三層交換與路由的比較

   在中大型規(guī)模網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，以千兆三層交換機(jī)為核心的主流網(wǎng)絡(luò)模型不勝枚舉。隨著我國(guó)企業(yè)網(wǎng)、校園網(wǎng)以及寬帶建設(shè)的
迅速發(fā)展，三層交換機(jī)再次找到了新的市場(chǎng)增長(zhǎng)點(diǎn)，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。而該領(lǐng)域也不再由國(guó)
外廠商獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，TCL網(wǎng)絡(luò)等國(guó)產(chǎn)廠商都推出了各具特色的三層交換產(chǎn)品。
　　交換式技術(shù)發(fā)展過(guò)程
　　計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的結(jié)合促進(jìn)了計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，從60年代末ALOHA的出現(xiàn)到90年代中期1000M交換式以太網(wǎng)的登臺(tái)亮
相，短短的三十年間經(jīng)過(guò)了從單工到雙工、從共享到交換、從低速到高速、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從昂貴到普及、從二層交換到多層交換的飛
躍。
　　1.二層交換
　　回顧網(wǎng)絡(luò)初期，開(kāi)始應(yīng)用局域網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)時(shí)，主要局限于主機(jī)連接、文件和打印共享，多個(gè)用戶共享10Mbit/s帶寬就能滿足要求。隨
著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的日益擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已不能勝任，這是因?yàn)榫钟蚓W(wǎng)最早的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備是集線器，它是一層設(shè)備。基于CSMA/CD物理協(xié)議的
用戶數(shù)據(jù)的沖突檢測(cè)和出錯(cuò)重發(fā)過(guò)程，使傳輸?shù)男蚀蟠蠼档汀．?dāng)時(shí)采用了二層設(shè)備網(wǎng)橋，它可起到使網(wǎng)段細(xì)化、減小沖突域，從而優(yōu)化
局域網(wǎng)性能的目的。但它是對(duì)高層（第三層以上）協(xié)議透明的設(shè)備，不能有效阻止廣播風(fēng)暴，因此需要路由器。路由器在子網(wǎng)間互連、安
全控制、廣播風(fēng)暴限制等方面起了關(guān)鍵的作用，但復(fù)雜的算法、較低的數(shù)據(jù)吞吐量使其成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。意識(shí)到以上問(wèn)題，業(yè)界對(duì)網(wǎng)橋進(jìn)
行了改進(jìn)，制造出局域網(wǎng)交換機(jī)，用它替代集線器，以提高網(wǎng)絡(luò)的性能。
　　局域網(wǎng)交換機(jī)是一種二層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它在操作過(guò)程中不斷收集并建立它本身的MAC地址表，而且定時(shí)刷新。它的引入使網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)間可
獨(dú)享寬帶，消除了無(wú)謂的沖突檢測(cè)和出錯(cuò)重發(fā)，提高了傳輸效率。而且用戶信息是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)進(jìn)行傳送，其他節(jié)點(diǎn)是不可見(jiàn)的。但二層交換也
暴露出它的弱點(diǎn)：不能有效解決廣播風(fēng)暴、異種網(wǎng)絡(luò)互連、完全性控制等問(wèn)題。因此，產(chǎn)生了交換機(jī)上的VLAN（虛擬局域網(wǎng)）技術(shù)。
　　2.三層交換
　　二層交換機(jī)工作在OSI參考模型的第二層－－數(shù)據(jù)鏈路層上，主要功能包括物理編址、網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)、錯(cuò)誤校驗(yàn)、幀序列以及流量控
