隨著當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量呈幾何級數(shù)爆炸式增長，并且業(yè)務(wù)流模式改變?yōu)楦嗟臉I(yè)務(wù)流跨越子網(wǎng)邊界，穿越路由器的業(yè)務(wù)流也大大增加，傳統(tǒng)路由器低速、復(fù)雜所造成的網(wǎng)絡(luò)瓶頸凸現(xiàn)出來。第三層交換技術(shù)的出現(xiàn)，很好地解決了局域網(wǎng)中業(yè)務(wù)流跨網(wǎng)段引起的低轉(zhuǎn)發(fā)速率、高延時(shí)等網(wǎng)絡(luò)瓶頸問題。第三層交換設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域也從最初的骨干層、匯聚層一直滲透到邊緣的接入層。第三層交換設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)中的應(yīng)用日益普及。然而，人們對第三層交換技術(shù)及其設(shè)備的理解卻存在較大差異。一些專業(yè)雜志和科普文摘對第三層交換技術(shù)原理的不準(zhǔn)確介紹容易引起誤導(dǎo)。第三層交換作為新一代局域網(wǎng)路由和交換技術(shù)，其產(chǎn)品在體系結(jié)構(gòu)、所實(shí)現(xiàn)的功能和性能上都有別于二層以太網(wǎng)交換機(jī)和傳統(tǒng)路由器。本文分析第三層交換技術(shù)的基本特征、分類及實(shí)現(xiàn)原理，希望能對人們進(jìn)一步理解和使用第三層交換設(shè)備有所裨益。

1 第三層交換技術(shù)基本特征

第三層交換技術(shù)也稱為IP交換技術(shù)。它將第二層交換機(jī)和第三層路由器兩者的優(yōu)勢結(jié)合成為一個(gè)有機(jī)的整體，是一種利用第三層協(xié)議中的信息來加強(qiáng)第二層交換功能的機(jī)制，是新一代局域網(wǎng)路由和交換技術(shù)。第三層交換技術(shù)具有以當(dāng)前系統(tǒng)1/10的代價(jià)獲得傳輸性能于過去10倍的能力。既然第三層交換機(jī)能夠代替路由器執(zhí)行傳統(tǒng)路由器的大多數(shù)功能，它應(yīng)該具有路由的基本特征。我們知道，路由的核心功能主要包括數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)和路由處理兩方面。數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)是路由器和第三層交換機(jī)最基本的功能，用來在子網(wǎng)間傳送數(shù)據(jù)報(bào)文；路由處理子功能包括創(chuàng)建和維護(hù)路由表，完成這一功能需要啟用路由協(xié)議如或OSPF來發(fā)現(xiàn)和建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)視圖，形成路由表。路由處理一旦完成，將數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送至目的地就是報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)子功能的任務(wù)了。報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)子功能的工作包括檢查IP報(bào)文頭、IP數(shù)據(jù)包的分片和重組、修改存活時(shí)間（TTL）參數(shù)、重新計(jì)算IP頭校驗(yàn)和、MAC地址解析、IP包的數(shù)據(jù)鏈路封裝以及IP包的差錯(cuò)與控制處理（ICMP）等等。第三層交換也包括一系列特別服務(wù)功能，如數(shù)據(jù)包的格式轉(zhuǎn)換，信息流優(yōu)先級別劃分，用戶身份驗(yàn)證及報(bào)文過濾等安全服務(wù)，IP地址管理，局域網(wǎng)協(xié)議和廣域網(wǎng)協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。當(dāng)?shù)谌龑咏粨Q機(jī)僅用于局域網(wǎng)中子網(wǎng)間或VLAN間轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)流時(shí)可以不執(zhí)行路由處理，只作第三層業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)，這種情況下設(shè)備可以不需要路由功能。

由于傳統(tǒng)路由器是一種軟件驅(qū)動型設(shè)備，所有的數(shù)據(jù)包交換、路由和特殊服務(wù)功能，包括處理多種底層技術(shù)和多種第三層協(xié)議幾乎都由軟件來實(shí)現(xiàn)，并可通過軟件升級增強(qiáng)設(shè)備功能，因而具有良好的擴(kuò)展性和靈活性。但它也具有配置復(fù)雜、價(jià)格高、相對較低的吞吐量和相對較高的吞吐量變化等缺點(diǎn)。第三層交換技術(shù)在很大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)路由器這些缺點(diǎn)。在設(shè)計(jì)第三層交換產(chǎn)品時(shí)通常使用下面一些方法：

