早期的網路中一般使用二層交換機來搭建區域網，而不同區域網之間的網路互通由路由器來完成。那時的網路流量，區域網內部的流量佔了絕大部分，而網路間的通訊訪問量比較少，使用少量路由器已經足夠應付了。
但是，隨著資料通訊網路範圍的不斷擴大，網路業務的不斷豐富，網路間互訪的需求越來越大，而路由器由於自身成本高、**效能低、介面數量少等特點無法很好的滿足網路發展的需求。因此出現了三層交換機這樣一種能實現高速三層**的裝置。
路由器的三層**主要依靠cpu進行，而三層交換機的三層**依靠硬體完成，這就決定了兩者在**效能上的巨大差別。
當然，三層交換機並不能完全替代路由器，路由器所具備的豐富的介面型別、良好的流量服務等級控制、強大的路由能力等仍然是三層交換機的薄弱環節。
目前的三層交換機一般是通過vlan來劃分二層網路並實現二層交換，同時能夠實現不同vlan間的三層ip互訪。不同網路的主機之間互訪的流程簡要如下
1、源主機在發起通訊之前，將自己的ip與目的主機的ip進行比較，如果兩者位於同一網段(用網路掩碼計算後具有相同的網路號)，那麼源主機直接向目的主機傳送arp請求，在收到目的主機的arp應答後獲得對方的物理層(mac)位址，然後用對方mac位址作為報文的目的mac位址進行報文傳送。
2、當源主機判斷目的主機與自己位於不同網段時，它會通過閘道器(gateway)來遞交報文，即傳送arp請求來獲取閘道器ip位址對應的mac，在得到閘道器的arp應答後，用閘道器mac作為報文的目的mac傳送報文。此時傳送報文的源ip是源主機的ip，目的ip仍然是目的主機的ip。
下面詳細介紹一下三層交換的過程。
圖1 三層**組網
如上圖1所示，通訊的源、目的主機連線在同一臺三層交換機上，但它們位於不同vlan(網段)。對於三層交換機來說，這兩台主機都位於它的直連網段內，它們的ip對應的路由都是直連路由。
圖中標明了兩台主機的mac、ip位址、閘道器，以及三層交換機的mac、不同vlan配置的三層介面ip。當pc a向pc b發起ping時，流程如下：(假設三層交換機上還未建立任何硬體**表項)
1、根據前面的描述，pc a首先檢查出目的ip位址10.2.1.2(pc b)與自己不在同一網段，因此它發出請求閘道器位址10.1.1.1對應mac的arp請求；
2、l3 switch收到pc a的arp請求後，檢查請求報文發現被請求ip是自己的三層介面ip，因此傳送arp應答並將自己的三層介面mac(mac switch)包含在其中。
同時它還會把pc a的ip位址與mac位址對應(10.1.1.2與mac a)關係記錄到自己的arp表項中去(因為arp請求報文中包含了傳送者的ip和mac)；
3、pc a得到閘道器(l3 switch)的arp應答後，組裝icmp請求報文並傳送，報文的目的mac(即dmac)＝mac switch、源mac(即smac)＝mac a、源ip(即sip)＝10.1.1.2、目的ip(即dip)＝10.2.1.2；
4、l3 switch收到報文後，首先根據報文的源mac+vlan id更新mac表。
然後，根據報文的目的mac＋vlan id查詢mac位址表，發現匹配了自己三層介面mac的表項，說明需要作三層**，於是繼續查詢交換晶元的三層表項；
5、交換晶元根據報文的目的ip去查詢其三層表項，由於之前未建立任何表項，因此查詢失敗，於是將報文送到cpu去進行軟體處理；
6、cpu根據報文的目的ip去查詢其軟體路由表，發現匹配了乙個直連網段(pc b對應的網段)，於是繼續查詢其軟體arp表，仍然查詢失敗。
然後l3 switch會在目的網段對應的vlan 3的所有介面傳送請求位址10.2.1.2對應mac的arp請求；
7、pc b收到l3 switch傳送的arp請求後，檢查發現被請求ip是自己的ip，因此傳送arp應答並將自己的mac(mac b)包含在其中。同時，將l3 switch的ip與mac的對應關係(10.2.1.1與mac switch)記錄到自己的arp表中去；
8、l3 switch收到pc b的arp應答後，將其ip和mac對應關係(10.2.1.2與mac b)記錄到自己的arp表中去，並將pc a的icmp請求報文傳送給pc b，報文的目的mac修改為pc b的mac(mac b)，源mac修改為自己的mac(mac switch)。
同時，在交換晶元的三層表項中根據剛得到的三層**資訊新增表項(內容包括ip、mac、出口vlan、出介面)，這樣後續的pc a發往pc b的報文就可以通過該硬體三層表項直接**了；
9、pc b收到l3 switch**過來的icmp請求報文以後，回應icmp應答給pc a。
icmp應答報文的**過程與前面類似，只是由於l3 switch在之前已經得到pc a的ip和mac對應關係了，也同時在交換晶元中新增了相關三層表項，因此這個報文直接由交換晶元硬體**給pc a；
10、這樣，後續的往返報文都經過查mac表到查三層**表的過程由交換晶元直接進行硬體**了。
從上述流程可以看出，三層交換機正是充分利用了「一次路由(首包cpu**並建立三層硬體表項)、多次交換(後續包晶元硬體**)」的原理實現了**效能與三層交換的完美統一。
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