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详析三层交换原理
三层交换原理一直是许多读者朋友最难理解的，在日常的读者交流中也经常见到有读者提出这方面的问题，特别是三层交换与路由原理方面的区别与联系。下面就跟小编一起了解一下三层交换机的原理吧！
三层交换原理
二层交换机的二层数据交换一般都是使用ASIC(Application Specific Integrated Circuit ，专用集成电路)的硬件芯片中的CAM表来实现的，因为是硬件转发，所以转发性能非常高。而三层交换机的三层转发也是依靠ASIC芯片完成的(路由器的路由功能主要依靠CPU软件进行的)，但其中除了二层交换用的CAM表外，还保存有专门用于三层转发的三层硬件转发表。
三层交换机的三层交换原理比较复杂，不同网络环境下、不同厂家的三层交换机的三层交换流程都不完全相同。如图7-55所示的仅一个直接连接在一台三层交换机上的两个不同网段主机三层交换的基本流程，各主要步骤解释如下：
(1)源主机在发起通信之前，将自己的IP地址与目的主机的IP地址进行比较，如果源主机判断目的主机与自己位于不同网段时，它需要通过网关来递交报文的，所以它首先需要通过一个ARP请求报文获取网关的MAC地址(在源主机不知道网关MAC地址的情形下)，即源主机先发送ARP请求帧以获取网关IP地址对应的MAC地址。
(2)网关在收到源主机发来的ARP请求报文后以一个ARP应答报文进行回应，在应答报文中的“源MAC地址”就包含了网关的MAC地址。
(3)在得到网关的ARP应答后，源主机再用网关MAC地址作为报文的“目的MAC地址”，以源主机的IP地址作为报文的“源IP地址”，以目的主机的IP地址作为“目的IP地址”，先把发送给目的主机的数据发给网关。
三层交换基本流程
(4)网关在收到源主机发送给目的主机的数据后，由于查看得知源主机和目的主机的IP地址不在同一网段，于是把数据报上传到三层交换引擎(ASIC芯片)，在里面查看有无目的主机的三层转发表。
(5)如果在三层硬件转发表中没有找到目的主机的对应表项，则向CPU请求查看软件路由表，如果有目的主机所在网段的路由表项，则还需要得到目的主机的MAC地址，因为数据包在链路层是要经过帧封装的。于是三层交换机CPU向目的主机所在网段发送一个ARP广播请求包，以获得目的主机MAC地址。
(6)交换机获得目的主机MAC地址后，向ARP表中添加对应的表项，并转发由源主机到达目的主机的灵气包。同时三层交换机三层引擎会结合路由表生成目的主机的三层硬件转发表。
以后到达目的主机的数据包就可以直接利用三层硬件转发表中的转发表项进行数据交换，不用再查看CPU中的路由表了。
以上流程适用位于不同VLAN(网段)中的主机互访时属于这种情况，这时用于互连的交换机作三层交换转发。这就是“一次路由，多次交换”的原理。
三层交换机简介
三层交换机就是具有部分路由器功能的交换机，工作在OSI网络标准模型的第三层：网络层。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，而像路由信息更新、路由表维护、路由计算、路由确定等功能，由软件实现。
运转机理
局域网络内，三层交换机依循了如下的运转机理：变更了路由软件依循的旧式指令，增添了ASIC特有的嵌入芯片并以此来设定指令。借助于硬件来查验现存的路由表，拥有刷新的特性。在数据传递的流程中，端口芯片接纳并辨识了某一信息，二层芯片辨析了对应的独特地址。若查验获取了明确的地址，则再次予以转发；若没能查找到，则信息被调配至后续的引擎。
第三层引擎之内，路由表关联着的信息可被查验出来，它匹配了初始的IP；数据包被发送至装置内的主机，获取了精准的MAC。这些流程终结以后，MAC再次被发送，二层芯片予以转发。由此可见，三层交换机提快了常态情形的交换速率，从速率来看它很近似二层的架构，并且缩减了选购路由器耗费的支出。
相比较而言，二层交换机借助于封包扩散来传递广播，但三层交换机则能辨识额外信息，例如ARP及某一地址。在此状态下，三层交换机解析了各方位的广播包，满足快速要求，不必真正去扩散预设的广播包。这种设计路径可以细分现有的虚拟子网，依托于三层路由以便传递子网彼此的信息, 通信将更为便捷。
应用目的
1、网络骨干
要说三层交换机在诸多网络设备中的作用，用“中流砥柱”形容并不为过。在校园网、城域教育网中，从骨干网、城域网骨干、汇聚层都有三层交换机的用武之地，尤其是核心骨干网一定要用三层交换机，否则整个网络成千上万台的计算机都在一个子网中，不仅毫无安全可言，也会因为无法分割广播域而无法隔离广播风暴。
如果采用传统的路由器，虽然可以隔离广播，但是性能又得不到保障。而三层交换机的性能非常高，既有三层路由的功能，又具有二层交换的网络速度。二层交换是基于MAC寻址，三层交换则是转发基于第三层地址的业务流；除了必要的路由决定过程外，大部分数据转发过程由二层交换处理，提高了数据包转发的效率。
三层交换机通过使用硬件交换机构实现了IP的路由功能，其优化的路由软件使得路由过程效率提高，解决了传统路由器软件路由的速度问题。因此可以说，三层交换机具有“路由器的功能、交换机的性能”。
2、连接子网
同一网络上的计算机如果超过一定数量（通常在200台左右，视通信协议而定），就很可能会因为网络上大量的广播而导致网络传输效率低下。为了避免在大型交换机上进行广播所引起的广播风暴，可将其进一步划分为多个虚拟网（VLAN）。但是这样做将导致一个问题：VLAN之间的通信必须通过路由器来实现。但是传统路由器也难以胜任VLAN之间的通信任务，因为相对于局域网的网络流量来说，传统的普通路由器的路由能力太弱。
而且千兆级路由器的价格也是非常难以接受的。如果使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，就在保持性能的前提下，经济地解决了子网划分之后子网之间必须依赖路由器进行通信的问题，因此三层交换机是连接子网的理想设备。
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