·削減處理的協(xié)議數(shù)，常常只對IP；

·只完成交換和路由功能，限制特殊服務(wù)；

·使用專用集成電路（ASIC）構(gòu)造更多功能，而不是采用RSIC處理器之上的軟件運(yùn)行這些功能。

第三層交換產(chǎn)品采用結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計(jì)方法，體系結(jié)構(gòu)具有很好的層次感。軟件模塊和硬件模塊分工明確、配合協(xié)調(diào)，信息可為整個(gè)設(shè)備集中保存、完全分布或高速緩存。例如，IP報(bào)文的第三層目的地址在幀中的位置是確定的，地址位就可被硬件提取，并由硬件完成路由計(jì)算或地址查找；另一方面，路由表構(gòu)造和維護(hù)則可繼續(xù)由RSIC芯片中的軟件完成。總之，第三層交換技術(shù)及產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)歸功于現(xiàn)代芯片技術(shù)特別是ASIC技術(shù)的迅速發(fā)展。

2 第三層交換技術(shù)分類、原理及實(shí)現(xiàn)方法

目前主要存在兩類第三層交換技術(shù)：第一類是報(bào)文到報(bào)文交換，每一個(gè)報(bào)文都要經(jīng)歷第三層處理（即至少是路由處理），并且數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)是基于第三層地址的；第二類是流交換，它不在第三層處理所有報(bào)文，而只分析流中的第一個(gè)報(bào)文，完成路由處理，并基于第三層地址轉(zhuǎn)發(fā)該報(bào)文，流中的后續(xù)報(bào)文使用一種或多種捷徑技術(shù)進(jìn)行處理，此類技術(shù)的設(shè)計(jì)目的是方便線速路由。理解第三層交換技術(shù)的關(guān)鍵首先需要區(qū)分這兩類報(bào)文的不同轉(zhuǎn)發(fā)方式。

報(bào)文到報(bào)文處理方法的一個(gè)顯著特征是其能夠適應(yīng)路由的拓?fù)渥兓Ｍㄟ^運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議并維護(hù)路由表，報(bào)文到報(bào)文交換設(shè)備可動態(tài)地重新路由報(bào)文，繞過網(wǎng)絡(luò)故障點(diǎn)和擁塞點(diǎn)而無需等待高層的協(xié)議檢測報(bào)文丟失。流交換方法沒有這些特征，因?yàn)楹罄m(xù)報(bào)文走捷徑而無需第三層處理，這樣，它就不能識別標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議對路由表的改變。因此，流交換方法可能需要另外的協(xié)議取得拓?fù)渥兓驌砣畔ⅲ员愕竭_(dá)交換系統(tǒng)正確的地方。 2.1 報(bào)文到報(bào)文交換技術(shù)原理及實(shí)現(xiàn)方法

報(bào)文到報(bào)文交換遵循這樣一個(gè)數(shù)據(jù)流過程：報(bào)文進(jìn)入系統(tǒng)中OSI參考模型的第一層，即物理接口，然后在第二層接受目的MAC檢查，若在第二層能交換則進(jìn)行二層交換，否則進(jìn)入到第三層，即網(wǎng)絡(luò)層。在第三層，報(bào)文要經(jīng)過路徑確定、地址解析及某些特殊服務(wù)。處理完畢后報(bào)文已更新，確定合適的輸出端口后，報(bào)文通過第一層傳送到物理介質(zhì)上。傳統(tǒng)路由器是一種典型的符合第三層報(bào)文到報(bào)文交換技術(shù)的設(shè)備，它的完全基于軟件的工作機(jī)制所產(chǎn)生的固有缺陷已被現(xiàn)代基于硬件的第三層交換設(shè)備所克服。

目前各個(gè)廠商所提供的第三層交換設(shè)備在體系結(jié)構(gòu)上幾乎具有相同的硬件結(jié)構(gòu)。

中央硅交換陣列通過CPU接口總線連接CPU模塊，通過I/O接口總線連接I/O接口模塊，是設(shè)備各端口流量匯聚和交換的集中點(diǎn)，由它提供設(shè)備各進(jìn)出端口的并行交換路徑，所有跨I/O接口模塊的數(shù)據(jù)流都要通過硅交換陣列進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。每個(gè)I/O接口模塊包含一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)引擎，其上的ASIC完成所有的報(bào)文*作，包括路由查找、報(bào)文分類、第三層轉(zhuǎn)發(fā)和業(yè)務(wù)流決策，這一將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)分布于每一個(gè)I/O端口的ASIC的方法是第三層交換設(shè)備能夠線速路由的關(guān)鍵部分。CPU模塊主要完成設(shè)備的背景*作，如運(yùn)行與路由處理相關(guān)的各種路由協(xié)議、創(chuàng)建和維護(hù)路由表、系統(tǒng)配置等，并把路由表信息導(dǎo)入每一個(gè)I/O接口模塊分布式轉(zhuǎn)發(fā)引擎的ASIC中。這樣，各接口模塊的分布式轉(zhuǎn)發(fā)引擎ASIC直接根據(jù)路由表做出報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)策略，無需像傳統(tǒng)路由器那樣所有報(bào)文必須經(jīng)過CPU的處理。

