OSI參考模型中二層和三層交換機(jī)的各種特性和應(yīng)用

導(dǎo)語：本文我們將學(xué)習(xí)和探討OSI參考模型中二層和三層交換機(jī)的各種特性和應(yīng)用，以及它們之間工作方式的區(qū)別。

這兩種類型交換機(jī)的工作方式有所不同：

二層交換機(jī)可以識別數(shù)據(jù)包中的MAC地址，根據(jù)MAC地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并將這些MAC地址與對應(yīng)的端口記錄在自己內(nèi)部的一個地址表中。二層交換機(jī)不遵循路由算法。

三層交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)基于目標(biāo) IP 地址，數(shù)據(jù)包的目的地是定義的下一跳，三層交換機(jī)遵循路由算法。

二層交換機(jī)

如果二層交換機(jī)不遵循路由算法，那么它們將如何學(xué)習(xí)下一跳的 MAC 地址？ 通過遵循ARP(地址解析協(xié)議)來實現(xiàn)。

ARP的工作內(nèi)容如下： 我們以網(wǎng)絡(luò)為例，其中一個交換機(jī)連接到四個主機(jī)設(shè)備，稱為 PC1、PC2、PC3 和 PC4?，F(xiàn)在，PC1 第一次要向 PC2 發(fā)送一個數(shù)據(jù)包。 雖然 PC1 在第一次通信時知道 PC2 的 IP 地址，但它不知道接收主機(jī)的 MAC地址。因此，交換機(jī)向所有端口發(fā)送ARP請求（不包括PC1所連接的端口），PC2 收到 ARP 請求后，將回復(fù)一個帶有其 MAC 地址的 ARP 響應(yīng)消息。這樣，PC2 也就收集到了PC1 的 MAC 地址。 通過上述消息的來回流動，交換機(jī)就知道哪些MAC地址分配給了哪些端口。同樣，當(dāng) PC2 在 ARP 響應(yīng)消息中發(fā)送其 MAC 地址時，交換機(jī)會收集 PC2 的 MAC 地址并將其存儲到自己的 MAC 地址表中。 從現(xiàn)在開始，每當(dāng) PC1 想要向 PC2 發(fā)送任何數(shù)據(jù)時，交換機(jī)只需在其地址表中查找并轉(zhuǎn)發(fā)到 PC2 的目標(biāo)端口。 如此，交換機(jī)將繼續(xù)維護(hù)每個連接主機(jī)的硬件地址。

沖突和廣播域

在二層交換中，當(dāng)兩個或多個主機(jī)試圖在同一網(wǎng)絡(luò)鏈路上以相同的時間間隔進(jìn)行通信時，可能會發(fā)生沖突。當(dāng)數(shù)據(jù)幀發(fā)生沖突，設(shè)備必須重新發(fā)送數(shù)據(jù)。沖突對網(wǎng)絡(luò)性能有嚴(yán)重的負(fù)面影響，因此絕對要避免沖突。 廣播是一種信息的傳播方式，指網(wǎng)絡(luò)中的某一設(shè)備同時向網(wǎng)絡(luò)中所有的其他設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)所能廣播到的范圍即為廣播域。簡單點說，廣播域就是指網(wǎng)絡(luò)中所有能接收到同樣廣播消息的設(shè)備的集合。 使用一個或多個交換機(jī)組成的以太網(wǎng)，所有站點都在同一個廣播域。隨著交換機(jī)變多，這個廣播域的范圍也會變大，于是就會出現(xiàn)難以維護(hù)、廣播風(fēng)暴以及安全等問題。 上文說過，一個主機(jī)想要獲取另外一個網(wǎng)段的主機(jī)MAC地址，需要發(fā)送ARP廣播請求獲取對方主機(jī)的MAC地址。這個廣播請求會廣播到每一個主機(jī)身上，容易導(dǎo)致廣播風(fēng)暴。

