L2/L3交换的应用和发展在当前电信和网络技术领域非常活跃。根据OSI分层，L2对应数据链路层，L3对应网络层。本文主要针对对应第二层的以太网协议和对应第三层的IP协议的交换和路由技术进行论述。 

一、 L2交换的应用和发展

　　1．L2交换原理和应用

　　交换的概念最早出现在L2层面。以太网交换机相当于多端口高密度网桥，所有端口位于一个L2广播域，每个独立的端口是一个 L2冲突域。接入交换机中的所有主机，在开机后相互通信之初，会采用广播方式（如DHCP Discover广播包），寻找网段内的DHCP服务器，进行参数自动配置。此时交换机通过对进入端口的以太网广播帧的源MAC地址的自动学习功能，获得MAC地址与交换机端口的对应关系，从而在下次进入交换机的以太网帧中，读取目的MAC地址，查找对应的端口，进行交换。所有的步骤都在第二层进行，交换机不打开第三层，因此可以通过硬件实现，交换的速度很快。 

　　早期的以太网交换采用半双工方式，必须启用CSMA/CD（Carrier sense multi access/collision detect）冲突检测机制。为了避免两台主机同时侦听网络得知没有流量而同时发送数据导致在中途产生碰撞，可以对以太网传输距离进行了限制。在一个冲突域里的往返传输时长（Round-trip time）绝对不能超过512比特的传输时长。由于100Mbit/s以太网的每比特传输时间为0.01ms，FE网络的最大RTT只有5.12ms，因此可计算出基于CAT5的UTP对绞线传输距离大致为100m，可以组建一个最大直径205米的局域网络。同理，10Mbit/s以太网，在不考虑线路衰耗等电气特性情况下，理论最大直径为2050m。对于FE网络而言，可实现在一个楼层、相邻几个机房或公司的几间办公室之间组网。因此L2交换应用最多的地方为局域网交换，顾名思义是在一个较小的范围内。这样的应用方式中，用户通常采用运行Windows网络操作系统的PC主机，建立对等模式或域模式Windows局域网，建立本系统内部的文件服务器、打印服务器以及Email Server、Web Server和Database Server。每台主机一般采用DHCP方式进行自动配置。

　　目前的以太网技术普遍采用全双工模式，不再受CSMA/CD机制的限制，理论上传输距离可以无限远，如采用光接口技术，利用大功率光接口和光纤的低衰耗特性，将FE、GE接口的传输距离延伸至几公里甚至几十公里。 

　　除了局域网应用外，许多校园网也采用L2交换网络组建。由于L2交换是基于硬件的桥接，在交换中，以太网帧的转发是由ASIC芯片处理的，可以提供比传统的L2网桥或L3路由器更高的处理性能，如更高的包转发率和更低的转发时延。因此L2以太网交换广泛应用在ISP 的POP节点构成上，也广泛应用在IDC的网络结构中，提供吉比特路由器之间的高速数据链路。 

　　2．L2交换的局限

　　尽管L2交换有很多优势，但是L2交换依然没有摆脱桥接的所有特性和限制，通过L2交换机所建立的广播域仍然面临着与过去大型桥接网络同样的扩展和性能问题。如在具体应用中，L2广播域有一个5-4-3效应，即在一个广播域中，允许最多5个L2 Segment，4个Repeater/bridge, 其中只有3个Segment可以有负载。随着主机数量的增加，网段中广播、组播及Flooding流量都会增多，干扰网段中所有主机，占用主机CPU资源，并无端耗费局域网带宽。 

　　此外，L2交换没有L3路由的智能，不能实现端到端多路径和负载分担，这也是网桥的特性决定的。因此在一个L2广播域中不能出现链路环路，L2交换机需要启用Spanning tree协议来杜绝L2网络形成环路，并在主用链路故障时，自动提供备份路径。目前Spanning tree的链路恢复时间还不够理想，没有达到电信级的50ms。

　　其次，在ISP网络中，如果采用L2交换来提供POP节点内核心、汇聚层路由器之间的链路，还有一个潜在的路由收敛性能下降问题。当路由器之间的以太网交换机故障时，有可能路由器和交换机之间的物理接口和线路协议都是正常的（Interface is up, Line protocol is up），路由器不能及时感知网络状态的改变，需要高达40s的IGP PDU Hello协议进行判断。正是这个原因，目前ISP POP内通行的做法是将两台路由器通过FE、GE网线直接实现背靠背连接。

　　3．L2交换的发展

　　目前的L2交换应用趋势，逐步从局域网范围走向城域甚至广域，尤以城域最为活跃。当前从两个领域开始在城域范围内渗透到L2交换技术和应用：以SDH为内核的城域综合传输系统，如MSTP，支持的厂家有Alcatel、Lucent、Nortel、中兴、华为等；以L2/L3交换机为主的城域以太网交换机，支持的厂家有Cisco、Foundry、River stone、Force 10等。 

　　两个领域的L2交换产品都可以将以太网广播域从地域上扩大到城市范围，提供在城域内的以太网透传业务。MSTP支持点到多点的能力稍差，设备的L2交换性能也不及纯粹的以太网交换机。此外MSTP提供以太透传是采用将以太帧进行封装、映射到若干VC-12或VC-3内，再将VC-12、VC-3进行级联而实现的，相比较而言，以太网交换机的组网更灵活一些，对带宽的利用率也更高，可以采用光口通过裸光纤直连。 

　　在城域范围内提供L2以太网交换和透传，也非常适应采用以太上行接口的DSLAM组网。在提供ADSL上网业务时，可以通过城域以太交换或MSTP等以太传输系统，将分散设立于各个端局的DSLAM通过长途以太传输通道汇聚到相对集中设置的BRAS处。 降低建网成本，符合将用户进行统一管理、集中认证和计费的策略。 

　　在实际组网中，需要综合考虑网络性能、数据流量、业务种类来对MSTP还是L2/L3交换机组网进行取舍。同时需要考虑网络可扩展性、故障恢复和保护能力、VLAN支持性能、网管能力、网络安全和QoS等因素。一般而言，MSTP虽然在以太网交换和透传性能上稍弱，但是其提供TDM电路的能力目前L2交换机组建的网络无法实现。