生动理解交换机

网络侠客

笑傲江湖之三层交换篇

令狐冲十四岁那年进入华山，那年岳琳珊八岁，岳不群白天给两人指点剑法，晚上令狐冲给小师妹讲故事哄她入睡。后来，岳不群陆续收了劳德诺，陆大有等徒弟，又忙于 修炼紫霞神功，就没有时间指点徒弟。于是他做了一个HUB，从此华山派实现教育电子化，岳不群在网上同时给每个徒弟授课，这种方法很快在五岳剑派内部推广。为了在五岳剑派之间互连，嵩山派掌门左冷禅研制出路由器，使得五岳剑派之间可以互联互通。令狐冲晚上就通过网络给小师妹讲故事。
很快，岳琳珊已经十六岁，变成了一个亭亭玉立的小姑娘了。令狐冲发现自己的目光总是不由自主的在小师妹身上停留，每次和小师妹在一起的时候，总能听到自己强烈的心跳声，经过了一段时间的茶饭不思后，终于有一天晚上，令狐冲在网上给小师妹发了一首情意绵绵的诗：你是风儿我是沙，你是蜜蜂我是花，你是梳子我是头发，你是牙膏我是牙刷。
第二天，华山派开例会，令狐冲怀着忐率不按的心情来到了会议室，发现小师妹红着脸躲在师父后面，而其它的师弟都在偷偷朝自己笑，开完会，一个调皮的师弟就过来叫牙刷师兄，赶紧蒙面逃走。问陆大有，才知道是劳德诺用一个叫NetXRay的工具把自己在网上的大作全抓了出来 。令狐冲悔恨万分，于是，闭门研究RFC，成功的研制出LanSwitch。它能够识别设备MAC地址，这样，令狐冲发送给小师妹的数据只有她一个人能够收到。令狐冲晚上可以在网上放心的给小师妹讲故事，偶尔手痒还能敲几句平时心里想又说不出口的话来过瘾，然后，红着脸想象小师妹看到后的表情。

LanSwitch是二层交换设备，它可以理解二层网络协议地址MAC地址。二层交换机在操作过程中不断的
收集资料去建立它本身的地址表，这个表相当简单，主要标明某个M AC地址是在哪个端口上被发现的，所以当交换机接收到一个数据封包时，它会检查该封包的目的MAC地址，核对一下自己的地址表以决定从哪个端口发送出去。而不是象HUB那样，任何一个发方数据都会出现在HUB的所有端口上(不管是否为你所需)。这样，LanSwitch在提高效率的同时，也提高了系统的安全性。
接下来的一年，岳不群大量招收门徒，华山派得以极大的壮大，所使用的LanSwitch也多次级连。但门徒中难免鱼龙混杂，当时华山派一批三、四代弟子崇拜万里独行田伯光，成立了一个田协，经常广播争论比赛八百米还是一千米很合理的问题；第三代弟子中有一个叫李洪至的，每天在华山派内部广播发轮大法；更让令狐冲受不了的是，随着师父年龄的增大，变得越来越罗嗦，每句话都要重复二十遍，然后在网上广播。令狐冲想和小师妹，陆大有等人专门使用一个广播域，但如果另外使用一个LanSwitch的话，师父肯定不会同意，于是，他修改了LanSwitch的软件，把小师妹，陆大有等人和自己划成一个虚拟(VLAN )，其它人使用另外的V LAN，广播包只在VLAN内发送，VLAN间通过路由器连接。岳不群也深受田协，李洪至其害，但为与左冷禅抗争，用人之际，只能隐忍，知道了这件事，大为高兴，但仍为令狐冲私自修改软件一事，罚他到思过崖面壁一年，一年之内不得下山。在华山派内重新使用VLAN进行子网划分，分为五个子网，师父和师娘，小师妹还有林平之在一个VLAN，发轮功弟子用一个VLAN；田协弟子用一个VLAN，其它弟子用一个VLAN，而思过崖上也有单独的一个VLAN。令狐冲到了思过崖，并不难过，终于，世界安静了，依靠左冷禅的路由器，令狐冲还可以每天在网上给小师妹讲故事，聊天 。

