交換機(jī)技術(shù)簡介及應(yīng)用分析

2019-11-05 02:10:11

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供稿：網(wǎng)友

　　交換機(jī)的分類及功能

交換機(jī)是構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)平臺的“基石”，又稱網(wǎng)絡(luò)開關(guān)。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(qū)別。普通的集線器僅起到數(shù)據(jù)接收發(fā)送的作用，而交換機(jī)則可以智能的分析數(shù)據(jù)包，有選擇的將其發(fā)送出去。

舉個(gè)例子來說：我們發(fā)出了一批專門發(fā)給某個(gè)人的數(shù)據(jù)包，假如是在使用普通集線器的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，則每個(gè)人都能看到這個(gè)數(shù)據(jù)包。而在使用了交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，交換機(jī)將分析這個(gè)數(shù)據(jù)包是發(fā)送給誰的，之后將其進(jìn)行打包加密，此時(shí)只有數(shù)據(jù)包的接收人才能收到。

從廣義上來看，交換機(jī)分為兩種：廣域網(wǎng)交換機(jī)和局域網(wǎng)交換機(jī)。廣域網(wǎng)交換機(jī)主要應(yīng)用于電信領(lǐng)域，提供通信用的基礎(chǔ)平臺。而局域網(wǎng)交換機(jī)則應(yīng)用于局域網(wǎng)絡(luò)，用于連接終端設(shè)備，如PC機(jī)及網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)等。從傳輸介質(zhì)和傳輸速度上可分為以太網(wǎng)交換機(jī)、快速以太網(wǎng)交換機(jī)、千兆以太網(wǎng)交換機(jī)、FDDI交換機(jī)、ATM交換機(jī)和令牌環(huán)交換機(jī)等。從規(guī)模應(yīng)用上又可分為企業(yè)級交換機(jī)、部門級交換機(jī)和工作組交換機(jī)等。各廠商劃分的尺度并不是完全一致的，一般來講，企業(yè)級交換機(jī)都是機(jī)架式，部門級交換機(jī)可以是機(jī)架式（插槽數(shù)較少），也可以是固定配置式，而工作組級交換機(jī)為固定配置式（功能較為簡單）。另一方面，從應(yīng)用的規(guī)模來看，作為骨干交換機(jī)時(shí)，支持500個(gè)信息點(diǎn)以上大型企業(yè)應(yīng)用的交換機(jī)為企業(yè)級交換機(jī)，支持300個(gè)信息點(diǎn)以下中型企業(yè)的交換機(jī)為部門級交換機(jī)，而支持100個(gè)信息點(diǎn)以內(nèi)的交換機(jī)為工作組級交換機(jī)。以下若不非凡說明，所提到的交換機(jī)指的都是局域網(wǎng)交換機(jī)。

眾所周知，交換機(jī)工作在OSI參考模型的第二層——數(shù)據(jù)鏈路層上，主要功能包括物理編址、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、錯(cuò)誤校驗(yàn)、幀序列以及流控。物理編址（相對應(yīng)的是網(wǎng)絡(luò)編址）定義了設(shè)備在數(shù)據(jù)鏈路層的編址方式；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)鏈路層的說明，定義了設(shè)備的物理連接方式，如星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等；錯(cuò)誤校驗(yàn)向發(fā)生傳輸錯(cuò)誤的上層協(xié)議告警；數(shù)據(jù)幀序列重新整理并傳輸除序列以外的幀；流控可以延緩數(shù)據(jù)的傳輸能力，以使接收設(shè)備不會因?yàn)樵谀骋粫r(shí)刻接收到了超過其處理能力的信息流而崩潰。目前交換機(jī)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(jī)所具有的功能。所謂的第三層交換機(jī)就是在基于協(xié)議的VLAN劃分時(shí)，增加了路由功能。

交換機(jī)技術(shù)現(xiàn)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(jī)和第三層路由器兩者的優(yōu)勢結(jié)合成一個(gè)靈活的解決方案，可在各個(gè)層次提供線速性能。這種集成化的結(jié)構(gòu)還引進(jìn)了策略治理屬性，它不僅使第二層與第三層相互關(guān)聯(lián)起來，而且還提供流量優(yōu)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(tài)部署。第三層交換機(jī)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(wǎng)接口：10/100M以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)、FDDI和 ATM。交換層集成了多種局域網(wǎng)接口并輔之以策略治理，同時(shí)還提供鏈路匯聚、VLAN和Tagging機(jī)制。路由層提供主要的 LAN路由協(xié)議：ip、IPX和 AppleTalk，并通過策略治理，提供傳統(tǒng)路由或直通的第三層轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。策略治理和行政治理使網(wǎng)絡(luò)治理員能根據(jù)企業(yè)的特定需求調(diào)整網(wǎng)絡(luò)。

