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一、Intranet交换
1.网络所面临的问题
随着网络规模的不断增大和语音、视频等多媒体业务的引入,对网络的交换和传送速率要求越来越高,传统的网络互连设备(如HUB、网桥和路由器)由于数据传输效率低,特别是对语音和视频这些对延迟敏感的业务的影响较大,已经不能完全适应网络规模发展的需要,发展以新的网络设备为基础的网络基础结构,引入新的技术已成为必然。
2.交换网络
常见的基于共享介质的以太网中的所有站点是采用公平竞争的方式访问网络,但现在人们希望能让每台主机都能有机会独享整个网络带宽,因而将电话网中的交换技术引入了计算机网络中。它的特点就是通过交换矩阵在源端和目的端之间建立专门的连接,与其它的连接互不影响,可以独享一定带宽。和传统的竞争方式完全不同,不需要监听和等待,主机只要想发送就可以立即发送,不受802.3协议中的2τ时间的限制。
在数据链路层采用交换技术加快网络内部数据的传输,由于数据链路层为OSI模型的第二层,所以又称为第二层交换。第二层交换的交换机可以根据一定的条件在第二层将整个交换网络划分成许多虚拟子网(VLANS),将原来大范围的广播分割为多个VLAN内的广播,这样就减少了许多不必要的大范围广播,从而有效地控制了广播风暴的发生。
各个VLAN在物理上虽属于同一个网络,但逻辑上是互相独立的,相互间无法互通,使得一些特殊部门的安全性有了一定的保障。但第二层交换机自己是不能将网络信息流量从一个VLAN转发到另一个VLAN去,因此需要将路由技术用于VLAN之间的通信,这就需要一种网络层功能的设备,传统上是将路由器作为路径选择设备,其优点是具有先进的国际互联和过滤服务功能。而缺点包括了物理局限性和高时延、低性能,另外路由器的价格变得越来越贵,设备也越来越复杂,不适用于Intranet快速交换的要求,性能又不能支持新一代数据密集、时延敏感的应用,所以需要新的路由技术及设备来补充。第三层交换和第三层交换机就是应这种需要产生的。
二、第三层交换
l.交换网络的路由技术
路由技术是交换网络中的重要组成部分,目前交换网络中的路由技术有三种:
(l)中央路由技术
中央路由技术是一种最为保守的方法,即第三层的路由器与第二层的交换机相结合的方法。由中央路由器完成VLAN之间的数据传输和建立与主干网连接的工作。在实际的应用中,中央路由器采用单端口路由器,它直接与交换网络中的一台交换机相连,不同子网间的数据包传送都要经过他的转发。
这种技术的优点是:中央路由器与传统的网络的兼容性比较好,可直接利用过去的设备,减少附加投资,比较适用于小规模交换网络。其薄弱之处在于路由处理上的延迟,将造成网络性能下降,因此如何尽量减少对路由器的使用,而多用交换机的高速的特点来建立网络结构成为追求的方向。
(2)边界路由技术
这种技术是将路由服务器与边界交换机相结合,以把路由器放在网络边界而得名。以往传统路由器都是同时具有寻径和转发的功能,而基于路由服务器的网络则由边界交换机完成信息的转发,而路由信息的确定由路由服务器完成。边界交换机只有在自己的地址表中找不到目标节点的地址时才访问路由服务器。
在正常情况下,产生的延迟与MAC层交换机延迟基本相同。边界路由技术在交换网络内部仍然没有完全摆脱对传统路由器的使用。
(3)分布式路由技术
该种技术的特点是使用了第三层交换机,将第二层的桥与第三层的路由和二为一,使得网络的路由功能分布于整个网络中的各个交换节点上。
由于第三层交换机兼具第二和第三层功能,因而它能支持大多数同一虚拟网之间节点的通信,还能够完成广播域的隔离,同时用它来代替传统的路由器在VLANS之间来完成路由寻径。可以降低时延,完成数据包的快速转发。对应用而言,这种技术在价格上的优势也非常明显,它所采用的第三层交换机的价格与同类性能的路由器相比,要便宜得多。而且在实际的应用中,并不一定要在每个交换节点全用第三层交换机,可以和第二层交换机混合使用。
