引言
    鉴于互联网快速发展，计算机网络正逐渐应用到通信网络，以太网三层交换机在数据通信中起到越来越重要的作用。此外以太网三层交换机作为局域网互联核心设备，不仅需要先进的路由算法，还需要高可靠性、先进的可维护可管理特性、高性能转发能力及强大的互连互操作能力。在IP组立项会议上，会议代表认为有必要对以太网三层交换机设备作技术规范，为将来以太网三层交换机测试规范，以太网三层交换机设备的引进、生产、评判提供技术依据。项目立项号为2000H90。起草单位为信息产业部电信传输研究所、华为技术有限公司、深圳市中兴通讯股份有限公司。

制定历程
    在立项之初三层交换机设备标准的题目为“以太网第三层交换机设备技术规范”。在征求意见会上，会议代表认为由于当前局域网交换机设备功能强大，实现了各种各样的接口，包括ATM接口、POS接口等，原题目已不能满足当前形势。所以经建议，将原有项目名称改为“三层交换机设备技术规范”。
    经过征求意见稿以及送审稿后，三层交换机设备标准采纳了征求意见会以及送审会中代表提出的意见。形成报批稿送交信息产业部报批。但是在批准之前，信息产业部标准主管领导认为由于三层交换机设备在电信网广泛应用，为重视起见，该报批稿必须经过高层会审。高层会审专家来自运营企业、研究单位等部门。会上专家认为标准名称定为“三层交换机”不甚准确。在认真讨论并再次征求意见后，将标准名称最终定为“具有路由功能的以太网交换机技术要求”。
    由于“具有路由功能的以太网交换机”名称相对冗长，在下文中仍简称“三层交换机”。

设备定位
    具有路由功能的以太网交换机（Ethernet Switch with Routing Capability）是拥有第三层路由功能的数据包交换机。除实现数据帧转发功能外，能根据收到的数据包中网络层地址以及交换机内部维护的路由表决定输出端口，以及下一条交换机地址或主机地址，并且重写链路层数据包头。
    三层交换机既拥有以太网交换机的功能又拥有路由器的功能，可以用在相对广泛的领域。三层交换机与核心路由器相比，路由处理能力较低，但是交换速率接近线速并且价格低廉，所以可以用在企业网核心等位置。三层交换机与传统的二层以太网交换机相比能够有效控制广播风暴，在划分VLAN的环境中减轻路由器负担，通常用在IDC或者网络中心用作接入业务。在电信网中三层交换机用途广泛，可以用在网络中心用于接入业务以及用在接入层或者汇聚层接入用户。

技术要求
    1． 三层交换机功能要求
    符合电信行业标准，用于为公众提供电信服务的三层交换机必须实现以下功能。
    （1）接口功能：三层交换机必须至少拥有一个接口。通常三层交换机拥有以太网接口，也可以拥有ATM或POS等接口。各种接口必须符合相应规范。
    （2） 逻辑链路层功能：支持以太网接口的三层交换机必须实现一类LLC支持类型1操作。对LLC的实现必须符合ISO/IEC 8802-2。
    （3） 数据帧转发功能：数据帧转发是指交换机在不同端口间交换链路层用户数据帧，交换机的不同端口所连接的是被桥接的链路层实体。交换机必须实现转发数据帧。支持以太网接口的交换机转发数据帧应当实现IEEE802.1p中规定的优先级。
    （4） 数据帧过滤功能：过滤是指交换机为防止数据帧重复，对某些端口上数据帧不转发（丢弃）到其它接口的行为。交换机必须实现基本过滤服务。
    （5） IP包转发功能：该功能主要负责按照转发表内容在各端口（包括逻辑端口）间转发数据包并且改写链路层数据包头信息。
    （6） 路由信息维护功能：该功能负责运行路由协议，维护路由表。路由协议可包括 RIP、OSPF等协议。
    （7） 维护决定数据帧转发及过滤信息的功能：交换机必须实现维护数据帧转发/过滤信息。
    （8） 运行维护功能：交换机必须实现运行维护功能。
    （9） 网络管理功能：交换机必须实现网络管理接口及协议。
    （10） 设备管理和认证：三层交换机可选实现管理功能包括用户管理认证功能（如802.1X）、业务管理（如组播控制）等功能。
    2． 三层交换机接口
    虽然标准名为“具有路由功能的以太网交换机技术要求”，似乎特指以太网交换机。但是由于当前业务需求，许多三层交换机特别是高端产品通常拥有以太网接口类型以外的接口。例如SDH接口、ATM接口甚至WDM接口等。
    典型的以太网接口有10Mbit/s以太网接口、10/100Mbit/s自适应以太网接口、1000Mbit/s以太网接口，以及刚刚完成标准化的10Gbit/s以太网接口。以太网接口应符合IEEE802.3。
