【文章內(nèi)容簡介】 心。路由器所起的作用是：1. 網(wǎng)段微化（網(wǎng)段之間通過路由器進(jìn)行連接）；2. 網(wǎng)絡(luò)的安全控制； 3. VLAN(虛擬局域網(wǎng))間互連； 4. 異構(gòu)網(wǎng)間的互連。 　 局域網(wǎng)瓶頸（1）采用路由器作為網(wǎng)絡(luò)的核心將產(chǎn)生的問題： 路由器增加了3層路由選擇的時間，數(shù)據(jù)的傳輸效率低； 增加、移動和改變節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性有增無減； 路由器價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜； 增加子網(wǎng)/VLAN(虛擬局域網(wǎng))的互連意味著要增加路由器端口，投資也增大。 　相比之下，路由器是在OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型中的第三層網(wǎng)絡(luò)層操作的，它在網(wǎng)絡(luò)中，收到任何一個數(shù)據(jù)包(包括廣播包在內(nèi))，都要將該數(shù)據(jù)包第二層(數(shù)據(jù)鏈路層)的信息去掉(稱為拆包)，查看第三層信息（IP地址）。然后，根據(jù)路由表確定數(shù)據(jù)包的路由，再檢查安全訪問表；若被通過，則再進(jìn)行第二層信息的封裝(稱為打包)，最后將該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。如果在路由表中查不到對應(yīng)MAC地址的網(wǎng)絡(luò)地址，則路由器將向源地址的站點(diǎn)返回一個信息，并把這個數(shù)據(jù)包丟掉。與交換機(jī)相比，路由器顯然能夠提供構(gòu)成企業(yè)網(wǎng)安全控制策略的一系列存取控制機(jī)制。由于路由器對任何數(shù)據(jù)包都要有一個拆打過程，即使是同一源地址向同一目的地址發(fā)出的所有數(shù)據(jù)包，也要重復(fù)相同的過程。這導(dǎo)致路由器不可能具有很高的吞吐量，也是路由器成為網(wǎng)絡(luò)瓶頸的原因之一。如果路由器的工作僅僅是在子網(wǎng)與子網(wǎng)間、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)間交換數(shù)據(jù)包的話，我們可能會買到比今天便宜得多的路由器。實(shí)際上路由器的工作遠(yuǎn)不止這些，它還要完成數(shù)據(jù)包過濾、數(shù)據(jù)包壓縮、協(xié)議轉(zhuǎn)換、維護(hù)路由表、計(jì)算路由、甚至防火墻等許多工作。而所有這些都需要大量CPU資源，因此使得路由器一方面價(jià)格昂貴，另一方面越來越成為網(wǎng)絡(luò)瓶頸?！。?）提高路由器的硬件性能，無法解決路由器瓶頸問題：　提高路由器的硬件性能(采用更高速，更大容量的內(nèi)存)并不足以改善它的性能。因?yàn)槁酚善鞒擞布瓮?，其?fù)雜的處理與強(qiáng)大的功能主要是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的，這必然使得它成為網(wǎng)絡(luò)瓶頸。另外，當(dāng)流經(jīng)路由器的流量超過其吞吐能力時，將引起路由器內(nèi)部的擁塞。持續(xù)擁塞不僅會使轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包被延誤，更嚴(yán)重的是使流經(jīng)路由器的數(shù)據(jù)包丟失。這些都給網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用帶來極大的麻煩。路由器的復(fù)雜性還對網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)工作造成了沉重的負(fù)擔(dān)。例如，要對網(wǎng)絡(luò)上的用戶進(jìn)行增加、移動或改變時，配置路由器的工作將顯得十分復(fù)雜?！。?）交換機(jī)結(jié)合路由器存在不足：將交換機(jī)和路由器結(jié)合起來（這也是當(dāng)今大多數(shù)企業(yè)所采用的網(wǎng)絡(luò)解決方案），從功能上來講是可行的。然而，存在顯然不足，不足之處在于：從網(wǎng)絡(luò)用戶的角度看，整個網(wǎng)絡(luò)被分為兩種等級的性能：直接經(jīng)過交換機(jī)處理的數(shù)據(jù)包享受著高速公路快速、穩(wěn)定的傳遞性能；但是那些必須經(jīng)過路由器的數(shù)據(jù)包只能使用慢速通路，當(dāng)流量負(fù)荷嚴(yán)重時，便會產(chǎn)生另人頭痛的延遲。