从以上的介绍可以看出,交换网络的发展就是要使交换技术成为网络的主导,减少或完全摆脱在交换网络内部对传统路由器的使用,以克服其高价格、高时延、低性能的缺点。但也并不是说传统路由器就没有市场了,作为内部网络与WAN的网关,还没有其他设备能代替它,因为此时,对协议支持、安全和管理及应用的要求已高过了对时延、性能和价格的要求。
2.传统路由技术和第三层交换技术
(1)基于软件的传统路由技术
传统的路由分为三个核心部分:
路由表的管理——通过使用RIP、OSPF和BGP协议与其他路由设备交换路由信息来建立和维护路由表。
路由查询——检查每一个输入的数据包,确定它应该采用哪条路径通过网络。
第三层转发——重构数据报头,将数据包发往下一个路由设备(或目的站点)。
图
在这三部分中,以路由表的建立和路由表的查询为路由技术的重点,一个数据包要在路由表中找到自己需要的路径信息,必须经过计算和比较,而这些操作都是基于软件来完成,速度慢,如果路由表较大,这一过程需要相对较长的时间,必然造成传统路由器的低性能和高时延。因此要求有新的技术来加快数据包获取路径信息的速度,这就是第三层交换等快速IP转发技术出现的原因。
(2)第三层交换
第三层交换的概念就是将网络层的功能融入交换机,以交换机的性能完成路由器的功能。实现这一功能的设备称为第三层交换机。前面介绍的边界路由器技术和分布式路由技术,都属于第三层交换的范畴,因为它们都不同程度地使交换机完成路由的功能,第三层交换的具体实现可分为两大类:
第一类是在交换机上增加第三层转发模块,将路由的三个核心过程中的第三层转发部分以硬件形式来实现,同时优化路径查询的路由算法。这种新的路由算法是基于“路径缓存”的方法,它分为:智能路径选择和快速转发。智能路径选择是需要CPU的密集计算和费时的工作,它通过对地址的解析和路径的选择输出一个简单的转发缓存区。快速转发通过使用该数据缓存的信息,利用交换机实现数据的快速传输。从而完成了VLAN与WAN间的数据转发。由于在缓存中的查询并不复杂,CACHE的更新也只是简单的读人读出。因此将CACHE的功能用硬件来实现是可能的。这样即可以尽最减少对CPU宝贵资源的占用,同时也可以大幅度地提高交换速度。
第二类方法也是需要在交换机上加载第三层转发模块,但其转发功能完全由硬件实现。其中包括三个核心过程中的路由查询、第三层转发,另外如多址广播等也都由硬件实现,充分利用了硬件处理速度快的优势。路由三个核心操作中的路由表管理部分由于网络动态变化太大,而且管理协议操作复杂,不适宜硬件来实现,它仍然需要直接通过软件控制和CPU处理。但这并不影响数据包的快速转发,因为他们大部分情况下是并行进行的。这种基于硬件的方式更类似于第二层交换。
(3)第三层交换机的特点
第一,第三层交换机就是路由器,它能做一个传统路由器对数据包所做的每件事:
根据第三层的信息确定数据包的传输路径。
通过校验和保证数据包的完整性。
更新数据包的TTL。
处理和响应任何数据包中的选项信息。
在需要的情况下应用安全控制。
第三层交换机主要是被设计去处理高性能需要的网络,能放置在网络核心和主干上的任何位置,可轻易和有效地替换传统路由器,并且使用RIP和OSPF的路由协议与WAN路由器通信。
第二,第三层交换机能支持第二层交换机所划分的VLANS,这有利于路由器和第二层交换机构成的网络向第三层交换机组成的网络转移。
第三,第三层交换机能提供有效的应用策略。除了支持安全、流量均衡和协议的选项处理外,还可以提供诸如QOS和COS等新策略,这是传统路由器所没有的。
第四,第三层交换机所组成的网络更易于管理。一方面由于路由器和交换机合二为一,整个网络中需要管理的设备减少了,而且不用再为路由器和交换机间的配合动脑筋了。另一方面,第三层交换机设置简单易行,不象传统路由器那样需要额外的培训和熟悉大量的指令。第三方面,他还支持RMON和RMON2的协议。
第五,第三层交换机的性价比高。单端口的价格只有传统路由器的几分之一,而性能往往优于传统的路由器。
第三层交换机与传统路由器的比较。
从比较可以看出在Intranet网中,第三层交换机确实优于传统的路由器,因此现在逐渐将传统的路由器推向网络的边缘,主要提供WAN的接入服务。
