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二层、三层交换机的工作原理及其区别

作者:课课家教育     来源: http://www.kokojia.com点击数:2825发布时间: 2016-08-05 16:26:57

标签: 交换机二层交换三层交换

  在计算机技术中,网络交换器是一个扩大网络的设备,能为子网中提供更多的连接端口,以便连接更多的电脑。随着通信业的发展以及国民经济信息化的推进,网络交换机市场呈稳步上升态势。它具有性能价格比高、高度灵活、相对简单、易于实现等特点。所以,以太网技术已成为当今最重要的一种局域网组网技术,网络交换机也就成为了最普及的交换机。

二层、三层交换机的工作原理及其区别_交换机_二层交换_课课家

  二层交换技术是发展比较成熟,二层交换机属数据链路层设备,可以识别数据包中的MAC地址信息,根据MAC地址进行转发,并将这些MAC地址与对应的端口记录在自己内部的一个地址表中。

  1.二层交换的原理

  (1)当交换机从某个端口收到一个数据包,它先读取包头中的源MAC地址,这样它就知道源MAC地址的机器是连在哪个端口上的;

  (2)再去读取包头中的目的MAC地址,并在地址表中查找相应的端口;

  (3)如表中有与这目的MAC地址对应的端口,把数据包直接复制到这端口上;

  (4)如表中找不到相应的端口则把数据包广播到所有端口上,当目的机器对源机器回应时,交换机又可以学习一目的MAC地址与哪个端口对应,在下次传送数据时就不再需要对所有端口进行广播了。

  在互联网中,二层交换就是这样不断地循环这个过程,建立和维护它的地址表。

  从二层交换机的工作原理可以推知以下三点:

  (1)由于交换机对多数端口的数据进行同时交换,这就要求具有很宽的交换总线带宽,如果二层交换机有N个端口,每个端口的带宽是M,交换机总线带宽超过N×M,那么这交换机就可以实现线速交换;

  (2)学习端口连接的机器的MAC地址,写入地址表,地址表的大小(一般两种表示方式:一为BEFFERRAM,一为MAC表项数值),地址表大小影响交换机的接入容量;

  (3)还有一个就是二层交换机一般都含有专门用于处理数据包转发的ASIC(application Specific Integrated Circuit)芯片,因此转发速度可以做到非常快。由于各个厂家采用ASIC不同,直接影响产品性能。

  以上三点也是评判二、三层交换机性能优劣的主要技术参数,这一点请大家在考虑设备选型时注意比较。

  2.路由技术

  路由器工作在OSI模型的第三层---网络层操作,其工作模式与二层交换相似,但路由器工作在第三层,这个区别决定了路由和交换在传递包时使用不同的控制信息,实现功能的方式就不同。工作原理是在路由器的内部也有一个表,这个表所标示的是如果要去某一个地方,下一步应该向那里走,如果能从路由表中找到数据包下一步往那里走,把链路层信息加上转发出去;如果不能知道下一步走向那里,则将此包丢弃,然后返回一个信息交给源地址。

  路由技术实质上来说不过两种功能:决定最优路由和转发数据包。路由表中写入各种信息,由路由算法计算出到达目的地址的最佳路径,然后由相对简单直接的转发机制发送数据包。接受数据的下一台路由器依照相同的工作方式继续转发,依次类推,直到数据包到达目的路由器。

  而路由表的维护,也有两种不同的方式。一种是路由信息的更新,将部分或者全部的路由信息公布出去,路由器通过互相学习路由信息,就掌握了全网的拓扑结构,这一类的路由协议称为距离矢量路由协议;另一种是路由器将自己的链路状态信息进行广播,通过互相学习掌握全网的路由信息,进而计算出最佳的转发路径,这类路由协议称为链路状态路由协议。

