什么是三層交換機

2019-11-05 01:36:39

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供稿：網友

　　一、什么是三層交換機
　　
　　在92年，就已經有三層交換機誕生，那么到底什么是三層交換機呢？在早期，人們想把二層交換和三層路由功能結合在一臺設備上，以減少設備數量。那時第三層交換是基于軟件的，轉發速度很慢，后來才發展到以硬件來實現三層交換。從今天來看，三層交換機實質就是一種非凡的路由器，是一種在性能上側重于交換（二層和三層），有很強交換能力而價格低廉的路由器。它以ASIC實現ip包的三層交換，其交換能力都在MPPS以上，而傳統的路由器一般不超過10萬包/秒（這里指的是單塊板的轉發能力，不是指采用分布式轉發情況多塊板的總的轉發能力，也不包括現在采用昂貴的網絡處理器構成的GSR等，此外現在有更高速CPU推出，但也很難超過1MPPS 【3】）。網絡處理器價格高昂在于它除了三層交換部分本身比較復雜外，它還有很強的QOS，POLICY等功能。以IBM的Rainer處理器為例：它的硬件可治理上千個流，軟件配置不同流的帶寬，內嵌 PowerPC 處理器；擁有大量的協處理器和硬件加速器，可以并行地處理數據。而三層交換機的轉發部分為了降低成本，根本不可能線速支持上千個流并有能力進行帶寬分配。原來有人有一種觀點，那就是用最長匹配實現大路由表查找的CAM很貴，換句話說用硬件來實現大路由表的最長匹配搜索成本很高，從調查資料來看，這種觀點看來并不一定對。路由表的搜索采用CAM實現成本也并不高。以 Kawasaki LSI公司的支持最長匹配搜索的的CAM芯片KE5BLME064為例，它支持64K的路由前綴項，每個ENTRY 40bit 寬，包搜索速度可達6.7Mpps，時延為數百個納秒，而價格不到60美元【6】。當然減少支持的路由表項無疑能降低成本，而且就三層交換機通常的應用環境來看不需要太多的路由表項，因此一般三層交換機支持的路由表項比GSR要少，例如CISCO 4000系列只支持到16K--32K路由表項，北電的ACCLER 1000支持32K。不過CISCO應用在6500系列上的SUPER ENGINES 2已經支持到128K，已經可以和骨干網路由器的表項相當了。CISCO設計的轉發引擎上支持的路由表越來越大和CISCO考慮到三層交換機往城域網和骨干網上應用有關。總的來看，網絡處理器之所以貴，應該還是貴在它的靈活性上，貴在支持QOS，POLICY，以及多種協議，尤其是有些協議還沒有完全形成標準，網絡處理器可能只需修改軟件就可以支持（多數三層交換機就有困難，這也導致有很多廠家早期三層交換機與現在的協議不兼容），網絡處理器要對包內容進行更多的識別，更復雜的調度，為了達到線速處理，里面常集合多個微引擎，支持多線程處理。這些也許才是導致網絡處理器價格急劇上升的主要原因。相比起來三層交換機在這方面能力就很弱，例如CISCO 6000系列只支持16個QOS隊列，4000只支持一個，5500支持兩個，而Extreme的三層引擎只支持4個隊列。
　　
　　因為是采用硬件實現三層交換，所以交換速度能做到很高，但要想同時支持大量三層協議，如IP,　IPX，AppleTalk,　DECnet等等，這些協議的封包格式不一樣，用軟件實現起來輕易，用硬件實現卻非常困難，用硬件實現轉發的協議太多，只會帶來成本的急劇上升，因此三層交換機上一般只考慮支持較為常用的IP，IPX協議，IP多播。也有的三層交換機支持其它的，但那是用軟件實現的，轉發速率較低，例如 CISCO 的CATALYST 6000系列就在MSFC上用軟件實現AppleTalk等，轉發速率在10萬－20萬包/秒【4】。
　　
