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主幹交換機的選擇按網路大小的不同可有不同的選擇。根據交換技術的不同可以分為埠交換、幀交換和信元交換;根據層數的不同可分為二層、三層、四層交換。

1 主幹交換機 -先了解幾種交換技術

1. 埠交換
埠交換技術最早出現在插槽式的集線器中,這類集線器的背板通常劃分有多條乙太網段(每條網段為一個廣播域),不用網橋或路由連接,網路之間是互不相通的。以大主模塊插入后通常被分配到某個背板的網段上,埠交換用於將以太模塊的埠在背板的多個網段之間進行分配、平衡。根據支持的程度,埠交換還可細分為:   
·模塊交換:將整個模塊進行網段遷移。   
·埠組交換:通常模塊上的埠被劃分為若干組,每組埠允許進行網段遷移。   
·埠級交換:支持每個埠在不同網段之間進行遷移。這種交換技術是基於OSI第一層上完成的,具有靈活性和負載平衡能力等優點。如果配置得當,那麼還可以在一定程度進行客錯,但沒有改變共享傳輸介質的特點,自而未能稱之為真正的交換。
2. 幀交換
幀交換是目前應用最廣的區域網交換技術,它通過對傳統傳輸媒介進行微分段,提供并行傳送的機制,以減小衝突域,獲得高的帶寬。一般來講每個公司的產品的實現技術均會有差異,但對網路幀的處理方式一般有以下幾種:   
·直通交換:提供線速處理能力,交換機只讀出網路幀的前14個位元組,便將網路幀傳送到相應的埠上。   
·存儲轉發:通過對網路幀的讀取進行驗錯和控制。   
前一種方法的交換速度非常快,但缺乏對網路幀進行更高級的控制,缺乏智能性和安全性,同時也無法支持具有不同速率的埠的交換。因此,各廠商把后一種技術作為重點。   
有的廠商甚至對網路幀進行分解,將幀分解成固定大小的信元,該信元處理極易用硬體實現,處理速度快,同時能夠完成高級控制功能(如美國Madge公司的LET集線器)如優先順序控制。
3. 信元交換
ATM技術採用固定長度53個位元組的信元交換。由於長度固定,因而便於用硬體實現。ATM採用專用的非差別連接,并行運行,可以通過一個交換機同時建立多個節點,但並不會影響每個節點之間的通信能力。ATM還容許在源節點和目標、節點建立多個虛擬鏈接,以保障足夠的帶寬和容錯能力。ATM採用了統計時分電路進行復用,因而能大大提高通道的利用率。ATM的帶寬可以達到25M、155M、622M甚至數Gb的傳輸能力。但隨著萬兆乙太網的出現,曾經代表網路和通訊技術發展的未來方向的ATM技術,開始逐漸失去存在的意義。編輯本段選擇二層三層及四層交換機注意的區別

2 主幹交換機 -二層交換

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,並將這些MAC地址與對應的埠記錄在自己內部的一個地址表中。   

3 主幹交換機 -具體的工作流程如下:  

 
1) 當交換機從某個埠收到一個數據包,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埠上的;  

2)再去讀取包頭中的目的MAC地址,並在地址表中查找相應的埠;   
3)如表中有與這目的MAC地址對應的埠,把數據包直接複製到這埠上;   
4) 如表中找不到相應的埠則把數據包廣播到所有埠上,當目的機器對源機器回應時,交換機又可以學習一目的MAC地址與哪個埠對應,在下次傳送數據時就不再需要對所有埠進行廣播了。不斷的循環這個過程,對於全網的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) 由於交換機對多數埠的數據進行同時交換,這就要求具有很寬的交換匯流排帶寬,如果二層交換機有N個埠,每個埠的帶寬是M,交換機匯流排帶寬超過N×M,那麼這交換機就可以實現線速交換;   
2) 學習埠連接的機器的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於處理數據包轉發的ASIC(Application specific Integrated Circuit)晶元,因此轉發速度可以做到非常快。由於各個廠家採用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。

4 主幹交換機 -三層交換

下面先來通過一個簡單的網路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,那麼A就用子網掩碼取得網路地址,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封裝數據包併發送給交換機,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埠。   
如果目的IP地址顯示不是同一網段的,那麼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預設網關,這個預設網關一般在操作系統中已經設好,對應第三層路由模塊,所以可見對於不是同一子網的數據,最先在MAC表中放的是預設網關的MAC地址;然後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,其中以預設網關的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地址及轉發埠的對應關係,並記錄進流緩存條目表,以後的A到B的數據,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)由硬體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匯流排上,突破了傳統路由器的介面速率限制,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)簡潔的路由軟體使路由過程簡化。大部分的數據轉發,除了必要的路由選擇交由路由軟體處理,都是又二層模塊高速轉發,路由軟體大多都是經過處理的高效優化軟體,並不是簡單照搬路由器中的軟體。   