流交換技術(shù)原理及實(shí)現(xiàn)方法

在流交換中，第一個(gè)報(bào)文被分析以確定其是否標(biāo)識一個(gè)“流”或者一組具有相同源地址或目的地址的報(bào)文。流交換節(jié)省了檢查每一個(gè)報(bào)文要花費(fèi)的處理時(shí)間。同一流中的后續(xù)報(bào)文被交換到基于第二層的目的地址。流交換需要兩個(gè)技巧，第一個(gè)技巧是要識別第一個(gè)報(bào)文的哪一個(gè)特征標(biāo)識一個(gè)流，這個(gè)流可以使其余報(bào)文走捷徑，即第二層路徑。第二個(gè)技巧是，一旦建立穿過網(wǎng)絡(luò)的路徑，就讓流足夠長以便利用捷徑的優(yōu)點(diǎn)。怎樣檢測流、識別屬于特定流的報(bào)文以及建立通過網(wǎng)絡(luò)的流通路隨實(shí)現(xiàn)機(jī)制的變化而不同。目前出現(xiàn)了多種流交換技術(shù)，如3Com公司的快速IP、由Cisco提交給IETF的多協(xié)議標(biāo)記交換（MPLS）、ATM論壇的多協(xié)議（MPOA）以及Ipsilon公司的IP交換。我們可將其劃分成兩個(gè)主要類型：端系統(tǒng)驅(qū)動流交換和網(wǎng)絡(luò)中心式流交換。限于篇幅，現(xiàn)只簡單介紹3Com公司的快速IP工作原理。

3Com公司的快速IP屬于端系統(tǒng)驅(qū)動流交換技術(shù)，其工作原理基于NHRP標(biāo)準(zhǔn)（草案）。源端主機(jī)發(fā)送一個(gè)快速IP連接請求，該請求就像數(shù)據(jù)報(bào)文一樣被路由穿過網(wǎng)絡(luò)，如果目的端主機(jī)也運(yùn)行快速IP，則它發(fā)送一個(gè)包含其MAC地址的NHRP應(yīng)答報(bào)文給源端主機(jī)，如果源端主機(jī)和目的端主機(jī)存在二層交換通路，當(dāng)NHRP應(yīng)答報(bào)文到達(dá)源端主機(jī)時(shí)將在經(jīng)過的交換機(jī)中建立目的端主機(jī)MAC地址和端口的映射表，隨后源端主機(jī)可根據(jù)目的端主機(jī)MAC地址直接通過交換機(jī)二層通路交換數(shù)據(jù)報(bào)文，不再經(jīng)過路由器；如果兩端主機(jī)之間沒有交換路徑而無NHRP應(yīng)答返回，則報(bào)文如前進(jìn)行路由。

快速IP軟件主要運(yùn)行在源、目的端主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）的驅(qū)動程序之上。它與主機(jī)的IP協(xié)議棧和NIC驅(qū)動程序接口，以協(xié)調(diào)NHRP交換。總之，快速IP試圖改善在交換網(wǎng)絡(luò)上完成路由的轉(zhuǎn)發(fā)性能，但它沒有潛在的靈活性，也不能通過報(bào)文過濾提供任何安全保障，而且需要在參與快速IP交換的主機(jī)上安裝NHRP協(xié)議軟件。實(shí)際上增加了設(shè)備的維護(hù)工作量。

多種流交換技術(shù)最初是在路由選擇比較慢和代價(jià)比較大的前提下開發(fā)的。報(bào)文到報(bào)文交換產(chǎn)品已經(jīng)證明了情況不再如此。與報(bào)文到報(bào)文交換產(chǎn)品相比，流交換方法顯得更復(fù)雜和難以理解。在動態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，成功地標(biāo)識、建立、管理和撤消大量的流需要哪些措施，仍然是一個(gè)有待研究的問題。目前應(yīng)用在局域網(wǎng)互聯(lián)的第三層交換設(shè)備多是基于報(bào)文到報(bào)文交換技術(shù)。流交換更可能在廣域網(wǎng)中找到其位置。

3 對第三層交換機(jī)“路由一次，處處交換”或“基于目的MAC地址的第二層交換”這一觀點(diǎn)提出質(zhì)疑

當(dāng)前，很多文章對三層交換機(jī)的工作原理進(jìn)行過介紹，在交換機(jī)對三層報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制上基本趨向一致觀點(diǎn)，那就是“路由一次，處處交換”或“基于目的MAC地址的第二層交換”。

