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網(wǎng)管技術貼:三層交換機與路由器的區(qū)別

發(fā)布時間:  2012/5/29 17:42:48

在眾多的網(wǎng)絡產(chǎn)品中,交換機對于構建高性能的網(wǎng)絡起著至關重要的作用,其技術發(fā)展同樣令人矚目,F(xiàn)在,"第三層交換"這個詞在業(yè)界已經(jīng)比較流行了,在大中型網(wǎng)絡中,已經(jīng)有了很多以千兆第三層交換機為核心的網(wǎng)絡。隨著我國企業(yè)網(wǎng)、校園網(wǎng)以及寬帶網(wǎng)的迅速發(fā)展,第三層交換機成為新的市場增長點,它的應用也從最初網(wǎng)絡中心的骨干層、匯聚層一直滲透到網(wǎng)絡邊緣的接入層。而該領域也不再由國外廠商獨領風騷,許多國內(nèi)廠商,如TCL網(wǎng)絡和神州數(shù)碼網(wǎng)絡等都推出了各具特色的第三層交換產(chǎn)品。

一、交換技術的發(fā)展

計算機技術與通信技術的結合促進了計算機局域網(wǎng)的飛速發(fā)展,從20世紀60年代末Aloha網(wǎng)的出現(xiàn),到90年代后期千兆交換式以太網(wǎng)的登臺亮相,短短的30年間,經(jīng)歷了從單工到雙工、從共享到交換、從低速到高速、從簡單到復雜、從昂貴到普及、從第二層交換到多層交換的飛躍。

1.第二層交換

在剛開始組建局域網(wǎng)時,主要局限于主機連接、文件和打印共享,多個用戶共享10Mbps帶寬就能滿足這些需求。隨著網(wǎng)絡規(guī)模的日益擴大,先前的網(wǎng)絡系統(tǒng)已不能勝任,這是因為在局域網(wǎng)中,最早的網(wǎng)絡互聯(lián)設備是集線器,它是第一層(物理層)設備。由于在這種基于CSMA/CD物理層協(xié)議的網(wǎng)絡中,經(jīng)常發(fā)生用戶數(shù)據(jù)的沖突,并由此導致重發(fā)數(shù)據(jù),使傳輸?shù)男蚀蟠蠼档汀.敃r采用了第二層(數(shù)據(jù)鏈路層)設備網(wǎng)橋,它起到細化網(wǎng)段和減小沖突域的作用,從而優(yōu)化了局域網(wǎng)的性能。但網(wǎng)橋是對高層(第三層以上)協(xié)議透明的設備,不能有效阻止廣播風暴,因此需要采用路由器。路由器在子網(wǎng)間互聯(lián)、安全控制和廣播風暴限制等方面起了關鍵的作用,但復雜的算法、較低的數(shù)據(jù)吞吐量使其成為網(wǎng)絡的瓶頸。為了解決以上問題,業(yè)界對網(wǎng)橋進行了改進,制造出局域網(wǎng)交換機,用它來替代集線器,以提高網(wǎng)絡的性能。

局域網(wǎng)交換機是一種第二層網(wǎng)絡設備,它在運行過程中不斷收集和建立自己的MAC地址表,并且定時刷新。它的引入使網(wǎng)絡各站點之間可獨享帶寬,消除了無謂的沖突檢測和出錯重發(fā),提高了傳輸效率,而且是點對點傳送用戶數(shù)據(jù),其他節(jié)點是不可見的。但第二層交換也有其弱點,包括不能有效解決廣播風暴、異種網(wǎng)絡互聯(lián)和安全性控制等問題。因此,產(chǎn)生了交換機上的VLAN(虛擬局域網(wǎng))技術。

2.第三層交換

第二層交換機工作在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)絡拓撲結構、錯誤校驗、幀序列以及流量控制等。為了改進交換機的性能,又推出了第三層交換機,它在保留第二層計算機所有功能的前提上,增加了許多新的功能,如對VLAN的支持、對鏈路匯聚的支持,甚至具有防火墻的功能等。簡單來說,所謂的第三層交換機就是在基于協(xié)議的VLAN劃分時,增加了路由功能。

第三層交換機是Intranet應用的關鍵,它將第二層交換機和第三層路由器兩者的優(yōu)勢有機而智能化地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管理屬性,不僅使第二層與第三層相互關聯(lián)起來,而且還提供流量優(yōu)先化處理、安全訪問機制以及其他多種功能。

第三層交換機分為接口層、交換層和路由層等3個部分。接口層包含了所有重要的局域網(wǎng)接口,如10/100Mbps以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)、FDDI和ATM等;交換層集成了多種局域網(wǎng)接口,并輔之以策略管理,同時還提供鏈路匯聚、VLAN和標記機制;路由層提供主要的局域網(wǎng)路由協(xié)議,包括IP、IPX和AppleTalk等,并通過策略管理,提供傳統(tǒng)路由或直通的第三層轉發(fā)技術。策略管理和行政管理相結合,使得網(wǎng)絡管理員能夠根據(jù)企業(yè)的特定需求調(diào)整網(wǎng)絡。

