三層交換技術的發展及應用趨勢

2019-11-05 01:33:30

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　　三層交換是在1997年前后才開始出現的一種交換技術，最初是為了解決廣播域問題。經過多年發展，三層交換技術已經成為構建多業務融合網絡的主要力量。當前，三層交換機的應用環境正面臨哪些變化？產生了哪些新技術？其發展趨勢怎么樣？未來的市場需求怎么樣？請看專家解讀—
　　
　　產生及發展
　　三層交換（也稱多層交換技術，或ip交換技術）是在1997年前后才開始出現的一種交換技術，它是相對于傳統交換概念而提出的。眾所周知，傳統的交換技術是在OSI網絡參考模型中的第二層——數據鏈路層進行操作的，而三層交換技術是在網絡模型中的第三層實現了數據包的高速轉發。三層交換技術的出現主要是為了解決規模較大的網絡中的廣播域問題，通過VLAN把一個大的交換網絡劃分為多個較小的廣播域，各個VLAN之間再采用三層交換技術互通。最初的三層交換機往往是把二層轉發和三層交換做在兩個單元中，還沒有用一個芯片完成完整的三層交換功能，這樣的交換機往往也是機架式的，比如3Com的Corebuider9000、Corebuider3500，思科的5505、6509，朗訊的Cajun P550等，一般都有一個專門處理三層數據的單元或者模塊。
　　
　　在傳統的交換機中，三層交換引擎往往是整個交換機的瓶頸，無法實現大容量的線速的三層交換，而且模塊和模塊之間會采用總線式結構。千兆以太網標準出現之后，有些機架式交換機內部也采用了千兆端口實現模塊和模塊之間的互通。1998年Intel推出了550T、550S可堆疊的盒式三層交換機，背板容量達2.1Gbps，可以實現8個百兆端口的線速交換，這是當時市場上最早出現的盒式交換機之一，性價比也比較高。但無論是當時的盒式三層或者是機架式三層交換機，最主要的功能僅僅是為了隔離廣播域，路由協議的支持都比較簡單，僅僅支持RIP、OSPF等小型網絡的動態路由協議，VLAN之間的路由默認也是互通的，沒有什么控制功能。
　　
　　隨著網絡規模的變化，以太網技術從一個辦公室網絡走向一個辦公樓的局域網乃至整個園區網，而在1998年之前，園區網技術往往會采用最早的FDDI技術和ATM技術。這種應用變化對三層交換機提出了更高的性能要求，對數據轉發的控制能力和廣域網之間的路由互聯能力的要求也更高，同時可靠性、可用性要求也大大增強，二、三層交換功能也發展到由一個單獨的芯片完成，交換容量也從最初的5Gbps發展到現在的幾百Gbps的水平，由此出現了一些要害技術，如CrossBar技術、基于硬件線速的訪問控制技術、端到端QoS技術、更豐富的協議支持等。詳情見配文。
　　
　　應用環境的變化
　　即使在三層交換技術相當成熟的現在，三層交換機也從來沒有停止過它的發展，主要是因為三層交換機的應用環境正在面臨巨大的變化。
　　
　　隨著時間的推移，以太網的傳輸速度從10Mbps逐步擴展到100Mbps、1Gbps、10Gbps，以太網的價格也跟隨摩爾定律以及規模經濟而迅速下降。如今，以太網已經成為局域網（LAN）中的主導網絡技術，而且隨著萬兆以太網的出現，以太網正在向城域網（MAN）大步邁進，因此也拉動了三層交換機的更深層次的變革。這種拉動體現在以下三個方面：
　　
　　1. 企業信息基礎設施的建設，給以太網應用帶來了巨大的空間。由于以太網技術最初就是為局域聯網而設計的，因此，其在支持企業局域網絡連接上具有天然的優勢，其構造的簡易性、擴展的靈活性以及速度的不斷提升，使之成為構建企業網絡的首選技術之一。今天，我國信息化建設的大力推進，給以太網的發展帶來了巨大的市場機遇。
　　