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

第三層交換機(jī)基本上具有了傳統(tǒng)交換機(jī)的所有功能，以第三層交換機(jī)為準(zhǔn)，交換機(jī)具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)包括：

1．可編程ASIC

ASIC是專用于優(yōu)化第二層處理的專用集成電路，是當(dāng)今聯(lián)網(wǎng)解決方案的核心，它將多項(xiàng)功能集成在一個(gè)芯片上，具有設(shè)計(jì)簡單、高可靠性、低電源消耗、更高的性能和成本更低等優(yōu)點(diǎn)。

2．分布式流水線

有了分布式流水線，多個(gè)分布式的轉(zhuǎn)發(fā)引擎能快速地獨(dú)立傳送數(shù)據(jù)包。在單個(gè)流水線中，多個(gè) ASIC芯片同時(shí)處理多個(gè)幀。這種并發(fā)性和流水線可將轉(zhuǎn)發(fā)性能提高到一個(gè)新高度：在所有的端口上實(shí)現(xiàn)點(diǎn)播（Unicast）、廣播（Broadcast）和組播（Multicast）的線速性能。

3．動態(tài)可擴(kuò)展的內(nèi)存

對于先進(jìn)的局域網(wǎng)交換產(chǎn)品，真實(shí)的性能是建立在智能化的存儲器系統(tǒng)之上的。第三層交換機(jī)將存儲器的一部分直接與轉(zhuǎn)發(fā)引擎相關(guān)聯(lián)。增加更多的接口模塊，包括各自的轉(zhuǎn)發(fā)引擎，存儲器也相應(yīng)地?cái)U(kuò)展了。并通過流水線式的ASIC處理，動態(tài)地構(gòu)造緩存，增加了內(nèi)存的使用率，系統(tǒng)也能夠處理大的突發(fā)數(shù)據(jù)流而不丟包。

4．先進(jìn)的隊(duì)列機(jī)制

即使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有突出性能，也會受到其所聯(lián)接網(wǎng)段上的擁擠帶來的損害。
傳統(tǒng)上，通過一個(gè)端口的流量必須在只有一個(gè)輸出隊(duì)列的緩存中保存，不論它的優(yōu)先級是多大，也必須按照先進(jìn)先出的方式被處理。當(dāng)隊(duì)列滿的時(shí)候，任何超出的部分都將被丟棄。此外，當(dāng)隊(duì)列變長時(shí)，延時(shí)也增加了。這個(gè)特點(diǎn)使得在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)上運(yùn)行實(shí)時(shí)的事務(wù)處理及多媒體應(yīng)用變得非常困難。基于這種原因，許多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商開發(fā)了新技術(shù)，可在一個(gè)以太網(wǎng)段上提供不同的服務(wù)級別，同時(shí)提供對延時(shí)和抖動的控制。這樣就引進(jìn)了每端口有不同級別隊(duì)列的機(jī)制。

這種隊(duì)列能更好地區(qū)分不同的流量級別，以便將網(wǎng)絡(luò)更接近地與高性能應(yīng)用匹配。像多媒體和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流這樣的數(shù)據(jù)包被放進(jìn)高優(yōu)先級隊(duì)列。使用加權(quán)公平排隊(duì)算法，可以更頻繁地處理高優(yōu)先級隊(duì)列，但又不會置低優(yōu)先級隊(duì)列于不顧。傳統(tǒng)應(yīng)用的用戶不會察覺到響應(yīng)時(shí)間和吞吐量的變化，而那些使用緊急應(yīng)用的用戶則可得到及時(shí)的響應(yīng)。

5．自動流量分類

有些數(shù)據(jù)流比其它數(shù)據(jù)流更重要。使用自動流量分類，第三層交換機(jī)可以指示數(shù)據(jù)包流水線區(qū)分用戶指定的數(shù)據(jù)流，從而實(shí)現(xiàn)低延時(shí)、高優(yōu)先級傳輸及避免擁塞。

6．智能許可權(quán)控制

第三層交換機(jī)提供多種安全機(jī)制，并使用流量分類器，治理員可以限制任何被識別的數(shù)據(jù)流，包括限制對服務(wù)器的訪問及排除無用的協(xié)議廣播。這一點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域里的突破性進(jìn)展，即提供線速防火墻。

