三层交换机
使用路由器进行VLAN间路由时的问题
现在，我们知道只要能提供VLAN间路由，就能够使分属不同VLAN的计算机互相通信。但是，如果使用路由器进行VLAN间路由的话，随着VLAN之间流量的不断增加，很可能导致路由器成为整个网络的瓶颈。
交换机使用被称为ASIC（Application Specified Integrated Circuit）的专用硬件芯片处理数据帧的交换操作，在很多机型上都能实现以缆线速度（Wired Speed）交换。而路由器，则基本上是基于软件处理的。即使以缆线速度接收到数据包，也无法在不限速的条件下转发出去，因此会成为速度瓶颈。就VLAN间路由而言，流量会集中到路由器和交换机互联的汇聚链路部分，这一部分尤其特别容易成为速度瓶颈。并且从硬件上看，由于需要分别设置路由器和交换机，在一些空间狭小的环境里可能连设置的场所都成问题。
三层交换机（Layer 3 Switch）
为了解决上述问题，三层交换机应运而生。三层交换机，本质上就是“带有路由功能的（二层）交换机”。路由属于OSI参照模型中第三层网络层的功能，因此带有第三层路由功能的交换机才被称为“三层交换机”。
关于三层交换机的内部结构，可以参照下面的简图。
在一台本体内，分别设置了交换机模块和路由器模块；而内置的路由模块与交换模块相同，使用ASIC硬件处理路由。因此，与传统的路由器相比，可以实现高速路由。并且，路由与交换模块是汇聚链接的，由于是内部连接，可以确保相当大的带宽。
使用三层交换机进行VLAN间路由（VLAN内通信）
在三层交换机内部数据究竟是怎样传播的呢？基本上，它和使用汇聚链路连接路由器与交换机时的情形相同。
假设有如下图所示的4台计算机与三层交换机互联。当使用路由器连接时，一般需要在LAN接口上设置对应各VLAN的子接口；而三层交换机则是在内部生成“VLAN接口（VLAN Interface）”。VLAN接口，是用于各VLAN收发数据的接口。（注：在Cisco的Catalyst系列交换机上，VLAN Interface被称为SVI——Switched Virtual Interface）
为了与使用路由器进行VLAN间路由对比，让我们同样来考虑一下计算机A与计算机B之间通信时的情况。首先是目标地址为B的数据帧被发到交换机；通过检索同一VLAN的MAC地址列表发现计算机B连在交换机的端口2上；因此将数据帧转发给端口2。
使用三层交换机进行VLAN间路由（VLAN间通信）
接下来设想一下计算机A与计算机C间通信时的情形。针对目标IP地址，计算机A可以判断出通信对象不属于同一个网络，因此向默认网关发送数据（Frame 1）。
交换机通过检索MAC地址列表后，经由内部汇聚链接，将数据帧转发给路由模块。在通过内部汇聚链路时，数据帧被附加了属于红色VLAN的VLAN识别信息（Frame 2）。
路由模块在收到数据帧时，先由数据帧附加的VLAN识别信息分辨出它属于红色VLAN，据此判断由红色VLAN接口负责接收并进行路由处理。因为目标网络192.168.2.0/24是直连路由器的网络、且对应蓝色VLAN；因此，接下来就会从蓝色VLAN接口经由内部汇聚链路转发回交换模块。在通过汇聚链路时，这次数据帧被附加上属于蓝色VLAN的识别信息（Frame 3）。
交换机收到这个帧后，检索蓝色VLAN的MAC地址列表，确认需要将它转发给端口3。由于端口3是通常的访问链接，因此转发前会先将VLAN识别信息除去（Frame 4）。最终，计算机C成功地收到交换机转发来的数据帧。
整体的流程，与使用外部路由器时的情况十分相似——都需要经过发送方→交换模块→路由模块→交换模块→接收方。
加速VLAN间通信的手段
流（Flow）
根据到此为止的学习，我们已经知道VLAN间路由，必须经过外部的路由器或是三层交换机的内置路由模块。但是，有时并不是所有的数据都需要经过路由器（或路由模块）。
例如，使用FTP（File Transfer Protocol）传输容量为数MB以上的较大的文件时，由于MTU的限制，IP协议会将数据分割成小块后传输、并在接收方重新组合。这些被分割的数据，“发送的目标”是完全相同的。发送目标相同，也就意味着同样的目标IP地址、目标端口号（注：特别强调一下，这里指的是TCP/UDP端口）。自然，源IP地址、源端口号也应该相同。这样一连串的数据流被称为“流（Flow）”。
