二层交换机和三层交换机在功能和适用范围的差异

 

计算机网络中的交换机是用于在局域网（LAN）中转发数据包的重要设备。其中，二层交换机和三层交换机是两种常见的交换机类型。本文将详细介绍二层交换机和三层交换机的特点、工作原理、各自的优缺点以及在思科、华为、瞻博网络三家厂商如何从二层模式切换到三层模式。

让我们直接开始！

二层交换机

二层交换机，也被称为数据链路层交换机，是在数据链路层（第二层）进行数据交换的设备。它基于MAC（Media Access Control）地址来转发数据包，实现局域网内部的数据传输。

以下是二层交换机的特点和工作原理：

特点

透明性：二层交换机对上层协议是透明的，即它不关心数据包中的具体内容，只根据MAC地址进行转发。

广播域分割：二层交换机能够将局域网分割成多个广播域，从而减少广播数据包的传播范围。

无需配置：二层交换机通常无需复杂的配置，插入局域网即可开始工作。

快速转发：由于使用硬件交换方式，二层交换机的转发速度非常快。

工作原理

当二层交换机接收到一个数据包时，它会查找数据包中的目标MAC地址。

如果交换机的MAC地址表中已有目标MAC地址的条目，它会将数据包直接转发到相应的接口。

如果交换机的MAC地址表中没有目标MAC地址的条目，它会通过广播的方式发送一个特殊的数据包，称为广播帧（broadcast frame）。

当目标设备收到广播帧时，它会向交换机回复一个数据包，包含自己的MAC地址。

交换机接收到回复后，将目标MAC地址与相应接口的信息存储在MAC地址表中，以便于以后的转发。

二层交换机主要适用于小型局域网，具有快速转发速度和简单的操作特点。但是，它无法进行网络层（第三层）的路由功能，这在一些复杂网络环境中可能不足以满足需求。

三层交换机

三层交换机结合了二层交换机和路由器的功能，能够在网络层（第三层交换机结合了二层交换机和路由器的功能，能够在网络层（第三层）进行数据包转发和路由选择。它不仅可以根据MAC地址进行转发，还可以根据IP地址进行路由选择。

以下是三层交换机的特点和工作原理：

特点

多层转发：三层交换机不仅可以在数据链路层进行转发，还可以在网络层进行路由选择。它可以根据IP地址和子网掩码来确定数据包的下一跳路径。

广播域分割：与二层交换机类似，三层交换机也能够将局域网分割成多个广播域，减少广播数据包的传播范围。

支持多种协议：三层交换机可以支持多种网络层协议，如IP、IPX和AppleTalk等。

更灵活的配置：相比于二层交换机，三层交换机通常需要进行一些配置，例如设置IP地址、路由表等。

工作原理

当三层交换机接收到一个数据包时，它首先会检查数据包的目标IP地址。

交换机会查询自己的路由表，根据目标IP地址找到相应的下一跳路径。

如果路由表中没有相应的条目，交换机会将数据包转发到默认网关。

交换机将数据包转发到下一跳路径上的接口，并将目标MAC地址设置为下一跳的MAC地址。

下一跳的交换机或路由器会根据目标MAC地址将数据包转发给下一个节点，直到达到目标设备。

三层交换机的路由功能使其更适用于较大规模的网络环境。它能够实现更灵活的网络配置和管理，同时具备较高的转发速度和较低的延迟。然而，与二层交换机相比，三层交换机的价格通常更高，并且在配置和管理方面需要更多的专业知识。

二层交换机和三层交换机对比

特点对比

以下是二层交换机和三层交换机的特点对比：

特点	二层交换机	三层交换机
透明性	√	√
广播域分割	√	√
配置需求	简单	较复杂
转发依据	MAC地址	IP地址
支持协议	有限	多种

透明性：二层交换机和三层交换机都对上层协议是透明的，它们不关心数据包中的具体内容，只根据不同的依据进行转发。

广播域分割：二层交换机和三层交换机都能够将局域网分割成多个广播域，减少广播数据包的传播范围。

配置需求：二层交换机通常无需复杂的配置，插入局域网即可开始工作，而三层交换机通常需要进行一些配置，如设置IP地址、路由表等。

转发依据：二层交换机基于MAC地址进行转发，而三层交换机不仅基于MAC地址，还基于IP地址进行路由选择。

支持协议：二层交换机通常支持有限的网络层协议，如IPX和AppleTalk等，而三层交换机可以支持多种协议，如IP、IPX和AppleTalk等。

工作原理对比

以下是二层交换机和三层交换机的工作原理对比：

二层交换机工作原理

接收数据包：二层交换机接收到一个数据包。

查找目标MAC地址：交换机查找数据包中的目标MAC地址。

转发数据包：如果交换机的MAC地址表中已有目标MAC地址的条目，它会将数据包直接转发到相应的接口。否则，交换机通过广播方式发送一个特殊的数据包，称为广播帧。

学习MAC地址：当目标设备收到广播帧时，它会向交换机回复一个数据包，包含自己的MAC地址。交换机接收到回复后，将目标MAC地址与相应接口的信息存储在MAC地址表中，以便以后的转发。

