经典VLAN学习笔记—-三层交换机

4 4 月, 2007,由 frank撰写

1. 使用路由器进行VLAN间路由时的问题

现在，我们知道只要能提供VLAN间路由，就能够使分属不同VLAN的计算机互相通信。但是，如果使用路由器进行VLAN间路由的话，随着VLAN之间流量的不断增加，很可能导致路由器成为整个网络的瓶颈。

交换机使用被称为ASIC（Application Specified Integrated Circuit）的专用硬件芯片处理数据帧的交换操作，在很多机型上都能实现以缆线速度（Wired Speed）交换。而路由器，则基本上是基于软件处理的。即使以缆线速度接收到数据包，也无法在不限速的条件下转发出去，因此会成为速度瓶颈。就VLAN间路由而言，流量会集中到路由器和交换机互联的汇聚链路部分，这一部分尤其特别容易成为速度瓶颈。并且从硬件上看，由于需要分别设置路由器和交换机，在一些空间狭小的环境里可能连设置的场所都成问题。

2. 三层交换机（Layer 3 Switch）

为了解决上述问题，三层交换机应运而生。三层交换机，本质上就是“带有路由功能的（二层）交换机”。路由属于OSI参照模型中第三层网络层的功能，因此带有第三层路由功能的交换机才被称为“三层交换机”。

关于三层交换机的内部结构，可以参照下面的简图。

在一台本体内，分别设置了交换机模块和路由器模块；而内置的路由模块与交换模块相同，使用ASIC硬件处理路由。因此，与传统的路由器相比，可以实现高速路由。并且，路由与交换模块是汇聚链接的，由于是内部连接，可以确保相当大的带宽。

3. 使用三层交换机进行VLAN间路由（VLAN内通信）
在三层交换机内部数据究竟是怎样传播的呢？基本上，它和使用汇聚链路连接路由器与交换机时的情形相同。

假设有如下图所示的4台计算机与三层交换机互联。当使用路由器连接时，一般需要在LAN接口上设置对应各VLAN的子接口；而三层交换机则是在内部生成“VLAN接口（VLAN Interface）”。VLAN接口，是用于各VLAN收发数据的接口。

（注：在Cisco的Catalyst系列交换机上，VLAN Interface被称为SVI——Switched Virtual Interface）

为了与使用路由器进行VLAN间路由对比，让我们同样来考虑一下计算机A与计算机B之间通信时的情况。首先是目标地址为B的数据帧被发到交换机；通过检索同一VLAN的MAC地址列表发现计算机B连在交换机的端口2上；因此将数据帧转发给端口2。

4. 使用三层交换机进行VLAN间路由（VLAN间通信）
接下来设想一下计算机A与计算机C间通信时的情形。针对目标IP地址，计算机A可以判断出通信对象不属于同一个网络，因此向默认网关发送数据（Frame 1）。

交换机通过检索MAC地址列表后，经由内部汇聚链接，将数据帧转发给路由模块。在通过内部汇聚链路时，数据帧被附加了属于红色VLAN的VLAN识别信息（Frame 2）。

路由模块在收到数据帧时，先由数据帧附加的VLAN识别信息分辨出它属于红色VLAN，据此判断由红色VLAN接口负责接收并进行路由处理。因为目标网络192.168.2.0/24是直连路由器的网络、且对应蓝色VLAN；因此，接下来就会从蓝色VLAN接口经由内部汇聚链路转发回交换模块。在通过汇聚链路时，这次数据帧被附加上属于蓝色VLAN的识别信息（Frame 3）。

交换机收到这个帧后，检索蓝色VLAN的MAC地址列表，确认需要将它转发给端口3。由于端口3是通常的访问链接，因此转发前会先将VLAN识别信息除去（Frame 4）。最终，计算机C成功地收到交换机转发来的数据帧。

整体的流程，与使用外部路由器时的情况十分相似——都需要经过发送方→交换模块→路由模块→交换模块→接收方。

5. 流（Flow）
根据到此为止的学习，我们已经知道VLAN间路由，必须经过外部的路由器或是三层交换机的内置路由模块。但是，有时并不是所有的数据都需要经过路由器（或路由模块）。

例如，使用FTP（File Transfer Protocol）传输容量为数MB以上的较大的文件时，由于MTU的限制，IP协议会将数据分割成小块后传输、并在接收方重新组合。这些被分割的数据，“发送的目标”是完全相同的。发送目标相同，也就意味着同样的目标IP地址、目标端口号（注：特别强调一下，这里指的是TCP/UDP端口）。自然，源IP地址、源端口号也应该相同。这样一连串的数据流被称为“流（Flow）”。

只要将流最初的数据正确地路由以后，后继的数据理应也会被同样地路由。据此，后继的数据不再需要路由器进行路由处理；通过省略反复进行的路由操作，可以进一步提高VLAN间路由的速度。