经典VLAN学习笔记—-三层交换机

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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。

6. 加速VLAN间路由的机制
在三层交换中,路由模块会对属于同一个flow的第一个数据包进行分析,并把信息记录在缓存中。如果在来同一个流的数据,就直接查看缓存信息,直接转发,不用有路由模块再次处理,这样可以提高性能。

本文出自 Frank's Blog

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