制。目前交換機(jī)還具備了一些新的功能，如對(duì)VLAN的支持、對(duì)鏈路匯聚的支持，甚至有的具有防火墻的功能，這就是第三層交換機(jī)所具有
的功能。所謂的第三層交換機(jī)就是基于協(xié)議的VLAN劃分時(shí)，增加了路由功能。
　　三層交換機(jī)是采用Intranet應(yīng)用的關(guān)鍵，它將二層交換機(jī)和三層路由器兩者的優(yōu)勢(shì)有機(jī)而智能化地結(jié)合成一個(gè)靈活的解決方案，可以
各個(gè)層次提供線速性能。這種集成化的結(jié)構(gòu)還引進(jìn)了策略管理屬性，不僅使二層與三層相互關(guān)聯(lián)起來(lái)，而且還提供流量?jī)?yōu)先化處理、安全
訪問(wèn)機(jī)制以及多種其它的靈活功能。
　　第三層交換機(jī)分為接口層、交換層和路由層三部分。接口層包含了所有重要的局域網(wǎng)接口：10/100M以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)、FDDI和ATM
等；交換層集成了多種局域網(wǎng)接口并輔之以策略管理，同時(shí)還提供鏈路匯聚、VLAN和Tagging機(jī)制；路由層提供主要的LAN路由協(xié)議：IP
、IPX和AppleTalk，并通過(guò)策略管理提供傳統(tǒng)路由或直通的第三層轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。策略管理和行政管理使網(wǎng)絡(luò)管理員能根據(jù)企業(yè)的特定需求調(diào)
整網(wǎng)絡(luò)。
　　一般來(lái)說(shuō)，三層交換產(chǎn)品都是采用可編程擴(kuò)展的ASIC芯片技術(shù)，可提供如下一些豐富的特性：
　　*在所有端口，針對(duì)所有網(wǎng)絡(luò)接口和協(xié)議的無(wú)阻塞線速交換和路由。
　　*極高的吞吐量（轉(zhuǎn)發(fā)包/每秒），通常比中高端路由器要快10倍-100倍。
　　*多協(xié)議路由選擇：IP（RIPv1/v2、OSPF）、IP Multicast（DVMRP、PIM）、IPX等。
　　*支持第二層/三層多種VLAN的劃分：端口/MAC地址/協(xié)議/IP子網(wǎng)/IEEE802.1Q/Cisco ISL。
　　*具有帶寬預(yù)留（RSVP）及具有CoS和QoS的業(yè)務(wù)量?jī)?yōu)先級(jí)處理，支持IEEE802.1、DifferServ。
　　*可設(shè)定訪問(wèn)列表控制（Access List Control）的過(guò)濾規(guī)則，或基于防火墻的安全策略。
　　*支持PPPoE，支持安全用戶認(rèn)證，配合用戶計(jì)費(fèi)，增強(qiáng)用戶管理特性。
　　*支持以及網(wǎng)帶寬單元遞增分配服務(wù)。
　　*ASIC的可編程性，支持諸如IPv6的技術(shù)和其他未來(lái)技術(shù)，保護(hù)用戶投資。
　　三層交換與路由器的比較
　　在過(guò)去，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)在一般情況下遵守“80/20”規(guī)則，即只有大約20％是通過(guò)骨干路由器與中央服務(wù)器或企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的其他部分進(jìn)
行通信，而80％的網(wǎng)絡(luò)流量主要仍集中在不同的部門(mén)子網(wǎng)內(nèi)。而在今天這個(gè)比例已經(jīng)被提高到了50％乃至80％。為了應(yīng)付不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)
流量，共享介質(zhì)型的網(wǎng)絡(luò)紛紛被交換型網(wǎng)絡(luò)所替代。這種變化對(duì)原來(lái)用于網(wǎng)絡(luò)分段的傳統(tǒng)路由器產(chǎn)生了直接的沖擊。鑒于有如此之大的流
量跨越IP或IPX子網(wǎng)，路由器事實(shí)上已經(jīng)成為了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)钠款i。
　　傳統(tǒng)路由器的主要功能是實(shí)現(xiàn)路由選擇與網(wǎng)絡(luò)互連，即通過(guò)一定途徑獲知子網(wǎng)的拓?fù)湫畔⑴c各物理線路的網(wǎng)絡(luò)特性，并通過(guò)一定的路