交換機(jī)和路由器是網(wǎng)絡(luò)中不同的設(shè)備，須分別購買、設(shè)置和管理，其花費(fèi)必然要多于一個基于集成化的單一完整的解決方案的花費(fèi)?！〉谒墓?jié) 第三層交換技術(shù)局域網(wǎng)交換機(jī)的引入，使得網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)間可獨(dú)享帶寬，消除了無謂的碰撞檢測和出錯重發(fā)，提高了傳輸效率，在交換機(jī)中可并行地維護(hù)幾個獨(dú)立的、互不影響的通信進(jìn)程。在交換網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，用戶信息只在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行傳送，其他節(jié)點(diǎn)是不可見的。但有一點(diǎn)例外，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)上發(fā)送廣播或組播時，或某一節(jié)點(diǎn)發(fā)送了一個交換機(jī)不認(rèn)識的MAC地址封包時，交換機(jī)上的所有節(jié)點(diǎn)都將收到這一廣播信息。整個交換環(huán)境構(gòu)成一個大的廣播域。點(diǎn)到點(diǎn)是在第二層快速、有效的交換，但廣播風(fēng)暴會使網(wǎng)絡(luò)的效率大打折扣。交換機(jī)的速度實(shí)在快，比路由器快的多，而且價(jià)格便宜的多?？梢哉f，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成的技術(shù)中，直接面向用戶的第一層接口和第二層交換技術(shù)方面已得到令人滿意的答案。交換式局域網(wǎng)技術(shù)使專用的帶寬為用戶所獨(dú)享，極大的提高了局域網(wǎng)傳輸?shù)男?。但第二層交換也暴露出弱點(diǎn)：對廣播風(fēng)暴、異種網(wǎng)絡(luò)互連、安全性控制等不能有效地解決。作為網(wǎng)絡(luò)核心、起到網(wǎng)間互連作用的路由器技術(shù)卻沒有質(zhì)的突破。當(dāng)今絕大部分的企業(yè)網(wǎng)都已變成實(shí)施TCP/IP協(xié)議的Web技術(shù)的內(nèi)聯(lián)網(wǎng)，用戶的數(shù)據(jù)往往越過本地的網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)際間傳送，因而，路由器常常不堪重負(fù)。傳統(tǒng)的路由器基于軟件，協(xié)議復(fù)雜，與局域網(wǎng)速度相比，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)男瘦^低。但同時它又作為網(wǎng)段(子網(wǎng)，VLAN)互連的樞紐，這就使傳統(tǒng)的路由器技術(shù)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。隨著Internet/Intranet的迅猛發(fā)展和B/S(瀏覽器/服務(wù)器)計(jì)算模式的廣泛應(yīng)用，跨地域、跨網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)急劇增長，業(yè)界和用戶深感傳統(tǒng)的路由器在網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸效應(yīng)。改進(jìn)傳統(tǒng)的路由技術(shù)迫在眉睫。一種辦法是安裝性能更強(qiáng)的超級路由器，然而，這樣做開銷太大，如果是建設(shè)交換網(wǎng)，這種投資顯然是不合理的。在這種情況下，一種新的路由技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，這就是第三層交換技術(shù)：第三層交換技術(shù)也稱為IP交換技術(shù)、高速路由技術(shù)等。第三層交換技術(shù)是相對于傳統(tǒng)交換概念而提出的。眾所周知，傳統(tǒng)的交換技術(shù)是在OSI網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)模型中的第二層――數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行操作的，而第三層交換技術(shù)是在網(wǎng)絡(luò)模型中的第三層實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的高速轉(zhuǎn)發(fā)。