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1．引言
傳統(tǒng)路由器在網(wǎng)絡(luò)中起到隔離網(wǎng)絡(luò)、隔離廣播、路由轉(zhuǎn)發(fā)以及防火墻的作業(yè)，并且隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，路由器的負(fù)荷也在迅速增長。其中一個重要原因是出于安全和管理方便等方面的考慮，VLAN(虛擬局域網(wǎng))技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中大量應(yīng)用。VLAN技術(shù)可以邏輯隔離各個不同的網(wǎng)段、端口甚至主機(jī)，而各個不同VLAN間的通信都要經(jīng)過路由器來完成轉(zhuǎn)發(fā)。由于局域網(wǎng)中數(shù)據(jù)流量很大，VLAN間大量的信息交換都要通過路由器來完成轉(zhuǎn)發(fā)，這時候隨著數(shù)據(jù)流量的不斷增長路由器就成為了網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。為了解決局域網(wǎng)絡(luò)的這個瓶頸，很多企業(yè)內(nèi)部、學(xué)校和小區(qū)建設(shè)局域網(wǎng)時都采用了三層交換機(jī)。三層交換技術(shù)將交換技術(shù)引入到網(wǎng)絡(luò)層，三層交換機(jī)的應(yīng)用也從最初網(wǎng)絡(luò)中心的骨干層、匯聚層一直滲透到網(wǎng)絡(luò)邊緣的接入層。
2．第三層交換技術(shù)
2.1 三層交換的概念
第三層交換技術(shù)也稱為IP 交換技術(shù)或高速路由技術(shù)等，是相對于傳統(tǒng)交換概念而提出的。眾所周知，傳統(tǒng)的交換技術(shù)是在OSI 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)模型中的第二層—數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行操作的，而第三層交換技術(shù)是在網(wǎng)絡(luò)模型中的第三層實現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的高速轉(zhuǎn)發(fā)。簡單地說，第三層交換技術(shù)就是：第二層交換技術(shù)＋第三層轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，這是一種利用第三層協(xié)議中的信息來加強(qiáng)第二層交換功能的機(jī)制。一個具有第三層交換功能的設(shè)備是一個帶有第三層路由功能的第二層交換機(jī)，但它是二者的有機(jī)結(jié)合，并不是簡單地把路由器設(shè)備的硬件及軟件簡單地疊加在局域網(wǎng)交換機(jī)上。
2.2 三層交換的原理
從硬件的實現(xiàn)上看，目前，第二層交換機(jī)的接口模塊都是通過高速背板/總線交換數(shù)據(jù)的。在第三層交換機(jī)中，與路由器有關(guān)的第三層路由硬件模塊也插接在高速背板/總線上，這種方式使得路由模塊可以與需要路由的其他模塊間高速地交換數(shù)據(jù)，從而突破了傳統(tǒng)的外接路由器接口速率的限制(10Mbit/s---100Mbit/s)。在軟件方面，第三層交換機(jī)將傳統(tǒng)的基于軟件的路由器重新進(jìn)行了界定：
(1)．?dāng)?shù)據(jù)封包的轉(zhuǎn)發(fā)：如IP/IPX 封包的轉(zhuǎn)發(fā)，這些有規(guī)律的過程通過硬件高速實現(xiàn)；
(2)．第三層路由軟件：如路由信息的更新、路由表維護(hù)、路由計算、路由的確定等功能，用優(yōu)化、高效的軟件實現(xiàn)。
假設(shè)有兩個使用IP 協(xié)議的站點(diǎn)，通過第三層交換機(jī)進(jìn)行通信的過程為：若發(fā)送站點(diǎn)A 在開始發(fā)送時，已知目的站B的IP 地址，但尚不知道它在局域網(wǎng)上發(fā)送所需要的MAC 地址，則需要采用地址解析(ARP)來確定B的MAC 地址。A把自己的IP 地址與B的IP 地址比較，采用其軟件中配置的子網(wǎng)掩碼提取出網(wǎng)絡(luò)地址來確定B是否與自己在同一子網(wǎng)內(nèi)。若B 與A 在同一子網(wǎng)內(nèi)，A 廣播一個ARP 請求，B 返回其MAC 地址，A 得到B 的MAC 地址后將這一地址緩存起來，并用此MAC 地址封包轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，第二層交換模塊查找MAC 地址表確定將數(shù)據(jù)包發(fā)向目的端口。