由算法獲得到達(dá)各子網(wǎng)的最佳路徑，建立相應(yīng)路由表，從而將每個(gè)IP包跳到跳（hop to hop）傳到目的地，其次它必須處理不同的鏈路協(xié)
議。IP包途徑每個(gè)路由器時(shí)，需經(jīng)過(guò)排隊(duì)、協(xié)議處理、尋址選擇路由等軟件處理環(huán)節(jié)，造成延時(shí)加大。同時(shí)路由器采用共享總線方式，總
的吞吐量受限，當(dāng)用戶數(shù)量增加時(shí)，每個(gè)用戶的接入速率降低。路由器更注重對(duì)多種介質(zhì)類(lèi)型和多種傳輸速度的支持，而目前數(shù)據(jù)緩沖和
轉(zhuǎn)換能力比線速吞吐能力和低時(shí)延更為重要。雖然路由器的性能最近也得到了一定的提高，大約達(dá)到1Mpps，但采用這種路由器的費(fèi)用也
高得驚人。
　　交換技術(shù)相對(duì)于路由技術(shù)的好處就是快，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大時(shí)，高速、大容量路由器是十分必要的。另一方面，由于現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)大都
采用光纖技術(shù)，所以現(xiàn)在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的主要瓶頸是節(jié)點(diǎn)/路由器。現(xiàn)在的L3交換、路由交換或其它名詞都是這種思路的結(jié)果。雖然三層交換
最初是為L(zhǎng)AN設(shè)計(jì)的，它采用目的IP地址進(jìn)行交換，但是現(xiàn)在這種技術(shù)也已經(jīng)開(kāi)始在WAN中使用。
　　第三層交換在現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中起著越來(lái)越重要的作用，它可以不將廣播封包擴(kuò)散，直接利用動(dòng)態(tài)建立的MAC地址來(lái)通信，如IP地
址、ARP等，具有多路廣播和虛擬網(wǎng)間基于IP、IPX等協(xié)議的路由功能，這方面功能的順利實(shí)現(xiàn)得力于專(zhuān)用集成電路（ASIC）的加入，把傳
統(tǒng)的由軟件處理的指令改為ASIC芯片的嵌入式指令，從而加速了對(duì)包的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)濾，使得高速下的線性路由和服務(wù)質(zhì)量都有了可靠的保證。
　　三層交換的應(yīng)用
　　三層交換機(jī)的應(yīng)用其實(shí)很簡(jiǎn)單，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(méi)有廣域網(wǎng)連接需求，同時(shí)需要路由器的地
方，都可以用三層交換機(jī)代替。
　　在企業(yè)網(wǎng)和教學(xué)網(wǎng)中，一般會(huì)將三層交換機(jī)用在千兆端口或百兆端口連接不同的子網(wǎng)或VLAN。因?yàn)槠渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，節(jié)點(diǎn)數(shù)相對(duì)
較少。另外，它不需要較多的控制功能，并且要求成本較低。
　　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(gè)小區(qū)的匯聚層，三層交換機(jī)的出現(xiàn)動(dòng)搖了企業(yè)路由器的地
位。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)已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。
　　從當(dāng)前國(guó)內(nèi)的情況來(lái)看，三層交換機(jī)發(fā)展勢(shì)頭良好。TCL網(wǎng)絡(luò)設(shè)備公司最新推出S4326MF就是一款性能優(yōu)良的三層以太網(wǎng)交換機(jī)。該款
可用做網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)交換機(jī)和服務(wù)器群交換機(jī)，同TCL網(wǎng)絡(luò)系列以太網(wǎng)交換機(jī)配合使用，網(wǎng)絡(luò)管理者能構(gòu)造無(wú)縫的10/100/1000Mb
