CCNP交换篇2三层交换机与路由器的比较

第三层交换机和路由器的比较

为了适应网络应用深化带来的挑战，网络在规模和速度上发展迅速，局域网速度从最初的10Mbit/s提高到100 Mbit/s，目前千兆以太网技术已经得到广泛应用。在网络结构上，也从早期的局域网共享介质发展到现在的交换式局域网。交换式局域网技术使专用带宽为用户所独享，大大提高了局域网的传输效率。可以说，在网络系统集成的技术中，直接面向用户的第一层接口和第二层交换技术都得到了满意的答案。而作为网络核心，起着网间互联作用的路由器技术却没有质的突破。在这种情况下，一种新的路由技术应运而生，这就是第三层交换技术:它是路由器，因为它可以运行在网络协议的第三层，是一种路由理解设备，可以起到路由决策的作用；之所以叫交换机，是因为它的速度极快，几乎达到了二层交换的速度。二层交换机，三层交换机，路由器，哪种技术更好更差，适用于什么环境？要回答这个问题，我们先从这三种技术的工作原理说起。

1.第二层交换技术

二层交换机数据链路层设备，可以读取数据包中的MAC地址信息，并根据MAC地址进行交换。交换机内部有一个地址表，表示MAC地址和交换机端口的对应关系。当交换机从端口收到数据包时，它首先读取报头中的源MAC地址，以便知道具有源MAC地址的机器连接到哪个端口，然后读取报头中的目的MAC地址，并在地址表中查找相应的端口。如果表中有与该目的MAC地址对应的端口，则数据包直接复制到该端口。如果在表中找不到相应的端口，数据包将被广播到所有端口。当目的机器响应源机器时，交换机可以知道目的MAC地址对应于哪个端口，下次传输数据时就不需要广播所有端口。第2层交换机就是这样建立和维护自己的地址表的。一般来说，第二层交换机具有很宽的交换总线带宽，因此它可以同时为许多端口交换数据。如果二层交换机有n个端口，每个端口的带宽为M，其交换机总线带宽超过N×M，那么交换机就可以实现线速交换。对第2层交换机广播数据包没有限制。将广播数据包复制到所有端口。
一般情况下，二层交换机包含专用于数据包转发的ASIC(专用集成电路)芯片，所以转发速度可以很快。2.路由技术

路由器运行在OSI七层网络模型的第三层——网络层。路由器内部有一个路由表，如果你想去某个地方，它会指示下一步该去哪里。当路由器从端口收到数据包时，它首先删除(解包)链路层的报头，读取目的IP地址，然后查找路由表。如果它可以确定下一步发送到哪里，它会添加链路层(数据包)的报头并转发数据包。如果无法确定下一个地址，则会向源地址返回一条消息，并丢弃该数据包。

技术和第2层交换看起来很相似。事实上，路由和交换的主要区别在于，交换发生在OSI参考模型的第2层(数据链路层)，而路由发生在第3层。这种差异决定了路由和交换在传输数据的过程中需要使用不同的控制信息，因此实现各自功能的方式也不同。

事实上，路由技术包括两个基本活动，即确定路径和传输数据包。其中，数据包的传输相对简单直接，而路由的确定则较为复杂。路由算法将各种信息写入路由表，路由器会根据数据包将要到达的目的地选择路径，发送给下一个可以到达目的地的路由器。当下一个路由器收到数据包时，它也会检查其目的地址，并通过使用适当的路径继续将其传输到下一个路由器。依此类推，直到数据包到达最终目的地。

路由器可以相互通信，并通过传输不同类型的信息来维护自己的路由表。更新路由信息就是这样的信息，它一般由一些或全部路由表组成。通过分析其它路由器发送的路由更新信息，路由器可以掌握整个网络的拓扑结构。链路状态广播是路由器之间传输的另一种信息，它可以将信息发送方的链路状态和进度通知给其他路由器。
3。三层交换技术

具有三层交换功能的设备是具有三层路由功能的二层交换机，但它是两者的有机结合，而不是简单地将路由器设备的硬件和软件叠加在局域网交换机上。
从硬件上看，二层交换机的接口模块通过高速背板/总线(速度可高达几十Gbit/s)交换数据。在第三层交换机中，路由器相关的第三层路由硬件模块也插在高速背板/总线上，使路由模块能够与其他需要高速路由的模块交换数据，突破了传统外部路由器的接口速度限制。在软件方面，三层交换机也采取了重要措施。它定义了传统的基于软件的路由器软件，其做法是:对于数据包转发，比如IP/IPX包转发，这些有规律的过程可以通过硬件高速实现。