簡單地說，第三層交換技術(shù)就是：第二層交換技術(shù)＋第三層轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。這是一種利用第三層協(xié)議中的信息來加強(qiáng)第二層交換功能的機(jī)制。一個具有第三層交換功能的設(shè)備是一個帶有第三層路由功能的第二層交換機(jī)，但它是二者的有機(jī)結(jié)合，并不是簡單的把路由器設(shè)備的硬件及軟件簡單地疊加在局域網(wǎng)交換機(jī)上。從硬件的實(shí)現(xiàn)上看，目前，第二層交換機(jī)的接口模塊都是通過高速背板/總線(速率可高達(dá)幾十Gbit/s)交換數(shù)據(jù)的，在第三層交換機(jī)中，與路由器有關(guān)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的交換數(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/s100Mbit/s)。在軟件方面，第三層交換機(jī)也有重大的舉措，它將傳統(tǒng)的基于軟件的路由器軟件進(jìn)行了界定，其作法是：1．對于數(shù)據(jù)封包的轉(zhuǎn)發(fā)：如IP/IPX封包的轉(zhuǎn)發(fā)，這些有規(guī)律的過程通過硬件得以高速實(shí)現(xiàn)。2．對于第三層路由軟件：如路由信息的更新、路由表維護(hù)、路由計(jì)算、路由的確定等功能，用優(yōu)化、高效的軟件實(shí)現(xiàn)。假設(shè)兩個使用IP協(xié)議的站點(diǎn)通過第三層交換機(jī)進(jìn)行通信的過程，發(fā)送站點(diǎn)A在開始發(fā)送時，已知目的站的IP地址，但尚不知道在局域網(wǎng)上發(fā)送所需要的MAC地址。要采用地址解析(ARP)來確定目的站的MAC地址。發(fā)送站把自己的IP地址與目的站的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(luò)地址來確定目的站是否與自己在同一子網(wǎng)內(nèi)。若目的站B與發(fā)送站A在同一子網(wǎng)內(nèi)，A廣播一個ARP請求，B返回其MAC地址，A得到目的站點(diǎn)B的MAC地址后將這一地址緩存起來，并用此MAC地址封包轉(zhuǎn)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(diǎn)不在同一子網(wǎng)內(nèi)，如發(fā)送站A要與目的站C通信，發(fā)送站A要向缺省網(wǎng)關(guān)發(fā)出ARP(地址解析)封包，而缺省網(wǎng)關(guān)的IP地址已經(jīng)在系統(tǒng)軟件中設(shè)置。這個IP地址實(shí)際上對應(yīng)第三層交換機(jī)的第三層交換模塊。所以當(dāng)發(fā)送站A對缺省網(wǎng)關(guān)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目的站B的MAC地址，則向發(fā)送站A回復(fù)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，目的站C得到此ARP請求后向第三層交換模塊回復(fù)其MAC地址，第三層交換模塊保存此地址并回復(fù)給發(fā)送站A。以后，當(dāng)再進(jìn)行A與C之間數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)時，將用最終的目的站點(diǎn)的MAC地址封包，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程全部交給第二層交換處理，信息得以高速交換。(圖C)第三層交換具有以下突出特點(diǎn)：1. 有機(jī)的硬件結(jié)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?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(hù)了用戶的投資?！〉谌龑咏粨Q的目標(biāo)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(zhuǎn)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(shù)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(jìn)行管理的局面，解決了傳統(tǒng)路由器低速、復(fù)雜所造成的網(wǎng)絡(luò)瓶頸問題。