　　三層交換機現在主要提供以太網接口。以太網技術簡單，價格低廉，在企業網里應用最為普遍，三層交換機采用以太網接口，能為企業網提供廉價而高速交換的設備，替代價格高昂而性能卻上不去的的路由器。三層交換機的ASIC同時提供IP的二層和三層交換，把原來二層以太網交換機和路由器的功能熔為一體，極大的降低了用戶的成本。隨著寬帶業務的興起，三層交換機的應用范圍不斷拓展，尤其是GE和10G以太網技術的迅速發展，導致三層交換機從企業網已經逐步走向了城域網，而應用范圍的拓展也促進了其設計的革新。例如原來在三層交換機廣泛采用的是CACHE技術，在三層交換機往城域網和骨干網上應用時，業務流無規則性越來越強，網絡拓撲變更也有增加，因為視頻語言業務的增加，QOS等也有需求，采用這種技術的弊病越來越明顯；三層交換機在向城域網和骨干網上發展時要求三層交換機需要支持的協議也越來越多，如有的廠家三層交換機已經支持OSPF, BGP，MPLS等協議，有的甚至采用可編程ASIC,支持IPV6。
　　
　　三層交換機上支持的接口種類也越來越多，有的已經支持廣域網口，例如CISCO 6000系列就提供廣域網模塊 flexWAN，可提供各種廣域網接口。如ATM ，POS，幀中繼,PPP等。但這部分也是和傳統路由器一樣，用軟件來處理的, flexWAN上有兩個263M的RM7000處理器來處理這些廣域網接口協議，接口速度上不去，目前只支持到OC-3 ATM或OC-3 POS。這些廣域網接口的適配器和CISCO 7200/7500系列兼容；但可以肯定，假如你想在三層交換機上選用廣域網接口，那和普通路由器上的廣域網接口價格應該差不多，因為在接口上采用的技術是一樣的。但這樣一來，三層交換機導致了一向引以提供廣域網接口而作為賣點的諸如CISCO 7000這類路由器就鮮有出路，有評論說這類路由器正在走向終結。
　　
　　三層交換機一般不支持廣域網口還有一個原因就是因為不同的廣域網口，其MTU可能不一樣，這樣假如要達到線速轉發的話，就必須在硬件上支持分片，這會導致設計很繁瑣，目前的三層交換機都不支持分片，而交換機上全部采用以太網接口就不存在這一問題。但這些廠家只是為了增強三層交換機的賣點而提供的多種廣域網接口和協議模塊，不能從硬件上就提供二層高速轉發，而純利用三層交換機的三層交換交換功能，不能充分發揮三層交換機的功能。增加廣域網接口有個好處就是假如三層交換機需要和廣域網相連上internet的話，就比較靈活，不一定在出口處非加一級路由器，而目前很多廠家三層交換機對廣域網口不支持，結果在組網時上連internet都要增加一個路由器，當然這里不完全是因為接口的原因，還有這些三層交換機支持協議有限，例如不支持BGP協議，支持的路由表項不足，防火墻功能不完善有關系。
　　
　　三層交換機根據應用場合分多種檔次，性能和價格都不一樣，不能一概而論。在城域網甚至骨干網上應用的三層交換機，要求在三層交換機上增加的功能也多，性能的提高伴隨著設計復雜度的增大，必然帶來價格的上升，非凡高端的三層交換機實際就和GSR沒有區別了。應該說，假如達到這個檔次的三層交換機實際已經不能叫三層交換機，就象JUNIPER的高端路由器一樣，它的主要部件都是以ASIC設計的，我們稱之為三層交換機也不是不可以，但它的ASIC實現的功能太復雜，太強大，價格很高昂，還是稱之為高端路由器更合適。通常的三層交換機之所以被稱為交換機就是因為它的功能有限，主要以面向交換為目的，所以才稱之為交換機。它的設計主要以面向企業網和城域網而設計的，在這個層面上需求的數量達，對這個層面上的用戶而言，在達到滿足主要性能的前提下，成本是最重要的考慮因素，它以夠用為準則，不強調在三層交換機上實現過多的協議，提供過多根本用不上的功能【5】。例如，在三層交換機上實現很強大的QOS，支持BGP協議等，這些在絕大多數用戶那兒實際并沒有用處。在目前國內建設城域網時，它實際也不一定要考慮太多QOS，目前主要還是上NTERNET。這實際也符合中國的國情，就拿視頻點播來說，在中國租一張碟片只需一兩塊錢甚至幾角錢，VCD機在城市用戶幾乎普及，有多少人愿意去點播呢？