对于第三层路由软件，如路由信息更新、路由表维护、路由计算、路由确定等功能，用优化高效的软件实现。

假设两台使用IP协议的机器通过第3层交换机进行通信。当机器A开始发送时，它知道目的IP地址，但不知道在局域网上发送所需的MAC地址。地址解析(ARP)用于确定目的MAC地址。a将自己的IP地址与目的IP地址进行比较，并从其软件中配置的子网掩码中提取网络地址，以确定目的机器是否与自己在同一个子网中。如果目的地机器B和机器A在同一个子网中，A广播一个ARP请求，B返回它的MAC地址。在A获得目的机器B的MAC地址后，它缓存该地址，并使用该MAC地址包转发数据。第二层交换模块查找MAC地址表，并决定将数据包发送到目的端口。如果两台机器不在同一个子网，比如发送机器A要和目的机器C通信，发送机器A会向“默认网关”发送ARP数据包，而“默认网关”的IP地址已经在系统软件中设置好了。这个IP地址实际上对应于第三层交换机的第三层交换机模块。因此，当发送机器A向“默认网关”的IP地址广播ARP请求时，如果三层交换模块在过去的通信过程中已经获得了目的机器C的MAC地址，就会将C的MAC地址回复给发送机器A；否则，第三层交换模块根据路由信息向目的机广播一个ARP请求，目的机C收到这个ARP请求后将其MAC地址回复给第三层交换模块，第三层交换模块保存这个地址并回复给发送机A，以后在A和C之间转发数据包时，将使用最终目的机的MAC。

地址封装和数据转发都交给二层交换，信息可以高速交换。所谓一次选路，多次交换。

第3层交换有以下突出的特点:

有机的硬件组合加速了数据交换；

优化布线软件提高了布线过程的效率；

除了必要的路由决策过程，大部分数据转发过程由第二层交换处理；

多个子网互联时，只是与第三层交换模块的逻辑连接，不像传统的外部路由器需要增加端口来保护用户。4.三种技术的比较。

可以看出，二层交换机主要用于小型局域网，机器数量在二三十台以下。在这样的网络环境下，广播包影响不大。第二层交换机的快速交换功能、多个接入端口和低廉的价格为小型网络用户提供了完美的解决方案。在这个小网络中，不需要引入路由功能，增加了管理的难度和成本，所以不需要使用路由器，当然也不需要使用第三层交换机。

三层交换机是为IP设计的，接口类型简单，二层包处理能力强，适用于大型局域网。为了减少广播风暴的危害，需要将大型局域网按照功能或区域划分为小型局域网，即小型网段。这必然导致不同网段之间的大量互访。单纯使用二层交换机无法实现网间互访，单纯使用路由器。由于端口数量有限，路由速度慢，限制了网络的规模和访问速度，在这种环境下，将二层交换技术和路由技术有机结合的三层交换机是最合适的。

路由器端口类型多，支持多种三层协议，路由能力强，适合大型网络之间的互联。虽然很多三层交换机甚至二层交换机都有异构网络的互连端口，但是大型网络中的互连端口一般很少。互联设备的主要功能不是快速交换端口，而是选择路径、分担负载、备份链路，最重要的是与其他网络交换路由信息，这些都是路由完成功能。在这种情况下，自然不可能使用二层交换机，但是否使用三层交换机要看具体情况。主要影响因素是网络流量、响应速度要求和投资预算。三层交换机最重要的目的是加快大型局域网内部的数据交换，组合路由功能就是为这个目的服务的，所以它的路由功能不如同等级的专业路由器强大。在网络流量较大的情况下，如果三层交换机既做网内交换又做网间路由，必然会大大增加其负担，影响其响应速度。当网络流量很大，但响应速度很高时，采用三层交换机进行网内交换，路由器负责网间路由。这样可以充分发挥不同设备的优势，是很好的合作。当然，如果受投资预算限制，三层交换机作为网间互联也是不错的选择。