交換機技術簡介及應用分析

2019-11-05 02:10:11

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　　交換機的分類及功能

交換機是構建網絡平臺的“基石”，又稱網絡開關。它也屬于集線器的一種，但是和普通的集線器功能上有較大區別。普通的集線器僅起到數據接收發送的作用，而交換機則可以智能的分析數據包，有選擇的將其發送出去。

舉個例子來說：我們發出了一批專門發給某個人的數據包，假如是在使用普通集線器的網絡環境中，則每個人都能看到這個數據包。而在使用了交換機的網絡環境中，交換機將分析這個數據包是發送給誰的，之后將其進行打包加密，此時只有數據包的接收人才能收到。

從廣義上來看，交換機分為兩種：廣域網交換機和局域網交換機。廣域網交換機主要應用于電信領域，提供通信用的基礎平臺。而局域網交換機則應用于局域網絡，用于連接終端設備，如PC機及網絡打印機等。從傳輸介質和傳輸速度上可分為以太網交換機、快速以太網交換機、千兆以太網交換機、FDDI交換機、ATM交換機和令牌環交換機等。從規模應用上又可分為企業級交換機、部門級交換機和工作組交換機等。各廠商劃分的尺度并不是完全一致的，一般來講，企業級交換機都是機架式，部門級交換機可以是機架式（插槽數較少），也可以是固定配置式，而工作組級交換機為固定配置式（功能較為簡單）。另一方面，從應用的規模來看，作為骨干交換機時，支持500個信息點以上大型企業應用的交換機為企業級交換機，支持300個信息點以下中型企業的交換機為部門級交換機，而支持100個信息點以內的交換機為工作組級交換機。以下若不非凡說明，所提到的交換機指的都是局域網交換機。

眾所周知，交換機工作在OSI參考模型的第二層——數據鏈路層上，主要功能包括物理編址、網絡拓撲結構、錯誤校驗、幀序列以及流控。物理編址（相對應的是網絡編址）定義了設備在數據鏈路層的編址方式；網絡拓撲結構包括數據鏈路層的說明，定義了設備的物理連接方式，如星型拓撲結構或總線拓撲結構等；錯誤校驗向發生傳輸錯誤的上層協議告警；數據幀序列重新整理并傳輸除序列以外的幀；流控可以延緩數據的傳輸能力，以使接收設備不會因為在某一時刻接收到了超過其處理能力的信息流而崩潰。目前交換機還具備了一些新的功能，如對VLAN的支持、對鏈路匯聚的支持，甚至有的具有防火墻的功能，這就是第三層交換機所具有的功能。所謂的第三層交換機就是在基于協議的VLAN劃分時，增加了路由功能。

交換機技術現狀及趨勢分析

第三層交換是采用 Intranet的要害，它將第二層交換機和第三層路由器兩者的優勢結合成一個靈活的解決方案，可在各個層次提供線速性能。這種集成化的結構還引進了策略治理屬性，它不僅使第二層與第三層相互關聯起來，而且還提供流量優先化處理、安全以及多種其它的靈活功能，如鏈路匯聚、VLAN和 Intranet的動態部署。第三層交換機分為接口層、交換層和路由層三部分。

接口層包含了所有重要的局域網接口：10/100M以太網、千兆以太網、FDDI和 ATM。交換層集成了多種局域網接口并輔之以策略治理，同時還提供鏈路匯聚、VLAN和Tagging機制。路由層提供主要的 LAN路由協議：ip、IPX和 AppleTalk，并通過策略治理，提供傳統路由或直通的第三層轉發技術。策略治理和行政治理使網絡治理員能根據企業的特定需求調整網絡。

相對第三層，第二層被采用的程度決定了所謂的網絡控制分類，一個純第二層的解決方案，是最便宜的方案，但它在劃分子網和廣播限制等方面提供的控制也最少。而第三層交換機能為分類中的所有層次提供動態的集成支持。傳統的通用路由器與外部的交換機一起使用也能達到此目的，但是與這種解決方案相比，第三層交換機需要更少的配置，更小的空間，更少的布線，價格更便宜，并能提供更高更可靠的性能。

第三層交換機基本上具有了傳統交換機的所有功能，以第三層交換機為準，交換機具體技術實現包括：

1．可編程ASIC

ASIC是專用于優化第二層處理的專用集成電路，是當今聯網解決方案的核心，它將多項功能集成在一個芯片上，具有設計簡單、高可靠性、低電源消耗、更高的性能和成本更低等優點。

