淺析交換機(jī)功能與工作層級

魯秋菊

陜西理工學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 陜西 723000

0 前言

ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）組織在1981年制定的OSI（Open System Interconnect）開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型，在OSI中，采用了三級抽象，即體系結(jié)構(gòu)、服務(wù)定義和協(xié)議規(guī)定說明。這個模型把網(wǎng)絡(luò)通信的工作分為7層，它們由低到高分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應(yīng)用層。

傳統(tǒng)交換機(jī)一般被認(rèn)為是工作在數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)交換設(shè)備，伴隨著網(wǎng)絡(luò)從傳統(tǒng)的以太網(wǎng)發(fā)展到快速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)乃至吉比特網(wǎng)，虛擬局域網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)迅猛的發(fā)展勢頭實在令人吃驚。而現(xiàn)在中大型規(guī)模網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，三層交換機(jī)、四層交換機(jī)也逐漸登上了網(wǎng)絡(luò)舞臺。伴隨著網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)升級、規(guī)模擴(kuò)大、功能擴(kuò)充，交換機(jī)的概念和功能都發(fā)生了重要的延伸和改變。

1 傳統(tǒng)交換機(jī)概述

1.1 OSI關(guān)于工作層級的劃分

開放系統(tǒng)互連是使世界范圍內(nèi)的應(yīng)用進(jìn)程能開放式（而不是封閉式）的進(jìn)行信息交換。目前形成的開放系統(tǒng)互連基本參考模型的正式文件是ISO 7498國際標(biāo)準(zhǔn)，又記為OSI/RM，籠統(tǒng)的稱為OSI。根據(jù)ISO將整個通信系統(tǒng)劃分為七個層次的劃分原則：

（1）網(wǎng)路中各節(jié)點都有相同的層次；

（2）不同節(jié)點的同等層具有相同的功能；

（3）同一節(jié)點內(nèi)相鄰層之間通過接口通信；

（4）每一層使用下層提供的服務(wù)，并向其上層提供服務(wù)；

（5）不同節(jié)點的同等層按照協(xié)議實現(xiàn)對等層之間的通信。

OSI中的物理層規(guī)定了激活、維持、關(guān)閉通信端點之間的機(jī)械特性、電氣特性、功能特性以及過程特性。該層為上層協(xié)議提供了一個傳輸數(shù)據(jù)的物理媒體。在這一層，數(shù)據(jù)的單位稱為比特（bit）。屬于物理層定義的典型規(guī)范代表包括：EIA/TIA RS-232、EIA/TIA RS-449、V.35、RJ-45 等。

數(shù)據(jù)鏈路層在不可靠的物理介質(zhì)上提供可靠的傳輸。該層的作用包括：物理地址尋址、數(shù)據(jù)的成幀、流量控制、數(shù)據(jù)的檢錯、重發(fā)等。在這一層，數(shù)據(jù)的單位稱為幀（frame）。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的代表包括：SDLC、HDLC、PPP、STP、幀中繼等。

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)對子網(wǎng)間的數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由選擇。網(wǎng)絡(luò)層還可以實現(xiàn)擁塞控制、網(wǎng)際互連等功能。在這一層，數(shù)據(jù)的單位稱為數(shù)據(jù)包（packet）。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的代表包括：IP、IPX、RIP、OSPF等。

傳輸層是第一個端到端，即主機(jī)到主機(jī)的層次。傳輸層負(fù)責(zé)將上層數(shù)據(jù)分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的傳輸。此外，傳輸層還要處理端到端的差錯控制和流量控制問題。在這一層，數(shù)據(jù)的單位稱為數(shù)據(jù)段（segment）。傳輸層協(xié)議的代表包括：TCP、UDP、SPX等。

會話層管理主機(jī)之間的會話進(jìn)程，即負(fù)責(zé)建立、管理、終止進(jìn)程之間的會話。會話層還利用在數(shù)據(jù)中插入校驗點來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步。

表示層對上層數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行變換以保證一個主機(jī)應(yīng)用層信息可以被另一個主機(jī)的應(yīng)用程序理解。表示層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換包括數(shù)據(jù)的加密、壓縮、格式轉(zhuǎn)換等。

應(yīng)用層為操作系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序提供訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的接口。應(yīng)用層協(xié)議的代表包括：Telnet、FTP、HTTP、SNMP等。

數(shù)據(jù)發(fā)送時，從第七層傳到第一層，接受方則相反。上三層總稱應(yīng)用層，面向信息處理，用來控制軟件方面。下四層總稱數(shù)據(jù)流層，面向通信，用來管理硬件。數(shù)據(jù)在發(fā)至數(shù)據(jù)流層的時候?qū)⒈徊鸱帧?/p>

1.2 傳統(tǒng)交換機(jī)工作原理

傳統(tǒng)交換機(jī)也稱二層交換機(jī)，屬數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備，可以識別數(shù)據(jù)包中的MAC地址信息，根據(jù)MAC地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并將這些MAC地址與對應(yīng)的端口記錄在自己內(nèi)部的一個地址表中。具體的工作流程如下：

（1）當(dāng)交換機(jī)從某個端口收到一個數(shù)據(jù)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(jī)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(yīng)的端口；

