局域網(wǎng)交換機(jī)技術(shù)及其發(fā)展趨勢

2019-11-03 10:11:38

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供稿：網(wǎng)友

局域網(wǎng)交換機(jī)技術(shù)及其發(fā)展趨勢（湯九斌許世民）摘要著重介紹了局域網(wǎng)交換機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞局域網(wǎng)交換機(jī) 線速交換第三層交換 QOS 虛擬局域網(wǎng) 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，局域網(wǎng)的作用已從最初的主機(jī)連接、文件和打印服務(wù)，轉(zhuǎn)向圍繞著客戶機(jī)／服務(wù)器模式的大數(shù)據(jù)流應(yīng)用、Intranet、WWW瀏覽、實時音頻／視頻傳送等服務(wù)，日益龐大及增長的數(shù)據(jù)流持續(xù)增加了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。同時，由于基于工作組或部門級的服務(wù)器解決方案被企業(yè)級服務(wù)器所替代，促使數(shù)據(jù)流向發(fā)生了根本變化，網(wǎng)絡(luò)主干的地位進(jìn)一步得到提高。這些都促使局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)從網(wǎng)橋技術(shù)、主干路由技術(shù)向局域網(wǎng)交換技術(shù)過渡。交換技術(shù)的發(fā)展為局域網(wǎng)交換機(jī)提供了一個空前的發(fā)展機(jī)遇，也極大地促進(jìn)了局域網(wǎng)交換機(jī)技術(shù)與產(chǎn)品的更新?lián)Q代。1局域網(wǎng)交換機(jī)體系結(jié)構(gòu) 從目前局域網(wǎng)交換機(jī)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀而言，其體系結(jié)構(gòu)大致有以下幾種。（1）總統(tǒng)結(jié)構(gòu) 基于總線結(jié)構(gòu)的交換機(jī)一般分為并行總線和共享內(nèi)存型總線兩大類。并行總統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用由一種介質(zhì)組成的單塊背板，模塊之間的所有信息流都必須經(jīng)過這條總線進(jìn)行傳輸。數(shù)據(jù)利用時分多工傳輸（TDM）方式在總線上傳輸。基于總線結(jié)構(gòu)的交換機(jī)背板最高容量平均為2Gb/s。共享內(nèi)存型交換機(jī)使用大量的高速RAM來存儲輸入數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)直接從存儲器傳輸?shù)捷敵鋈鹂冢蚨@種設(shè)計完全不需要背板。這類交換機(jī)比較容易實現(xiàn)，但在擴(kuò)展到一定程度時內(nèi)存操作會產(chǎn)生延遲。其次，由于在這種設(shè)計中增加冗余交換引擎不僅復(fù)雜而且成本高，所以這種交換機(jī)不可避免地存在單故障隱患。故共享內(nèi)存型交換機(jī)適合于小系統(tǒng)、誰疊式系統(tǒng)或較大系統(tǒng)中的分布式交換模塊。（2）點對點結(jié)構(gòu) 點對點結(jié)構(gòu)交換機(jī)又稱為縱橫制交換機(jī)或矩陣交換機(jī)。結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性與其實現(xiàn)方法有關(guān)，已知容量可以擴(kuò)展到100G/s。成本和復(fù)雜性高是這種交換機(jī)容量增加的主要限制因素。在點對點交換機(jī)的全矩陣實施方案中，每個模塊都通過連線直接連至其他模塊，形成了全網(wǎng)狀背板。由于每個模塊都有自己的一組連接線，因而不必設(shè)置中央交換陣列。背板總?cè)萘康扔谶B接線的總線[N×（N-1）]乘以一條點對點鏈路的傳輸速度（目前容量已達(dá)到1Gb／s或更高）。矩陣點對點交換機(jī)的分布式交換設(shè)計不需要中央交換陣列，但由于網(wǎng)狀連接的幾何性質(zhì)，這種交換機(jī)在擴(kuò)大端口數(shù)目時會造成模板成本迅速增加。