1.网络所面临的问题
随着网络规模的不断增大和语音、视频等多媒体业务的引入,对网络的交换和传送速率要求越来越高,传统的网络互连设备(如HUB、网桥和路由器)由于数据传输效率低,特别是对语音和视频这些对延迟敏感的业务的影响较大,已经不能完全适应网络规模发展的需要,发展以新的网络设备为基础的网络基础结构,引入新的技术已成为必然。
2.交换网络
常见的基于共享介质的以太网中的所有站点是采用公平竞争的方式访问网络,但现在人们希望能让每台主机都能有机会独享整个网络带宽,因而将电话网中的交换技术引入了计算机网络中。它的特点就是通过交换矩阵在源端和目的端之间建立专门的连接,与其它的连接互不影响,可以独享一定带宽。和传统的竞争方式完全不同,不需要监听和等待,主机只要想发送就可以立即发送,不受802.3协议中的2τ时间的限制。
在数据链路层采用交换技术加快网络内部数据的传输,由于数据链路层为OSI模型的第二层,所以又称为第二层交换。第二层交换的交换机可以根据一定的条件在第二层将整个交换网络划分成许多虚拟子网(VLANS),将原来大范围的广播分割为多个VLAN内的广播,这样就减少了许多不必要的大范围广播,从而有效地控制了广播风暴的发生。
各个VLAN在物理上虽属于同一个网络,但逻辑上是互相独立的,相互间无法互通,使得一些特殊部门的安全性有了一定的保障。但第二层交换机自己是不能将网络信息流量从一个VLAN转发到另一个VLAN去,因此需要将路由技术用于VLAN之间的通信,这就需要一种网络层功能的设备,传统上是将路由器作为路径选择设备,其优点是具有先进的国际互联和过滤服务功能。而缺点包括了物理局限性和高时延、低性能,另外路由器的价格变得越来越贵,设备也越来越复杂,不适用于Intranet快速交换的要求,性能又不能支持新一代数据密集、时延敏感的应用,所以需要新的路由技术及设备来补充。第三层交换和第三层交换机就是应这种需要产生的。
二、第三层交换
l.交换网络的路由技术
路由技术是交换网络中的重要组成部分,目前交换网络中的路由技术有三种:
(l)中央路由技术
中央路由技术是一种最为保守的方法,即第三层的路由器与第二层的交换机相结合的方法。由中央路由器完成VLAN之间的数据传输和建立与主干网连接的工作。在实际的应用中,中央路由器采用单端口路由器,它直接与交换网络中的一台交换机相连,不同子网间的数据包传送都要经过他的转发。
这种技术的优点是:中央路由器与传统的网络的兼容性比较好,可直接利用过去的设备,减少附加投资,比较适用于小规模交换网络。其薄弱之处在于路由处理上的延迟,将造成网络性能下降,因此如何尽量减少对路由器的使用,而多用交换机的高速的特点来建立网络结构成为追求的方向。
(2)边界路由技术
这种技术是将路由服务器与边界交换机相结合,以把路由器放在网络边界而得名。以往传统路由器都是同时具有寻径和转发的功能,而基于路由服务器的网络则由边界交换机完成信息的转发,而路由信息的确定由路由服务器完成。边界交换机只有在自己的地址表中找不到目标节点的地址时才访问路由服务器。
在正常情况下,产生的延迟与MAC层交换机延迟基本相同。边界路由技术在交换网络内部仍然没有完全摆脱对传统路由器的使用。
(3)分布式路由技术
该种技术的特点是使用了第三层交换机,将第二层的桥与第三层的路由和二为一,使得网络的路由功能分布于整个网络中的各个交换节点上。
由于第三层交换机兼具第二和第三层功能,因而它能支持大多数同一虚拟网之间节点的通信,还能够完成广播域的隔离,同时用它来代替传统的路由器在VLANS之间来完成路由寻径。可以降低时延,完成数据包的快速转发。对应用而言,这种技术在价格上的优势也非常明显,它所采用的第三层交换机的价格与同类性能的路由器相比,要便宜得多。而且在实际的应用中,并不一定要在每个交换节点全用第三层交换机,可以和第二层交换机混合使用。