VLAN

為了克服沖突和廣播域問題，在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中引入了VLAN(虛擬局域網(wǎng))技術(shù)。 分隔廣播域有兩種方法： 1. 物理分隔：將網(wǎng)絡(luò)從物理上劃分為若干個小網(wǎng)絡(luò) 2. 邏輯分隔：將網(wǎng)絡(luò)從邏輯上劃分為若干個小的虛擬網(wǎng)絡(luò)，即VLAN 物理分隔有很多缺點，會使得局域網(wǎng)的設(shè)計缺乏靈活性，而VLAN則具有靈活性和可擴(kuò)展性。VLAN配置是在交換機(jī)級通過使用不同的接口完成的，不同的交換機(jī)可以有不同或相同的 VLAN 配置，并可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的需要進(jìn)行設(shè)置。 在同一個 VLAN 內(nèi)的設(shè)備和用戶并不受物理位置的限制，可以根據(jù)功能、部門及應(yīng)用等因素將它們組織起來，相互之間的通信就好像在同一個網(wǎng)段中一樣。因此，與不同交換機(jī)相連的主機(jī)可以共享同一個廣播域。 為了更好地理解 VLAN ，我們舉個栗子，其中一個使用 VLAN，另一個不使用 VLAN。 如果沒有 VLAN，從主機(jī) 1 發(fā)送的廣播消息將到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備。

未使用VLAN 如果給網(wǎng)絡(luò)中的兩個交換機(jī)添加一個名為 fast Ethernet 0 和 fast Ethernet 1 的接口卡（通常表示為 Fa0/0）來配置 VLAN，來自主機(jī)1 的廣播消息將僅發(fā)送到主機(jī)2。

使用了VLAN的網(wǎng)絡(luò) 在進(jìn)行配置時會發(fā)生這種情況：只有主機(jī) 1 和主機(jī) 2 定義在同一組 VLAN 下，而其他設(shè)備組件是別的 VLAN 網(wǎng)絡(luò)的成員。 需要注意的是，二層交換機(jī)只能允許主機(jī)設(shè)備與同一個VLAN的主機(jī)通信。要到達(dá)另一個網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)設(shè)備，需要三層交換機(jī)或路由器。 VLAN 網(wǎng)絡(luò)高度安全，因為其配置類型，任何文件都可以通過兩個預(yù)定義的、物理上沒有連接的同一VLAN的主機(jī)發(fā)送。廣播流量也由它管理，因為消息將僅發(fā)送和接收到定義的 VLAN集，而不是網(wǎng)絡(luò)上的每個設(shè)備。 訪問和中繼端口 在交換機(jī)端口上可以完成各種類型的配置，給VLAN 分配一個訪問端口，就可以訪問單個 VLAN 網(wǎng)絡(luò)。 當(dāng)我們只需要簡單地將主機(jī)終端設(shè)備配置到特定的 VLAN 網(wǎng)絡(luò)時，就會使用訪問端口。 如果需要訪問多個交換機(jī)，且需要訪問不同的VLAN，則將接口配置為交換機(jī)的中繼端口。中繼端口的智能程度足以承受多個VLAN的流量。 配置 VLAN

要在交換機(jī)上配置 VLAN，首先要在交換機(jī)上啟用 IOS 模式。

創(chuàng)建 VLAN 的命令為onfig mode VLAN NUMBER i.e. Switch(config)# VLAN 10。

通過使用接口命令，我們可以在 VLAN 下分配快速以太網(wǎng)端口。

通過使用 switchport 訪問命令行，我們可以指定接口是訪問模式。

下一條命令將分配 VLAN 編號到交換機(jī)端口訪問模式。

Switch(config) #vlan 10

Switch(config-vlan) #exit

Switch(config) #int fa0/1

Switch(config-if) #switchport mode access

Switch(config-if) #switchport access vlan 10

switchport access mode 命令只能分配給單個 VLAN。當(dāng)需要配置多個 VLAN，使用 switchport trunk mode interface 命令，因為它可以承載多個 VLAN 的流量。

二層交換機(jī)的特點

下面列出了二層交換機(jī)的各種特性。

二層交換機(jī)可以充當(dāng)網(wǎng)橋，將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各種終端設(shè)備連接在一個平臺上。它們能夠非?？焖偾矣行У貙?shù)據(jù)從LAN 網(wǎng)絡(luò)的源端傳輸?shù)侥繕?biāo)端。

二層交換機(jī)通過從交換機(jī)的地址表中學(xué)習(xí)目的節(jié)點的MAC地址，執(zhí)行交換功能，將數(shù)據(jù)幀從源端重新排列到目的端。

