置简单的情况下可以直接安装在多
协议网络中。工作组连通性和网络分段是第二层交换机的
两大用途。第二层交换机的高性能可以进行网络设计．用
来降低物理网段的主机数 目。降低每个网段的主机数目导
致了一个含有更多分段的 “平”的网络设计。
但第二层交换仍具有桥接的所有特性和限制，通过第
二层交换 机所建 立 的广播 域仍然 面临 着与过去 大型桥接
网络同样的扩展性和性能问题 。随着主机数 的增加 ，广播
与多点广播覆盖的半径不断增大，广播仍然会干扰所有末
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《现代电子技术 》2005年第 20期总第 211期 嵌入式与单片机
端站点。生成数协议收敛较慢和阻塞链路的限制依然存
在。尽管交换机较传统的网桥快了许多，但第二层交换和
桥接在逻辑上是同等的。
2 路由的优势
路由器负责在两个局域网的网络层之间传输数据分
组，并确定网络上数据传送的最佳路径。路由器根据所确
定的最佳路径决定应该将数据包转发到下面的一个网络
结点来改进网络分段。路由器不转发第二层广播数据帧。
也不向一个不含有任何多点广播客户的网络转发多点广
播数据包。网络层地址标识 OsI／RM 中网络层的一个实
体 ，虚拟地址 (逻辑地址)对应于所支持的每一种网络层
协议 ，路由器和其他网络互连设备对每个物理网络连接都
需要一个网络层地址。因为路由器将单个第三层逻辑地址
映射到单台网络设备上。路由器可以根据每个数据包中所
含 的可识别 的属性来 限制 网络流量 的安全 。这些选项 可以
应用于任一路 由器接 口上的进入 的或外 出的数据包 。
图1所示为传统路由器的体系结构。
图 1 传统 路 由 器 的体 系 结构
当大多数网络业务流局限于一个工作组或LAN网段
而非横跨子网时，传统路由器的速度能够很容易地跟上其
处理的业务流 。随着 当今 网络业务流总量的持续增加 ，并
且业务流模式改变为更多业务流跨越子网边界。穿越路由
器 的业务 流也 大大增 加了。当涉及 的特殊 特征越 多时 ，需
要处理 的时间也越多 。通过传统软件路 由器 的处理 通路也
变得越来越慢 了。
第三层交换技术针对以上存在的矛盾问题，各个设备
厂家开始采用一些设计策略来解决／缓解这个问题：
(1)削减处理 的协议数 。常 常只是针对 IP协议 。
(2)只完成交换和路 由功能 ，限制特殊服务 。
(3)使 用ASIC (专用集成 电路 )构造更 多的功 能 ，而
不是采用RISC(复杂指令集 )处理机之上 的软件 运行 这些
功能 。
正是由于这些方法导致了第 三层交 换产品的出现 。即
路由式交换机 (第三层交换技术)也称为IP交换技术。他
将第 二层交换 机和第 三层路 由器两者 的优势 结合成 为一
个有机的整体，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，是新一代局域网路由和交换技术。
第三层交换技术具有以当前系统 1／10的代价获得传输性
能于过去 10倍的能力 。既然第三层 交换 机能够代 替路 由
器执行传统路由器的大多数功能，他应该具有路由的基本
特征。他执行与路 由器相似 的2个基本功能 ：第一功能是
根据在第三层地址中找到的信息来决定路径。这是通过路
由选择协议建 立路由表来完成的 。路 由表被 用来决定 数据
包怎样通过网络。执行的第二功能被称为”包交换”的工
作。包交换重复第二层信息，减少生存时间 (TTL)值 ，及
将数据帧传送到下一接口。该包交换过程不应与第二层交
换相混淆 。
我们知道，路由的核心功能主要包括数据报文转发和
路由处理两方面。数据报文转发是路由器和第三层交换机
最基本的功能，用来在子网间传送数据报文；路由处理子功
能包括创建 和维护路 由表 ，完成这一功能需要启用路 由协
议~[IRIP或OSPF来发现和建立网络拓扑结构视图，形成路
由表。路 由处理一旦完成 ，将数据报文发送至 目的地就是报
