三层交换机技术—工作原理及相关命令

0 引言
1 三层交换机概述
2 工作原理
2.1 二层交换机
2.2 路由器
- 2.3 三层交换机
3 相关命令
4 内部网络规划
- 4.1 中大型企业网络
- 4.2 大学网络
5 总结
参考文章

0 引言

（1）为控制广播→引入VLAN
（2）为满足同VLAN跨交换机通信→引入trunk链路
（3）为满足VLAN间通信→单臂路由
（4）为解决单臂路由的三个缺点同时又能满足VLAN间通信→三层技术

1 三层交换机概述

（1）对三层交换机的理解：三层交换机 = 三层路由 + 二层交换机。可以理解为在二层交换机上与内部路由器上（三层交换机内部的三层路由器机称为三层路由引擎）创建虚拟接口，两者之间的虚拟接口可以通过主板自动连接，每个接口均可以设置为一个网关、从而实现不同vlan间通信的功能。

（2）功能：（1）作为所有VLAN的网关，起三层路由功能；（2）作为各VLAN内部二层交换功能。
（3）三层路由引擎的激活：三层路由引擎需要开启才能使用，未开启之前其功能等同于二层交换机。
（4）虚拟端口也有MAC地址，所有虚拟端口都共用一个MAC地址。
（5）三层交换机的优点（相比于单臂路由）：

1）解决了网络瓶颈问题。三层路由引擎与二层交换机之间是集成到一块主板上，可以激活出足够多个虚拟端口，每个vlan都有自己单独的虚拟接口通道，另外每个虚拟端口的带宽也比较高。
2）解决了虚拟接口依赖于物理接口的问题，提高了网络的稳定性。虚拟接口不再依赖于单独一个物理接口，不会因为网线或接口之间的问题影响到网络的运行。
3）一次路由，永久交换，提高转发速度。

2 工作原理

2.1 二层交换机

（1）核心原理：依据MAC地址表进行转发。（MAC表是交换机学习而来）
（2）工作过程：数据帧→交换机（检查vlan表→根据入接口类型（access口还是trunk口）决定是否封装vlan标签→学习帧头中源MAC地址→检查帧头目标MAC地址→匹配MAC地址表）→转发至相应接口（检查数据帧中的vlan标签与自己所属vlan是否匹配决定是否转发）。

2.2 路由器

（1）核心原理：依据路由表进行转发。（路由表除了直连路由外均需人工配置）；依据ARP缓存表或发送ARP广播请求获得目标MAC地址，
（2）工作过程：数据帧→路由器接口（首先判断目标MAC地址是不是自己→是则解封装帧头帧尾）→路由器内部（检查IP包头目标IP地址→匹配路由表）→路由至相应接口（查看ARP缓存表或发送ARP广播请求获得目标MAC地址→封装帧头帧尾→转发）。

2.3 三层交换机

（1）核心原理：同时具备依据MAC地址表转发与依据路由表进行转发的功能。当同vlan间时通信时，依据MAC地址表转发；当不同lan间时通信时，依据路由表进行转发。
（2）第一次路由的工作过程：不同lan间时通信时，数据帧→交换机（检查vlan表→根据入接口类型（access口还是trunk口）决定是否封装vlan标签）→根据vlan标签转发至相应虚拟端口→网关（去掉vlan标签→判断目标MAC地址是不是自己→是则解封装帧头帧尾）→三层路由引擎内部（检查IP包头目标IP地址→匹配路由表）→路由至相应接口（查看ARP缓存表或发送ARP广播请求获得目标MAC地址→封装vlan标签→封装帧头帧尾→转发）。
（3）一次路由，永久交换：当第一个数据帧按上述第一次路由过程完成一次路由后，只要目标IP是确定的（如下图中的20.1.1.1），其他数据帧的发送就可以依据CEF快速转发表和邻接关系表快速封装帧头中的目标MAC和源MAC以及转发。因此当三层交换机准发数据帧时，首先检查快速转发表，若没有，则开始第一次路由更新到CEF快速转发表和邻接关系表。

tips:
1）虚拟端口间的连接走的主板，主板带宽看交换机性能，但一般比较大，最大可达几十万兆。

3 相关命令

（1）三层交换机相当于是二层交换机与三层路由引擎的集合体，其命令与普通二层交换机与三层路由器基本一致，只是三层路由引擎需要开启才能使用，另外需要对二层交换机与三层路由引擎之间的连接进行特别配置。相关命令如下

'''启用三层路由'''
conf t
ip routing      #开启三层路由功能。
no ip routing   #关闭三层路由功能。
'''三层交换机上起虚接口并配置vlan的网关'''
#在内部二层交换机及三层路由引擎上创建虚拟端口vlan10，并自动连接，且进入该虚拟端口。在vlan表中是没有的。
#虚接口“vlan 10”不能随意起，需要与虚拟局域网相匹配，起的哪个虚接口代表要给哪个虚拟局域网起虚接口。
int vlan 10
ip add 10.1.1.254 255.255.255.0  #在三层路由引擎的虚拟端口vlan上配置网关IP
no shut                          #开启
exit

（2）三层交换机虽然有三层路由，但是绝大多数厂家的三层交换机是不支持上网功能。因此三层交换机不能直接连外网，要上网仍需要买一个专门的路由器。专门的路由器连接的物理口为三层交换机的二层接口上，但是三层交换机的二层接口可以升级为三级路由接口，可以与路由器相连，可以配IP了。

int f0/x
no switchport   #将原二层接口升级为三层接口，与路由器相连。
no shut
ip add IP地址 子网掩码        #三层接口可以配IP地址

4 内部网络规划

4.1 中大型企业网络

（1）三层交换机一般用正方形表示，且中间有个“米”子，三层交换机也称为公司的核心交换机。
（2）PC不建议直接连在核心交换机上。PC连在二层交换机上，二层交换机再连接三层交换机，各二层交换机之间无连接。
（3）但是绝大多数厂家的三层交换机是不支持上网功能。因此三层交换机不能直接连外网，要上网仍需要买一个专门的路由器。

4.2 大学网络

（1）大学人数很多，网络拓扑图一般如下：

（2）设计汇聚层的目的：分担核心层的工作量

5 总结

（1）理解三层交换机的工作原理（以后需要加深理解）。
（2）在下一节实验中掌握三层交换机的功能及配置方法。
（3）了解一般的内部网络规划。

参考文章

[1] 《三层交换机百科》
[2] 《三层交换机工作原理及相关命令》
[3] 视频传送门

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第17节三层交换机技术—工作原理及相关命令

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