什么是多层交换技术

　　　　最初听到第三层交换这个词时不免已有一些费解，接踵而来的第四层交换、第七层交换等概念更是让人费思量。其实严格说来，交换意味着源与目的地址之间的连接，在第二层以上的任何技术都不能说是交换技术。负载均衡一词在很大程度上已经取代了第四层交换一词，正像应用认知一词在很大程度上取代了第七层交换一样。但是，恐怕第三层交换一词将永远这样称呼下去了。

　　　　当然，说法只是说法，关键是认识到这些技术在提高网络性能上所带来的益处，所以，本文仍沿用“第几层交换”这种叫法。

　　　　第三层交换

　　　　 第三层交换技术也称为IP交换技术、高速路由技术等。这是一种利用第三层协议中的信息来加强第二层交换功能的机制。当今绝大部分的企业网都已变成实施TCP/IP协议的Web技术的内联网，用户的数据往往越过本地的网络在网际间传送，因而，路由器常常不堪重负。

　　　　一种办法是安装性能更强的超级路由器，然而，这样做开销太大，如果是建交换网，这种投资显然是不合理的。第三层交换的目标是，只要在源地址和目的地址之间有一条更为直接的第二层通路，就没有必要经过路由器转发数据包。第三层交换使用第三层路由协议确定传送路径，此路径可以只用一次，也可以存储起来，供以后使用。之后数据包通过一条虚电路绕过路由器快速发送。

　　　　目前主要的第三层交换技术有：

　　　　Ipsilon IP交换：IP交换技术由Ipsilon公司首倡，即识别数据包流，尽量在第二层进行交换，以绕过路由器，改善网络性能。Ipsilon改进了ATM交换机，删去了控制器中的软件，加上一个IP交换控制器，与ATM交换机通信。该技术适用于机构内部的局域网和校园网。

　　　　Cisco标签交换：给数据包贴上标签，此标签在交换节点读出，判断包传送路径。该技术适用于大型网络和Internet。

　　　　3Com Fast IP：侧重数据策略管理、优先原则和服务质量。Fast IP协议保证实时音频或视频数据流能得到所需的带宽。Fast IP支持其它协议(如IPX)，可以运行在除ATM外的其它交换环境中。客户机需要有设置优先等级的软件。

　　　　IBM ARIS(Aggregate Route－based IP Switching)：与Cisco的标签交换技术相似，包上附上标记，借以穿越交换网。ARIS一般用于ATM网，也可扩展到其它交换技术。边界设备是进入ATM交换环境的入口，含有第三层路由映射到第二层虚电路的路由表。允许ATM网同一端两台以上的计算机通过一条虚电路发送数据，从而减少网络流量。

　　　　MPOA(MultiProtocol Over ATM)：ATM论坛提出的一种规范。经源客户机请求，路由服务器执行路由计算后给出最佳传输路径。然后，建立一条交换虚电路，即可越过子网边界，不用再做路由选择。

　　　　目前Cisco、3Com、北电网络、朗讯、Cabletron、Foundry和Extreme等公司都有比较成熟的第三层交换产品和模块推出。下面以3Com公司的技术为例，来说明第三层交换技术的演变。

　　　　第一代交换机是分立的电子元件和原语式的软件框架的混合体。软件的功能运行在一个有固定内存的处理机上，随着管理支持和协议功能的改善，软件的功能也不断增加。当用户的日常业务更加依赖于网络，网络上的流量增多时，网络设备便成了瓶颈。

　　　　虽然处理机和存储器变得越来越快和有效，但仍然赶不上流量增加的水平。解决问题的第一步是简化网络层：用交换机取代路由器，以减低处理数据包的开销并显著地提高事务处理速度。3Com引进了专用于优化第二层处理的专用集成电路(ASIC)，使性能提高了10倍，并降低了系统的整体费用。

　　　　灵活智能的路由引擎（FIRE）宣告了第三代交换技术的来临。这一代并不仅是建立在第二代的进展上，而且为第三层路由、组播(Multicast)及用户可选的策略(Policy)等方面提供了线速性能，第二层与第三层的性能不再是不一致的了。

　　　　FIRE是3Com公司的第三代第三层交换机的核心部分，它是一个创新的集成化的网间互联体系结构，提供了广泛的第二层和第三层的功能，同时还可在多种网络接口类型上提供线速性能。

　　　　第四层交换

　　　　端到端性能和服务质量要求对所有联网设备的负载进行细致的均衡，以保证客户机与服务器之间数据平滑地流动。 第二层与第三层交换产品在解决局域网和互联网络的带宽及容量问题上发挥了很好的作用，但是，这可能还不够，还需要更多的性能，而这正是第四层交换的用武之地。

