mls（multilayer switching，多層交換）為交換機提供基於硬體的第三層高效能交換。它採用先進的專用積體電路（asic）交換部件完成子網間的ip包交換，可以大大減輕路由器在處理資料報時所引起的過高系統開銷。
mls是一種用硬體處理包交換和重寫幀頭，從而提高ip路由效能的技術。cisco多層交換技術支援所有傳統路由協議，而原來由路由器完成的幀**和重寫功能現在已經由交換機的硬體完成。mls將傳統路由器的包交換功能遷移到第三層交換機上。當然，這首先要求交換的路徑必須存在。
mls由以下三個部分組成：
1. 多層路由處理器 （mls-rp） 它相當於網路中的路由器，負責處理每個資料流的第乙個資料報，協助mls交換引擎 （mls-se）在第三層的cam （content-addressable memory）中建立捷徑條目（shortcut entry）。mls-rp可以是乙個外部的路由器，也可以由三層交換機的路由交換模組（rsm）來實現。
2. 多層交換的交換引擎 （mls-se） 它是負責處理**和重寫資料報功能的交換實體。
3. 多層交換協議 （mlsp） 它是乙個輕型協議，用來通過多層路由處理器 （mls-rp）對多層交換的交換引擎進行初始化。
下面以圖1所示的網路為例，闡述多層交換實現的步驟。
第一步：傳送mlsp hello 資訊
當路由器啟用後，多層路由處理器每15秒傳送乙個mlsp hello包，這些包內含路由器介面所使用的vlan標識和mac位址資訊。mls-se通過這些資訊掌握具備多層交換能力的路由器的第二層屬性。如果交換機連線了多個mls-rp，mls-se通過為它們的mac位址分配xtag值的方法來區分每個mls-rp的mac位址條目。如果mlsp幀從同乙個 mls-rp得到所有mac位址，mls-se則為其附加相同的xtag值，具體如圖2所示。這些關聯的記錄都存放在cam中。由於hello包是週期性傳送的，所以，這種方法可以保證相關值動態地跟蹤網路的變化，並可實現一定的淘汰機制。 hello包是在第二層發布的，它使用多播位址01-00-0c-dd-dd-dd.
第二步：標識候選包（candidate packet）
在了解具有多層交換能力的路由器的相關位址後，mls-se可以對進入交換機的資料報進行匹配判斷。對於乙個流中的資料報，如果mls快取中含有與之匹配的捷徑條目，則mls-se就旁路路由器而直接**該資料報；如果mls中不含與該資料報相匹配的捷徑條目，則mls-se將它歸為候選包，並在快取中建立部分捷徑（partial shortcut）。這樣的包採用傳統的第二層交換機處理方式處理，併發往與之相連的路由器介面（閘道器），具體見圖3所示。
第三步：標識使能包（enable packet）
路由器收到並以傳統的方式**資料報。通過資料報的目標位址路由表得知，這個包應從fast ethernet1/0的第二個介面轉出，並將包封裝為vlan2幀通過isl鏈路送回。具體過程如圖4所示。
此時，路由器已經重寫第二層幀的幀頭。同時，路由器不僅改寫了isl頭的vlan號，而且也修改了兩個mac 位址域：源mac改為路由器出口的mac位址，目標mac改為主機b的mac位址。雖然資料報的ip位址未改寫，但ip包頭的生存時間（ttl）值被減1，故 ip包頭的校驗和也需要做相應的修改。
這個修改後的資料報稱為使能包（enable packet），當這個資料報從路由器送出並穿過交換機到達目的地主機b時，要履行下列五個功能：
第二層交換機根據使能包的目的地mac位址，知道該資料報應該從port3/1口**出去；
mls-se得知使能包的幀頭上源位址是通過hello過程建立的位址記錄之一；
mls-se根據使能包目的ip位址查尋在第二步中建立的部分捷徑條目；
mls-se將與使能包源mac位址相關聯的xtag值和部分捷徑條目的對應xtag值相比較，如果匹配，則表明這個使能包與第二步中的候選包來自同乙個路由器；
mls-se完成該捷徑條目的建立過程，該捷徑記錄將包含重寫資料流中的後續包幀頭所需的所有資訊。
第四步：直接交換**發）資料流中的後續包
當後續的資料報被主機a送出後，mls-se利用資料報中的目標ip位址查詢在第三步建立的完整捷徑。位址匹配後，mls-se利用重寫引擎修改幀頭資訊，然後直接**給主機b（資料報不發給路由器）。重寫操作修改幀頭域，其值同第乙個被路由器修改的資料報的域值一樣。詳見圖5所示。這裡需要解釋的是， nffc（netflow feature card）是裝備在三層交換機中的網路流效能卡，它維護第三層交換資料報流的交換表（mls cache），作為多層交換的交換引擎部分。
上述這個過程被稱為「一次路由，多次交換」。交換機利用專業化硬體asic來處理資料報，速度相當快，可以達到100mbps甚至1000mbps.
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