三層交換: 又一個顛覆的開始？

2019-11-05 01:37:02

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供稿：網友

　　三層交換機市場，是思科等高端廠商眼中網絡大戰的制高點，是中低端廠商心目中向高端發展的一道坎。可以說，2002年是三層交換迅速普及的一年，大中型企業骨干網中已經迅速普及了三層交換，而許多中小型網絡考慮到日后的發展，也開始引進三層交換技術。據統計，目前三層交換機的銷售額已經占以太網交換機的兩成以上……
　　
　　如今，三層交換并不是一個新名詞，早在1993年國外就曾經有具備三層交換概念的交換機問世；1997年三層交換開始成為中國網絡先鋒們的話題，其成型的產品也開始在國外市場露面；2000年三層交換機開始在中國市場引起矚目；而2002年則無疑成為了三層交換最風光的一年，隨著校校通工程的擴展，教育網市場的大發展更是為三層交換機市場打了一針興奮劑。同時，經過一段時間的預備，華為、港灣、神州數碼、全向、實達等眾多國內廠商也紛紛在2002年推出了多款三層交換產品，烽火網絡則表示在2003年初也將參與三層交換的爭奪，市場競爭更趨激烈。
　　
　　思科在不久前曾表示，目前，中國的網絡市場競爭已經呈白熱化，而這場戰斗的制高點就是三層交換機市場，尤其是邊緣交換機。對用戶需求的有關調查結果也證實了這一點：用戶在選購交換機時，考慮最多的購買因素是應用和安全，因而，他們大多選擇可治理性非常強的三層或多層交換機。
　　
　　然而眾所周知的是，三層交換技術早已走向成熟，那么究竟是什么原因導致了三層交換機市場的迅速擴張？眾多參與者又是否能如愿通過三層走向高端，并結束中高端市場幾分天下的局面？而三層交換機又是否能夠憑借自身實力像百兆取代十兆一樣，終結二層交換機一統網絡邊緣的局面呢？
　　
　　跨地域、跨網絡業務的急劇增長，使得大部分的數據流量都跨越ip子網，因此路由器成了事實上的網絡傳輸瓶頸，三層交換機的出現讓用戶的眼前一亮……
　　
　　市場為何陡然走高？
　　
　　三層交換機為何迅速成為市場寵兒有一個被廣為接受的答案，那就是隨著網絡的不斷發展，傳統的“80/20”法則被徹底顛覆成“20/80”法則：在過去的網絡中數據流大多符合“80/20”法則，即網絡中只有大約20%的流量是通過骨干路由器與中心服務器或者企業網絡的其他部分進行通信的，80%的流量主要集中在不同的部門子網內部; 而現在數據流的比例卻發生了根本性的變化，跨地域、跨網絡的業務急劇增長，倒轉成“20/80”。同時，為了應付不斷增長的數據流量，共享介質型的網絡紛紛被交換型網絡所替代，這種變化對原來用于網絡分段的傳統路由器產生了直接的沖擊，由于大部分的數據流量都跨越IP子網，因此路由器成為了事實上的網絡傳輸瓶頸。
　　
　　在這種情況下，三層交換技術的出現為網絡設備的選型提供了一種全新而且極佳的選擇，它可操作在網絡協議的第三層，是一種路由理解設備并可起到路由決定的作用，同時它的速度也極快，和二層交換幾乎沒有分別。
　　
　　對于三層交換市場為何不斷升溫，去年曾一口氣推出多款三層交換產品的實達網絡表示，應用的成熟和需求是主要原因。首先，普通交換機輕易造成網絡擁塞，使數據包的丟失和延遲增加，服務質量無法保證。三層交換機則大幅度提高了設備的數據包轉發能力，消除了交換瓶頸。
　　
　　其次，網絡的安全性，非凡是針對來自內部的網絡安全威脅，是三層交換機應用升溫的又一個重要因素。用戶網絡需要加強對訪問者的控制、限制非法用戶的通信，從而保證整個網絡的安全。三層交換機能通過各種顯式或隱式的VLAN劃分方法提供基于策略的安全訪問機制，提高了網絡的安全性，并有效抑制了廣播風暴的產生。
　　
　　第三，網絡規模的擴大使網絡變得越來越復雜，網絡在運行和治理方面所付出的代價大大超過了網絡設備本身的成本，易維護、易治理的特性也促使三層交換機被更廣泛地應用。
