第6章：三层交换机动态路由

信息工程分院赵怀明教师 2009年02月28日 年 月 日
第一部分： 第一部分：三层交换机技术基础
（2）基于软件的三层交换机技术较简单，但速度较慢，不 适合作为主干。其原理是，采用CPU用软件的方式查找路由 表。 当数据由端口接口芯片接收进来以后，首先在二层交 换芯片中查找相应的目的MAC地址，如果查到，就进行二层 转发否则将数据送至CPU。CPU查找相应的路由表信息，与 数据的目的IP地址相比对，然后发送ARP数据包到目的主机 得到该主机的MAC地址，将MAC地址发到二层芯片，由二层 芯片转发该数据包。因为低价CPU处理速度较慢，因此这种 三层交换机处理速度较慢。
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第三部分： 第三部分：三层交换机操作
一、使用三层交换机连接不同子网 （1）网络拓朴结构
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三层交换机能取代路由器吗？
• 近年来随着Internet/Intranet的迅猛发展和B/S计 算模式的广泛应用，跨地域、跨网络的业务急剧 增长，业界和用户深感传统的路由器在网络中的 瓶颈效应。而三层交换机既可操作在网络协议的 第三层，起到路由决定的作用，又具有几乎达到 第二层交换的速度，且价格相对较低。 一时间，三层交换机将取代路由器成为网络 界最流行的话题。但事实果真如此吗?
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• 在对第一个数据流进行路由后，它将会产生一个 MAC地址与IP地址的映射表，当同样的数据流再 次通过时，将根据此表直接从二层通过而不是再 次路由，从而消除了路由器进行路由选择而造成 网络的延迟，提高了数据包转发的效率。 路由器的转发采用最长匹配的方式，实现复 杂，通常使用软件来实现。而三层交换机的路由 查找是针对流的，它利用CACHE技术，很容易采 用ASIC实现，因此，可以大大节约成本，并实现 快速转发。
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第一部分： 第一部分：三层交换机技术基础
三、三层交换技术的产生原因
二层交换技术从网桥发展到VLAN（虚拟局域网），在局域网建 设和改造中得到了广泛的应用。第二层交换技术是工作在OSI七层 网络模型中的第二层，即数据链路层。它按照所接收到数据包的目 的MAC地址来进行转发，对于网络层或者高层协议来说是透明的。 它不处理网络层的IP地址，不处理高层协议的诸如TCP、UDP的端口 地址，它只需要数据包的物理地址即MAC地址，数据交换是靠硬件 来实现的，其速度相当快，这是二层交换的一个显著的优点。 但是，二层交换机不能处理不同IP子网之间的数据交换。传统的路 由器可以处理大量的跨越IP子网的数据包，但是它的转发效率比二 层低，因此要想利用二层转发效率高这一优点，又要处理三层IP数 据包，三层交换技术就诞生了。
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第二部分： 第二部分：三层交换机工作原理
（4）若两个站点不在同一子网内，如发送站A要与目的站C通信， 发送站A要向"缺省网关"发出ARP(地址解析)封包，而"缺省网关" 的IP地址已经在系统软件中设置。这个IP地址实际上对应第三层 交换机的第三层交换模块。所以当发送站A对"缺省网关"的IP地 址广播出一个ARP请求时，若第三层交换模块在以往的通信过程 中已得到目的站B的MAC地址，则向发送站A回复B的MAC地址；否 则第三层交换模块根据路由信息向目的站广播一个ARP请求，目 的站C得到此ARP请求后向第三层交换模块回复其MAC地址，第三 层交换模块保存此地址并回复给发送站A。 （5）以后，当再进行A与C之间数据包转发时，将用最终的目的 站点的MAC地址封包，数据转发过程全部交给第二层交换处理， 信息得以高速交换。
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第一部分： 第一部分：三层交换机技术基础
一、二层交换机的工作原理
二层交换机工作于OSI的第二层,属数据链路层设备，它可以识别 数据包中的MAC地址信息，根据MAC地址进行数据包转发，并将数据包 中的MAC地址与其对应的端口号记录在自己内部的一个MAC地址表中。 （1）当交换机从某个端口收到一个数据包时，它先读取数据包头中的 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。 （2）交换机再去读取数据包头中的目的MAC地址，并在MAC地址表中查 找相应的端口。 （3）如MAC地址表中有与这目的MAC地址对应的端口，交换机把数据包 直接复制到这端口上,完成数据的交换操作。 （4）如果MAC地址表中不存在目的MAC地址对应的端口,交换机会将数 据包复制到除源端口之外的所有接口(广播)。
第6章 三层交换机动态 路由协议
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第6章：三层交换机基础 章
• 【教学目的】：通过本章的学习，让学生知道三层交 换机产生的根源、三层交换机的分类、为什么需要使 用三层交换机替代路由器成为企业内部网管理的核心； 让学生掌握三层交换机的工作原理、三层交换机与路 由器功能的区别。让学生领会如何使用三层交换机组 建企业内部网，如何使用三层交换机实现Vlan间数据 通信。 • 【重点难点】 –重点：三层交换机和路由器功能区别；使用三层 交换机组建企业内部网。 –难点：三层交换机的工作原理
