三层交换机的工作原理

第三层交换机同时具备传统交换机与路由器两种功能，它既可以完成传统交换机的端口交换功能，又可完成部分路由器的路由功能，使用起来很方便。

第三层交换机到底能不能完全取代路由器呢？这一直是人们争论的焦点，我们确实能够看到第三层交换机功能的强大，但是只有在特点的环境下，第三层交换才能代替路由器使用。在IOS的七层参考模型中，第二层（数据链路层）是实现交换的，第三层（网络层）是实现路由的，但近来，第三层交换机非常风光，这到底是怎么回事？我们通过分析第三层交换机的工作原理、优势和适用领域对第三层交换机进行深入剖析。

一、第三层交换机的工作原理

要论述第三层交换机的工作原理，我们可以从传统交换机和路由器的实现原理中入手。简单地说，传统的局域网交换机是从网桥发展来的，属于第二层设备。它是一个可以将发信方源地址与收信方目的地址连接起来的网络设备，该设备可以根据数据单元中的头信息，将来自一个或多个输入端口的信元或帧移动到一个或多个输出端口，完成信息发送过程的交换。显然，第二层交换机的最大好处是数据传输快，因为它仅需要识别数据帧中的MAC地址，而直接根据MAC地址产生选择转发端口的算法又十分简单，非常便于采用ASIC芯片实现。所以，第二层交换的解决方案实际上是一个“处处交换”的廉价方案，虽然也能支持子网划分和广播限制等基本功能，但控制能力较小。

传统的第三层路由器属于第三层设备，它是根据IP地址寻址和通过路由表路由协议来实现路由功能的。在局域网中的作用主要是路由转发、网络安全和隔离广播等，即在完成子网的网间连接的同时，还可以隔离子网间的广播风暴，可以控制一个网络非法信息进入到另一个网络中。由于在路由转发中，路由器普遍采用的技术是最长匹配方式，而该方式实现起来非常复杂，所以只能利用软件来完成，自然会对网络带来一定的延迟。

由此可见，传统交换机是同一网络系统中主机之间端口连接的网络设备，传统路由器是同类或异类网络系统中各子网之间连接的网络设备。再来看一下第三层交换机。第三层交换机实际上是将传统交换器与传统路由器结合起来的网络设备，它既可以完成传统交换机的端口交换功能，又可完成部分路由器的路由功能。当然，这种二层设备与三层设备的结合，并不是简单的物理结合，而是各取所长的逻辑结合。

三层交换机

三层交换机就是具有部分路由器功能的交换机，三层交换机的最重要目的是加快大型局域网内部的数据交换，所具有的路由功能也是为这目的服务的，能够做到一次路由，多次转发。对于数据包转发等规律性的过程由硬件高速实现，而象路由信息更新、路由表维护、路由计算、路由确定等功能，由软件实现。

应用背景

出于安全和管理方便的考虑，主要是为了减小广播风暴的危害，必须把大型局域网按功能或地域等因素划成一个个小的局域网，这就使VLAN技术在网络中得以大量应用，而各个不同VLAN间的通信都要经过路由器来完成转发，随着网间互访的不断增加。单纯使用路由器来实现网间访问，不但由于端口数量有限，而且路由速度较慢，从而限制了网络的规模和访问速度。基于这种情况三层交换机便应运而生，三层交换机是为IP设计的，接口类型简单，拥有很强二层包处理能力，非常适用于大型局域网内的数据路由与交换，它既可以工作在协议第三层替代或部分完成传统路由器的功能，同时又具有几乎第二层交换的速度，且价格相对便宜些。

在企业网和教学网中，一般会将三层交换机用在网络的核心层，用三层交换机上的千兆端口或百兆端口连接不同的子网或VLAN。不过应清醒认识到三层交换机出现最重要的目的是加快大型局域网内部的数据交换，所具备的路由功能也多是围绕这一目的而展开的，所以它的路由功能没有同一档次的专业路由器强。毕竟在安全、协议支持等方面还有许多欠缺，并不能完全取代路由器工作。

在实际应用过程中，典型的做法是：处于同一个局域网中的各个子网的互联以及局域网中VLAN间的路由，用三层交换机来代替路由器，而只有局域网与公网互联之间要实现跨地域的网络访问时，才通过专业路由器。

三层交换机工作原理

三层交换技术就是二层交换技术＋三层转发技术。传统的交换技术是在OSI网络标准模型中的第二层——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。应用第三层交换技术即可实现网络路由的功能，又可以根据不同的网络状况做到最优的网络性能。

