一文读懂第二、三、四层交换机技术

一、第二层交换机

OSI参考模型的第二层叫做数据链路层，第二层交换机通过链路层中的MAC地址实现不同端口间的数据交换。第二层交换机主要功能，就包括物理编址、错误校验、帧序列以及数据流控制。因为这是最基本的交换技术产品，目前桌面型交换机一般是属于这类型，所以一般来说，桌面型交换机所承担的工作复杂性不是很强，又处于网络的最基层，所以也就只需要提供最基本的数据链接功能即可。

第二层交换机的应用是最为普遍的，一般应用于局域网的接入层，用来连接用户的计算机，并且其价格便宜，功能符合中、小企业实际应用需求。通过二层交换机，你可以轻松地将位于同一VLAN内的数据帧从源端发送到目的端，而无需物理连接或位于同一位置。因此，软件公司的服务器可以集中放置在一个位置，而分散在其他位置的客户端可以轻松访问数据而没有延迟，从而节省服务器成本和时间。组织可以通过使用这些类型的交换机将主机配置在同一个VLAN中，而不需要任何互联网连接，从而实现内部通信。

总结一下二层交换机的特点：

1. 二层交换机可以充当网桥，将计算机网络系统的各种终端设备连接在一个平台上。它们能够非常快速且有效地将数据从LAN 网络的源端传输到目标端。

2. 二层交换机通过从交换机的地址表中学习目的节点的MAC地址，执行交换功能，将数据帧从源端重新排列到目的端。

3. MAC地址表为二层设备提供了唯一的地址，用于标识数据下发的终端设备和节点。

4. 二层交换机将庞大复杂的 LAN 网络拆分为一个个小的VLAN网络。

5. 通过在一个大型的 LAN 网络中配置多个 VLAN，在没有物理连接的情况下，交换变得更快。

二、第三层交换机

OSI参考模型的第三层叫做网络层，第三层交换机可以看成是路由器和二层交换机的结合，它比第二层交换机更加高档，功能更强。

它们比二层交换机具有更快的切换速度，甚至比传统路由器更快，因为它们不使用额外的跃点来执行数据包的路由，从而会带来更好的性能。

它通常在数据链路层进行交换，仅在需要时（如VLAN间的通信）才在网络层进行路由。

第三层交换机利用网络层的数据包头部信息来增强第二层交换机的功能，依据IP地址信息提供给网络路径选择，并实现不同网段间的数据交换。

第三层交换机可以隔离广播域，具有很高的数据转发能力和良好的路由控制能力，能够实现不同VLAN主机间的高速路由。

当网络规模较大的时候，你就可以根据特殊应用需求划分为小面独立的VLAN网段，以减小广播所造成的影响。

通常三层交换机是采用模块化结构，以适应灵活配置的需要。在大中型网络中，第三层交换机已经成为基本配置设备。

要理解三层交换机的功能，首先需要先了解路由的概念。

第3层中的源端设备首先查看自己的路由表，路由表中包含了源IP地址、目的IP地址和子网掩码的所有信息。

然后，根据它从路由表中收集的信息，将数据包发送到目的地，并可以在不同的LAN、MAN和WAN网络之间进一步传递数据。

它遵循最短且安全的路径在终端设备之间传递数据，这就是路由的总体概念。

各种网络可以通过STM链路连接在一起，STM链路有很高的带宽，DS3链路也可以。连接的类型取决于网络的各种参数。

总结一下三层交换机的特点：

1. 执行静态路由，以在不同 VLAN 之间传输数据。而二层设备只能在同一 VLAN网络之间传输数据。

2. 以与路由器相同的方式执行动态路由，这种动态路由技术允许交换机执行最佳数据包路由。

3. 根据网络的实时场景提供一组多路径来传递数据包。交换机可以选择最可行的路径来路由数据包，目前流行的路由技术包括 RIP 和 OSPF。

4. 有能力识别关于流量流向的交换机的相关IP地址信息。

5. 能够根据子网划分或 VLAN 流量标记部署 QoS 分类，而不是像二层交换机那样手动配置交换机端口。

6. 需要更多的功率来运行，并在交换机之间提供更高带宽的链路，这些链路几乎超过 10Gbits。

7. 为数据交换提供高度安全的路径。

三、第四层交换机

OSI参考模型的第四层叫做传输层，该设备是采用第四层交换技术而开发出来的交换机产品，直接面对具体应用。

第四层交换机支持的协议是各种各样的，如HTTP，FTP、Telnet、SSL等。

在第四层交换中为每个供搜寻使用的服务器组设立虚IP地址（VIP），每组服务器支持某种应用。

在域名服务器（DNS）中存储的每个应用服务器地址是VIP，而不是真实的服务器地址。

当某用户申请应用时，一个带有目标服务器组的VIP连接请求（例如一个TCPSYN包）发给服务器交换机。

服务器交换机在组中选取最好的服务器，将终端地址中的VIP用实际服务器的IP取代，并将连接请求传给服务器。

这样，同一区间所有的包由服务器交换机进行映射，在用户和同一服务器间进行传输。

第四层交换技术相对原来的第二层、第三层交换技术具有明显的优点。

从操作方面来看，第四层交换是稳固的，因为它将包控制在从源端到宿端的区间中。

另一方面，路由器或第三层交换，只针对单一的包进行处理，不清楚上一个包从哪来、也不知道下一个包的情况。

它们只是检测包报头中的TCP端口数字，根据应用建立优先级队列，路由器根据链路和网络可用的节点决定包的路由，而第四层交换机则是在可用的服务器和性能基础上先确定区间。

总结来说，四层交换机与二层交换机、三层交换机的区别在于它们三者的工作方式以及应用方式的不同。二层交换机的解决方案实际上是一个“处处交换”的廉价方案，虽然二层交换机的解决方案也能划分子网、限制广播、建立VLAN，但它的控制能力较小、灵活性不够，也无法控制各信息点的流量，缺乏方便实用的路由功能，只适合小型局域网。三层交换机的交换机方案实际上是一个能够支持多层次动态集成的解决方案。

虽然。这种多层次动态集成功能在某些程度上也能由传统路由器和二层交换机搭载完成，但这种搭载方案与采用三层交换机相比，不仅需要更多的设备配置、占用更大的空间、设计更多的布线和花费更高的成本。而且，数据传输性能也要差得多，因为在海量数据传输中，搭载方案中的路由器无法克服路由传输速率瓶颈。四层交换机在网络中的应用非常灵活，它即可是网络中心的汇接点设备，又可以应用在局域网分布层的边缘接入处，甚至于作为工作组级支持交换到桌面。

目前，四层交换机主要技术除了实现网络负载均衡，还包括包过滤、服务质量、主备机连接等等。随着信息应用水平的不断提高，它对网络的需求也越来越高，越来越复杂，四层交换机及类似的高层网络设备将在未来的网络环境中发挥更加重要的作用。

编辑：黄飞