艾銻知識——二層交換機(jī)與三層交換機(jī)的組網(wǎng)性能比較

2020-04-14 17:38 作者：艾銻無限 瀏覽量：

二層交換機(jī)與三層交換機(jī)的組網(wǎng)性能比較

三層交換機(jī)的應(yīng)用層面

隨著三層交換技術(shù)的普及，三層交換機(jī)的應(yīng)用環(huán)境也發(fā)生了很大的變化，它已從網(wǎng)絡(luò)核心層向匯聚層甚至是邊緣層邁進(jìn)。這一改變首先帶來了其應(yīng)用比例大大提升，特別是在金融、教育和交通行業(yè)得到較多應(yīng)
用。

核心層主要用于大規(guī)模數(shù)據(jù)的傳輸與轉(zhuǎn)發(fā)，而且要盡可能的減少廣播風(fēng)暴所帶來的負(fù)面影響。普通的二層交換機(jī)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)，但不具備路由轉(zhuǎn)發(fā)和分割廣播域的功能;路由器能分割廣播域，但又

不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)。三層交換機(jī)的性能正好彌補(bǔ)了上述缺點(diǎn)，既有三層路由的功能，又具有二層交換的網(wǎng)絡(luò)速度，正好滿足這一需求。

匯聚層出于應(yīng)用的考慮，最好也使用三層交換機(jī)。現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)要應(yīng)付大數(shù)據(jù)包傳輸所帶來的負(fù)載，并且要盡可能的減少延遲等不利因素;另一方面，安全意識的增強(qiáng)，身份認(rèn)證等安全策略被廣泛應(yīng)用，這些都是二
層交換機(jī)所不具備的功能。

接入層會連接大量的計(jì)算機(jī)和服務(wù)器等終端設(shè)備，就很可能會因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)上大量的廣播而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸效率低下，為了減少核心的負(fù)擔(dān)，我們往往在這一層就應(yīng)用VLAN技術(shù)，而要想使不同VLAN進(jìn)行通信，就必須
使用具有路由功能的三層交換機(jī)，這樣就在保證性能的前提下，經(jīng)濟(jì)地解決了子網(wǎng)劃分之后子網(wǎng)之間通信必須依賴路由器的問題。

可見，從一個中等規(guī)模的校園網(wǎng)到企業(yè)的骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)骨干、匯聚層都是三層交換機(jī)的用武之地。它的應(yīng)用也從最初的骨干層、匯聚層一直滲透到邊緣的接入層。在目前火爆的寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，三層交換機(jī)一
般被放置在小區(qū)的中心和多個小區(qū)的匯聚層。三層交換機(jī)的出現(xiàn)，極大改變了局域網(wǎng)的性能。正如路由器統(tǒng)治廣域網(wǎng)一樣，三層交換機(jī)將在今后主宰局域網(wǎng)已成為必然。

二層交換機(jī)與三層交換機(jī)的組網(wǎng)性能比較

二層交換機(jī)與三層交換機(jī)應(yīng)用都非常廣泛，于是我研究了一下二層交換機(jī)與三層交換機(jī)的組網(wǎng)性能比較，在這里拿出來和大家分享一下，希望對大家有用。二層交換技術(shù)是發(fā)展比較成熟，二層交換機(jī)屬數(shù)據(jù)鏈路
層設(shè)備，可以識別數(shù)據(jù)包中的MAC地址信息，根據(jù)MAC地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并將這些MAC地址與對應(yīng)的端口記錄在自己內(nèi)部的一個地址表中。具體的工作流程如下：

（1） 當(dāng)二層交換機(jī)從某個端口收到一個數(shù)據(jù)包，它先讀取包頭中的源MAC地址，這樣它就知道源MAC地址的機(jī)器是連在哪個端口上的；

（2） 再去讀取包頭中的目的MAC地址，并在地址表中查找相應(yīng)的端口；

（3） 如表中有與這目的MAC地址對應(yīng)的端口，把數(shù)據(jù)包直接復(fù)制到這端口上；

（4） 如表中找不到相應(yīng)的端口則把數(shù)據(jù)包廣播到所有端口上，當(dāng)目的機(jī)器對源機(jī)器回應(yīng)時，交換機(jī)又可以學(xué)習(xí)一目的MAC地址與哪個端口對應(yīng)，在下次傳送數(shù)據(jù)時就不再需要對所有端口進(jìn)行廣播了，不斷的循
環(huán)這個過程，對于全網(wǎng)的MAC地址信息都可以學(xué)習(xí)到，二層交換機(jī)就是這樣建立和維護(hù)它自己的地址表。從二層交換機(jī)的工作原理可以推知以下三點(diǎn)：

（1） 由于二層交換機(jī)對多數(shù)端口的數(shù)據(jù)進(jìn)行同時交換，這就要求具有很寬的交換總線帶寬，如果二層交換機(jī)有N個端口，每個端口的帶寬是M，交換機(jī)總線帶寬超過N&TImes;M，那么這交換機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)線速
交換；

（2） 學(xué)習(xí)端口連接的機(jī)器的MAC地址，寫入地址表，地址表的大小（一般兩種表示方式：一為BEFFER RAM，一為MAC表項(xiàng)數(shù)值），地址表大小影響交換機(jī)的接入容量；