MAC地址表為二層設(shè)備提供了唯一的地址，用于標(biāo)識數(shù)據(jù)下發(fā)的終端設(shè)備和節(jié)點。

二層交換機(jī)將龐大復(fù)雜的 LAN 網(wǎng)絡(luò)拆分為一個個小的VLAN網(wǎng)絡(luò)。

通過在一個大型的 LAN 網(wǎng)絡(luò)中配置多個 VLAN，在沒有物理連接的情況下，交換變得更快。

二層交換機(jī)的應(yīng)用

下面給出了二層交換機(jī)的各種應(yīng)用。

通過二層交換機(jī)，我們可以輕松地將位于同一VLAN內(nèi)的數(shù)據(jù)幀從源端發(fā)送到目的端，而無需物理連接或位于同一位置。

因此，軟件公司的服務(wù)器可以集中放置在一個位置，而分散在其他位置的客戶端可以輕松訪問數(shù)據(jù)而沒有延遲，從而節(jié)省服務(wù)器成本和時間。

組織可以通過使用這些類型的交換機(jī)將主機(jī)配置在同一個VLAN中，而不需要任何互聯(lián)網(wǎng)連接，從而實現(xiàn)內(nèi)部通信。

三層交換機(jī)

當(dāng)我們需要在不同的 LAN 或 VLAN 之間傳輸數(shù)據(jù)時，二層交換機(jī)就無法滿足了。這時需要三層交換機(jī)，因為它們將數(shù)據(jù)包路由到目的地的技術(shù)是IP 地址和子網(wǎng)劃分。 三層交換機(jī)工作在 OSI 參考模型的第3層，并使用 IP 地址執(zhí)行數(shù)據(jù)包的路由。它們比二層交換機(jī)具有更快的切換速度，甚至比傳統(tǒng)路由器更快，因為它們不使用額外的躍點來執(zhí)行數(shù)據(jù)包的路由，從而會帶來更好的性能。

要理解三層交換機(jī)的功能，首先需要先了解路由的概念。 第3層中的源端設(shè)備首先查看自己的路由表，路由表中包含了源IP地址、目的IP地址和子網(wǎng)掩碼的所有信息。然后，根據(jù)它從路由表中收集的信息，將數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的地，并可以在不同的LAN、MAN和WAN網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)一步傳遞數(shù)據(jù)。它遵循最短且安全的路徑在終端設(shè)備之間傳遞數(shù)據(jù)。這就是路由的總體概念。 各種網(wǎng)絡(luò)可以通過STM鏈路連接在一起，STM鏈路有很高的帶寬，DS3鏈路也可以。連接的類型取決于網(wǎng)絡(luò)的各種參數(shù)。

三層交換機(jī)的特點

三層交換機(jī)的各種特性如下所示：

執(zhí)行靜態(tài)路由，以在不同 VLAN 之間傳輸數(shù)據(jù)。而二層設(shè)備只能在同一 VLAN網(wǎng)絡(luò)之間傳輸數(shù)據(jù)。

以與路由器相同的方式執(zhí)行動態(tài)路由，這種動態(tài)路由技術(shù)允許交換機(jī)執(zhí)行最佳數(shù)據(jù)包路由。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實時場景提供一組多路徑來傳遞數(shù)據(jù)包。交換機(jī)可以選擇最可行的路徑來路由數(shù)據(jù)包，目前流行的路由技術(shù)包括 RIP 和 OSPF。

有能力識別關(guān)于流量流向的交換機(jī)的相關(guān)IP地址信息。

能夠根據(jù)子網(wǎng)劃分或 VLAN 流量標(biāo)記部署 QoS 分類，而不是像二層交換機(jī)那樣手動配置交換機(jī)端口。

需要更多的功率來運行，并在交換機(jī)之間提供更高帶寬的鏈路，這些鏈路幾乎超過 10Gbits。

為數(shù)據(jù)交換提供高度安全的路徑。

三層交換機(jī)的應(yīng)用

三層交換機(jī)的應(yīng)用如下:

被廣泛用于數(shù)據(jù)中心等大型園區(qū)。三層交換機(jī)具有靜態(tài)路由和動態(tài)路由等特點，且交換速度比路由器快，因此它被用于局域網(wǎng)連接中，用于多個VLAN和LAN網(wǎng)絡(luò)的互連。