一般來說,第三層交換產(chǎn)品都采用可編程可擴展的ASIC芯片技術,可以提供以下一些豐富的特性:

(1)在所有端口,針對所有網(wǎng)絡接口和協(xié)議的無阻塞線速交換和路由;

(2)具有極高的吞吐量,數(shù)據(jù)包的轉發(fā)速度(即轉發(fā)包/每秒,pps)通常比中高端路由器還要快10~100倍;

(3)多種協(xié)議的路由選擇,如IP(RIPv1/v2、OSPF)、IP Multicast(DVMRP、PIM)和IPX等;

(4)支持多種VLAN的劃分,能夠根據(jù)端口/MAC地址、協(xié)議、IP子網(wǎng)、IEEE 802.1Q或Cisco ISL等劃分;

(5)具有帶寬預留(RSVP)及具有服務類別(CoS)和服務質(zhì)量(QoS)的業(yè)務量優(yōu)先級處理,支持IEEE 802.1p和業(yè)務分類(DifferServ);

(6)可設定訪問列表控制(Access List Control)的過濾規(guī)則,或基于防火墻的安全策略;

(7)支持通過以太網(wǎng)的點到點協(xié)議(PPPoE),支持安全用戶認證,配合用戶計費,增強用戶管理特性;

(8)支持以太網(wǎng)帶寬單元遞增分配服務;

(9)ASIC的可編程性,支持諸如IPv6的技術和其他未來技術,保護用戶投資。

二、第三層交換與路由器的比較

在過去,網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)大都遵守"80/20"規(guī)則,即網(wǎng)絡中只有大約20%的數(shù)據(jù)包是通過骨干路由器與中央服務器或企業(yè)網(wǎng)絡的其他部分進行通信,而80%的網(wǎng)絡流量主要仍集中在不同的部門子網(wǎng)內(nèi)。而現(xiàn)在,情況卻發(fā)生了根本性的變化,以至形成了"20/80"規(guī)則。為了應付不斷增長的數(shù)據(jù)流量,共享介質(zhì)型的網(wǎng)絡紛紛被交換型網(wǎng)絡所替代。這種變化對原來用于網(wǎng)絡分段的傳統(tǒng)路由器產(chǎn)生了直接的沖擊。鑒于大部分的數(shù)據(jù)流量都跨越 IP子網(wǎng),路由器事實上已經(jīng)成為了網(wǎng)絡傳輸?shù)钠款i。

傳統(tǒng)的路由器主要功能是實現(xiàn)路由選擇與網(wǎng)絡互聯(lián),即通過一定途徑獲得子網(wǎng)的拓撲信息與各物理線路的網(wǎng)絡特性,并通過一定的路由算法獲得達到各子網(wǎng)的最佳路徑,建立相應路由表,從而將每個IP包跳到跳(hop to hop)傳到目的地; 其次,它必須處理不同的鏈路協(xié)議。IP包途經(jīng)每個路由器時,需經(jīng)過排隊、協(xié)議處理和尋址選擇路由等軟件處理環(huán)節(jié),造成延時加大。同時路由器采用共享總線方式,總的吞吐量受到限制,當用戶數(shù)量增加時,每個用戶的接入速率降低。路由器更注重對多種介質(zhì)類型和多種傳輸速度的支持,而目前數(shù)據(jù)緩沖和轉換能力比線速吞吐能力和低時延更為重要。雖然路由器的性能最近也得到了一定的提高,大約達到1Mpps,但采用這種路由器的費用也高得驚人。

和路由技術相比,交換技術的好處就是速度快,當網(wǎng)絡規(guī)模很大時,高速、大容量路由器是十分必要的。另一方面,由于現(xiàn)代通信網(wǎng)絡大都采用光纖技術,所以現(xiàn)在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的主要瓶頸是節(jié)點路由器,F(xiàn)在的第三層交換、路由交換或其他名詞都是這種思路的結果。雖然第三層交換最初是為局域網(wǎng)設計的,它采用目的IP地址進行交換,但是現(xiàn)在這種技術也已經(jīng)開始在廣域網(wǎng)中使用。

第三層交換在現(xiàn)在的網(wǎng)絡建設中起著越來越重要的作用,它不需要將廣播封包擴散,而是直接利用動態(tài)建立的MAC地址來通信,如IP地址、ARP等,具有多路廣播和虛擬網(wǎng)間基于IP和IPX等協(xié)議的路由功能,這方面功能的順利實現(xiàn),主要依靠專用集成電路(ASIC)。把傳統(tǒng)的路由軟件處理的指令改為ASIC芯片的嵌入式指令,從而加速了對包的轉發(fā)和過濾,使得高速下的線性路由和服務質(zhì)量都有了可靠的保證。