文转 发子功能 的任务了。报文转发子功能的工作包括检查
IP报 文头、IP数据包 的分片 和重 组、修 改存活时 间
(TTL)参数 、重新计算 IP头校验和、MAC地址解析 、IP
包的数据链路封装 以及IP包的差错与控制处理(ICMP)等。
路由表查找操作常是第三层交换设备中必须完成的
最耗时的操作。这一过程的效率确定了第三层交换设备路
由网络业务流的能力。在路由查找过程中，第三层交换机
接收到一个带 目的地址 (DA)的报文 ，对于 目前的IPv4规
则，DA为32位字段。第三层交换机使用IP目的地址做为
关键字查找路由表。查找的目的是表中的哪一项代表报文
穿过网络到达 目的地的最佳路由。
路由器和第三层交换机对数据包交换操作的主要区
别在于物理的实施。在传统路 由器上，一般由基于微处理
器的引擎执行数据包交换；而第三层交换机通过硬件执行
数据包 交换 。第 三层交换 机 为网络设 计提供 了许多灵 活
性 。例如 ：他 可用于汇聚建 筑物 内物理 网段的业务流 ，将
局部业务流局限于子网内，同时以线速度转发跨子网的业
务流。他们可用于前端共享资源 (如服务器组)，提供高速
链接 ，同时保护这些服务器免受消耗其处理时间的外部广
播业务流的影响，他们可以减轻传统路由器的IP网络业
务流处理负担 。
3 第三层交换技术工作原理分析
一 个具有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，但他是两者的有机结合，而不是
简单地把路由器设备的硬件及软件叠加在局域网交换机
上。可以通过以下例子说明三层交换机是如何工作的。
假设两个使用IP协议的站点A，B通过第三层交换机
进行通信 ，发送站点A在开始发送时，会先拿 自己的IP地
址 与B站 的IP地 址进行 比较 ，判 断B站 是否与 自己在 同一
子网内。若 目的站B与发送站A在同一子网内，则进行二
层的转发。具体步骤如下 ：为了得到站点B的 MAC地址，
站点A首先发一个ARP广播报文，请求站点B的MAC地
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址。该ARP请求报文进入交换机后，首先进行源MAC地
址学习，芯片自动把站点A的MAC地址以及进入交换机
的端 口号等信息填人到芯片的 MAC地址表中，然后在
MAC地址表中进行目的地址查找。由于此时是一个广播
报文，交换机则会把这个广播报文从进入交换机端口所属
的VLAN(虚拟局域网)中进行广播。B站点收到这个ARP
请求报文之后，会立刻发送一个ARP回复报文，这个报文
是一个单播报文 ，目的地址为站点A的MAC地址。该包
进入交换机后，同样，首先进行源MAC地址学习，然后
进行 目的地址查找，由于此时MAC地址表中已经存在了
A站点MAC地址的匹配条目，所以交换机直接把此报文
从相应的端口中转发出去。通过以上一次ARP过程，交换
芯片就把站点A和B的信息保存在其MAC地址表中。以
后A，B之间进行通信或者同一网段的其他站点想要与A
或B通信 ，交换机就知道该把报文从哪个端 口送出。还必
须说明的一点是，当查找MAC地址表的时候发现找不到
匹配表项，该报文又不是广播或多播报文时，此报文被称
为 DI F (Destination Lookup Failure)报文 ，交换 机对此
类报文的处理就像对收到一个广播报文处理一样，将此报
文从进人端 口所属的VLAN中扩散出去。从以上过程可以
看出，所有二层转发都是由硬件完成的，无论是MAC地
址表的学习过程还是 目的地址查找确定输出端口过程，都
没有软件进行干预。
第三层交换机实现跨网段通信工作过程如下：
如上例，站点 A，B通过三层交换机进行通信。站点
A和B所在网段都属于交换机上的直连网段，若站点A和
站点B不在同一子网内，发送站A首先要向其 “缺省网
关”发出ARP请求报文，而 “缺省网关”的IP地址其实
就是三层交换机上站点A所属VLAN的IP地址。当发送
站A对 “缺省网关”的IP地址广播一个ARP请求时，交
