自考局域網(wǎng)組網(wǎng)工程聽課筆記第七章

第7章 第三層交換

20世紀(jì)90年代中期以來， 第三層交換（L3）技術(shù)成為IT媒體頻頻出現(xiàn)的詞匯，各網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商把它最為競爭的法寶。

7.1 概述

1.使用網(wǎng)橋的局限性

網(wǎng)橋的優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）網(wǎng)橋基于MAC地址，實(shí)現(xiàn)LAN之間的互聯(lián)。優(yōu)點(diǎn)是：網(wǎng)絡(luò)靠作簡單，速度快，與OSI的其他層無關(guān)。其易于維護(hù)且價格低廉。

（2）網(wǎng)橋無法實(shí)現(xiàn)流控，廣播包從一個LAN到另一個LAN，常會引起大量的多路廣播，造成網(wǎng)絡(luò)效率降低。最嚴(yán)重時會造成廣播風(fēng)暴，是整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

（3）當(dāng)網(wǎng)橋構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時，會產(chǎn)生廣播包和不知道目的地址的數(shù)據(jù)包的循環(huán)問題。為此制定了生成樹的算法。即在一個網(wǎng)絡(luò)中，任意兩個終端之間只有一條路徑。

（4）在某些情況下，因網(wǎng)橋擁塞而丟失數(shù)據(jù)包，使網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、不可靠。

（5）廣播包是需要的，但太多的廣播包會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)效率降低。

2.路由器的引入及其局限性

靠路由器的優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）網(wǎng)絡(luò)分段，這是路由器最主要的功能之一。路由器可以將不同的LAN互聯(lián)。

（2）路徑選擇，通過對數(shù)據(jù)包中的IP地址檢查，選擇出路徑。

（3）隔離廣播，路由器可以住址廣播流量從一個LAN到另一個LAN，可避免廣播風(fēng)暴。

（4）安全性與防火墻，只有被授權(quán)的用戶才能通過路由器。

（5）第三層的特殊服務(wù)，如優(yōu)先權(quán)控制。

（6）廣域網(wǎng)連接，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)目前仍使用路由器作為網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備。

靠路由器的工作原理：（略）

靠路由器的限制：

（1）路由器需對每一個數(shù)據(jù)包檢查，即使是同一源地址到同一目的地址的數(shù)據(jù)包也不例外，重復(fù)工作。

（2）軟件是路由器的主要實(shí)現(xiàn)方式，由于以上原因，路由器的吞吐量不可能很高。

（3）路由器在流量超過本身的吞吐量時，會造成數(shù)據(jù)包丟失或延誤，給網(wǎng)絡(luò)造成危害。

3.局域網(wǎng)交換技術(shù)的引入及其局限性

交換式網(wǎng)絡(luò)是以交換器為中心構(gòu)造的網(wǎng)絡(luò)體系，交換式網(wǎng)絡(luò)與多端口網(wǎng)橋非常相似，他們都工作在第二層，網(wǎng)橋交換事業(yè)是基于每個數(shù)據(jù)包的終點(diǎn)地址（MAC）。

交換式網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)通常采用全硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，具有速度快，可以為每一個節(jié)點(diǎn)提供全部網(wǎng)絡(luò)帶寬，但同網(wǎng)橋一樣它也不具備隔離廣播數(shù)據(jù)包的能力。

4.L3交換技術(shù)引入的背景

交換技術(shù)可以克服網(wǎng)絡(luò)帶寬的局限，而路由器又能解決TCP/IP中的地址問題，那么將兩者技術(shù)結(jié)合起來，揚(yáng)長避短，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，從而解決以上問題。在這種背景下，產(chǎn)生了交換式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

7.2 L3交換技術(shù)解決方案的分類

目前已提出的L3交換技術(shù)解決方案分為兩類：

一類基于核心模型，另一類基于邊緣多層混合交換模型。

7.2.1 解決方案的分類

1.基于核心模型的解決方案

主要解決核心關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，即路由器的第三層交換技術(shù)。有兩種方案：

（1）對于每一個數(shù)據(jù)包都需檢查源/目的IP地址的方法，改為檢查數(shù)據(jù)分組攜帶的網(wǎng)絡(luò)流標(biāo)志為依據(jù)，這樣就大大減小了檢查的時間，提高了吞吐率。

（2）完全用ASIC（專用集成電路）硬件以線速來實(shí)現(xiàn)路由器的路由/轉(zhuǎn)發(fā)、流控、管理、服務(wù)質(zhì)量等功能。

2.于邊緣多層混合交換模型的解決方案

“一次路由，隨后交換”的方案：

（1）這種方案認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)智能應(yīng)該在網(wǎng)絡(luò)的邊緣，而不是在網(wǎng)路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫@樣可以減少網(wǎng)絡(luò)中繼點(diǎn)的額外開銷。

