一、 第三層交換機基本原理簡介

    第三層交換機，實際上就好象是將傳統(tǒng)交換器與傳統(tǒng)路由器結(jié)合起來的網(wǎng)絡設備，它既可以完成傳統(tǒng)交換機的端口交換功能，又可完成部分路由器的路由功能。當然，這種二層設備與三層設備的結(jié)合，并不是簡單的物理結(jié)合，而是各取所長的邏輯結(jié)合，其中最重要的表現(xiàn)是，當某一信息源的第一個數(shù)據(jù)流進入第三層交換機后，其中的路由系統(tǒng)將會產(chǎn)生一個MAC地址與IP地址映射表，并將該表存儲起來，當同一信息源的后續(xù)數(shù)據(jù)流再次進入第三層交換時，交換機將根據(jù)第一次產(chǎn)生并保存的地址映射表，直接從二層由源地址傳輸?shù)侥康牡刂?，而不再需?jīng)過第三路由系統(tǒng)處理，從而消除了路由選擇時造成的網(wǎng)絡延遲，提高了數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)效率，解決了網(wǎng)間傳輸信息時路由產(chǎn)生的速率瓶頸。
    第三層交換機的出現(xiàn)，實際上已經(jīng)歷了三代。第一代產(chǎn)品是一種由分立電子元件和原語式軟件相結(jié)合的簡單混合體，設備體積大、重量重、功耗高，所需散熱風扇功率高、體積大，而性能較差。運行在一個固定內(nèi)存處理機上的軟件系統(tǒng)，雖然在管理和協(xié)議功能方面有許多改善，但當用戶的日常業(yè)務更加依賴于網(wǎng)絡，使得網(wǎng)絡流量不斷增加時，網(wǎng)絡設備便成了傳輸瓶頸；第二代交換機的硬件引進了專門用于優(yōu)化第二層處理的專用集成電路ASIC（Application Specific Integrated Circuit）芯片，體積、功耗、性能得到了極大改善與提高，并降低了系統(tǒng)的整體成本，這就是我們傳統(tǒng)的第二層交換機；第三代交換機并不是簡單地建立在第二代交換設備上，而是在第三層路由、組播及用戶可選策略等方面提供了線速性能，在硬件方面也采用了性能與功能更先進的ASIC芯片。

二、第三層交換機的優(yōu)勢與路由器的區(qū)別

    總之，與路由器相比第三層交換機具有如下優(yōu)勢：
    ⑴子網(wǎng)間傳輸帶寬可任意分配：傳統(tǒng)路由器的每個串口都可以連接一個子網(wǎng)，而這種通過路由器進行傳輸?shù)淖泳W(wǎng)速率就會受到接口帶寬的直接限制。三層交換機則不同，它可以把多個端口定義成一個虛擬網(wǎng)（VLAN），把多個端口組成的虛擬網(wǎng)作為虛擬網(wǎng)接口，該虛擬網(wǎng)內(nèi)的信息可通過組成虛擬網(wǎng)的端口送給三層交換機，由于端口數(shù)可任意指定，子網(wǎng)間的傳輸帶寬便沒有什么限制了。
    ⑵合理配置信息資源：利用三層交換機連接的網(wǎng)絡系統(tǒng)，因其訪問子網(wǎng)內(nèi)資源速率和訪問全局網(wǎng)中資源速率沒有區(qū)別，子網(wǎng)設置單獨服務器便沒有什么意義了。這樣，直接通過在全局網(wǎng)中來設置服務器群，在保證內(nèi)聯(lián)網(wǎng)寬帶傳輸速率的前提下，不僅可以節(jié)省費用，利用服務器集群的軟硬件資源優(yōu)勢，更可以做到合理配置和管理所有信息資源，這一點是路由器組網(wǎng)很難辦到的。
    ⑶降低成本：在企業(yè)網(wǎng)絡設計中，由于人們通常只用二層交換機構(gòu)成同一廣播域子網(wǎng)，用路由器進行各子網(wǎng)間的互連，使企業(yè)網(wǎng)絡形成一個內(nèi)聯(lián)網(wǎng)，所以支持內(nèi)聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)網(wǎng)絡無法在設備上降低成本。目前，人們采用三層交換機進行內(nèi)聯(lián)網(wǎng)絡系統(tǒng)設計時，既可以進行任意虛擬子網(wǎng)劃分，又可以通過交換機三層路由功能完成子網(wǎng)間的通信，即建立子網(wǎng)與內(nèi)聯(lián)子網(wǎng)都可以用交換機完成，大大節(jié)省了價格昂貴的路由器。
    ⑷交換機之間連接靈活：在計算機網(wǎng)絡通信設備中，作為交換機，它們之間是不允許存在任何回路的，而作為路由器，又可以采用多條通路（如主、備路由）來提高網(wǎng)絡的可靠性和平衡負載。為了解決這類矛盾，在三層交換機中，一方面采用生成樹算法來阻塞造成回路的端口，在進行路由選擇時，又能依然把阻塞掉的通路作為可以選擇的路徑來參與路由選擇，從而極大地提高了交換機連接的靈活性。
   