7．動態(tài)流量監(jiān)督

流量的分類、優(yōu)先化處理以及資源保留使企業(yè)網(wǎng)和Intranet治理員能將精力集中在更重要的事情上,即傳統(tǒng)的和下一代的應(yīng)用。但有一個(gè)事情還需要去做，那就是流量監(jiān)督。流量監(jiān)督不太算是一個(gè)策略機(jī)制，因?yàn)樗鼘?shí)際上是一個(gè)保護(hù)機(jī)制。它監(jiān)視流量和網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況，并對這些情況作出動態(tài)的響應(yīng)，以保證所有的網(wǎng)絡(luò)元素（終端用戶和網(wǎng)絡(luò)本身）都置于控制之下并能最佳運(yùn)行。

為了在擁塞的局域網(wǎng)上進(jìn)行優(yōu)先化處理，許多第三層交換機(jī)使用了IEEE 802.1p的服務(wù)級別。為了避免擁塞，高性能第三層交換機(jī)甚至采用了更先進(jìn)的技術(shù)來動態(tài)地監(jiān)視輸出隊(duì)列的大小，以便發(fā)現(xiàn)一個(gè)端口是否將變得擁擠。通過控制隊(duì)列的大小和擁塞，網(wǎng)絡(luò)可以維持對延時(shí)敏感的數(shù)據(jù)流所需的極限。

8．可擴(kuò)展的RMON實(shí)現(xiàn)

對RMON的支持已經(jīng)成為進(jìn)行主動和廣泛的網(wǎng)絡(luò)治理一個(gè)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(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，RFC 2021定義的RMON 2將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的采集擴(kuò)展至網(wǎng)絡(luò)層以上。

9．向量處理技術(shù)

向量處理技術(shù)用來加速數(shù)據(jù)幀的處理速度。第三層交換機(jī)的體系結(jié)構(gòu)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(qiáng)了向量處理功能。第三層交換機(jī)的向量處理有眾多的優(yōu)點(diǎn)：

*快速的幀處理速度。由于有了基于 ASIC的數(shù)據(jù)包分類、轉(zhuǎn)發(fā)和解釋技術(shù)，由軟件進(jìn)行幀解碼的工作被降至最低的程度，與純軟件的設(shè)計(jì)相比，這種方法可以獲得高得多的性能。

*具有高度適應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。例如，對 IPv6的支持已經(jīng)是向量邏輯的一部分。

*增強(qiáng)的治理功能。多方位的向量處理還包括內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)治理代理及RMON等。

10．多RISC處理機(jī)

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

一個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用處理機(jī)（AP）可輔助FP。象FP一樣，AP也是一個(gè)高性能的 RISC處理機(jī)。AP控制除幀轉(zhuǎn)發(fā)以外的所有操作：高層的橋接和路由，如生成樹和 OSPF協(xié)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?yàn)橹卫砗陀?jì)算方面的工作不影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)高吞吐量和低延時(shí)。

通過以上的技術(shù)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(wù)質(zhì)量及容錯(cuò)性是當(dāng)前交換機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)。隨著視頻會議、實(shí)時(shí)組播、網(wǎng)絡(luò)電話、程控交換及自動呼叫轉(zhuǎn)發(fā)等表明多媒體時(shí)代到來的新一代應(yīng)用的出現(xiàn)，交換技術(shù)該向何處發(fā)展呢？有一點(diǎn)可以肯定的是，高帶寬、安全性、服務(wù)質(zhì)量及智能化應(yīng)該是新一代交換機(jī)所應(yīng)追求的技術(shù)方向。不過，值得一提的是，現(xiàn)在已經(jīng)有廠家正朝著交換機(jī)分布式網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方向邁進(jìn)。

Web交換機(jī)

