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交換機的分層

發(fā)布時間: 2012/9/16 0:41:08

　　二層交換技術(shù)的發(fā)展比較成熟，二層交換機屬數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備，可以識別數(shù)據(jù)包中的MAC地址信息，根據(jù)MAC地址進行轉(zhuǎn)發(fā)，并將這些MAC地址與對應(yīng)的端口記錄在自己內(nèi)部的一個地址表中。

具體的工作流程如下：

1) 當(dāng)交換機從某個端口收到一個數(shù)據(jù)包，它先讀取包頭中的源MAC地址，這樣它就知道源MAC地址的機器是連在哪個端口上的；

2) 再去讀取包頭中的目的MAC地址，并在地址表中查找相應(yīng)的端口；

3) 如表中有與這目的MAC地址對應(yīng)的端口，把數(shù)據(jù)包直接復(fù)制到這端口上；

4) 如表中找不到相應(yīng)的端口則把數(shù)據(jù)包廣播到所有端口上，當(dāng)目的機器對源機器回應(yīng)時，交換機又可以記錄這一目的MAC地址與哪個端口對應(yīng)，在下次傳送數(shù)據(jù)時就不再需要對所有端口進行廣播了。不斷的循環(huán)這個過程，對于全網(wǎng)的MAC地址信息都可以學(xué)習(xí)到，二層交換機就是這樣建立和維護它自己的地址表。

從二層交換機的工作原理可以推知以下三點：

1) 由于交換機對多數(shù)端口的數(shù)據(jù)進行同時交換，這就要求具有很寬的交換總線帶寬，如果二層交換機有N個端口，每個端口的帶寬是M，交換機總線帶寬超過N×M，那么這交換機就可以實現(xiàn)線速交換

2) 學(xué)習(xí)端口連接的機器的MAC地址，寫入地址表，地址表的大小（一般兩種表示方式：一為BEFFER RAM，一為MAC表項數(shù)值），地址表大小影響交換機的接入容量

3) 還有一個就是二層交換機一般都含有專門用于處理數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的ASIC（Application specific Integrated Circuit，專用集成電路）芯片，因此轉(zhuǎn)發(fā)速度可以做到非常快。由于各個廠家采用ASIC不同，直接影響產(chǎn)品性能。

以上三點也是評判二、三層交換機性能優(yōu)劣的主要技術(shù)參數(shù)，這一點請大家在考慮設(shè)備選型時注意比較。

三層交換

下面先來通過一個簡單的網(wǎng)絡(luò)來看看三層交換機的工作過程。

使用IP的設(shè)備A------------------------三層交換機------------------------使用IP的設(shè)備B

比如A要給B發(fā)送數(shù)據(jù)，已知目的IP，那么A就用子網(wǎng)掩碼取得網(wǎng)絡(luò)地址，判斷目的IP是否與自己在同一網(wǎng)段。如果在同一網(wǎng)段，但不知道轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)所需的MAC地址，A就發(fā)送一個ARP請求，B返回其MAC地址，A用此MAC封裝數(shù)據(jù)包并發(fā)送給交換機，交換機起用二層交換模塊，查找MAC地址表，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的端口。

如果目的IP地址顯示不是同一網(wǎng)段的，那么A要實現(xiàn)和B的通訊，在流緩存條目中沒有對應(yīng)MAC地址條目，就將第一個正常數(shù)據(jù)包發(fā)送向一個缺省網(wǎng)關(guān)，這個缺省網(wǎng)關(guān)一般在操作系統(tǒng)中已經(jīng)設(shè)好，這個缺省網(wǎng)關(guān)的IP對應(yīng)第三層路由模塊，所以對于不是同一子網(wǎng)的數(shù)據(jù)，最先在MAC表中放的是缺省網(wǎng)關(guān)的MAC地址（由源主機A完成）；然后就由三層模塊接收到此數(shù)據(jù)包，查詢路由表以確定到達B的路由，將構(gòu)造一個新的幀頭，其中以缺省網(wǎng)關(guān)的MAC地址為源MAC地址，以主機B的MAC地址為目的MAC地址。通過一定的識別觸發(fā)機制，確立主機A與B的MAC地址及轉(zhuǎn)發(fā)端口的對應(yīng)關(guān)系，并記錄進流緩存條目表，以后的A到B的數(shù)據(jù)（三層交換機要確認(rèn)是由A到B而不是到C的數(shù)據(jù)，還要讀取幀中的IP地址。），就直接交由二層交換模塊完成。這就通常所說的一次路由多次轉(zhuǎn)發(fā)。

以上就是三層交換機工作過程的簡單概括，可以看出三層交換的特點：

1）由硬件結(jié)合實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)發(fā)。這就不是簡單的二層交換機和路由器的疊加，三層路由模塊直接疊加在二層交換的高速背板總線上，突破了傳統(tǒng)路由器的接口速率限制，速率可達幾十Gbit/s。算上背板帶寬，這些是三層交換機性能的兩個重要參數(shù)。