三、 第三層交換機主要技術

    由于第三層交換技術主要是針對交換子網(wǎng)之間的帶寬與速率問題，即可以在子網(wǎng)間路由時，使傳輸數(shù)據(jù)仍然采用交換的帶寬與速率。為了達到這樣的目的，第三層交換機產(chǎn)生廠商做了大量工作，因而也創(chuàng)建了許多基于路由的第三層交換新技術。
    當前，廣泛應用的第三層交換技術主要有：
    Ipsilon IP交換：IP交換技術由Ipsilon公司首倡，該技術具有識別數(shù)據(jù)包流，盡量在第二層進行交換，以繞過路由器，改善網(wǎng)絡性能的功能。Ipsilon改進了ATM交換機，刪去了控制器中的軟件，加上一個IP交換控制器，與ATM交換機通信。采用該技術的第三層交換機非常適用于機構(gòu)內(nèi)部的局域網(wǎng)和校園網(wǎng)的內(nèi)聯(lián)組網(wǎng)規(guī)劃。
    Cisco標簽交換：該技術在給數(shù)據(jù)包直接貼上標簽（即在對原有數(shù)據(jù)包不作任何改動的完全封裝后，另外加上一個源/目標地址包頭），而此標簽可在交換節(jié)點處直接讀出，并能通過標簽中的目標地址判斷數(shù)據(jù)包需要傳送路徑。該技術適用于大型網(wǎng)絡和Internet。
    3Com Fast IP：該技術是3Com開發(fā)的第三層交換協(xié)議，側(cè)重于三層交換中的數(shù)據(jù)策略管理、優(yōu)先原則和服務質(zhì)量等特性。Fast IP協(xié)議的最大優(yōu)勢，就是可以保證實時音頻或視頻數(shù)據(jù)流在交換中可得到它所需的帶寬。Fast IP協(xié)議還支持其它協(xié)議（如IPX），并可以運行在除ATM外的其它交換環(huán)境中。當然，使該技術的客戶機還需要有設置優(yōu)先等級的相關軟件等。
    FIRE：被稱為靈活智能路由引擎的FIRE，是3Com公司的第三層交換機的核心技術之一，是一個創(chuàng)新的集成化的網(wǎng)間互聯(lián)體系結(jié)構(gòu)。該技術提供了廣泛的第二層和第三層功能，同時還可在多種網(wǎng)絡接口類型上，為第三層路由、組播（Multicast）及用戶可選策略（Policy）等方面提供了線速性能。
    IBM ARIS（Aggregate Route based IP Switching）：與Cisco的標簽交換技術相似，即在傳輸數(shù)據(jù)包上附上相關地址標記，借以穿越交換網(wǎng)。ARIS一般用于ATM網(wǎng)，也可擴展到其它交換技術。邊界設備是進入ATM交換環(huán)境的入口，含有第三層路由映射到第二層虛電路的路由表。允許ATM網(wǎng)同一端兩臺以上的計算機通過一條虛電路發(fā)送數(shù)據(jù)，從而減少網(wǎng)絡流量。
    MPOA（Multi Protocol Over ATM）：ATM論壇提出的一種規(guī)范。經(jīng)源客戶機請求，路由服務器執(zhí)行路由計算后給出最佳傳輸路徑。然后，建立一條交換虛電路，即可越過子網(wǎng)邊界，不用再做路由選擇。