三、第三層交換的應用

第三層交換機的應用其實很簡單,主要用途是代替?zhèn)鹘y(tǒng)路由器作為網(wǎng)絡的核心。因此,凡是沒有廣域網(wǎng)連接需求,同時又需要路由器的地方,都可以用第三層交換機來代替。

在企業(yè)網(wǎng)和校園網(wǎng)中,一般會將第三層交換機用在網(wǎng)絡的核心層,用第三層交換機上的千兆端口或百兆端口連接不同的子網(wǎng)或VLAN。這樣網(wǎng)絡結構相對簡單,節(jié)點數(shù)相對較少; 另外,其不需要較多的控制功能,并且成本較低。

在目前火爆的寬帶網(wǎng)絡建設中,第三層交換機一般被放置在小區(qū)的中心和多個小區(qū)的匯聚層,第三層交換機的出現(xiàn)動搖了企業(yè)路由器的地位。正如路由器統(tǒng)治廣域網(wǎng)一樣,第三層交換機將在今后主宰局域網(wǎng)已成為不爭的事實。

從當前國內(nèi)的情況來看,第三層交換機發(fā)展勢頭良好?上驳氖牵S多國內(nèi)廠商紛紛推出第三層以太網(wǎng)交換機,而且性能良好。第三層交換機在應用方面具有以下特點。

1.擔當骨干交換機

第三層交換機一般用于網(wǎng)絡的骨干交換機和服務器群交換機,也可作為網(wǎng)絡節(jié)點交換機。在網(wǎng)絡中,同其他以太網(wǎng)交換機配合使用,網(wǎng)絡管理員能構造無縫的10/100/1000Mbps以太網(wǎng)交換系統(tǒng),為整個信息系統(tǒng)提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡服務。這樣的網(wǎng)絡系統(tǒng)結構簡單,同時還具有可伸縮性和基于策略的QoS服務等功能。第三層交換機為網(wǎng)絡提供QoS服務的內(nèi)容包括優(yōu)先級管理、帶寬管理、VLAN交換等;诓呗缘腝oS使得網(wǎng)絡管理員能為各種不同類型的網(wǎng)絡流量包括TCP/UDP會話按優(yōu)先級分配帶寬,而且沒有任何交換性能上的損失。

由于應用的需求,骨干交換機多為千兆交換機,所以目前第三層交換機也多為千兆交換機,可以提供10/100Mbps自適應端口和千兆端口,既可以連接銅線,也可以連接光纖,并提供高性能的背板通道。這類交換機有機柜式的,也有可堆疊的,可以根據(jù)不同的情況選用。

2.支持Trunk協(xié)議

在應用中,經(jīng)常有以太網(wǎng)交換機相互連接或以太網(wǎng)交換機與服務器互聯(lián)的情況,其中互聯(lián)用的單根連線往往會成為網(wǎng)絡的瓶頸。采用Trunk技術能將若干條相同的源交換機與目的交換機的以太網(wǎng)連接線從邏輯上看成一條連接線。這樣既保證局域網(wǎng)不會出現(xiàn)環(huán)路,同時也有效地加大了連接帶寬。性能良好的第三層交換機全面支持Trunk協(xié)議,一些可支持8組Trunk,從而能夠有效解決了企業(yè)局域網(wǎng)中的連接帶寬問題。

3.實現(xiàn)組播和自學

一些第三層除了支持動態(tài)路由協(xié)議RIP和OSPF外,針對日漸流行的支持多點組播的需求,還能夠?qū)嵤┗跇藴实亩帱c組播協(xié)議,如距離矢量多點組播路由協(xié)議(DVMRP)。

第三層交換機還可以支持自學習功能,它能自動發(fā)現(xiàn)主機的IP地址與連接端口的對應關系,而不使用任何路由協(xié)議。一旦把交換機接入網(wǎng)絡,它就通過不斷地偵聽ARP、RIP和ICMP數(shù)據(jù)包來學習所有連接的主機的IP地址和子網(wǎng)掩碼信息。根據(jù)學習到的信息,交換機將建立和維護路由表中的路由信息,并且自動地為所有IP數(shù)據(jù)包提供路由服務。

4.提高安全性

在網(wǎng)絡中,對于所傳輸數(shù)據(jù)包,出于安全考慮,需要根據(jù)很多規(guī)則對數(shù)據(jù)進行過濾,確保只有符合規(guī)定的數(shù)據(jù)包才能通過第三層交換機。第三層交換機支持內(nèi)部具有硬件的過濾器,能在不降低系統(tǒng)性能的情況下對所有數(shù)據(jù)包進行過濾,而且能根據(jù)從第二層到第七層的任意內(nèi)容對數(shù)據(jù)包進行過濾。


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