    在三层交换机上POS接口、ATM接口已经可能实现的WDM接口都属可选实现。
    3． 链路层功能要求
    三层交换机的链路层功能主要完成传统二层以太网交换机所实现的所有功能，具体可分为数据帧转发和过滤功能，并能支持完成转发和过滤数据帧。此外还有链路层流量控制、端口镜像等二层以太网交换机实现的比选或可选功能。
    在支持完成转发和过滤数据帧的工作中包含重要的链路层协议，例如生成树协议、GARP协议、GMRP协议、VLAN协议、远程桥接和多链路聚合协议等。
    生成树算法及协议将通过交换机或网桥连接的局域网的拓扑简化成一棵生成树。这样由多个交换机任意连接得到的网络才能是一个无环的网络，网上任意两个交换机间只存在一条唯一路径。
    GARP协议提供一种一般属性分发能力，该能力由GARP应用在桥接的局域网上与其它GARP参与者，配合实现注册及消除注册属性值。属性的类型、属性的值和属性值相关的语义由GARP应用决定。GARP通常应用在GMRP和GVRP协议中。
    GMRP协议提供一种机制允许交换机和终端系统动态注册组成员信息，该信息在所有支持扩展过滤服务的交换机/网桥间传播。GMRP利用GARP提供服务，主要用于链路层组播。
    VLAN功能指通过桥接的局域网内活跃拓扑中工作站的划分，各VLAN使用VID（VLAN标识符）区分。各个VLAN是原桥接的局域网的一个子集。通过VLAN划分可以限制广播域范围，消除广播风暴。
    远程桥接是指使通过非局域网互联的两个局域网间能够像直连的局域网一样实现链路层功能的协议，三层交换机通常可选实现。
    多链路聚合是指在逻辑上将多条独立的链路作为一条单独链路使用，以此获得灵活的高带宽以及链路冗余。
    4． 网络层功能要求
    三层交换机的网络层需要实现的功能近似于路由器。通常必须实现IP协议、ICMP协议、IGMP协议以及根据数据包网络层地址正确转发。
    网络层功能中最重要的是转发功能。三层交换机实现的转发功能与路由器类似，具体规定见互联网层协议（RFC791，RFC950，RFC922,  RFC792，RFC1349）。作网络层转发的三层交换机收到IP包后主要工作有以下几个方面。
    （1）作有效性检查来确认该IP包头是否有意义，检查包括链路层指示的IP包长度、IP校验和、IP版本号、IP头长度、IP数据包总长度等。
    （2）作本地分发决定，确定该数据包是否发给本三层交换机（应本地分发）或另一系统（应由转发处理）。上述两种情况可能同时发生，某些IP广播或IP组播可能同时要求本地分发及转发。
    （3）确定下一跳地址，决定将包直接发到目的地，或者需要发到下一个路由器，或者三层交换机。
    5． 传输层功能要求
    三层交换机只工作在网络层以下，理论上无需支持传输层协议。由于需要实现一些路由协议（路由协议通常运行在传输层协议商），以及管理维护等功能，三层交换机通常应该支持传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。
    6． 路由协议要求
    互联网路由系统包含两部分：内部路由与外部路由。自治域（AS）允许描述一组三层交换机从内部路由到外部路由的转变。IP数据包通常要穿过两个或多个AS的三层交换机才能到达目的地，AS系统必须相互提供拓扑信息才能允许这种转发。内部网关协议用作在AS内部分发路由信息（即AS内部路由）。外部网关协议用作在AS间交换路由信息（即AS间路由）。
    三层交换机必须实现路由信息协议以及静态路由。对OSPFv2、ISIS以及BGP协议，三层交换机都可选实现。
    7． MPLS要求
    三层交换机体系结构可选支持MPLS，支持MPLS LER和LSR功能, 支持MPLS显式路由LSP，支持CR-LDP, 能配置备份LSP,支持负荷分担的多路径LSP,支持标记压栈,支持基于约束的路径计算, 能基于源/目的地址,协议,源/目的端口,选项域,TOS/优先级（Precedence）域,TCP标志,根据路由表的下一跳等参数将包路由至输出LSP。
    有关MPLS协议具体参见行标《多协议标记交换（MPLS）总体技术要求》。
    8． 排队策略和拥塞控制
    对于排队策略，三层交换机可选支持公平排队算法（Fair Queuing或Round Robin）以及加权公平排队算法（WFQ）。
    对于拥塞控制，三层交换机可选支持WFQ、随机早期探测RED、加权的随机早期探测WRED等拥塞控制机制。在有可能存在输出队列争用的交换环境中，必须提供有效的方法消除头部拥塞。
