三層交換機的原理和設計

2．第三層交換技術

2.2 三層交換的原理 

從硬件的實現(xiàn)上看，目前，第二層交換機的接口模塊都是通過高速背板/總線交換數(shù)據(jù)的。在第三層交換機中，與路由器有關的第三層路由硬件模塊也插接在高速背板/總線上，這種方式使得路由模塊可以與需要路由的其他模塊間高速地交換數(shù)據(jù)，從而突破了傳統(tǒng)的外接路由器接口速率的限制(10Mbit/s---100Mbit/s)。在軟件方面，第三層交換機將傳統(tǒng)的基于軟件的路由器重新進行了界定：

(1)．數(shù)據(jù)封包的轉發(fā)：如IP/IPX 封包的轉發(fā)，這些有規(guī)律的過程通過硬件高速實現(xiàn)；

(2)．第三層路由軟件：如路由信息的更新、路由表維護、路由計算、路由的確定等功能，用優(yōu)化、高效的軟件實現(xiàn)。

假設有兩個使用IP 協(xié)議的站點，通過第三層交換機進行通信的過程為：若發(fā)送站點A 在開始發(fā)送時，已知目的站B的IP 地址，但尚不知道它在局域網(wǎng)上發(fā)送所需要的MAC 地址，則需要采用地址解析(ARP)來確定B的MAC 地址。A把自己的IP 地址與B的IP 地址比較，采用其軟件中配置的子網(wǎng)掩碼提取出網(wǎng)絡地址來確定B是否與自己在同一子網(wǎng)內。若B 與A 在同一子網(wǎng)內，A 廣播一個ARP 請求，B 返回其MAC 地址，A 得到B 的MAC 地址后將這一地址緩存起來，并用此MAC 地址封包轉發(fā)數(shù)據(jù)，第二層交換模塊查找MAC 地址表確定將數(shù)據(jù)包發(fā)向目的端口。若兩個站點不在同一子網(wǎng)內，則A 要向"缺省網(wǎng)關"發(fā)出ARP(地址解析)封包，而"缺省網(wǎng)關"的IP 地址已經(jīng)在系統(tǒng)軟件中設置，這個IP 地址實際上對應第三層交換機的第三層交換模塊。當A 對"缺省網(wǎng)關"的IP 地址廣播出一個ARP 請求時，若第三層交換模塊在以往的通信過程中已得到B 的MAC 地址，則向發(fā)送站A 回復B 的MAC 地址；否則第三層交換模塊根據(jù)路由信息向目的站廣播一個ARP 請求，B 得到此ARP 請求后向第三層交換模塊回復其MAC 地址，第三層交換模塊保存此地址并回復給發(fā)送站A 。以后，當再進行A 與B 之間數(shù)據(jù)包轉發(fā)時，將用最終的目的站點的MAC 地址封包，數(shù)據(jù)轉發(fā)過程全部交給第二層交換處理，信息得以高速交換[1] 。

2.3 第三層交換的特點 

突出的特點如下：　　

(1). 有機的硬件結合使得數(shù)據(jù)交換加速；

(2). 優(yōu)化的路由軟件使得路由過程效率提高；

(3). 除了必要的路由決定過程外，大部分數(shù)據(jù)轉發(fā)過程由第二層交換處理；

(4). 多個子網(wǎng)互連時只是與第三層交換模塊的邏輯連接，不象傳統(tǒng)的外接路由器那樣需增加端口，保護了用戶的投資。

第三層交換的目標是，只要在源地址和目的地址之間有一條更為直接的第二層通路，就沒有必要經(jīng)過路由器轉發(fā)數(shù)據(jù)包。第三層交換使用第三層路由協(xié)議確定傳送路徑，此路徑可以只用一次，也可以存儲起來，供以后使用。之后數(shù)據(jù)包通過一條虛電路繞過路由器快速發(fā)送。

第三層交換技術的出現(xiàn)，解決了局域網(wǎng)中網(wǎng)段劃分之后，網(wǎng)段中子網(wǎng)必須依賴路由器進行管理的局面，解決了傳統(tǒng)路由器低速、復雜所造成的網(wǎng)絡瓶頸問題。當然，三層交換技術并不是網(wǎng)絡交換機與路由器的簡單疊加，而是二者的有機結合，形成一個集成的、完整的解決方案。

3．一款第三層交換機的設計 

考慮到市場需要，交換機成本和自主知識產(chǎn)權因素，我們設計開發(fā)了有自主知識產(chǎn)權的VLSW 4150系列交換機。VLSW 4150 系列交換機是為企業(yè)提供的高性能、多層次化的解決方案。VLSW 4150也適用于ISP和服務提供商，尤其是對于一些大型的運營商，將能夠增強其在IP市場的競爭力。

3.1 總體設計 

VLSW 4150交換機有24個RJ45 10/100BASE－TX自適應端口，提供2個可選的光纖10/100BaseTx以太口、100BaseFx快速以太端口或者千兆以太網(wǎng)口（SX，LX，ZX），并另外提供一個串口和一個100M以太網(wǎng)口對交換機進行配置。

