基于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的高層交換技術

2019-11-03 10:16:52

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供稿：網(wǎng)友

段曉東　　應偉鋒　　沈金龍　　摘要：隨著當前網(wǎng)絡應用的不斷進展，在傳統(tǒng)的底層交換，比如第二層、第三層交換的基礎上又出現(xiàn)了第四層、第七層等高層的交換技術。這些技術都是服務于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的。對這些高層交換技術進行了分析，并提出了Web交換機的概念。

　　關鍵詞：第四層交換，應用層交換，高層交換，Web交換機

　　目前，Internet上的信息量和業(yè)務量都呈現(xiàn)爆炸性的增長趨勢。不斷增長的負載和新的需求的出現(xiàn)，使得用單臺服務器處理應用服務的結構已成為過去，取而代之的是以單一虛擬ip地址（VIP）來代表整個服務器集群，由集群中的多臺服務器來分攤處理訪問流量。集群的組成部分也在發(fā)生變化，過去一臺Web服務器必須處理大部分的靜態(tài)內容，現(xiàn)在可以由應用服務、高性能數(shù)據(jù)庫和多媒體服務器等協(xié)同服務器集群來支持復雜的Web應用。

　　這些不斷增長的服務集群和服務的需求要求更高效率和更高服務質量的數(shù)據(jù)交換技術。與此同時，新的網(wǎng)絡體系結構和交換等級不斷出現(xiàn)。數(shù)據(jù)交換技術經(jīng)過了過去單純的電路交換逐漸發(fā)展到二層、三層甚至更高層的交換結構和結合。交換的內部機制也從存儲轉發(fā)、直接連通過渡到路由交換、三層交換以及最新是出的四層及更高層的交換手段。這些先進的交換技術在解決局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)絡的帶寬及容量問題上發(fā)揮了很好的作用。

　　一、傳統(tǒng)的二、三層交換

　　傳統(tǒng)的第二層交換技術是在最初的總線集線器和網(wǎng)橋的基礎上發(fā)展而成的。第二層交換一般用于局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換，是作為對共享式局域網(wǎng)提供有效的數(shù)據(jù)交換解決方案而出現(xiàn)的，它可以使每個用戶可能地分享到最大帶寬。

　　第二層交換技術是在OSI七層網(wǎng)絡模型中的第二層，即數(shù)據(jù)鏈路層進行操作的。它對數(shù)據(jù)包的轉發(fā)是建立在MAC地址（物理端口地址）基礎之上的。對于上層協(xié)議來說它是透明的。交換機在轉發(fā)數(shù)據(jù)包時無須知道數(shù)據(jù)報的IP地址，只需其物理地址即MAC地址。交換機在操作過程不斷地維護著一個簡單的地址表，它說明了某個MAC地址是在哪個端口發(fā)出數(shù)據(jù)包，整個過程全部是在硬件控制下實現(xiàn)的，因此速度相當快，大大的加速了數(shù)據(jù)包的傳輸。

　　第二層交換非常有利于建立LAN內部或者VLAN之間的數(shù)據(jù)交換，可以大大提高數(shù)據(jù)在LAN中的通信速度，但是第二層交換只是一種簡單的基于MAC層的數(shù)據(jù)交換，對一個LAN內的數(shù)據(jù)交換起著很大的提高作用，但是由于它只對第二層進行交換，所以對于不同的IP子網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交換還是要經(jīng)過路由器進行路由。在大數(shù)據(jù)量跨越子網(wǎng)的情況下，傳統(tǒng)的路由器又成為了網(wǎng)絡通信中的瓶頸，這個時候就引入了第三層交換的概念。