2）簡潔的路由軟件使路由過程簡化。大部分的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，除了必要的路由選擇交由路由軟件處理，都是由二層模塊高速轉(zhuǎn)發(fā)，路由軟件大多都是經(jīng)過處理的高效優(yōu)化軟件，并不是簡單照搬路由器中的軟件。

二層和三層交換機的選擇

二層交換機用于小型的局域網(wǎng)絡(luò)。這個就不用多言了，在小型局域網(wǎng)中，廣播包影響不大，二層交換機的快速交換功能、多個接入端口和低謙價格為小型網(wǎng)絡(luò)用戶提供了很完善的解決方案。

三層交換機的優(yōu)點在于接口類型豐富，支持的三層功能強大，路由能力強大，適合用于大型的網(wǎng)絡(luò)間的路由，它的優(yōu)勢在于選擇最佳路由，負(fù)荷分擔(dān)，鏈路備份及和其他網(wǎng)絡(luò)進行路由信息的交換等等路由器所具有功能。

三層交換機的最重要的功能是加快大型局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)，加入路由功能也是為這個目的服務(wù)的。如果把大型網(wǎng)絡(luò)按照部門，地域等等因素劃分成一個個小局域網(wǎng)，這將導(dǎo)致大量的網(wǎng)際互訪，單純的使用二層交換機不能實現(xiàn)網(wǎng)際互訪；如單純的使用路由器，由于接口數(shù)量有限和路由轉(zhuǎn)發(fā)速度慢，將限制網(wǎng)絡(luò)的速度和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，采用具有路由功能的快速轉(zhuǎn)發(fā)的三層交換機就成為首選。

一般來說，在內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)流量大，要求快速轉(zhuǎn)發(fā)響應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)中，如全部由三層交換機來做這個工作，會造成三層交換機負(fù)擔(dān)過重，響應(yīng)速度受影響，將網(wǎng)間的路由交由路由器去完成，充分發(fā)揮不同設(shè)備的優(yōu)點，不失為一種好的組網(wǎng)策略，當(dāng)然，前提是客戶的腰包很鼓，不然就退而求其次，讓三層交換機也兼為網(wǎng)際互連。

四層交換

第四層交換的一個簡單定義是：它是一種功能，它決定傳輸不僅僅依據(jù)MAC地址(第二層網(wǎng)橋)或源/目標(biāo)IP地址（第三層路由），而且依據(jù)TCP/UDP(第四層) 應(yīng)用端口號。第四層交換功能就象是虛IP，指向物理億恩小路QQ572931335電話15890397512。它傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)服從的協(xié)議多種多樣，有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他協(xié)議。這些業(yè)務(wù)在物理億恩小路QQ572931335電話15890397512基礎(chǔ)上，需要復(fù)雜的載量平衡算法。

在IP世界，業(yè)務(wù)類型由終端TCP或UDP端口地址來決定，在第四層交換中的應(yīng)用區(qū)間則由源端和終端IP地址、TCP和UDP端口共同決定。在第四層交換中為每個供搜尋使用的億恩小路QQ572931335電話15890397512組設(shè)立虛IP地址（VIP），每組億恩小路QQ572931335電話15890397512支持某種應(yīng)用。在域名億恩小路QQ572931335電話15890397512（DNS）中存儲的每個應(yīng)用億恩小路QQ572931335電話15890397512地址是VIP，而不是真實的億恩小路QQ572931335電話15890397512地址。當(dāng)某用戶申請應(yīng)用時，一個帶有目標(biāo)億恩小路QQ572931335電話15890397512組的VIP連接請求（例如一個TCP SYN包）發(fā)給億恩小路QQ572931335電話15890397512交換機。億恩小路QQ572931335電話15890397512交換機在組中選取最好的億恩小路QQ572931335電話15890397512，將終端地址中的VIP用實際億恩小路QQ572931335電話15890397512的IP取代，并將連接請求傳給億恩小路QQ572931335電話15890397512。這樣，同一區(qū)間所有的包由億恩小路QQ572931335電話15890397512交換機進行映射，在用戶和同一億恩小路QQ572931335電話15890397512間進行傳輸。

特點：

OSI模型的第四層是傳輸層。傳輸層負(fù)責(zé)端對端通信，即在網(wǎng)絡(luò)源和目標(biāo)系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)通信。在IP協(xié)議棧中這是TCP（一種傳輸協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議）所在的協(xié)議層。

