什么是多層交換技術

多層
　　
　　　　最初聽到第三層這個詞時不免已有一些費解，接踵而來的第四層交換、第七層交換等概念更是讓人費思量。其實嚴格說來，交換意味著源與目的地址之間的連接，在第二層以上的任何技術都不能說是交換技術。負載均衡一詞在很大程度上已經(jīng)取代了第四層交換一詞，正像應用認知一詞在很大程度上取代了第七層交換一樣。但是，恐怕第三層交換一詞將永遠這樣稱呼下去了。
　　
　　　　當然，說法只是說法，關鍵是認識到這些技術在提高網(wǎng)絡性能上所帶來的益處，所以，本文仍沿用“第幾層交換”這種叫法。
　　
　　　　第三層交換
　　
　　　　 第三層交換技術也稱為IP交換技術、高速技術等。這是一種利用第三層中的信息來加強第二層交換功能的機制。當今絕大部分的企業(yè)網(wǎng)都已變成實施TCP/IP的Web技術的內(nèi)聯(lián)網(wǎng)，用戶的數(shù)據(jù)往往越過本地的網(wǎng)絡在網(wǎng)際間傳送，因而，器常常不堪重負。
　　
　　　　一種辦法是安裝性能更強的超級路由器，然而，這樣做開銷太大，如果是建交換網(wǎng)，這種投資顯然是不合理的。第三層交換的目標是，只要在源地址和目的地址之間有一條更為直接的第二層通路，就沒有必要經(jīng)過路由器轉發(fā)數(shù)據(jù)包。第三層交換使用第三層路由確定傳送路徑，此路徑可以只用一次，也可以起來，供以后使用。之后數(shù)據(jù)包通過一條虛電路繞過路由器快速發(fā)送。
　　
　　　　目前主要的第三層交換技術有：
　　
　　　　Ipsilon IP交換：IP交換技術由Ipsilon公司首倡，即識別數(shù)據(jù)包流，盡量在第二層進行交換，以繞過路由器，改善網(wǎng)絡性能。Ipsilon改進了ATM交換機，刪去了控制器中的軟件，加上一個IP交換控制器，與ATM交換機通信。該技術適用于機構內(nèi)部的局域網(wǎng)和校園網(wǎng)。
　　
　　　　標簽交換：給數(shù)據(jù)包貼上標簽，此標簽在交換節(jié)點讀出，判斷包傳送路徑。該技術適用于大型網(wǎng)絡和Internet。
　　
　　　　3Com Fast IP：側重數(shù)據(jù)策略管理、優(yōu)先原則和服務質量。Fast IP協(xié)議保證實時音頻或視頻數(shù)據(jù)流能得到所需的帶寬。Fast IP支持其它協(xié)議(如IPX)，可以運行在除ATM外的其它交換環(huán)境中。客戶機需要有設置優(yōu)先等級的軟件。
　　
　　　　IBM ARIS(Aggregate Route－based IP Switching)：與的標簽交換技術相似，包上附上標記，借以穿越交換網(wǎng)。ARIS一般用于ATM網(wǎng)，也可擴展到其它交換技術。邊界設備是進入ATM交換環(huán)境的入口，含有第三層路由映射到第二層虛電路的路由表。允許ATM網(wǎng)同一端兩臺以上的計算機通過一條虛電路發(fā)送數(shù)據(jù)，從而減少網(wǎng)絡流量。
　　
　　　　MPOA(MultiProtocol Over ATM)：ATM論壇提出的一種規(guī)范。經(jīng)源客戶機請求，路由執(zhí)行路由計算后給出最佳傳輸路徑。然后，建立一條交換虛電路，即可越過子網(wǎng)邊界，不用再做路由選擇。
　　
　　　　目前Cisco、3Com、北電網(wǎng)絡、朗訊、Cabletron、Foundry和Extreme等公司都有比較成熟的第三層交換產(chǎn)品和模塊推出。下面以3Com公司的技術為例，來說明第三層交換技術的演變。
　　
