二層交換機 三層交換機 四層交換機的區別

同是交換機，分了這麼多層，到底有多少的區別呢？原來也一直為這個討論了很久，這個文章介紹的還是相當的不錯[@more@]二層交換技術是發展比較成熟，二層交換機屬資料鏈路層裝置，可以識別資料包中的MAC地
址資訊，根據MAC地址進行轉發，並將這些MAC地址與對應的埠記錄在自己內部的一個地
址表中。具體的工作流程如下：

（1） 當交換機從某個埠收到一個資料包，它先讀取包頭中的源MAC地址，這樣它就知道
源MAC地址的機器是連在哪個埠上的；

（2） 再去讀取包頭中的目的MAC地址，並在地址表中查詢相應的埠；

（3） 如表中有與這目的MAC地址對應的埠，把資料包直接複製到這埠上；

（4） 如表中找不到相應的埠則把資料包廣播到所有埠上，當目的機器對源機器回應
時，交換機又可以學習一目的MAC地址與哪個埠對應，在下次傳送資料時就不再需要對所
有埠進行廣播了。

不斷的迴圈這個過程，對於全網的MAC地址資訊都可以學習到，二層交換機就是這樣建立和
維護它自己的地址表。

從二層交換機的工作原理可以推知以下三點：

（1） 由於交換機對多數埠的資料進行同時交換，這就要求具有很寬的交換匯流排頻寬，
如果二層交換機有N個埠，每個埠的頻寬是M，交換機匯流排頻寬超過N×M，那麼這交換
機就可以實現線速交換；

（2） 學習埠連線的機器的MAC地址，寫入地址表，地址表的大小（一般兩種表示方式：
一為BEFFER RAM，一為MAC表項數值），地址表大小影響交換機的接入容量；

（3） 還有一個就是二層交換機一般都含有專門用於處理資料包轉發的ASIC （Applicati
on specific Integrated Circuit）晶片，因此轉發速度可以做到非常快。由於各個廠家
採用ASIC不同，直接影響產品效能。

以上三點也是評判二三層交換機效能優劣的主要技術引數，這一點請大家在考慮裝置選型
時注意比較。

（二）路由技術

路由器工作在OSI模型的第三層---網路層操作，其工作模式與二層交換相似，但路由器工
作在第三層，這個區別決定了路由和交換在傳遞包時使用不同的控制資訊，實現功能的方
式就不同。工作原理是在路由器的內部也有一個表，這個表所標示的是如果要去某一個地
方，下一步應該向那裡走，如果能從路由表中找到資料包下一步往那裡走，把鏈路層資訊
加上轉發出去；如果不能知道下一步走向那裡，則將此包丟棄，然後返回一個資訊交給源
地址。

路由技術實質上來說不過兩種功能：決定最優路由和轉發資料包。路由表中寫入各種資訊
，由路由演算法計算出到達目的地址的最佳路徑，然後由相對簡單直接的轉發機制傳送資料
包。接受資料的下一臺路由器依照相同的工作方式繼續轉發，依次類推，直到資料包到達
目的路由器。

而路由表的維護，也有兩種不同的方式。一種是路由資訊的更新，將部分或者全部的路由
資訊公佈出去，路由器透過互相學習路由資訊，就掌握了全網的拓撲結構，這一類的路由
協議稱為距離向量路由協議；另一種是路由器將自己的鏈路狀態資訊進行廣播，透過互相
學習掌握全網的路由資訊，進而計算出最佳的轉發路徑，這類路由協議稱為鏈路狀態路由
協議。

由於路由器需要做大量的路徑計算工作，一般處理器的工作能力直接決定其效能的優劣。
當然這一判斷還是對中低端路由器而言，因為高階路由器往往採用分散式處理系統體系設
計。

（三）三層交換技術

近年來的對三層技術的宣傳，耳朵都能起繭子，到處都在喊三層技術，有人說這是個非常
新的技術，也有人說，三層交換嘛，不就是路由器和二層交換機的堆疊，也沒有什麼新的
玩意，事實果真如此嗎？下面先來透過一個簡單的網路來看看三層交換機的工作過程。


組網比較簡單

使用IP的裝置A------------------------三層交換機------------------------使用IP的
裝置B

比如A要給B傳送資料，已知目的IP，那麼A就用子網掩碼取得網路地址，判斷目的IP是否與
自己在同一網段。

如果在同一網段，但不知道轉發資料所需的MAC地址，A就傳送一個ARP請求，B返回其MAC地
址，A用此MAC封裝資料包併傳送給交換機，交換機起用二層交換模組，查詢MAC地址表，將
資料包轉發到相應的埠。

