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《網(wǎng)絡(luò)通信與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)（高等學(xué)校網(wǎng)絡(luò)工程系列教材）》是浙江省重點建設(shè)教材“網(wǎng)絡(luò)工程系列教材”之一。本書介紹了數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的基本技術(shù)，涉及園區(qū)網(wǎng)、接入網(wǎng)、骨干網(wǎng)的構(gòu)建和網(wǎng)絡(luò)通信與互聯(lián)的主流技術(shù)。本書共分8章，主要內(nèi)容包括數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、園區(qū)網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)、骨干網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)間互聯(lián)、融合通信、物聯(lián)網(wǎng)通信。本書在相應(yīng)章節(jié)設(shè)計了來自實踐的實訓(xùn)題，以提高學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)工程實踐能力。
王曉東、張選波等編著的《網(wǎng)絡(luò)通信與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)（高等學(xué)校網(wǎng)絡(luò)工程系列教材）》既可作為高等學(xué)校網(wǎng)絡(luò)工程、計算機科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程等計算機類專業(yè)的課程教材，也可作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計師、網(wǎng)絡(luò)工程師、系統(tǒng)集成工程師以及相關(guān)技術(shù)人員在實際網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與構(gòu)建中的技術(shù)參考用書。

　　3.2.2第3層交換技術(shù)
　　在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成中，局域網(wǎng)交換機的引入使得直接面向用戶的第1層接口和第2層交換技術(shù)能夠更好地實現(xiàn)。交換式局域網(wǎng)技術(shù)使專用的帶寬為用戶所獨享，極大地提高了局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男�。但其也有不足：不能有效地解決廣播風(fēng)暴、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、安全性控制等問題。目前絕大部分園區(qū)網(wǎng)都已變成實施基于TCP/1P的Web技術(shù)的內(nèi)聯(lián)網(wǎng)，用戶的數(shù)據(jù)常常會越過本地網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)際傳送，因而，路由器常常不堪重負(fù)。傳統(tǒng)的路由器基于軟件，協(xié)議復(fù)雜，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男瘦^低。但同時它又作為不同子網(wǎng)互聯(lián)的樞紐，這就使得傳統(tǒng)的路由器技術(shù)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。隨著Internet/lntranet的迅猛發(fā)展和瀏覽器／服務(wù)器（B/S）計算模式的廣泛應(yīng)用，跨地域、跨網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)急劇增長，業(yè)界和用戶深感傳統(tǒng)路由器在網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸效應(yīng)，改進(jìn)傳統(tǒng)的路由技術(shù)迫在眉睫。可以安裝性能更強的高性能路由器，然而這樣做開銷太大。
　　在這種情況下，一種新的路由技術(shù)應(yīng)運而生，這就是第3層交換技術(shù)：第3層交換技術(shù)也稱為IP交換技術(shù)、高速路由技術(shù)等。第3層交換技術(shù)是相對于傳統(tǒng)交換而提出的。眾所周知，傳統(tǒng)的交換技術(shù)是在OSI參考模型中的第2層——數(shù)據(jù)鏈路層上進(jìn)行操作的，而第3層交換技術(shù)是在OSI參考模型中的第3層——網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)了數(shù)據(jù)分組的高速轉(zhuǎn)發(fā)。簡單地說，第3層交換技術(shù)就是第2層交換技術(shù)+第3層轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。這是一種利用第3層協(xié)議中的信息來加強第2層交換功能的機制。一個具有第3層交換功能的設(shè)備是一個帶有第3層路由功能的第2層交換機，又稱第3層交換機，但它是二者的有機結(jié)合，并不是簡單地把路由器設(shè)備的硬件及軟件疊加在局域網(wǎng)交換機上。從硬件的實現(xiàn)上看，目前第2層交換機的端口模塊都是通過高速背板／總線（傳輸速率可高達(dá)幾十Gbps）交換數(shù)據(jù)的，在第3層交換機中，與路由器有關(guān)的第3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進(jìn)行高速的交換數(shù)據(jù)，從而突破了傳統(tǒng)的外接路由器接口傳輸速率的限制（10~100Mbps）。在軟件方面，第3層交換機也有重大的改進(jìn)，它對傳統(tǒng)的路由器軟件進(jìn)行了界定，具體包括以下幾個方面。
