二層、三層、四層交換機之間的區(qū)別

2019-09-11 22:20:56

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供稿：網(wǎng)友

　　二層交換技術
　　二層交換技術是發(fā)展比較成熟，二層交換機屬數(shù)據(jù)鏈路層設備，可以識別數(shù)據(jù)包中的MAC地址信息，根據(jù)MAC地址進行轉發(fā)，并將這些MAC地址與對應的端口記錄在自己內(nèi)部的一個地址表中。具體的工作流程如下：
　　
　　(1) 當交換機從某個端口收到一個數(shù)據(jù)包，它先讀取包頭中的源MAC地址，這樣它就知道源MAC地址的機器是連在哪個端口上的；
　　
　　(2) 再去讀取包頭中的目的MAC地址，并在地址表中查找相應的端口；
　　
　　(3) 如表中有與這目的MAC地址對應的端口，把數(shù)據(jù)包直接復制到這端口上；
　　
　　(4) 如表中找不到相應的端口則把數(shù)據(jù)包廣播到所有端口上，當目的機器對源機器回應時，交換機又可以學習一目的MAC地址與哪個端口對應，在下次傳送數(shù)據(jù)時就不再需要對所有端口進行廣播了。
　　
　　不斷的循環(huán)這個過程，對于全網(wǎng)的MAC地址信息都可以學習到，二層交換機就是這樣建立和維護它自己的地址表。
　　
　　從二層交換機的工作原理可以推知以下三點：
　　
　　(1) 由于交換機對多數(shù)端口的數(shù)據(jù)進行同時交換，這就要求具有很寬的交換總線帶寬，如果二層交換機有N個端口，每個端口的帶寬是M，交換機總線帶寬超過N×M，那么這交換機就可以實現(xiàn)線速交換；
　　
　　(2) 學習端口連接的機器的MAC地址，寫入地址表，地址表的大小(一般兩種表示方式：一為BEFFER RAM，一為MAC表瘀汁榪?撟e項數(shù)值)，地址表大小影響交換機的接入容量；
　　(3) 還有一個就是二層交換機一般都含有專門用于處理數(shù)據(jù)包轉發(fā)的ASIC (Application specific Integrated Circuit)芯片，因此轉發(fā)速度可以做到非常快。由于各個廠家采用ASIC不同，直接影響產(chǎn)品性能。
　　
　　以上三點也是評判二三層交換機性能優(yōu)劣的主要技術參數(shù)，這一點請大家在考慮設備選型時注意比較。
　　
　　路由技術
　　
　　路由器工作在OSI模型的第三層---網(wǎng)絡層操作，其工作模式與二層交換相似，但路由器工作在第三層，這個區(qū)別決定了路由和交換在傳遞包時使用不同的控制信息，實現(xiàn)功能的方式就不同。工作原理是在路由器的內(nèi)部也有一個表，這個表所標示的是如果要去某一個地方，下一步應該向那里走，如果能從路由表中找到數(shù)據(jù)包下一步往那里走，把鏈路層信息加上轉發(fā)出去；如果不能知道下一步走向那里，則將此包丟棄，然后返回一個信息交給源地址。
　　
　　路由技術實質(zhì)上來說不過兩種功能：決定最優(yōu)路由和轉發(fā)數(shù)據(jù)包。路由表中寫入各種信息，由路由算法計算出到達目的地址的最佳路徑，然后由相對簡單直接的轉發(fā)機制發(fā)送數(shù)據(jù)包。接受數(shù)據(jù)的下一臺路由器依照相同的工作方式繼續(xù)轉發(fā)，依次類推，直到數(shù)據(jù)包到達目的路由器。
　　
　　而路由表的維護，也有兩種不同的方式。一種是路由信息的更新，將部分或者全部的路由信息公布出去，路由器通過互相學習路由信息，就掌握了全網(wǎng)的拓撲結構，這一類的路由協(xié)議稱為距離矢量路由協(xié)議；另一種是路由器將自己的鏈路狀態(tài)信息進行廣播，通過互相學習掌握全網(wǎng)的路由信息，進而計算出最佳的轉發(fā)路徑，這類路由協(xié)議稱為鏈路狀態(tài)路由協(xié)議。
　　
　　由于路由器需要做大量的路徑計算工作，一般處理器的工作能力直接決定其性能的優(yōu)劣。當然這一判斷還是對中低端路由器而言，因為高端路由器往往采用分布式處理系統(tǒng)體系設計。
　　
　　三層交換技術
