三层交换技术原理及应用
三层交换技术的原理及应用
２００７．７43１ 西安科技大学计算机系 陕西 ７１００５４２ 中国人民解放军西安通信学院 陕西 ７１０１０６三层交换技术的原理及应用温钰１，２ 龚尚福１ 王照峰２ 李红卫２摘要：本文在分析比较二、三层交换技术的基础上介绍了三层交换技术的工作原理。
从网络扩展能力、数据处理能力、多协议支持能力以及冗余通道等多方面阐述了三层交换技术的特点。
对比分析了基于硬件结构和基于软件结构的两种三层交换技术的工作流程，阐述了三层交换技术在虚拟局域网中的应用。
关键词：三层交换技术；路由；ＶＬＡＮ０ 引言计算机技术与通信技术的结合促进了计算机网络的迅猛发展，在计算机网络中，交换机和路由器起着至关重要的作用。
随着２０世纪９０年代后期千兆交换式以太网的登台亮相，短短的３０年间，局域网经历了从单工到双工、从共享到交换、从专用到普及、从第二层交换到多层交换的过程。
网络初期，采用局域网技术组网时，使用的网络互联设备是集线器，主要工作在物理层，基于ＣＳ—ＭＡ／ＣＤ协议的用户数据的冲突检测和出错重发过程，使传输的效率很低，实现的功能主要局限于主机连接、文件和打印资料的共享，此时，多个用户共享１０Ｍｂｐｓ带宽即可满足要求。
随着网络规模的日益扩大，这种网络系统已不能胜任。
因此采用了工作在数据链路层上的设备网桥，它可起到使网段细化、减小冲突域，从而优化局域网性能的目的。
但它是对高层（第三层以上）协议透明的设备，不能有效阻止广播风暴，因此引入了路由器的概念。
路由器在子网间互连、安全控制、广播风暴限制等方面起了关键的作用，但复杂的算法、较低的数据吞吐量使其成为网络的瓶颈，为此迫切需要一种具有路由转发功能，同时还能减少网络瓶颈的技术，三层交换技术孕育而生。
１ 三层交换技术的原理三层交换是相对于传统的交换概念而提出的。
传统的交换技术是在ＯＳＩ网络参考模型中的第二层（数据链路层）进行操作，而三层交换技术是在网络模型中的第三层实现了数据包的高速转发。
三层交换(L3交换)的发展及应用简述
三层交换(L3交换)的发展及应用简述一、L3交换原理和分类最早的第三层交换，是基于A TM技术的MPOA和IP Switch，分别基于ATMF 和IETF标准（RFC1953和RFC1987）。
其基本原理相近，把路由功能分为第三层路径选择（智能路由选择）和第三层交换（快速转发）。
趋势是把第三层交换放到骨干网ATM交换机中去，把路由器和A TM骨干网融为一体。
MPOA方式的前提是一定要由ATM网络事先建立一条端到端的连接，再采用“Short Cut”方式对IP包进行路由。
IP Switch方式中的RFC1953解决了“多跳”数量增长的问题，通过软件提供一种“直通”（Cut-through）来满足多IP业务要求，它与RFC1987共同构成IP Switch基础。
IP Switch对数据包的处理多采用以ATM交换机跨接路由器直通（CUT-THROUGH）处理的方式，即第一个包通过路由器进行检查、鉴别和处理，以后相同的包由ATM交换机跨接直通传输，不再通过路由器。
无论是IP Switch还是MPOA，这个IP数据流都是在虚电路里传输，所有IP 包都在一个已经选定的路由中传输，不存在不同的IP包经过不同的路由。
只是IP Switch方式每个ATM交换机可独立处理IP交换，以直通IP数据流。
但MPOA 一定要所有ATM交换机统一动作，所以MPOA方式实施前一定要先建立一条端到端的SVC。
除了以上两种L3交换之外，在其他领域也相继产生了第三层交换技术。
如思科公司的专有技术CEF（思科快速转发）、普遍被所有第三层交换机厂家采用的多层交换技术MLS以及当前被广泛推广的基于IETF标准的多协议标记交换MPLS。
二、L3交换的起源和发展基于L2以太网交换技术的多层交换最早起源于校园网络，后来在IDC中也有较多应用。
早期互联网业务流量模型符合20:80规则，即80%的流量为本地，20%的流量出网。
后来此流量模型发生逆转，80%流量来自网段外部，内部通信只有20%。
三层交换机的交换原理
三层交换机的交换原理三层交换机是一种具备数据交换和路由功能的网络设备，它的交换原理主要涉及网络协议的各个层次，包括应用层、传输层、网络层等。
下面将详细介绍三层交换机的交换原理，特别是与IP路由和VLAN管理相关的部分。
一、应用层应用层是网络协议的最高层，主要负责应用程序之间的通信。
在三层交换机中，应用层的交换主要涉及源和目标主机的应用程序之间的数据交换。
交换机通过识别数据包中的源和目标IP地址以及端口号等信息，将数据包转发到正确的目的地。