如果目的IP地址顯示不是同一網段的，那麼A要實現和B的通訊，在流快取條目中沒有對應
MAC地址條目，就將第一個正常資料包傳送向一個預設閘道器，這個預設閘道器一般在作業系統
中已經設好，對應第三層路由模組，所以可見對於不是同一子網的資料，最先在MAC表中放
的是預設閘道器的MAC地址；然後就由三層模組接收到此資料包，查詢路由表以確定到達B的
路由，將構造一個新的幀頭，其中以預設閘道器的MAC地址為源MAC地址，以主機B的MAC地址
為目的MAC地址。透過一定的識別觸發機制，確立主機A與B的MAC地址及轉發埠的對應關
系，並記錄進流快取條目表，以後的A到B的資料，就直接交由二層交換模組完成。這就通
常所說的一次路由多次轉發。

以上就是三層交換機工作過程的簡單概括，可以看出三層交換的特點：

由硬體結合實現資料的高速轉發。

這就不是簡單的二層交換機和路由器的疊加，三層路由模組直接疊加在二層交換的高速背
板匯流排上，突破了傳統路由器的介面速率限制，速率可達幾十Gbit/s。算上背板頻寬，這
些是三層交換機效能的兩個重要引數。

簡潔的路由軟體使路由過程簡化。

大部分的資料轉發，除了必要的路由選擇交由路由軟體處理，都是又二層模組高速轉發，
路由軟體大多都是經過處理的高效最佳化軟體，並不是簡單照搬路由器中的軟體。

結論

二層交換機用於小型的區域網路。這個就不用多言了，在小型區域網中，廣播包影響不大
，二層交換機的快速交換功能、多個接入埠和低謙價格為小型網路使用者提供了很完善的
解決方案。

路由器的優點在於介面型別豐富，支援的三層功能強大，路由能力強大，適合用於大型的
網路間的路由，它的優勢在於選擇最佳路由，負荷分擔，鏈路備份及和其他網路進行路由
資訊的交換等等路由器所具有功能。

三層交換機的最重要的功能是加快大型區域網路內部的資料的快速轉發，加入路由功能也
是為這個目的服務的。如果把大型網路按照部門，地域等等因素劃分成一個個小區域網，
這將導致大量的網際互訪，單純的使用二層交換機不能實現網際互訪；如單純的使用路由
器，由於介面數量有限和路由轉發速度慢，將限制網路的速度和網路規模，採用具有路由
功能的快速轉發的三層交換機就成為首選。

一般來說，在內網資料流量大，要求快速轉發響應的網路中，如全部由三層交換機來做這
個工作，會造成三層交換機負擔過重，響應速度受影響，將網間的路由交由路由器去完成
，充分發揮不同裝置的優點，不失為一種好的組網策略，當然，前提是客戶的腰包很鼓，
不然就退而求其次，讓三層交換機也兼為網際互連。

第四層交換的一個簡單定義是：它是一種功能，它決定傳輸不僅僅依據MAC地址(第二層網
橋)或源/目標IP地址(第三層路由),而且依據TCP/UDP(第四層) 應用埠號。第四層交換功
能就象是虛IP，指向物理伺服器。它傳輸的業務服從的協議多種多樣，有HTTP、FTP、NFS
、Telnet或其他協議。這些業務在物理伺服器基礎上，需要複雜的載量平衡演算法。在IP世
界，業務型別由終端TCP或UDP埠地址來決定，在第四層交換中的應用區間則由源端和終
端IP地址、TCP和UDP埠共同決定。
　 在第四層交換中為每個供搜尋使用的伺服器組設立虛IP地址（VIP），每組伺服器支援
某種應用。在域名伺服器（DNS）中儲存的每個應用伺服器地址是VIP，而不是真實的服務
器地址。
　 當某使用者申請應用時，一個帶有目標伺服器組的VIP連線請求（例如一個TCP SYN包）發
給伺服器交換機。伺服器交換機在組中選取最好的伺服器，將終端地址中的VIP用實際服務
器的IP取代，並將連線請求傳給伺服器。這樣，同一區間所有的包由伺服器交換機進行映
射，在使用者和同一伺服器間進行傳輸。
第四層交換的原理
　 OSI模型的第四層是傳輸層。傳輸層負責端對端通訊，即在網路源和目標系統之間協調
通訊。在IP協議棧中這是TCP（一種傳輸協議）和UDP（使用者資料包協議）所在的協議層。

