二层交换与三层交换机技术及应用

周爱武

（深圳市普端科技有限公司，广东深圳 518000）

文章主要介绍了三层交换机的结构及工作原理，并通过分析现有技术，阐述数据链层设备二层交换与三层组合系统在实际应用中存在的问题，并介绍了深圳市普端科技有限公司相关产品及其理念。

随着信息技术的快速发展，网络技术也得到了迅捷地改进，可以利用互联网进行各种信息交流，但在实际应用过程中存在一定局限性——目前我国大部分计算机系统都是采用单机运行模式。在此情况下服务器和交换机之间需实现数据通信，而信道层是将不同设备间信号传输到同一个平台上同时完成信号的交互，如果交易装备出现故障或网路时延等问题会造成整个网络系统崩盘，严重影响用户使用体验感与效果。

1.1 二层交换和三层交换机技术的应用趋势

为了应对网络广播风暴，为了安全和管理的可移植性，大型局域网根据不同的功能、范围等原因被划分为非常小的局域网，从而使VLAN 技术在计算机网络中得到了广泛应用，而由于不同VLAN 间的数据通信都需要先经过Internet 路由器同意才能进行数据交换，因此网络之间互相使用的时间长。通过路由器实现互联网的，但因为接口的限制，路由速率比较缓慢，不仅影响了互联网使用的范围和效率。而根据这个现状，已经基本出现了三层交换机，三层交换机都是基于IP 设计的，由于接口类型单一，二层转发处理功能强大，非常适合于大型局域网内的信息路由与转换工作，它还能够同时运行于网络第三层，可以部分地取代或补充普通路由器的作用，并且可以几乎达到二层的转换效率，因此具有相当高的价格竞争力。

1.2 三层交换机的优势体现

该技术的应用是基于TCP/IPS 接口的底层交换设备，该层是在两层网络中进行数据传输，因此需要将每层之间使用以太网连接起来。同时也可以利用现有TCP/IP 上已有协议对其实现。通过这种方法能够减少中间节点数目，并且降低成本和提高系统性能等来满足用户需求从而达到更好效果。因为三层交换机组采用的是开放式结构，所以能够实现资源共享，且可以在不增加投资成本和运行维护费用前提下提高经济性；
同时也能保证系统中各个层次之间的信息交流。由于二层通信方式与传统单层控制方式不同。因此需要对其进行改造。二层交换机是将一台三层中间设备直接安装到底层主机进行交换操作从而满足四层中间设备的性能要求。

2.1 交换机的核心

交换机的核心结构是一台数据采集器，由功率放大级、控制模块和电源组成。2层设备主要包括中央处理器（MIS）、底层控制器（MFCFEBCU）。其中上位计算机用于对整个系统进行管理；
二层三层为系统中最重要的部分即底层控制器与上层计算机之间建立通信链路，保证整个交换机运行时的正常可靠稳定以及安全有效地工作；
四层交换机组则负责完成数据采集器与层设备间设备接口连接功能和控制任务。

2.2 交换模块

在三层交换机中，交换模块主要是用来实现底层设备的数据信息，包括用户层、中间层和管理层。

上层应用系统主要负责交换下层设备的运行。包括底层系统控制、数据输入端、控制逻辑部分等，并将其与终端进行通信操作以达到对整个二层架构状态实时监控管理及显示、分析处理相关事件功能等目的，同时也可以通过该界面向外界展示底层交换机制动态信息以及层控的工作情况和性能变化趋势。

2.3 交换机功能描述

通过对三层交换机的介绍，可知，该系统主要有以下功能。

（1）数据链路层设备可以实现底层交换机组向二层换入相同容量的上层单元。这样就不会出现因为换入不同级别用户而造成资源浪费，同时也避免了由于上下级间信道信息传递不畅等问题所导致的设备运行效率低。

（2）三层交换机还能在一台主机中进行多个层次操作，并且能够对上一层次从属到更加高级地控制和管理。

2.4 交换机的数据格式

（1）交换站：负责一台设备或主机采集和传送数据，并向其发送信息。

（2）用户层：负责把来自不同级别的用户层或者供应商上传到网络中。

（3）接口协议和传输协议均由同一个服务器来完成。

（4）接口服务提供了一个通用平台供大家共享使用，方便快捷、安全可靠地实现资源管理与调用。

（5）交换站还可以对设备进行监控等功能要求，从而保证数据链系统运行过程中的安全性及可靠性。

2.5 三层交换机的技术分析

三层交换机是在第3层运行的路由器上的部分功能路由器：标准OSI 网络模型的网络层。三层交换机的主要目的是为全域网加速数据交换，路由功能也是为了这个目的，可以实现单路多路转发。转发数据包等常规操作由高速硬件执行，而更新路由信息、维护路由表、路由计算、路由确定等功能则由软件执行。

在现有的三层交换机中，主要有两种：①采用基于以太网的网络架构技术；
②利用路由器和总线实现。通过对上述数据链路层设备结构、应用领域以及性能特点进行分析研究后发现，其整体上已经具备了良好的兼容性及稳定性等特性与优势。但是由于目前所使用的是三层交换站技术而非两层交换站系统，所以在该层面也存在着一定问题有待解决：①底层配置资源不足导致数据传输可靠性低；
②三层交换站设备运行环境较差，无法有效保证数据传输的稳定性；
③其对交换机系统性能要求较高，但是在该层面也存在着一定不足。三层交换技术可以让用户在工作组之间拥有100 Mbps 和1000 Mbps 的无失真数据交换率，这也就是它的主要缺点，即只有当用户和服务器都能够跟上网络带宽的增长，或者数据包到达了系统的极限，即超过CPU 能够处理的最高速率，方可真正实现。现在更多的功能强大的工作站已经接入到了桌面交换以太网，但是它们却还不能充分发挥用户的桌面能力，所以首要的问题就是提升服务器能力。

