三層交換機(jī)的原理和設(shè)計(jì)

1．引言 

    傳統(tǒng)路由器在網(wǎng)絡(luò)中起到隔離網(wǎng)絡(luò)、隔離廣播、路由轉(zhuǎn)發(fā)以及防火墻的作業(yè)，并且隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，路由器的負(fù)荷也在迅速增長。其中一個(gè)重要原因是出于安全和管理方便等方面的考慮，VLAN(虛擬局域網(wǎng))技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中大量應(yīng)用。VLAN技術(shù)可以邏輯隔離各個(gè)不同的網(wǎng)段、端口甚至主機(jī)，而各個(gè)不同VLAN間的通信都要經(jīng)過路由器來完成轉(zhuǎn)發(fā)。由于局域網(wǎng)中數(shù)據(jù)流量很大，VLAN間大量的信息交換都要通過路由器來完成轉(zhuǎn)發(fā)，這時(shí)候隨著數(shù)據(jù)流量的不斷增長路由器就成為了網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。為了解決局域網(wǎng)絡(luò)的這個(gè)瓶頸，很多企業(yè)內(nèi)部、學(xué)校和小區(qū)建設(shè)局域網(wǎng)時(shí)都采用了三層交換機(jī)。三層交換技術(shù)將交換技術(shù)引入到網(wǎng)絡(luò)層，三層交換機(jī)的應(yīng)用也從最初網(wǎng)絡(luò)中心的骨干層、匯聚層一直滲透到網(wǎng)絡(luò)邊緣的接入層。

2．第三層交換技術(shù)

2.2 三層交換的原理 

    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地交換數(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/s---100Mbit/s)。在軟件方面，第三層交換機(jī)將傳統(tǒng)的基于軟件的路由器重新進(jìn)行了界定：

    (1)．?dāng)?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)律的過程通過硬件高速實(shí)現(xiàn)；

    (2)．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)有兩個(gè)使用IP 協(xié)議的站點(diǎn)，通過第三層交換機(jī)進(jìn)行通信的過程為：若發(fā)送站點(diǎn)A 在開始發(fā)送時(shí)，已知目的站B的IP 地址，但尚不知道它在局域網(wǎng)上發(fā)送所需要的MAC 地址，則需要采用地址解析(ARP)來確定B的MAC 地址。A把自己的IP 地址與B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B是否與自己在同一子網(wǎng)內(nèi)。若B 與A 在同一子網(wǎng)內(nèi)，A 廣播一個(gè)ARP 請求，B 返回其MAC 地址，A 得到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(gè)站點(diǎn)不在同一子網(wǎng)內(nèi)，則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(gè)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。當(dāng)A 對"缺省網(wǎng)關(guān)"的IP 地址廣播出一個(gè)ARP 請求時(shí)，若第三層交換模塊在以往的通信過程中已得到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(gè)ARP 請求，B 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B 之間數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，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[1] 。

2.3 第三層交換的特點(diǎn) 

    突出的特點(diǎn)如下：　　

(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(gè)子網(wǎng)互連時(shí)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。

    第三層交換的目標(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(gè)集成的、完整的解決方案。

3．一款第三層交換機(jī)的設(shè)計(jì) 

    考慮到市場需要，交換機(jī)成本和自主知識產(chǎn)權(quán)因素，我們設(shè)計(jì)開發(fā)了有自主知識產(chǎn)權(quán)的VLSW 4150系列交換機(jī)。VLSW 4150 系列交換機(jī)是為企業(yè)提供的高性能、多層次化的解決方案。VLSW 4150也適用于ISP和服務(wù)提供商，尤其是對于一些大型的運(yùn)營商，將能夠增強(qiáng)其在IP市場的競爭力。

3.1 總體設(shè)計(jì) 

    VLSW 4150交換機(jī)有24個(gè)RJ45 10/100BASE－TX自適應(yīng)端口，提供2個(gè)可選的光纖10/100BaseTx以太口、100BaseFx快速以太端口或者千兆以太網(wǎng)口（SX，LX，ZX），并另外提供一個(gè)串口和一個(gè)100M以太網(wǎng)口對交換機(jī)進(jìn)行配置。

    VLSW 4150交換機(jī)的體系結(jié)構(gòu)可以支持最高到11Gbps的速率，多層交換速率達(dá)到6.6Mpps；可以支持8,192個(gè)MAC地址；為了更好的控制網(wǎng)絡(luò)流量和網(wǎng)絡(luò)安全，還支持以1M為步長的速率限制；支持Tagged VLAN和MAC-based的 幀過濾以及RIP、OSPF和BGP路由協(xié)議。

    VLSW 4150交換機(jī)提供堆棧技術(shù)可以以一個(gè)邏輯IP地址來管理多個(gè)交換機(jī)，并可在一個(gè)口上鏡像其他的數(shù)據(jù)包，提供基于Web的網(wǎng)管系統(tǒng)以及CLI方式來調(diào)試交換機(jī)。VLSW 4150支持SNMP協(xié)議、RMON和Telnet功能來便于管理。

3.2 硬件結(jié)構(gòu)

