¿Cuáles son las diferencias entre un interruptor de capa 3 y un enrutador?

¿Cuáles son las diferencias entre un interruptor de capa 3 y un enrutador?
Muchos amigos preguntan, ¿cuál es la diferencia entre un enrutador y unInterruptor de capa 3? Esa es una gran pregunta, y hoy los ingenieros de Cobtel están aquí para proporcionar la explicación más profesional y detallada.

 

Cuando un conmutador recibe datos, verifica la dirección MAC de destino y luego reenvía los datos a través de la interfaz conectada al host de destino. El conmutador puede hacer esto porque tiene una tabla de direcciones MAC incorporada, que registra la correspondencia entre todas las direcciones MAC en la red y los puertos del conmutador. Cuando se necesita reenviar un marco de datos, el conmutador busca la dirección MAC de destino en la tabla de direcciones MAC para encontrar el puerto correspondiente, es decir, sabiendo a qué puerto en el conmutador al dispositivo con esa dirección MAC está conectado, y luego el cambio hacia adelante hacia el marco de datos de ese puerto.

1. El conmutador establece una asignación entre la dirección MAC de origen en el marco de datos recibido y el puerto del conmutador, y lo escribe en la tabla de direcciones MAC.

2. El conmutador compara la dirección MAC de destino en la trama de datos con la tabla de direcciones MAC establecida para decidir qué puerto reenvía el marco de datos.

3. Si la dirección MAC de destino en el marco de datos no está en la tabla de direcciones MAC, el marco de datos se reenvía a todos los puertos. Este proceso se llama inundación (donde el marco de datos se envía a todos los puertos).

4. Los marcos de transmisión y multidifusión se envían a todos los puertos.

 

Ejemplo: una red se muestra en la Figura 1.

Tabla de dirección de interruptor de la Figura 1

Tabla 1: Tabla de mapeo de direcciones de puerto/MAC

 

Por ejemplo, si el host PC1 envía un marco de datos para host PC7. Una vez que se envía el marco de datos al conmutador, el conmutador primero verifica la tabla de direcciones MAC y encuentra que el host PC7 está conectado a la interfaz E 0/24, por lo que reenvía el marco de datos de la interfaz E 0/24.

 

ElInterruptor de EthernetAprenda la dirección MAC de cada dispositivo conectado y almacena esta dirección junto con el puerto correspondiente en el búfer del interruptor, creando una tabla de direcciones MAC.

Cuando la dirección de destino de un marco de datos está en la tabla de direcciones MAC, se reenvía al puerto conectado al nodo de destino en lugar de a todos los puertos (si el marco de datos es un marco de transmisión/multidifusión, se reenvía a todos los puertos).

 

Cuando un interruptor incluye un bucle redundante, el interruptor Ethernet utiliza el protocolo del árbol de expansión para evitar la generación de bucle al tiempo que permite la existencia de rutas de respaldo.

 

 

La tecnología de conmutación de la capa 2 es relativamente madura.Interruptores de capa 2son dispositivos de capa de enlace de datos que pueden reconocer la información de las direcciones MAC en los paquetes de datos, reenviar en función de las direcciones MAC, y registrar estas direcciones MAC y los puertos correspondientes en una tabla de direcciones interna.

 

El flujo de trabajo específico es el siguiente:

(1) Cuando el conmutador recibe un paquete de datos de un cierto puerto, primero lee la dirección MAC de origen en el encabezado del paquete para saber a qué puerto está conectada la máquina de origen MAC.
(2) Luego lee la dirección MAC de destino en el encabezado del paquete y busca el puerto correspondiente en la tabla de direcciones.
(3) Si hay un puerto correspondiente en la tabla para esta dirección MAC de destino, el paquete de datos se copia directamente a ese puerto.
(4) Si el puerto correspondiente no se encuentra en la tabla, el paquete de datos se transmite a todos los puertos. Cuando la máquina de destino responde a la máquina fuente, el conmutador puede aprender qué puerto corresponde a la dirección MAC de destino, por lo que se transmiten los datos de la próxima vez, ya no necesita transmitir a todos los puertos.

Al andar continuamente en este proceso, el conmutador Layer 2 puede aprender toda la información de la dirección MAC en la red y, por lo tanto, establecer y mantener su propia tabla de direcciones.

