網(wǎng)管技術貼：三層交換機與路由器的區(qū)別

在眾多的網(wǎng)絡產(chǎn)品中，交換機對于構建高性能的網(wǎng)絡起著至關重要的作用，其技術發(fā)展同樣令人矚目�，F(xiàn)在，"第三層交換"這個詞在業(yè)界已經(jīng)比較流行了，在大中型網(wǎng)絡中，已經(jīng)有了很多以千兆第三層交換機為核心的網(wǎng)絡。隨著我國企業(yè)網(wǎng)、校園網(wǎng)以及寬帶網(wǎng)的迅速發(fā)展，第三層交換機成為新的市場增長點，它的應用也從最初網(wǎng)絡中心的骨干層、匯聚層一直滲透到網(wǎng)絡邊緣的接入層。而該領域也不再由國外廠商獨領風騷，許多國內(nèi)廠商，如TCL網(wǎng)絡和神州數(shù)碼網(wǎng)絡等都推出了各具特色的第三層交換產(chǎn)品。

一、交換技術的發(fā)展

計算機技術與通信技術的結合促進了計算機局域網(wǎng)的飛速發(fā)展，從20世紀60年代末Aloha網(wǎng)的出現(xiàn)，到90年代后期千兆交換式以太網(wǎng)的登臺亮相，短短的30年間，經(jīng)歷了從單工到雙工、從共享到交換、從低速到高速、從簡單到復雜、從昂貴到普及、從第二層交換到多層交換的飛躍。

1.第二層交換

在剛開始組建局域網(wǎng)時，主要局限于主機連接、文件和打印共享，多個用戶共享10Mbps帶寬就能滿足這些需求。隨著網(wǎng)絡規(guī)模的日益擴大，先前的網(wǎng)絡系統(tǒng)已不能勝任，這是因為在局域網(wǎng)中，最早的網(wǎng)絡互聯(lián)設備是集線器，它是第一層(物理層)設備。由于在這種基于CSMA/CD物理層協(xié)議的網(wǎng)絡中，經(jīng)常發(fā)生用戶數(shù)據(jù)的沖突，并由此導致重發(fā)數(shù)據(jù)，使傳輸?shù)男�率大大降低。當時采用了第二層(數(shù)據(jù)鏈路層)設備網(wǎng)橋，它起到細化網(wǎng)段和減小沖突域的作用，從而優(yōu)化了局域網(wǎng)的性能。但網(wǎng)橋是對高層(第三層以上)協(xié)議透明的設備，不能有效阻止廣播風暴，因此需要采用路由器。路由器在子網(wǎng)間互聯(lián)、安全控制和廣播風暴限制等方面起了關鍵的作用，但復雜的算法、較低的數(shù)據(jù)吞吐量使其成為網(wǎng)絡的瓶頸。為了解決以上問題，業(yè)界對網(wǎng)橋進行了改進，制造出局域網(wǎng)交換機，用它來替代集線器，以提高網(wǎng)絡的性能。

局域網(wǎng)交換機是一種第二層網(wǎng)絡設備，它在運行過程中不斷收集和建立自己的MAC地址表，并且定時刷新。它的引入使網(wǎng)絡各站點之間可獨享帶寬，消除了無謂的沖突檢測和出錯重發(fā)，提高了傳輸效率，而且是點對點傳送用戶數(shù)據(jù)，其他節(jié)點是不可見的。但第二層交換也有其弱點，包括不能有效解決廣播風暴、異種網(wǎng)絡互聯(lián)和安全性控制等問題。因此，產(chǎn)生了交換機上的VLAN(虛擬局域網(wǎng))技術。

2.第三層交換

第二層交換機工作在OSI參考模型的第二層--數(shù)據(jù)鏈路層上，主要功能包括物理編址、網(wǎng)絡拓撲結構、錯誤校驗、幀序列以及流量控制等。為了改進交換機的性能，又推出了第三層交換機，它在保留第二層計算機所有功能的前提上，增加了許多新的功能，如對VLAN的支持、對鏈路匯聚的支持，甚至具有防火墻的功能等。簡單來說，所謂的第三層交換機就是在基于協(xié)議的VLAN劃分時，增加了路由功能。

第三層交換機是Intranet應用的關鍵，它將第二層交換機和第三層路由器兩者的優(yōu)勢有機而智能化地結合成一個靈活的解決方案，可在各個層次提供線速性能。這種集成化的結構還引進了策略管理屬性，不僅使第二層與第三層相互關聯(lián)起來，而且還提供流量優(yōu)先化處理、安全訪問機制以及其他多種功能。

