三層交換機(jī)

三層交換機(jī)擁有強(qiáng)大的路由傳輸、帶寬分配、多媒體傳輸和安全控制功能, 能夠根據(jù)不同的通信業(yè)務(wù)系統(tǒng)劃分不同的用戶群體, 實現(xiàn)電業(yè)業(yè)務(wù)的高效傳輸, 具有重要的作用。

除了優(yōu)秀的性能之外，三層交換機(jī)還具有一些傳統(tǒng)的二層交換機(jī)沒有的特性，這些特性可以給校園網(wǎng)和城域教育網(wǎng)的建設(shè)帶來許多好處，列舉如下。

三層交換機(jī)高可擴(kuò)充性

三層交換機(jī)在連接多個子網(wǎng)時，子網(wǎng)只是與第三層交換模塊建立邏輯連接，不像傳統(tǒng)外接路由器那樣需要增加端口，從而保護(hù)了用戶對校園網(wǎng)、城域教育網(wǎng)的投資。并滿足學(xué)校3~5年網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用快速增長的需要。

三層交換機(jī)高性價比

三層交換機(jī)具有連接大型網(wǎng)絡(luò)的能力，功能基本上可以取代某些傳統(tǒng)路由器，但是價格卻接近二層交換機(jī)。一臺百兆三層交換機(jī)的價格只有幾萬元，與高端的二層交換機(jī)的價格差不多。

三層交換機(jī)內(nèi)置安全機(jī)制

三層交換機(jī)可以與普通路由器一樣，具有訪問列表的功能，可以實現(xiàn)不同VLAN間的單向或雙向通訊。如果在訪問列表中進(jìn)行設(shè)置，可以限制用戶訪問特定的IP地址，這樣學(xué)校就可以禁止學(xué)生訪問不健康的站點。

訪問列表不僅可以用于禁止內(nèi)部用戶訪問某些站點，也可以用于防止校園網(wǎng)、城域教育網(wǎng)外部的非法用戶訪問校園網(wǎng)、城域教育網(wǎng)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)資源，從而提高網(wǎng)絡(luò)的安全。

三層交換機(jī)多媒體傳輸

教育網(wǎng)經(jīng)常需要傳輸多媒體信息，這是教育網(wǎng)的一個特色。三層交換機(jī)具有QoS（服務(wù)質(zhì)量）的控制功能，可以給不同的應(yīng)用程序分配不同的帶寬。

例如，在校園網(wǎng)、城域教育網(wǎng)中傳輸視頻流時，就可以專門為視頻傳輸預(yù)留一定量的專用帶寬，相當(dāng)于在網(wǎng)絡(luò)中開辟了專用通道，其他的應(yīng)用程序不能占用這些預(yù)留的帶寬，因此能夠保證視頻流傳輸?shù)姆€(wěn)定性。而普通的二層交換機(jī)就沒有這種特性，因此在傳輸視頻數(shù)據(jù)時，就會出現(xiàn)視頻忽快忽慢的抖動現(xiàn)象。

另外，視頻點播（VOD）也是教育網(wǎng)中經(jīng)常使用的業(yè)務(wù)。但是由于有些視頻點播系統(tǒng)使用廣播來傳輸，而廣播包是不能實現(xiàn)跨網(wǎng)段的，這樣VOD就不能實現(xiàn)跨網(wǎng)段進(jìn)行；如果采用單播形式實現(xiàn)VOD，雖然可以實現(xiàn)跨網(wǎng)段，但是支持的同時連接數(shù)就非常少，一般幾十個連接就占用了全部帶寬。而三層交換機(jī)具有組播功能，VOD的數(shù)據(jù)包以組播的形式發(fā)向各個子網(wǎng)，既實現(xiàn)了跨網(wǎng)段傳輸，又保證了VOD的性能。

三層交換機(jī)計費功能

在高校校園網(wǎng)及有些地區(qū)的城域教育網(wǎng)中，很可能有計費的需求，因為三層交換機(jī)可以識別數(shù)據(jù)包中的IP地址信息，因此可以統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)中計算機(jī)的數(shù)據(jù)流量，可以按流量計費，也可以統(tǒng)計計算機(jī)連接在網(wǎng)絡(luò)上的時間，按時間進(jìn)行計費。而普通的二層交換機(jī)就難以同時做到這兩點。