同時每個模塊都提供網(wǎng)狀連接，擴(kuò)容時還要重復(fù)提供系統(tǒng)時鐘和控制功能。某些矩陣交換機(jī)的實施方案為了降低成本而減少了模塊上的緩沖器容量。減少緩沖器容量勢必引起阻塞現(xiàn)象的發(fā)生。因此，盡管模塊之間仍然是全網(wǎng)狀連接，但這種交換機(jī)的背板容量還是小于標(biāo)稱的總傳輸速度，這對于核心的主干應(yīng)用是一個嚴(yán)重的缺陷。（3）星形連接的點對點結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)多應(yīng)用于ATM交換機(jī)中。這種實施方案比矩陣交換機(jī)的分布交換結(jié)構(gòu)簡單得多。星形接法的互連設(shè)計用中央交換陣列去取代以太網(wǎng)狀的模塊連接線。每個星報接法的模塊只接到中央交換陣列，在需要有冗余能力時還要連接到備份交換陣列中。由于每個模塊不必自配高性能的交換陣列，整個設(shè)計只使用兩個中央陣列，所以其成本低于含有3個或更多模塊的任何網(wǎng)狀設(shè)計。與網(wǎng)狀設(shè)計方案相比，星形結(jié)構(gòu)的點對點設(shè)計還有更好的可擴(kuò)展性。該設(shè)計在模塊與中央陣列之間可設(shè)置任何數(shù)目的連線（稱為背板互連線）。因此互連線的最終傳輸容量取決于中央陣列和模塊的交換能力，不是取決于互連線自身。例如在一個10模塊的機(jī)箱中，可以給每個模塊配置兩條互連線，每條互連線的速度為1Gb／s，即模塊與中央陳列之間的帶寬有2Gb／s。在這種方式下，交換機(jī)的總?cè)萘磕苓_(dá)到對20Gb/s。綜上所述，要提供更大的帶寬和更快的速度，點對點連接是交換結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。矩陣點對點交換造價高昂，可擴(kuò)展性差，不適合于大端口量的交換機(jī)；星形點對點連接方案雖然絕對帶寬不如矩陣連接，但通過優(yōu)化可以獲得很高的性能，且復(fù)雜度低得多，目前看來，它是大容量交換機(jī)的最佳方案；共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度要低得多，但采用了優(yōu)化設(shè)計和分布處理技術(shù)后，也能達(dá)到很高的性能，因此在相當(dāng)一段時間內(nèi)，它能滿足大多數(shù)企業(yè)的需要，仍是局域網(wǎng)交換機(jī)的主流產(chǎn)品。2局域網(wǎng)交換機(jī)核心技術(shù) 在今后局域網(wǎng)交換機(jī)發(fā)展過程中，以下幾方面的技術(shù)是其核心所在。2.1 線速交換線速交換，顧名思義，就是使交換速度達(dá)到傳輸線上的數(shù)據(jù)傳輸速度，消除交換瓶頸。實現(xiàn)線速交換的核心是ASIC技術(shù)，用硬件實現(xiàn)協(xié)議解析和包轉(zhuǎn)發(fā)，而不是傳統(tǒng)的軟件處理方式（通過一個CPU）。線速交換有設(shè)計簡單、高可靠性、低功耗、高性能等優(yōu)點。線速交換的實現(xiàn)還依賴于分布式處理技術(shù)，使得多個端口的數(shù)據(jù)流能同時進(jìn)行處理。所以它一般是CPU，RISC，ASIC并用的并行處理體系。2.2第三層交換普通交換機(jī)工作在OSI7層模型的第二層，即數(shù)據(jù)鏈路層，交換以MAC地址為基礎(chǔ)。ip處于OSI協(xié)議棧的第三層，通常由路由器通過軟件實現(xiàn)網(wǎng)間互連。路由器價格昂貴且轉(zhuǎn)發(fā)速度慢，越來越成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。第三層交換就是借助于線速交換技術(shù)，把路由功能集成到交換機(jī)中，這種交換機(jī)稱為路由交換機(jī)或第三層交換機(jī)。第三層交換在各個網(wǎng)絡(luò)層次上都能實現(xiàn)線速交換，性能有大幅度的提高。同時，它保留了第三層上的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和服務(wù)。