　　
　　第四，對高可擴充性、高性價比以及多種計費方式的需求也推動了三層交換機市場的發展。傳統路由器在增加子網時往往只能選擇更換路由器，而三層交換機在連接多個子網時，子網只是與第三層交換模塊建立邏輯連接，不需要增加端口，從而保護了用戶的投資。
　　
　　最后，用戶熟悉的提高也對三層交換機的大規模應用產生了重要影響。隨著視頻會議、實時組播、網絡電話、程控交換以及自呼叫轉發等新一代應用的出現，用戶已經不再滿足于交換機的基本功能，開始追求更高層次的服務質量。
　　
　　另外，三層交換技術上的成熟也功不可沒。首先，廠商無須為技術的走向等問題苦惱，從而能夠將全部精力放在如何提供更切合實際的功能和性能以滿足市場需求上，并進一步刺激市場發展，進入一個良性循環；其次，市場的進入門檻也得以降低，進入者的不斷增加使得產品的性價比更加趨向合理，市場熱情被進一步調動，客戶也可以得到更加多樣性的服務。
　　
　　D-Link產品規劃部總監董天雄認為，三層交換的大發展有一個非常生動的例子，那就是校園網，曾經是路由器和二層交換機配合的標準模式早已被三層交換機徹底顛覆。如今“校校通”工程正進行得熱火朝天，校園網改造也是如火如荼，難怪不少廠家都不約而同地把校園網當作自己三層交換戰略的前沿陣地。另一方面，電子政務建設也是方興未艾，對三層交換產品的需求量不斷攀升，電信和金融等網絡傳統大市場對三層交換也是不斷有大手筆的投入。面對如此巨大的市場，三層交換想不火都難。
　　
　　因此，可以說是技術上的優勢和成熟為三層交換機的全面開花奠定了基礎，應用的成熟是導火索，而教育、電信、金融和政府等市場需求的巨大能量則為其真正繁榮又添了一把柴。
　　
　　可以說雖然有來自國外大廠雄厚實力的重壓，國內廠商近幾年的表現還是相當不錯的。三年前，國內網絡設備市場上還幾乎沒有國產網絡品牌的影子，而現在國內網絡廠商已經在中低端市場占據了非常可觀的市場份額，成功地站穩了腳跟。但競爭同樣也是激烈的，如今除了少數有實力的廠商
　　
　　外，大多數的國內廠商仍在中低端非凡是低端市場的價格戰中苦苦掙扎。
　　
　　國內廠商集體過坎？
　　
　　很多人把三層交換機的生產能力看做是一個坎，過去了，似乎就是鯉魚躍了龍門從此擺脫了中低端廠商的帽子，走向了高端市場的廣闊天地，三層交換大發展的2002年也就因此成了國內廠商的“集體過坎年”……
　　
　　“確實有客戶提出要在網絡邊緣用三層交換機，我們反而勸他還是用二層的，究竟價格相差得太多……”
　　
　　能否到邊緣？
　　
　　而三層交換機業已成熟的技術和巨大的市場無疑為眾多國內廠商帶來了一個全新的機會。然而是機遇更是挑戰，同簡單的二層交換機不同，假如要走自主研發的路，要生產三層交換機還需要廠商對路由協議等具有相當的把握，技術和生產水平也需要有一個很大的提升。于是很多人把三層交換機的生產能力看做是一個坎，過去了，似乎就是鯉魚躍了龍門從此擺脫了中低端廠商的帽子，走向了高端市場的廣闊天地。2002年也就因此成了國內廠商的“集體過坎年”，有相當一批廠商推出了自己的三層交換產品。
　　
　　但令人擔憂的是，如此大規模的“過坎”，并不是所有廠商真實實力提升的表現，其中還有著相當的水分，技術水平良莠不齊。有的廠商經過長時間摸索和開發后才推出自己的成熟產品，而少數企業卻是急于掙錢，在技術和產品尚未真正成熟時就將之推向市場，有的企業甚至打算把其他廠商從事三層交換研發的整個隊伍挖過來以盡快分上這杯羹。但技術究竟需要一個相當長的積累時間才能走向完善，即使是已經十分成熟的三層交換也不例外，生產水平能否過關同樣是一個重要的“坎”。某公司的技術人員就曾無意中向記者提起，他們的產品在出廠一年后忽然紛紛出現問題，返修率迅速提升，而在此之前無論是在測試還是實際運行中性能都非常穩定。由此可見，技術的積累并不是能夠一蹴而就的。
