二層交換與三層交換機技術及應用

周愛武

（深圳市普端科技有限公司，廣東深圳 518000）

文章主要介紹了三層交換機的結構及工作原理，并通過分析現有技術，闡述數據鏈層設備二層交換與三層組合系統在實際應用中存在的問題，并介紹了深圳市普端科技有限公司相關產品及其理念。

1 交換機技術的現狀分析

隨著信息技術的快速發展，網絡技術也得到了迅捷地改進，可以利用互聯網進行各種信息交流，但在實際應用過程中存在一定局限性——目前我國大部分計算機系統都是采用單機運行模式。在此情況下服務器和交換機之間需實現數據通信，而信道層是將不同設備間信號傳輸到同一個平臺上同時完成信號的交互，如果交易裝備出現故障或網路時延等問題會造成整個網絡系統崩盤，嚴重影響用戶使用體驗感與效果。

1.1 二層交換和三層交換機技術的應用趨勢

為了應對網絡廣播風暴，為了安全和管理的可移植性，大型局域網根據不同的功能、范圍等原因被劃分為非常小的局域網，從而使VLAN 技術在計算機網絡中得到了廣泛應用，而由于不同VLAN 間的數據通信都需要先經過Internet 路由器同意才能進行數據交換，因此網絡之間互相使用的時間長。通過路由器實現互聯網的，但因為接口的限制，路由速率比較緩慢，不僅影響了互聯網使用的范圍和效率。而根據這個現狀，已經基本出現了三層交換機，三層交換機都是基于IP 設計的，由于接口類型單一，二層轉發處理功能強大，非常適合于大型局域網內的信息路由與轉換工作，它還能夠同時運行于網絡第三層，可以部分地取代或補充普通路由器的作用，并且可以幾乎達到二層的轉換效率，因此具有相當高的價格競爭力。

1.2 三層交換機的優勢體現

該技術的應用是基于TCP/IPS 接口的底層交換設備，該層是在兩層網絡中進行數據傳輸，因此需要將每層之間使用以太網連接起來。同時也可以利用現有TCP/IP 上已有協議對其實現。通過這種方法能夠減少中間節點數目，并且降低成本和提高系統性能等來滿足用戶需求從而達到更好效果。因為三層交換機組采用的是開放式結構，所以能夠實現資源共享，且可以在不增加投資成本和運行維護費用前提下提高經濟性；同時也能保證系統中各個層次之間的信息交流。由于二層通信方式與傳統單層控制方式不同。因此需要對其進行改造。二層交換機是將一臺三層中間設備直接安裝到底層主機進行交換操作從而滿足四層中間設備的性能要求。

2 基于交換機機技術層面的分析

2.1 交換機的核心

交換機的核心結構是一臺數據采集器，由功率放大級、控制模塊和電源組成。2層設備主要包括中央處理器（MIS）、底層控制器（MFCFEBCU）。其中上位計算機用于對整個系統進行管理；二層三層為系統中最重要的部分即底層控制器與上層計算機之間建立通信鏈路，保證整個交換機運行時的正?？煽糠€定以及安全有效地工作；四層交換機組則負責完成數據采集器與層設備間設備接口連接功能和控制任務。

2.2 交換模塊

在三層交換機中，交換模塊主要是用來實現底層設備的數據信息，包括用戶層、中間層和管理層。

上層應用系統主要負責交換下層設備的運行。包括底層系統控制、數據輸入端、控制邏輯部分等，并將其與終端進行通信操作以達到對整個二層架構狀態實時監控管理及顯示、分析處理相關事件功能等目的，同時也可以通過該界面向外界展示底層交換機制動態信息以及層控的工作情況和性能變化趨勢。

2.3 交換機功能描述

通過對三層交換機的介紹，可知，該系統主要有以下功能。

（1）數據鏈路層設備可以實現底層交換機組向二層換入相同容量的上層單元。這樣就不會出現因為換入不同級別用戶而造成資源浪費，同時也避免了由于上下級間信道信息傳遞不暢等問題所導致的設備運行效率低。