　　第三層交換就是將交換引入OSI參考協(xié)議的三層。第三層交換技術也稱為IP交換技術、交換路由技術。這是一種利用第三層協(xié)議中的IP數(shù)據(jù)包頭信息來加強第二層交換功能的機制。網(wǎng)絡中的大量數(shù)據(jù)往往越過本地的網(wǎng)絡在網(wǎng)際間傳送，因而路由器常常不堪重負地成為瓶頸。在這種情況下就要在源地址和目的地址之間有一條更為直接的第二層通路，就沒有必要經(jīng)過路由器轉發(fā)數(shù)據(jù)包。第三層交換使用第三層路由協(xié)議確定傳送路徑，此路徑可以只用一次，也可以存儲起來，供以后使用。之后數(shù)據(jù)包通過一條虛電路繞過路由器快速發(fā)送。最終目的是將數(shù)據(jù)通信時的路由次數(shù)降至最低。這樣的第三層交換式路由器比同樣的路由器性能上要提高一個數(shù)量級，一般稱之為路由交換機。

　　在第三層交換機連接的情況下，主機A跟主機B第一次通過交換機通信，中間的交換機便會把A和B的IP地址及它們的MAC地址記錄下來，當其它主機如C要和A或B通信時，針對C所發(fā)出的尋址封包，第三層交換機送出一個回復，告知A或B的MAC地址，以后C當然就會用A或B的MAC地址“直接”與其通信，不需要理會A、B和C屬不同的子網(wǎng)，它們之間均可直接知道對方的MAC地址來通信。這樣就不用每次通路由，避免每次路由操作這樣一個速度相對比較慢的過程。

　　將第二層交換和第三層交換結合在一起就成為通過第二層連接網(wǎng)絡，在子網(wǎng)中指引業(yè)務流，通過第三層交換或路由器將包從一個子網(wǎng)傳到另一個子網(wǎng)。目前結合2，3層交換的IP交換技術發(fā)展非常迅速，已經(jīng)提出了很多具體的實現(xiàn)方案，尤以ATM為代表的鏈路層結合MPLS,MPOA技術最為突出。

　　二、第四層交換技術

　　如同第二層交換跨越到了第三層交換一樣，為了進一步提高網(wǎng)絡的QoS引入了第四層交換的概念。第二層與第三層交換在解決局域網(wǎng)和網(wǎng)絡互聯(lián)的QoS問題了發(fā)揮了很好的作用，但是對于當前的網(wǎng)絡來說還是不夠的，還需要進一步提高性能，這就需要在更高層上引入交換的概念。

　　我們知道OSI協(xié)議參考模型定義了7層結構，網(wǎng)絡層上也就是第四層是傳輸層。傳輸層主要是負責端對端的通信。傳輸層有很多的協(xié)議，常用的有TCP,UDP協(xié)議。這些協(xié)議承載了許多不同的業(yè)務。這些業(yè)務通常由一些諸如HTTP,FTP,NFS,Telnet等協(xié)議來表示，而協(xié)議的類型由TCP或UDP端口地址來決定。就如同第二層的傳輸是依靠MAC地址來尋址，第三層的傳輸是依靠IP地址來尋址，那么第四層的主要表示就是端口地址，只有端口地址可以區(qū)分數(shù)據(jù)包是由哪個協(xié)議傳送的。協(xié)議的參考模型和對應的端口地址如圖1表示。

　　分配端口號的清單可以在RFC1700中找到。TCP/UDP端口號提供的附加信息可以為網(wǎng)絡交換機所利用，這是第4層交換的基礎。

　　第四層交換中數(shù)據(jù)包的傳輸不僅僅依據(jù)MAC地址（第二層交換）或源/目標IP地址（第三層路由），還要依據(jù)TCP/UDP端口地址（第四層地址）。也就是說第四層交換除了考慮三層的邏輯地址外還要考慮對端口地址的交換。如同上面所描述的一樣，端口地址代表了不同的業(yè)務協(xié)議，所以第四層交換不僅僅進行了物理上的交換，還包括了業(yè)務上的交換；第四層交換的交換域是由源端和終端IP地址、TCP和UDP端口共同決定的，因此，第四層交換機是真正的“會話交換機”。第四層交換機的構造如圖2所示。

