目录

一、三层交换机的原理

1、概念

2、PC A与不同网段的PC B第一次数据转发过程

3、一次路由，多次转发的概念

4、 三层交换机和路由器的比较

 二、利用实验理解交换机

1、建立以下拓扑图​编辑

2、分别配置主机的IP地址，子网掩码、网关等信息

3、配置二层交换机LSW1

4、配置三层交换机LSW2

5、配置路由器

6、用主机相互ping，看是否全网互通

7、总结

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一、三层交换机的原理

1、概念

三层交换机是在二层交换机的基础上，增加了路由选择功能的网络设备，能够基于 ASIC 和 FPGA 实现网络功能和转发分组。

二层交换机能够基于数据链路层的 MAC 地址，进行数据帧或 VLAN 的传输功能。

三层交换机能够基于网络层的 IP 地址，实现路由选择以及分组过滤等功能。

2、PC A与不同网段的PC B第一次数据转发过程

• 主机A发现主机B不与自己在同一网段，将报文转发给三层交换机。
• 到达三层交换机，因为是第一次转发，三层交换机的硬件路由表中只有主机A自己的条目，匹配失败，转给CPU处理。
• 数据包转到CPU后，查询软件路由条目匹配到直连路由，进行数据转发。

• 主机B 收到主机 A的报文，回复主机A。像主机A第一次访问主机B一样，但此时硬件路由表中已经有主机A的条目，所以可以直接硬件转发。但没有主机B的，所以同时将主机B的信息添加到硬件路由表中。
• 后续两者再进行通讯时，因为硬件路由表中已经存在两者的条目，所以可以直接硬件转发。
  

3、一次路由，多次转发的概念

• 当三层设备接收到一个数据帧，会拆除原数据帧，重新封装新的源MAC地址和目标MAC地址，并且因为帧头部的信息发生变化，最后的帧校验CRC也应当随之改变。
• 在这个流中的多个数据包，其中只有第一个数据包是由三层交换机的三层引擎来处理的，处理的方式是软件方式，与路由器相同，三层引擎获取了新的2层封装信息后，路由这个数据包。
• 在第一个数据包转发完成后，在硬件中创建一个MLS条目用于后续的数据包由硬件执行的重新封装和快速转发。2层数据帧会被重新封装为需要转发的下一个网段的帧格式。 这就是MLS“一次路由，多次交换"的原理。

通过三层交换机互连的A 和 B的通信过程：首先A执行以下动作

1、A检查报文的目的IP地址B_ip， 判定B和A是否在同一子网 ；

2、如果是，将报文直接传递给B（将B_ip-->B_mac，交由数据链路层封装成帧，帧的目的地址是B_mac）；

3、否则，将报文转发给缺省网关C，即三层交换机（将C_ip-->C_mac，交由数据链路层封装成帧，发送给C_mac)

3.1  当交换机收到这一数据帧的时候：

①  如果目的地址不是自身，依据 MAC地址表对其在第二层上进行转发。

②  如果目的地址是自身，将其中的IP报文提交给第三层交换模块。

③检查目的IP地址是否在 IP转发表中，是的话， 硬件会按照转发信息直接转发。否则，则交由 软件处理（CPU）—--- 查路由表，请求ARP做地址转换，在软件转发的同时将转发信息保存到IP转发表中，后续报文只需由硬件转发。即 一次路由，多次 转发。

4、 三层交换机和路由器的比较

• 性能:传统路由器对过往的每个包执行路由功能，靠软件处理，而三层交换机只对少量包执行软件的路由功能，大量的包或者在第二层上、或者在第三层上进行硬件交换性能相差很大。
• 接口类型:三层交换机的接口基本都是以太网接口，没有路由器接口类型丰富。因此路由器可以用于异种网络互连，而三层交换机则多用于大型局域网内部的子网互连。
• 路由功能:三层交换机虽有寻找路径功能，但比较弱不支持复杂的路由协议，只能用于网络结构比较简单的情形。而专业路由器则可以用于大型复杂网络。
• 综上所述，三层交换机重点是交换，强调的是性能;而专业路由器则重点解决互连的复杂性以及准确的控制。

 二、利用实验理解交换机

1、建立以下拓扑图

2、分别配置主机的IP地址，子网掩码、网关等信息

3、配置二层交换机LSW1

4、配置三层交换机LSW2

 

5、配置路由器

6、用主机相互ping，看是否全网互通

7、总结

• 单臂路由或者三层交换机都可以实现VLAN之间的通信
• 单臂路由工作原理:   路由器重新封装MAC地址，转换VLANID
• 三层交换机工作原理:一次路由，多次交换
• 一次路由:数据流的第一个数据包由三层引擎来处理，重新封装MAc，再路由转发数据包
• 多次交换:第一个数据包转发后，会在硬件创建一个MSL条目，MSL包含FIB(转发信息库:包含邻接主机IP和vlanid)、邻接关系表(包含邻接主机MAC地址)，通过查询FIB和邻接关系表重新封装数据帧，从相应端口转发数据
• 三层交换机具有路由功能可转发数据，ip地址是配置在虚接口上而不是物理接口上，物理接口对接交换机配置trunk，对接pc机配合access