2．分布式流水線

有了分布式流水線，多個分布式的轉發引擎能快速地獨立傳送數據包。在單個流水線中，多個 ASIC芯片同時處理多個幀。這種并發性和流水線可將轉發性能提高到一個新高度：在所有的端口上實現點播（Unicast）、廣播（Broadcast）和組播（Multicast）的線速性能。

3．動態可擴展的內存

對于先進的局域網交換產品，真實的性能是建立在智能化的存儲器系統之上的。第三層交換機將存儲器的一部分直接與轉發引擎相關聯。增加更多的接口模塊，包括各自的轉發引擎，存儲器也相應地擴展了。并通過流水線式的ASIC處理，動態地構造緩存，增加了內存的使用率，系統也能夠處理大的突發數據流而不丟包。

4．先進的隊列機制

即使網絡設備有突出性能，也會受到其所聯接網段上的擁擠帶來的損害。
傳統上，通過一個端口的流量必須在只有一個輸出隊列的緩存中保存，不論它的優先級是多大，也必須按照先進先出的方式被處理。當隊列滿的時候，任何超出的部分都將被丟棄。此外，當隊列變長時，延時也增加了。這個特點使得在傳統的以太網上運行實時的事務處理及多媒體應用變得非常困難。基于這種原因，許多網絡設備廠商開發了新技術，可在一個以太網段上提供不同的服務級別，同時提供對延時和抖動的控制。這樣就引進了每端口有不同級別隊列的機制。

這種隊列能更好地區分不同的流量級別，以便將網絡更接近地與高性能應用匹配。像多媒體和實時數據流這樣的數據包被放進高優先級隊列。使用加權公平排隊算法，可以更頻繁地處理高優先級隊列，但又不會置低優先級隊列于不顧。傳統應用的用戶不會察覺到響應時間和吞吐量的變化，而那些使用緊急應用的用戶則可得到及時的響應。

5．自動流量分類

有些數據流比其它數據流更重要。使用自動流量分類，第三層交換機可以指示數據包流水線區分用戶指定的數據流，從而實現低延時、高優先級傳輸及避免擁塞。

6．智能許可權控制

第三層交換機提供多種安全機制，并使用流量分類器，治理員可以限制任何被識別的數據流，包括限制對服務器的訪問及排除無用的協議廣播。這一點是網絡技術領域里的突破性進展，即提供線速防火墻。

7．動態流量監督

流量的分類、優先化處理以及資源保留使企業網和Intranet治理員能將精力集中在更重要的事情上,即傳統的和下一代的應用。但有一個事情還需要去做，那就是流量監督。流量監督不太算是一個策略機制，因為它實際上是一個保護機制。它監視流量和網絡的擁塞情況，并對這些情況作出動態的響應，以保證所有的網絡元素（終端用戶和網絡本身）都置于控制之下并能最佳運行。

為了在擁塞的局域網上進行優先化處理，許多第三層交換機使用了IEEE 802.1p的服務級別。為了避免擁塞，高性能第三層交換機甚至采用了更先進的技術來動態地監視輸出隊列的大小，以便發現一個端口是否將變得擁擠。通過控制隊列的大小和擁塞，網絡可以維持對延時敏感的數據流所需的極限。

8．可擴展的RMON實現

對RMON的支持已經成為進行主動和廣泛的網絡治理一個不可缺少的組成部分。RFC 1757定義的MIB含有物理層和MAC層的統計數據，RFC 2021定義的RMON 2將統計數據的采集擴展至網絡層以上。

9．向量處理技術

向量處理技術用來加速數據幀的處理速度。第三層交換機的體系結構不僅在第二層之上增加了第三層的控制能力，而且還增加了多方位的多種向量控制，從而極大加強了向量處理功能。第三層交換機的向量處理有眾多的優點：

*快速的幀處理速度。由于有了基于 ASIC的數據包分類、轉發和解釋技術，由軟件進行幀解碼的工作被降至最低的程度，與純軟件的設計相比，這種方法可以獲得高得多的性能。

*具有高度適應性的功能控制。向量處理與可編程的ASIC相配合工作，從而能夠以最小的開銷支持未來的新標準。例如，對 IPv6的支持已經是向量邏輯的一部分。

*增強的治理功能。多方位的向量處理還包括內置的網絡治理代理及RMON等。

10．多RISC處理機

在高可靠性的交換機中，一個專門的高性能 RISC處理機是絕對需要的。事實上，幀處理機(FP)與向量邏輯的結合所提供的性能是無與倫比的。

一個獨立的應用處理機（AP）可輔助FP。象FP一樣，AP也是一個高性能的 RISC處理機。AP控制除幀轉發以外的所有操作：高層的橋接和路由，如生成樹和 OSPF協議，以及SNMP操作和 HTTP操作等。使用AP和FP的好處是顯而易見的，因為治理和計算方面的工作不影響數據轉發，從而實現高吞吐量和低延時。

