二層與三層交換機:網絡設備的比較

網絡由多個設備組成,這些設備彼此協同工作,以處理、路由和連接數據包。例如,您在家中連接的本地 Internet 網絡可能會使用路由器、緩衝、提升和錯誤檢查數據的交換機、將所有數據路由到的集線器以及幫助過濾數據源和目的地。

在本文中,我們將專門討論網絡中的二層與三層交換機它們是什麼,它們有何不同,以及它們在現實生活中的使用方式。

了解第 2 層網絡交換機:它是什麼?

第 2 層交換機是傳統上在開放系統互連 (OSI) 模型的第 2 層上運行的數據鏈路層設備。第 2 層交換機負責將數據包從交換機上的物理端口“交換”到媒體訪問控制 (MAC) 地址。它允許在局域網 (LAN) 上連接多個設備,但只能使用 MAC 地址。

二層交換機如何工作?

它通過採用包交換、包頭檢查和衝突域減少來工作。本質上,當數據通過網絡發送時,交換機將檢查數據包頭並編制 MAC 地址表。MAC 地址只是分配給網絡接口控制器的唯一標識符,用於解決網絡內的所有通信。然後,這些 MAC 地址通過地址解析協議 (ARP) 鏈接到交換機設備上的相應物理端口。

MAC 地址和相應物理端口的表。

什麼是地址解析協議?

簡而言之,當第 2 層交換機第一次向主機設備發送數據包時,它不會知道正確的 MAC 地址。因此,它向主機設備所連接的所有物理端口發送一個“ARP”請求,當交換機收到帶有 MAC 地址的響應時,它會將 MAC 地址添加到其表中。本質上,交換機會了解哪些 MAC 地址與哪些物理端口相關聯,從而允許網絡上設備之間的數據自由流動。

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ARP 請求和響應的網絡圖說明。

使用第 2 層交換機路由數據

然後,交換機將使用包交換將數據分解為小的信息“包”。與通過網絡發送一大塊信息(這會很慢)相比,這些小得多的數據包可以快速有效地通過網絡進行路由。在使用分組交換時,減少了衝突域。衝突域發生在兩個或多個主機嘗試同時通信時。網絡效率降低,數據包/幀將發生衝突,需要重新發送。

二層交換機的優勢

  • 由於不需要路由設備,實施成本低。
  • 非常低的延遲。
  • 非常適用於數據從網絡上的主機發送到主機設備的 LAN 網絡。

二層交換機的缺點

  • 容易受到廣播風暴(衝突域)的影響,這會降低網絡效率並造成擁塞。
  • 不適用於多個 VLAN。
  • 不可擴展。

第 2 層交換機回顧

回顧一下,第 2 層交換機設計為僅使用媒體訪問控制 (MAC) 地址,並使用數據包交換在網絡上的主機之間傳輸微小的數據包。它通過將 MAC 地址與交換機上的物理端口連接來工作。

了解第 3 層網絡交換機:它是什麼?

第 3 層交換機在開放系統互連 (OSI) 模型的網絡層上運行。它的工作方式類似於第 2 層交換機,因為它可以以相同的方式處理 MAC 地址,但是它們也可以處理 Internet 協議 (IP) 地址。這意味著它們不僅能夠在主機之間傳輸數據包,而且還能夠與其他網絡上的設備連接。第 3 層交換機的工作速度比傳統路由器更快,並且無需額外的躍點即可路由數據包,從而實現更快的性能和功能。但是,它們的額外功能並不總是必需的,並且通常僅在需要 VLAN 路由或需要更多支持的小型行業(例如大學校園)中實施。

網絡上的第 3 層交換

第 3 層交換機的優勢

  • 無需專用路由器。
  • 減少管理和維護的網絡設備數量。
  • 更快的切換速度。
  • 無限的可擴展性。
  • 為數據提供多種路由路徑。
  • 具有高度安全的數據交換路徑。
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第 3 層交換機的缺點

  • 需要更多的功率和帶寬才能運行。
  • 實施起來可能很昂貴。
  • 如果網絡很小,則沒有額外的好處。

什麼是 OSI 模型?

現在,我們已經多次提到過 OSI 或開放系統互連模型,因為第 2 層和第 3 層交換機都屬於這個概念框架。OSI 模型是國際標準化組織 (ISO) 於 1984 年發布的一個框架,用於描述網絡系統的不同層。

OSI 模型共有 7 層:

  1. 身體的
  2. 數據鏈接
  3. 網絡
  4. 運輸
  5. 會議
  6. 介紹
  7. 應用

第 2 層和第 3 層交換機分別位於數據鏈路層和網絡層內。

OSI 模型的 7 個網絡層

第 2 層與第 3 層交換機比較表

第 2 層交換機 第 3 層交換機
在數據鏈路層上運行。 在網絡層上運行。
僅通過物理端口和 MAC 地址發送數據包/幀。 可以通過 MAC 和 IP 地址路由數據包。
只能使用 MAC 地址。 可用作第 2 層或第 3 層交換機。
可以減少局域網上的流量。 用於小型行業和虛擬局域網所在的位置 (VLAN)。
非常快速和高效——只查看數據包頭。 由於第 3 層交換機在發送前檢查數據包,因此速度較慢。
有一個單一的廣播域。 有多個廣播域。
僅限網絡內的通信。 可以在網絡內部或外部進行通信。

第 2 層與第 3 層交換機的用例

在推薦第 2 層或第 3 層交換機時,答案取決於網絡的規模和復雜性,以及網絡高效安全運行所需的安全要求。

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二層交換機的典型應用

雖然您可能不知道,但您已經熟悉第 2 層交換機;您計算機的以太網連接充當數據鏈路層,通過 MAC 地址將您的計算機與網絡連接起來。

第 2 層交換機的另一個應用是軟件公司擁有位於中心的服務器,分散在全球各地的客戶端可以無延遲地訪問一個中央服務器。

另一個現實世界的應用是在依賴內部通信但不需要互聯網的組織中——他們可以通過第 2 層交換機使用 VLAN 網絡。最後一個例子是軟件測試人員希望將他們的共享工具保持在中心位置,但允許另一台服務器訪問它們而無需物理連接到同一網絡。

三層交換機典型應用

當 MAC 地址根本不夠用時,第 3 層交換機可以利用 Internet 協議 (IP) 地址將設備連接到不同的 IP 網絡。您已經通過您的互聯網路由器接觸到第 3 層交換機。

第 3 層交換機的其他應用包括建立了龐大計算機網絡的大學校園或數據中心。如果網絡有數千名用戶,或者網絡基礎設施需要大量設備管理以推出補丁或策略更新,或者如果您需要在網絡中的某些設備上激活特定控制規則,則第 3 層交換機更合適,因為它的防火牆保護。

關鍵要點

比較第 2 層和第 3 層交換機時要記住的主要事情是,區別在於交換機的路由能力。對於第 2 層交換機,不使用路由算法,而是使用地址解析協議 (ARP) 將數據從物理端口切換到 MAC 地址,並為未來的數據包編譯 MAC 表。

對於第 3 層交換機,它們遵循常規算法,可以通過 Internet 協議地址將數據從主機網絡發送到主機外部的另一個設備。

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