什么是多層交換技術

2019-11-05 01:45:48

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供稿：網友

　　多層交換
　　
　　　　最初聽到第三層交換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，要害是熟悉到這些技術在提高網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、高速路由技術等。這是一種利用第三層協議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網都已變成實施TCP/IP協議的Web技術的內聯網，用戶的數據往往越過本地的網絡在網際間傳送，因而，路由器經常不堪重負。
　　
　　　　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，假如是建交換網，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，就沒有必要經過路由器轉發數據包。第三層交換使用第三層路由協議確定傳送路徑，此路徑可以只用一次，也可以存儲起來，供以后使用。之后數據包通過一條虛電路繞過路由器快速發送。
　　
　　　　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，即識別數據包流，盡量在第二層進行交換，以繞過路由器，改善網絡性能。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部的局域網和校園網。
　　
　　　　Cisco標簽交換：給數據包貼上標簽，此標簽在交換節點讀出，判定包傳送路徑。該技術適用于大型網絡和Internet。
　　
　　　　3Com Fast IP：側重數據策略治理、優先原則和服務質量。Fast IP協議保證實時音頻或視頻數據流能得到所需的帶寬。Fast IP支持其它協議(如IPX)，可以運行在除ATM外的其它交換環境中?？蛻魴C需要有設置優先等級的軟件。
　　
　　　　IBM ARIS(Aggregate Route－based IP Switching)：與Cisco的標簽交換技術相似，包上附上標記，借以穿越交換網。ARIS一般用于ATM網，也可擴展到其它交換技術。邊界設備是進入ATM交換環境的入口，含有第三層路由映射到第二層虛電路的路由表。答應ATM網同一端兩臺以上的計算機通過一條虛電路發送數據，從而減少網絡流量。
　　
　　　　MPOA(MultiPRotocol Over ATM)：ATM論壇提出的一種規范。經源客戶機請求，路由服務器執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，即可越過子網邊界，不用再做路由選擇。
　　
　　　　目前Cisco、3Com、北電網絡、朗訊、Cabletron、Foundry和Extreme等公司都有比較成熟的第三層交換產品和模塊推出。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存的處理機上，隨著治理支持和協議功能的改善，軟件的功能也不斷增加。當用戶的日常業務更加依靠于網絡，網絡上的流量增多時，網絡設備便成了瓶頸。
　　
　　　　雖然處理機和存儲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絡層：用交換機取代路由器，以減低處理數據包的開銷并顯著地提高事務處理速度。3Com引進了專用于優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，它是一個創新的集成化的網間互聯體系結構，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網設備的負載進行細致的均衡，以保證客戶機與服務器之間數據平滑地流動。第二層與第三層交換產品在解決局域網和互聯網絡的帶寬及容量問題上發揮了很好的作用，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據流會話，這些信息包括TCP／User 數據報協議(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會話傳輸流的智能決定。對于使用多種不同系統來支持一種應用的大型企業數據中心、Internet服務提供商或內容提供商來說，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不同數據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”。
　　
　　　　路由器根據鏈路或網絡節點的可用性和性能做出轉發決定，而第四層交換機則根據會話和應用層信息做出轉發決定。由于做到了這點，因而用戶的請求可以根據不同的規則被轉發到“最佳”的服務器上。因此，第四層交換技術是用于傳輸數據和實現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地址被發送出去并在域名系統上注冊。
　　
　　　　在發出一個服務請求時，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 端口相關聯的連接表。然后第四層交換機向這臺服務器轉發連接請求。所有后續包在客戶機與服務器之間重新影射和轉發，直到交換機發現會話為止。
　　
　　　　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則，諸如使每臺服務器上有相等數量的接入或根據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。
　　
　　　　在所有這一切中的要害問題是如何確定傳輸流轉發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最小接入的簡單加權循環、測量往返時延和服務器自身的閉合環路反饋等等。
　　
　　　　閉合環路反饋是最先進的方法，它利用可用內存、I/O中斷和CPU利用率等特定的系統信息，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。傳統基于硬件的負載均衡器是速度為45Mbps的優化的兩端口設備。
　　
　　　　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應用來標記傳輸流以及為傳輸流分配優先級。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象。
　　
　　　　Berkeley Networks公司的eXPoneNT e4和Alteon Networks公司的ACEswith 180兩款第四層交換產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10M、100M和千兆以太網功能，但是Berkeley的交換機是設計用于企業應用的，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測，根據不同服務器的健康狀況，將來訪的數據流量以經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，并節省了大量寶貴的廣域網帶寬。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。