　　2. 城域網絡建設成為以太網技術的新天地。當前，城域網絡建設的架構基本可以分為MSTP＋IP和以太網模式。而以太網技術由于更適合于已有的企業網絡連接，同時具備網絡建設靈活快速等優勢，在城域網建設中發揮了重要作用。基于以太網的城域網絡，更適合數據的傳輸以及寬帶化的增長需求。同時，以太網絡結構適合對大客戶以及業務密集區域的覆蓋，如企業網絡、校園網絡等，因此具有更高的收益預期。
　　
　　3. 寬帶的融合業務趨勢，為以太網走向廣域提供了空間。數據業務和傳統電信業務的融合已是大勢所趨，新的運營商期待一種能夠提供融合業務，同時又具有較好經濟性的網絡?；贗P的寬帶以太網交換技術，將使這一目標逐步成為現實。面向光的10G以太網技術成為市場的熱點，這使以太網技術走向廣域，并最終實現從局域到廣域的統一寬帶網絡體系，實現對綜合業務的支持，形成以太網一統天下的局面。
　　
　　技術發展趨勢
　　三層交換機所面臨的應用環境的急劇變化，使得三層交換機有了更加深層次的技術變革。這種變革主要體現在以下三個方面：
　　
　　1．從體系架構上靈活支持多種技術的融合
　　
　　今天的核心交換機的交換容量已經達到了幾百Gbps的水平，可以滿足十幾個萬兆端口和幾百個千兆端口的線速轉發，所以性能已經不再是瓶頸，如何很好地在網絡融合的趨勢下承載業務是各個網絡設備供給商在產品設計初期就要深入思考的問題?，F在的網絡是路由和交換技術的融合，廣域和局域的融合，安全、IDS等技術和交換機技術的融合。主要體現在核心交換機上直接可以擴展防火墻模塊、IDS模塊、2.5G/155M POS、ATM、2M等路由器的接口模塊。這種融合給在網絡中部署各種策略提供了更好的靈活性。比如單獨的防火墻只能部署在網絡的邊緣，在網絡出口位置保護內部網絡的安全，但70%以上的安全問題往往來源于內部，它無法對內部網絡進行有效控制。而防火墻作為一個模塊插到交換機內部之后，可以靈活地部署在任意兩個VLAN之間，極大地提高了部署的靈活性。通過擴展路由器接口，可以更加節省用戶的投資，滿足更加靈活的組網需求。
　　
　　實現這樣的融合，在交換機的結構上需要具備以下幾個條件：
　　
　　● 體系上采用全分布式CrossBar架構
　　
　　也就是說除了交換網板上有一個核心的CrossBar架構之外，每一個和交換網板連接的模塊上還采用一片CrossBar芯片，實現和核心交換網板之間的標準化連接。采用這種結構的接口板模塊就可以采用非常靈活的結構，不管模塊上采用了什么樣的芯片結構，只要和交換網板之間采用了一片CrossBar芯片，就可以實現互相之間完美互通。這種結構的好處有兩個方面：一方面接口板上的CrossBar芯片直接連接到兩個冗余的交換網板上，冗余切換是直接通過接口板上的CrossBar芯片完成，不需要其他部分的參與，因此可以實現極快的恢復速度從而實現極高的可靠性；另一方面CossBar把接口板上的任何類型的數據標準化了，從而使交換機中引入其他芯片技術成為可能。而采用這種結構的劣勢是成本相對較高。
　　
　　● 軟件體系和硬件體系都具備全分布式轉發結構
　　
　　在這種體系結構下，交換機在運行中每個接口模塊的軟件相對獨立，主控板軟件主要起到表項治理、同步等功能，各個模塊內部的二、三、四層轉發不需要交換網板和主控板的參與，因此就使得模塊上運行特定功能的軟件成為可能。
　　
　　● 在交換機中引入NP（網絡處理器）技術
　　
　　NP芯片是介于CPU和ASIC之間的一種芯片，也是在CPU和ASIC之間取得的一種平衡技術，同時具備了CPU的靈活性和ASIC的高性能。NP技術是目前在多業務融合環境下路由器采用的一種主要的芯片技術，解決了在多業務環境下的各種協議支持和轉發性能問題?，F在NP已經在路由器、防火墻上廣泛使用。在前面所提到的兩個前提下，交換機引入NP技術成為可能，通過擴展含有NP芯片的模塊，實現了對擴展廣域網接口、防火墻功能模塊等特定功能的支持。