局域网交换机的引入，使得网络节点间可独享带宽，但是，对于二层广播报文，二层交换机会在各网络节点上进行广播；同时，对于二层交换机无法识别的MAC地址，也必须在广播域内进行广播。当多个二层交换机级连时，二层交换网络上的所有设备都会收到广播消息。在一个大型的二层广播域内，大量的广播使二层转发的效率大大减低，为了避免在大型交换机上进行的广播所引起的广播风暴，需要在一个二层交换网络内进一步划分为多个虚拟网(VLAN)。在一个虚拟网(VLAN)内，由一个工作站发出的信息只能发送到具有相同虚拟网号(VLANID)的其他站点，其它虚拟网(VLAN)的成员收不到这些信息或广播帧。采用虚拟网(VLAN)可以控制网络上的广播风暴和增加网络的安全性。不同虚拟网(VLAN)之间的通信必须通过路由器进行。
　　但是幸福永远是短暂的，接下来总是无尽的烦恼。随着整个五岳剑派势力的增大，路由器的速度越来越慢。令狐冲发现每次给小师妹讲故事时，小师妹的回答总是珊珊来吃，而且话也很少，总是" 嗯"，"噢"或者"我听着呢"。终于有一天，路由器再也PING不通了，令狐冲三天没有得到小师妹的消息，对着空空的显示屏，再也忍不住，在一个下着雪的晚上，偷偷下山找小师妹，到了小师妹窗前，发现小师妹正在网上和小林子热烈的聊天，全没注意一边的自己，内心一阵酸痛，回到思过崖，大病一场。病好后潜心研究，终于有一天，做出来一个路由器，这时，令狐冲发现，此时华山派已经有了三十个V LAN，路由器必须为每个VLAN分配一个接口，接口不够用 ，而且，两个子网内通过路由器的交换速度远远低于二层交换的速度。

二层交换机划分虚拟子网后，就出现了一个问题：不同虚拟子网之间的转发需要通过其它路由器来实现。二层交换机的不同VLAN节点间的转发需要通过路由器设备来实现大大浪费了端口，而路由器的高成本，低效率又使它无法满足大量子网情况下的三层转发需求，三层交换的概念就在这种情况下被提了出来。

　　这天晚上，令狐冲心灰意懒，借酒消愁，这时，一个黑影出现在他的面前，原来是一个道风仙骨的老人，正是风清扬。风清扬听了令狐冲的疑惑，说：路由器接口不够，把路由器做在LanSwitch内部不就可以了；交换速度慢，是因为路由器查找的是网段路由，而LanSwitch直接查MAC对应出端口，当然速度快。为什么不能直接根据I P地址查到出端口呢？令狐冲一听，大为仰慕，但还是不明白，IP地址那么多，而且经常变化，如何能够直接查到出端口呢？风清扬说：

　　"你先坐下，让我来问你，华山派有多少弟子？"

　　"一万六千左右。"

　　"你全知道他们住哪里吗？"

　　"不知道。"

　　"岳不群要你找一个不知道住哪里的人，如何去找？"

　　"查华山派电话号码查询系统，找到他的地址，然后去找他。"

　　"如果你回来后再让你找这个人，又如何去找？"

　　"如何.... ，查华山派电话号码查询系统，找到他的地址，然后去找他。"
　　"你不知道到这个人的地址吗？"

　　"知道，但师父说，华山派的地址那么多，而且经常变化，不用知道地址。"
　　"岳不群这小子，把徒弟都教成木头了！我问你，你自己认为应该如何找？"
　　"直接去找！"

　　"好！你这人还不算太苯。那你知道了一个人的地址后，是不是永远记住了？"
　　"有的人记住了。其它的都忘了。"

　　"为什么忘了？"

　　"因为我记不了那么多人，而且一段时间没有去找他。"

　　"华山派电话号码查询系统里的地址是如何获得的？"