VLSW 4150交換機的體系結構可以支持最高到11Gbps的速率，多層交換速率達到6.6Mpps；可以支持8,192個MAC地址；為了更好的控制網(wǎng)絡流量和網(wǎng)絡安全，還支持以1M為步長的速率限制；支持Tagged VLAN和MAC-based的 幀過濾以及RIP、OSPF和BGP路由協(xié)議。

VLSW 4150交換機提供堆棧技術可以以一個邏輯IP地址來管理多個交換機，并可在一個口上鏡像其他的數(shù)據(jù)包，提供基于Web的網(wǎng)管系統(tǒng)以及CLI方式來調試交換機。VLSW 4150支持SNMP協(xié)議、RMON和Telnet功能來便于管理。

3.2 硬件結構

VLSW 4150三層交換機的硬件結構分為兩個部分，處理器模塊和交換模塊，它們之間通過PCI接口相連，同時配合相應的外圍電路形成完整的三層交換機系統(tǒng)，見圖1。

                                                      圖1 硬件結構

(1)處理器模塊

如圖2所示，處理器部采用一款MOTOROLA PowerQUICC II CPU，同一些外部存儲設備以及一些外圍電路構成三層交換機的處理器部分。處理器模塊主要是運行嵌入式操作系統(tǒng)，配置系統(tǒng)和路由表的維持，而不是數(shù)據(jù)轉發(fā)通路的組成部分。CPLD 保存一些CPU初始化的一些配置以保證上電后CPU正常啟動，F(xiàn)lash 芯片用于存儲三層交換機的所需要的所有軟件和相關配置，SDRAM在系統(tǒng)啟動之后載入FLASH中的程序，保證系統(tǒng)正常運行。處理器模塊一方面提供一個快速以太網(wǎng)接口和一個異步口，用于對交換機進行配置和調試；另一方面通過PCI接口和交換模塊相連，通過PCI接口對交換模塊進行控制，并進行數(shù)據(jù)傳輸[2] 。

                                     圖2 處理器模塊的硬件組成

(2)交換模塊

如圖3所示，交換模塊采用了BROADCOM公司的BCM5645作為ASIC芯片，通過PCI接口與處理器模塊進行通信完成數(shù)據(jù)傳輸，通過5645提供的內存接口，可以給交換模塊提供一個64M的外部SDRAM，從而提高交換機的吞吐量和交換速度。5645通過MII接口和GMII接口分別連接24個百兆以太網(wǎng)和2個千兆以太網(wǎng)[3] 。

                                               圖3 交換模塊的硬件組成

3.3 軟件結構

VLSW 4150三層交換機的軟件系統(tǒng)采用了模塊化、分布式的設計方法，基于實時多任務操作系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)的結構呈層次結構，一層建立在另一層的基礎上，每一層都使用近鄰它的下一層所提供的服務，并且為它上面一層提供更高一級的服務，其優(yōu)點是：可以向上層軟件屏蔽底層操作，提高上層軟件的可移植性，提高軟件的可維護性。

如圖4所示，軟件大體分為三個層面：

(1)驅動層

驅動程序將上層軟件和硬件系統(tǒng)進行了連接，把上層軟件的路由更新、管理及配置命令轉化為硬件系統(tǒng)所能識別的格式，從而達到更新其內部數(shù)據(jù)結構如路由表，地址表等，控制及管理硬件交換系統(tǒng)的目的；同時設備驅動程序把底層硬件收到的路由更新報文、控制管理幀及收到的各種信息傳遞給上層軟件處理；

(2)協(xié)議棧

實現(xiàn)了TCP/IP、802.1D和802.1Q等協(xié)議，為上層的應用程序提供良好的接口；

(3)應用層

主要包括路由模塊和網(wǎng)管模塊，路由模塊實現(xiàn)了RIP和OSPF等協(xié)議，即實現(xiàn)第三層路由的主要功能；網(wǎng)管模塊實現(xiàn)了SNMP和RMON等網(wǎng)管模塊，使三層交換機具有部分網(wǎng)管功能，保證三層交換機更好地正常運轉。

                                                                    圖4 軟件結構

4．第三層交換機的應用

第三層交換機的主要用途是代替?zhèn)鹘y(tǒng)路由器作為網(wǎng)絡的核心，因此，凡是沒有廣域連接需求，同時又需要路由器的地方，都可以用第三層交換機來代替。在企業(yè)網(wǎng)和校園網(wǎng)中，一般會將第三層交換機用在網(wǎng)絡的核心層，用第三層交換機上的千兆端口或百兆端口連接不同的子網(wǎng)或VLAN。第三層交換機解決了局域網(wǎng)VLAN必須依賴路由器進行管理的局面，解決了傳統(tǒng)路由器速度低、復雜所造成的網(wǎng)絡瓶頸問題。利用三層交換機在局域網(wǎng)中劃分VLAN, 可以滿足用戶端多種靈活的邏輯組合, 防止了廣播風暴的產(chǎn)生, 對不同 VLAN 之間可以根據(jù)需要設定不同的訪問權限，以此增加網(wǎng)絡的整體安全性，極大地提高網(wǎng)絡管理員的工作效率，而且第三層交換機可以合理配置信息資源，降低網(wǎng)絡配置成本，使得交換機之間連接變得靈活。