當(dāng)然，三層交換技術(shù)并不是網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與路由器的簡單疊加，而是二者的有機(jī)結(jié)合，形成一個集成的、完整的解決方案?！鹘y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對用戶應(yīng)用所造成的限制，正是三層交換技術(shù)所要解決的關(guān)鍵問題。目前，市場上最高檔路由器的最大處理能力為每秒25萬個包，而最高檔交換機(jī)的最大處理能力則在每秒1000萬個包以上，二者相差40倍。在交換網(wǎng)絡(luò)中，尤其是大規(guī)模的交換網(wǎng)絡(luò)，沒有路由功能是不可想象的。然而路由器的處理能力又限制了交換網(wǎng)絡(luò)的速度，這就是三層交換所要解決的問題。第三層交換機(jī)并沒有象其他二層交換機(jī)那樣把廣播封包擴(kuò)散，第三層交換機(jī)之所以叫三層交換機(jī)是因?yàn)樗鼈兡芸吹枚谌龑拥男畔ⅲ鏘P地址、ARP等。因此，三層交換機(jī)便能洞悉某廣播封包目的何在，而在沒有把他擴(kuò)散出去的情形下，滿足了發(fā)出該廣播封包的人的需要，(不管他們在任何子網(wǎng)里)。如果認(rèn)為第三層交換機(jī)就是路由器，那也應(yīng)稱作超高速反傳統(tǒng)路由器，因?yàn)榈谌龑咏粨Q機(jī)沒做任何拆打數(shù)據(jù)封包的工作，所有路過他的封包都不會被修改并以交換的速度傳到目的地。目前主要的第三層交換技術(shù)有： Ipsilon IP交換：IP交換技術(shù)由Ipsilon公司首倡，即識別數(shù)據(jù)包流，盡量在第二層進(jìn)行交換，以繞過路由器，改善網(wǎng)絡(luò)性能。Ipsilon改進(jìn)了ATM交換機(jī)，刪去了控制器中的軟件，加上一個IP交換控制器，與ATM交換機(jī)通信。該技術(shù)適用于機(jī)構(gòu)內(nèi)部的局域網(wǎng)和校園網(wǎng)。 Cisco標(biāo)簽交換（Tag Switch）：給數(shù)據(jù)包貼上標(biāo)簽，此標(biāo)簽在交換節(jié)點(diǎn)讀出，判斷數(shù)據(jù)包傳送路徑。該技術(shù)適用于大型網(wǎng)絡(luò)和Internet。 3Com Fast IP：側(cè)重?cái)?shù)據(jù)策略管理、優(yōu)先原則和服務(wù)質(zhì)量。Fast IP協(xié)議保證實(shí)時音頻或視頻數(shù)據(jù)流能得到所需的帶寬。Fast IP支持其它協(xié)議(如IPX)，可以運(yùn)行在除ATM外的其它交換環(huán)境中?？蛻魴C(jī)需要有設(shè)置優(yōu)先等級的軟件。 IBM ARIS(Aggregate Route－based IP Switching)：與Cisco的標(biāo)簽交換技術(shù)相似，包上附上標(biāo)記，借以穿越交換網(wǎng)。ARIS一般用于ATM網(wǎng)，也可擴(kuò)展到其它交換技術(shù)。邊界設(shè)備是進(jìn)入ATM交換環(huán)境的入口，含有第三層路由映射到第二層虛電路的路由表。允許ATM網(wǎng)同一端兩臺以上的計(jì)算機(jī)通過一條虛電路發(fā)送數(shù)據(jù)，從而減少網(wǎng)絡(luò)流量。 目前，第三層交換機(jī)已在網(wǎng)絡(luò)集成中投入使用，其優(yōu)良的性能已嶄露鋒芒并得到用戶的推崇。但是，作為一種嶄新的技術(shù)，第三層交換機(jī)的成熟還有很長的路，象其它一些新技術(shù)一樣，還待進(jìn)行其協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化工作。目前很多廠商都宣稱開發(fā)出了第三層交換機(jī)，但經(jīng)國際權(quán)威機(jī)構(gòu)測試，作法各異且性能表現(xiàn)不同。另外，可能是基于各廠商占領(lǐng)市場的策略，目前的第三層交換機(jī)主要可交換路由IP/IPX協(xié)議，還不能處理其它一些有一定應(yīng)用領(lǐng)域的專用協(xié)議。因此，有關(guān)專家認(rèn)為，第三層交換技術(shù)是將來的主要網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)，傳統(tǒng)的路由器在一段時間內(nèi)還會得以應(yīng)用，但它將處于其力所能及的位置，那就是處于網(wǎng)絡(luò)的邊緣，去作速度受限的廣域網(wǎng)互聯(lián)、安全控制(防火墻)、專用協(xié)議的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連等?！?