（2）這種方案認(rèn)為絕大多數(shù)策略和請求都在端系統(tǒng)上完成，少數(shù)特定的控制功能（如身份認(rèn)證、防火墻、流量統(tǒng)計等）則集中在少數(shù)幾個網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點(diǎn)的智能系統(tǒng)。

（3）這種方案認(rèn)為在第三層路由一次，然后在第二層交換端到端的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分組。

7.2.2 兩種L3交換實(shí)現(xiàn)策略

1.原有設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行升級和改造

在有關(guān)的邊緣和核心設(shè)備上，配置新的軟件、硬件或者更換部分部件，使數(shù)據(jù)流效率大大提高。

2.設(shè)計全新的、功能完善的高性能L3交換器以代替作為核心設(shè)備的傳統(tǒng)路由器

7.3 局域網(wǎng)系統(tǒng)中使用的典型的L3交換技術(shù)

7.3.1 3Com的FastIP技術(shù)

3Com的FastIP技術(shù)是一種典型的邊緣多層混合交換模型的解決方案，它采用了“一次路由，隨后交換”的方案：NHRP（下一條路由協(xié)議）是FastIP的主要技術(shù)基礎(chǔ)。

1.NBMA（非廣播多路訪問）網(wǎng)的NHRP協(xié)議簡介

（1）NBMA（非廣播多路訪問）網(wǎng)的NHRP協(xié)議可以參見RFC1735.

（2）NHRP并不是一個路由協(xié)議，它只是一個IP邏輯子網(wǎng)（LIS）的地址解析協(xié)議，適用于NBMA（非廣播多路訪問）網(wǎng)（ATM網(wǎng)就是NBMA，因?yàn)锳TM是面向連接，它和廣播無連接以太網(wǎng)不同）。

（3）NHRP是一個標(biāo)準(zhǔn)的IP格式數(shù)據(jù)包，源站的MAC地址和IP地址以及幀類型，幀類型指出這是NHRP請求數(shù)據(jù)包。

（4）利用NHRP協(xié)議進(jìn)行通信：

在同一個NBMA網(wǎng)中，就使用NHRP協(xié)議進(jìn)行地址解析；

在不同一個NBMA網(wǎng)中，則把目的端所在子網(wǎng)的路由器的NBMA地址通知源端。

在同一個NBMA網(wǎng)中，不管是否劃分為多個子網(wǎng)，都不需要路由器交換。

例如：在下例中，（a）為沒使用NHRP協(xié)議的NBMA網(wǎng)絡(luò)；（b）為使用NHRP協(xié)議的NBMA網(wǎng)絡(luò)，他們的交換方式如下：

2.局域網(wǎng)環(huán)境中的FastIP技術(shù)

FastIP技術(shù)介紹：

（1）一個未端系統(tǒng)主機(jī)A在需要傳送數(shù)據(jù)給另一個未端系統(tǒng)主機(jī)B，A和B分別在不同的IP邏輯子網(wǎng)或者在不同的虛擬局域網(wǎng)中。

（2）主機(jī)A首先初始化一個標(biāo)準(zhǔn)的IP通信進(jìn)程，然后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)分組給它的缺省路由器（一般稱為缺省網(wǎng)關(guān)）。

（3）A首先傳送一個NHRP請求，（包括主機(jī)A的MAC地址）給主機(jī)B.

（4）但路由器收到NHRP后，如果控制策略允許的話，路由器將這個請求轉(zhuǎn)發(fā)給主機(jī)B，否則就丟棄，并且后繼的數(shù)據(jù)必須按路由器路徑轉(zhuǎn)發(fā)。

（5）如果控制策略允許的話，B收到A的NHRP請求后，他立即回送一個NHRP響應(yīng)，在這個響應(yīng)的源地址字段中B填寫自己的MAC地址，在目的地址字段中填寫A的MAC地址。

（6）這個響應(yīng)通過一條交換路徑（不是路由路徑）返回A.

（7）隨后就可以建立數(shù)據(jù)交換路徑，進(jìn)行雙方的通信，這就是 “一次路由，隨后交換”。

注意：

FastIP有一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的限制，因?yàn)镹HRP是基于交換路徑的，在源端和目的端之間必須存在交換路徑，如下圖，則不支持FastIP.

3.FastIP技術(shù)特點(diǎn)

FastIP技術(shù)特點(diǎn)總結(jié)如下：

（1） FastIP技術(shù)的思路是設(shè)法在數(shù)據(jù)交換過程中避開第三層路由器。即把基于IP地址路由表功能轉(zhuǎn)化成基于端口——MAC地址表的轉(zhuǎn)發(fā)功能，從而實(shí)現(xiàn)完全的端到端高速交換通信。

（2）FastIP是基于局域網(wǎng)的第三層交換解決方案，除了3Com的網(wǎng)絡(luò)接口卡和軟件支持外，可以兼容許多第三方產(chǎn)品和技術(shù)。

（3）FastIP并不是要替代路由，而是把交換和路由很好地結(jié)合在一起。經(jīng)測試，F(xiàn)astIP可以把網(wǎng)絡(luò)的吞吐率提高4~5倍。

7.3.2 CISCO的NetFlow交換

CISCO使全球首屈一指的路由器設(shè)備供應(yīng)商。

1.CISCO的NetFlow交換處理

傳統(tǒng)的第三層路由技術(shù)為：

對每一個數(shù)據(jù)分組分別獨(dú)立地進(jìn)行處理，即使是源端和目的端相同的分組也要進(jìn)行分別獨(dú)立地進(jìn)行處理。過程可記為：MAC——IP——MAC.