四、怎樣選擇合適的第三層交換機

    第三層交換機作為組建內(nèi)聯(lián)企業(yè)網(wǎng)系統(tǒng)的關鍵設備，在設備選擇中應該從哪方面入手才能真正獲得自己所必須的產(chǎn)品呢？雖然第三層交換機市場占有率還有限，但卻呈現(xiàn)較強的增長趨勢，正在局域網(wǎng)應用領域擠占路由器。雖然CISCO產(chǎn)品仍然是市場的大頭份額，但第三層交換機巨大的市場潛力正在吸引大量國內(nèi)外廠商加入角逐。目前，國內(nèi)市場主要產(chǎn)品有安奈特、3COM、極進（EXTREME）、網(wǎng)捷（FOUNTRY）、亞美亞（AVAYA）、北電（NORTEL）、凱創(chuàng)（ENTERASYS）、上廣電（SVA）、聯(lián)想-DLINK、華為、TCL等。
    面對如此豐富多彩的品牌，用戶在選擇時一定要注意如下幾方面：
    ⑴選擇可信的技術指標：與任何電子產(chǎn)品一樣，選擇第三層交換機時，首先要分析各種產(chǎn)品的性能指標，然而面對諸如交換容量（Gbps）、背板帶寬（Gbps）、處理能力（Mpps）、吞吐量（Mpps）等眾多技術指標，你最好還是緊緊抓住“滿配置時的吞吐量”這個指標，因為其它技術指標用戶沒有能力進行測量，全是廠商自己說了算，唯有吞吐量是用戶可以使用Smart Bits和IXIA等測試儀表直接測量和驗證的指標。
    ⑵選擇正確的產(chǎn)品模塊：不同品牌交換機所采用交換機技術完全不同，主要分為集中式和分布式兩類，傳統(tǒng)總線式交換結(jié)構(gòu)模塊是集中式，現(xiàn)代交換矩陣模塊是分布式。由于企業(yè)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)中運行的音頻、視頻及數(shù)據(jù)信息量越來越大，使之對交換機處理能力的要求也越來越高，為了實現(xiàn)在高端口密度條件下的高速無阻塞交換，采用分布式第三層交換機是明智的選擇。因為總線式交換機模塊在以太環(huán)境下，仍然免不了沖突測試，而矩陣式恰恰避免了端口交換時的沖突現(xiàn)象。
    ⑶關注延時與延時抖動指標：企業(yè)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)幾乎都是高速局域網(wǎng)，其目的就是為了音頻、視頻等大容量多媒體數(shù)據(jù)的傳輸，而這些大容量多媒體數(shù)據(jù)包最忌因延時較長而因數(shù)據(jù)包丟失使信息傳輸產(chǎn)生抖動。有些傳統(tǒng)集中式交換機的延時高達2毫秒，而某些現(xiàn)代分布式交換機的延時只有10微秒左右，兩者相差上百倍。而導致延時過高的原因通常包括阻塞設計的交換結(jié)構(gòu)、過量使用緩沖等。所以，關注延時實際上得關注產(chǎn)品的模塊結(jié)構(gòu)。
    ⑷性能穩(wěn)定：第三層交換機多用于骨干和匯聚層，位居網(wǎng)絡中心關口，如果性能不穩(wěn)定，則會波及網(wǎng)絡系統(tǒng)的大部分主機，甚至整個網(wǎng)絡系統(tǒng)。所以，只有性能穩(wěn)定的第三層交換機才是網(wǎng)絡系統(tǒng)連續(xù)、可靠、安全、正常運行的保證。 當然，性能穩(wěn)定看似抽象，似乎需要歷史檢測才能有說服力。其實不然，由于設備性能實際上是通過多項基本技術指標和市場聲譽來實現(xiàn)的。所以，你完全可以通過測試吞吐量、延遲、丟幀率、背對背功能、地址表深度、線端阻塞、多對一功能等多項指標以及市場應用調(diào)查來確定。其中背對背交換能力直接影響到整體包轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)流處理能力，對于性能穩(wěn)定具有較強的參考價值。