 

(1) Dado que el conmutador intercambia datos simultáneamente en la mayoría de los puertos, requiere un ancho de banda de bus de conmutación muy ancho. Si un interruptor de capa 2 tiene puertos N, cada uno con un ancho de banda de M, el ancho de banda del bus del interruptor debe exceder N × M para que el interruptor alcance la conmutación de velocidad de línea.
(2) Aprender la dirección MAC de la máquina conectada a cada puerto y escribirla en la tabla de direcciones. El tamaño de la tabla de direcciones (generalmente representada de dos maneras: una es la RAM buffer, la otra es el número de entradas de la tabla Mac) afecta la capacidad de acceso del interruptor.
(3) La mayoría de los interruptores de la capa 2 contienen chips ASIC diseñados específicamente para procesar el reenvío de los paquetes de datos, por lo que la velocidad de reenvío puede ser muy rápida. Dado que los diferentes fabricantes usan ASIC diferentes, esto afecta directamente el rendimiento del producto.

 

La conmutación de la capa 3 funciona en la capa de red del modelo OSI. Utiliza la información del encabezado de los paquetes IP en el protocolo de tercera capa para marcar los flujos de servicio de datos posteriores. Los paquetes posteriores del mismo flujo de servicio marcado se cambian a la capa de enlace de datos de la segunda capa, abriendo así una ruta entre la dirección IP de origen y la dirección IP de destino. Esta ruta pasa a través de la capa de enlace de la segunda capa. Con esta ruta, los conmutadores de capa 3 no necesitan desempacar cada paquete de datos recibido para determinar la ruta, pero puede reenviar directamente el paquete de datos y cambiar el flujo de datos.

Por ejemplo
Supongamos que A quiere enviar datos a B, conociendo la IP de destino. Luego, A usa la máscara de subred para obtener la dirección de red y determina si la IP de destino está en el mismo segmento de red que en sí mismo.

Dispositivo A Uso de IP ------------ Capa 3 Switch ---------------- dispositivo B usando IP

Si están en el mismo segmento de red pero A no sabe la dirección MAC requerida para reenviar datos, A envía una solicitud ARP y B devuelve su dirección MAC. A usa esta dirección MAC para encapsular el paquete de datos y lo envía al conmutador. El conmutador activa el módulo de conmutación de la capa 2, busca la tabla de direcciones MAC y reenvía el paquete de datos al puerto correspondiente.

Si la dirección IP de destino indica que no está en el mismo segmento de red, entonces debe comunicarse con B. Si no hay una entrada de dirección MAC correspondiente en el caché de flujo, el primer paquete de datos normal se envía a una puerta de enlace predeterminada. Esta puerta de enlace predeterminada (la ruta predeterminada de la red) generalmente se establece en el sistema operativo y corresponde al módulo de enrutamiento de tercera capa. Por lo tanto, para los datos no en la misma subred, la primera dirección MAC colocada en la tabla Mac es la dirección MAC de la puerta de enlace predeterminada. Luego, el módulo de enrutamiento de la tercera capa recibe este paquete de datos, consulta la tabla de enrutamiento para determinar la ruta a B, construye un nuevo encabezado de cuadro con la dirección MAC de la puerta de enlace predeterminada como la dirección MAC de origen y la dirección MAC de B como la dirección MAC de destino. A través de un cierto mecanismo de activación de reconocimiento, la correspondencia entre las direcciones MAC de A y B y el puerto de reenvío se establece y registra en la tabla de caché de flujo. Los datos posteriores de A a B se manejan directamente por el módulo de conmutación de la capa 2. Esto se conoce comúnmente como "enrutamiento único, intercambios múltiples".

 

a. El reenvío de datos de alta velocidad se logra mediante la integración de hardware.
b. Esta no es una superposición simple de un interruptor de capa 2 y un enrutador. El módulo de enrutamiento de la capa 3 se superpone directamente en el bus de placa posterior de alta velocidad del interruptor de la capa 2, rompiendo el límite de velocidad de interfaz del enrutador tradicional, con una velocidad de hasta decenas de GBIT/s. Incluyendo el ancho de banda del plano posterior, estos son dos parámetros importantes del rendimiento del interruptor de la capa 3.
do. El software de enrutamiento simplificado simplifica el proceso de enrutamiento.
d. La mayoría del reenvío de datos, excepto la selección de enrutamiento necesaria manejada por el software de enrutamiento, se maneja mediante el módulo de la capa 2 a alta velocidad. El software de enrutamiento es en su mayoría software altamente eficiente y optimizado procesado, no una copia simple del software en los enrutadores.

Por lo tanto:
Interruptor de capa 2: según la dirección MAC
Interruptor de capa 3: con funcionalidad VLAN (LAN virtual), conmutación y enrutamiento, basado en IP, IE, red.