3.1 三层交换机的发展前景

交换机技术在不断进步和发展，在整个交换机市场中，三层交换机的销量将占绝大多数，并伴随着销量的巨大增长。三层交换机产品价格下降，因此产品的性价比不断提升，三层交换机市场也在不断扩大。

3.2 三层交换机的应用特点

三层交换机的使用使得该层设备可实现与底层交换器直接进行通信，同时还可以通过与上层交换器之间的数据通信来完成信息传输，因此在实际应用中可以很好地解决底层平台和三层系统间存在冲突问题。此外也能够有效减少了中间媒介、中间链路占用资源。

三层交换机是基于DAC 层设备，可以与底层交换机组进行通信，同时还能够对二层层的换流器和一层变频器等设备实现控制。在实际应用中主要采用集中管理模式。该方式以分布式结构为基础架构；
其优点在于系统简单、维护方便且安全可靠性能较好；
缺点是当一台交换机不工作时就会出现故障而影响到整台机器运行，因此需要及时对整个二层层进行统一监控和维修。

在该层交换机中，两台二层为同一个主设备，一台用于底层主机，另一台则是通过中间平台进行连接。由于一层换出了两个不同供应商的货架。因此每层之间可以实现数据信息共享和资源共用；
同时也可对上一级各供应商进行调度，并控制整个系统运行状态等。功能要求较高且复杂程度较大的工作任务即可采用三层交换机技术完成该层交换。

3.3 三层交换机的运行流程

①用户层开始进行接线工作。通过设置好底层网络接口和接入端端口来实现对三层交换机能流通道内所有设备及相关信息数据的收集。同时需要将底层路由器、终端网与相应厂商之间建立连接关系。②设置好连接协议后再向各个不同厂家发送所需的访问请求，并由对应厂商处理完成上层级交换机服务，然后根据用户层提供的不同要求给设备进行配置工作。③三层交换机在运行过程中需要对交换设备的层进行相应配置，包括底层路由器、终端网与接入地，同时还需考虑到不同用户之间的通信问题。④三层交换机的基础上进行相应配置，并将其安装到底层交换机组中，交换机层设备，通过设置好连接协议，实现不同功能的操作。

3.4 三层交换机的配置与维护

在三层交换机中，为了保证设备的安全，需要对二层交换机进行配置，包括接地、保护以及检查等。

（1）接地系统。对于一层换热器来说其工作环境较好而且不容易受到外界因素影响。

（2）三层交换机中除了有两台新风机组外还有一台变频器，并且在实际运行过程中会出现由于内部故障而引起的设备损坏。

普端科技有限公司的IGS5052XF 型交换机（图1）提供48个10/100/1000 M 的自适应以太网端口，4个1000 M/10 G 的万兆光口。所有端口均支持快速无扰切换和MDI/MDIX 自适应功能，确保产品的高可靠性和低功耗。该交换机具有标准的19英寸外壳，可轻松提供各种桌面输入功能。

图1 IGS5052XF型交换机

普端科技有限公司为华南师范大学设计了一套性能卓著、高效稳定的网络解决方案，推进数字化校园建设，方案实施并验收完成后，得到了客户的高度评价，并被列为示范项目。方案特点如下。

（1）灵活的AP 部署：在宿舍寝室内安装入墙式AP，既可无线全面覆盖寝室范围又可满足有线接入的需求。而在走廊和大厅等其他区域部署少量的吸顶式AP 来覆盖室外范围。使用入墙式和吸顶式AP 的混合部署真正做到覆盖无死角、漫游无阻碍且高速、稳定的无线网络系统。

（2）先进的认证管理：为了网络安全和可靠监管接入网络的人员的身份信息，本项目采用一套身份证信息采集系统。在管理员PC 安装TG 认证计费客户端软件及身份证刷卡器，学生、访客出示身份证，刷卡录入身份信息。管理员根据不同需求并用身份信息开通上网账号和计费套餐。当用户终端试图接入网络时，云盒子通过与认证计费服务器联动交互用户账户信息，从而达到对用户的精确认证与计费。

（3）统一的网络管理：每栋宿舍部署1台云盒子M5，通过云盒子统一无线SSID，实现无线漫游；
管理POE 交换机，监控和管理交换机端口功率、电压、电流。

（4）可靠的网络安全：接入层使用TG-NET 智能POE 交换机，启用端口隔离功能、STP 功能，保护网络安全。

在未来，行业的发展前景将更加广阔，但竞争亦激烈，应采取有效措施去提高本企业的竞争力、降低成本等手段来提升自身实力。同时也需要从技术层面着手。

（1）加强对核心层设备性能的研究。

（2）注重数据链路设计和管理。

（3）加大对关键性资源利用率的研究力度以及相关配套设施与技术研发方面投入资金等一系列问题都将成为未来公司发展方向之一。

通过对二层交换机和三层交换机的结构、工作原理乃至技术特点的介绍，分析了两者的技术发展状况与市场应用前景，同时对深圳普端公司进行介绍分析。三层交换机技术是将整个系统分为不同部分，每个部分都有自己独立的运行机制。通过对各子层设备进行分析比较并给出相应设计方案，并结合实际情况具体说明了数据链路层所应具备功能模块与上位机交换及二层交换机的主要应用技术和实现方法。

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