三层交换机的基本原理与设计思路

3.一款第三层交换机的设计考虑到市场需要，交换机成本和自主知识产权因素，我们设计开发了有自主知识产权的VLSW4150系列交换机。VLSW4150 系列交换机是为企业提供的高性能、多层次化的解决方案。VLSW 4150也适用于ISP和服务提供商，尤其是对于一些大型的运营商，将能够增强其在IP市场的竞争力。

3.1总体设计VLSW4150交换机有24个RJ45 10/100BASE－TX自适应端口，提供2个可选的光纤10/100BaseTx以太口、100BaseFx快速以太端口或者千兆以太网口（SX，LX，ZX），并另外提供一个串口和一个100M以太网口对交换机进行配置。

VLSW4150交换机的体系结构可以支持最高到11Gbps的速率，多层交换速率达到6.6Mpps；可以支持8，192个MAC地址；为了更好的控制网络流量和网络安全，还支持以1M为步长的速率限制；支持TaggedVLAN和MAC-based的帧过滤以及RIP、OSPF和BGP路由协议。

VLSW4150交换机提供堆栈技术可以以一个逻辑IP地址来管理多个交换机，并可在一个口上镜像其他的数据包，提供基于Web的网管系统以及CLI方式来调试交换机。VLSW4150支持SNMP协议、RMON和Telnet功能来便于管理。

3.2硬件结构

VLSW4150三层交换机的硬件结构分为两个部分，处理器模块和交换模块，它们之间通过PCI接口相连，同时配合相应的外围电路形成完整的三层交换机系统。

（1）处理器模块

处理器部采用一款MOTOROLAPowerQUICCIICPU，同一些外部存储设备以及一些外围电路构成三层交换机的处理器部分。处理器模块主要是运行嵌入式操作系统，配置系统和路由表的维持，而不是数据转发通路的组成部分。CPLD 保存一些CPU初始化的一些配置以保证上电后CPU正常启动，Flash 芯片用于存储三层交换机的所需要的所有软件和相关配置，SDRAM在系统启动之后载入FLASH中的程序，保证系统正常运行。处理器模块一方面提供一个快速以太网接口和一个异步口，用于对交换机进行配置和调试；另一方面通过PCI接口和交换模块相连，通过PCI接口对交换模块进行控制，并进行数据传输。

（2）交换模块

交换模块采用了BROADCOM公司的BCM5645作为ASIC芯片，通过PCI接口与处理器模块进行通信完成数据传输，通过5645提供的内存接口，可以给交换模块提供一个64M的外部SDRAM，从而提高交换机的吞吐量和交换速度。5645通过MII接口和GMII接口分别连接24个百兆以太网和2个千兆以太网。

3.3软件结构

VLSW4150三层交换机的软件系统采用了模块化、分布式的设计方法，基于实时多任务操作系统。软件系统的结构呈层次结构，一层建立在另一层的基础上，每一层都使用近邻它的下一层所提供的服务，并且为它上面一层提供更高一级的服务，其优点是：可以向上层软件屏蔽底层操作，提高上层软件的可移植性，提高软件的可维护性。软件大体分为三个层面：

（1）驱动层

驱动程序将上层软件和硬件系统进行了连接，把上层软件的路由更新、管理及配置命令转化为硬件系统所能识别的格式，从而达到更新其内部数据结构如路由表，地址表等，控制及管理硬件交换系统的目的；同时设备驱动程序把底层硬件收到的路由更新报文、控制管理帧及收到的各种信息传递给上层软件处理；

（2）协议栈

实现了TCP/IP、802.1D和802.1Q等协议，为上层的应用程序提供良好的接口；

（3）应用层

主要包括路由模块和网管模块，路由模块实现了RIP和OSPF等协议，即实现第三层路由的主要功能；网管模块实现了SNMP和RMON等网管模块，使三层交换机具有部分网管功能，保证三层交换机更好地正常运转。

4.第三层交换机的应用

第三层交换机的主要用途是代替传统路由器作为网络的核心，因此，凡是没有广域连接需求，同时又需要路由器的地方，都可以用第三层交换机来代替。在企业网和校园网中，一般会将第三层交换机用在网络的核心层，用第三层交换机上的千兆端口或百兆端口连接不同的子网或VLAN.第三层交换机解决了局域网VLAN必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器速度低、复杂所造成的网络瓶颈问题。利用三层交换机在局域网中划分VLAN，可以满足用户端多种灵活的逻辑组合，防止了广播风暴的产生，对不同 VLAN 之间可以根据需要设定不同的访问权限，以此增加网络的整体安全性，极大地提高网络管理员的工作效率，而且第三层交换机可以合理配置信息资源，降低网络配置成本，使得交换机之间连接变得灵活。