　　近年來的對三層技術的宣傳，耳朵都能起繭子，到處都在喊三層技術，有人說這是個非常新的技術，也有人說，三層交換嘛，不就是路由器和二層交換機的堆疊，也沒有什么新的玩意，事實果真如此嗎？下面先來通過一個簡單的網(wǎng)絡來看看三層交換機的工作過程。
　　
　　組網(wǎng)比較簡單
　　
　　使用IP的設備A------------------------三層交換機------------------------使用IP的設備B
　　
　　比如A要給B發(fā)送數(shù)據(jù)，已知目的IP，那么A就用子網(wǎng)掩碼取得網(wǎng)絡地址，判斷目的IP是否與自己在同一網(wǎng)段。
　　
　　如果在同一網(wǎng)段，但不知道轉發(fā)數(shù)據(jù)所需的MAC地址，A就發(fā)送一個ARP請求，B返回其MAC地址，A用此MAC封裝數(shù)據(jù)包并發(fā)送給交換機，交換機起用二層交換模塊，查找MAC地址表，將數(shù)據(jù)包轉發(fā)到相應的端口。
　　如果目的IP地址顯示不是同一網(wǎng)段的，那么A要實現(xiàn)和B的通訊，在流緩存條目中沒有對應MAC地址條目，就將第一個正常數(shù)據(jù)包發(fā)送向一個缺省網(wǎng)關，這個缺省網(wǎng)關一般在操作系統(tǒng)中已經(jīng)設好，對應第三層路由模塊，所以可見對于不是同一子網(wǎng)的數(shù)據(jù)，最先在MAC表中放的是缺省網(wǎng)關的MAC地址；然后就由三層模塊接收到此數(shù)據(jù)包，查詢路由表以確定到達B的路由，將構造一個新的幀頭，其中以缺省網(wǎng)關的MAC地址為源MAC地址，以主機B的MAC地址為目的MAC地址。通過一定的識別觸發(fā)機制，確立主機A與B的MAC地址及轉發(fā)端口的對應關系，并記錄進流緩存條目表，以后的A到B的數(shù)據(jù)，就直接交由二層交換模塊完成。這就通常所說的一次路由多次轉發(fā)。
　　
　　以上就是三層交換機工作過程的簡單概括，可以看出三層交換的特點：
　　
　　由硬件結合實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速轉發(fā)。
　　
　　這就不是簡單的二層交換機和路由器的疊加，三層路由模塊直接疊加在二層交換的高速背板總線上，突破了傳統(tǒng)路由器的接口速率限制，速率可達幾十Gbit/s。算上背板帶寬，這些是三層交換機性能的兩個重要參數(shù)。
　　
　　簡潔的路由軟件使路由過程簡化。
　　
　　大部分的數(shù)據(jù)轉發(fā)，除了必要的路由選擇交由路由軟件處理，都是又二層模塊高速轉發(fā)，路由軟件大多都是經(jīng)過處理的高效優(yōu)化軟件，并不是簡單照搬路由器中的軟件。
　　
　　結論
　　二層交換機用于小型的局域網(wǎng)絡。這個就不用多言了，在小型局域網(wǎng)中，廣播包影響不大，二層交換機的快速交換功能、多個接入端口和低謙價格為小型網(wǎng)絡用戶提供了很完善的解決方案。
　　
　　路由器的優(yōu)點在于接口類型豐富，支持的三層功能強大，路由能力強大，適合用于大型的網(wǎng)絡間的路由，它的優(yōu)勢瘀汁榪?撟e在于選擇最佳路由，負荷分擔，鏈路備份及和其他網(wǎng)絡進行路由信息的交換等等路由器所具有功能。
　　
　　三層交換機的最重要的功能是加快大型局域網(wǎng)絡內(nèi)部的數(shù)據(jù)的快速轉發(fā)，加入路由功能也是為這個目的服務的。如果把大型網(wǎng)絡按照部門，地域等等因素劃分成一個個小局域網(wǎng)，這將導致大量的網(wǎng)際互訪，單純的使用二層交換機不能實現(xiàn)網(wǎng)際互訪；如單純的使用路由器，由于接口數(shù)量有限和路由轉發(fā)速度慢，將限制網(wǎng)絡的速度和網(wǎng)絡規(guī)模，采用具有路由功能的快速轉發(fā)的三層交換機就成為首選。
　　