這些結(jié)構(gòu)和服務(wù)在網(wǎng)絡(luò)分段、安全性、可管理性和抑制廣播等方面具有很大優(yōu)勢，它有鑒別各種應(yīng)用層協(xié)議的能力，有助于實現(xiàn)基于策略的網(wǎng)絡(luò)控制，所以借助硬件在第三層實現(xiàn)主要的路由協(xié)議（如IP、IPX和APPLETALK是絕對必要的。第三層交換機(jī)的目標(biāo)是取代現(xiàn)有的路由器。它們提供子網(wǎng)間的信息流通信，使通信速度從數(shù)百個數(shù)據(jù)包每秒提高到數(shù)百萬個數(shù)據(jù)包每秒。第三層交換旨在高速轉(zhuǎn)發(fā)多種協(xié)議，或提供防火墻以保護(hù)網(wǎng)絡(luò)資源，或?qū)崿F(xiàn)帶寬的預(yù)留。下一代骨干網(wǎng)的核心交換機(jī)都將是第三層交換機(jī)。2.3QoS QOS要通過業(yè)務(wù)分類、優(yōu)先級劃分、多點選播、流量控制、數(shù)據(jù)過濾和虛擬專網(wǎng)等措施來保證，交換機(jī)要能提供控制和機(jī)制，保證這些功能的實現(xiàn)。ATM在這方面獨具優(yōu)勢，可以說是不可替代的。將來的局域網(wǎng)將是以大網(wǎng)和ATM混合的網(wǎng)絡(luò)，所以現(xiàn)在有些網(wǎng)絡(luò)采用ATM作為局域網(wǎng)交換機(jī)。 ATM是面向連接的技術(shù)，是理想的骨干網(wǎng)解決方案。它在每個連接的基礎(chǔ)上提供真實的服務(wù)質(zhì)量，允許話音、視頻和數(shù)據(jù)的綜合傳輸。因為它保證了必要的帶寬和時延特性，同時保證每個呼叫不會受到骨干網(wǎng)上其他呼叫的影響。對于像視頻會議和視頻點播這類應(yīng)用來說，QOS是非常重要的。但ATM到桌面代價太高，效率并不理想，所以各種IP與ATM的混合模式一直在發(fā)展。無論何種制式，從實現(xiàn)上看，QoS主要依賴于ASC，RISC和并行處理技術(shù)。2.4ATM與以太網(wǎng)的結(jié)合技術(shù) ATM與以太網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合有其必要性，為了使ATM和傳統(tǒng)的以太網(wǎng)共存，ATM論壇提供的LANE規(guī)范較好地解決了這一問題。LANE使得ATM使用任何數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來支持標(biāo)準(zhǔn)的、可互操作的網(wǎng)絡(luò)互連。作為一項成熟的技術(shù)，LANE在協(xié)議棧中位于AAL之上，提供第二層的局域網(wǎng)協(xié)議橋。它允許天連接的、廣播式的以太交換局域網(wǎng)在面向連接的ATM網(wǎng)絡(luò)上透明地仿真，允許局域網(wǎng)設(shè)備之間自由地通信或跨越ATM網(wǎng)段連接到ATM設(shè)備上去，從而使得局域網(wǎng)的高帶寬、低成本的特性與ATM的高可靠性有機(jī)地結(jié)合起來。2.5虛擬局域網(wǎng)（VLAN）技術(shù) VLAN技術(shù)定義的是一個邏輯廣域網(wǎng)。其中基于端口的VLAN是VLAN關(guān)聯(lián)最簡單的一種形式，從網(wǎng)絡(luò)管理的角度看，此時VLAN是一組可以互換單一播送和廣播數(shù)據(jù)包的局域網(wǎng)交換機(jī)上的端口。當(dāng)一個數(shù)據(jù)包從一個屬于某一VLAN的端口進(jìn)行廣播時，交換機(jī)收到數(shù)據(jù)包然后拷貝到這一VLAN所包括的所有端口上。一些局域網(wǎng)交換機(jī)還允許一個VLAN跨越到多臺交換機(jī)的端口上，盡管這需要依賴于一些附加的用于交換機(jī)之間進(jìn)行VLAN信息通信的協(xié)議。除此之外，交換機(jī)還可以采用其他的基于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包內(nèi)部信息的 VLAN關(guān)聯(lián)策略，如MAC、網(wǎng)絡(luò)分層信息（包括通過協(xié)議類型和／或IP地址）及組播組。但除了基于端口的VLAN在眾多供應(yīng)商的產(chǎn)品中得到實現(xiàn)之外，其他幾種VLAN技術(shù)都仍有待于獲得廣泛的接受和標(biāo)準(zhǔn)化。 