　�。�1）對于數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)：例如IP/IPX分組的轉(zhuǎn)發(fā)，這些有規(guī)律的過程通過硬件得以高速實現(xiàn)。
　�。�2）對于第3層路由軟件：例如路由信息更新、路由表維護(hù)、路由計算、路由確定等功能，用優(yōu)化、高效的軟件實現(xiàn)。下面是假設(shè)兩個使用IP的節(jié)點通過第3層交換機進(jìn)行通信的過程，源節(jié)點在開始發(fā)送時，已知目的節(jié)點的IP地址，但尚不知道在局域網(wǎng)上發(fā)送所需要的MAC地址。要采用地址解析協(xié)議（ARP）來確定目的節(jié)點的MAC地址。源節(jié)點把自己的IP地址與目的節(jié)點的lP地址進(jìn)行比較，采用其軟件中配置的子網(wǎng)掩碼提取出網(wǎng)絡(luò)地址來確定目的節(jié)點是否與自己在同一子網(wǎng)內(nèi)。若目的節(jié)點與源節(jié)點在同一子網(wǎng)內(nèi)，源節(jié)點廣播一個ARP請求，目的節(jié)點返回其MAC地址，源節(jié)點得到目的節(jié)點的MAC地址后將這一地址緩存起來，并用此MAC地址封裝轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，第2層交換模塊查找MAC地址表確定將幀發(fā)向目的端口。若兩個節(jié)點不在同一子網(wǎng)內(nèi)，如源節(jié)點要與目的節(jié)點通信，則源節(jié)點要向“缺省網(wǎng)關(guān)”發(fā)出ARP請求，而“缺省網(wǎng)關(guān)”的IP地址已經(jīng)在系統(tǒng)軟件中設(shè)置。這個lP地址實際上對應(yīng)于第3層交換機的第3層交換模塊，所以當(dāng)源節(jié)點對“缺省網(wǎng)關(guān)”的IP地址廣播出一個ARP請求時，若第3層交換模塊在以往的通信過程中已得到目的節(jié)點的MAC地址，則向源節(jié)點回復(fù)目的節(jié)點的MAC地址；否則第3層交換模塊根據(jù)路由信息向目的節(jié)點廣播一個ARP請求，目的節(jié)點得到此ARP請求后向第3層交換模塊回復(fù)其MAC地址，第3層交換模塊保存此地址并回復(fù)給源節(jié)點。以后，當(dāng)再進(jìn)行源節(jié)點與目的節(jié)點之間的分組轉(zhuǎn)發(fā)時，將用最終的目的節(jié)點的MAC地址封裝，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程全部交給第2層交換模塊處理，因而信息得以高速交換。
　　第3層交換技術(shù)具有以下特點。
　　（1）硬件的有機結(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效率提高。
　　（3）除了必要的路由確定過程外，大部分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程由第2層交換模塊處理。
　�。�4）多個子網(wǎng)互聯(lián)時只是與第3層交換模塊進(jìn)行邏輯連接，不像傳統(tǒng)的外接路由器那樣需要增加接口，從而保護(hù)了用戶的投資。
　　第3層交換技術(shù)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2層通路，就沒有必要通過路由器轉(zhuǎn)發(fā)分組。第3層交換技術(shù)使用第3層路由協(xié)議確定傳送路徑，此路徑可以只使用一次，也可以存儲起來，供以后使用。之后分組通過一條虛電路繞過路由器快速發(fā)送。第3層交換技術(shù)的出現(xiàn)，解決了局域網(wǎng)中劃分網(wǎng)段之后網(wǎng)段中的子網(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，第3層交換技術(shù)并不是網(wǎng)絡(luò)交換機與路由器的簡單疊加，而是二者的有機結(jié)合，形成一個集成的、完整的解決方案。
　　傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)給用戶應(yīng)用所帶來的限制，正是第3層交換技術(shù)所要解決的關(guān)鍵問題。目前，市場上高性能路由器的最大處理能力為每秒25萬個分組，而高性能交換機的最大處理能力則為每秒1000萬個分組以上，二者相差40倍。在交換網(wǎng)絡(luò)，尤其是大規(guī)模的交換網(wǎng)絡(luò)中，沒有路由功能是不可想象的，然而路由器的處理能力又限制了交換網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率。第3層交換機并沒有像第2層交換機那樣將廣播幀擴散，由于它們能識別第3層的信息，如IP地址、ARP等，因此知道廣播幀的目的何在，而能在沒有將其擴散出去的情況下，滿足該廣播幀的發(fā)送方的需要（無論它們在哪個子網(wǎng)中）。如果認(rèn)為第3層交換機就是路由器，那么它也應(yīng)該是一種超高速反傳統(tǒng)的路由器，因為第3層交換機沒有進(jìn)行任何封裝和解封裝幀的工作，所有經(jīng)過它的幀都不會被修改并能以交換網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率傳送到目的地。目前，第3層交換機還不成熟，與其他新技術(shù)一樣，還有待對其協(xié)議進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工作。
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