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交換機的分層

發布時間: 2012/9/16 0:41:08

　　二層交換技術的發展比較成熟，二層交換機屬數據鏈路層設備，可以識別數據包中的MAC地址信息，根據MAC地址進行轉發，并將這些MAC地址與對應的端口記錄在自己內部的一個地址表中。

具體的工作流程如下：

1) 當交換機從某個端口收到一個數據包，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的端口；

3) 如表中有與這目的MAC地址對應的端口，把數據包直接復制到這端口上；

4) 如表中找不到相應的端口則把數據包廣播到所有端口上，當目的機器對源機器回應時，交換機又可以記錄這一目的MAC地址與哪個端口對應，在下次傳送數據時就不再需要對所有端口進行廣播了。不斷的循環這個過程，對于全網的MAC地址信息都可以學習到，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) 由于交換機對多數端口的數據進行同時交換，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線速交換

2) 學習端口連接的機器的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據包轉發的ASIC（Application specific Integrated Circuit，專用集成電路）芯片，因此轉發速度可以做到非常快。由于各個廠家采用ASIC不同，直接影響產品性能。

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

三層交換

下面先來通過一個簡單的網絡來看看三層交換機的工作過程。

使用IP的設備A------------------------三層交換機------------------------使用IP的設備B

比如A要給B發送數據，已知目的IP，那么A就用子網掩碼取得網絡地址，判斷目的IP是否與自己在同一網段。如果在同一網段，但不知道轉發數據所需的MAC地址，A就發送一個ARP請求，B返回其MAC地址，A用此MAC封裝數據包并發送給交換機，交換機起用二層交換模塊，查找MAC地址表，將數據包轉發到相應的端口。

如果目的IP地址顯示不是同一網段的，那么A要實現和B的通訊，在流緩存條目中沒有對應MAC地址條目，就將第一個正常數據包發送向一個缺省網關，這個缺省網關一般在操作系統中已經設好，這個缺省網關的IP對應第三層路由模塊，所以對于不是同一子網的數據，最先在MAC表中放的是缺省網關的MAC地址（由源主機A完成）；然后就由三層模塊接收到此數據包，查詢路由表以確定到達B的路由，將構造一個新的幀頭，其中以缺省網關的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機制，確立主機A與B的MAC地址及轉發端口的對應關系，并記錄進流緩存條目表，以后的A到B的數據（三層交換機要確認是由A到B而不是到C的數據，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發。

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）由硬件結合實現數據的高速轉發。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。

2）簡潔的路由軟件使路由過程簡化。大部分的數據轉發，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發，路由軟件大多都是經過處理的高效優化軟件，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絡。這個就不用多言了，在小型局域網中，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絡用戶提供了很完善的解決方案。

三層交換機的優點在于接口類型豐富，支持的三層功能強大，路由能力強大，適合用于大型的網絡間的路由，它的優勢在于選擇最佳路由，負荷分擔，鏈路備份及和其他網絡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絡內部的數據的快速轉發，加入路由功能也是為這個目的服務的。如果把大型網絡按照部門，地域等等因素劃分成一個個小局域網，這將導致大量的網際互訪，單純的使用二層交換機不能實現網際互訪；如單純的使用路由器，由于接口數量有限和路由轉發速度慢，將限制網絡的速度和網絡規模，采用具有路由功能的快速轉發的三層交換機就成為首選。

一般來說，在內網數據流量大，要求快速轉發響應的網絡中，如全部由三層交換機來做這個工作，會造成三層交換機負擔過重，響應速度受影響，將網間的路由交由路由器去完成，充分發揮不同設備的優點，不失為一種好的組網策略，當然，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MAC地址(第二層網橋)或源/目標IP地址（第三層路由），而且依據TCP/UDP(第四層) 應用端口號。第四層交換功能就象是虛IP，指向物理億恩小路QQ572931335電話15890397512。它傳輸的業務服從的協議多種多樣，有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他協議。這些業務在物理億恩小路QQ572931335電話15890397512基礎上，需要復雜的載量平衡算法。

在IP世界，業務類型由終端TCP或UDP端口地址來決定，在第四層交換中的應用區間則由源端和終端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組設立虛IP地址（VIP），每組億恩小路QQ572931335電話15890397512支持某種應用。在域名億恩小路QQ572931335電話15890397512（DNS）中存儲的每個應用億恩小路QQ572931335電話15890397512地址是VIP，而不是真實的億恩小路QQ572931335電話15890397512地址。當某用戶申請應用時，一個帶有目標億恩小路QQ572931335電話15890397512組的VIP連接請求（例如一個TCP SYN包）發給億恩小路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。傳輸層負責端對端通信，即在網絡源和目標系統之間協調通信。在IP協議棧中這是TCP（一種傳輸協議）和UDP（用戶數據包協議）所在的協議層。

在第四層中，TCP和UDP標題包含端口號（port number），它們可以唯一區分每個數據包包含哪些應用協議（例如HTTP、FTP等）。端點系統利用這種信息來區分包中的數據，尤其是端口號使一個接收端計算機系統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協議棧實現中，這些端口號是相同的。除了"熟知"端口外，標準UNIX服務分配在256到1024端口范圍，定制的應用一般在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絡交換機所利用，這是第四層交換的基礎。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端口相關聯的連接表。然后第四層交換機向這臺億恩小路QQ572931335電話15890397512轉發連接請求。所有后續包在客戶機與億恩小路QQ572931335電話15890397512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，接入可以與真正的億恩小路QQ572931335電話15890397512連接在一起來滿足用戶制定的規則，諸如使每臺億恩小路QQ572931335電話15890397512上有相等數量的接入或根據不同億恩小路QQ572931335電話15890397512的容量來分配傳輸流。

1) 速度

為了在企業網中行之有效，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速度操作，即使在多個千兆以太網連接上亦如此。千兆以太網速度等于以每秒1488000 個數據包的最大速度路由(假定最壞的情形，即所有包為以及網定義的最小尺寸，長64字節)。

2) 億恩小路QQ572931335電話15890397512容量平衡算法

依據所希望的容量平衡間隔尺寸，第四層交換機將應用分配給億恩小路QQ572931335電話15890397512的算法有很多種，有簡單的檢測環路最近的連接、檢測環路時延或檢測億恩小路QQ572931335電話15890397512本身的閉環反饋。在所有的預測中，閉環反饋提供反映億恩小路QQ572931335電話15890397512現有業務量的最精確的檢測。

3) 表容量

應注意的是，進行第四層交換的交換機需要有區分和存貯大量發送表項的能力。交換機在一個企業網的核心時尤其如此。許多第二/ 三層交換機傾向發送表的大小與網絡設備的數量成正比。對第四層交換機，這個數量必須乘以網絡中使用的不同應用協議和會話的數量。因而發送表的大小隨端點設備和應用類型數量的增長而迅速增長。第四層交換機設計者在設計其產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送第四層流量的高性能交換機至關重要。

4) 冗余

第四層交換機內部有支持冗余拓撲結構的功能。在具有雙鏈路的網卡容錯連接時，就可能建立從一個億恩小路QQ572931335電話15890397512到網卡，鏈路和億恩小路QQ572931335電話15890397512 交換器的完全冗余系統。

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