 

Un enrutador es un dispositivo de capa 3, pero un interruptor de capa 3 puede funcionar simultáneamente tanto en la capa 3 como en la capa 2.

 

De hecho, existen diferencias significativas entre los interruptores y los enrutadores de la capa 3:

 

Aunque tanto los interruptores y los enrutadores de la capa 3 tienen funciones de enrutamiento, no pueden equipararse. Los enrutadores no solo tienen funciones de enrutamiento, sino que también proporcionan puertos de conmutación y funciones adicionales de firewall de hardware, con el objetivo de hacer que el dispositivo sea más versátil y práctico.

Al igual que los interruptores de la capa 2, los interruptores de la capa 3 manejan principalmente la conmutación de datos, pero también tienen algunas funciones de enrutamiento básicas. Los interruptores de la capa 3 combinan la conmutación de datos con las capacidades de enrutamiento, pero su función principal sigue siendo el cambio de datos; mientras que los enrutadores solo tienen la función principal del reenvío de enrutamiento.

 

La función de enrutamiento de los interruptores de la capa 3 suele ser simple porque se enfrentan principalmente a las conexiones de LAN simples. Sus características son mucho menos complejas que los enrutadores. Su uso principal en LAN es proporcionar un cambio de datos rápido, lo cual es esencial para los intercambios de datos frecuentes.

Los enrutadores, por otro lado, también son adecuados para las conexiones entre LAN, pero su función de enrutamiento se refleja más en la interconexión entre diferentes tipos de redes, como las conexiones entre LAN y WANS, conexiones entre redes con diferentes protocolos, etc. Su ventaja radica en seleccionar la mejor ruta, la distribución de carga, el respaldo de enlace y el intercambio de información de enrutamiento con otras redes. Además, los enrutadores tienen una variedad muy rica de tipos de interfaz para conectarse con varios tipos de redes, mientras que los interruptores de capa 3 generalmente solo tienen el mismo tipo de interfaces LAN, lo cual es muy simple.

 

Hay una diferencia significativa en las operaciones de conmutación de paquetes de datos entre los enrutadores y los interruptores de la capa 3.
Los enrutadores generalmente realizan conmutación de paquetes de datos en función de procesadores de red o motores de enrutamiento de múltiples núcleos.
Los interruptores de la capa 3 realizan conmutación de paquetes de datos utilizando hardware especializado. Después de que se envíe el primer paquete de datos al plano de control para la búsqueda de enrutamiento, el conmutador de la capa 3 generará una tabla de mapeo de direcciones MAC y direcciones IP para la búsqueda del plano de datos. Cuando el mismo flujo de datos vuelve a pasar, buscará esta tabla para que pase en lugar de enviarlo al plano de control para la búsqueda de enrutamiento nuevamente (es decir, "enrutamiento único, múltiples intercambios").

 

Esto mejora la eficiencia del reenvío de paquetes de datos. La búsqueda de enrutamiento de los interruptores de la capa 3 es para flujos de datos, y utiliza fácilmente la tecnología del almacenamiento en caché y la tecnología ASIC para implementar, ahorrando así en gran medida los costos y logrando el reenvío rápido.
Sin embargo, los enrutadores utilizan un método de coincidencia más largo para reenviar, que se implementa utilizando procesadores de red costosos o procesadores de múltiples núcleos, y el número de tablas de enrutamiento es enorme, lo que resulta en costos considerables.

 

Los interruptores de la capa 2 son ideales para LAN pequeñas. En pequeños LAN, los paquetes de transmisión tienen poco impacto, y la función de conmutación rápida, múltiples puertos de acceso y el bajo precio de los conmutadores de la capa 2 proporcionan una solución muy completa para los pequeños usuarios de la red.

La función más importante de los interruptores de la capa 3 es acelerar el reenvío rápido de datos dentro de LAN grandes, y agregar funciones de enrutamiento también sirve a este propósito. Si una red grande se divide en pequeños LAN de acuerdo con factores como departamentos y regiones, esto conducirá a una gran cantidad de acceso entre redes. Simplemente usar los interruptores de la capa 2 no pueden lograr el acceso entre redes;

Si solo se utilizan enrutadores, debido al número limitado de interfaces y la velocidad de reenvío de enrutamiento lenta, limitará la velocidad y la escala de la red. El uso de interruptores de capa 3 con funciones de enrutamiento y reenvío rápido se convierte en la opción preferida.