（3） 還有一個就是二層交換機(jī)一般都含有專門用于處理數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的ASIC（ApplicaTIon specific Integrated Circuit）芯片，因此轉(zhuǎn)發(fā)速度可以做到非常快。由于各個廠家采用ASIC不同，直接影響產(chǎn)品性能。以
上三點(diǎn)也是評判二三層交換機(jī)性能優(yōu)劣的主要技術(shù)參數(shù)，這一點(diǎn)請大家在考慮設(shè)備選型時注意比較。

路由技術(shù)

路由器工作在OSI模型的第三層---網(wǎng)絡(luò)層操作，其工作模式與二層交換相似，但路由器工作在第三層，這個區(qū)別決定了路由和交換在傳遞包時使用不同的控制信息，實(shí)現(xiàn)功能的方式就不同。工作原理是在路由器
的內(nèi)部也有一個表，這個表所標(biāo)示的是如果要去某一個地方，下一步應(yīng)該向那里走，如果能從路由表中找到數(shù)據(jù)包下一步往那里走，把鏈路層信息加上轉(zhuǎn)發(fā)出去；如果不能知道下一步走向那里，則將此包丟棄，
然后返回一個信息交給源地址。

路由技術(shù)實(shí)質(zhì)上來說不過兩種功能：決定最優(yōu)路由和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。路由表中寫入各種信息，由路由算法計(jì)算出到達(dá)目的地址的最佳路徑，然后由相對簡單直接的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制發(fā)送數(shù)據(jù)包。接受數(shù)據(jù)的下一臺路由器依
照相同的工作方式繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)，依次類推，直到數(shù)據(jù)包到達(dá)目的路由器。

而路由表的維護(hù)，也有兩種不同的方式。一種是路由信息的更新，將部分或者全部的路由信息公布出去，路由器通過互相學(xué)習(xí)路由信息，就掌握了全網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這一類的路由協(xié)議稱為距離矢量路由協(xié)議；另
一種是路由器將自己的鏈路狀態(tài)信息進(jìn)行廣播，通過互相學(xué)習(xí)掌握全網(wǎng)的路由信息，進(jìn)而計(jì)算出最佳的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，這類路由協(xié)議稱為鏈路狀態(tài)路由協(xié)議。由于路由器需要做大量的路徑計(jì)算工作，一般處理器的工作能力直接決定其性能的優(yōu)劣。當(dāng)然這一判斷還是對中低端路由器而言，因?yàn)楦叨寺酚善魍捎梅植际教幚硐到y(tǒng)體系設(shè)計(jì)。

三層交換技術(shù)

近年來的對三層交換機(jī)技術(shù)的宣傳，耳朵都能起繭子，到處都在喊三層技術(shù)，有人說這是個非常新的技術(shù)，也有人說，三層交換機(jī)嘛，不就是路由器和二層交換機(jī)的堆疊，也沒有什么新的玩意，事實(shí)果真如此
嗎？下面先來通過一個簡單的網(wǎng)絡(luò)來看看三層交換機(jī)的工作過程。 組網(wǎng)比較簡單


比如A要給B發(fā)送數(shù)據(jù)，已知目的IP，那么A就用子網(wǎng)掩碼取得網(wǎng)絡(luò)地址，判斷目的IP是否與自己在同一網(wǎng)段。如果在同一網(wǎng)段，但不知道轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)所需的MAC地址，A就發(fā)送一個ARP請求，B返回其MAC地址，A
用此MAC封裝數(shù)據(jù)包并發(fā)送給交換機(jī)，交換機(jī)起用二層交換模塊，查找MAC地址表，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的端口。如果目的IP地址顯示不是同一網(wǎng)段的，那么A要實(shí)現(xiàn)和B的通訊，在流緩存條目中沒有對應(yīng)MAC
地址條目，就將第一個正常數(shù)據(jù)包發(fā)送向一個缺省網(wǎng)關(guān)，這個缺省網(wǎng)關(guān)一般在操作系統(tǒng)中已經(jīng)設(shè)好，對應(yīng)第三層路由模塊，所以可見對于不是同一子網(wǎng)的數(shù)據(jù)，最先在MAC表中放的是缺省網(wǎng)關(guān)的MAC地址；然



后就由三層模塊接收到此數(shù)據(jù)包，查詢路由表以確定到達(dá)B的路由，將構(gòu)造一個新的幀頭，其中以缺省網(wǎng)關(guān)的MAC地址為源MAC地址，以主機(jī)B的MAC地址為目的MAC地址。通過一定的識別觸發(fā)機(jī)制，確立主機(jī)

A與B的MAC地址及轉(zhuǎn)發(fā)端口的對應(yīng)關(guān)系，并記錄進(jìn)流緩存條目表，以后的A到B的數(shù)據(jù)，就直接交由二層交換模塊完成。這就通常所說的一次路由多次轉(zhuǎn)發(fā)。

以上就是三層交換機(jī)工作過程的簡單概括，可以看出三層交換的特點(diǎn)：由硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)發(fā)。這就不是簡單的二層交換機(jī)和路由器的疊加，三層路由模塊直接疊加在二層交換的高速背板總線上，突破
了傳統(tǒng)路由器的接口速率限制，速率可達(dá)幾十Gbit/s。算上背板帶寬，這些是三層交換機(jī)性能的兩個重要參數(shù)。簡潔的路由軟件使路由過程簡化。大部分的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，除了必要的路由選擇交由路由軟件處理，都
是又二層模塊高速轉(zhuǎn)發(fā)，路由軟件大多都是經(jīng)過處理的高效優(yōu)化軟件，并不是簡單照搬路由器中的軟件。

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