二、传输层传输层在网络协议中位于应用层之下，主要负责建立和维护应用程序之间的通信连接，提供可靠的传输服务。
在三层交换机中，传输层的交换主要涉及TCP/UDP协议的数据传输。
交换机通过识别数据包中的源和目标端口号等信息，将数据包转发到正确的目的地。
三、网络层网络层是网络协议的核心层，主要负责IP数据包的封装、解封装以及路由转发等功能。
在三层交换机中，网络层的交换主要涉及IP数据包的路由分析。
通过分析IP数据包中的目标地址信息，三层交换机可以确定最佳的转发路径，将数据包转发到正确的目的地。
四、IP路由分析IP路由分析是三层交换机的重要功能之一。
在接收到一个IP数据包后，交换机首先分析数据包中的目标IP地址，并根据内部的路由表信息确定最佳的转发路径。
这个过程涉及到路由协议（如OSPF、BGP等）的学习和更新路由表的过程。
通过IP路由分析，三层交换机可以实现快速、准确的数据包转发。
五、VLAN管理VLAN（虚拟局域网）是一种将物理局域网逻辑上划分为多个虚拟子网的技术。
在三层交换机中，VLAN管理也是一项重要的功能。
通过VLAN配置，可以根据业务需求将交换机上的端口划分为不同的VLAN，并在不同VLAN之间实现数据隔离或交换。
这有助于提高网络的安全性和管理效率。
综上所述，三层交换机的交换原理主要涉及应用层、传输层、网络层等方面的交换功能。
通过IP路由分析和VLAN管理等技术手段，三层交换机可以实现高效、准确的数据交换和路由功能，为企业的网络通信提供可靠的保障。
三层交换机的路由原理
三层交换机的路由原理
三层交换机是一种能够在网络中进行路由功能的设备。
它的路由原理主要包括以下几个方面：
1. 路由表，三层交换机内部有一个路由表，用来存储不同网络地址之间的路由信息。
当接收到数据包时，交换机会查找路由表，确定数据包的下一跳地址。
2. 路由选择算法，三层交换机使用路由选择算法来确定最佳的数据包传输路径。
常见的路由选择算法包括最短路径算法、距离矢量算法和链路状态路由算法等。
3. 路由协议，三层交换机可以通过不同的路由协议来学习和交换路由信息，常见的路由协议包括RIP（路由信息协议）、OSPF （开放最短路径优先）和BGP（边界网关协议）等。
4. 数据包转发，当三层交换机接收到数据包时，根据路由表中的信息，选择合适的接口将数据包转发到下一个网络节点。
总的来说，三层交换机的路由原理是通过路由表、路由选择算法、路由协议和数据包转发来实现网络数据的传输和路由选择。
三层交换vlan互通原理
三层交换vlan互通原理一、三层交换技术三层交换技术是局域网交换机发展升级的产物，它主要通过添加路由功能，来实现不同VLAN之间的通信。
相比于传统的二层交换机，三层交换机的路由功能较弱，主要应用于局域网内部的IP子网之间的通信。
这种技术的优势在于减少网络延迟、提高网络数据传输速度。
二、VLAN的划分在局域网中，我们常常将网络用户分成多个逻辑独立的网络单元，每个网络单元通常称为一个VLAN。
这些VLAN之间需要设置一定的访问控制策略，以实现不同VLAN之间的数据传输。
在三层交换机中，我们可以通过设置VLAN端口来实现这一目的。
三层交换机的三层交换功能是基于路由来实现的。
三层交换机通过硬件路由表来实现不同VLAN之间的互通。
路由表是三层交换机实现数据交换的重要工具，它能够将数据帧按照最佳路径转发到相应的目的网络中。
当有数据帧发送到三层交换机时，三层交换机根据数据帧中的目的IP地址，在路由表中查找最佳路径，然后将数据帧转发到相应的端口上。
四、VLAN互通配置在三层交换机中配置VLAN互通需要设置以下步骤：1. 配置IP地址和默认路由：在三层交换机上配置一个公共的IP 地址和默认路由，使得各个VLAN之间可以通过三层交换机访问外网。
2. 划分VLAN并设置VLAN端口：根据不同的需求，将三层交换机上的端口划分为不同的VLAN端口。
在配置过程中，需要确保每个VLAN之间的通信不被其他VLAN干扰。
3. 配置路由协议：常见的路由协议包括RIP和OSPF等。
在三层交换机上配置相应的路由协议，使得各个VLAN之间可以通过路由来实现互通。
4. 配置安全策略：为了保障网络安全，需要在三层交换机上配置相应的安全策略，如访问控制列表等，以限制不同VLAN之间的访问权限。
五、三层交换vlan互通常见问题及解决方案1. VLAN间无法互通：首先检查三层交换机的配置是否正确，确保VLAN端口划分正确，并配置了正确的路由协议和安全策略。
第三层交换技术
第三层交换技术1、三层交换的概念第三层交换技术也称为IP 交换技术或高速路由技术等，是相对于传统交换概念而提出的。