　　　　第一代交換機是分立的電子元件和原語式的軟件框架的混合體。軟件的功能運行在一個有固定內(nèi)存的處理機上，隨著管理支持和協(xié)議功能的改善，軟件的功能也不斷增加。當用戶的日常業(yè)務更加依賴于網(wǎng)絡，網(wǎng)絡上的流量增多時，便成了瓶頸。
　　
　　　　雖然處理機和器變得越來越快和有效，但仍然趕不上流量增加的水平。解決問題的第一步是簡化網(wǎng)絡層：用交換機取代路由器，以減低處理數(shù)據(jù)包的開銷并顯著地提高事務處理速度。3Com引進了專用于優(yōu)化第二層處理的專用集成電路(ASIC)，使性能提高了10倍，并降低了系統(tǒng)的整體費用。
　　
　　　　靈活智能的路由引擎（FIRE）宣告了第三代交換技術的來臨。這一代并不僅是建立在第二代的進展上，而且為第三層路由、組播(Multicast)及用戶可選的策略(Policy)等方面提供了線速性能，第二層與第三層的性能不再是不一致的了。
　　
　　　　FIRE是3Com公司的第三代第三層交換機的核心部分，它是一個創(chuàng)新的集成化的網(wǎng)間互聯(lián)體系結構，提供了廣泛的第二層和第三層的功能，同時還可在多種網(wǎng)絡接口類型上提供線速性能。
　　
　　　　第四層交換
　　
　　　　端到端性能和服務質量要求對所有聯(lián)網(wǎng)設備的負載進行細致的均衡，以保證客戶機與之間數(shù)據(jù)平滑地流動。 第二層與第三層交換產(chǎn)品在解決局域網(wǎng)和絡的帶寬及容量問題上發(fā)揮了很好的作用，但是，這可能還不夠，還需要更多的性能，而這正是第四層交換的用武之地。
　　
　　　　第四層交換技術利用第三層和第四層包頭中的信息來識別應用數(shù)據(jù)流會話，這些信息包括TCP／User 數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)端口號、標記應用會話開始與結束的“SYN/FIN”位以及IP源／目的地址。利用這些信息，第四層交換機可以做出向何處轉發(fā)會話傳輸流的智能決定。 對于使用多種不同系統(tǒng)來支持一種應用的大型企業(yè)數(shù)據(jù)中心、Internet服務提供商或內(nèi)容提供商來說，第四層交換的作用是尤其重要的。同樣，當在很多服務器上進行復制功能時，第四層交換也會起到不小的作用。
　　
　　　　路由器和第三層交換機在轉發(fā)不同數(shù)據(jù)包時并不了解哪個包在前哪個包在后。第四層交換技術從頭至尾跟蹤和維持各個會話。因此，第四層交換機是真正的“會話交換機”。
　　
　　　　路由器根據(jù)鏈路或網(wǎng)絡節(jié)點的可用性和性能做出轉發(fā)決定，而第四層交換機則根據(jù)會話和應用層信息做出轉發(fā)決定。由于做到了這點，因而用戶的請求可以根據(jù)不同的規(guī)則被轉發(fā)到“最佳”的服務器上。因此，第四層交換技術是用于傳輸數(shù)據(jù)和實現(xiàn)多臺服務器間負載均衡的理想機制。
　　
　　　　具有第四層功能的交換機能夠起到與服務器相連接的“虛擬IP”(VIP)前端的作用。每臺服務器和支持單一或通用應用的服務器組都配置一個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。然后它利用復雜的算法來確定處理這個請求的最佳服務器。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，并用該服務器真正的IP地址來代替服務器上的VIP地址。
　　