    9． 组播协议要求
    组播协议是支持在IP网上实现组播传输以及控制、注册、交换组播路由等功能的协议。三层交换机建议实现组播协议，可选支持互联网组管理协议IGMP v2(RFC2236)，可选支持IGMP Snooping，可选支持和协议无关组播协议-稀疏模式（PIM-SM）， 可选实现距离矢量组播路由协议DVMRP (RFC1075)和组播源发现协议MSDP。在实现PIM-SM协议时应考虑与距离矢量组播路由协议DVMRP 的互通。域间组播实现可选MBGP。
    有关各组播路由协议具体参见行标《组播路由协议技术规范》。
    10． 性能指标要求
    本文所介绍标准是电信行业标准，主要用作约束应用在电信行业的三层交换机。在电信行业使用的设备通常需要保证一定的服务质量，所以对某些性能指标都有一定要求。标准定义如下性能指标：
    （1） 端口数量：设备拥有的端口的数量。
    （2） 设备吞吐量：设备吞吐量指设备所有端口同时收发数据速率能力的总和。
    （3） 突发长度：一定数量以最小合法帧间隔发送的一组帧。
    （4） 突发间隔：突发之间的时间间隔。
    （5） 过负荷：试图使被测设备以超出端口媒体限制的速度传输。过负荷可以通过缓存或拥塞控制方式实现。
    （6） 转发速率：在一定负荷下，被测设备可以观察到正确转发帧的速率。
    （7） 拥塞控制：任何用作为避免帧丢失，请求外部数据源降低发送速率以免拥塞端口的机制。
    （8） 队头阻塞：由于输入端口试图向某一拥塞端口发送数据帧，导致该输入端口上目的地为不拥塞端口帧的丢失或附加时延。
    （9） 地址缓存能力：每个端口/模块/设备上能够缓存的MAC地址的能力。
    （10） 地址学习能力：交换机可以学习新的MAC地址（不用广播或丢弃数据帧）的速度。
    （11） 时延：对于存储转发设备，时延为被测设备收到最后一比特到发出第一比特的时间间隔。对于按比特转发设备，时延为被测设备收到第一比特到发出第一比特的时间间隔。标准定义的时延为测试设备发出带时戳的测试帧到收到该帧的时间间隔。
    （12） 时延抖动：时延的变化。
    （13） 丢包率：指交换机因资源不足引起的包丢失率。3层交换机丢包率分二层交换丢包率和三层交换丢包率。
    （14） 乱序：设备入口处有顺序的数据报序列在设备出口处的顺序情况。
    （15） 错帧过滤：指设备收到错帧/非正常帧时正确处理的能力。
    （16） 路由表容量：交换机运行中可以容纳的路由数量。由于交换机设计使用在不同目的和应用环境，对路由表容量作范围限制没有意义。
    （17） 可靠性：系统无故障运行时间。
    （18） VLAN数量：系统支持的VLAN个数。
    11． 运行与维护要求
    运行维护包括下列行为：提供设备资源利用率；提供网络接口带宽利用率；诊断交换机的处理器、网络接口、相连的网络、调制解调器的硬件问题；安装新硬件；安装新软件；在崩溃后重新启动或重新引导交换机；配置（重新配置）交换机；发现及诊断互联网问题（如拥塞、环路）、错误MAC地址等错误行为；改变网络拓扑，暂时（例如绕过有问题的通信链路）或者永久；监视交换机及相连网络的状态及性能；为网络设计收集流量统计；在恰当的厂商及电信规范中协调上述行为。
    12． 网络管理要求
    三层交换机必须支持RFC1902至RFC1906中规定的SNMP v2。
    SNMP必须使用UDP/IP作为传输层/网络层协议。也可以使用其它协议（例如，RFC1418，RFC1089）。
    SNMP管理请求向交换机任何一个接口发出时，该操作必须生效。实际的管理动作应由交换机或交换机的代理完成。
    支持SNMP v2协议的交换机必须实现SNMP v2 MIB RFC1907。
    三层交换机必须实现所有的SNMP操作。
    三层交换机必须提供一种机制来限制SNMP 陷阱（trap）消息的产生速率。交换机可以通过RFC1224中描述的异步告警管理算法来实现上述机制。
    13． 环境要求
    标准对三层交换机正常工作的温度、湿度条件、防尘、电磁干扰、抗电磁干扰和防雷击作规定。
    14． 电源与接地
    标准对三层交换机直流电压及其波动范围要求、杂音电压指标、离散频率杂音电压以及接地方式、接地线面积和电阻作规定。

结束语
    三层交换机越来越广泛地用在IP网以及电信网。三层交换机设备标准主要规定了功能、性能、协议等要求，可以为三层交换机测试规范，三层交换机设备的引进、生产、评判提供技术依据。