第7章 第三层交换

　　20世纪90年代中期以来， 第三层交换（L3）技术成为IT媒体频频出现的词汇，各网络供应商把它最为竞争的法宝。

　　7.1 概述

　　1.使用网桥的局限性

　　网桥的优缺点：

　　（1）网桥基于MAC地址，实现LAN之间的互联。优点是：网络靠作简单，速度快，与OSI的其他层无关。其易于维护且价格低廉。

　　（2）网桥无法实现流控，广播包从一个LAN到另一个LAN，常会引起大量的多路广播，造成网络效率降低。最严重时会造成广播风暴，是整个网络瘫痪。

　　（3）当网桥构成网状结构时，会产生广播包和不知道目的地址的数据包的循环问题。为此制定了生成树的算法。即在一个网络中，任意两个终端之间只有一条路径。

　　（4）在某些情况下，因网桥拥塞而丢失数据包，使网络不稳定、不可靠。

　　（5）广播包是需要的，但太多的广播包会导致网络效率降低。

　　2.路由器的引入及其局限性

　　靠路由器的优缺点：

　　（1）网络分段，这是路由器最主要的功能之一。路由器可以将不同的LAN互联。

　　（2）路径选择，通过对数据包中的IP地址检查，选择出路径。

　　（3）隔离广播，路由器可以住址广播流量从一个LAN到另一个LAN，可避免广播风暴。

　　（4）安全性与防火墙，只有被授权的用户才能通过路由器。

　　（5）第三层的特殊服务，如优先权控制。

　　（6）广域网连接，大多数网络目前仍使用路由器作为网络连接设备。

　　靠路由器的工作原理：（略）

　　靠路由器的限制：

　　（1）路由器需对每一个数据包检查，即使是同一源地址到同一目的地址的数据包也不例外，重复工作。

　　（2）软件是路由器的主要实现方式，由于以上原因，路由器的吞吐量不可能很高。

　　（3）路由器在流量超过本身的吞吐量时，会造成数据包丢失或延误，给网络造成危害。

　　3.局域网交换技术的引入及其局限性

　　交换式网络是以交换器为中心构造的网络体系，交换式网络与多端口网桥非常相似，他们都工作在第二层，网桥交换事业是基于每个数据包的终点地址（MAC）。

　　交换式网络的实现通常采用全硬件结构实现，具有速度快，可以为每一个节点提供全部网络带宽，但同网桥一样它也不具备隔离广播数据包的能力。

　　4.L3交换技术引入的背景

　　交换技术可以克服网络带宽的局限，而路由器又能解决TCP/IP中的地址问题，那么将两者技术结合起来，扬长避短，发挥各自的优点，从而解决以上问题。在这种背景下，产生了交换式网络技术。

　　7.2 L3交换技术解决方案的分类

　　目前已提出的L3交换技术解决方案分为两类：

　　一类基于核心模型，另一类基于边缘多层混合交换模型。

　　7.2.1 解决方案的分类

　　1.基于核心模型的解决方案

　　主要解决核心关键节点，即路由器的第三层交换技术。有两种方案：

　　（1）对于每一个数据包都需检查源/目的IP地址的方法，改为检查数据分组携带的网络流标志为依据，这样就大大减小了检查的时间，提高了吞吐率。

　　（2）完全用ASIC（专用集成电路）硬件以线速来实现路由器的路由/转发、流控、管理、服务质量等功能。

　　2.于边缘多层混合交换模型的解决方案

　　“一次路由，随后交换”的方案：

　　（1）这种方案认为网络智能应该在网络的边缘，而不是在网路的关键节点实现，因为这样可以减少网络中继点的额外开销。

　　（2）这种方案认为绝大多数策略和请求都在端系统上完成，少数特定的控制功能（如身份认证、防火墙、流量统计等）则集中在少数几个网络核心节点的智能系统。

　　（3）这种方案认为在第三层路由一次，然后在第二层交换端到端的网络数据分组。

　　7.2.2 两种L3交换实现策略

　　1.原有设备和系统进行升级和改造

　　在有关的边缘和核心设备上，配置新的软件、硬件或者更换部分部件，使数据流效率大大提高。

　　2.设计全新的、功能完善的高性能L3交换器以代替作为核心设备的传统路由器

　　7.3 局域网系统中使用的典型的L3交换技术

　　7.3.1 3Com的FastIP技术

　　3Com的FastIP技术是一种典型的边缘多层混合交换模型的解决方案，它采用了“一次路由，随后交换”的方案：NHRP（下一条路由协议）是FastIP的主要技术基础。

　　1.NBMA（非广播多路访问）网的NHRP协议简介

　　（1）NBMA（非广播多路访问）网的NHRP协议可以参见RFC1735.

　　（2）NHRP并不是一个路由协议，它只是一个IP逻辑子网（LIS）的地址解析协议，适用于NBMA（非广播多路访问）网（ATM网就是NBMA，因为ATM是面向连接，它和广播无连接以太网不同）。

　　（3）NHRP是一个标准的IP格式数据包，源站的MAC地址和IP地址以及帧类型，帧类型指出这是NHRP请求数据包。

　　（4）利用NHRP协议进行通信：

　　在同一个NBMA网中，就使用NHRP协议进行地址解析；

　　在不同一个NBMA网中，则把目的端所在子网的路由器的NBMA地址通知源端。

　　在同一个NBMA网中，不管是否划分为多个子网，都不需要路由器交换。

　　例如：在下例中，（a）为没使用NHRP协议的NBMA网络；（b）为使用NHRP协议的NBMA网络，他们的交换方式如下：

　　2.局域网环境中的FastIP技术

　　FastIP技术介绍：

　　（1）一个未端系统主机A在需要传送数据给另一个未端系统主机B，A和B分别在不同的IP逻辑子网或者在不同的虚拟局域网中。

　　（2）主机A首先初始化一个标准的IP通信进程，然后就可以发送数据分组给它的缺省路由器（一般称为缺省网关）。

　　（3）A首先传送一个NHRP请求，（包括主机A的MAC地址）给主机B.

　　（4）但路由器收到NHRP后，如果控制策略允许的话，路由器将这个请求转发给主机B，否则就丢弃，并且后继

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