“第三層交換的原理是，假設(shè)兩個(gè)使用IP的主機(jī)A、B通過第三層交換機(jī)進(jìn)行通信。發(fā)送站點(diǎn)A在開始發(fā)送時(shí)，把自己的IP地址與B站的IP地址比較，判斷B站是否與自己在同一子網(wǎng)內(nèi)。若目的站B與發(fā)送站A在同一子網(wǎng)內(nèi)，則進(jìn)行二層的轉(zhuǎn)發(fā)。若兩個(gè)站點(diǎn)不在同一子網(wǎng)內(nèi)，如發(fā)送站A要與目的站B通信，發(fā)送站A要向“缺省網(wǎng)關(guān)”發(fā)出ARP請求（地址解析）封包，而“缺省網(wǎng)關(guān)”的IP地址其實(shí)是三層交換機(jī)的三層交換模塊。當(dāng)發(fā)送站A對“缺省網(wǎng)關(guān)”的IP地址廣播出一個(gè)ARP請求時(shí)，如果三層交換模塊在以前的通信過程中已經(jīng)知道B站的MAC地址，則向發(fā)送站A回復(fù)B的MAC地址。否則三層交換模塊根據(jù)路由信息向B站廣播一個(gè)ARP請求，B站得到此ARP請求后向三層交換模塊回復(fù)其MAC地址，三層交換模塊保存此地址并回復(fù)給發(fā)送站A，同時(shí)將B站的MAC地址發(fā)送到二層交換引擎的MAC地址表中。從這以后，A向B發(fā)送的數(shù)據(jù)包便全部交給二層交換處理，信息得以高速交換。由于僅僅在路由過程中才需要三層處理，絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)都通過二層交換轉(zhuǎn)發(fā)，因此第三層交換機(jī)的速度很快，接近第二層交換機(jī)的速度，同時(shí)比相同路由器的價(jià)格低很多”。

分析上面這段文章，筆者認(rèn)為這種觀點(diǎn)違背了主機(jī)與缺省網(wǎng)關(guān)通信的基本原理。文章提到“當(dāng)發(fā)送站A對“缺省網(wǎng)關(guān)”的IP地址廣播出一個(gè)ARP請求時(shí)，如果三層交換模塊在以前的通信過程中已經(jīng)知道B站的MAC地址，則向發(fā)送站A回復(fù)B的MAC地址。否則三層交換模塊根據(jù)路由信息向B站廣播一個(gè)ARP請求”。實(shí)際上，A站向三層交換模塊發(fā)送網(wǎng)關(guān)IP地址的ARP請求時(shí)，ARP請求報(bào)文并不包含B站IP地址，三層交換模塊只會把自己IP地址對應(yīng)的MAC地址回復(fù)給A站，根本不會向發(fā)送站A回復(fù)B的MAC地址。這是錯(cuò)誤之一。

退一步說，即便三層交換模塊回復(fù)B站的MAC地址，由于B站和A站不在同一子網(wǎng)，A站也不會把B站的目的MAC地址封裝在A站要發(fā)送的以太網(wǎng)幀中。這是錯(cuò)誤之二。

再者，三層交換模塊接收A站發(fā)送到B站的以太網(wǎng)幀，三層交換模塊從以太網(wǎng)幀的IP包中提取B站的IP地址，通過查找路由表，尋找到B站的下一跳，若B站與第三層交換機(jī)某一接口在同一網(wǎng)段，第三層交換機(jī)向B站IP地址廣播ARP請求，從B站的ARP應(yīng)答中可得知B站的MAC地址；若B站與三層交換機(jī)某一接口不在同一網(wǎng)段，中間相隔了好幾跳，三層交換模塊只會向下一跳IP地址廣播ARP請求，下一跳ARP應(yīng)答的應(yīng)是下一跳IP地址的MAC地址，三層交換模塊無從得知B站的MAC地址。這是錯(cuò)誤之三。

要達(dá)到“路由一次，處處交換”或“基于目的MAC地址的第二層交換”的目的，必須改變現(xiàn)存主機(jī)與缺省網(wǎng)關(guān)的通信機(jī)制或第三層交換機(jī)的路由規(guī)則，換句話說，以一種新的主機(jī)與缺省網(wǎng)關(guān)的通信機(jī)制替代現(xiàn)有的通信機(jī)制。就像前面描述的3Com公司的快速IP技術(shù)一樣。實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中主機(jī)和第三層交換機(jī)都工作得很好，無需主機(jī)做任何改變，也無需改變原有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。在第三層交換機(jī)替代傳統(tǒng)路由器的場合，子網(wǎng)間的流量轉(zhuǎn)發(fā)性能卻得到了空前的提高。這并不是改變了交換機(jī)對三層報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的結(jié)果，即“路由一次，處處交換”或“基于目的MAC地址的第二層交換”的結(jié)果，而是第三層交換機(jī)基于硬件快速轉(zhuǎn)發(fā)三層報(bào)文的結(jié)果。