（2）三層交換機還能在一臺主機中進行多個層次操作，并且能夠對上一層次從屬到更加高級地控制和管理。

2.4 交換機的數據格式

（1）交換站：負責一臺設備或主機采集和傳送數據，并向其發送信息。

（2）用戶層：負責把來自不同級別的用戶層或者供應商上傳到網絡中。

（3）接口協議和傳輸協議均由同一個服務器來完成。

（4）接口服務提供了一個通用平臺供大家共享使用，方便快捷、安全可靠地實現資源管理與調用。

（5）交換站還可以對設備進行監控等功能要求，從而保證數據鏈系統運行過程中的安全性及可靠性。

2.5 三層交換機的技術分析

三層交換機是在第3層運行的路由器上的部分功能路由器：標準OSI 網絡模型的網絡層。三層交換機的主要目的是為全域網加速數據交換，路由功能也是為了這個目的，可以實現單路多路轉發。轉發數據包等常規操作由高速硬件執行，而更新路由信息、維護路由表、路由計算、路由確定等功能則由軟件執行。

在現有的三層交換機中，主要有兩種：①采用基于以太網的網絡架構技術；②利用路由器和總線實現。通過對上述數據鏈路層設備結構、應用領域以及性能特點進行分析研究后發現，其整體上已經具備了良好的兼容性及穩定性等特性與優勢。但是由于目前所使用的是三層交換站技術而非兩層交換站系統，所以在該層面也存在著一定問題有待解決：①底層配置資源不足導致數據傳輸可靠性低；②三層交換站設備運行環境較差，無法有效保證數據傳輸的穩定性；③其對交換機系統性能要求較高，但是在該層面也存在著一定不足。三層交換技術可以讓用戶在工作組之間擁有100 Mbps 和1000 Mbps 的無失真數據交換率，這也就是它的主要缺點，即只有當用戶和服務器都能夠跟上網絡帶寬的增長，或者數據包到達了系統的極限，即超過CPU 能夠處理的最高速率，方可真正實現?，F在更多的功能強大的工作站已經接入到了桌面交換以太網，但是它們卻還不能充分發揮用戶的桌面能力，所以首要的問題就是提升服務器能力。

3 三層交換機的應用解析

3.1 三層交換機的發展前景

交換機技術在不斷進步和發展，在整個交換機市場中，三層交換機的銷量將占絕大多數，并伴隨著銷量的巨大增長。三層交換機產品價格下降，因此產品的性價比不斷提升，三層交換機市場也在不斷擴大。

3.2 三層交換機的應用特點

三層交換機的使用使得該層設備可實現與底層交換器直接進行通信，同時還可以通過與上層交換器之間的數據通信來完成信息傳輸，因此在實際應用中可以很好地解決底層平臺和三層系統間存在沖突問題。此外也能夠有效減少了中間媒介、中間鏈路占用資源。

三層交換機是基于DAC 層設備，可以與底層交換機組進行通信，同時還能夠對二層層的換流器和一層變頻器等設備實現控制。在實際應用中主要采用集中管理模式。該方式以分布式結構為基礎架構；其優點在于系統簡單、維護方便且安全可靠性能較好；缺點是當一臺交換機不工作時就會出現故障而影響到整臺機器運行，因此需要及時對整個二層層進行統一監控和維修。

在該層交換機中，兩臺二層為同一個主設備，一臺用于底層主機，另一臺則是通過中間平臺進行連接。由于一層換出了兩個不同供應商的貨架。因此每層之間可以實現數據信息共享和資源共用；同時也可對上一級各供應商進行調度，并控制整個系統運行狀態等。功能要求較高且復雜程度較大的工作任務即可采用三層交換機技術完成該層交換。