　　由于帶有了業(yè)務信息，所以第四層交換機就帶有了業(yè)務智能，可以做出向何處轉發(fā)會話傳輸流的決定。對于Internet服務提供商或內容提供商來說，第四層交換的作用是尤其重要的。目前網(wǎng)絡上不斷增長的負載和需求使得用單臺服務器處理應用服務的結構已成為過去，一般的網(wǎng)絡服務提供商使用多種不同系統(tǒng)來支持一種應用的大型企業(yè)數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)在很多服務器上進行鏡像復制。第四層交換在這樣的情況下是大有可為的，可以將會話轉入性能最佳的機器上。

　　第四層交換尤其可以應用在以單一虛擬IP地址（VIP）來代表整個服務器集群的情況，具有第四層功能的交換機能夠起到與服務器相連接的“虛擬IP”前端的作用。每臺服務器和支持單一或通用應用的服務器組都配置同樣的一個VIP地址，這個VIP地址作為對外提供統(tǒng)一服務的目的地。當某用戶申請應用時，用戶請求的數(shù)據(jù)包先通過第三層路由器發(fā)送到具有第四層交換功能的服務器交換機，然后第四層交換機可以根據(jù)會話和應用層信息做出轉發(fā)決定，用戶的請求可以根據(jù)不同的規(guī)則被轉發(fā)到“最佳”的服務器上，用“最佳”服務器地址中的IP取代VIP，并將請求傳給服務器。因此，第四層交換技術是用于傳輸數(shù)據(jù)和實現(xiàn)多臺服務器間負載均衡的理想機制。

　　將第四層交換技術通過硬件來實現(xiàn)可以做成第四層交換機，它可以實現(xiàn)端到端的服務質量要求，對所有聯(lián)網(wǎng)設備的負載進行細致的均衡，以保證客戶機與服務器之間的數(shù)據(jù)平滑地流動。

　　第四層交換技術的關鍵問題是如何確定傳輸流轉發(fā)給哪臺最可用的服務器，也就是策略選擇問題。第四層交換的選擇策略可以根據(jù)不同的需要來制定，可以首先保證高優(yōu)先權業(yè)務的QoS，將這種業(yè)務引向最可利用的服務器中，而QoS要求小的業(yè)務就可以作為一般負載處理。目前應用神經(jīng)網(wǎng)絡的學習算法實現(xiàn)學習動態(tài)中的調整策略是一種非常好的實現(xiàn)方法。

　　三、應用交換技術

　　在第四層交換大大提高了網(wǎng)絡性能和QoS保證之后，在更高的層次上同樣引入了交換的概念，也可以稱之為第七層交換技術，或者高層智能交換。

　　第七層交換技術可以定義為數(shù)據(jù)包的傳送不僅僅依據(jù)MAC地址（第二層交換）或源/目標IP地址（第三層路由）以及TCP/UDP端口（第四層地址），而是可以根據(jù)內容（表示/應用層）進行傳送。

　　這時候的交換突破了一般意義上的交換概念，開始進入以進程和內容級別為主的交換范圍。高層由于和應用相關，這時候的交換就有了智能性，交換機具有了區(qū)別各種高層應用和識別內容的能力。這時的交換機不僅能根據(jù)數(shù)據(jù)包的IP地址或者端口地址來傳送數(shù)據(jù)，而且還能打開數(shù)據(jù)包，進入數(shù)據(jù)包內部根據(jù)包中的信息作出負載均衡、內容識別等判斷。

　　對于某一個端口來說，在第四層交換時可以通過對端口進行交換來獲得較好的QoS，但是對于通過這個端口的傳輸流沒有辦法識別，只能對所有通過這個端口的傳輸流統(tǒng)一對待，而服務提供商或許需要其中的某些傳輸流具有高的QoS優(yōu)先處理權或者將某些流引向性能高的處理機中。而第七層的智能性交換能夠實現(xiàn)進一步的控制，即對所有傳輸流和內容的控制。這種交換機可以打開傳輸流的應用/表示層，分析其中的內容，因此可以根據(jù)應用類型而非僅僅根據(jù)IP和端口號做出更智能的流向決策。其中的一個典型例子就是根據(jù)URL的具體內容的識別交換。

