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三层交换(L3交换)的发展及应用简述

一、L3交换原理和分类

最早的第三层交换，是基于ATM技术的MPOA和IPSwitch，分别基于ATMF

和IETF标准（RFC1953和RFC1987）。其基本原理相近，把路由功能分为第三

层路径选择（智能路由选择）和第三层交换（快速转发）。趋势是把第三层交换

放到骨干网ATM交换机中去，把路由器和ATM骨干网融为一体。

MPOA方式的前提是一定要由ATM网络事先建立一条端到端的连接，再采

用“ShortCut”方式对IP包进行路由。

IPSwitch方式中的RFC1953解决了“多跳”数量增长的问题，通过软件提

供一种“直通”（Cut-through）来满足多IP业务要求，它与RFC1987共同构成

IPSwitch基础。IPSwitch对数据包的处理多采用以ATM交换机跨接路由器直通

（CUT-THROUGH）处理的方式，即第一个包通过路由器进行检查、鉴别和处

理，以后相同的包由ATM交换机跨接直通传输，不再通过路由器。

无论是IPSwitch还是MPOA，这个IP数据流都是在虚电路里传输，所有IP

包都在一个已经选定的路由中传输，不存在不同的IP包经过不同的路由。只是

IPSwitch方式每个ATM交换机可独立处理IP交换，以直通IP数据流。但MPOA

一定要所有ATM交换机统一动作，所以MPOA方式实施前一定要先建立一条端

到端的SVC。

除了以上两种L3交换之外，在其他领域也相继产生了第三层交换技术。如

思科公司的专有技术CEF（思科快速转发）、普遍被所有第三层交换机厂家采用

的多层交换技术MLS以及当前被广泛推广的基于IETF标准的多协议标记交换

MPLS。

二、L3交换的起源和发展

基于L2以太网交换技术的多层交换最早起源于校园网络，后来在IDC中也

有较多应用。早期互联网业务流量模型符合20:80规则，即80%的流量为本地，

20%的流量出网。后来此流量模型发生逆转，80%流量来自网段外部，内部通信

只有20%。因此导致不同的网段之间越来越多的业务交换。由于每一个L2网段

都代表一个广播域，出于网络可扩展性的限制，需要在L2以太网交换机上对不

同网段划分不同VLAN，我们知道，在一个多VLAN环境下，VLAN内部采用

L2交换，VLAN之间采用L3路由。因此需要在VLAN之间通过路由器进行L3

数据包转发。传统的路由方式，对IP包的处理性能低于对以太网帧的交换。随

着跨网业务的增多，与传统L3包转发性能低下的矛盾越来越大。这些因素推动

了L3交换技术的产生。

L3交换与L2交换一样，也是基于硬件的交换，更确切地说，是基于硬件的

选路。L3交换机对IP数据包的处理程序和传统路由器一样，提供如下功能：

①根据第三层信息决定转发路径；

②通过Checksum验证第三层报头的完整性；

③验证数据包TTL值并进行核减；

④处理并响应任何选路信息；

⑤在MIB库中更新转发统计数据；

⑥实施策略，如ACL、策略路由、CAR/Shaping或QoS队列。

L3交换与传统路由器的区别，除了路由器采用基于CPU的软交换，L3交

换机通过ASIC之外，它们的主要区别在于转发机制上。L3交换在满足第三层

选路需求的同时，需要满足对数据进行线速转发的要求，只有提高了吞吐率，才

能彻底解决第三层瓶颈问题。L3交换结合了交换和路由技术的优点，其高性能

是基于“一次路由，多次交换”的机制实现的。在L3交换过程中，L3交换机监

测进入路由器接口的第一个以太网帧（判断依据是以太网帧的目的地址为路由器

接口MAC地址），因为这些数据帧一定是跨网流量。然后L3交换机需要剥离以

太网帧，读取L3信息，通过查找FIB路由转发表，将数据包输出到相应接口。

在这同时，L3交换机根据这个数据包的IP地址（源/目的地址）对后续进入交换

机的具有共性的数据包进行流（Flow）分类，并对每个流及这个流的输出端口进

行缓存，这个流中