(一) 三层交换机和路由器的区别

三层交换机和路由器都工作在网络的第三层，根据IP地址进行数据包的转发（或交换），原理上没有太大的区别，我们可以认为三层交换机就是一个多端口的路由器。

但从历史发展的角度去寻找，传统的路由器有3个特点：

1、基于CPU的单步时钟处理机制

2、能够处理复杂的路由算法和协议

3、主要用于广域网的低速数据链路

传统的交换机有3个特点：

1、基于ASIC硬件，线速度交换

2、工作在网络第二层，主要是以太网

3、主要用于局域网的快速数据交换

随着企业内部网络的进一步扩到，主机增加到成百上千台，网络第三层的广播风暴成为了问题（权威的说法： 一个TCP/IP网段上的主机数量不要超过300台）。传统的交换机工作在网络第二层，不能隔离三层的广播。 一个的解决办法是在交换机上做VLAN隔离，再将VLAN上汇聚到上级路由器上，由路由器实现不同网段（3层网段）之间的路由转发。 这就是最初的路由+交换模型，典型的产品是CISCO的Catalyst 5500路由交换机。

路由+交换是一个过渡产品， 今天的三层交换机在体系结构上已有很大的改观，路由和交换通过ASIC充分揉合，第一个包经过路由算法确定路径后， 后续的数据包交由交换引擎实现线速度交换。当然，把所有的路由算法都固化还很困难， 这就是今天的三层交换机要么不能100%实现线速交换，要么只能支持有限的简单的路由协议的原因。

传统的路由器随着Internet的发展也继续保持其生命力。复杂的协议（如BGP、MPLS），

新的功能和应用（如VPN、Security)都离不开软件和CPU的计算,但路由器在体系结构上也进行了非常大的改进, 并融合了越来越多的固件和ASIC。

路由和交换的发展透析着IT产业软件和硬件的演变，并将随着人们对功能和性能的不懈追求而继续演变下去。

交换机是二层的，然后是通过ASCI芯片查MAC表，然后知道数据包是通过哪个接口进行转发的。这就是二层交换的基本概念。其使用范围是局域网，也就是基本上是用于同一个IP子网内的数据包交互。

三层交换机定义和工作原理的讲解

三层交换机是一种网络交换设备，用于在计算机网络中传输数据包。它可以在不同的网络层之间转发数据包，实现数据的路由和转发功能。三层交换机工作原理基于网络层的IP地址信息和路由表，通过查找和匹配目标IP地址，找到合适的输出接口进行转发。

三层交换机是在数据链路层和网络层之间工作的网络交换设备。它不仅可以实现数据的交换和转发，还可以根据网络层的IP地址信息进行路由选择，将数据包从源主机转发到目标主机。三层交换机具有高性能、高可靠性、高扩展性和高安全性的特点，广泛应用于大型企业、数据中心等网络环境。

1.地址学习：

三层交换机通过监听网络中的数据包，学习源主机的MAC地址和IP地址的映射关系，并将其存储在交换表中。当收到一个数据包时，交换机会首先查找目标主机的MAC地址，如果该地址已经在交换表中，则直接将数据包转发到相应的端口，如果地址不在交换表中，则将数据包广播到所有的端口，并记录下源主机的MAC地址和输入端口信息。这样，在下次收到相同的目标主机数据包时，交换机就能够通过查找交换表快速地找到目标地址，提高转发效率。

2.路由选择：

当三层交换机收到一个数据包时，它首先会检查目标IP地址与交换表中已有的路由信息进行匹配。交换表中的路由信息包括目标IP地址和下一跳的IP地址。三层交换机通过查找路由表，找到与目标IP地址最匹配的路由信息，并获取下一跳的IP地址。如果交换表中没有匹配的路由信息，交换机将会选择默认路由（0.0.0.0）进行转发，或者丢弃数据包。

3.转发处理：

根据路由选择结果，三层交换机将数据包转发到下一跳的IP地址。它会重新封装数据包的链路层头部，并根据下一跳的MAC地址进行转发。如果下一跳的MAC地址不在交换表中，交换机会将数据包广播到所有的端口，以便下一跳的设备能够收到数据包并回应。

综上所述，三层交换机通过地址学习、路由选择和转发处理等过程，实现了在网络层的IP地址信息的转发和路由选择。它通过存储和检索交换表中的信息，快速地找到目标IP地址，并通过链路层的转发实现数据包的传输。三层交换机的工作原理使得数据包能够高效地在网络中传输，并提高了网络的可靠性和性能。