    VLSW 4150三層交換機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分，處理器模塊和交換模塊，它們之間通過PCI接口相連，同時(shí)配合相應(yīng)的外圍電路形成完整的三層交換機(jī)系統(tǒng)，見圖1。                     

                   圖1 硬件結(jié)構(gòu)

(1)處理器模塊

    如圖2所示，處理器部采用一款MOTOROLA PowerQUICC II CPU，同一些外部存儲設(shè)備以及一些外圍電路構(gòu)成三層交換機(jī)的處理器部分。處理器模塊主要是運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，配置系統(tǒng)和路由表的維持，而不是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)通路的組成部分。CPLD 保存一些CPU初始化的一些配置以保證上電后CPU正常啟動(dòng)，F(xiàn)lash 芯片用于存儲三層交換機(jī)的所需要的所有軟件和相關(guān)配置，SDRAM在系統(tǒng)啟動(dòng)之后載入FLASH中的程序，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。處理器模塊一方面提供一個(gè)快速以太網(wǎng)接口和一個(gè)異步口，用于對交換機(jī)進(jìn)行配置和調(diào)試；另一方面通過PCI接口和交換模塊相連，通過PCI接口對交換模塊進(jìn)行控制，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[2] 。                     

                 圖2 處理器模塊的硬件組成

(2)交換模塊

    如圖3所示，交換模塊采用了BROADCOM公司的BCM5645作為ASIC芯片，通過PCI接口與處理器模塊進(jìn)行通信完成數(shù)據(jù)傳輸，通過5645提供的內(nèi)存接口，可以給交換模塊提供一個(gè)64M的外部SDRAM，從而提高交換機(jī)的吞吐量和交換速度。5645通過MII接口和GMII接口分別連接24個(gè)百兆以太網(wǎng)和2個(gè)千兆以太網(wǎng)[3] 。

           

                         圖3 交換模塊的硬件組成

3.3 軟件結(jié)構(gòu)

    VLSW 4150三層交換機(jī)的軟件系統(tǒng)采用了模塊化、分布式的設(shè)計(jì)方法，基于實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)呈層次結(jié)構(gòu)，一層建立在另一層的基礎(chǔ)上，每一層都使用近鄰它的下一層所提供的服務(wù)，并且為它上面一層提供更高一級的服務(wù)，其優(yōu)點(diǎn)是：可以向上層軟件屏蔽底層操作，提高上層軟件的可移植性，提高軟件的可維護(hù)性。

    如圖4所示，軟件大體分為三個(gè)層面：

(1)驅(qū)動(dòng)層

    驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑸蠈榆浖陀布到y(tǒng)進(jìn)行了連接，把上層軟件的路由更新、管理及配置命令轉(zhuǎn)化為硬件系統(tǒng)所能識別的格式，從而達(dá)到更新其內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如路由表，地址表等，控制及管理硬件交換系統(tǒng)的目的；同時(shí)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序把底層硬件收到的路由更新報(bào)文、控制管理幀及收到的各種信息傳遞給上層軟件處理；

(2)協(xié)議棧

    實(shí)現(xiàn)了TCP/IP、802.1D和802.1Q等協(xié)議，為上層的應(yīng)用程序提供良好的接口；

(3)應(yīng)用層

    主要包括路由模塊和網(wǎng)管模塊，路由模塊實(shí)現(xiàn)了RIP和OSPF等協(xié)議，即實(shí)現(xiàn)第三層路由的主要功能；網(wǎng)管模塊實(shí)現(xiàn)了SNMP和RMON等網(wǎng)管模塊，使三層交換機(jī)具有部分網(wǎng)管功能，保證三層交換機(jī)更好地正常運(yùn)轉(zhuǎn)。                  

                       圖4 軟件結(jié)構(gòu)

4．第三層交換機(jī)的應(yīng)用

    第三層交換機(jī)的主要用途是代替?zhèn)鹘y(tǒng)路由器作為網(wǎng)絡(luò)的核心，因此，凡是沒有廣域連接需求，同時(shí)又需要路由器的地方，都可以用第三層交換機(jī)來代替。在企業(yè)網(wǎng)和校園網(wǎng)中，一般會(huì)將第三層交換機(jī)用在網(wǎng)絡(luò)的核心層，用第三層交換機(jī)上的千兆端口或百兆端口連接不同的子網(wǎng)或VLAN。第三層交換機(jī)解決了局域網(wǎng)VLAN必須依賴路由器進(jìn)行管理的局面，解決了傳統(tǒng)路由器速度低、復(fù)雜所造成的網(wǎng)絡(luò)瓶頸問題。利用三層交換機(jī)在局域網(wǎng)中劃分VLAN, 可以滿足用戶端多種靈活的邏輯組合, 防止了廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生, 對不同 VLAN 之間可以根據(jù)需要設(shè)定不同的訪問權(quán)限，以此增加網(wǎng)絡(luò)的整體安全性，極大地提高網(wǎng)絡(luò)管理員的工作效率，而且第三層交換機(jī)可以合理配置信息資源，降低網(wǎng)絡(luò)配置成本，使得交換機(jī)之間連接變得靈活。