从以上的介绍可以看出,交换网络的发展就是要使交换技术成为网络的主导,减少或完全摆脱在交换网络内部对传统路由器的使用,以克服其高价格、高时延、低性能的缺点。但也并不是说传统路由器就没有市场了,作为内部网络与WAN的网关,还没有其他设备能代替它,因为此时,对协议支持、安全和管理及应用的要求已高过了对时延、性能和价格的要求。
2.传统路由技术和第三层交换技术
(1)基于软件的传统路由技术
传统的路由分为三个核心部分:
路由表的管理——通过使用RIP、OSPF和BGP协议与其他路由设备交换路由信息来建立和维护路由表。
路由查询——检查每一个输入的数据包,确定它应该采用哪条路径通过网络。
第三层转发——重构数据报头,将数据包发往下一个路由设备(或目的站点)。
图
在这三部分中,以路由表的建立和路由表的查询为路由技术的重点,一个数据包要在路由表中找到自己需要的路径信息,必须经过计算和比较,而这些操作都是基于软件来完成,速度慢,如果路由表较大,这一过程需要相对较长的时间,必然造成传统路由器的低性能和高时延。因此要求有新的技术来加快数据包获取路径信息的速度,这就是第三层交换等快速IP转发技术出现的原因。
(2)第三层交换
第三层交换的概念就是将网络层的功能融入交换机,以交换机的性能完成路由器的功能。实现这一功能的设备称为第三层交换机。前面介绍的边界路由器技术和分布式路由技术,都属于第三层交换的范畴,因为它们都不同程度地使交换机完成路由的功能,第三层交换的具体实现可分为两大类:
第一类是在交换机上增加第三层转发模块,将路由的三个核心过程中的第三层转发部分以硬件形式来实现,同时优化路径查询的路由算法。这种新的路由算法是基于“路径缓存”的方法,它分为:智能路径选择和快速转发。智能路径选择是需要CPU的密集计算和费时的工作,它通过对地址的解析和路径的选择输出一个简单的转发缓存区。快速转发通过使用该数据缓存的信息,利用交换机实现数据的快速传输。从而完成了VLAN与WAN间的数据转发。由于在缓存中的查询并不复杂,CACHE的更新也只是简单的读人读出。因此将CACHE的功能用硬件来实现是可能的。这样即可以尽最减少对CPU宝贵资源的占用,同时也可以大幅度地提高交换速度。
第二类方法也是需要在交换机上加载第三层转发模块,但其转发功能完全由硬件实现。其中包括三个核心过程中的路由查询、第三层转发,另外如多址广播等也都由硬件实现,充分利用了硬件处理速度快的优势。路由三个核心操作中的路由表管理部分由于网络动态变化太大,而且管理协议操作复杂,不适宜硬件来实现,它仍然需要直接通过软件控制和CPU处理。但这并不影响数据包的快速转发,因为他们大部分情况下是并行进行的。这种基于硬件的方式更类似于第二层交换。
(3)第三层交换机的特点
第一,第三层交换机就是路由器,它能做一个传统路由器对数据包所做的每件事:
根据第三层的信息确定数据包的传输路径。
通过校验和保证数据包的完整性。
更新数据包的TTL。
处理和响应任何数据包中的选项信息。
在需要的情况下应用安全控制。
第三层交换机主要是被设计去处理高性能需要的网络,能放置在网络核心和主干上的任何位置,可轻易和有效地替换传统路由器,并且使用RIP和OSPF的路由协议与WAN路由器通信。
第二,第三层交换机能支持第二层交换机所划分的VLANS,这有利于路由器和第二层交换机构成的网络向第三层交换机组成的网络转移。
第三,第三层交换机能提供有效的应用策略。除了支持安全、流量均衡和协议的选项处理外,还可以提供诸如QOS和COS等新策略,这是传统路由器所没有的。
第四,第三层交换机所组成的网络更易于管理。一方面由于路由器和交换机合二为一,整个网络中需要管理的设备减少了,而且不用再为路由器和交换机间的配合动脑筋了。另一方面,第三层交换机设置简单易行,不象传统路由器那样需要额外的培训和熟悉大量的指令。第三方面,他还支持RMON和RMON2的协议。
第五,第三层交换机的性价比高。单端口的价格只有传统路由器的几分之一,而性能往往优于传统的路由器。
第三层交换机与传统路由器的比较。
从比较可以看出在Intranet网中,第三层交换机确实优于传统的路由器,因此现在逐渐将传统的路由器推向网络的边缘,主要提供WAN的接入服务。