众所周知，传统的交换技术是在OSI 网络标准模型中的第二层—数据链路层进行操作的，而第三层交换技术是在网络模型中的第三层实现了数据包的高速转发。
简单地说，第三层交换技术就是：第二层交换技术＋第三层转发技术，这是一种利用第三层协议中的信息来加强第二层交换功能的机制。
一个具有第三层交换功能的设备是一个带有第三层路由功能的第二层交换机，但它是二者的有机结合，并不是简单地把路由器设备的硬件及软件简单地叠加在局域网交换机上。
2. 三层交换的原理从硬件的实现上看，目前，第二层交换机的接口模块都是通过高速背板/总线交换数据的。
在第三层交换机中，与路由器有关的第三层路由硬件模块也插接在高速背板/总线上，这种方式使得路由模块可以与需要路由的其他模块间高速地交换数据，从而突破了传统的外接路由器接口速率的限制(10Mbit/s---100Mbit/s)。
在软件方面，第三层交换机将传统的基于软件的路由器重新进行了界定：(1)数据封包的转发：如IP/IPX 封包的转发，这些有规律的过程通过硬件高速实现；(2)第三层路由软件：如路由信息的更新、路由表维护、路由计算、路由的确定等功能，用优化、高效的软件实现。
假设有两个使用IP 协议的站点，通过第三层交换机进行通信的过程为：若发送站点A 在开始发送时，已知目的站B的IP 地址，但尚不知道它在局域网上发送所需要的MAC 地址，则需要采用地址解析(ARP)来确定B的MAC 地址。
A把自己的IP 地址与B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B是否与自己在同一子网内。
若B 与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。
三层交换机功能介绍及工作原理
三层交换机功能介绍及工作原理三层交换机是在数据链路层和网络层之间工作的网络设备。
它具备数据链路层交换机和路由器的功能，能够实现局域网内部和不同网络之间的数据转发和路由选择，提供高效且智能的数据转发功能。
下面将详细介绍三层交换机的功能和工作原理。
一、三层交换机的功能介绍：1.数据链路层交换功能：三层交换机具备数据链路层交换机的功能，可以根据MAC地址进行数据的转发和过滤。
当接收到一个数据帧时，三层交换机会查找目标MAC地址，根据MAC地址表更新转发表，并将数据帧转发至目标端口。
这样可以实现局域网内部的高速数据传输。
2.路由转发功能：三层交换机还具备路由器的功能，可以根据网络层的IP地址进行数据包的转发和路由选择。
当接收到一个数据包时，三层交换机会查找目标IP地址，并根据路由表选择最优路径进行数据包的转发。
这样可以实现不同网络之间的数据传输。
3.虚拟局域网（VLAN）支持：三层交换机支持将一个物理交换机划分为多个逻辑分区，每个分区中的设备可以互相通信，但与其他分区中的设备隔离。
这样可以提高网络的安全性和性能。
4.负载均衡功能：三层交换机可以根据流量的负载情况，自动选择最优的路径进行数据包的转发。
这样可以实现网络负载均衡，提高系统的性能和可靠性。
5.安全性和访问控制：三层交换机支持访问控制列表（ACL）功能，可以根据源IP地址、目标IP地址、端口号等进行数据包的过滤和访问控制。
这样可以提高网络的安全性，防止未授权的访问和攻击。
二、三层交换机的工作原理：1.数据链路层交换机功能：当接收到一个数据帧时，三层交换机会查找目标MAC地址。
如果目标MAC地址在转发表中已存在，三层交换机会直接将数据帧转发至相应端口；如果目标MAC地址不在转发表中，三层交换机会广播数据帧至所有端口，并记录下发端口。
2.路由转发功能：当接收到一个数据包时，三层交换机会查找目标IP地址。
如果目标IP地址在路由表中已存在，三层交换机会根据最长前缀匹配原则选择最优路径，并将数据包转发至相应路由；如果目标IP地址不在路由表中，三层交换机会将数据包丢弃或者发送至默认路由。
三层交换技术的原理
三层交换技术的原理
三层交换技术是一种在网络中实现数据传输的技术。
它利用路由器跟交换机的结合，实现了数据在不同网络之间的传递。
其原理如下：
1. 寻址和路由选择：当一台设备发送数据包时，三层交换技术首先需要确定数据包要传送到哪个网络。
这个过程称为寻址。
通过查找路由表，确定数据包的目的网络。
2. 数据包封装和解封装：数据包在传输过程中需要封装成适当的格式。
在发送端，数据包被封装添加了源地址和目的地址等信息，形成TCP/IP报文。
在接收端，数据包则需要解封装，将报文的各个字段分离出来。
3. 路由器的工作：一旦确定了数据包要传送到的目的网络，三层交换技术通过路由器来实现数据包的传输。