（3）如表中有與這目的MAC地址對應(yīng)的端口，把數(shù)據(jù)包直接復(fù)制到這端口上；

（4）如表中找不到相應(yīng)的端口則把數(shù)據(jù)包廣播到所有端口上，當(dāng)目的機(jī)器對源機(jī)器回應(yīng)時，交換機(jī)又可以學(xué)習(xí)目的MAC地址與哪個端口對應(yīng)，在下次傳送數(shù)據(jù)時就不再需要對所有端口進(jìn)行廣播了。不斷的循環(huán)這個過程，對于全網(wǎng)的MAC地址信息都可以學(xué)習(xí)到，二層交換機(jī)就是這樣建立和維護(hù)它自己的地址表。

傳統(tǒng)交換機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中的工作層級如圖1。

二層交換機(jī)的性能主要由背板帶寬、集成端口數(shù)、轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)與芯片、交換延時、全雙工等技術(shù)指標(biāo)來衡量，但其是沒有路由選擇功能的。

圖1 傳統(tǒng)交換機(jī)

2 三層交換機(jī)的功能和使用

三層交換機(jī)最重要的功能是加快大型局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)，加入路由功能也是為這個目的服務(wù)的。如果把大型網(wǎng)絡(luò)按照部門，地域等等因素劃分成一個個小局域網(wǎng)，這將導(dǎo)致大量的網(wǎng)際互訪，單純的使用二層交換機(jī)不能實現(xiàn)網(wǎng)際互訪；如單純的使用路由器，由于接口數(shù)量有限和路由轉(zhuǎn)發(fā)速度慢，將限制網(wǎng)絡(luò)的速度和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，采用具有路由功能的快速轉(zhuǎn)發(fā)的三層交換機(jī)就成為首選。通俗地講，就是將路由與交換合二為一的技術(shù)。路由器在對第一個數(shù)據(jù)流進(jìn)行路由后，將會產(chǎn)生一個MAC地址與IP地址的映射表，當(dāng)同樣的數(shù)據(jù)流再次通過時，將根據(jù)此映射表直接從二層進(jìn)行交換而不是再次路由，提供線速性能，從而消除了路由器進(jìn)行路由選擇而造成網(wǎng)絡(luò)的延遲，提高了數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的效率。采用此技術(shù)的交換機(jī)我們常稱為三層交換機(jī)。三層交換機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中的工作層級如圖2。

圖2 三層交換機(jī)

三層交換機(jī)是由硬件結(jié)合實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)發(fā)，而不是簡單的二層交換機(jī)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(tǒng)路由器的接口速率限制，速率可達(dá)幾十個Gbit/s。另外，使用簡潔的路由軟件使路由過程簡化，大部分的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，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(zhuǎn)發(fā)，路由軟件大多都是經(jīng)過處理的高效優(yōu)化軟件，并不是簡單照搬路由器中的軟件。

3 四層交換機(jī)的功能與選擇

四層交換界定了傳輸不僅僅依據(jù)MAC地址（第二層網(wǎng)橋）或IP地址（第三層路由），而且依據(jù)TCP/UDP（第四層）應(yīng)用端口號。第四層交換功能就像是虛IP，指向物理服務(wù)器。它傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)服從的協(xié)議多種多樣，有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他協(xié)議。這些業(yè)務(wù)在物理服務(wù)器基礎(chǔ)上，需要復(fù)雜的載量平衡算法。在IP協(xié)議下，業(yè)務(wù)類型由終端TCP或UDP端口地址來決定，在第四層交換中的應(yīng)用區(qū)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服務(wù)器組設(shè)立虛IP地址（VIP），每組服務(wù)器支持某種應(yīng)用。在域名服務(wù)器（DNS）中存儲的每個應(yīng)用服務(wù)器地址是VIP，而不是真實的服務(wù)器地址。當(dāng)某用戶申請應(yīng)用時，一個帶有目標(biāo)服務(wù)器組的VIP連接請求發(fā)給服務(wù)器交換機(jī)。服務(wù)器交換機(jī)在組中選取最好的服務(wù)器，將終端地址中的VIP用實際服務(wù)器的IP取代，并將連接請求傳給服務(wù)器。這樣，同一區(qū)間所有的包由服務(wù)器交換機(jī)進(jìn)行映射，在用戶和同一服務(wù)器間進(jìn)行傳輸。

具有第四層功能的交換機(jī)能夠起到與服務(wù)器相連接的“虛擬IP”（VIP）前端的作用。每臺第四層交換機(jī)都保存一個與被選擇的服務(wù)器相配的源IP地址以及源TCP端口相關(guān)聯(lián)的連接表。然后第四層交換機(jī)向這臺服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)連接請求。所有后續(xù)包在客戶機(jī)與服務(wù)器之間重新影射和轉(zhuǎn)發(fā)，直到交換機(jī)發(fā)現(xiàn)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(wù)器連接在一起來滿足用戶制定的規(guī)則。

選用合適的第四層交換機(jī)，要綜合考慮速度、服務(wù)器容量平衡算法、表容量、冗余等各項技術(shù)參數(shù)。

4 結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展日新月異，交換機(jī)的工作層級變遷和功能擴(kuò)展是對新技術(shù)的適應(yīng)。我們在LAN、MAN、WAN、VPN、VLAN的實踐和管理中，還有很多設(shè)備如集線器、網(wǎng)卡、路由器等，都在發(fā)生著重要的變化和替代。我們有必要認(rèn)識和分析這種變化，來提高我們對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)步、設(shè)備更新?lián)Q代和需求預(yù)測的判斷和適應(yīng)。

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