第三層交換機分為接口層、交換層和路由層等3個部分。接口層包含了所有重要的局域網(wǎng)接口，如10/100Mbps以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)、FDDI和ATM等;交換層集成了多種局域網(wǎng)接口，并輔之以策略管理，同時還提供鏈路匯聚、VLAN和標記機制;路由層提供主要的局域網(wǎng)路由協(xié)議，包括IP、IPX和AppleTalk等，并通過策略管理，提供傳統(tǒng)路由或直通的第三層轉發(fā)技術。策略管理和行政管理相結合，使得網(wǎng)絡管理員能夠根據(jù)企業(yè)的特定需求調(diào)整網(wǎng)絡。

一般來說，第三層交換產(chǎn)品都采用可編程可擴展的ASIC芯片技術，可以提供以下一些豐富的特性：

(1)在所有端口，針對所有網(wǎng)絡接口和協(xié)議的無阻塞線速交換和路由;

(2)具有極高的吞吐量，數(shù)據(jù)包的轉發(fā)速度(即轉發(fā)包/每秒，pps)通常比中高端路由器還要快10～100倍;

(3)多種協(xié)議的路由選擇，如IP(RIPv1/v2、OSPF)、IP Multicast(DVMRP、PIM)和IPX等;

(4)支持多種VLAN的劃分，能夠根據(jù)端口/MAC地址、協(xié)議、IP子網(wǎng)、IEEE 802.1Q或Cisco ISL等劃分;

(5)具有帶寬預留(RSVP)及具有服務類別(CoS)和服務質(zhì)量(QoS)的業(yè)務量優(yōu)先級處理，支持IEEE 802.1p和業(yè)務分類(DifferServ);

(6)可設定訪問列表控制(Access List Control)的過濾規(guī)則，或基于防火墻的安全策略;

(7)支持通過以太網(wǎng)的點到點協(xié)議(PPPoE)，支持安全用戶認證，配合用戶計費，增強用戶管理特性;

(8)支持以太網(wǎng)帶寬單元遞增分配服務;

(9)ASIC的可編程性，支持諸如IPv6的技術和其他未來技術，保護用戶投資。

二、第三層交換與路由器的比較

在過去，網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)大都遵守"80/20"規(guī)則，即網(wǎng)絡中只有大約20%的數(shù)據(jù)包是通過骨干路由器與中央服務器或企業(yè)網(wǎng)絡的其他部分進行通信，而80%的網(wǎng)絡流量主要仍集中在不同的部門子網(wǎng)內(nèi)。而現(xiàn)在，情況卻發(fā)生了根本性的變化，以至形成了"20/80"規(guī)則。為了應付不斷增長的數(shù)據(jù)流量，共享介質(zhì)型的網(wǎng)絡紛紛被交換型網(wǎng)絡所替代。這種變化對原來用于網(wǎng)絡分段的傳統(tǒng)路由器產(chǎn)生了直接的沖擊。鑒于大部分的數(shù)據(jù)流量都跨越 IP子網(wǎng)，路由器事實上已經(jīng)成為了網(wǎng)絡傳輸?shù)钠款i。

傳統(tǒng)的路由器主要功能是實現(xiàn)路由選擇與網(wǎng)絡互聯(lián)，即通過一定途徑獲得子網(wǎng)的拓撲信息與各物理線路的網(wǎng)絡特性，并通過一定的路由算法獲得達到各子網(wǎng)的最佳路徑，建立相應路由表，從而將每個IP包跳到跳(hop to hop)傳到目的地; 其次，它必須處理不同的鏈路協(xié)議。IP包途經(jīng)每個路由器時，需經(jīng)過排隊、協(xié)議處理和尋址選擇路由等軟件處理環(huán)節(jié)，造成延時加大。同時路由器采用共享總線方式，總的吞吐量受到限制，當用戶數(shù)量增加時，每個用戶的接入速率降低。路由器更注重對多種介質(zhì)類型和多種傳輸速度的支持，而目前數(shù)據(jù)緩沖和轉換能力比線速吞吐能力和低時延更為重要。雖然路由器的性能最近也得到了一定的提高，大約達到1Mpps，但采用這種路由器的費用也高得驚人。

和路由技術相比，交換技術的好處就是速度快，當網(wǎng)絡規(guī)模很大時，高速、大容量路由器是十分必要的。另一方面，由于現(xiàn)代通信網(wǎng)絡大都采用光纖技術，所以現(xiàn)在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的主要瓶頸是節(jié)點路由器�，F(xiàn)在的第三層交換、路由交換或其他名詞都是這種思路的結果。雖然第三層交換最初是為局域網(wǎng)設計的，它采用目的IP地址進行交換，但是現(xiàn)在這種技術也已經(jīng)開始在廣域網(wǎng)中使用。

第三層交換在現(xiàn)在的網(wǎng)絡建設中起著越來越重要的作用，它不需要將廣播封包擴散，而是直接利用動態(tài)建立的MAC地址來通信，如IP地址、ARP等，具有多路廣播和虛擬網(wǎng)間基于IP和IPX等協(xié)議的路由功能，這方面功能的順利實現(xiàn)，主要依靠專用集成電路(ASIC)。把傳統(tǒng)的路由軟件處理的指令改為ASIC芯片的嵌入式指令，從而加速了對包的轉發(fā)和過濾，使得高速下的線性路由和服務質(zhì)量都有了可靠的保證。

