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三层交换机与路由器对比:如何用高性能三层交换机替代传统路由器

交换机是现代网络架构中的关键组件,它负责在计算机网络中传输数据包。这里,我们将探讨交换机的工作原理、不同类型的交换机以及它们在小型和大型局域网中的应用。
首先,交换机如何工作?当交换机接收到数据时,它会检查数据帧的目的MAC地址,然后查找内部的MAC地址表,以确定数据应从哪个端口转发。这个MAC地址表记录了连接到每个端口的设备的MAC地址与端口对应关系。如果数据帧的目的MAC地址不在表中,交换机会将数据广播到所有端口,这个过程称为“洪水”。广播帧和组播帧也会被发送到所有端口。
交换机具有三个基本功能:学习、转发/过滤和消除循环。学习功能是指交换机根据接收到的数据帧中的源MAC地址建立映射,并存储在MAC地址表中。转发/过滤功能则确保数据帧仅被发送到目的地址所在的端口,而不是所有端口。最后,消除循环功能通过生成树协议防止网络中的环路问题,同时允许备用路径存在。
在交换机的类型方面,第二层和第三层交换机各有特点。第二层交换机工作在数据链路层,基于MAC地址进行数据帧的转发。它们通过不断学习网络中的MAC地址,建立和维护一个地址表,从而高效地转发数据。第二层交换机适合小型网络环境,因为它们可以提供快速的数据交换功能,且价格相对较低。
三层交换机则增加了网络层的路由功能,它不仅可以根据MAC地址转发数据,还可以根据ip地址进行路由选择。第三层交换机利用硬件加速数据包的交换,从而实现高速转发。当数据流首次通过时,它会进行路由查找,并创建一个MAC地址和IP地址的映射表。后续相同数据流的包将根据这个表进行交换,而无需再次进行路由查找,这样可以大大提高数据包转发的效率。
路由器和第三层交换机虽然都是三层设备,但它们之间存在显著差异。路由器的主要功能路由转发,它具有更复杂的接口类型和功能,适用于不同类型网络之间的互联。相比之下,第三层交换机的主要功能是数据交换,其路由功能相对简单,主要针对局域网内部的数据交换。
小型局域网中,第二层交换机因其快速交换、多个接入端口和低廉的价格而成为理想选择。而在大型局域网中,第三层交换机可以加快数据转发速度,解决路由器接口数量有限和转发速度慢的问题。通过将大网划分为多个小局域网,第三层交换机能够提供快速的数据交换和路由功能,满足大型网络的需求。
总之,交换机是网络中不可或缺的组件,不同的交换机类型适用于不同的网络环境。了解它们的工作原理和功能,有助于我们更好地设计和维护网络。随着网络技术的不断发展,交换机将继续在推动网络进步中发挥重要作用。

交换机的工作原理交换机接收数据时,会检查其目的MAC地址,然后从目的主机所在的接口转发数据。交换机之所以能实现这个功能,是因为交换机内部有一个MAC地址表,记录了网络中所有MAC地址与交换机端口的对应信息。

三层交换机与路由器对比:如何用高性能三层交换机替代传统路由器

当一个数据帧需要转发时,交换机根据该数据帧的目的MAC地址查找MAC地址表,从而得到该地址对应的端口,即知道拥有该MAC地址的设备连接到交换机的哪个端口,然后交换机从该端口转发该数据帧。

  • 根据交换机接收到的数据帧中的源MAC地址,建立该地址与交换机端口的映射,并写入MAC地址表。
  • 将交换机数据帧中的目的MAC地址与建立的MAC地址表进行比较,以决定向哪个端口转发。
  • 如果数据帧中的目的MAC地址不在MAC地址表中,它将被转发到所有端口。这个过程叫做洪水。
  • 广播帧和组播帧被转发到所有端口。
  • 示例:图中显示了一个网络。

    假设主机pc1向主机pc7发送数据帧。数据帧发送到交换机后,交换机首先查找MAC地址表,发现主机pc7连接到接口E0/24,然后从接口E0/24转发数据帧。

    开关的三个基本功能。学问

    以太网交换机知道连接到每个端口的设备的MAC地址,将该地址映射到相应的端口,并将其存储在交换机缓存中的MAC地址表中。

    2.转发/过滤

    当数据帧的目的地址被映射在MAC地址表中时,它被转发到连接到目的节点的端口,而不是所有端口(如果数据帧是广播/多播帧,它被转发到所有端口)。

    3.消除循环

    当交换机包含冗余环路时,以太网交换机通过生成树协议避免环路,并允许备用路径存在。

    第2层和第3层交换机的比较1。第二层交换技术

    二层交换技术比较成熟,二层交换机是数据链路层设备,可以识别数据包中的MAC地址信息,根据MAC地址进行转发,并将这些MAC地址和对应的端口记录在自己的内部地址表中。

    具体工作流程如下:

    (1)当交换机从某个端口接收到一个数据包时,首先读取报头中的源MAC地址,这样就知道有源MAC地址的机器连接到了哪个端口;

    (2)读取包头中的目的MAC地址,并在地址表中查找对应的端口;

    (3)如果表中有目的MAC地址对应的端口,则将数据包直接复制到该端口;

    (4)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,交换机可以获知目的MAC地址对应于哪个端口,因此在下一次数据传输中不再需要广播所有端口。

    在这个不断循环的过程中,可以获知全网的MAC地址信息。第2层交换机就是这样建立和维护自己的地址表的。

    从第二层交换机的工作原理可以推断出以下三点:

    (1)由于交换机同时交换大多数端口的数据,因此它需要较宽的交换总线带宽。如果二层交换机有n个端口,每个端口的带宽为M,交换机的总线带宽超过N×M,那么交换机可以实现线速交换