　 在第四層中，TCP和UDP標題包含埠號（portnumber），它們可以唯一區分每個資料包
包含哪些應用協議（例如HTTP、FTP等）。端點系統利用這種資訊來區分包中的資料，尤其
是埠號使一個接收端計算機系統能夠確定它所收到的IP包型別，並把它交給合適的高層
軟體。埠號和裝置IP地址的組合通常稱作“插口（socket）”。
　 1和255之間的埠號被保留，他們稱為“熟知”埠，也就是說，在所有主機TCP/I

P協議棧實現中，這些埠號是相同的。除了“熟知”埠外，標準UNIX服務分配在256到
1024埠範圍，定製的應用一般在1024以上分配埠號.
　　分配埠號的最近清單可以在RFc1700”Assigned Numbers”上找到。TCP／UDP端

口號提供的附加資訊可以為網路交換機所利用，這是第4層交換的基礎。
　　"熟知"埠號舉例:
　　
　　　　　　應用協議　　　　 埠號
　　　　　　 FTP　　　　　　　 20（資料）
　　　　　　　　　　　　　　　　　 21（控制）
　　　　　　 TELNET　　　　23
　　　　　　 SMTP　　　　　 25
　　　　　　 HTTP　　　　　　 80
　　　　　　 NNTP　　　　　 119
　　　　　　 NNMP　　　　　 16
　　　　　　　　　　　　　　　　　 162（SNMP traps）
　 TCP/UDP埠號提供的附加資訊可以為網路交換機所利用，這是第四層交換的基礎。

　 具有第四層功能的交換機能夠起到與伺服器相連線的“虛擬IP”(VIP)前端的作用。

每臺伺服器和支援單一或通用應用的伺服器組都配置一個VIP地址。這個VIP地址被髮送出
去並在域名系統上註冊。
　 在發出一個服務請求時，第四層交換機透過判定TCP開始，來識別一次會話的開始。然
後它利用複雜的演算法來確定處理這個請求的最佳伺服器。一旦做出這種決定，交換機就將
會話與一個具體的IP地址聯絡在一起，並用該伺服器真正的IP地址來代替伺服器上的VIP地
址。

　 每臺第四層交換機都儲存一個與被選擇的伺服器相配的源IP地址以及源TCP 埠相

關聯的連線表。然後第四層交換機向這臺伺服器轉發連線請求。所有後續包在客戶機與服
務器之間重新影射和轉發，直到交換機發現會話為止。
　 在使用第四層交換的情況下，接入可以與真正的伺服器連線在一起來滿足使用者制定的規
則，諸如使每臺伺服器上有相等數量的接入或根據不同伺服器的容量來分配傳輸流。


如何選用合適的第四層交換
　　a,速度
　 為了在企業網中行之有效，第四層交換必須提供與第三層線速路由器可比擬的效能。也
就是說，第四層交換必須在所有埠以全介質速度操作，即使在多個千兆乙太網連線上亦
如此。千兆乙太網速度等於以每秒1488000 個資料包的最大速度路由(假定最壞的情形,即
所有包為以及網定義的最小尺寸,長64位元組)。
　　b,伺服器容量平衡演算法
　　
　 依據所希望的容量平衡間隔尺寸，第四層交換機將應用分配給伺服器的演算法有很多種，
有簡單的檢測環路最近的連線、檢測環路時延或檢測伺服器本身的閉環反饋。在所有的預
測中，閉環反饋提供反映伺服器現有業務量的最精確的檢測。
　　c,表容量
　 應注意的是，進行第四層交換的交換機需要有區分和存貯大量傳送表項的能力。交換機
在一個企業網的核心時尤其如此。許多第二/ 三層交換機傾向傳送表的大小與網路裝置的
數量成正比。對第四層交換機，這個數量必須乘以網路中使用的不同應用協議和會話的數
量。因而傳送表的大小隨端點裝置和應用型別數量的增長而迅速增長。第四層交換機設計
者在設計其產品時需要考慮表的這種增長。大的表容量對製造支援線速傳送第四層流量的
高效能交換機至關重要.
　　d,冗餘
　 第四層交換機內部有支援冗餘拓撲結構的功能。在具有雙鏈路的網路卡容錯連線時，就可
能建立從一個伺服器到網路卡，鏈路和伺服器交換器的完全冗餘系統。