路由器根据数据包的目的网络地址，参考自己的路由表，找到下一跳路由器，并将数据包发送到下一跳路由器。
这个过程称为路由选择。
4. 数据传输：当数据包到达下一跳路由器后，根据目的网络地址再次进行路由选择，直到数据包到达最终目的网络。
5. 数据交换和转发：在网络的每个交换节点，交换机负责数据包的交换和转发。
根据数据包中的目的MAC地址，交换机将数据包转发到与目的主机直接相连的端口上。
综上所述，三层交换技术通过寻址、路由选择和数据交换等步
骤实现了数据在不同网络之间的传递。
这种技术能够提高网络的性能和可靠性，同时也能够实现灵活的网络划分和管理。
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三层交换技术原理及应用
摘要三层交换是路由功能和二层交换的技术集成，基于三层交换的vlan划分使网络以子网内的线速交换和子网间的线速路由来达到线速通信。
本文从三层交换技术的产生、工作原理、实现与应用以及从数据交换技术发展趋势等方面详细地论述了三层交换技术。
关键词三层交换；路由；虚拟局域网
中图分类号tm8 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2011）49-0158-02
layer 3 switching technology principle and applicatio wang yu1,zhou wu-qiang2
1.luoyang institute of science and echnoiogy,luoyang 471003
2.luoyang institute of science and echnoiogy,luoyang 471003
abstract layer 3 switching is integrated by the layer 2 switching and routing technology, base on layer 3 switching to configure vlan,the transfer speed will be improved by the wire-speed switching in a vlan-subnet and the wire-speed routing between vlan-subnets. this article from the layer 3 switching technical generation, working principle,
application and realization from the data exchange technology development trend are discussed in detail layer 3 switching technology.
keywords layer 3 switching；route；vlan
0 引言
在信息化高速发展的今天，网络的应用越来越普及，网络的性能和传输速率都得到了非常大的提高，设备功能越来越强大，网络正朝着虚拟化、高速化和大型化的方向发展，早期的路由器和交换机网络模式已经不能满足日益增长的子网间通信需求，更难实现多媒体通信所要求的低延迟量的稳定性，将企业局域网络模型转变为三层交换+虚拟局域网模式是信息化发展必然的趋势。
1 第三层交换技术简介与工作原理
1.1 第三层交换技术简介
大家都知道，传统的交换技术是在0si模型中的第二层（数据链路层）进行操作的，而第三层交换技术则是相对于传统交换技术而提出的。
在局域网中，逻辑上划分的不同vlan之间通信必须要通过路由器转发，由于vlan之间的数据通信量是巨大的，如果路由器对每一个数据包都路由一次，随着网络上数据通信量的不断增加，路由器将不堪重负，成为整个网络运行的瓶颈。
基于这种情况三层交换技术便应运而生，它是在0si模型中的第三层（网络层）实现了数据包的高速转发，不仅具有非常强大的二层包处理能力，
而且它还可以工作在osi第三层替代或部分完成传统路由器的功能。
简而言之，它就是二层交换技术与三层转发技术的结合，从而解决了局域网中网段划分之后子网间通信必须依靠路由器的局面，解决了由于使用路由器速度较慢造成的访问速度低下，网络规模受限制等问题。
1.2 第三层交换技术工作原理
当前主要存在两种第三层交换技术：一是流交换，它不在0si 模型中的第三层（网络层）处理所有报文，而只分析流中的第一个报文，完成路由处理，并基于第三层地址转发该报文，流中的后续报文被交换到0si模型中的第二层(数据链路层)，从而打通源ip 地址和目的ip地址之间的一条通道。