it/s以太交換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。這樣的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)融合了可伸縮的網(wǎng)絡(luò)速率、性能、網(wǎng)絡(luò)規(guī)
模和基于策略的QoS服務(wù)。S4326mf三層以太網(wǎng)交換機(jī)為網(wǎng)絡(luò)提供QoS服務(wù)，包括優(yōu)先級(jí)管理、帶寬管理、VLAN交換等。基于策略的Qos使得
網(wǎng)絡(luò)管理者能為各種不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)流量包括TCP/UDP會(huì)話按優(yōu)先級(jí)分配帶寬而沒(méi)有任何交換性能上的損失。
　　S4326MF有24個(gè)10/100M自適應(yīng)以太口和2個(gè)擴(kuò)展插槽，百兆擴(kuò)展插槽可配百兆光纖模塊，千兆擴(kuò)展插槽可選配千兆電口模塊和千兆光
纖模塊并提供高性能的背板通道。
　　對(duì)于以太網(wǎng)交換機(jī)相互連接或以太網(wǎng)交換機(jī)與服務(wù)器相連的情況，相互之間的單根連接線往往會(huì)成會(huì)連接的瓶頸。采用TRUNK技術(shù)能
將幾根相同源交換機(jī)與目的交換機(jī)的以太網(wǎng)連接線從邏輯上看成一根連接線，這樣好保證局域網(wǎng)保證不會(huì)出現(xiàn)環(huán)路，同時(shí)也有效地加大了
連接帶寬。TCL S4326MF全面支持TRUNK協(xié)議，最大可支持8組TRUNK，從而能有效解決企業(yè)局域網(wǎng)中的連接帶寬問(wèn)題。
　　S4326MF除了支持動(dòng)態(tài)路由協(xié)議RIP和OSPF外，針對(duì)日漸流行的要求使用多點(diǎn)組播（Multicast）支持的應(yīng)用程序，S4326MF還能夠?qū)嵤?br /> 基于標(biāo)準(zhǔn)的多點(diǎn)組播協(xié)議，如距離矢量多點(diǎn)組播由協(xié)議（DVMRP）。
　　S4326MF支持自學(xué)習(xí)功能，它能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)主機(jī)的IP地址與連接端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而不使用任何路由協(xié)議。從交換機(jī)連接到網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始，
它就不斷地偵聽(tīng)ARP、RIP和ICMP數(shù)據(jù)包來(lái)學(xué)習(xí)所有連接主機(jī)的IP地址和子網(wǎng)掩碼信息。根據(jù)學(xué)習(xí)到的信息，交換機(jī)將建立和維護(hù)路由表中
的路由信息，并且自動(dòng)地為所有IP數(shù)據(jù)包提供路由服務(wù)。
　　對(duì)于需要經(jīng)過(guò)S4326MF進(jìn)行三層交換的數(shù)據(jù)包，出于安全的考慮，需要根據(jù)多規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾。確保只有符合規(guī)定的數(shù)據(jù)包通過(guò)
路由交換機(jī)。S4326MF交換機(jī)支持內(nèi)部具有硬件的過(guò)濾器，能在不降低系統(tǒng)性能的情況下對(duì)所有數(shù)據(jù)包進(jìn)行過(guò)濾，且能基于從二層到七層
的任意內(nèi)容對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行過(guò)濾。
　　通過(guò)中心交換機(jī)S4326MF來(lái)劃分不同功能的邏輯子網(wǎng)（VLAN），并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中式控制和管理，包括監(jiān)控、
調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)、自動(dòng)分配用戶的IP地址、統(tǒng)計(jì)網(wǎng)上信息流量及用戶的使用情況等內(nèi)容。可直接連到中心交換機(jī)Ｓ4326的設(shè)備有路由
器、各種服務(wù)器、中心工作站和二級(jí)交換機(jī)。可選的二級(jí)交換機(jī)包括S4426MFB/S4228MF/S4125SF等。