三層的涵義
三層交換機中的「三層」指的是osi（開放系統互連）七層參考模型的下面三層。如果您想理解三層交換，首先就需要理解osi參考模型。
1、什麼是osi參考模型
osi參考模型是國際標準化組織為了解決不同系統的互聯而提出的模型，它將計算機網路按功能劃分為七個層次，這就是網路通訊中的七層模型或七層結構，各層名稱如圖1所示。
圖1 osi各層之間存在相互依存關係。如果沒有底層，上層也將無從存在。舉乙個淺顯的例子。網路上資料傳輸就像是過地下通道，必須一級一級台階地下，然後一級一級台階地上，才能完成整個過程，如圖2所示。
2、osi參考模型與網路裝置
osi參考模型與網路裝置，如集線器、交換機、路由器，存在一一對應的關係，圖3就是osi模型下三層與網路裝置及網路裝置處理的資料單元的對應圖。
（1）第一層——物理層
物理層裝置是最低層次的網路裝置，主要負責實際的訊號傳輸，即位元流。對於物理層裝置來講，它只認識位元流，至於什麼mac位址、ip位址，它什麼也不知道。有些校園網中現在還在使用的集線器（hub）就是典型的物理層裝置。
（2）第二層——資料鏈路層
資料鏈路層負責在兩個主機上建立資料鏈路連線，向物理層傳輸資料幀，並對訊號進行處理使之無差錯並合理地傳輸。
校園網中我們最常使用的交換機（switch）就是典型的資料鏈路層裝置。對於資料鏈路層裝置來講，它只認識幀和位元流（二層以下的資料），至於ip位址（三層以上的東西），它就不知道了。「幀」是第二層的資料單元，而且只在第二層中才有意義。
二層交換機只能連線ip位址在同一子網內的計算機，如果計算機的ip位址在不同的子網內，即使連線在同一臺交換機的埠上，雖然近在咫尺，也不能相互通訊，因為現在的計算機是通過ip位址相互通訊的，而交換機不能識別ip位址。
（3）第三層——網路層
網路層主要負責路由，即選擇合適的路徑的功能。網路中經常使用的路由器（router）就是典型的網路層裝置，它能夠識別幀中的三層位址。比如一台ip位址為「192.168.1.1」的計算機想與ip位址為「10.1.1.2」的計算機通訊，因為它們不在同一子網裡，必須通過路由器路由才能實現通訊。
三層交換機的工作原理
三層交換是相對於傳統的交換概念而提出的。傳統的交換技術是在osi網路參考模型中的第二層（即資料鏈路層）進行操作的，而三層交換技術是在網路模型中的第三層實現了資料報的高速**。簡單地說，三層交換技術就是二層交換技術+三層**技術，三層交換機就是「二層交換機+基於硬體的路由器」。
那麼三層交換是怎樣實現的呢？三層交換的技術細節非常複雜，不可能一下子講清楚，不過您可以簡單地將三層交換機理解為由一台路由器和一台二層交換機構成，如圖4所示。
兩台處於不同子網的主機通訊，必須要通過路由器進行路由。在圖4中，主機a向主機b傳送的第1個資料報必須要經過三層交換機中的路由處理器進行路由才能到達主機b，但是當以後的資料報再發向主機b時，就不必再經過路由處理器處理了，因為三層交換機有「記憶」路由的功能。
三層交換機的路由記憶功能是由路由快取來實現的。當乙個資料報發往三層交換機時，三層交換機首先在它的快取列表裡進行檢查，看看路由快取裡有沒有記錄，如果有記錄就直接調取快取的記錄進行路由，而不再經過路由處理器進行處理，這樣的資料報的路由速度就大大提高了。如果三層交換機在路由快取中沒有發現記錄，再將資料報發往路由處理器進行處理，處理之後再**資料報。
圖4三層交換機的快取機制與cpu的快取機制是非常相似的。大家都有這樣的印象，開機後第一次執行某個大型軟體時會非常慢，但是當關閉這個軟體之後再次執行這個軟體，就會發現執行速度大大加快了，比如本來開啟word需要5~6秒，關閉後再開啟word，就會發現只需要1~2秒就可以開啟了。原因在於cpu內部有一級快取和二級快取，會暫時儲存最近使用的資料，所以再次啟動會比第一次啟動快得多。
具有「路由器的功能、交換機的效能」 的三層交換機雖然同時具有二層交換和三層路由的特性，但是三層交換機與路由器在結構和效能上還是存在很大區別的。在結構上，三層交換機更接近於二層交換機，只是針對三層路由進行了專門設計。之所以稱為「三層交換機」而不稱為「交換路由器」， 原因就在於此；在交換效能上，路由器比三層交換機的交換效能要弱很多。
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