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• 但从技术上讲，路由器和三层交换机在数据包交换操作上 存在着明显区别。路由器一般由基于微处理器的引接执行 数据包交换，而三层交换机通过硬件执行数据包交换。因 此与三层交换机相比，路由器功能更为强大，像NAT、 VPN等功能仍无法被完全替代。考试大－全国最大教育类 网站(www．Examda。com) 处于同一个局域网中的各子网的互联，可以用三层交 换机来代替路由器，但局域网必须与公网互联以实现跨地 域的网络，这时路由器就不可缺少。一个完全构建在交换 机上的网络会出现诸如碰撞、堵塞以及通信混乱等问题。 使用路由器将网络划分为多个子网，通过路由所具备的功 能来有效进行安全控制策略，则可以避这些问题。
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第一部分： 第一部分：三层交换机技术基础
四、路由器和三层交换机功能对比分析
路由器一般通过微处理器执行数据包交换(软件实现路由)，而三 层交换机通过硬件执行数据包交换。因此与三层交换机相比，路由器 功能更为强大，像NAT、VPN等功能仍无法被完全替代。 处于同一个局域网中的各子网的互联，可以用三层交换机来代替 路由器，但局域网必须与公网互联以实现跨地域的网络，这时路由器 就不可缺少。 三层交换机现在还不能提供完整的路由选择协议，而路由器则具 备同时处理多个协议的能力。当连接不同协议的网络，像以太网和令 牌环的组合网络，依靠三层交换机是不可能完成网间数据传输的。除 此之外，路由器还具有第四层网络管理能力，这也是三层交换机所不 具备的。 所以，三层交换机并不等于路由器，也不可能完全取代路由器。
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第十章： 第十章：三层交换机基础
• 【教学内容】
– 二层交换机工作原理 – 三层交换机工作原理 – 为什么需要三层交换机 – 三层交换机分类 – 三层交换机与路由器功能比较分析 – 使用三层交换机实现企业内部组网 – 使用三层交换机实现vlan间数据通信
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第二部分： 第二部分：三层交换机工作原理
一、理论讲解 （1）发送站点A在开始发送时，已知目的站的IP地址，但 尚不知道在局域网上发送所需要的MAC地址。要采用地址解 析(ARP)来确定目的站的MAC地址。 （2）发送站把自己的IP地址与目的站的IP地址比较，采用 其软件中配置的子网掩码提取出网络地址来确定目的站是 否与自己在同一子网内。 （3）若目的站B与发送站A在同一子网内，A广播一个ARP请 求，B返回其MAC地址，A得到目的站点B的MAC地址后将这一 地址缓存起来，并用此MAC地址封包转发数据，第二层交换 模块查找MAC地址表确定将数据包发向目的端口。
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• 三层交换机现在还不能提供完整的路由选 择协议，而路由器则具备同时处理多个协 议的能力。当连接不同协议的网络，像以 太网和令牌环的组合网络，依靠三层交换 机是不可能完成网间数据传输的。除此之 外，路由器还具有第四层网络管理能力， 这也是三层交换机所不具备的。 所以，三层交换机并不等于路由器， 也不可能完全取代路由器。
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第十章： 第十章：三层交换机基础
• 【教学方法】 –教学方式：多媒体教学 –教学方法：案例分析+视频教学 • 通过对比分析让学生掌握二层交换机、三层交换机、 路由器的工作原理，并理解功能和应用场合的不同。 • 利用视频教学资料，使学生在任何时间和地点能重 温教学内容，尽一步掌握使用三层交换机组网的关 键知识。 • 通过上机实验让学生在boson模拟器的支持下完成三 层交换机组网的实际配置和应用。
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• 传统的路由器在网络中有路由转发、防火墙、隔 离广播等作用，而在一个划分了VLAN以后的网络 中，逻辑上划分的不同网段之间通信仍然要通过 路由器转发。 由于在局域网上，不同VLAN之间的通信数据 量很大，这样，如果路由器要对每一个数据包都 路由一次，随着网络上数据量的不断增大，它将 成为瓶颈。而第三层交换技术就是将路由技术与 交换技术合二为一的技术。本文来源:考试大网
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第一部分： 第一部分：三层交换机技术基础
五、三层交换机的分类
三层交换机可以根据其处理数据的不同而分为纯硬件和纯软 件两大类。 （1）纯硬件的三层技术相对来说技术复杂，成本高，但是速度 快，性能好，带负载能力强。其原理是，采用ASIC芯片，采用硬 件的方式进行路由表的查找和刷新。其工作原理如下所述： 当数据由端口接口芯片接收进来以后，首先在二层交换芯片 中查找相应的目的MAC地址，如果查到，就进行二层转发，否则 将数据送至三层引擎。在三层引擎中，ASIC芯片查找相应的路由 表信息，与数据的目的IP地址相比对，然后发送ARP数据包到目 的主机，得到该主机的MAC地址，将MAC地址发到二层芯片，由二 层芯片转发该数据包。