　　
　　對此，很多領先廠商表示，雖然在低端市場國內廠商高歌猛進，但在三層交換的層次上，某些廠商產品的性能仍不穩定，其他的擴展功能也相當不完善，在產品上仍然存在1～2年的落后。因此，雖然有眾多廠商趕在2002年推出了三層交換產品，但這并不意味著它們就此跨入了高端的行列，學習和積累仍然是它們的必修課，而如何應付產品走向高端后所出現的種種應用需求及達到技術上的真正突破才是國內廠商們亟待解決的頭等大事。
　　
　　隨著我國企業網、校園網以及寬帶建設的迅速發展，三層交換機的應用也從最初的骨干層、匯聚層一直滲透到邊緣的接入層。但目前來說在網絡邊緣一統天下的還是二層交換機，三層交換能否真正做到在邊緣實現大規模應用呢？
　　
　　對此，網捷網絡亞太區技術經理黃明泰認為，目前以二層作為網絡邊緣，具有成本與透通的優勢，少部分采用三層作為邊緣設備則擁有更多的控制功能與更有效的隔離機制。至于未來三層交換機是否會取代現在的二層交換機作為主要邊緣設備，他的答案是肯定的。他表示，從交換機發展的過程來看，當成本與需求達成一個平衡點時，二層交換機取代集線器，百兆以太網取代十兆以太網成為網絡的邊緣，因此當未來成本與需求（如端到端的QoS）形成平衡時，三層交換機也將取代二層交換機在網絡邊緣的角色。
　　
　　對于三層交換能否進入邊緣的問題大部分廠商如D-Link、港灣、烽火網絡等都給出了肯定的答復，但究竟什么時候能完成這個轉變，業界普遍認為目前尚難以猜測。港灣網絡企業網總工辦總工劉曉宇表示，究竟從技術或應用的層面來看的話，在企業網領域的邊緣，二層交換機實際上對一般的公司和用戶來說在功能和性能上都是綽綽有余的，在成本上也具有極大的優勢。3Com公司技術市場經理唐勇則認為，目前在網絡邊緣也并不存在對三層交換機的強烈需求，“確實有客戶提出要用三層交換機做邊緣，我們反而勸他還是用二層的，究竟價格相差得太多，也沒有使用的必要。”
　　
　　目前看來三層交換機同二層交換機的價格差在50%左右，假如真有一天二者的價格能夠像10M和100M網卡一樣沒有分別，三層交換入主邊緣的時刻也就到了，但其究竟是通過增加芯片來實現路由功能的，近期內其價格也不可能會同二層設備完全一樣，因此，何時才能實現成本與需求的平衡我們還將拭目以待。
　　
　　什么是三層交換
　　
　　三層交換功能實際上是由一個帶有第三層路由功能的第二層交換機實現的，當然，三層交換技術并不是網絡交換機與路由器的簡單疊加，而是二者的有機結合。簡單地說，三層交換在完成對收到的第一個新數據流進行路由后，產生一個MAC地址與IP地址的映射表，當具有相同地址信息的數據流再次通過時，即根據此表直接在二層完成轉發，即“一次路由，多次交換”，有效提高了數據包轉發的效率。
　　
　　對于三層交換來說，只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，就沒有必要經過路由器轉發數據包。三層交換使用三層路由協議確定傳送路徑，此路徑可以只用一次，也可以存儲起來，供以后使用。之后數據包通過一條虛電路繞過路由器快速發送。該技術的出現，解決了局域網中網段劃分之后，網段中子網必須依靠路由器進行治理的局面，解決了傳統路由器低速、復雜所造成的網絡瓶頸問題。
　　
　　從硬件的實現上看，目前，二層交換機的接口模塊都是通過高速背板/總線交換數據的，在三層交換機中，與路由器有關的三層路由硬件模塊也插接在高速背板/總線上，這種方式使得路由模塊可以與需要路由的其他模塊間高速交換數據，從而突破了傳統的外接路由器接口速率的限制。
　　
　　總的來說，三層交換具有以下兩個特點：
　　
　　首先，處理不同子網之間的信息轉發時，除必要的路由操作外，盡量利用二層交換在網絡中傳送信息，以實現信息的高速轉發。
　　
　　其次，采用ASIC專用處理硬件和改進的體系結構，解決傳統路由器因采用通用處理機和內存程序所導致的處理時間長的問題。