只要将流最初的数据正确地路由以后，后继的数据理应也会被同样地路由。
据此，后继的数据不再需要路由器进行路由处理；通过省略反复进行的路由操作，可以进一步提高VLAN间路由的速度。
加速VLAN间路由的机制
接下来，让我们具体考虑一下该如何使用三层交换机进行高速VLAN间路由。
首先，整个流的第一块数据，照常由交换机转发→路由器路由→再次由交换机转发到目标所连端口。这时，将第一块数据路由的结果记录到缓存里保存下来。需要记录的信息有：
l 目标IP地址
l 源IP地址
l 目标TCP/UDP端口号
l 源TCP/UDP端口号
l 接收端口号（交换机）
l 转发端口号（交换机）
l 转发目标MAC地址
等等。
同一个流的第二块以后的数据到达交换机后，直接通过查询先前保存在缓存中的信息查出“转发端口号”后就可以转发给目标所连端口了。
这样一来，就不需要再一次次经由内部路由模块中继，而仅凭交换机内部的缓存信息就足以判断应该转发的端口。
这时，交换机会对数据帧进行由路由器中继时相似的处理，例如改写MAC地址、IP包头中的TTL和Check Sum校验码信息等，
通过在交换机上缓存路由结果，实现了以缆线速度（Wired Speed）接收发送方传输来数据的数据、并且能够全速路由、转发给接收方。
需要注意的是，类似的加速VLAN间路由的手法多由各厂商独有的技术所实现，并且该功能的称谓也因厂商而异。例如，在Cisco的Catalyst系列交换机上，这种功能被称为“多层交换（Multi Layer Switching）”。另外，除了三层交换机的内部路由模块，外部路由器中的某些机型也支持类似的高速VLAN间路由机制。
传统型路由器存在的意义
路由器的必要性
三层交换机的价格，在问世之初非常昂贵，但是现在它们的价格已经下降了许多。目前国外一些廉价机型的售价，折合成人民币后仅为一万多元，而且还在继续下降中。
既然三层交换机能够提供比传统型路由器更为高速的路由处理，那么网络中还有使用路由器的必要吗？
答案是：“是”。
使用路由器的必要性，主要表现在以下几个方面：
l 用于与WAN连接
三层交换机终究是“交换机”。也就是说，绝大多数机型只配有LAN（以太网）接口。在少数高端交换机上也有用于连接WAN的串行接口或是ATM接口，但在大多数情况下，连接WAN还是需要用到路由器。
l 保证网络安全
在三层交换机上，通过数据包过滤也能确保一定程度的网络安全。但是使用路由器所提供的各种网络安全功能，用户可以构建更为安全可靠的网络。
路由器提供的网络安全功能中，除了最基本的数据包过滤功能外，还能基于IPSec构建VPN（Virtual Private Network）、利用RADIUS进行用户认证等等。
l 支持除TCP/IP以外的网络架构
尽管TCP/IP已经成为当前网络协议架构的主流，但还有不少网络利用Novell Netware下的IPX/SPX或Macintosh下的Appletalk等网络协议。三层交换机中，除了部分高端机型外基本上还只支持TCP/IP。因此，在需要使用除TCP/IP之外其他网络协议的环境下，路由器还是必不可少的。
注：在少数高端交换机上，也能支持上述路由器的功能。例如Cisco的Catalyst6500系列，就可以选择与WAN连接的接口模块；还有可选的基于IPSec实现VPN的模块；并且也能支持TCP/IP以外的其他网络协议。
路由器和交换机配合构建LAN的实例
下面让我们来看一个路由器和交换机搭配构建LAN的实例。
利用在各楼层配置的二层交换机定义VLAN，连接TCP/IP客户计算机。各楼层间的VLAN间通信，利用三层交换机的高速路由加以实现。如果网络环境要求高可靠性，还可以考虑冗余配置三层交换机。
与WAN的连接，则通过带有各种网络接口的路由器进行。并且，通过路由器的数据包过滤和VPN等功能实现网络安全。此外，使用路由器还能支持Novell Netware等TCP/IP之外的网络。
只有在充分掌握了二层、三层交换机以及传统路由器的基础上，才能做到物竞其用，构筑出高效率、高性价比的网络。