详细讲解第三层交换技术

　　随着当今网络业务流量呈几何级数爆炸式增长，并且业务流模式改变为更多的业务流跨 越子网边界，穿越路由器的业务流也大大增加，传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈凸现出来。第三层交换技术的出现，很好地解决了局域网中业务流跨网段引起的低转发速率、高延时等网络瓶颈问题。第三层交换设备的应用领域也从初的骨干层、汇聚层一直渗透到边缘的接入层。第三层交换设备在网络互联中的应用日益普及。然而，人们对第三层交换技术及其设备的理解却存在较大差异。一些杂志和科普文摘对第三层交换技术原理的不准确介绍容易引起误导。第三层交换作为新一代局域网路由和交换技术，其产品在体系结构、所实现的功能和性能上都有别于二层以太网交换机和传统路由器。本文分析第三层交换技术的基本特征、分类及实现原理，希望能对人们进一步理解和使用第三层交换设备有所裨益。

　　1 第三层交换技术基本特征

　　第三层交换技术也称为IP交换技术。它将第二层交换机和第三层路由器两者的优势结合成为一个有机的整体，是一种利用第三层协议中的信息来加强第二层交换功能的机制，是新一代局域网路由和交换技术。第三层交换技术具有以当前系统1/10的代价获得传输 性能于过去10倍的能力。既然第三层交换机能够代替路由器执行传统路由器的大多数功能，它应该具有路由的基本特征。我们知道，路由的功能主要包括数据报文转发和路由处理两方面。数据报文转发是路由器和第三层交换机基本的功能，用来在子网间传送数据报文；路由处理子功能包括创建和维护路由表，完成这一功能需要启用路由协议如RIP或OSPF来发现和建立网络拓扑结构视图，形成路由表。路由处理一旦完成，将数据报文发送至目的地就是报文转发子功能的任务了。报文转发子功能的工作包括检查IP报文头、IP数据包的分片和重组、修改存活时间（TTL）参数、重新计算IP头校验和、MAC地址解析、IP包的数据链路封装以及IP包的差错与控制处理（ICMP）等等。第三层交换也包括一系列特别服务功能，如数据包的格式转换，信息流优先级别划分，用户身份验证及报文过滤等安全服务，IP地址管理，局域网协议和广域网协议之间的转换。当第三层交换机仅用于局域网中子网间或VLAN间转发业务流时可以不执行路由处理，只作第三层业务流转发，这种情况下设备可以不需要路由功能。

　　由于传统路由器是一种软件驱动型设备，所有的数据包交换、路由和特殊服务功能，包括处理多种底层技术和多种第三层协议几乎都由软件来实现，并可通过软件升级增强设备功能，因而具有良好的扩展性和灵活性。但它也具有配置复杂、价格高、相对较低的吞吐量和相对较高的吞吐量变化等缺点。第三层交换技术在很大程度上弥补了传统路由器这些缺点。在设计第三层交换产品时通常使用下面一些方法：

　　·削减处理的协议数，常常只对IP；

　　·只完成交换和路由功能，限制特殊服务；

　　·使用专用集成电路（ASIC）构造更多功能，而不是采用RSIC处理器之上的软件运行这些功能。

　　第三层交换产品采用结构化、模块化的设计方法，体系结构具有很好的层次感。软件模块和硬件模块分工明确、配合协调，信息可为整个设备集中保存、完全分布或高速缓存。例如，IP报文的第三层目的地址在帧中的位置是确定的，地址位就可被硬件提取，并由硬件完成路由计算或地址查找；另一方面，路由表构造和维护则可继续由RSIC芯片中的软件完成。总之，第三层交换技术及产品的实现归功于现代芯片技术特别是ASIC技术的迅速发展。

　　2 第三层交换技术分类、原理及实现方法

　　目前主要存在两类第三层交换技术：类是报文到报文交换，每一个报文都要经历第三层处理（即至少是路由处理），并且数据流转发是基于第三层地址的；第二类是流交换，它不在第三层处理所有报文，而只分析流中的个报文，完成路由处理，并基于第三层地址转发该报文，流中的后续报文使用一种或多种捷径技术进行处理，此类技术的设计目的是方便线速路由。理解第三层交换技术的关键首先需要区分这两类报文的不同转发方式。

　　报文到报文处理方法的一个显著特征是其能够适应路由的拓扑变化。通过运行标准协议并维护路由表，报文到报文交换设备可动态地重新路由报文，绕过网络故障点和拥塞点而无需等待高层的协议检测报文丢失。流交换方法没有这些特征，因为后续报文走捷径而无需第三层处理，这样，它就不能识别标准协议对路由表的改变。因此，流交换方法可能需要另外的协议取得拓扑变化或拥塞信息，以便到达交换系统正确的地方。