　　
　　另外，三層交換還具有以下幾個優勢：
　　
　　1. 有機的硬件結合使得數據交換速度極快。
　　
　　2. 優化的路由軟件使得路由過程效率較高。
　　
　　3. 除了必要的路由決定過程外，大部分數據轉發過程由二層交換處理。
　　
　　4. 多個子網互連時只是與三層交換模塊的邏輯連接，不像傳統的外接路由器那樣需增加端口，保護了用戶的投資。
　　
　　與路由器相比，三層交換機雖然解決了IP/IPX路由的性能和價格問題，但在應用流的識別和控制方面做得還不夠理想，它既不能完成全部的路由功能，也無法在應用層提供對數據流的控制。
　　
　　技術已達巔峰？
　　
　　其實，目前三層交換技術本身已經相當成熟，非凡是就一般的IP業務而言，基本上處于穩定成熟的階段，但對于更多的XoIP新業務，則仍有相當的發展空間，一些新的功能比如QoS、帶寬治理、流量監控、策略路由都將沖擊三層交換機特有的性能表現，而為了極大程度地滿足功能與性能的需求，新的芯片技術以支持更多的硬件功能、新的交換體系結構以滿足更大的交換容量都是新一代三層交換技術的重點項目，目前，市場上也有相應的新產品推出。
　　
　　另外，現在市場上還有一種看法，即三層交換機在控制功能上比較弱。對此，全向科技董事長董兵表示，誠然，與路由器相比，三層交換機的控制功能相對較弱，但三層交換機與路由器究竟是針對不同市場、不同應用的兩種產品。三層交換機主要應用在以太網，由硬件執行三層數據報的轉發，速度快、性價比高，完全能夠滿足需要。而且隨著技術的不斷發展，三層交換機的控制功能也將不斷增強。
　　
　　其實這只是一個時間性的問題，越新的三層交換機會有越多的控制功能。同時也是一個產品定位的問題，三層交換機可以有很多復雜的控制功能，但必須以成本及性能作為代價，兩相權衡，客戶是否愿意為所有三層交換機付出這些代價則值得慎重考慮，但就技術而言，將更多的控制功能放到芯片、從而由三層交換機實現是可行的。神州數碼則表示，從目前市場發展的角度看，各個廠商都在推出新品時對控制功能也非常看重，豐富的網管功能、易于操作維護，可實現配置治理、故障治理、性能治理、安全治理等功能已經成為三層交換機的必備功能。
　　
　　三層交換技術是否真如普遍認為的那樣已達巔峰，難以進取了嗎？黃明泰認為，領先的廠商仍將在今年推出新的三層交換平臺，因為三層技術的發展不僅是軟件的豐富，也牽涉到硬件的更新。網絡廠商將不斷改進三層交換的技術以提供更完善的功能，為更好地實現新的IP業務，將更多的基于標準的功能放到硬件芯片。他表示，三層交換技術將在最近的未來朝40G甚至100G的體系結構、支持MPLS標記協議與IPv6的方向發展，以應對新一代網絡在帶寬、性能、擴展與安全性上的更高要求。烽火網絡則認為，以后的三層交換除會加入對IPv6和MPLS的支持外，還可能朝多業務接入方向上發展，以開創更廣闊的天地。
　　
　　二層交換路由
　　
　　傳統的交換技術是基于OSI七層模型中的第二層即數據鏈路層的，因此二層交換機對數據包的轉發是建立在MAC地址上的，對于IP網絡協議來說，它是透明的，即交換機在轉發數據包時，不知道也無須知道信源機和信宿機的IP地址，只須知道其物理地址即MAC地址即可。交換機在操作過程中會不斷地收集資料以便建立它本身的地址表，這個表相當簡單，它指出某個MAC地址是在哪個端口上，當交換機收到一個TCP／IP包時，便查一下該數據包的目的MAC地址，核對一下自己的地址表以確認該從哪個端口發送數據包。由于這個過程比較簡單，加上這種功能由ASIC硬件完成，因此，速度很快，約需幾十微秒交換機便可決定一個IP包該往哪里送。因此，雖然二層交換功能有限，但可提供價格便宜、快捷的網絡連接。
　　
　　
