三層交換機(jī)的基本原理與設(shè)計思路

1、三層交換機(jī)還是比較常用的，于是我研究了一下三層交換機(jī)的基本原理與設(shè)計思路，在這里拿出來和大家分享一下，希望對大家有用。本文在介紹三層交換技術(shù)和三層交換機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，給出了一款三層交換機(jī)的設(shè)計，依照該設(shè)計實現(xiàn)的三層交換機(jī)已投入實際運(yùn)行。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

2、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)

3、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/s100Mbit/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：

4、（1）數(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)?！奔僭O(shè)有兩個使用IP協(xié)議的站點，通過第三層交換機(jī)進(jìn)行通信的過程為：若發(fā)送站點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

5、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

6、的目的站點的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2.3第三層交換的特點突出的特點如下：（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

7、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VLSW4150系列交換機(jī)。VLSW4150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。VLSW4150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VLSW4150交換

8、機(jī)有24個RJ4510/100BASETX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。VLSW4150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TaggedVLAN和MAC-based的幀過濾以及RIP、OSPF和BGP路由協(xié)議。VLSW4150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

9、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)。VLSW4150支持SNMP協(xié)議、RMON和Telnet功能來便于管理。3.2硬件結(jié)構(gòu)VLSW4150三層交換機(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)。（1）處理器模塊處理器部采用一款MOTOROLAPowerQUICCIICPU，同一些外部存儲設(shè)備以及一些外圍電路構(gòu)成三層交換機(jī)的處理器部分。處理器模塊主要是運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，配置系統(tǒng)和路由表的維持，而不是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)通路的組成部分。CPLD保存一些CPU初始化的一些配置以保證上電后CPU正常啟

10、動，F(xiàn)lash芯片用于存儲三層交換機(jī)的所需要的所有軟件和相關(guān)配置，SDRAM在系統(tǒng)啟動之后載入FLASH中的程序，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。處理器模塊一方面提供一個快速以太網(wǎng)接口和一個異步口，用于對交換機(jī)進(jìn)行配置和調(diào)試；另一方面通過PCI接口和交換模塊相連，通過PCI接口對交換模塊進(jìn)行控制，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。（2）交換模塊交換模塊采用了BROADCOM公司的BCM5645作為ASIC芯片，通過PCI接口與處理器模塊進(jìn)行通信完成數(shù)據(jù)傳輸，通過5645提供的內(nèi)存接口，可以給交換模塊提供一個64M的外部SDRAM，從而提高交換機(jī)的吞吐量和交換速度。5645通過MII接口和GMII接口分別連接24個百兆以太網(wǎng)和

11、2個千兆以太網(wǎng)。3.3軟件結(jié)構(gòu)VLSW4150三層交換機(jī)的軟件系統(tǒng)采用了模塊化、分布式的設(shè)計方法，基于實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)呈層次結(jié)構(gòu)，一層建立在另一層的基礎(chǔ)上，每一層都使用近鄰它的下一層所提供的服務(wù)，并且為它上面一層提供更高一級的服務(wù)，其優(yōu)點是：可以向上層軟件屏蔽底層操作，提高上層軟件的可移植性，提高軟件的可維護(hù)性。軟件大體分為三個層面：（1）驅(qū)動層驅(qū)動程序?qū)⑸蠈榆浖陀布到y(tǒng)進(jìn)行了連接，把上層軟件的路由更新、管理及配置命令轉(zhuǎn)化為硬件系統(tǒng)所能識別的格式，從而達(dá)到更新其內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如路由表，地址表等，控制及管理硬件交換系統(tǒng)的目的；同時設(shè)備驅(qū)動程序把底層硬件收到的路由更新報文、控制管

12、理幀及收到的各種信息傳遞給上層軟件處理；（2）協(xié)議棧實現(xiàn)了TCP/IP、802.1D和802.1Q等協(xié)議，為上層的應(yīng)用程序提供良好的接口；（3）應(yīng)用層主要包括路由模塊和網(wǎng)管模塊，路由模塊實現(xiàn)了RIP和OSPF等協(xié)議，即實現(xiàn)第三層路由的主要功能；網(wǎng)管模塊實現(xiàn)了SNMP和RMON等網(wǎng)管模塊，使三層交換機(jī)具有部分網(wǎng)管功能，保證三層交換機(jī)更好地正常運(yùn)轉(zhuǎn)。4.第三層交換機(jī)的應(yīng)用第三層交換機(jī)的主要用途是代替?zhèn)鹘y(tǒng)路由器作為網(wǎng)絡(luò)的核心，因此，凡是沒有廣域連接需求，同時又需要路由器的地方，都可以用第三層交換機(jī)來代替。在企業(yè)網(wǎng)和校園網(wǎng)中，一般會將第三層交換機(jī)用在網(wǎng)絡(luò)的核心層，用第三層交換機(jī)上的千兆端口或百兆端口連接不同的子網(wǎng)或VLAN.第三層交換機(jī)解決了