在第四層中，TCP和UDP標(biāo)題包含端口號（port number），它們可以唯一區(qū)分每個數(shù)據(jù)包包含哪些應(yīng)用協(xié)議（例如HTTP、FTP等）。端點系統(tǒng)利用這種信息來區(qū)分包中的數(shù)據(jù)，尤其是端口號使一個接收端計算機系統(tǒng)能夠確定它所收到的IP包類型，并把它交給合適的高層軟件。端口號和設(shè)備IP地址的組合通常稱作"插口（socket）"。1和255之間的端口號被保留，他們稱為"熟知"端口，也就是說，在所有主機TCP/I P協(xié)議棧實現(xiàn)中，這些端口號是相同的。除了"熟知"端口外，標(biāo)準(zhǔn)UNIX服務(wù)分配在256到1024端口范圍，定制的應(yīng)用一般在1024以上分配端口號。分配端口號的最近清單可以在RFC1700 "Assigned Numbers"上找到。

TCP/UDP端口號提供的附加信息可以為網(wǎng)絡(luò)交換機所利用，這是第四層交換的基礎(chǔ)。具有第四層功能的交換機能夠起到與億恩小路QQ572931335電話15890397512相連接的"虛擬IP"(VIP)前端的作用。每臺億恩小路QQ572931335電話15890397512和支持單一或通用應(yīng)用的億恩小路QQ572931335電話15890397512組都配置一個VIP地址。這個VIP地址被發(fā)送出去并在域名系統(tǒng)上注冊。在發(fā)出一個服務(wù)請求時，第四層交換機通過判定TCP開始，來識別一次會話的開始。然后它利用復(fù)雜的算法來確定處理這個請求的最佳億恩小路QQ572931335電話15890397512。一旦做出這種決定，交換機就將會話與一個具體的IP地址聯(lián)系在一起，并用該億恩小路QQ572931335電話15890397512真正的IP地址來代替億恩小路QQ572931335電話15890397512上的VIP地址。

每臺第四層交換機都保存一個與被選擇的億恩小路QQ572931335電話15890397512相配的源IP地址以及源TCP端口相關(guān)聯(lián)的連接表。然后第四層交換機向這臺億恩小路QQ572931335電話15890397512轉(zhuǎn)發(fā)連接請求。所有后續(xù)包在客戶機與億恩小路QQ572931335電話15890397512之間重新影射和轉(zhuǎn)發(fā)，直到交換機發(fā)現(xiàn)會話為止。在使用第四層交換的情況下，接入可以與真正的億恩小路QQ572931335電話15890397512連接在一起來滿足用戶制定的規(guī)則，諸如使每臺億恩小路QQ572931335電話15890397512上有相等數(shù)量的接入或根據(jù)不同億恩小路QQ572931335電話15890397512的容量來分配傳輸流。

1) 速度

為了在企業(yè)網(wǎng)中行之有效，第四層交換必須提供與第三層線速路由器可比擬的性能。也就是說，第四層交換必須在所有端口以全介質(zhì)速度操作，即使在多個千兆以太網(wǎng)連接上亦如此。千兆以太網(wǎng)速度等于以每秒1488000 個數(shù)據(jù)包的最大速度路由(假定最壞的情形，即所有包為以及網(wǎng)定義的最小尺寸，長64字節(jié))。

2) 億恩小路QQ572931335電話15890397512容量平衡算法

依據(jù)所希望的容量平衡間隔尺寸，第四層交換機將應(yīng)用分配給億恩小路QQ572931335電話15890397512的算法有很多種，有簡單的檢測環(huán)路最近的連接、檢測環(huán)路時延或檢測億恩小路QQ572931335電話15890397512本身的閉環(huán)反饋。在所有的預(yù)測中，閉環(huán)反饋提供反映億恩小路QQ572931335電話15890397512現(xiàn)有業(yè)務(wù)量的最精確的檢測。

3) 表容量

應(yīng)注意的是，進行第四層交換的交換機需要有區(qū)分和存貯大量發(fā)送表項的能力。交換機在一個企業(yè)網(wǎng)的核心時尤其如此。許多第二/ 三層交換機傾向發(fā)送表的大小與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)量成正比。對第四層交換機，這個數(shù)量必須乘以網(wǎng)絡(luò)中使用的不同應(yīng)用協(xié)議和會話的數(shù)量。因而發(fā)送表的大小隨端點設(shè)備和應(yīng)用類型數(shù)量的增長而迅速增長。第四層交換機設(shè)計者在設(shè)計其產(chǎn)品時需要考慮表的這種增長。大的表容量對制造支持線速發(fā)送第四層流量的高性能交換機至關(guān)重要。

4) 冗余

第四層交換機內(nèi)部有支持冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功能。在具有雙鏈路的網(wǎng)卡容錯連接時，就可能建立從一個億恩小路QQ572931335電話15890397512到網(wǎng)卡，鏈路和億恩小路QQ572931335電話15890397512 交換器的完全冗余系統(tǒng)。

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