三层交换原理

三层交换机出现的背景

早期的网络中一般使用二层交换机来搭建局域网，而不同局域网之间的网络互通由路由器来完成。那时的网络流量，局域网内部的流量占了绝大部分，而网络间的通信访问量比较少，使用少量路由器已经足够应付了。

但是，随着数据通信网络范围的不断扩大，网络业务的不断丰富，网络间互访的需求越来越大，而路由器由于自身成本高、转发性能低、接口数量少等特点无法很好的满足网络发展的需求。因此出现了三层交换机这样一种能实现高速三层转发的设备。

当然，三层交换机并不能完全替代路由器，路由器所具备的丰富的接口类型、良好的流量服务等级控制、强大的路由能力等仍然是三层交换机的薄弱环节。

三层转发的原理

目前的三层交换机一般是通过VLAN来划分二层网络并实现二层交换，同时能够实现不同VLAN间的三层IP互访。不同网络的主机之间互访的流程简要如下：

源主机在发起通信之前，将自己的IP与目的主机的IP进行比较，如果两者位于同一网段（用网络掩码计算后具有相同的网络号），那么源主机直接向目的主机发送ARP请求，在收到目的主机的ARP应答后获得对方的物理层（MAC）地址，然后用对方MAC地址作为报文的目的MAC地址进行报文发送。
当源主机判断目的主机与自己位于不同网段时，它会通过网关（Gateway）来递交报文，即发送ARP请求来获取网关IP地址对应的MAC，在得到网关的ARP应答后，用网关MAC作为报文的目的MAC发送报文。此时发送报文的源IP是源主机的IP，目的IP仍然是目的主机的IP。

下面详细介绍一下三层交换的过程。

如图1所示，通信的源、目的主机连接在同一台三层交换机上，但它们位于不同VLAN（网段）。对于三层交换机来说，这两台主机都位于它的直连网段内，它们的IP对应的路由都是直连路由。

图1 三层转发原理示意网

图中标明了两台主机的MAC、IP地址、网关，以及三层交换机的MAC、不同VLAN配置的三层接口IP。当 PC A向PC B发起PING时，流程如下：（假设三层交换机上还未建立任何硬件转发表项）

根据前面的描述，PC A首先检查出目的IP地址10.2.1.2（PC B）与自己不在同一网段，因此它发出请求网关地址10.1.1.1对应MAC的ARP请求；
L3 Switch收到PC A的ARP请求后，检查请求报文发现被请求IP是自己的三层接口IP，因此发送ARP应答并将自己的三层接口MAC（MAC Switch）包含在其中。同时它还会把PC A的IP地址与MAC地址对应（10.1.1.2与MAC A）关系记录到自己的ARP表项中去（因为ARP请求报文中包含了发送者的IP和MAC）；
PC A得到网关（L3 Switch）的ARP应答后，组装ICMP请求报文并发送，报文的目的MAC（即DMAC）＝MAC Switch、源MAC（即SMAC）＝MAC A、源IP（即SIP）＝10.1.1.2、目的IP（即DIP）＝10.2.1.2；
L3 Switch收到报文后，首先根据报文的源MAC+VLAN ID更新MAC表。然后，根据报文的目的MAC＋VLAN ID查找MAC地址表，发现匹配了自己三层接口MAC的表项，说明需要作三层转发，于是继续查找交换芯片的三层表项；
交换芯片根据报文的目的IP去查找其三层表项，由于之前未建立任何表项，因此查找失败，于是将报文送到CPU去进行软件处理；
CPU根据报文的目的IP去查找其软件路由表，发现匹配了一个直连网段（PC B对应的网段），于是继续查找其软件ARP表，仍然查找失败。然后L3 Switch会在目的网段对应的VLAN 3的所有接口发送请求地址10.2.1.2对应MAC的ARP请求；
PC B收到L3 Switch发送的ARP请求后，检查发现被请求IP是自己的IP，因此发送ARP应答并将自己的MAC（MAC B）包含在其中。同时，将L3 Switch的IP与MAC的对应关系（10.2.1.1与MAC Switch）记录到自己的ARP表中去；
L3 Switch收到PC B的ARP应答后，将其IP和MAC对应关系（10.2.1.2与MAC B）记录到自己的ARP表中去，并将PC A的ICMP请求报文发送给PC B，报文的目的MAC修改为PC B的MAC（MAC B），源MAC修改为自己的MAC（MAC Switch）。同时，在交换芯片的三层表项中根据刚得到的三层转发信息添加表项（内容包括IP、MAC、出口VLAN、出接口），这样后续的PC A发往PC B的报文就可以通过该硬件三层表项直接转发了；
PC B收到L3 Switch转发过来的ICMP请求报文以后，回应ICMP应答给PC A。ICMP应答报文的转发过程与前面类似，只是由于L3 Switch在之前已经得到PC A的IP和MAC对应关系了，也同时在交换芯片中添加了相关三层表项，因此这个报文直接由交换芯片硬件转发给PC A；
这样，后续的往返报文都经过查MAC表到查三层转发表的过程由交换芯片直接进行硬件转发了。

从上述流程可以看出，三层交换机正是充分利用了“一次路由（首包CPU转发并建立三层硬件表项）、多次交换（后续包芯片硬件转发）”的原理实现了转发性能与三层交换的完美统一。