第2層 vs 第3層乙太網路交換器：您需要知道的關鍵區別！
數十年來，交換機與路由器在網絡架構中扮演不同角色：交換機主要負責在局域網內轉發數據，而路由器則根據目的地決定數據的傳輸路徑。隨著技術的進步，「第 3 層交換機」的出現，使得許多人對第 2 層和第 3 層之間的區別產生了疑問。交換和路由之間的具體區別是什麼？在何種情況下應該部署第 2 層或第 3 層交換機？
第 2 層交換機運行於 OSI 模型中的「數據鏈路層」，其功能是根據 MAC 位址來轉發數據包，適用於簡單的局域網（LAN）環境。相對而言，第 3 層交換機在 OSI 模型的「網絡層」提供路由功能，除了能根據 MAC 位址進行轉發，還能根據 IP 位址進行更為複雜的數據處理。第 3 層交換機同時具備交換與路由功能，使其在處理跨子網的數據流時，提供更高的靈活性與可擴展性。在選擇交換機時，應根據網絡規模、數據流量、所需功能及未來擴展性來確定最適合的解決方案。
“層(Layer)” 在網路架構中的真正含義
「層」這個術語源自開放系統互連（OSI，Open Systems Interconnection）模型，它是一個用來描述網路結構的概念框架。OSI 模型分為七個層級，每一層都為其上層提供服務。其中，第 1 到第 4 層與網路通信技術相關，而第 5 到第 7 層則與使用者應用程式有關。本篇將專注於探討第 2 層和第 3 層的功能與區別。
第 2 層的運作原理
第 2 層稱為「數據鏈路層 (Data Link Layer)」，根據物理媒體訪問控制 (MAC, media access control) 位址傳輸數據。每個具有網路介面控制器 （NIC, Network Interface Controller ） 的設備都有一個唯一的 MAC 位址，由設備製造商分配。您可能還會想知道，當世界上至少有數十億台此類設備時，每個支援網路的設備都有一個唯一的 MAC 位址。而 MAC 位址使用以下格式：
D4-BE-D9-8D-46-9A
允許超過 281 萬億個可能的位址。
因此，第 2 層交換機根據已知的 MAC 位址傳輸數據。但是它如何知道連接到它的設備的 MAC 位址呢？每當交換機收到數據幀時，它都會檢查來源和目標 MAC 位址的幀內容。如果源位址是交換機的新位址，它會將位址添加到"MAC 位址表"中。此表通常非常簡單，僅包含埠號、MAC 位址、VLAN，有時還包含位址是動態學習的還是靜態學習的。
如果數據幀(Data Frame)的目標 MAC 位址在交換機的 MAC 位址表中，則會將數據包轉發到表中的相應埠。如果交換機不知道目標位址，則會將幀從所有埠發送出去，但接收幀的連接埠除外。
第 2 層交換機不需要路由演算法，也不需要 IP 位址來轉發數據，速度非常快，而且成本低於路由器。但是，廣播流量（即發送到網路上每台設備的流量）不受第 2 層交換機的控制。這可能會導致大型網路擁塞。最後，第 2 層交換機無法在不同 VLAN 之間傳遞數據。
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何時應選擇工業級第 3 層交換器？
隨著工業網路拓撲的複雜化，尤其在智慧交通管理和城市基礎設施等應用中，第 3 層路由協議逐漸成為核心組件。在許多工業應用場景中，設備通常運行在隔離的網路中，並且現場監控系統也面臨數量限制。然而，隨著工業物聯網（IIoT）需求的急劇增長，邊緣設備的數量激增，進而引發對網路頻寬、拓撲組織和管理能力的更高要求。這使得傳統第 2 層交換機在面對大規模設備互連時，無法滿足現實中的性能和可擴展性需求。
為了應對這些挑戰，第 3 層交換機已逐步被納入高階網路管理架構。與第 2 層交換機相比，第 3 層交換機提供了更強大的路由能力，支持跨區域和多層次網路拓撲，並且能有效處理複雜的數據流量和安全性需求。這些交換機的高效路由能力和內建的安全功能，使得工業網路可以實現更靈活的資源管理和動態調整。隨著業務需求和網路架構的日益複雜，第 3 層交換機已成為工業網路中不可或缺的組件，為實現高效、安全、可擴展的網路運營提供了關鍵作用。
第 3 層 – 將 IP Base 位址的路由納入其中
路由，基於第 3 層（網路層）資訊進行數據轉發，傳統上由路由器負責，並使用 IP 位址而非 MAC 位址。然而，隨著技術的進步，第 3 層交換機作為一種高效且具成本效益的替代方案，已成為局域網（LAN）中數據轉發的理想選擇。第 3 層交換機不僅能夠實現不同 VLAN 之間的互聯，還提供了比第 2 層交換機更多的安全控制和管理功能。舉例來說，服務品質（QoS）功能使得網路流量能夠根據預定優先順序進行處理，確保網路資源得到最佳配置，進而提高整體效能。
隨著設備連接埠數量的增多，以及對多子網連接能力的需求增加，第 3 層交換機在企業網路、數據中心及園區網路中的應用越來越廣泛。與第 2 層交換機僅依賴 MAC 位址表不同，第 3 層交換機使用 ARP 表來同時存儲 MAC 和 IP 位址，並根據這些資訊進行數據包轉發。根據所選路由協定（如 RIP、OSPF 或靜態路由），第 3 層交換機可在不同網段之間進行有效的路由選擇，實現更加靈活和高效的網路管理。
MAC 位址表示例
ARP 表不僅適用於交換機 - 在您的電腦上也有！在命令提示符(Command Prompt)下，鍵入「arp -a」以查看您的電腦對它所連接的網路的瞭解。
第 2 層交換器 vs 第 3 層交換器
| 第 2 層交換機 | 第 3 層交換機 |
|---|---|
| 將數據「幀」發送到目標 MAC 位址 | 根據 MAC 或 IP 位址路由數據「數據包」 |
| OSI 第 2 層（資料鏈路層 | OSI 第 3 層（網路層） |
| 無法連接不同的 VLAN | 能夠連接不同的 VLAN |
| 一個廣播域 | 多個廣播域 |
| 與本地網路通信 | 可以連接到外部（多個）網路 |
選擇第 2 層或第 3 層交換機的最佳時機
對於數據流量較小、無需跨 VLAN 路由的簡單網路架構，第 2 層交換機是理想選擇。其主要功能集中於基於 MAC 位址進行數據轉發，適用於小型網路環境，具備成本效益高且部署簡便的優勢。
然而，對於大型網路或要求更高性能的應用，尤其是在需要多 VLAN 連接或加強網絡安全與流量控制的情況下，第 3 層交換機則更為合適。第 3 層交換機不僅具備傳統交換功能，還能根據 IP 位址進行路由，支持跨 VLAN 的數據交換，並提供豐富的安全功能（如 ACL、服務品質（QoS） 等），更適合企業級網路或數據密集型環境。
在實際部署中，許多組織選擇將第 2 層與第 3 層交換機組合使用，以達到成本與性能之間的最佳平衡，同時滿足各種網路拓撲與管理需求。
結論
深入了解第 2 層與第 3 層交換機的差異，能幫助您為組織選擇最適合的交換機類型。雖然第 2 層交換機長期以來是小型網路的核心設備，但隨著對可靠性、速度和功能需求的提升，第 3 層交換機正逐漸成為主流選擇。針對現代網路的高階需求，益網科技提供多款強固型第 3 層交換機，助您打造高效能、穩定且未來可擴展的網路解決方案。
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