    (2)学习端口连接的机器的MAC地址,写地址表,地址表的大小(一般有两种表达:BEFFER RAM和MAC entry value)。地址表的大小影响交换机的访问能力;

    (3)还有一个就是二层交换机一般都含有专用于包转发的ASIC芯片,所以转发速度可以很快。因为不同厂商采用的ASIC不同,直接影响产品性能

    2.第三层交换机

    第三层交换工作在OSI七层网络模型的第三层,即网络层。它利用三层协议中IP包的头信息来标记后续的数据业务流,具有相同标记的业务流的后续报文被交换到二层数据链路层,从而在源IP地址和目的IP地址之间打开一条通路。该路径通过第二链路层。

    有了这条路径,三层交换机就不需要每次对接收到的数据包进行解包来判断路由,而是直接转发数据包,交换数据流。

    比如A要向B发送数据,目的IP已知,那么A会利用子网掩码获取网络地址,确定目的IP是否和自己在同一个网段。

    使用IP的设备A-第3层交换机-使用IP的设备B

    如果在同一个网段,但是不知道转发数据所需的MAC地址,A会发送ARP请求,B会返回自己的MAC地址,A会用这个MAC封装数据包发送给交换机,交换机用二层交换模块查找MAC地址表,将数据包转发到相应的端口。

    如果目的IP地址显示不在同一个网段,那么如果A要和B通信,而流缓存条目中没有对应的MAC地址条目,那么它会向一个默认网关发送第一个正常数据包。这个默认网关一般是在操作系统中设置的,对应的是三层路由模块,所以可以看出,对于不在同一个子网的数据,默认网关的MAC地址首先放在MAC表中。

    然后三层路由模块接收这个包,查询路由表确定到B的路由,构造一个新的帧头,其中默认网关的MAC地址是源MAC地址,主机B的MAC地址是目的MAC地址。

    通过一定的识别触发机制,建立主机A和B的MAC地址与转发端口的对应关系,记录入站缓存条目表,这样A到B的未来数据将直接交给二层交换模块。这通常被称为一次路由多次转发。

    您可以看到三层交换的特点:

    a、通过硬件组合实现高速数据转发。

    b,这不是第二层交换机和路由器的简单叠加。三层路由模块直接叠加在二层交换机的高速背板总线上,突破了传统路由器的接口速度限制,速度可以达到几十Gbit/s,算上背板带宽,这是三层交换机性能的两个重要参数。

    C.简单的路由软件简化了路由过程。

    d、大部分的数据转发,除了必要的路由选择,都是由路由软件来处理,这是另外一个两层的模块,速度很高。大多数路由软件是经过处理的高效优化软件,而不是简单地复制路由器中的软件。

    所以,得出结论:

    第2层交换机:基于MAC地址

    三层交换机:有VLAN功能,有交换和路由,基于IP,也就是网络。

    路由器和三层交换机的区别路由器是三层设备,但是三层交换机可以同时工作在三层和二层。

    事实上,第三层交换机和路由器之间仍然有很大的区别:

    1.主要功能不一样。虽然第三层交换机和路由器都有路由功能,但不能划等号。路由器不仅具有路由功能,还提供了交换机端口和硬件防火墙的附加功能,旨在使设备更适用、更实用。

    第三层交换机也是如此,它的主要功能仍然是数据交换,但它是一个具有一些基本路由功能的交换机。三层交换机具有数据交换和路由转发两种功能,但其主要功能是数据交换。路由器只有路由转发的主要功能。

    2.主要适用环境不同。三层交换机的路由功能通常比较简单,因为主要面对的是简单的局域网连接。这些功能远没有路由器复杂。它在局域网中的主要用途是提供快速数据交换功能,满足局域网中频繁数据交换的应用特点。

    路由器不一样。虽然它们也适用于局域网之间的连接,但是它们的路由功能更多的体现在不同类型网络之间的互联,比如局域网和广域网之间的连接,不同协议网络之间的连接等。它们的优势在于选择最佳路由、负载分担、链路备份以及与其他网络交换路由信息。

    另外,为了连接各种类型的网络,路由器的接口类型非常丰富,而三层交换机一般只有同类型的局域网接口,非常简单。

    3.技术实现是不同的。路由器和第3层交换机在分组交换操作上有明显的区别。

    路由器通常通过基于网络处理器或多核的路由引擎来执行分组交换。

    而第3层交换机通过硬件执行数据包交换。第3层交换机将第一个数据包发送到控制平面进行路由查找后,它将生成一个MAC地址和IP地址的映射表,供数据平面查找。当同一个数据流再次经过时,它会根据这个表进行查表,而不是发送到控制平面再次进行路由查找(即“一条路由,多次交换”)。

    提高了数据包转发的效率。三层交换机的路由查找是针对数据流的,利用缓存技术,利用ASIC技术很容易实现,所以可以大大节约成本,实现快速转发。

    但是路由器的转发采用最长匹配法,实现起来比较复杂。一般用昂贵的网络处理器或多核处理器实现,路由表数量庞大,成本相当高。

    第2层交换机用于小型局域网。在小型局域网中,广播数据包的影响很小。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

    第三层交换机最重要的功能是加快大型局域网中数据的快速转发,路由功能的增加就是为这个目的服务的。如果把大网按照部门、地域等因素划分成小局域网,会导致大量的上网访问,单纯使用二层交换机无法实现上网访问;

    如果只使用路由器,由于接口数量有限,路由转发速度慢,网络的速度和规模都会受到限制。因此,具有路由功能的快速转发三层交换机成为首选。

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