换机就向发送站A回一个ARP回复报文，告诉站点A交
换机此VLAN的MAC地址 ，同时可以通过软件把站点A
的IP地址、MAC地址 、与交换机直接相连的端口号等信
息设置到交换芯片的三层硬件表项中。站点A收到这个
ARP回复报文之后 ，进行目的MAC地址替换，把要发给
B的包首先发给交换机 。交换机 收到 这个包 以后 ，同样首
先进行 源MAC地址学 习，目的MAC地址查找 ，由于此时
目的MAC地址为交换机的MAC地址，在这种情况下将会
把该报文送到交换芯片的三层引擎处理。一般，三层引擎
会有2个表，一个是主机路由表，这个表是以IP地址为索
引 的，里面存放 目的 IP地址 、下一跳MAC地址 、端 口号
等信息。若找到一条匹配表项，就会再对报文进行一些操
作 (例如 目的MAC与源MAC替换、TTL减1等)之后将
报文从表中指定的端口转发出去。若主机路由表中没有找
到匹配条 目，则会继续查找另一个表——网段路由表。这
个表存放网段地址、下一跳MAC地址、端口号等信息。一
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般，这个表的条 目要少得多，但覆盖的范围很大，只要设
置得当，基本上可以保证大部分进入交换机的报文都由硬
件转发，这样不仅大大提高转发速度，同时也减轻了CPU
的负荷。若查找网段路由表也没有找到匹配表项，则交换
芯片会把包送给CPU处理 ，进行软路由。由于站点B属于
交换 机的直连网段之一 ，CPU 收到这个IP报文 以后 ，会直
接以B的IP为索引检查ARP缓存 ，若没有站点B的MAC
地址 ，则根据路由信息向B站广播一个ARP请求 ，B站得
到此ARP请求后向交换机回复其MAC地址，CPU在收到
这个ARP回复报文的同时，同样可以通过软件把站点B的
IP地址、MAC地址、进入交换机的端口号等信息设置到
交换芯片的三层硬件表项中，然后把由站点A发来的IP报
文转发给站点B，这样就完成了站点A到站点B的第一次
单向通信。由于芯片内部的三层引擎中已经保存站点A、B
的路由信息 ，以后站点A、B之间进行通信或其他网段的
站点想要与 A、B进行通信 ，交换芯片则会直接把包从三
层硬件表项中指定的端口转发出去，而不必再把包交给
CPU处理。这种通过 “一次路由，多次交换”的方式 ，大
大提高了转发速度 。需要说明的是，三层引擎中的路由表
项大都是通过软件设置的。
三层交换机将二层交换机和三层路由器两者的优势
有机而智能化的结合在一起 ，在各个层次上提供线速性
能，从而解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈
问题。在没有广域网连接需求的场合，用于连接不同子网
的传统路由器正在以极快的速度被三层交换机所代替。
三层交换从 概念的提出到今天的普及应 用 ，虽然 只历
经了几年的时间，但其在网络建设中的应用越来越广泛 ，
从最初骨干层、中间的汇聚层一直渗透到边缘的接人层。
三层交换机以其速度快、性能好、价格低等众多的优势已
经把路由器排挤到网络的“边缘”。凡是没有广域网连接需
求，同时又需要路由器的地方，都可以用三层交换机代替。
随着ASIC硬件芯片技术的发展和实际应用的推广，三层
交换的技术与产品会得到进一步发展。
4 结 语
在今天的网络建设中，新出现的三层交换机已成为首
选。他以其高效的性能、优良的性价比得到用户的认可和
赞许。目前，三层交换机在企业网／校园网建设、智能社区
接人等许多场合中得到了大量的应用 ，市场的需求和技术
的更新推动这种应用向纵深发展。
参 考 文 献
[1] Jim Metzler，Lynn Denoia．第三层交换 [M]．北京：机械
工业 出版社 ，2000．
[2] [美]Karen webb．组建CISCO多级交换网络 [M]．北京：
人 民邮电出版社 ，1 999．
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