  由于路由器需要做大量的路径计算工作,一般处理器的工作能力直接决定其性能的优劣。

  当然这一判断还是对中低端路由器而言,因为高端路由器往往采用分布式处理系统体系设计。

  3.三层交换技术

  近年三层技术的宣传之广,可谓街知巷闻。有人说这是个非常新的技术,也有人说,三层交换就是路由器和二层交换机的堆叠,并没有多大的新意,实际上并不是如此。下面通过一个简单的网络来看看三层交换机的工作过程。

  (1)组网简单

  准备两台三层交换机,分别为使用IP的设备A、使用IP的设备B。

  比如A要给B发送数据,已知目的IP,那么A就用子网掩码取得网络地址,判断目的IP是否与自己在同一网段。

  如果在同一网段,但不知道转发数据所需的MAC地址,A就发送一个ARP请求,B返回其MAC地址,A用此MAC封装数据包并发送给交换机,交换机起用二层交换模块,查找MAC地址表,将数据包转发到相应的端口。

  如果目的IP地址显示不是同一网段的,那么A要实现和B的通讯,在流缓存条目中没有对应MAC地址条目,就将第一个正常数据包发送向一个缺省网关,这个缺省网关一般在操作系统中已经设好,对应第三层路由模块。由此可见,对于不是同一子网的数据,最先在MAC表中放的是缺省网关的MAC地址。

  然后由三层模块接收到此数据包,查询路由表以确定到达B的路由,将构造一个新的帧头,其中以缺省网关的MAC地址为源MAC地址,以主机B的MAC地址为目的MAC地址。通过一定的识别触发机制,确立主机A与主机B的MAC地址及转发端口的对应关系,并记录进流缓存条目表,以后的A到B的数据,就直接交由二层交换模块完成。这就是通常说的一次路由多次转发。

  (2)三层交换的特点

  ①由硬件结合实现数据的高速转发。

  ②这不是简单的二层交换机和路由器的叠加,三层路由模块直接叠加在二层交换的高速背板总线上,突破了传统路由器的接口速率限制,速率可达几十Gbit/s。算上背板带宽,这些是三层交换机性能的两个重要参数。

  ③简洁的路由软件简化了路由过程。

  ⑥大部分的数据转发,除了必要的路由选择交由路由软件处理,都是由二层模块高速转发,路由软件大多都是经过处理的高效优化软件,并不是简单照搬路由器中的软件。

  4.结论

  二层交换机用于小型的局域网络。在小型局域网中,广播包影响不大,二层交换机的快速交换功能、多个接入端口和低廉价格为小型网络用户提供了完善的解决方案。

  路由器的优点在于接口类型丰富,支持的三层功能强大,路由能力强大,适合用于大型的网络间的路由,它的优势在于选择最佳路由,负荷分担,链路备份及和其他网络进行路由信息的交换等路由器所具有功能。

  三层交换机的最重要功能是加快大型局域网络内部的数据快速转发,加入路由功能也是为这个目的服务的。如果把大型网络按照部门、地域等因素划分成一个个小局域网,这将导致大量的网际互访,单纯地使用二层交换机不能实现网际互访。

  若单纯地使用路由器,由于接口数量有限和路由转发速度慢,将限制网络的速度和网络规模,采用具有路由功能的快速转发的三层交换机就成为首选。如果把大型网络按照部门、地域等因素划分成一个个小局域网,这将导致大量的网际互访,单纯地使用二层交换机不能实现网际互访。

  若单纯地使用路由器,由于接口数量有限和路由转发速度慢,将限制网络的速度和网络规模,采用具有路由功能的快速转发的三层交换机就成为首选。

  一般地,在内网数据流量大,要求快速转发响应的网络中,如全部由三层交换机来做这个工作,会造成三层交换机负担过重,响应速度受影响,将网间的路由交由路由器去完成,充分发挥不同设备的优点,不失为一种好的组网策略。

  尽管硬件仍是数据中心网络设备的重要组成部分,但交换机软件的影响力不容小觑。合适的网络交换机软件能让网络更加灵活、智能和符合成本效益,随着企业使用网络的方式继续改变,数据中心底层操作系统的特性和功能变得同样重要。

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