　　一般來說，在內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)流量大，要求快速轉發(fā)響應的網(wǎng)絡中，如全部由三層交換機來做這個工作，會造成三層交換機負擔過重，響應速度受影響，將網(wǎng)間的路由交由路由器去完成，充分發(fā)揮不同設備的優(yōu)點，不失為一種好的組網(wǎng)策略，當然，前提是客戶的腰包很鼓，不然就退而求其次，讓三層交換機也兼為網(wǎng)際互連。
　　
　　第四層交換的一個簡單定義是：它是一種功能，它決定傳輸不僅僅依據(jù)MAC地址(第二層網(wǎng)橋)或源/目標IP地址(第三層路由),而且依據(jù)TCP/UDP(第四層) 應用端口號。第四層交換功能就象是虛IP，指向物理服務器。它傳輸?shù)臉I(yè)務服從的協(xié)議多種多樣，有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他協(xié)議。這些業(yè)務在物理服務器基礎上，需要復雜的載量平衡算法。在IP世界，業(yè)務類型由終端TCP或UDP端口地址來決定，在第四層交換中的應用區(qū)間則由源端和終端IP地址、TCP和UDP端口共同決定。
　　在第四層交換中為每個供搜尋使用的服務器組設立虛IP地址(VIP)，每組服務器支持某種應用。在域名服務器(DNS)中存儲的每個應用服務器地址是VIP，而不是真實的服務器地址。
　　
　　當某用戶申請應用時，一個帶有目標服務器組的VIP連接請求(例如一個TCP SYN包)發(fā)給服務器交換機。服務器交換機在組中選取最好的服務器，將終端地址中的VIP用實際服務器的IP取代，并將連接請求傳給服務器。這樣，同一區(qū)間所有的包由服務器交換機進行映射，在用戶和同一服務器間進行傳輸。
　　
　　第四層交換的原理
　　OSI模型的第四層是傳輸層。傳輸層負責端對端通信，即在網(wǎng)絡源和目標系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)通信。在IP協(xié)議棧中這是TCP(一種傳輸協(xié)議)和UDP(用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議)所在的協(xié)議層。
　　
　　在第四層中，TCP和UDP標題包含端口號(portnumber)，它們可以唯一區(qū)分每個數(shù)據(jù)包包含哪些應用協(xié)議(例如HTTP、FTP等)。端點系統(tǒng)利用這種信息來區(qū)分包中的數(shù)據(jù)，尤其是端口號使一個接收端計算機系統(tǒng)能夠確定它所收到的IP包類型，并把它交給合適的高層軟件。端口號和設備IP地址的組合通常稱作"插口(socket)"。 1和255之間的端口號被保留，他們稱為"熟知"端口，也就是說，在所有主機TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)中，這些端口號是相同的。除了"熟知"端口外，標準UNIX服務分配在256到1024端口范圍，定制的應用一般在1024以上分配端口號. 分配端口號的最近清單可以在RFc1700"Assigned Numbers"上找到。TCP/UDP端口號提供的附加信息可以為網(wǎng)絡交換機所利用，這是第4層交換的基礎。
　　
　　"熟知"端口號舉例：
　　
　　應用協(xié)議　　　　端口號
　　
　　FTP　　　　　　　 20(數(shù)據(jù))
　　
　　21(控制)
　　
　　TELNET　　　　23
　　
　　SMTP　　　　　 25
　　
　　HTTP　　　　　　 80
　　
　　NNTP　　　　　 119
　　
　　NNMP　　　　　 16
　　
　　162(SNMP traps)
　　
　　TCP/UDP端口號提供的附加信息可以為網(wǎng)絡交換機所利用，這是第四層交換的基礎。
　　
　　具有第四層功能的交換機能夠起到與服務器相連接的"虛擬IP"(VIP)前端的作用。
　　
　　每臺服務器和支持單一或通用應用的服務器組都配置一個VIP地址。這個VIP地址被發(fā)送出去并在域名系統(tǒng)上注冊
　　在發(fā)出一個

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