若兩個站點(diǎn)不在同一子網(wǎng)內(nèi)，則A 要向"缺省網(wǎng)關(guān)"發(fā)出ARP(地址解析)封包，而"缺省網(wǎng)關(guān)"的IP 地址已經(jīng)在系統(tǒng)軟件中設(shè)置，這個IP 地址實際上對應(yīng)第三層交換機(jī)的第三層交換模塊。當(dāng)A 對"缺省網(wǎng)關(guān)"的IP 地址廣播出一個ARP 請求時，若第三層交換模塊在以往的通信過程中已得到B 的MAC 地址，則向發(fā)送站A 回復(fù)B 的MAC 地址；否則第三層交換模塊根據(jù)路由信息向目的站廣播一個ARP 請求，B 得到此ARP 請求后向第三層交換模塊回復(fù)其MAC 地址，第三層交換模塊保存此地址并回復(fù)給發(fā)送站A 。以后，當(dāng)再進(jìn)行A 與B 之間數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)時，將用最終的目的站點(diǎn)的MAC 地址封包，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程全部交給第二層交換處理，信息得以高速交換[1] 。
3 第三層交換的特點(diǎn)
突出的特點(diǎn)如下：
(1). 有機(jī)的硬件結(jié)合使得數(shù)據(jù)交換加速；
(2). 優(yōu)化的路由軟件使得路由過程效率提高；
(3). 除了必要的路由決定過程外，大部分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程由第二層交換處理；
(4). 多個子網(wǎng)互連時只是與第三層交換模塊的邏輯連接，不象傳統(tǒng)的外接路由器那樣需增加端口，保護(hù)了用戶的投資。
第三層交換的目標(biāo)是，只要在源地址和目的地址之間有一條更為直接的第二層通路，就沒有必要經(jīng)過路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。第三層交換使用第三層路由協(xié)議確定傳送路徑，此路徑可以只用一次，也可以存儲起來，供以后使用。之后數(shù)據(jù)包通過一條虛電路繞過路由器快速發(fā)送。
第三層交換技術(shù)的出現(xiàn)，解決了局域網(wǎng)中網(wǎng)段劃分之后，網(wǎng)段中子網(wǎng)必須依賴路由器進(jìn)行管理的局面，解決了傳統(tǒng)路由器低速、復(fù)雜所造成的網(wǎng)絡(luò)瓶頸問題。當(dāng)然，三層交換技術(shù)并不是網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與路由器的簡單疊加，而是二者的有機(jī)結(jié)合，形成一個集成的、完整的解決方案。
3．一款第三層交換機(jī)的設(shè)計
考慮到市場需要，交換機(jī)成本和自主知識產(chǎn)權(quán)因素，我們設(shè)計開發(fā)了有自主知識產(chǎn)權(quán)的VLSW 4150系列交換機(jī)。VLSW 4150 系列交換機(jī)是為企業(yè)提供的高性能、多層次化的解決方案。VLSW 4150也適用于ISP和服務(wù)提供商，尤其是對于一些大型的運(yùn)營商，將能夠增強(qiáng)其在IP市場的競爭力。
3.1 總體設(shè)計
VLSW 4150交換機(jī)有24個RJ45 10/100BASE－TX自適應(yīng)端口，提供2個可選的光纖10/100BaseTx以太口、100BaseFx快速以太端口或者千兆以太網(wǎng)口（SX，LX，ZX），并另外提供一個串口和一個100M以太網(wǎng)口對交換機(jī)進(jìn)行配置。
VLSW 4150交換機(jī)的體系結(jié)構(gòu)可以支持最高到11Gbps的速率，多層交換速率達(dá)到6.6Mpps；可以支持8,192個MAC地址；為了更好的控制網(wǎng)絡(luò)流量和網(wǎng)絡(luò)安全，還支持以1M為步長的速率限制；支持Tagged VLAN和MAC-based的 幀過濾以及RIP、OSPF和BGP路由協(xié)議。
VLSW 4150交換機(jī)提供堆棧技術(shù)可以以一個邏輯IP地址來管理多個交換機(jī)，并可在一個口上鏡像其他的數(shù)據(jù)包，提供基于Web的網(wǎng)管系統(tǒng)以及CLI方式來調(diào)試交換機(jī)。VLSW 4150支持SNMP協(xié)議、RMON和Telnet功能來便于管理。
3.2 硬件結(jié)構(gòu)
VLSW 4150三層交換機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)分為兩個部分，處理器模塊和交換模塊，它們之間通過PCI接口相連，同時配合相應(yīng)的外圍電路形成完整的三層交換機(jī)系統(tǒng)，見圖1。
圖1 硬件結(jié)構(gòu)