3.3 三層交換機的運行流程

①用戶層開始進行接線工作。通過設置好底層網絡接口和接入端端口來實現對三層交換機能流通道內所有設備及相關信息數據的收集。同時需要將底層路由器、終端網與相應廠商之間建立連接關系。②設置好連接協議后再向各個不同廠家發送所需的訪問請求，并由對應廠商處理完成上層級交換機服務，然后根據用戶層提供的不同要求給設備進行配置工作。③三層交換機在運行過程中需要對交換設備的層進行相應配置，包括底層路由器、終端網與接入地，同時還需考慮到不同用戶之間的通信問題。④三層交換機的基礎上進行相應配置，并將其安裝到底層交換機組中，交換機層設備，通過設置好連接協議，實現不同功能的操作。

3.4 三層交換機的配置與維護

在三層交換機中，為了保證設備的安全，需要對二層交換機進行配置，包括接地、保護以及檢查等。

（1）接地系統。對于一層換熱器來說其工作環境較好而且不容易受到外界因素影響。

（2）三層交換機中除了有兩臺新風機組外還有一臺變頻器，并且在實際運行過程中會出現由于內部故障而引起的設備損壞。

4 主要應用產品及實例

普端科技有限公司的IGS5052XF 型交換機（圖1）提供48個10/100/1000 M 的自適應以太網端口，4個1000 M/10 G 的萬兆光口。所有端口均支持快速無擾切換和MDI/MDIX 自適應功能，確保產品的高可靠性和低功耗。該交換機具有標準的19英寸外殼，可輕松提供各種桌面輸入功能。

圖1 IGS5052XF型交換機

普端科技有限公司為華南師范大學設計了一套性能卓著、高效穩定的網絡解決方案，推進數字化校園建設，方案實施并驗收完成后，得到了客戶的高度評價，并被列為示范項目。方案特點如下。

（1）靈活的AP 部署：在宿舍寢室內安裝入墻式AP，既可無線全面覆蓋寢室范圍又可滿足有線接入的需求。而在走廊和大廳等其他區域部署少量的吸頂式AP 來覆蓋室外范圍。使用入墻式和吸頂式AP 的混合部署真正做到覆蓋無死角、漫游無阻礙且高速、穩定的無線網絡系統。

（2）先進的認證管理：為了網絡安全和可靠監管接入網絡的人員的身份信息，本項目采用一套身份證信息采集系統。在管理員PC 安裝TG 認證計費客戶端軟件及身份證刷卡器，學生、訪客出示身份證，刷卡錄入身份信息。管理員根據不同需求并用身份信息開通上網賬號和計費套餐。當用戶終端試圖接入網絡時，云盒子通過與認證計費服務器聯動交互用戶賬戶信息，從而達到對用戶的精確認證與計費。

（3）統一的網絡管理：每棟宿舍部署1臺云盒子M5，通過云盒子統一無線SSID，實現無線漫游；管理POE 交換機，監控和管理交換機端口功率、電壓、電流。

（4）可靠的網絡安全：接入層使用TG-NET 智能POE 交換機，啟用端口隔離功能、STP 功能，保護網絡安全。

5 發展前景

在未來，行業的發展前景將更加廣闊，但競爭亦激烈，應采取有效措施去提高本企業的競爭力、降低成本等手段來提升自身實力。同時也需要從技術層面著手。

（1）加強對核心層設備性能的研究。

（2）注重數據鏈路設計和管理。

（3）加大對關鍵性資源利用率的研究力度以及相關配套設施與技術研發方面投入資金等一系列問題都將成為未來公司發展方向之一。

6 結束語

通過對二層交換機和三層交換機的結構、工作原理乃至技術特點的介紹，分析了兩者的技術發展狀況與市場應用前景，同時對深圳普端公司進行介紹分析。三層交換機技術是將整個系統分為不同部分，每個部分都有自己獨立的運行機制。通過對各子層設備進行分析比較并給出相應設計方案，并結合實際情況具體說明了數據鏈路層所應具備功能模塊與上位機交換及二層交換機的主要應用技術和實現方法。