三、第三層交換的應用

第三層交換機的應用其實很簡單，主要用途是代替?zhèn)鹘y(tǒng)路由器作為網(wǎng)絡的核心。因此，凡是沒有廣域網(wǎng)連接需求，同時又需要路由器的地方，都可以用第三層交換機來代替。

在企業(yè)網(wǎng)和校園網(wǎng)中，一般會將第三層交換機用在網(wǎng)絡的核心層，用第三層交換機上的千兆端口或百兆端口連接不同的子網(wǎng)或VLAN。這樣網(wǎng)絡結構相對簡單，節(jié)點數(shù)相對較少; 另外，其不需要較多的控制功能，并且成本較低。

在目前火爆的寬帶網(wǎng)絡建設中，第三層交換機一般被放置在小區(qū)的中心和多個小區(qū)的匯聚層，第三層交換機的出現(xiàn)動搖了企業(yè)路由器的地位。正如路由器統(tǒng)治廣域網(wǎng)一樣，第三層交換機將在今后主宰局域網(wǎng)已成為不爭的事實。

從當前國內(nèi)的情況來看，第三層交換機發(fā)展勢頭良好�？上驳氖牵�許多國內(nèi)廠商紛紛推出第三層以太網(wǎng)交換機，而且性能良好。第三層交換機在應用方面具有以下特點。

1.擔當骨干交換機

第三層交換機一般用于網(wǎng)絡的骨干交換機和服務器群交換機，也可作為網(wǎng)絡節(jié)點交換機。在網(wǎng)絡中，同其他以太網(wǎng)交換機配合使用，網(wǎng)絡管理員能構造無縫的10/100/1000Mbps以太網(wǎng)交換系統(tǒng)，為整個信息系統(tǒng)提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡服務。這樣的網(wǎng)絡系統(tǒng)結構簡單，同時還具有可伸縮性和基于策略的QoS服務等功能。第三層交換機為網(wǎng)絡提供QoS服務的內(nèi)容包括優(yōu)先級管理、帶寬管理、VLAN交換等�；�于策略的QoS使得網(wǎng)絡管理員能為各種不同類型的網(wǎng)絡流量包括TCP/UDP會話按優(yōu)先級分配帶寬，而且沒有任何交換性能上的損失。

由于應用的需求，骨干交換機多為千兆交換機，所以目前第三層交換機也多為千兆交換機，可以提供10/100Mbps自適應端口和千兆端口，既可以連接銅線，也可以連接光纖，并提供高性能的背板通道。這類交換機有機柜式的，也有可堆疊的，可以根據(jù)不同的情況選用。

2.支持Trunk協(xié)議

在應用中，經(jīng)常有以太網(wǎng)交換機相互連接或以太網(wǎng)交換機與服務器互聯(lián)的情況，其中互聯(lián)用的單根連線往往會成為網(wǎng)絡的瓶頸。采用Trunk技術能將若干條相同的源交換機與目的交換機的以太網(wǎng)連接線從邏輯上看成一條連接線。這樣既保證局域網(wǎng)不會出現(xiàn)環(huán)路，同時也有效地加大了連接帶寬。性能良好的第三層交換機全面支持Trunk協(xié)議，一些可支持8組Trunk，從而能夠有效解決了企業(yè)局域網(wǎng)中的連接帶寬問題。

3.實現(xiàn)組播和自學

一些第三層除了支持動態(tài)路由協(xié)議RIP和OSPF外，針對日漸流行的支持多點組播的需求，還能夠?qū)嵤┗�于標準的多點組播協(xié)議，如距離矢量多點組播路由協(xié)議(DVMRP)。

第三層交換機還可以支持自學習功能，它能自動發(fā)現(xiàn)主機的IP地址與連接端口的對應關系，而不使用任何路由協(xié)議。一旦把交換機接入網(wǎng)絡，它就通過不斷地偵聽ARP、RIP和ICMP數(shù)據(jù)包來學習所有連接的主機的IP地址和子網(wǎng)掩碼信息。根據(jù)學習到的信息，交換機將建立和維護路由表中的路由信息，并且自動地為所有IP數(shù)據(jù)包提供路由服務。

4.提高安全性

在網(wǎng)絡中，對于所傳輸數(shù)據(jù)包，出于安全考慮，需要根據(jù)很多規(guī)則對數(shù)據(jù)進行過濾，確保只有符合規(guī)定的數(shù)據(jù)包才能通過第三層交換機。第三層交換機支持內(nèi)部具有硬件的過濾器，能在不降低系統(tǒng)性能的情況下對所有數(shù)據(jù)包進行過濾，而且能根據(jù)從第二層到第七層的任意內(nèi)容對數(shù)據(jù)包進行過濾。

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