　　　　每臺第四層交換機都保存一個與被選擇的服務器相配的源IP地址以及源TCP 端口相關聯(lián)的連接表。然后第四層交換機向這臺服務器轉發(fā)連接請求。所有后續(xù)包在客戶機與服務器之間重新影射和轉發(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，接入可以與真正的服務器連接在一起來滿足用戶制定的規(guī)則，諸如使每臺服務器上有相等數(shù)量的接入或根據(jù)不同服務器的容量來分配傳輸流。
　　
　　　　目前一般的單功能負載均衡產(chǎn)品可以每秒連接400到800個接入。而同時具有第二層和第四層功能的新一代產(chǎn)品（使用定制的專用集成電路的基于硬件的負載均衡功能）的連接速度則超過了每秒10萬次接入。
　　
　　　　在所有這一切中的關鍵問題是如何確定傳輸流轉發(fā)給哪臺最可用的服務器，目前，在做出負載均衡決定時采用了多種方法。根據(jù)所需負載均衡的顆粒度，第四層交換機可以利用多種方法將應用會話分配到服務器上。這些方法包括求權數(shù)最小接入的簡單加權循環(huán)、測量往返時延和服務器自身的閉合環(huán)路反饋等等。
　　
　　　　閉合環(huán)路反饋是最先進的方法，它利用可用內(nèi)存、I/O中斷和CPU利用率等特定的系統(tǒng)信息，這些信息可以為適配器驅動器和第四層交換機自動獲取。目前的閉合環(huán)路反饋機制要求在每臺服務器上安裝軟件代理。
　　
　　　　第四層交換機在形式和功能上與專用負載均衡器完全不同。傳統(tǒng)基于硬件的負載均衡器是速度為45Mbps的優(yōu)化的兩端口設備。
　　
　　　　而第四層交換機是設計用于高速Intranet應用的，它支持100Mbps或千兆位接口。
　　
　　　　 第四層交換除了負載均衡功能外還支持其它功能，如基于應用類型和用戶ID的傳輸流控制功能。采用多級排隊技術，第四層交換機可以根據(jù)應用來標記傳輸流以及為傳輸流分配優(yōu)先級。此外，第四層交換機直接安放在服務器前端，它了解應用會話內(nèi)容和用戶權限，因而使它成為了防止非授權訪問服務器的理想平臺。
　　
　　　　第四層交換產(chǎn)品
　　
　　　　用戶過去曾一擁而上采用第二層和第三層交換機，因為這類交換機提高了總體網(wǎng)絡吞吐量，使它遠遠超過了老技術的吞吐量，不知道第四層交換機是否也會看到這種現(xiàn)象。
　　
　　　　Berkeley Networks公司的exponeNT e4和Alteon Networks公司的ACEswith 180兩款第四層交換產(chǎn)品具有突出的性能和靈活性，能夠比第二層和第三層交換機做出更智能的轉發(fā)決定。由于把包頭查詢的代碼嵌入到交換機中的專用集成電路（ASIC）中去實現(xiàn)上述功能，幾乎不會造成任何延時。這兩家廠商的交換機都能實現(xiàn)10M、100M和千兆以太網(wǎng)功能，但是Berkeley的交換機是設計用于企業(yè)應用的，而Alteon交換機則是用于擁有大量Web或FTP服務器的機構的。
　　
　　　　Alteon的第四層交換技術能通過對服務器的性能和運行狀況的實時監(jiān)測，根據(jù)不同服務器的健康狀況，將來訪的數(shù)據(jù)流量以經(jīng)濟高效的方式分配到合適的服務器上。同時，Alteon的第四層交換技術具有Web高速緩存重定向功能，能把指定發(fā)往遠程Internet主機的HTTP通信攔截，并將這些通信重新定向到本地的高速緩存服務器上，從而大大加快了訪問Internet的速度，并節(jié)省了大量寶貴的廣域網(wǎng)帶寬。而且這對于用戶和信息提供者來說是完全透明的，不需要用戶和信息提供者做任何的設置。