局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，三層交換機(jī)依循了如下的運轉(zhuǎn)機(jī)理：變更了路由軟件依循的舊式指令，增添了ASIC特有的嵌入芯片并以此來設(shè)定指令。借助于硬件來查驗現(xiàn)存的路由表，擁有刷新的特性。在數(shù)據(jù)傳遞的流程中，端口芯片接納并辨識了某一信息，二層芯片辨析了對應(yīng)的獨特地址。若查驗獲取了明確的地址，則再次予以轉(zhuǎn)發(fā)；若沒能查找到，則信息被調(diào)配至后續(xù)的引擎。

第三層引擎之內(nèi)，路由表關(guān)聯(lián)著的信息可被查驗出來，它匹配了初始的IP；數(shù)據(jù)包被發(fā)送至裝置內(nèi)的主機(jī)，獲取了精準(zhǔn)的MAC。這些流程終結(jié)以后，MAC再次被發(fā)送，二層芯片予以轉(zhuǎn)發(fā)。由此可見，三層交換機(jī)提快了常態(tài)情形的交換速率，從速率來看它很近似二層的架構(gòu)，并且縮減了選購路由器耗費的支出。

相比較而言，二層交換機(jī)借助于封包擴(kuò)散來傳遞廣播，但三層交換機(jī)則能辨識額外信息，例如ARP及某一地址。在此狀態(tài)下，三層交換機(jī)解析了各方位的廣播包，滿足快速要求，不必真正去擴(kuò)散預(yù)設(shè)的廣播包。這種設(shè)計路徑可以細(xì)分現(xiàn)有的虛擬子網(wǎng)，依托于三層路由以便傳遞子網(wǎng)彼此的信息, 通信將更為便捷。

出于安全和管理方便的考慮，主要是為了減小廣播風(fēng)暴的危害，必須把大型局域網(wǎng)按功能或地域等因素劃成一個個小的局域網(wǎng)，這就使VLAN技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中得以大量應(yīng)用，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)，隨著網(wǎng)間互訪的不斷增加。單純使用路由器來實現(xiàn)網(wǎng)間訪問，不但由于端口數(shù)量有限，而且路由速度較慢，從而限制了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和訪問速度。基于這種情況三層交換機(jī)便應(yīng)運而生，三層交換機(jī)是為IP設(shè)計的，接口類型簡單，擁有很強(qiáng)二層包處理能力，非常適用于大型局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)路由與交換，它既可以工作在協(xié)議第三層替代或部分完成傳統(tǒng)路由器的功能，同時又具有幾乎第二層交換的速度，且價格相對便宜些。

在企業(yè)網(wǎng)和教學(xué)網(wǎng)中，一般會將三層交換機(jī)用在網(wǎng)絡(luò)的核心層，用三層交換機(jī)上的千兆端口或百兆端口連接不同的子網(wǎng)或VLAN。不過應(yīng)清醒認(rèn)識到三層交換機(jī)出現(xiàn)最重要的目的是加快大型局域網(wǎng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換，所具備的路由功能也多是圍繞這一目的而展開的，所以它的路由功能沒有同一檔次的專業(yè)路由器強(qiáng)。畢竟在安全、協(xié)議支持等方面還有許多欠缺，并不能完全取代路由器工作。

在實際應(yīng)用過程中，典型的做法是：處于同一個局域網(wǎng)中的各個子網(wǎng)的互聯(lián)以及局域網(wǎng)中VLAN間的路由，用三層交換機(jī)來代替路由器，而只有局域網(wǎng)與公網(wǎng)互聯(lián)之間要實現(xiàn)跨地域的網(wǎng)絡(luò)訪問時，才通過專業(yè)路由器。

三層交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)骨干

要說三層交換機(jī)在諸多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的作用，用“中流砥柱”形容并不為過。在校園網(wǎng)、城域教育網(wǎng)中，從骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)骨干、匯聚層都有三層交換機(jī)的用武之地，尤其是核心骨干網(wǎng)一定要用三層交換機(jī)，否則整個網(wǎng)絡(luò)成千上萬臺的計算機(jī)都在一個子網(wǎng)中，不僅毫無安全可言，也會因為無法分割廣播域而無法隔離廣播風(fēng)暴。

如果采用傳統(tǒng)的路由器，雖然可以隔離廣播，但是性能又得不到保障。而三層交換機(jī)的性能非常高，既有三層路由的功能，又具有二層交換的網(wǎng)絡(luò)速度。二層交換是基于MAC尋址，三層交換則是轉(zhuǎn)發(fā)基于第三層地址的業(yè)務(wù)流；除了必要的路由決定過程外，大部分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程由二層交換處理，提高了數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的效率。