　　
　　如今對于融合的重視已經明確地體現在各個主流供給商身上，Juniper斥巨資收購安全廠商NetScreen、思科收購IDS廠商Riverhead等事件都是這種融合趨勢下的產物。
　　
　　2．更強的多業務承載能力
　　
　　更強的多業務承載能力是城域網的基礎。在局域網和廣域網融合的趨勢下，城域網正在規模興起，在電子政務網、教育科研網、寬帶城域網領域，VPN等業務正在從骨干向匯聚轉移。隨著以太網交換機芯片技術的發展和匯聚層設備性能的提高，尤其是融合特性核心交換機的出現，原先主要由骨干設備提供的MPLS VPN業務逐漸由匯聚層以太網交換機來提供。最初采用骨干設備提供該項業務的主要原因是因為匯聚層設備的性能不足，而現在匯聚層以太網交換機的性能已經超過了原來的骨干設備；從業務提供方面來看，匯聚層設備較骨干設備多，更接近用戶，提供業務更方便；從網絡的可靠性來看，骨干設備由于其非凡位置，應向著功能專一化和簡單化以及高性能的方向發展，而匯聚層設備則要同時兼顧性能和多業務支持能力。這種趨勢要求核心交換機支持完善的路由、交換特性，最終的設備形態就是一個集路由器、交換機一體化的設備，這樣才能真正滿足這個市場的需求。
　　
　　3．更強更豐富的網絡監控和治理能力
　　
　　更強更豐富的網絡監控和治理能力是有效轉發的基礎?；赟NMP的網絡治理已經成為業界的共識，通過RMON功能可以實現對設備的運行狀態、轉發性能進行遠程分析和監控。但治理這些設備在現有的網絡環境下是遠遠不夠的，還需要對交換機上運行的業務進行細致的治理，比如MPLS VPN業務的網絡治理。還需要對交換機上所接入的用戶進行治理，比如針對具體的端口或者IP地址的流量進行統計和治理。進行全面的流量分析的另一個要求是將流量鏡像到探針或協議分析器中的能力，通過智能鏡像功能可以將所有流量從某個端口或VLAN發送到用戶指定的端口中以進行深入分析，然后經過治理中心判定之后，再確定對業務中的某個端口進行相應的操作，實現交換機和IDS、流量分析儀等其他設備之間的聯動。通過對數據流提供強有力的治理手段和強大的分析監控能力，保證交換機上所有業務的有效轉發。
　　
　　市場情況分析
　　以下是計世資訊對2003年交換機市場的統計。
　　
　　說明：高端交換機的背板帶寬為30Gbps以上的機架式交換機，這類交換機一般都是三層或三層以上的交換機；中端交換機的背板帶寬介于8Gbps與30Gbps之間的盒式交換機，這類交換機有部分是三層交換機；低端交換機的背板帶寬一般小于8Gbps接入層二層盒式交換機。高端交換機一般用于電信市場及部分信息化程度較高的非電信市場，中低端交換機則廣泛應用于電信及非電信市場。
　　
　　從以上的數據中可以看出，三層交換機在整體交換機市場中的銷售占大半份額，整體銷售金額方面略有上升；從端口數量上來說，三層及三層以上交換機的整體份額呈快速下降趨勢，主要是源于近年來SOHO市場的興起，但整體市場規模依然在上升。
　　
　　在價格方面，三層交換機產品的價格一般至少都在1萬元以上。從圖3中可以看出，三層交換機產品的價格在不斷下降。
　　
　　一方面，隨著交換機價格的下降，產品的性價比不斷提高；另一方面，以上數據也反映出了用戶對交換機價格變化的預期。
　　
　　后記
　　從最初的僅僅為了解決廣播域問題而設計的設備，到成為構建多業務融合網絡的主要力量，三層交換技術及三層交換設備取得了長足的發展。這些技術的發展必將在更深層次上推動整個社會的信息化變革，在整個網絡中獲得越來越重要的地位。

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