三层交换机工作原理

接收数据包：三层交换机接收到一个数据包。

检查目标IP地址：交换机首先检查数据包的目标IP地址。

路由选择：交换机查询自己的路由表，根据目标IP地址找到相应的下一跳路径。

转发数据包：交换机将数据包转发到下一跳路径上的接口，并设置目标MAC地址为下一跳的MAC地址。

继续转发：下一跳的交换机或路由器根据目标MAC地址将数据包转发给下一个节点，直到达到目标设备。

三层交换机不仅在数据链路层进行转发，还可以在网络层进行路由选择。它通过检查目标IP地址和查询路由表来确定数据包的转发路径。

适用环境对比

以下是二层交换机和三层交换机适用环境的对比：

适用环境	二层交换机	三层交换机
网络规模	小型	中大型
功能需求	简单转发	路由功能
性能需求	快速转发	高性能
管理复杂性	低	较高
价格	相对较低	相对较高

网络规模：二层交换机适用于小型局域网，而三层交换机更适用于中大型网络环境。

功能需求：二层交换机主要用于局域网内部的简单数据转发，而三层交换机不仅可以进行数据转发，还具备路由功能。

性能需求：二层交换机能够提供快速的数据转发速度，而三层交换机通常具备更高的性能和较低的延迟。

管理复杂性：二层交换机通常无需复杂的配置，而三层交换机在配置和管理方面需要更多的专业知识和资源。

价格：一般而言，三层交换机的价格相对于二层交换机来说较高，因为它具备更多的功能和性能。

二层模式切换到三层模式

1. 思科设备

以下是在思科设备上配置以太网接口切换到三层模式的步骤：

步骤一：进入接口配置模式

首先，通过命令行或者远程管理工具登录到思科设备，并进入全局配置模式。

 

enable
configure terminal

 

接下来，选择要配置的以太网接口，并进入该接口的配置模式。

 

interface 

 

步骤二：切换到三层模式

在接口配置模式下，使用以下命令将接口切换到三层模式：

 

no switchport

 

步骤三：配置IP地址

在接口配置模式下，配置接口的IP地址和子网掩码。

 

ip address  

 

步骤四：启动接口

启动配置的接口。

 

no shutdown

 

步骤五：配置路由

如果需要在思科设备上进行路由功能，还需要进行相应的路由配置。以下是一个简单的静态路由配置示例：

 

ip route   

 

步骤六：保存配置

最后，保存配置并退出配置模式。

 

end
copy running-config startup-config

 

2. 华为设备

以下是在华为设备上配置以太网接口切换到三层模式的步骤：

步骤一：进入接口配置模式

通过命令行或者远程管理工具登录到华为设备，并进入用户视图。

 

system-view

 

接下来，选择要配置的以太网接口，并进入该接口的接口视图。

 

interface 

 

步骤二：切换到三层模式

在接口视图下，使用以下命令将接口切换到三层模式：

 

undo portswitch

 

步骤三：配置IP地址

在接口视图下，配置接口的IP地址和子网掩码。

 

ip address  

 

步骤四：启动接口

启动配置的接口。

 

undo shutdown

 

步骤五：配置路由

如果需要在华为设备上进行路由功能，还需要进行相应的路由配置。以下是一个简单的静态路由配置示例：

 

ip route-static   

 

步骤六：保存配置

最后，保存配置并退出配置模式。

 

save
quit

 

3. 瞻博网络设备

以下是在瞻博网络设备上配置以太网接口切换到三层模式的步骤：

步骤一：进入接口配置模式

通过命令行或者远程管理工具登录到瞻博设备，并进入系统视图。

 

enable
config

 

接下来，选择要配置的以太网接口，并进入该接口的接口视图。

 

interface 

 

步骤二：切换到三层模式

在接口视图下，使用以下命令将接口切换到三层模式：

 

layer3

 

步骤三：配置IP地址

在接口视图下，配置接口的IP地址和子网掩码。

 

ip address  

 

步骤四：启动接口

启动配置的接口。

 

undo shutdown

 

步骤五：配置路由

如果需要在瞻博设备上进行路由功能，同样需要进行相应的路由配置。以下是一个简单的静态路由配置示例：

 

ip route-static   

 

步骤六：保存配置

最后，保存配置并退出配置模式。

 

save
quit

 

总结

二层交换机和三层交换机在功能和适用范围上有所差异。选择合适的交换机类型取决于网络规模、性能需求、安全要求以及预算限制等因素。对于小型局域网，二层交换机的简单操作和快速转发特性可能是更合适的选择；而在较大规模的网络环境中，三层交换机的路由功能和更灵活的配置能力则更具优势。
        责任编辑：彭菁