三層交換機(jī)通過使用硬件交換機(jī)構(gòu)實現(xiàn)了IP的路由功能，其優(yōu)化的路由軟件使得路由過程效率提高，解決了傳統(tǒng)路由器軟件路由的速度問題。因此可以說，三層交換機(jī)具有“路由器的功能、交換機(jī)的性能”。

三層交換機(jī)連接子網(wǎng)

同一網(wǎng)絡(luò)上的計算機(jī)如果超過一定數(shù)量（通常在200臺左右，視通信協(xié)議而定），就很可能會因為網(wǎng)絡(luò)上大量的廣播而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸效率低下。為了避免在大型交換機(jī)上進(jìn)行廣播所引起的廣播風(fēng)暴，可將其進(jìn)一步劃分為多個虛擬網(wǎng)（VLAN）。但是這樣做將導(dǎo)致一個問題：VLAN之間的通信必須通過路由器來實現(xiàn)。但是傳統(tǒng)路由器也難以勝任VLAN之間的通信任務(wù)，因為相對于局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)流量來說，傳統(tǒng)的普通路由器的路由能力太弱。

而且千兆級路由器的價格也是非常難以接受的。如果使用三層交換機(jī)上的千兆端口或百兆端口連接不同的子網(wǎng)或VLAN，就在保持性能的前提下，經(jīng)濟(jì)地解決了子網(wǎng)劃分之后子網(wǎng)之間必須依賴路由器進(jìn)行通信的問題，因此三層交換機(jī)是連接子網(wǎng)的理想設(shè)備。

最近幾年, 三層交換機(jī)不斷拓展原有市場，它正被快速采納。這類新穎的產(chǎn)品得到普及，新式交換機(jī)被廣泛布設(shè)于局域網(wǎng)、智能社區(qū)、某區(qū)段內(nèi)的城域網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)涵蓋著更廣的區(qū)段，現(xiàn)存需求也表現(xiàn)出遞增的總體趨勢。在新技術(shù)的帶動下，網(wǎng)絡(luò)凸顯了縱深延展的態(tài)勢?，F(xiàn)存運用主要包括：網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程授課、網(wǎng)購及觀看視頻、社區(qū)影院。網(wǎng)絡(luò)不斷被延續(xù)，分配層及銜接著的骨干層都添加了分布式路由。依托新穎的模式，分布路由減小了邊緣的流量，便于調(diào)配預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)策略。從本質(zhì)上看，三層交換機(jī)布設(shè)的內(nèi)在架構(gòu)較為簡易，它替換了常規(guī)架構(gòu)內(nèi)的路由裝置。由此可見，若并不要求布設(shè)廣域網(wǎng)但又具備路由功能，則可布設(shè)這種新式的交換機(jī)。

交換機(jī)在局域網(wǎng)內(nèi)在的匯聚層、搭配的核心層都不可或缺的。從布設(shè)的構(gòu)架看，三層交換機(jī)配有百兆乃至千兆這樣的新端口，并且銜接至VLAN。趨勢是：寬帶網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建：的范疇更廣，小區(qū)中心融匯了這樣的交換機(jī)。解析分層設(shè)計特有的視角，三層交換機(jī)可被推廣并采納。

第二層交換機(jī)提供的性能越來越好，可以滿足個人計算機(jī)、工作站以及服務(wù)器產(chǎn)生的大通信量。但是，隨著一幢樓或樓群中的設(shè)備數(shù)量不斷增加，第二層交換機(jī)也顯露出不足之處。尤其是出現(xiàn)了兩個問題：廣播超負(fù)荷和缺少多鏈路。為此，有些運營商推出了第三層交換機(jī)，它在硬件上實現(xiàn)了路由器的分組轉(zhuǎn)發(fā)邏輯。

市場上有多種不同的第三層交換機(jī)體制，不過從本質(zhì)上看，可以把它們分為兩大類：分組式交換機(jī)和基于流的交換機(jī)。分組式交換機(jī)與傳統(tǒng)路由器的操作方式相同。由于轉(zhuǎn)發(fā)邏輯由硬件實現(xiàn)，與基于軟件的路由器相比，分組式交換機(jī)在性能上呈數(shù)量級地增長?；诹鞯慕粨Q機(jī)試圖通過識別具有相同源點和終點的IP分組流來提高性能。具體做法是通過觀察當(dāng)前通信量或是在分組首部中使用特殊的流標(biāo)簽（在IPv6中允許，但在IPv4中不可以）。一旦流被識別后，就可以建立一條經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)預(yù)先定義的路由，以此加快轉(zhuǎn)發(fā)處理速度。同樣，它與完全基于軟件的路由器相比，大大提高了性能。