三層交換機的革命

2019-11-05 01:35:00

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供稿：網友

　　1995年，局域網中出現了三層以太網交換機，它取代路由器承擔起局域網內部的路由任務。隨著網絡規模、流量模型的變化，以及網絡病毒的攻擊，傳統三層交換機已經不能適應網絡的需要。新一代L3交換機誕生了。
　　
　　傳統三層交換機采用的是流轉發機制，通過采用ASIC實現的“精確匹配表”來完成轉發功能。“精確匹配表”是二元表，包括組成流的源ip地址和目的IP地址兩個元素。表的大小數量級為（源IP地址數目*目的IP地址數目）。ASIC的成本和查表效率都主要取決于表的大小，綜合成本/性能考慮，采用流轉發機制的傳統三層交換機更適合規模不大的網絡。即源IP地址不多，目的IP地址比較少。而傳統的企業網/園區網的流量模型正好與之相符，它滿足2/8原則：內部流量占80％以上，且路由動蕩很小，一般情況下是最多上千臺PC訪問幾十臺服務器。假如同時在線數據流按極限值的1/6計算，“精確匹配表”的大小也不過數千。一般ASIC的設計和制造技術在表容量為10K～20K時技術上可行，且成本比較低，查表速度也足夠快。傳統三層交換機對傳統的企業網絡完全應付得了。然而，問題出現了。
　　
　　網絡病毒對傳統三層交換機的攻擊成為三層交換機革命的導火索。當某臺PC被網絡病毒感染（比如，紅色代碼、沖擊波）后，在網絡中產生流的源IP和目的IP地址可能多達百萬個。這樣，交換機的“精確匹配表”僅僅能容納一小部分流信息。其他流的轉發要靠CPU來實現。CPU很快不堪重負，達到滿負荷，結果是網絡被嚴重阻塞、癱瘓。此外，網絡規模化、多業務、城域化是三層交換機革命的內因。企業網/園區網的網絡規模越來越大，業務種類越來越多，Internet訪問越來越頻繁，城域化應用（非凡是在電信網/運營商網絡中的應用）的普及，這些意味著傳統的流量模型發生了改變，在數據流中出現了更多的源和目的IP地址對。鑒于ASIC的成本和查表效率的考慮，以上諸多問題的解決又不能通過無限制增大“精確匹配表”容量來實現。
　　
　　新一代三層交換機的設計思想產生了。它采用逐包轉發機制。使用“最長匹配表”實現轉發。“最長匹配表”與真正的路由表類似，它記錄的是目的IP網段而不是主機地址。因此，表的大小不會隨著主機數目和目的IP地址數目的增加而急劇膨脹。表的數量級為（源IP網段數目+目的IP網段數目），即使源IP地址/目的IP地址對不斷增長時，仍能匹配命中并轉發。這樣的設計可以有效的抵制網絡病毒的攻擊，也能夠很好的適應網絡流量模型的變化。另外，新一代的ASIC設計、算法和工藝水平的提高，也使得“最長匹配表”方式也可以用硬件實現。即滿足低成本＋線速性能。

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