第三层交换技术

3.1.3　第三层交换技术

前面已经提到交换机是工作在OSI参考模型第二层中的网络设备，因此通常也会将这种交换技术称为第二层交换技术。随着网络技术的不断发展，在近几年出现了第三层交换技术，从技术的本质上来讲，第三层交换技术是根据报文中的第三层（即网络层）地址（如IP地址）对报文进行转发。第三层交换技术常被简写为L3交换技术。

1．第三层交换技术引入的背景

近年来Internet/Intranet的蓬勃兴起，采用TCP/IP协议成为了网络组建的绝对主流，因此研究如何构建高速的IP网络成为网络界最为关注的问题之一。为了解决这一问题，人们注意到，以太网交换技术可以克服网络带宽的局限，而且交换机也为网络配置提供了灵活的方法。同时还注意到路由技术在目前的情况下是必不可缺的，而且路由器通常会成为一个网络中不可逾越的最大瓶颈。于是就产生了一种全新的技术思路，将这两种传统的、不同的技术结合起来，扬长避短，来解决当前网络中所面临的难题。实践已经证明这种思路是正确的，一种新兴的网络互联技术——第三层交换技术就这样出现了。如果网络层仅考虑IP协议，那么通常还会被称作为IP交换技术（IPSwitching）。

2．第三层交换机与路由器的比较

由于第三层交换技术与路由技术均是根据报文中的第三层地址来对报文进行转发，因此要弄清楚这两种技术或者说第三层交换机与路由器之间的区别是一个比较麻烦的问题。报文从一个端口转发到另一个端口的过程中，第三层交换机和路由器的判定过程无论在意图上，还是目的上都是相同的，它们同样要对报文进行改变M AC地址、帧检测等处理。它们之间的区别主要在于：

●　第三层交换机对报文的转发主要是通过硬件来实现的，而路由器则采用软件来实现。

●　第三层交换机采用“路由一次，交换多次”的方式。在许多实现第三层交换的交换机中，当第一次需要与远程目标节点连接时，首先根据路由表中的路由信息找到正确的路由，同时也获得了该目标节点的标识，到达该目标节点的后续报文中就会增加这一标识，交换机将根据这一标识对报文进行快速地交换。

●　第三层交换机在实现时通常使用专用的ASIC芯片，而路由器中使用的是通用微处理器。

●　由于多种原因，第三层交换机转发报文的速度要明显高于路由器。

3．以太网中使用的典型的第三层交换技术

目前已提出的第三层交换技术一般被分为两大类：一类基于核心模型，另一类基于边缘多层混合交换模型。

基于核心模型的第三层交换技术认为提高网络中报文传输速率的关键是解决网络中核心节点（即路由器）的第三层交换技术，而实现路由器的第三层交换技术应该采用新的能够处理IP报文的硬件，才能显著地提高路由器的性能。实现基于核心模型的第三层交换技术有下面的基本思路：

①尽可能地避免路由器对报文逐个地进行处理，将网络中的报文划分成不同的数据流，在处理的时候仍基于单个报文，但对报文进行路由和转发时以报文中携带的数据流标志为依据，而不是以传统的IP地址为依据。CISCO公司的NetFlow交换和Tag Switching交换以及IPSILON公司的IPSwitching都基于这种思想。

②完全用ASIC硬件以线速来实现路由器的路由转发、流量控制、管理、服务质量等功能。3COM公司基于FIRE的交换和BAY公司的IPRouting Switch交换都是基于这种思想的。

从性能上来看，这两种基于核心模型的第三层交换技术方法中，后者要优于前者。

另一类基于边缘多层混合交换模型的第三层交换技术认为实现快速的报文转发应该更多地在网络的边缘而不是在核心节点。这种技术对网络中的数据流的划分将不再从核心节点的角度进行，而是以端系统的网络服务请求为依据。在实现中，绝大多数策略和请求都在端系统上完成，只有少数特定的控制功能（如身份验证、防火墙、流量统计等）集中在核心节点（如路由器）上完成。这种解决方案包括了第二层和第三层路由功能，因此被称为是多层混合的解决方案。这种技术试图消除因对每个报文逐个进行路由和转发所带来的过高的系统开销，因此采用了由核心节点在第三层路由一次，然后由边缘节点在第二层进行端到端的交换，这就是通常所说的“路由一次，交换多次”。3COM公司的FastIP、CABLETRON公司的虚拟快速安全网络（Secure FastVirtual Network Architecture）等都基于这样一种第三层交换技术。