【摘要】 三层交换是近年被广泛应用的新兴网络技术，可以减少网络拓扑的复杂性、降低局域网组网成本，本文详细介绍了三层交换的技术原理及其在中央电台内网中的应用。
【关键词】 局域网 二层交换机 三层交换机 路由器
一．三层交换机产生的背景
随着Internet的发展，网络技术也日新月异。以太网交换技术从二层交换逐渐发展到较成熟的三层交换，将来会发展到高层交换。三层交换技术是近年才出现的一种新型交换技术，最初是为了解决广播域的问题。经过多年发展，三层交换技术已经成为构建多业务融合网络的主要力量。简单地说，可以处理网络第三层数据转发的交换技术就是三层交换技术，其利用第三层的地址（如IP地址）实现报文的路由功能。三层交换技术的出现，解决了局域网中网段划分之后，网段中各子网必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。
众所周知，传统的二层交换技术是在OSI网络标准模型中的第二层—数据链路层进行的，而三层交换技术是在网络模型中的第三层—网络层实现数据包的高速转发。简单地说，三层交换技术就是：二层交换技术加三层转发技术。根据当前流行的组网结构，二层交换技术普遍应用VLAN（虚拟局域网)。它按照所接收到数据包的目的MAC地址来进行转发，对于网络层或者高层协议来说是透明的。它不处理网络层的IP地址，不处理高层协议中诸如TCP、UDP的端口地址，只需要数据包的物理地址即MAC地址，数据交换是靠硬件来实现的，转发速度快，是二层交换的一个显著的优点。但是，其不能处理不同IP子网之间的数据交换。传统的路由器则充当第三层设备，可以处理大量的跨越IP子网的数据包，但是它的转发效率比二层低，因此要想利用二层转发效率高这一优点，又要处理三层IP数据包，三层交换技术就诞生了。一个具有三层交换功能的设备，是一个带有第三层路由功能的二层交换机，但它是二者的有机结合，并不是简单地把路由器设备的硬件及软件叠加在局域网交换机上。
二．三层交换的原理
三层交换，工作在OSI七层网络模型中的第三层，是利用IP包的包头信息来对后续数据业务流进行标记，具有同一标记的业务流的后续报文被交换到相同的数据链路，从而打通源IP地址和目的IP地址之间的一条通路。有了这条通路，三层交换机就没有必要每次将接收到的数据包进行拆包来判断路由，而是直接将数据包进行转发，将数据流进行交换。
三层交换最大的特点是一次路由多次转发，并由硬件实现数据的高速转发。下面通过一个简单的网络来看看三层交换机的工作过程。设备A通过三层交换机与设备B相连。
图1 二层交换流程
如图1所示，如A要向B发送数据，已知目的IP，则A用子网掩码取得网络地址，判断B是否与自己在同一网段。如果在同一网段，但不知道目的MAC地址，则A向B发送一个ARP请求，B返回其MAC地址，A用此MAC封装数据包并将其发送给交换机，交换机在其二层交换模块查找MAC地址表，将数据包转发到B所对应的端口。
图2 三层交换路由流程
如图2所示，如果B与A不在同一网段，A要与B通讯，如果在流缓存条目中没有对应MAC地址，第一个数据包将发送向缺省网关（缺省网关在操作系统中设置），所以对于不在同一子网的数据，初始的MAC表中放的是缺省网关的MAC地址；三层路由模块接收到此数据包后，查询路由表以确定到达B的路由，构造一个新的帧头，以缺省网关的MAC地址为源MAC地址，以主机B的MAC地址为目的MAC地址。通过一定的识别触发机制，确立主机A与B的MAC地址及转发端口的对应关系，并将其记录到流缓存条目表，随后A到B的数据，就可以直接交由二层交换模块完成。
三．层交换机与路由器的比较
三层交换不是简单的二层交换机与路由器的叠加，三层路由模块叠加在二层交换的高速背板总线上，突破了传统路由器的接口速率限制，速率可达几十Gbit/s。简洁的路由软件使路由过程简化。大部分的数据转发，除了必要的路由选择交由路由软件处理，都是由二层模块高速处理，因此三层交换机的最重要的功能是实现大型局域网络内部的快速数据转发。
路由器的转发采用最长匹配的方式，实现复杂，通常使用软件来实现。而三层交换机的路由查找是针对流的，它利用CACHE技术，很容易采用ASIC实现，因此，可以大大节约成本。但从技术上讲，路由器和三层交换机在数据包交换操作上存在着明显区别。路由器一般由基于微处理器的引接执行数据包交换，而三层交换机通过硬件执行数据包交换。
三层交换机现在还不能提供完整的路由选择协议，而路由器则具备同时处理多个协议的能力。当连接不同协议的网络，像以太网和令牌环的组合网络，依靠三层交换机是无法实现的。因此，三层交换机并不等于路由器，也不可能完全取代路由器。
四．现有播录网的分析及改进
通过上图我们发现，根据网络安全的需要内网被划分为播出、录制、媒资等子网。各子网通过路由器相连，随着数字化播出的不断发展，各子网间数据业务的不断增加，如大量音频文件需要从录制站向播出站拷贝。路由器承担的载荷越来越大，并导致各子网间的访问速度越来越慢，通过上面的分析将路由器升级为三层交换机可以极大的提高子网间的传输速率，减少网络设备，并增加网络的维护性。
图3 播录网络及办公网络拓扑
通过以上分析，将路由器更新为三层交换机Cisco3550，实现播出网与录制网之间互联的网络配置，具体配置如下：
switch#vlan database；进入VLAN设置
switch(vlan)#vlan 1；建VLAN 1
switch(config)#int f0/1；进入端口1
switch(config-if)#switchport access vlan 1 ；当前端口加入vlan 1
switch(config-if)#no swichport；开启接口路由功能
switch (config-if)#exit
switch(config)#interface vlan 1；进入vlan 1
switch(config-if)#ip address ip 192.168.1.1 255.255.255.0；设置IP地址
switch(config)#ip default-gateway；设置默认网关
switch#vlan database；进入VLAN设置
switch(vlan)#vlan 2；建VLAN 2
switch(config)#int f0/2；进入端口2
switch(config-if)#switchport access vlan 2；当前端口加入vlan 2
switch(config-if)#no swichport；开启接口路由功能
switch (config-if)#exit
switch(config)#interface vlan 2；进入vlan 2
switch(config-if)#ip address ip 192.168.2.1 255.255.255.0；设置IP地址
switch(config)#ip default-gateway；设置默认网关
switch(config)#ip routing
五．总结
使用三层交换机可以极大的降低局域网的组网和维护成本，提高网络带宽利用率。紧跟IP技术的发展步伐可以大大提高我台信息化程度，提高播出和制作的水平，使网络技术更好的服务于广播事业。B&P
参考文献：
(1)W. Richard Stevens, 《TCP/IP详解卷1：协议》, 机械工业出版社,2000.
(2)Radia Perlman, Interconnections(Second Edition),机械工业出版社，2002
(3)www.networkdictionary.com