三層交換機(jī)與多臺二層交換機(jī)相結(jié)合，可以支持更多用戶接入網(wǎng)絡(luò)，無需額外部署三層交換機(jī)和更多帶寬。如果一個網(wǎng)絡(luò)平臺上的終端用戶數(shù)量增加，那么無需對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行任何增強(qiáng)，就可以輕松地將其容納在同一個運行場景中。

三層交換機(jī)可以輕松處理高帶寬資源和最終用戶應(yīng)用，它提供了 10Gbits 帶寬。

三層交換機(jī)有能力解除過載的路由器的負(fù)擔(dān)。在廣域網(wǎng)場景中，每個三層交換機(jī)都有一個主路由器，這樣交換機(jī)就可以管理所有的本地VLAN路由。

通過遵循上述類型的場景，路由器的工作效率將會提高，并且可以專門用于長距離（WAN）連接和數(shù)據(jù)傳輸。

三層交換機(jī)十分智能，可以利用其高帶寬處理和管理本地連接的服務(wù)器和終端設(shè)備的路由和流量控制。因此，公司通常使用三層交換機(jī)來連接其監(jiān)控服務(wù)器和子系統(tǒng)NOC中心的主機(jī)節(jié)點。

三層交換機(jī)的 VLAN 間路由

下圖顯示了三層交換機(jī)與二層交換機(jī)相結(jié)合的跨 VLAN 路由操作。 我們再舉個栗子來幫助理解： 在大學(xué)中，教職員工和學(xué)生的 PC 通過二層和三層交換機(jī)連接在不同的VLAN上。

某教職員工 VLAN 的 PC 1 想其他教員VLAN中的pc2進(jìn)行通信。由于兩個終端設(shè)備屬于不同的 VLAN，我們需要三層交換機(jī)將數(shù)據(jù)從PC 1 路由到PC 2。 首先，二層交換機(jī)借助硬件部分的MAC地址表來定位目標(biāo)主機(jī)。然后從MAC表中學(xué)習(xí)接收主機(jī)的目的地址。之后，三層交換機(jī)根據(jù)IP地址和子網(wǎng)掩碼進(jìn)行交換和路由，它將明確PC1希望和哪個VLAN網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)PC通信。一旦它收集了所有必要的信息，將在它們之間建立鏈接，并將數(shù)據(jù)從發(fā)送端路由到接收端。這樣就完成了不同VLAN間的通信。

總 結(jié)

二層與三層交換機(jī)之間有以下區(qū)別： 工作層級不同：二層交換機(jī)工作在數(shù)據(jù)鏈路層，三層交換機(jī)工作在網(wǎng)絡(luò)層，三層交換機(jī)不僅實現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的高速轉(zhuǎn)發(fā)，還可以根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)狀況達(dá)到最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)性能。 原理不同：二層交換機(jī)的原理是當(dāng)交換機(jī)從某個端口收到一個數(shù)據(jù)包，它會先讀取包中的源MAC地址，再去讀取包中的目的MAC地址，并在地址表中查找對應(yīng)的端口，如表中有和目的MAC地址對應(yīng)的端口，就把數(shù)據(jù)包直接復(fù)制到這個端口上。三層交換機(jī)的原理比較簡單，就是一次路由多次交換，通俗來說就是第一次進(jìn)行源到目的的路由，三層交換機(jī)會將此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到二層，那么下次無論是目的到源還是源到目的都可以進(jìn)行快速交換。 功能不同：二層交換機(jī)基于MAC地址訪問，只做數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，并且不能配置IP地址，而三層交換機(jī)將二層交換技術(shù)和三層轉(zhuǎn)發(fā)功能結(jié)合在一起，也就是說三層交換機(jī)在二層交換機(jī)的基礎(chǔ)上增加了路由功能，可配置不同VLAN的IP地址，可通過三層路由實現(xiàn)不同VLAN之間通訊。 應(yīng)用不同：二層交換機(jī)主要用于網(wǎng)絡(luò)接入層和匯聚層，而三層交換機(jī)主要用于網(wǎng)絡(luò)核心層，但是也存在少部分三層交換機(jī)用于匯聚層的現(xiàn)象，下圖是三層交換機(jī)的實際應(yīng)用實例。

圖片來源：技術(shù)之家 支持的協(xié)議不同：二層交換機(jī)支持物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，而三層交換機(jī)支持物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。

審核編輯 ：李倩