通過以上的技術分析，我們不難看出，高性能、安全性、易用性、可治理性、可堆疊性、服務質量及容錯性是當前交換機的技術特點。隨著視頻會議、實時組播、網絡電話、程控交換及自動呼叫轉發等表明多媒體時代到來的新一代應用的出現，交換技術該向何處發展呢？有一點可以肯定的是，高帶寬、安全性、服務質量及智能化應該是新一代交換機所應追求的技術方向。不過，值得一提的是，現在已經有廠家正朝著交換機分布式網絡計算方向邁進。

Web交換機

Internet的發展瞬息萬變，為應付不斷增加的負載和新的應用需求，Web交換機應運而生，為數據中心設備（包括Internet服務器、防火墻、高速緩沖服務器和網關等）提供治理、路由和負載均衡傳輸。不同于傳統網絡設備的是，傳統網絡設備注重高速完成單個幀和數據包的交換，而Web交換側重于跟蹤和處理Web會話。除了由傳統第二/三層交換機所提供的連接和封包路由外，Web交換機還可提供傳統局域網交換機和路由器所缺乏的完備策略，將局部和全球服務器負載均衡、存取控制、服務質量保證（QoS）以及帶寬治理等治理能力結合起來。目前，Web交換機已由純粹的傳輸層（第四層）設備發展到具有基于內容（第七層）的交換的智能。利用內容或用戶分類進行Web請求重定向是Web服務器的一項功能。不過，Internet傳輸和商業的發展遠遠超過計算機處理能力的提高。把內容分類卸到Web交換機可平衡整個網站的基礎設施，下表以Alteon公司的產品為例介紹 Web交換機產品。

交換機應用分析

1.大型企業（500節點以上）：大型企業具有跨地域、跨行業、多層次和全方位等特點，業務內容覆蓋面廣，網絡數據傳輸量大，數據交換能力強，首先要滿足企業內部通信的需要，建立網絡平臺。
并且要求網絡系統不宕機，穩定可靠，不間斷運行。要在注重考慮高性能、可治理性、高可靠性、適用性和性能價格比的基礎上選擇產品。

2.郵電行業：電信系統由于其經營特點和為公眾服務的目的，決定了電信系統機構在地理位置上分布范圍廣，提供業務多而且不斷更新。網絡設備要求更是嚴格，一般網絡設備選型為廣域網產品。

3.鐵路系統：鐵路系統一般對廣域網通信要求較高，各個站點的節點數不是非凡多，所以各站點在建設局域網進行設備選型時可考慮選擇部門級交換機或工作組級交換機。

4.銀行業：該行業支行分布范圍廣，業務活動頻繁，業務品種變化多，業務量增長快，因此對穩定性和響應時間要求比較高。由于該行業對數據敏感性非凡高，因此要求有鏈路冗余，傳輸鏈路應具有備份功能，一旦主線路發生故障，備份線路可立即替換。所以要求網絡設備處理能力強、容錯性能好，并考慮好擴展性、可用性及可靠性。

5.證券業：該行業具有迅速、及時響應和穩定、安全、可靠、不間斷運行的特點。設備選型要求背板速度快、冗余性能好、可治理及可堆疊，并充分考慮好設備的可開放性、可擴展性、可用性和可靠性。

6.教育行業：該行業對數據的要害性要求不是很高，涉及到多媒體教學、視頻點播等主要應用，設備選型時要考慮到高帶寬、高可用性及高擴展性。

7.中小型企業：對于企業的網絡節點數少于500點的中小型企業，在創建企業Intranet時，由于企業內部數據流量不大，實時響應性不高，同時考慮到企業的可持續性發展，應注重網絡設備的通用性、可靠性、可治理性、可擴充性及性能價格比。

總之，網絡已經改變，用戶卻希望網絡總是可以工作并且總是透明的。適應這種需求需要有彈性、速度和安全的控制。Internet 及Intranet已經使企業將注重力集中到最重要的東西——信息上，而不是基礎結構上。通過策略控制網絡是新的網絡技術范例。控制方式使網絡變得透明并保持配置 Intranet的靈活性。通過交換技術，能滿足用戶今天及未來的商業需求。而靈活的組網、線速性能以及完全的擴展性能使設備配置長期有效。

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