5 主幹交換機 -二層和三層交換機的選擇  

 
二層交換機用於小型的區域網絡。這個就不用多言了,在小型區域網中,廣播包影響不大,二層交換機的快速交換功能、多個接入埠和低謙價格為小型網路用戶提供了很完善的解決方案。   
路由器的優點在於介面類型豐富,支持的三層功能強大,路由能力強大,適合用於大型的網路間的路由,它的優勢在於選擇最佳路由,負荷分擔,鏈路備份及和其他網路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區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。如果把大型網路按照部門,地域等等因素劃分成一個個小區域網,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,由於介面數量有限和路由轉發速度慢,將限制網路的速度和網路規模,採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路中,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。

6 主幹交換機 -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) 應用埠號。第四層交換功能就象是虛IP,指向物理伺服器。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。這些業務在物理伺服器基礎上,需要複雜的載量平衡演算法。   
在IP世界,業務類型由終端TCP或UDP埠地址來決定,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埠共同決定。 在第四層交換中為每個供搜尋使用的伺服器組設立虛IP地址(VIP),每組伺服器支持某種應用。在域名伺服器(DNS)中存儲的每個應用伺服器地址是VIP,而不是真實的伺服器地址。當某用戶申請應用時,一個帶有目標伺服器組的VIP連接請求(例如一個TCP SYN包)發給伺服器交換機。伺服器交換機在組中選取最好的伺服器,將終端地址中的VIP用實際伺服器的IP取代,並將連接請求傳給伺服器。這樣,同一區間所有的包由伺服器交換機進行映射,在用戶和同一伺服器間進行傳輸。   

7 主幹交換機 -第四層交換的原理  

 
OSI模型的第四層是傳輸層。傳輸層負責端對端通信,即在網路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標題包含埠號(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,尤其是埠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,並把它交給合適的高層軟體。埠號和設備IP地址的組合通常稱作"插口(socket)"。1和255之間的埠號被保留,他們稱為"熟知"埠,也就是說,在所有主機TCP/I P協議棧實現中,這些埠號是相同的。除了"熟知"埠外,標準UNIX服務分配在256到1024埠範圍,定製的應用一般在1024以上分配埠號。分配埠號的最近清單可以在RFC1700 "Assigned Numbers"上找到。 TCP/UDP埠號提供的附加信息可以為網路交換機所利用,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伺服器相連接的"虛擬IP"(VIP)前端的作用。每台伺服器和支持單一或通用應用的伺服器組都配置一個VIP地址。這個VIP地址被發送出去並在域名系統上註冊。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。然後它利用複雜的演算法來確定處理這個請求的最佳伺服器。一旦做出這種決定,交換機就將會話與一個具體的IP地址聯繫在一起,並用該伺服器真正的IP地址來代替伺服器上的VIP地址。   
每台第四層交換機都保存一個與被選擇的伺服器相配的源IP地址以及源TCP埠相關聯的連接表。然後第四層交換機向這台伺服器轉發連接請求。所有後續包在客戶機與伺服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,接入可以與真正的伺服器連接在一起來滿足用戶制定的規則,諸如使每台伺服器上有相等數量的接入或根據不同伺服器的容量來分配傳輸流。 如何選用合適的第四層交換      
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埠以全介質速度操作,即使在多個千兆乙太網連接上亦如此。千兆乙太網速度等於以每秒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位元組)。   
2) 伺服器容量平衡演算法   
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伺服器的演算法有很多種,有簡單的檢測環路最近的連接、檢測環路時延或檢測伺服器本身的閉環反饋。在所有的預測中,閉環反饋提供反映伺服器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路設備的數量成正比。對第四層交換機,這個數量必須乘以網路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。大的表容量對製造支持線速發送第四層流量的高性能交換機至關重要.   
4) 冗餘   
第四層交換機內部有支持冗餘拓撲結構的功能。在具有雙鏈路的網卡容錯連接時,就可能建立從一個伺服器到網卡,鏈路和伺服器交換器的完全冗餘系統。

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