　　
　　　　Cabletron 公司的SmartSwitch Router和Torrent Networking Technologies公司推出的IP9000 Gigabit Router 也是具有第四層交換功能的產品。其中SmartSwitch Router可以實現骨干網從常規第三層交換向全面的第三、第四層交換功能的升級轉換，其獨特的廣域網集成能力以及基于第四層交換的訪問控制能力對于網絡數據傳輸安全、有序地進行發揮了要害作用。此外，Cabletron SmartSwitch Router基于第四層交換的QoS功能為特定業務應用數據交換提供了不同級別的優先處理能力。
　　
　　　　第四層交換方案
　　
　　　　在本方案中，通過采用Alteon的第四層交換機來實現Web Server的負載均衡。
　　
　　　　HTTP是Internet中最重要的一種應用，目前Internet上廣泛使用的Web Server，采用的是多進程技術，占用系統資源多，效率較低，一般一臺Web Server只能承受幾百個并發用戶。采用第四層交換機可以很好地解決Web Server的擴展性問題，提高Web Server系統的可靠性，并在Web Server之間合理分配負載。
　　
　　　　Alteon的第四層交換機監測Web Server的可用性，包括物理連接、Web Server主機、HTTP Server本身的健康狀況，當發現某臺Web Server不能提供Web 服務時，交換機自動把Web 請求分配到好的兩臺Web Server。Alteon第四層交換機還可以通過設置每臺Web Server能承受的最大會話數、設置溢出Web Server、備份Web Server等方法來進一步保證Web系統的可靠性。
　　
　　　　Web Server在同一局域網內實現負載均衡時采用多種負載均衡算法，包括Least Connection、Round Robin、MinMiss和Hash算法，以及對算法的加權等等。
　　
　　　　當Web Server不在同一局域網內時，利用Alteon交換機的Global Load Balance技術來實現負載分擔的合理性問題。
　　
　　　　第七層交換
　　
　　　　目前，非凡是在高可用性和負載均衡方面，有許多先進的工具可以利用由應用返回給最終用戶的第七層信息。這類工具使用戶可以輕易地確認站點內容的響應性和正確性，或從客戶的角度來試測你的站點，看看是否存在正確的應用和內容。
　　
　　　　用戶不僅能驗證是否在發送正確的內容，而且還能打開網絡上傳送的數據包(不用考慮IP地址或端口)，并根據包中的信息做出負載均衡決定。
　　
　　　　從本質上講，這種智能性遷移超越了第四層的功能。以端口80為例，除了一般類型的Web傳輸流之外，還有許多類型的傳輸流流過此端口。最多具有第四層功能的設備無法識別流過此端口的不同類型的傳輸流，因此它們對所有傳輸流同等對待。
　　
　　　　可是傳輸流并不都是相同的。對于負載均衡產品來說，能夠知道流過此端口的數據是流媒體還是對商品目錄中一件商品的簡單請求非常有用，也許商家想賦予需要此目錄項的客戶更高的優先級。不少具有第四層功能的設備以同樣的方式對待這兩種類型的數據，因而可能將流媒體數據發送到無法做出響應的服務器，導致錯誤的信息和時延。
　　
　　　　而第七層的智能性能夠進行進一步地控制，即對所有傳輸流和內容的控制。由于可以自由地完全打開傳輸流的應用／表示層，仔細分析其中的內容，因此可以根據應用的類型而非僅僅根據IP和端口號做出更智能的負載均衡決定。
　　
　　　　這就可以不僅僅基于URL做出全面的負載均衡決策，而且還能根據實際的應用類型做出決策，無論這些應用正使用什么端口號。這將使用戶可以識別視頻會議流，并根據這一信息做出相應的負載均衡決策，盡管該應用可能正在使用動態分配地址。
　　
　　　　這類具有第七層認知的產品的部分功能是保證不同類型的傳輸流可以被賦予不同的優先級。具有第七層認知的設備不是依靠路由設備或應用來識別差別服務(Diff－Serv)、通用開放策略服務或其它服務質量協議的傳輸流，它可以對傳輸流進行過濾并分配優先級。這就使你不必依靠應用或網絡設備來達到這些目的。
　　
　　　　目前這類第七層功能的標準還沒有。具有第七層認知的功能是具有很大的互補性的:它與提供像Diff－Serv這類服務的網絡可以和諧地共存。它對傳輸流進行分析，然后判定，如對于IP語音這個傳輸流就需要設置服務比特位，而其它類型的傳輸流只需要設置較低優先級類型的服務比特位?！?
　　
　　　　當然，最重要的是這類設備所能提供的最終好處。過去，我們總需要在智能性與速度之間進行權衡。在采用第七層認知技術的情況下，可以以線速度做出更智能性的傳輸流決策。用戶將自由地根據得到的信息就各類傳輸流和其目的地做出決策，從而優化Web訪問，為最終用戶提供更好的服務。
　　
　　　　綜上所述，第七層交換可以實現有效的數據流優化和智能負載均衡。
　　
　　　　第七層交換產品
　　
　　　　具有應用認知功能的交換機產品具有更多的智能性，可以分析輸入包的內容，將請求發送到內容專用服務器或應用專用服務器。利用邏輯群集部署，最終用戶可以建立用于內容和應用的服務器，網絡治理人員利用這類產品來實施各種數據流優先級和帶寬控制。只具有第四層交換功能將是不夠的，從根本上講，真正提供對數據包內容更深層次了解的能力非常要害。
　　
　　　　ArrowPoint曾在1998年4月公布推出其具有URL認知的內容Web交換機CS－100 和 CS－800。HydraWeb 也在1999年推出了獨立負載平衡設備
　　
　　　　Hydra2500 的計劃，Hydra2500同時具有URL和應用認知的智能性。
　　
　　　　Cisco通過將LocalDirector服務器連接治理軟件的已有特性與新特性相集成，把同樣類型的智能性加入到其交換軟件中，這些特性將會體現在其Catalyst產品線中。Cisco 推出的治理和故障處理工具Content Verification System（內容驗證系統）作為LocalDirector的附加件，主要對服務器和應用的可用性進行查詢。對于最終用戶來說，集成后的產品將是一臺具有內容認知功能的交換設備，這意味著需要治理的軟硬件更少，在響應對內容和應用的請求時會做出更加自動化的決策。
　　
　　　　3Com公司提交的完全集成的產品與Cisco 推出的產品類似。3Com計劃得到基于內容交換技術的授權，將這種技術添加到F5 Networks公司為其生產的CoreBuilder 9000交換機中。1999年11月15日，3Com公司公布了一項與F5達成的定位于電子商務和Web主機客戶的銷售協議。
　　
　　　　業界認為，對更智能交換機的最大需求將來自開展電子商務和運行其它Web站點的公司。新型集成交換機的另一個好處是它們可以免除對多個設備執行不同任務的需要。

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