NetFlow交換如下：

（1）每一個數(shù)據(jù)分組仍然采用一般的第三層路由/交換方式，處理之后的路由器把第一個數(shù)據(jù)分組的信息記錄在NetFlow的高速緩存中；

（2）后繼的分組到達(dá)后，首先在高速緩存（CACHE）中進(jìn)行匹配查找，如果命中，就使用高速緩存（CACHE）中緩存的路由信息，直接進(jìn)行交換轉(zhuǎn)發(fā)，否則再進(jìn)行通常的路由轉(zhuǎn)發(fā)。

（3）NetFlow技術(shù)中，網(wǎng)絡(luò)流的劃分標(biāo)準(zhǔn)是源和目的IP地址，因此NetFlow必須首先識別一個分組所攜帶的源和目的IP地址域，并查找。

（4）NetFlow速度可達(dá)到每秒30萬個分組。

（5）CISCO還采用了一種專用的技術(shù)，可以支持流狀態(tài)信息的搜集和輸出，便于管理者管理。

2.CISCO NetFlow“交換”的意義

（1）NetFlow仍然工作在第三層，而不是第二層。

（2）NetFlow交換是一種傳統(tǒng)的路由轉(zhuǎn)發(fā)的改進(jìn)方法，即使用高速緩存（CACHE）的一個變種，在技術(shù)上做了一些改進(jìn)。

（3）NetFlow并沒有建立連接源和目的端系統(tǒng)的第二層交換路徑，它只是單獨(dú)的路由器上完成的。

數(shù)據(jù)分組被“交換”只有局部意義，這與通常意義上的交換是完全不同的。

7.4 廣域網(wǎng)中的L3交換技術(shù)

廣域網(wǎng)的速率可達(dá)到G和T比特。

7.4.1 廣域網(wǎng)存在的問題

1.廣域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸及其存在問題

舉例：（1）CEP路由器A到CEP路由器B

（2）CEP路由器A到CEP路由器ZZ

存在的問題：

（1）核心路由器匯集了大量的網(wǎng)絡(luò)流量，因此會成為網(wǎng)絡(luò)通信的瓶頸；

（2）所有的通信數(shù)據(jù)分組都必須經(jīng)過核心路由器的路由/轉(zhuǎn)發(fā)；

（3）廣域網(wǎng)的多個路由器中繼影響了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量；

（4）如果網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大，就必須不斷地投資來提高核心路由器的處理能力；

（5）網(wǎng)絡(luò)不夠健壯，一旦關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)崩潰就會癱瘓。

2.管理和服務(wù)面臨的問題

（1）呈幾何級數(shù)膨脹的虛擬連接的管理。虛擬連接的復(fù)雜度為：N×N，N為節(jié)點(diǎn)數(shù)；

（2）吞吐率：路由器必須提高轉(zhuǎn)發(fā)速度，才能滿足全雙工信元傳輸。（ATM）

（3）支持端到端的服務(wù)質(zhì)量。

7.4.2 CISCO的標(biāo)記交換

標(biāo)記交換的思想是增強(qiáng)廣域網(wǎng)的核心路由器的路由/轉(zhuǎn)發(fā)功能。

1.標(biāo)記交換的處理概述

（1）相鄰的標(biāo)記交換路由器（TSR）之間的路由信息的交互都是基于網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議。

（2）標(biāo)記：是一個很短的長度固定的標(biāo)號，路由表使用標(biāo)記而不是用傳統(tǒng)的查找方法，前者要比后者快的多。

（3）標(biāo)記交換路由器的原理：

一般來說，只在廣域網(wǎng)邊緣路由器進(jìn)行路由選擇，在輸入端路由器生成一個很長的標(biāo)記，每經(jīng)過一個路由器，就把標(biāo)記去掉一個域，一直到出端路由器。

（4）每個標(biāo)記交換路由器（TSR）要實(shí)現(xiàn)兩個功能：

基于標(biāo)記的轉(zhuǎn)發(fā)/交換功能，用硬件實(shí)現(xiàn)。

管理互聯(lián)TSR的合法標(biāo)記集。用軟件實(shí)現(xiàn)。

2.基于標(biāo)記交換的轉(zhuǎn)發(fā)/交換功能

標(biāo)記信息存放的地方：

（1）插在第二層的幀頭之后，但在第三層的分組頭之前；

（2）添入ATM信元的VPI/VCI域。