　　
　　理解三層交換機的應用范圍和要達到低成本的要求，就能理解為什么三層交換機在Cos,　POLICY等方面功能較弱，主要提供以太網口，支持有限服務，有限協議，有限路由功能。三層交換機主要提供以太網接口，各種速率的以太網接口其幀格式都相似，很輕易用硬件實現二層的高速轉發，一般其二層轉發功能遠遠超過三層功能，很多三層交換機二層轉發能力都在100MPPS，而三層轉發能力只有幾個MPPS。GE和10GE以其低廉的價格，為三層交換機在廣域網上的應用提供了很好的條件。
　　
　　三層交換機在交換網上采用的技術和路由器都一樣，沒有什么差別。例如CISCO 6500系列就采用CROSS BAR技術。
　　　　　　　　
　　二、三層交換機實現技術分析
　　
　　提供有限功能的三層交換機其設計難度不是很大，目前市場上能提供三層交換機的廠家太多了，主要以 3COM、CISCO、Nortel、Intel、LUCent、Cabletron 、foundry 、extreme等廠家為主。從資料分析來看，三層交換技術主要分兩大類：一類是以流為基礎的，這種技術就是早期的CACHE技術，一次路由多次交換，它的特點是一旦查找一次路由后，就把查找結果存放在CACHE里，以后同樣目的地址的包就不用重新查找，直接采用類似二層交換的技術，直接轉發到目的端口去。這里和MPLS等一次路由多次交換的技術不要混合。因為MPLS是基于全網解決的，它是指在一個邊緣標簽路由器上找到目的路由，打上路由標簽，以后經過其它路由器就不用再查找，而直接交換。這里指的是一臺路由器上怎么找出路由。這種方式下路由查找本質還是用軟件實現，它主要用于局域網中，在業務流無規則性較強和網絡拓撲變化比較頻繁的環境如城域網、骨干網上應用效果不好，這類的有CISCO CATALYS 5000系列（盡管它的資料聲稱它是PACKET BY PACKET轉發，但資料顯示它并非這種方式），FOUNDRY的NetIron,TurboIron；3com的早期采用Fast IP技術的三層交換機，推測CoreBuilder 2500, 6000 應該就是采用這種技術。由于這種技術的特點，要實現QOS等其它功能就很弱，這類交換機成本較低【8】，隨著網絡流的無規則性越來越強，這種技術現在已經較少采用。
　　
　　另一類是用非凡設計的硬件來實現PACKET BY PACKET 查找，它的特點是每一包都要進行查找。例如有的用CAM技術實現轉發查找；有的用硬件實現一些非凡的查找算法；有的在ASIC里面還集成CPU來協助硬件查找，以增強靈活性。這類有 CISCO 6000系列的CEF轉發，INTEL的eXPRess 550T 【9】， 3com的基于FIRE體系的CoreBuilder 3500, 9000，NORTEL Accelar1000系列，Extreme的Summit1,Summit2等。很多廠家技術太過保密，無從推測它的實現技術。采用這類技術的體系結構差別很大，性能和價格相差也較大，采用這樣技術的一般在硬件上都支持少量輸入輸出隊列，有的可以搜索到包的第四層，對QOS，POLICY有一點支持。
　　
　　　　　三層交換機為了達到線處轉發的目的，以下幾項都要用硬件來實現：
　　　　　1、檢查報文頭的有效性，包括長度，校驗和版本類型
　　　　　2、識別輸入的TTL信息
　　　　　3、識別目的地址和下一跳
　　　　　4、創建新的MAC地址頭
　　　　　5、將TTL計數器減1并更新校驗和信息　
　　
　　總之，我們已經看出，實際上三層交換機和路由器并沒有絕對的區別，往高端上其技術是融合的。

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