有了这条通道，三层交换机就没有必要每次将接收到的数据包进行拆包来判断路由，而是直接将数据包进行转发，将数据流进行交换，这种技术的设计目的是方便线速路由；二是报文到报文交换，每一个报文都要经过第三层处理，且数据流转发是基于第三层地址的。
掌握第三层交换技术的精髓首先需要区分这两种报文的不同转发方式。
流交换方法因为后续报文走捷径而无需第三层处理。
由于它不能适应路由的拓扑变化，它就不能识别路由表中对标准协议的改变。
因此，流交换方法可能需要另外的协议取得拓扑变化信息，以便到达交换系统正确的地方。
报文到报文交换设备通过运行标准协议并维护路由表，可动态
地重新路由报文，绕过网络的拥塞点和故障点而无需等待高层的协议检测报文丢失，其明显特征是其能够适应路由的拓扑变化。
1.2.1 流交换技术原理及实现方法
在流交换中，首个报文被分析以确定其是一组具有相同源地址或目的地址的报文或者是否标识一个“流”，节省了检查每一个报文要浪费的处理时间。
流交换需要两个技巧，其一是，一旦建立穿过网络的路径，就让流足够长以便利用捷径的优点；其二是，要识别第一个报文的哪一个特征标识一个流，这个流可以使其余报文走第二层路径。
怎样识别属于特定流的报文、建立通过网络的流通路径以及检测流随实现机制的变化而不同。
假定使用ip协议的两台计算机通过第三层交换机进行通信的过程，发送计算机甲在开始数据发送时，已知目标计算机的ip地址，但不知在网络上发送所需要的mac地址，则要采用地址解析协议（arp）来确定目标计算机的mac地址。
发送计算机把自己的ip地址与目标计算机的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标计算机是否与自己在同一子网内。
若目标计算机乙与发送计算机甲在同一子网内，甲广播一个arp请求，乙返回其mac地址，甲得到目标计算机乙的mac地址后将这一地址存储起来，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标端口。
如果两台计算机不在同一子网内，发送计算机甲要与目标计算
机丙通信，发送计算机甲要向“缺省网关”发出arp（地址解析协议）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。
所以当发送计算机甲对“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前的通信过程中已得到目标计算机乙的mac地址，则向发送计算机甲回复乙的mac地址；否则第三层交换模块根据路由信息向目标计算机广播一个arp请求，目标计算机丙得到此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计算机甲以后，当再进行甲与丙之间数据包转发时，将用最终的目标计算机的mac地址封包，数据转发过程全部交给第二层交换处理，数据得以高速交换。
1.2.2报文到报文交换技术原理及实现方法
报文到报文交换遵循这样一个数据流过程：报文进入交换机中的物理接口，即osi模型中的第一层，然后在第二层接受目标mac 检查，如能在第二层能交换则进行二层交换，否则进入到第三层，即网络层。
在第三层，报文要经过地址解析、路径确定及某些特殊服务，处理完毕后报文已更新，确定合适的输出端口后，报文通过osi模型中的第一层传送到物理介质上。
传统路由器是一种典型的符合第三层报文到报文交换技术的设备，现代基于硬件的第三层交换设备已经克服它完全基于软件的工作机制所产生的固有缺陷。
2 第三层交换机的应用
第三层交换机的应用，主要是代替传统路由器作为网络的核心。
在以太网中，配合其他普通交换机使用，系统管理员能打造无缝的以太网交换系统，为整个系统提供高质量的网络服务。
在大型局域网中，往往会将第三层交换机用在网络的核心层，用第三层交换机上的各种不同类型的端口连接不同的子网或vlan，这样的结点数相对较少，结构相对简单，而且成本较低，也有较多的控制功能。
3 结论
三层交换技术和vlan在当今的局域网已经广泛应用，两者的紧密结合可将用户终端高效规范管理，使得局域网络能够更加灵活地配置，能将广播风暴以及病毒攻击限制在较小的范围内，大大加强了网络系统的安全性。
随着局域网络技术的不断发展和完善，三层交换技术和vlan还会为提高网络管理的安全性、方便性、可靠性及运行效率发挥更大的作用。
参考文献
[1]徐冀糖.计算机网络技术及应用.高等教育出版社，2004，11．
[2]贺文华，陈志刚.虚拟局域网技术研究[j].计算机时代，2007，11．。