Internet的發(fā)展瞬息萬變，為應(yīng)付不斷增加的負(fù)載和新的應(yīng)用需求，Web交換機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，為數(shù)據(jù)中心設(shè)備（包括Internet服務(wù)器、防火墻、高速緩沖服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)等）提供治理、路由和負(fù)載均衡傳輸。不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的是，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備注重高速完成單個(gè)幀和數(shù)據(jù)包的交換，而Web交換側(cè)重于跟蹤和處理Web會話。除了由傳統(tǒng)第二/三層交換機(jī)所提供的連接和封包路由外，Web交換機(jī)還可提供傳統(tǒng)局域網(wǎng)交換機(jī)和路由器所缺乏的完備策略，將局部和全球服務(wù)器負(fù)載均衡、存取控制、服務(wù)質(zhì)量保證（QoS）以及帶寬治理等治理能力結(jié)合起來。目前，Web交換機(jī)已由純粹的傳輸層（第四層）設(shè)備發(fā)展到具有基于內(nèi)容（第七層）的交換的智能。利用內(nèi)容或用戶分類進(jìn)行Web請求重定向是Web服務(wù)器的一項(xiàng)功能。不過，Internet傳輸和商業(yè)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過計(jì)算機(jī)處理能力的提高。把內(nèi)容分類卸到Web交換機(jī)可平衡整個(gè)網(wǎng)站的基礎(chǔ)設(shè)施，下表以Alteon公司的產(chǎn)品為例介紹 Web交換機(jī)產(chǎn)品。

交換機(jī)應(yīng)用分析

1.大型企業(yè)（500節(jié)點(diǎn)以上）：大型企業(yè)具有跨地域、跨行業(yè)、多層次和全方位等特點(diǎn)，業(yè)務(wù)內(nèi)容覆蓋面廣，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量大，數(shù)據(jù)交換能力強(qiáng)，首先要滿足企業(yè)內(nèi)部通信的需要，建立網(wǎng)絡(luò)平臺。
并且要求網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不宕機(jī)，穩(wěn)定可靠，不間斷運(yùn)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(jià)格比的基礎(chǔ)上選擇產(chǎn)品。

2.郵電行業(yè)：電信系統(tǒng)由于其經(jīng)營特點(diǎn)和為公眾服務(wù)的目的，決定了電信系統(tǒng)機(jī)構(gòu)在地理位置上分布范圍廣，提供業(yè)務(wù)多而且不斷更新。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備要求更是嚴(yán)格，一般網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選型為廣域網(wǎng)產(chǎn)品。

3.鐵路系統(tǒng)：鐵路系統(tǒng)一般對廣域網(wǎng)通信要求較高，各個(gè)站點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)數(shù)不是非凡多，所以各站點(diǎn)在建設(shè)局域網(wǎng)進(jìn)行設(shè)備選型時(shí)可考慮選擇部門級交換機(jī)或工作組級交換機(jī)。

4.銀行業(yè)：該行業(yè)支行分布范圍廣，業(yè)務(wù)活動頻繁，業(yè)務(wù)品種變化多，業(yè)務(wù)量增長快，因此對穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間要求比較高。由于該行業(yè)對數(shù)據(jù)敏感性非凡高，因此要求有鏈路冗余，傳輸鏈路應(yīng)具有備份功能，一旦主線路發(fā)生故障，備份線路可立即替換。所以要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備處理能力強(qiáng)、容錯(cuò)性能好，并考慮好擴(kuò)展性、可用性及可靠性。

5.證券業(yè)：該行業(yè)具有迅速、及時(shí)響應(yīng)和穩(wěn)定、安全、可靠、不間斷運(yùn)行的特點(diǎn)。設(shè)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(shè)備的可開放性、可擴(kuò)展性、可用性和可靠性。

6.教育行業(yè)：該行業(yè)對數(shù)據(jù)的要害性要求不是很高，涉及到多媒體教學(xué)、視頻點(diǎn)播等主要應(yīng)用，設(shè)備選型時(shí)要考慮到高帶寬、高可用性及高擴(kuò)展性。

7.中小型企業(yè)：對于企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)少于500點(diǎn)的中小型企業(yè)，在創(chuàng)建企業(yè)Intranet時(shí)，由于企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)流量不大，實(shí)時(shí)響應(yīng)性不高，同時(shí)考慮到企業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展，應(yīng)注重網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通用性、可靠性、可治理性、可擴(kuò)充性及性能價(jià)格比。

總之，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)改變，用戶卻希望網(wǎng)絡(luò)總是可以工作并且總是透明的。適應(yīng)這種需求需要有彈性、速度和安全的控制。Internet 及Intranet已經(jīng)使企業(yè)將注重力集中到最重要的東西——信息上，而不是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上。通過策略控制網(wǎng)絡(luò)是新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)范例。控制方式使網(wǎng)絡(luò)變得透明并保持配置 Intranet的靈活性。通過交換技術(shù)，能滿足用戶今天及未來的商業(yè)需求。而靈活的組網(wǎng)、線速性能以及完全的擴(kuò)展性能使設(shè)備配置長期有效。

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