VLAN有許多優(yōu)點，其中包括能夠把分散在任何地點的一些用戶組織成高性能的工作組，用戶可以方便地在園區(qū)內(nèi)變更工作地點，提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性。但是，如果VLAN不是用簡便的管理工具來實現(xiàn)的話，其代價將是網(wǎng)絡(luò)管理難度和成本的增加。在實施VLAN時必須考慮4個主要問題，一是在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)如何定義VLAN；二是在多臺交換機(jī)上用何種方法進(jìn)行VLAN成員信息交流最好；三是VLAN配置應(yīng)自動化到何種程度；四是如何在不同VLAN之間傳輸。用戶們需要選擇一種能夠經(jīng)濟(jì)有效地獲得VLAN所能提供的優(yōu)勢的解決方案。3局域網(wǎng)交換機(jī)發(fā)展趨勢一般認(rèn)為，局域網(wǎng)交換機(jī)的技術(shù)發(fā)展趨勢離不開交換技術(shù)的發(fā)展。交換技術(shù)從目前來講可分為第二層交換和第三層交換。第二層交換是OSI第二層或稱MAC層的交換；而第三層交換或稱網(wǎng)絡(luò)層交換，則提供了更高層的服務(wù)，如路由功能等。不同層次的交換應(yīng)用的驅(qū)動方式也不盡相同。最早的交換機(jī)是基于一般用途處理器的，這些RISC（縮減指令系統(tǒng)計算）和CISC（復(fù)雜指令系統(tǒng)計算）是通過其內(nèi)部軟件來提供高層服務(wù)的，可以軟件升級，但其運行速度很慢，而且生產(chǎn)成本也較高。后來出現(xiàn)裝備ASIC的交換機(jī)，其運行速度較快，而且能批量生產(chǎn)、成本較低，但它卻失去了第一代產(chǎn)品所提供的靈活性和可編程能力。后來又出現(xiàn)了ASIC－RISC合并的產(chǎn)品，它集兩家之長，即ASIC優(yōu)良的性能價格比和RISC的靈活編程能力。現(xiàn)在最新的交換機(jī)構(gòu)是基于DSP（數(shù)字信號處理）的可高速運行又可編程的交換驅(qū)動編碼，可為不同的局域網(wǎng)技術(shù)（10MB／100MB／千兆以太網(wǎng)、FDDI、ATM）提供“個性化”的ASIC驅(qū)動。現(xiàn)在已經(jīng)把多層交換技術(shù)描述成為能夠支持各種局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的一個集成的、完整的解決方案，它將交換技術(shù)和路由技術(shù)智能化地有機(jī)結(jié)合起來。一個多層交換機(jī)從邏輯上可以被看成一個附帶有一個第三層轉(zhuǎn)發(fā)功能的第二層的交換設(shè)備，同時它與第三層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊采用高速互連。一組局域網(wǎng)端口界面的參數(shù)直接附屬于第二層交換的處理核心。就像一個傳統(tǒng)的路由器轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)用一樣，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點為了將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給不同干網(wǎng)，首先將IP數(shù)據(jù)包傳給第三層轉(zhuǎn)發(fā)功能模塊，該模塊具有一個或多個IP尋址器和MAC尋址器，然后再轉(zhuǎn)發(fā)給其他子網(wǎng)。總的看來，局域網(wǎng)交換機(jī)是向更快、更寬、更可靠的方向發(fā)展。多層交換技術(shù)是一個完整的、自我包容的、性能價格比高并具有良好擴(kuò)充性的解決方案。多層交換技術(shù)結(jié)合了局域網(wǎng)交換技術(shù)和路由技術(shù)最優(yōu)的特征，具有比傳統(tǒng)的基于路由器的局域網(wǎng)主干更高的性能價格比以及更強(qiáng)大的靈活性，必然成為今后的技術(shù)走向。隨著千兆以太網(wǎng)、虛擬局域網(wǎng)、IP協(xié)議交換技術(shù)等新技術(shù)的成熟，局域網(wǎng)交換機(jī)必定能承擔(dān)起新一代網(wǎng)絡(luò)基石之重任。

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