　　"我在空旷处大喊一声他的名字，他听到后就会来找我，告诉我他的地址。"
　　风清扬又问了大把类似脑筋急转弯的问题，然后风清扬说："现在你明白根据IP地址直接查出端口的道理了吗？等到你明白这个道理，你自然会做出三层交换机来" ，令狐冲仔细回忆了今天的话，终于明白了和二层转发由MAC地址对应到出端口的道理一样，三层转发也可以直接由IP地址对应到出端口，I P地址的路由可以通过ARP来学习，同样需要老化。这样，VLAN间转发除第一个包需要通过ARP获得主机路由外，其它的报文直接根据IP地址就能够查找到出端口，转发速度远远高于路由器转发的速度。抬头看时，风清扬已经走了。

一年后，令狐冲下思过崖，成功的推出Quidway S8016路由交换机。实现了VLAN间的互通，并且与嵩山，黑木崖等路由器实现互通。

　　三层交换机是在二层交换机的基础上增加三层交换功能，但它不是简单的二层交换机加路由器，二而是采用了不同的转发机制。路由器的转发采用最长匹配的方式，实现复杂，通常使用软件来实现，。而三层交换机的路由查找是针对流的，它利用CACHE技术，很容易采用ASIC实现，因此 ，可以大大的节约成本，并实现快速转发。

　　很多文章会提及三层交换机和路由器的区别，一般的比较是三层交换机又快又便宜。这些话没有错，但场合是汇聚层。我们看到，在汇聚层，面向三层交换机直接下挂的主机，因为能够获得其主机路由，所以三层交换机能够实现快速查找；而对于通过其它路由器连接多个子网后到达的主机，三层交换机和路由器的处理是一样的，同样采用最长匹配的方法查找到下一跳，由下一跳路由器进行转发。

　　因此，通常的组网方式是在骨干层使用GSR，汇聚层使用三层交换机。当然，对于一个小型的城域网，也可以直接拿三层交换机组网，不需要



附录：
解释：
GSR：cisco高端路由器
ASIC：专用集成电路
CACHE：缓存
最长匹配：指的子网掩码的匹配，


　　三层交换机的工作原理
　　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（即数据链路层）进行操作的，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。简单地说，三层交换技术就是二层交换技术+三层转发技术，三层交换机就是“二层交换机+基于硬件的路由器”。
　　那么三层交换是怎样实现的呢？三层交换的技术细节非常复杂，不可能一下子讲清楚，不过您可以简单地将三层交换机理解为由一台路由器和一台二层交换机构成，如图4所示。
　　两台处于不同子网的主机通信，必须要通过路由器进行路由。主机A向主机B发送的第1个数据包必须要经过三层交换机中的路由处理器进行路由才能到达主机B，但是当以后的数据包再发向主机B时，就不必再经过路由处理器处理了，因为三层交换机有“记忆”路由的功能。
　　三层交换机的路由记忆功能是由路由缓存来实现的。当一个数据包发往三层交换机时，三层交换机首先在它的缓存列表里进行检查，看看路由缓存里有没有记录，如果有记录就直接调取缓存的记录进行路由，而不再经过路由处理器进行处理，这样的数据包的路由速度就大大提高了。如果三层交换机在路由缓存中没有发现记录，再将数据包发往路由处理器进行处理，处理之后再转发数据包。
　　三层交换机的缓存机制与CPU的缓存机制是非常相似的。大家都有这样的印象，开机后第一次运行某个大型软件时会非常慢，但是当关闭这个软件之后再次运行这个软件，就会发现运行速度大大加快了，比如本来打开Word需要5~6秒，关闭后再打开Word，就会发现只需要1~2秒就可以打开了。原因在于CPU内部有一级缓存和二级缓存，会暂时储存最近使用的数据，所以再次启动会比第一次启动快得多。
　　具有“路由器的功能、交换机的性能” 的三层交换机虽然同时具有二层交换和三层路由的特性，但是三层交换机与路由器在结构和性能上还是存在很大区别的。在结构上，三层交换机更接近于二层交换机，只是针对三层路由进行了专门设计。之所以称为“三层交换机”而不称为“交换路由器”， 原因就在于此；在交换性能上，路由器比三层交换机的交换性能要弱很多

ningchengcai

谢谢LZ...生动