三层交换机(3层交换机的基础知识)

在数字化世界中，网络技术的快速发展催生了一种全新的网络设备——三层交换机。这种交换机不仅仅具备传统交换机的功能，还融合了部分路由器的特性，可以说是交换机与路由器的完美结合。其主要目标是为了在大型局域网内部实现数据的高速交换，同时揉合进的路由功能也是为了更好地服务于这一目标。这种设备能够实现一次路由、多次转发，极大地提升了网络数据的传输效率。

三层交换机，顾名思义，其技术核心在于“三层交换”。传统交换机主要在OSI网络标准模型的第二层——数据链路层进行操作。而三层交换机则在网络模型的第三层实现了数据包的高速转发，这既实现了网络路由功能，又可根据不同的网络状况实现最优网络性能。

那么，三层交换机具有哪些独特的特点呢？

它是一种“路由器+二层交换机”的混合体，兼具交换和路由的特性。与路由器相比，三层交换机在结构和性能上都有显著的优势。在结构上，三层交换机更接近二层交换机，但专门设计了第三层路由功能。在交换性能上，三层交换机远远超过了路由器，具有更高的端口密度和更强的扩展能力。以CiscoCatalyst 6509为例，其IO/IOOM端口的密度可以达到惊人的336个，而且可以通过级联支持二层VLAN的交换机进行无限扩展。

三层交换机还具有更强的数据处理能力。其包转发率可达150Mpps以上，背板带宽更可高达32Gbps，远超一般路由器的性能。三层交换机支持多种网络协议，如IP、IPX、DEC等，并支持RIP、OSPF等开放的动态路由协议。而且，它还具有冗余通道支持功能，能确保网络的连通性。

那么，如何在性能和价格之间做出选择呢？虽然路由器和交换机本身不具有可比性，但在使用三层交换机替代路由器的接入方案时，这个比较变得必要。一台具有一定E1端口接入数量的路由器可能需要数十万元人民币，而一台支持三层的低端交换机仅需不到十万元，高端交换机也仅需几十万元。虽然端口成本相差十倍，但处理数据的能力却高出数十倍。

进一步来说，三层交换机根据其处理数据的不同可分为纯硬件和纯软件两大类。纯硬件的三层交换机技术复杂、成本高、速度快、性能好、带负载能力强。纯软件的三层交换机则技术较简单，但速度较慢，不适合作为主干。

在网络应用中，路由器和三层交换机各有优势。路由器端口类型多、支持的三层协议多、路由能力强，适用于大型网络之间的互连。而三层交换机的主要目的是加快大型局域网内部的数据交换，揉合进去的路由功能也是为此目的服务。在网络流量很大的情况下，可以根据需要由三层交换机负责网内的交换，由路由器专门负责网间的路由工作，以充分发挥不同设备的优势。

三层交换机是网络技术的一次重大革新，它的出现极大地提高了网络数据传输的效率，为现代数字化生活提供了强有力的支持。数据通过端口接口芯片流入后，在二层交换芯片中开始寻找目标的MAC地址。如果能在这里查找到相应的MAC地址，数据便迅速地在二层完成转发。如若不然，数据将被引领至CPU的中心处理区域。在这里，CPU会检索路由表内的信息，并与数据的目的地地址进行比对。随后，它发出ARP分组，向目标主机请求获取该主机的MAC地址。一旦获取到该地址，便将其发送至二层芯片，由该芯片负责数据的转发。但由于使用了价格较为亲民的CPU，其处理速度相对较慢，这也影响了此类三层交换机的整体处理速度。

让我们深入理解一下三层交换机背后的应用背景。

为了应对网络中的广播风暴危害并提升网络管理的便捷性，大型局域网通常会被划分为多个小型的局域网，这被称为VLAN技术。而VLAN之间的通信需要通过路由器来完成。随着网络间的互访需求不断增长，单纯依赖路由器进行网络访问已经不能满足需求。路由器的端口数量有限，且路由速度相对较慢，这无疑限制了网络的规模和访问速度。在这样的背景下，三层交换机应运而生。

三层交换机专为IP设计，拥有简洁的接口类型以及强大的二层包处理能力，特别适用于大型局域网内的数据路由与交换。它可以在协议第三层工作，部分替代传统路由器的功能，同时拥有接近第二层交换的速度。而且相比于传统路由器，它的价格更为亲民。

在企业网和教学网中，三层交换机常被部署在网络的核心层。利用这些交换机的千兆或百兆端口连接不同的子网或VLAN。但需要明确的是，三层交换机的主要目的是加速大型局域网内部的数据交换。它的路由功能主要围绕这一目的展开。在功能上与同一档次的专业路由器相比，还存在一定的差距。尤其在安全策略和协议支持方面，三层交换机尚不能完全取代路由器。

实际应用中，通常的做法是在同一局域网中的子网互联以及VLAN间的路由使用三层交换机代替路由器。而当需要实现局域网与公网的跨地域网络访问时，则会选择专业的路由器来完成任务。三层交换机以其高速的本地交换能力和对路由功能的支持，在局域网内发挥着不可替代的作用。