了解三層交換機基本特點 實現技術大飛躍，三層交換機基本特點運用不當導致很多簡單問題都不會設置，接下來讓我們深入探究不能上網原因，以及給出的一些解答，讓你在三層交換機使用上進行合理的設置，最終解決相關問題。

在概述部分中，我們給出了三層交換機基本特點綜述，主要有下列特點：
◆二層交換和三層互通
◆實現三層精確匹配查詢
◆專門針對局域網，特別是以太網進行了優化
◆引入了一些在二層交換機和三層路由器上都不存在的特性
◆實現了初步的BAS功能

一般來說，只要能做到第一點，就可以稱為三層交換機了，但目前大多數流行的三層交換機都不局限于第一點，而是實現了上述的大部分功能。因此，為了更好的理解三層交換機，接下來我們對上述特點進行詳細講述。

二層交換和三層互通

三層交換機首先是一個交換機，即完成二層交換功能。在以太網上，跟普通的二層交換機一樣，三層交換機也維護一張用于二層交換的地址表（通常稱為CAM 表），該表是MAC地址與出接口的對應關系。

這樣每當接收到一個以太網數據幀，三層交換機判斷如果該數據幀不是發送給自己的（這個概念很重要，至于三層交換機基本特點怎么判斷，在下面的講述中會詳細說明），則根據數據幀的目的MAC地址查詢CAM表，如果能命中（所謂命中，就是在CAM表中找到與該MAC地址對應的轉發項），則根據查詢的結果，通常是一個出接口列表，來進行轉發。如果不能命中，則向所有端口廣播該數據幀。

交換機的這張CAM表可以通過多種方式獲得，比如靜態配置，動態學習，針對多播還可以通過各種多播協議，比如IGMP窺探，GMRP協議等方式獲得（注意，多播轉發表不能通過學習獲得，而且多播轉發項跟普通轉發項不同的是，跟其對應的出口可能不止一個，而是一個出口集合，如果想詳細了解多播的一些基礎概念，請參考前面的專題資料）。但對于單播，最重要的一種建立方式是學習。

當交換機接收到一個數據幀，提取出該數據幀的目的MAC地址，并依此為根據進行CAM表查詢，如果能查找到結果，則根據結果進行數據幀的轉發，如果不能命中，則（向除接收端口外的）所有端口進行復制。

在進行數據轉發的同時，交換機還進行一個學習的過程，交換機把數據幀的源MAC地址提取出來，查詢CAM 表，看CAM表中是否有針對該MAC地址的轉發項，如果沒有，則把該MAC地址和接收到該MAC地址的端口綁定起來，插入CAM表項，這樣當接收到一個發送到該MAC地址的數據幀時，就不需要向所有端口廣播，而僅僅向這一個端口發送即可。

需要注意的是，數據幀的轉發是依據目的MAC地址查詢CAM表，而 CAM表的學習則是以源MAC地址為依據。交換機動態學習的CAM表項并不是一成不變的，而是啟動一個定時器，當該定時器遞減到零時，該CAM表項被刪除，每使用一次該CAM表項進行轉發，則恢復定時器初始值。

上述情況是沒有VLAN的工作過程，現在的交換機一般都實現了VLAN（即虛擬局域網，詳細內容請參考以太網的有關教程），這樣在交換機進行轉發的CAM 表就進行了變化，由原來的兩項對應關系（MAC地址跟接口）變成了三項對應關系（MAC地址，VLAN ID，出口），這樣當接收到一個數據幀的時候，交換機根據數據幀的目的MAC地址和VLAN ID兩項來查詢CAM表，找到接口后把該數據幀轉發出去。

但如果交換機根據MAC地址和VLAN ID查詢CAM表失敗，即沒有跟該MAC和VLAN ID的對應關系，則交換機把該數據幀向該VLAN包含的（除接收端口以外的）所有端口上復制。如果只根據CAM表來確定一個VLAN包含哪些端口，則必須遍歷整個CAM表，這樣如果CAM表的規模非常大（一般情況下是4K以上），則效率特別低。

所以一般的交換機上在實現VLAN時，還創建另外一張表，即 VLAN配置表，該表包含了VLAN ID和所有端口的對應關系，即只要根據VLAN ID查詢該表，就可以找到該VLAN包含的所有端口，這樣在進行VLAN內廣播的時候，就非常容易。另外一個問題出現了，就是數據幀的VLAN ID是怎樣獲得的。交換機一般根據下列原則來給一個數據幀附加上VLAN ID：

◆如果接收到數據幀的端口是一個非TAG端口，且數據幀是一個普通數據幀，則附加上該端口的默認VLAN ID；根據農基文的理解：當一個非TAG端口收到了一個數據幀，且含有VLAN ID時，做判斷，如果VLAN ID=端口PVID，則可以接收；否則，丟棄。

◆如果接收到數據幀的端口是一個TAG端口，而數據幀是一個普通數據幀，則附加上該端口的默認VLAN ID；

◆如果接收到數據幀的端口是一個TAG端口，數據幀自己攜帶了VLAN ID（通過802.1Q協議），則該數據幀的VLAN ID就是攜帶的VLAN ID.需要注意的是，實現VLAN的交換機在查詢CAM表進行轉發之前，首先給該數據幀附加上VLAN ID.

以上功能都是二層功能，作為一臺三層交換機，上述功能是必須實現的，但三層交換機基本特點還是VLAN間的互通。在三層交換機上，VLAN之間的互通是通過實現一個虛擬VLAN接口來實現的，即針對每個VLAN，交換機內部維護了一個與該VLAN對應的接口，該接口對外是不可見的，是一個虛擬的接口，但該接口有所有物理接口所具有的特性，比如有MAC地址，可配置最大傳輸單元和傳輸的以太網幀類型等。

在上述的說明中，我們提到了當交換機接收到一個數據幀時，判斷是不是發給自己的，判斷的依據便是查看該MAC地址是不是針對接收數據幀所在VLAN的接口MAC地址，如果是，則進行三層處理，若不是，則進行二層處理，按照上述流程進行轉發。

既然實現了三層轉發，交換機必須維護一個三層轉發表，該表可以是基于最長匹配查詢的FIB表，也可以是基于目的網絡層地址精確匹配的三層轉發表，這跟實現的廠家設備有關。這樣當交換機接收到一個數據幀，該數據幀的目的MAC地址跟該數據幀所在VLAN對應的VLAN接口的MAC地址相同，則進行三層轉發。

轉發的過程是查詢三層轉發表，查找的結果是一個（或多個，當數據幀是多播的時候）出口和相應的二層封裝數據，交換機于是把該數據幀所攜帶的三層數據幀（比如，是IP或IPX數據報）進行修改，比如修改校驗和，在IP協議中還進行TTL字段遞減，然后重新計算CHECKSUM，完成這些后，就把該三層數據包進行二層封裝（根據三層轉發表查找的結果），從相應的接口發送出去。

這個三層轉發表的形成跟二層轉發表（CAM表）的形成有很大的不同，它是通過查詢路由表并經過其它協議（比如ARP協議）形成的。在后面介紹典型產品實例的時候，我們以例子來講述三層轉發表的形成。

◆三層交換機有二層交換機所有功能，比如基于MAC地址的過濾（也就是基于MAC地址的單播轉發），生成樹協議等；

◆三層交換機基本特點通過為每個VLAN分配一個VLAN接口完成VLAN之間的互通，VLAN接口有自己的MAC地址和IP地址，凡目的MAC地址是VLAN接口的數據幀，交換機都進行三層轉發或自己接收—取決于目的IP地址是否是交換機的接口地址。