    ⑸安全可靠：作為網(wǎng)絡核心設備的第三層交換機，自然是黑客攻擊的重要對象，這就要求我們必須將第三層交換機納入網(wǎng)絡安全防護的范圍。當然，這里所說的“安全可靠”，應該包括第三層交換機的軟件和硬件。所以，從“安全”上講，配備支持性能優(yōu)良、沒有安全漏洞防火墻功能的第三層交換機是非常必要的。從“可靠”上看，因客觀上任何產(chǎn)品都不能保證其不發(fā)生故障，而發(fā)生故障時能否迅速切換到一個好設備上，是令人關心的問題。另外，在硬件上要考慮冗余能力，如電源、管理模塊、端口等重要部件是否支持冗余，這對諸如電信、金融等對安全可靠性要求高的用戶尤其重要。再就是散熱方式，如散熱風扇等設置是否合理、美觀等。最后考慮的則是，產(chǎn)品符合何種安全性國際或國家標準，如電磁輻射標準、各種安全標準等。對寬帶運營商來說還有一個重要的方面是認證，以前交換機是給企業(yè)用的，上了網(wǎng)就直接連出去了，不需要認證。而寬帶運營商則需要確認用戶是否記錄在案。用戶訪問Internet時出現(xiàn)了一個窗口，輸入用戶名和密碼才能通過認證，所以寬帶運營商的第三層交換機還應支持一些特殊的協(xié)議如802.1x等，以實現(xiàn)認證。
    ⑹功能齊全：產(chǎn)品不但要滿足現(xiàn)有需求，還應滿足未來一段時間內(nèi)的需求，從而給用戶一個增值空間，為將來網(wǎng)絡擴展提供保障。如當公司員工增加時，可以插上模塊來擴充而不必淘汰原有設備。還有一些功能，如組播、QoS、端口干路（port trunking）、802.1d跨越樹(Spanning Tree)以及是否支持RIP、OSPF協(xié)議等路由協(xié)議，對第三層交換機來說都是十分重要的，若不支持則難以滿足用戶需求。以組播為例，在VOD應用中，如果一組用戶同時點播一個節(jié)目，用組播協(xié)議可以保證交換機在高密度視頻流點播時非常順暢地進行數(shù)據(jù)處理；反之，如果交換機不支持組播協(xié)議，則占用的帶寬就相當大。再如QoS功能根據(jù)用戶不同需求將其劃分為不同等級，可以使寬帶運營商按端口流量計費，從而為不同用戶提供不同服務。以往交換機速率是固定的100M，最多自適應到千兆。而現(xiàn)在QoS功能則可支持幾百K、1兆，甚至更高，運營商可向不同用戶收取不同的費用。此外還可以按協(xié)議（即按端口號）收費。還有一個重要功能就是訪問列表。如果在接入層劃分VLAN，則不同VLAN用戶間是不能通訊的，因為這是基于第二層的VLAN。如若想通訊，則必須通過第三層。如企業(yè)的財務部與市場部，一般都不來往，若有用戶需要訪問，則網(wǎng)管人員可以通過第三層交換機一個簡單命令行設置，使VLAN間正常通訊，這就是訪問列表功能。它是從路由器移植到第三層交換機上的一個功能，可以實現(xiàn)不同VLAN間的單向或雙向通訊。如果發(fā)現(xiàn)外部某IP地址總發(fā)送無用數(shù)據(jù)包到自己網(wǎng)絡上，則可以在訪問列表中設置成禁止其發(fā)送數(shù)據(jù)包。還可通過在訪問列表中的設置，禁止員工訪問非法站點等。
    ⑺良好的服務：用戶購買的不僅僅是設備，也包括對公司網(wǎng)絡的承諾，即要選擇那些具有對自己提供相關售后服務保證能力的廠商產(chǎn)品。所以，選購時你應考察廠家是否能快速響應用戶的疑難問題、能否快速更換產(chǎn)品和配件，能否為用戶提供定制的功能和服務等。
    ⑻良好的易用性：第三層交換機所支持的功能較強，不管是硬件，還是軟件，較之傳統(tǒng)二層設備，在管理方面都較復雜。因此，在外觀上應看一看指示燈設置是否合理，是否設有故障指示燈和流量指示燈等; 是否有電源開關; 是否有供機架安裝的附件; 說明書應明了、詳盡，最好有中文說明書。網(wǎng)管軟件也最好有中文界面等。
    ⑼較好的性價比：IT設備的特點是升級快、性能增強快、降價也快，所以用戶在選購設備時，應該考慮自已的資金和需求實際情況，在充分考慮日后升級的前提下，以設備性能穩(wěn)定、好用和夠用為標準，切莫片面追求高性能、全功能，不必為那些不需要的功能付錢。