　　路由器位于OSI七層網絡模型中的第三層即網絡層，一旦收到一個數據包（包括廣播包在內），就將該數據包的第二層信息去掉，查看其第三層信息IP地址。然后，根據路由表確定數據包的路由，再檢查安全訪問表；若通過，則再進行第二層信息的封裝，最后將該數據包轉發。假如在路由表中查不到相應的MAC網絡地址，則路由器將向源站點返回一個信息，并刪除這個數據包。與交換機相比，路由器顯然能夠提供構成企業網安全控制策略的一系列接入控制機制。但由于路由器對任何數據包都要有一個處理過程，即使是同一源地址向同一目的地址發出的所有數據包，也要重復相同的過程。這導致路由器的吞吐量下降，也是路由器成為網絡瓶頸的原因之一。
　　
　　選擇三層交換機的七個看點
　　
　　可以說，從一個中等規模的校園網到企業的骨干網、城域網骨干、匯聚層，所有的核心骨干網一定要用到三層交換機。一個企業，假如不需要運營商提供策略（如對不同用戶采取不同的收費策略），那么只需在骨干網放置一個三層交換機，接入層放一個二層交換機即可。那么究竟什么樣的三層交換機才是最合適的呢？思科公司產品市場經理陶欣提出了選擇的七個要素。
　　
　　首先，性能穩定。這可以通過測試吞吐量、延遲、丟幀率、背對背功能、地址表深度、線端阻塞、多對一功能等多項指標得出結論，其中背對背交換能力直接影響到整體包轉發和數據流處理能力。
　　
　　其次，安全可靠。包括軟件和硬件兩方面：作為網絡核心設備的三層交換機自然是黑客攻擊的重點，所以應配備防火墻，尤其對一些要害部門更是如此；在硬件上要考慮冗余能力，對寬帶運營商的三層交換機還應支持一些非凡的協議如802.1x等，以實現認證。
　　
　　第三，功能齊全。組播、QoS、端口干路（port trunking）、802.1d跨越樹(Spanning Tree)以及是否支持RIP、OSPF協議等路由協議和支持協議的多少，對三層交換機來說都十分重要。
　　
　　第四，易于擴展。產品不但要滿足現有需求，還應滿足未來一段時間內的需求，從而給用戶一個增值空間，為將來網絡擴展提供保障。
　　
　　第五，良好的易用性，使用界面和外觀、配件設計合理。
　　
　　第六，良好的服務。
　　
　　第七，較好的性價比，不要片面追求高性能、全功能。
　　
　　相關鏈接四
　　
　　路由交換機、交換路由器和三層交換機
　　
　　仔細觀察各廠商的產品線，我們不難發現具有路由概念的產品除了占據主流的三層交換機外，路由交換機和交換路由器也構成了一支不小的隊伍。很多人表示對此很難理解：所謂三層交換機就是具有路由功能的交換機，為何又有路由交換機之說？而有很多廠商也表示對于它們而言，路由交換機就是三層交換機，二者是同一概念。那么這三者之間究竟是什么關系呢？
　　
　　其實對于上述問題，業內目前也并沒有一個明確的劃分，可以說是各有各理。但一般來說，對于不涉足電信業務的網絡廠商，路由交換機和三層交換機的概念是等同的；而對于兼顧電信和企業市場的廠商而言，路由交換機一般專指電信級，三層交換機則專注于企業市場，二者在性能、價格和某些實現原理上都相距甚遠。具體來說，擁有更多控制功能、更強的路由功能、更接近廣域網或骨干網用途的被定位為路由交換機；僅提供必需IP路由功能，強調線速性能與性價比，更適合于匯聚層或本地網的被定位為三層交換機。
　　
　　3Com公司技術市場經理唐勇表示，至于路由交換和交換路由實際上可以從語言修飾的不同上找出答案：路由交換的重心還是在交換上，而交換路由則在路由上。而之所以非凡提出路由交換機的概念，就是為了強調其路由功能也相當強大，可以適應大型的園區網或是大型的城域網，有點趨同路由器的功能。他表示，由于廣域網和局域網碰到的路由協議不同，碰到的IP地址數量也相差非常大，三層交換機和路由交換機在芯片設計和具體的查表方式上都不相同，但目前有不少廠商在混淆三層交換機和路由交換機的概念，對市場產生了一定的誤導。

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