　　如同上面所描述的一樣，第七層交換機是真正的“應用交換機”。圖3顯示了一個數(shù)據(jù)包在第七層交換機內部的數(shù)據(jù)剝離方式。

　　這類具有第七層認知的交換機可以應用在很多的方面，比如保證不同類型的傳輸流可以被賦予不同的優(yōu)先級，而不必依賴于業(yè)務或網(wǎng)絡設備來達到這些目的。譬如，網(wǎng)絡電子商務提供商希望使用80端口進行操作，但是對于不同的WEB請求他們希望不同對待，比如瀏覽一般商品的WEB請求的級別一定是比用戶發(fā)出的定購WEB請求要低一些，而且處理起來也不一樣。這樣就需要識別80端口中的具體URL內容來進行判斷，賦予不同的優(yōu)先權交換到不同的處理器上去。更進一步，可能需要對不同級別用戶的Web請求給予不同的QoS優(yōu)先權，這樣就需要對數(shù)據(jù)請求的內容進行識別。這時候的交換智能要求就非常高了。

　　目前關于第七層交換功能還沒有具體的標準。第七層交換功能和目前很多類似的技術具有很大的互補性，它可以和其他的網(wǎng)絡服務和諧地共存。但是第七層交換和類似的解決方案相比最大的優(yōu)勢就是速度快同時不影響智能處理，采用第七層交換技術可以以交換的線速度作出智能性的傳輸流內容的決策，從而優(yōu)化網(wǎng)絡訪問，為最終用戶提供更好的服務。而這種決策邏輯是可以根據(jù)某種策略決定的。

　　四、高層交換技術與Web交換機

　　高層交換技術的一個典型應用就是Web交換機。在目前Internet網(wǎng)站上的信息量和訪問舊急劇增長的前提下，怎樣使每個用戶都可以得到QoS的保證是一個越來越重要的問題。網(wǎng)站的運營商們正在嘗試通過架構新的體系結構以適應其業(yè)務的增長。數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)倉庫和群集系統(tǒng)正在日益龐大。

　　怎樣將數(shù)據(jù)中心的各種設備，包括各種互聯(lián)網(wǎng)服務器、防火墻、高速緩沖服務器、數(shù)據(jù)倉庫和網(wǎng)關等等組織起來提供對外界面一致和QoS保證的服務，同時提供管理、路由和負載均衡傳輸成為一個中心問題。所以必須提供一種處于中心地位的交換機，來組織數(shù)據(jù)中心，即Web交換機。Web交換機的基本功能是：組織數(shù)據(jù)中心、提供對外一致服務界面、管理數(shù)據(jù)的流向與路由、負載均衡、提供QoS和服務等級（COS）以及請求會話定向。

　　可以看出需要的Web交換技術已由純粹的網(wǎng)絡層（第三層）交換發(fā)展到具有基于內容（第七層）的智能交換。為了實現(xiàn)上述功能，Web交換機必須檢查4-7層的協(xié)議字段來獲取信息以處理數(shù)據(jù)流的管理和定向。

　　Web交換機的設計比較復雜，目前Web交換機也只是采用了高層交換的部分功能。主要的Web交換機設計方案有三種：集中式CPU模式、分布式處理系統(tǒng)和二級混合模式。每種設計方案是采用不同的方法把交換、控制和狀態(tài)共享進行組合，因此各有優(yōu)缺點。實現(xiàn)的成品主要以ALTEON公司提出的虛擬矩陣體系結構（VMA）為代表。

　　五、結語

　　由于目前網(wǎng)絡的巨大發(fā)展，超高層交換技術正在成為一種趨勢，尤其是第四層交換正處于迅速發(fā)展的地位，已經(jīng)有了很多產(chǎn)品出現(xiàn)。但是更高層的交換產(chǎn)品由于其復雜性目前還處于一種概念或者說是實驗階段，要完全實現(xiàn)還有很大的距離，但是綜合它們其中一部分優(yōu)點的Web交換機已經(jīng)作為應用得到了發(fā)展，必將成為將來的趨勢。

　　摘自《現(xiàn)代電信科技》2001.11

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