第三层网络交换技术

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  本文阐述了当前迅速发展的第三层交换技术的优势及其内部通信交换机制,并详尽地说明了第三层交换技术如何实现路由功能。
  继Internet的出现,Intranet已成为目前计算环境中最热门的话题。由于Intranet采用了与Internet相同的协议和Browse/Server模式,大大方便了企业的网络应用,也显著地扩充了企业对内、外信息的传输需求。随着这种需求的增加以及随之而来的人们对信息传输控制能力的要求,促使了传统局域网从“介质共享”向“交换”方式演进。特别是Intranet具有的“任意到任意”的数据流量也打破了传统的工作组子网流量模式。
  就网络交换技术而言,“交换”主要有帧交换和信元交换。信元交换为ATM采用的交换技术,由于实现的技术较为复杂,目前成本较高。而在传统帧交换技术基础上发展起来的第三层交换技术,以其经济、实用、可提升性受到广大用户的欢迎。局域网交换机对提高网络性能起了很大的作用。但是,由于一般的交换机仅能提供OSI网络七层模型中的第二层,即数据链路层的交换功能,无法在网络层进行操作。因此,不同网段之间的隔离和信息传输就必须由路由器来承担。随着网络的演进,100M高速以太网的出现,路由器在网段之间通信中造成的时延越来越成为网络信息传输的瓶颈。第三层交换技术的出现,解决了大规模局域网中各子网段之间网络信息传输的瓶颈问题,取代了昂贵的路由器,成为一种实用、经济的组网技术而得到业界的肯定。
  
  一、 交换技术与路由技术
  
  “交换”和“路由”在网络中属不同层次的模型。“交换”是属网络七层参考模型的第二层——数据链路层的作业,而“路由”则属于第三层——网络层的作业。在局域网中,交换技术是对共享的局域网进行最有效的网段划分,而使网上的每个用户尽可能分享到最大带宽的网络技术。它在OSI网络七层模型中的第二层——数据链路层进行操作。“交换”是在数据链路层对数据帧采用“点对点”的方式而非“广播”方式进行转发。这种转发是以以太网或令牌环的介质存取控制(MAC)地址为基础,每台以太网设备出厂时都有一个唯一的MAC地址。一般交换机都有若干物理端口,它在工作时会不断地收集资料去建立一个地址表,主要标明某个MAC地址是在哪个端口发现的,从而建立起每个端口地址与MAC地址的映射。当交换机收到一个以太网数据帧时,它会提取数据帧标识部分的MAC目的地址,并查阅地址表以确定把数据帧发往哪个端口。由于此过程是通过ASIC (专用集成电路)实现,所以,转换速度极高,一般在几十微秒以下。但是,有些情形是例外的。如果MAC目的地址不能在其地址表中找到,交换机就会象收到一个广播数据帧一样,把该数据帧“扩散”到网上的所有端口。这又使网络从“交换”回转到“介质共享”的广播方式,降低了网络的整体效率。这正是传统二层交换器的弱点所在。
  “路由技术”是在不同的网段中从源机器到目标机器之间,通过运用某种算法机制,选择出一条最有效、最可靠的通信路径的技术。它是在OSI网络七层模型中的第三层——网络层进行操作,依照提取数据包标识部分的网络地址和存于路由器内存中的路由分配表来转发数据包。在传统网络结构中,为减少广播封包占用的带宽,缓解网络通信的压力,采用了“网段微化”技术。将局域网划分为若干用户组子网,用以保证各子网的带宽被有效地利用,而子网间的通信统统交给路由器来完成。在相当长的一段时期,路由器不仅对网络的广播封包进行了有效的隔离,而且对网际间的通信也发挥着重要的作用。但是,由于网络结构和规模的日趋复杂,使这种路径选择技术复杂性增加。系统既要应付用户的数据处理要求(如不同的通信协议等),还要不断地和其他网点交换、更新路径的信息。诸如某两点是通过何种速度的线路连接工作,连接线路的可靠性如何,各级网关的工作状态怎样等等,这些工作就要由路由器来完成。正是由于路由器处理数据通信机制复杂,甚至要处理第四层——传输层的某些优化应用,因此大都是用软件来完成,处理一个数据包的时间一般都在几百微秒以上。随着网络的复杂性增加,它在数据传输中越来越显得力不从心。特别是在100Mb的高速网络中,造成的时延极易成为网络数据通信的瓶颈。当然,对于广域网线路传输速率在Kb级范围,路由器的几百微秒时延并不会对数据通信构成什么影响。
  第三层交换技术就是将第二层交换技术和精简路由技术有机的结合起来。根据局域网的特点精简了路由技术原有复杂机制,使连接在一台交换机的所有网点,可根据网点间的通信要求采用不同层次的数据包转发方式。即在同一子网内采用第二层交换,在不同的子网之间采用第三层交换。而所有这些交换都是通过专用集成电路实现,提供线速转换,从而使局域网的带宽得到更有效地使用。特别是在100Mb的高速网络中,更能发挥其潜在的优势和能力。
  
