三層交換機(jī)比路由器轉(zhuǎn)發(fā)速率快的原因

我們都知道二層交換機(jī)工作的數(shù)據(jù)鏈路層，依靠mac地址來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的，而路由器是工作在網(wǎng)絡(luò)層，依靠ip地址來通信的，為了說明三層交換機(jī)比路由器的轉(zhuǎn)發(fā)速率快，那我們還是先從二層交換機(jī)入手。

首先我們來比較下二層交換機(jī)與路由器的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)速率(當(dāng)然嚴(yán)格意義上是不能這樣比較的，畢竟一個(gè)是二層設(shè)備，一個(gè)是三層設(shè)備，這主要是為下面說明三層交換機(jī)與路由器之間的比較做鋪墊)

二層交換機(jī)：接收到由自己的物理層送上來的二層數(shù)據(jù)幀時(shí)，根據(jù)源mac地址學(xué)習(xí)并寫入mac地址表中，根據(jù)目的mac地址查找mac地址表決定是轉(zhuǎn)發(fā)還是廣播，這里交換機(jī)查找mac地址表和轉(zhuǎn)發(fā)都是由硬件ASIC芯片來完成，而且二層交換機(jī)沒有對數(shù)據(jù)幀做過任何封裝，解封裝動作(忽略物理層bit數(shù)據(jù)流還原成二層以太幀)，并且沒有對數(shù)據(jù)幀做過任何改寫

路由器：工作在網(wǎng)絡(luò)層，對接收到的數(shù)據(jù)幀必須解封裝，獲取三層數(shù)據(jù)，根據(jù)三層數(shù)據(jù)的目的ip，查找路由表，封裝下一跳的mac等等一系列動作，相比二層交換機(jī)而言，路由器查找路由表是通過基于軟件的cpu來查找，比二層交換機(jī)查找mac地址表用的ASIC硬件芯片慢，另外路由器還得對數(shù)據(jù)進(jìn)行拆封，解封動作，而且還改寫了數(shù)據(jù)幀(只改寫二層數(shù)據(jù)幀的目的mac、源mac、FCS，不會改變?nèi)龑訑?shù)據(jù)包的內(nèi)容)

由上可知：基于軟硬件的查找轉(zhuǎn)發(fā)方式(路由器通過軟件的相對慢些)以及對數(shù)據(jù)包的處理(路由器相對來說復(fù)雜)，這兩個(gè)原因?qū)е露咏粨Q機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)性能通常高于路由器(嚴(yán)格意義上這樣的比較是沒有意義的，畢竟一個(gè)是二層設(shè)備、一個(gè)是三層設(shè)備，主要是為下面做鋪墊)

下面開始說三層交換機(jī)

以前的文章中也提到過，三層交換機(jī)的核心思想是：“一次路由，多次轉(zhuǎn)發(fā)”，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的快速轉(zhuǎn)發(fā)：三層交換機(jī)技術(shù)=二層交換技術(shù)+三層路由轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

也即是：

三層交換技術(shù)=1次三層路由轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)+多次(N)二層交換技術(shù)

路由器=(N+1)次三層路由轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

再結(jié)合上面所寫的二層交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)速率高于路由器，可以得出三層交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)速率同樣高于路由器

三層交換機(jī)的硬件架構(gòu)

假設(shè)兩個(gè)使用ip協(xié)議的站點(diǎn)A、B通過第三層交換機(jī)進(jìn)行通信，發(fā)送站點(diǎn)A在開始發(fā)送時(shí)，把自己的ip地址與B站點(diǎn)的ip地址進(jìn)行比較，判斷B站是否與自己再同一個(gè)子網(wǎng)內(nèi)，若在同一個(gè)子網(wǎng)內(nèi)，則進(jìn)行二層轉(zhuǎn)發(fā)(沒經(jīng)過三層的必要)；若A、B站點(diǎn)不在同一個(gè)子網(wǎng)內(nèi)，那么發(fā)送站點(diǎn)A要向“缺省網(wǎng)關(guān)”發(fā)出arp請求，而“缺省網(wǎng)關(guān)”的ip地址其實(shí)就是三層交換機(jī)上站點(diǎn)A所屬vlan的接口ip地址，當(dāng)A向“缺省網(wǎng)關(guān)”發(fā)送一個(gè)arp請求時(shí)，交換機(jī)就向發(fā)送站點(diǎn)A回一個(gè)arp回應(yīng)報(bào)文，同時(shí)通過軟件把站點(diǎn)A的ip地址、mac地址、與交換機(jī)直接相連的端口號等信息寫到交換芯片的三層硬件表項(xiàng)中；站點(diǎn)A收到回復(fù)報(bào)文后，進(jìn)行目的mac的替換，把要發(fā)到B的包首先發(fā)給交換機(jī)。交換機(jī)收到這個(gè)包之后，進(jìn)行源mac地址學(xué)習(xí)，目的mac地址查找，由于此時(shí)目的mac地址為交換機(jī)的mac地址，在這種情況下將會把該報(bào)文送到交換芯片的三層 引擎處理，由于站點(diǎn)B屬于交換機(jī)的直連網(wǎng)段之一，cpu收到這個(gè)ip報(bào)文以后，會直接以B的ip為索引檢查arp緩存，若沒有站點(diǎn)B的mac地址，則根據(jù)路由信息向B站廣播一個(gè)arp請求，B站收到此請求后向交換機(jī)回復(fù)其mac地址，cpu收到這個(gè)arp回復(fù)的同時(shí)，同樣把站點(diǎn)B的ip地址、mac地址、端口信息等寫入交換芯片的三層硬件轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)中，然后把由站點(diǎn)A發(fā)來的ip報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給站點(diǎn)B，這樣就完成了站點(diǎn)A到站點(diǎn)B的第一次單向通信。由于芯片內(nèi)部的三層引擎中已經(jīng)保存站點(diǎn)A、B的路由信息，以后站點(diǎn)A、B之間進(jìn)行通信或其它網(wǎng)段的站點(diǎn)想要與A、B進(jìn)行通信，交換芯片則會直接把包從三層硬件表項(xiàng)中指定的端口轉(zhuǎn)發(fā)出去，而不必再把包交給cpu處理，這就是“一次路由，多次轉(zhuǎn)發(fā)”的實(shí)現(xiàn)，大大提高了轉(zhuǎn)發(fā)速度.

平常所說的三層交換機(jī)基本上是指硬件三層交換機(jī)，三層交換機(jī)其實(shí)也有軟件三層交換機(jī)，它們的區(qū)別在于三層交換 引擎，硬件三層交換機(jī)的三層交換引擎通常是用專用的ASIC芯片來完成(類似二層交換機(jī))，而軟件三層交換機(jī)的三層交換引擎通常是由cpu來完成(類似路由器)，沒有特別說明情況下一般是指硬件三層交換機(jī).