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五、第三層交換機應用分析

    第三層交換機無法替代路由器是不爭的事實，因為它們各有自己的用武之地。第三層交換機非常適應局域網(wǎng)環(huán)境，而路由器可在廣域網(wǎng)中盡顯英雄本色。也就是說，第三層交換機無法適應網(wǎng)絡拓撲各異，傳輸協(xié)議不同的廣域網(wǎng)絡系統(tǒng)。近年來，隨著第三層交換技術的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，第三層交換機的應用已從企業(yè)網(wǎng)絡環(huán)境的骨干層、匯聚層，開始滲透到網(wǎng)絡邊緣接入層。尤其是小區(qū)寬帶網(wǎng)絡的普及，第三層交換機完全適合放置在小區(qū)中心和多個小區(qū)的匯聚層位置。從這個方面來看，三層交換機雖然無法替代路由器，但卻完全動搖了企業(yè)路由器的地位，即在企業(yè)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)絡系統(tǒng)中，第三層交換機正在取代路由器

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    目前，普遍應用于企業(yè)網(wǎng)絡中的第三層交換技術，主要是VLAN（虛擬局域網(wǎng)），因為第三層VLAN技術，打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡許多固有觀念，可使網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)更加靈活多變，使用戶組網(wǎng)更加方便和隨心所欲。所謂第三層VLAN，就是不需要考慮用戶的物理位置，根據(jù)信息端的IP地址、用戶名等直接與用戶聯(lián)系的特定標志及應用因素，就可將用戶在邏輯上劃分為一個個功能相對獨立的工作組，且每個用戶主機都連接在一個支持VLAN的交換機端口上，并屬于一個VLAN。在同一個VLAN中的成員都可共享廣播，不同VLAN之間的廣播信息是相互隔離的。這就相當于將整個網(wǎng)絡分割成了多個不同的廣播域，從而加強了企業(yè)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)絡的管理與維護。而不同VLAN成員的通信與否權(quán)限，完全可以由網(wǎng)管員通過對第三層交換機作相關設置來完成。
    我公司的計算機網(wǎng)絡是一個核心網(wǎng)絡系統(tǒng)相對集中的中型企業(yè)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，其中位于公司大樓中的核心網(wǎng)絡，可以分為業(yè)務系統(tǒng)、辦公系統(tǒng)和財務系統(tǒng)三個專業(yè)職能部分。業(yè)務系統(tǒng)網(wǎng)絡又可分為數(shù)據(jù)庫核心子網(wǎng)、內(nèi)部營業(yè)系統(tǒng)接入子網(wǎng)、外部代辦系統(tǒng)接入子網(wǎng)、客戶服務系統(tǒng)子網(wǎng)等幾個相對獨立的子網(wǎng)。除了內(nèi)部營業(yè)和外部代辦接入系統(tǒng)有遠程接入子網(wǎng)外，其它子網(wǎng)同在一個大樓內(nèi)，屬于典型的企業(yè)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。在我公司的三大專業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)中，因為業(yè)務系統(tǒng)和辦公系統(tǒng)子網(wǎng)的信息終端較多、數(shù)據(jù)通訊量大、相互訪問頻繁，且各子網(wǎng)用戶相互訪問權(quán)限復雜。為了保證公司大樓網(wǎng)絡系統(tǒng)能夠100M交換到桌面，減小沖突域，防止廣播風暴，同時還考慮成本與實用等方面，除了各子網(wǎng)內(nèi)部采用二層交換機外，在公司核心網(wǎng)絡系統(tǒng)——計算機中心機房采用了第三層交換機Cisco Catalyst4000。
    Catalyst4000是一個功能強大的中低端模塊核心交換機，針對我公司的組網(wǎng)需求，性能價格比較高。其中WS-X4232-L3是一塊支持三層交換功能的模塊，該模塊提供了6個內(nèi)部千兆光纖連接接入交換機背板，其中的2個路由交換引擎與交換機背板相連，另外4個則用來連接一組32個10/100M自適應以太口，此外路由引擎還有兩個對外路由端口。整個模塊功能類似于在一個32端口百兆二層交換機上，聯(lián)接一個具有2個千兆端口的路由器。值得注意的是，也只有這2個千兆端口才具有第三層路由功能，其他32個百兆端口則是純粹的二層交換端口。
    正因為Catalyst4000支持2個千兆路由端口，所以我們將核心網(wǎng)絡系統(tǒng)的所有服務器設備及控制終端直接接在32個百兆端口上，使之成為一個VLAN。將辦公系統(tǒng)匯接交換機和財務系統(tǒng)匯接交換機通過光纖分別接在2個千兆路由端口上，使它們分成為2個不同的支持第三層功能的VLAN。這樣，我們不僅將整座大樓的信息點接在一個高速局域網(wǎng)上，而且還將三個功能完全不同的網(wǎng)絡系統(tǒng)從邏輯上徹底分開，既保證了公司企業(yè)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚傩?，又保證了公司網(wǎng)絡系統(tǒng)的安全性，同時還為整個大樓網(wǎng)絡系統(tǒng)的管理、維護提供了極大方便。更重要的是，網(wǎng)管員可以隨時根據(jù)辦公和財務系統(tǒng)用戶的需要，提供可否訪問中心機房服務器的權(quán)利。
    由于公司核心網(wǎng)絡中的服務器與控制終端少于30個，2千兆的背板帶寬完全勝任這些主機的通信需要。

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