三層交換技術(shù)特點(diǎn)（1）線速路由：和傳統(tǒng)的路由器相比，第三層交換機(jī)的路由速度一般要快十倍或數(shù)十倍，能實(shí)現(xiàn)線速路由轉(zhuǎn)發(fā)。傳統(tǒng)路由器采用軟件來維護(hù)路由表，而第三層交換機(jī)采用ASIC（Application Specific Integrated Circuit）硬件來維護(hù)路由表，因而能實(shí)現(xiàn)線速的路由。（2）IP路由：在局域網(wǎng)上，二層的交換機(jī)通過源MAC地址來標(biāo)識數(shù)據(jù)包的發(fā)送者，根據(jù)目的MAC地址來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。對于一個目的地址不在本局域網(wǎng)上的數(shù)據(jù)包，二層交換機(jī)不可能直接把它送到目的地，需要通過路由設(shè)備（比如傳統(tǒng)的路由器）來轉(zhuǎn)發(fā)，這時就要把交換機(jī)連接到路由設(shè)備上。如果把交換機(jī)的缺省網(wǎng)關(guān)設(shè)置為路由設(shè)備的IP地址，交換機(jī)會把需要經(jīng)過路由轉(zhuǎn)發(fā)的包送到路由設(shè)備上。路由設(shè)備檢查數(shù)據(jù)包的目的地址和自己的路由表，如果在路由表中找到轉(zhuǎn)發(fā)路徑，路由設(shè)備把該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到其它的網(wǎng)段上，否則，丟棄該數(shù)據(jù)包。專用（傳統(tǒng)）路由器昂貴，復(fù)雜，速度慢，易成為網(wǎng)絡(luò)瓶頸，因?yàn)樗治鏊械膹V播包并轉(zhuǎn)發(fā)其中的一部分，還要和其它的路由器交換路由信息，而且這些處理過程都是由CPU來處理的（不是專用的ASIC），所以速度慢。第三層交換機(jī)既能象二層交換機(jī)那樣通過MAC地址來標(biāo)識轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，也能象傳統(tǒng)路由器那樣在兩個網(wǎng)段之間進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)。而且由于是通過專用的芯片來處理路由轉(zhuǎn)發(fā)，第三層交換機(jī)能實(shí)現(xiàn)線速路由。（3）路由功能比較傳統(tǒng)的路由器，第三層交換機(jī)不僅路由速度快，而且配置簡單。在最簡單的情況（即第三層交換機(jī)默認(rèn)啟動自動發(fā)現(xiàn)功能時），一旦交換機(jī)接進(jìn)網(wǎng)絡(luò)，只要設(shè)置完VLAN，并為每個VLAN設(shè)置一個路由接口。第三層交換機(jī)就會自動把子網(wǎng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)流限定在子網(wǎng)之內(nèi)，并通過路由實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)包交換。管理員也可以通過人工配置路由的方式：設(shè)置基于端口的VLAN，給每個VLAN配上IP地址和子網(wǎng)掩碼，就產(chǎn)生了一個路由接口。隨后，手工設(shè)置靜態(tài)路由或者啟動動態(tài)路由協(xié)議。（4）路由協(xié)議支持：第三層交換機(jī)可以通過自動發(fā)現(xiàn)功能來處理本地IP包的轉(zhuǎn)發(fā)及學(xué)習(xí)鄰近路由器的地址，同時也可以通過動態(tài)路由協(xié)議RIP1，RIP2，OSPF來計(jì)算路由路徑。下面介紹一下RIP協(xié)議和OSPF協(xié)議。路由信息協(xié)議（RIP）是一個內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（IGP），主要應(yīng)用在中等規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，RIP協(xié)議采用距離向量算法，在路由信息中包括了到達(dá)目的IP（向量）的跳躍次數(shù)（距離），跳躍次數(shù)最小的路徑是最優(yōu)路徑。RIP允許的最大跳躍次數(shù)為15，需要跳躍16次及其以上的目的地址被認(rèn)為是不可達(dá)的。RIP路由器通過周期性廣播來與鄰近的RIP路由器交換路由信息，廣播的時間間隔可以設(shè)定。廣播的內(nèi)容就是整個路由表。當(dāng)RIP路由器收到鄰近路由器的路由表后，要經(jīng)過計(jì)算來決定