  二、三层交换与TCP/IP
  
  TCP/IP协议是目前运用最成功的的网络体系结构和协议规程。为INTERNET 提供了最基本的网络通信功能,使整个参加INTERNET互联的主机,不论距离远近都能实现资源共享。TCP/IP的结构模型是四层结构,比ISO国际标准结构少三层。即物理层、网络层、传输层、应用层。


  所有采用TCP/IP协议通信的主机都具有一个唯一的IP地址。IP地址是由四个字节,32位组成,表示其网络地址和主机地址。IP地址共分A、B、C三类,以前一、二、三个字节分别表示其网络地址,后三、二、一个字节分别表示其主机地址。另外,还有一个IP地址的掩码(Netmask),用以方便机器区分其对应的IP地址所处的网络位置。网上的任何站点与其他站点通信时,都要知道它的IP地址。但光知道接受站的IP地址,不知道其发送所需的MAC地址是无法完成发送的。于是发送站需要比较彼此的IP地址掩码,得知其地址是否同处一子网。如果两个站点在同一子网中,发送站就要发出一个寻址的广播ARP (Address Resolution Protocol)请求,用以确认接受站的IP地址并要求接受站回应其MAC地址。当发送站得到接受站的MAC地址后,就将该地址保存于缓冲区中并开始将数据包传送到接受站。此时,这种传送若在共享网中,将是用广播的方式进行,其他站点均不得进行信息传送;而在交换网中,这些带有MAC地址的数据包通过交换机中的MAC的地址表确定其发送的物理端口,然后将数据包发送出去。其他端口照样可以进行信息传送,这就是第二层交换。
  如果两个站点不在同一子网中,发送站则要通过一个“缺省网关”(通常为路由器)将数据转发出去。发送站就要发出一个“缺省网关”IP地址的寻址的广播ARP请求。当处于发送站子网中的路由器收到一个寻址的广播ARP请求后,路由器首先确定接受站属于哪个子网及其转发的路由信息,然后路由器发回一个回复封包,告诉发送站将数据发送到其MAC地址。路由器收到数据包后,便会向目的IP地址所属的子网发出寻址的广播ARP请求,当收到目的IP地址所属子网路由器的MAC地址后,即将该信息保存于缓冲区并重新改装数据包标头,将其转发到下一个路由器。这样从一个路由器到另一个路由器地传送,直至达到接受站点为止。这是典型的网间路由转发,与其说适合于局域网,不如说更适合于广域网。正如前文所叙,路由器对于10 M的局域网尚显得力不从心,对于100M的局域网就极易造成网络的瓶颈。
  以上过程在交换机中,路由器被内置的第三层转发功能模块所取代,“缺省网关” 的IP地址实际上是指向该模块。当发送站发出一个对“缺省网关”IP地址的寻址的广播ARP请求,交换机将回应其内置转发模块的MAC地址。而当发送站开始发送带有这个MAC地址的数据包时,交换机的第二层交换内核将数据包直接传送到第三层转发模块。这时,转发模块如不知道目的接受站的MAC地址时,也将向外广播一个目的接受站的IP地址寻址请求,以获得目的接受站的MAC地址并将其记录下来(以后若再遇到发往该站的数据就不再重复此过程)。然后,在数据包中的标头部分指向内置转发模块的MAC地址将被替换成目的接受站的MAC地址,送回给第二层交换内核,最终由其确定发送的物理端口将数据包发送出去。这就是第三层交换。由于以上过程较路由转发的机制简洁,又是通过硬件实现,转发速度极快,所以特别适合于高速局域网。由此看出,三层交换机的出现大大动摇了路由器在网络中的地位。传统的路由器将逐步地退出局域网范围,而在广域网中发挥其作用。
  综上所述,在ATM技术尚未完善的情况下,第三层交换技术不仅取代了昂贵的路由器在局域网中的大部分功能,而且解决了大型局域网的子网段之间的数据传输瓶颈问题。在未来的一段时期内将作为一种经济、实用、先进的交换式组网技术得到普及和发展,并为最终实现向ATM技术平滑过渡打下坚实的基础。
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