　　　　第四层交换技术利用第三层和第四层包头中的信息来识别应用数据流会话，这些信息包括TCP／User 数据报协议(UDP)端口号、标记应用会话开始与结束的“SYN/FIN”位以及IP源／目的地址。利用这些信息，第四层交换机可以做出向何处转发会话传输流的智能决定。 对于使用多种不同系统来支持一种应用的大型企业数据中心、Internet服务提供商或内容提供商来说，第四层交换的作用是尤其重要的。同样，当在很多服务器上进行复制功能时，第四层交换也会起到不小的作用。

　　　　路由器和第三层交换机在转发不同数据包时并不了解哪个包在前哪个包在后。第四层交换技术从头至尾跟踪和维持各个会话。因此，第四层交换机是真正的“会话交换机”。

　　　　路由器根据链路或网络节点的可用性和性能做出转发决定，而第四层交换机则根据会话和应用层信息做出转发决定。由于做到了这点，因而用户的请求可以根据不同的规则被转发到“最佳”的服务器上。因此，第四层交换技术是用于传输数据和实现多台服务器间负载均衡的理想机制。

　　　　具有第四层功能的交换机能够起到与服务器相连接的“虚拟IP”(VIP)前端的作用。每台服务器和支持单一或通用应用的服务器组都配置一个VIP地址。这个VIP地址被发送出去并在域名系统上注册。

　　　　在发出一个服务请求时，第四层交换机通过判定TCP开始，来识别一次会话的开始。然后它利用复杂的算法来确定处理这个请求的最佳服务器。一旦做出这种决定，交换机就将会话与一个具体的IP地址联系在一起，并用该服务器真正的IP地址来代替服务器上的VIP地址。

　　　　每台第四层交换机都保存一个与被选择的服务器相配的源IP地址以及源TCP 端口相关联的连接表。然后第四层交换机向这台服务器转发连接请求。所有后续包在客户机与服务器之间重新影射和转发，直到交换机发现会话为止。

　　　　在使用第四层交换的情况下，接入可以与真正的服务器连接在一起来满足用户制定的规则，诸如使每台服务器上有相等数量的接入或根据不同服务器的容量来分配传输流。

　　　　目前一般的单功能负载均衡产品可以每秒连接400到800个接入。而同时具有第二层和第四层功能的新一代产品（使用定制的专用集成电路的基于硬件的负载均衡功能）的连接速度则超过了每秒10万次接入。

　　　　在所有这一切中的关键问题是如何确定传输流转发给哪台最可用的服务器，目前，在做出负载均衡决定时采用了多种方法。根据所需负载均衡的颗粒度，第四层交换机可以利用多种方法将应用会话分配到服务器上。这些方法包括求权数最小接入的简单加权循环、测量往返时延和服务器自身的闭合环路反馈等等。

　　　　闭合环路反馈是最先进的方法，它利用可用内存、I/O中断和CPU利用率等特定的系统信息，这些信息可以为适配器驱动器和第四层交换机自动获取。目前的闭合环路反馈机制要求在每台服务器上安装软件代理。

　　　　第四层交换机在形式和功能上与专用负载均衡器完全不同。传统基于硬件的负载均衡器是速度为45Mbps的优化的两端口设备。

　　　　而第四层交换机是设计用于高速Intranet应用的，它支持100Mbps或千兆位接口。

　　　　 第四层交换除了负载均衡功能外还支持其它功能，如基于应用类型和用户ID的传输流控制功能。采用多级排队技术，第四层交换机可以根据应用来标记传输流以及为传输流分配优先级。此外，第四层交换机直接安放在服务器前端，它了解应用会话内容和用户权限，因而使它成为了防止非授权访问服务器的理想平台。

　　　　第四层交换产品

　　　　用户过去曾一拥而上采用第二层和第三层交换机，因为这类交换机提高了总体网络吞吐量，使它远远超过了老技术的吞吐量，不知道第四层交换机是否也会看到这种现象。

　　　　Berkeley Networks公司的exponeNT e4和Alteon Networks公司的ACEswith 180两款第四层交换产品具有突出的性能和灵活性，能够比第二层和第三层交换机做出更智能的转发决定。由于把包头查询的代码嵌入到交换机中的专用集成电路（ASIC）中去实现上述功能，几乎不会造成任何延时。这两家厂商的交换机都能实现10M、100M和千兆以太网功能，但是Berkeley的交换机是设计用于企业应用的，而Alteon交换机则是用于拥有大量Web或FTP服务器的机构的。

　　　　Alteon的第四层交换技术能通过对服务器的性能和运行状况的实时监测，根据不同服务器的健康状况，将来访的数据流量以经济高效的方式分配到合适的服务器上。同时，Alteon的第四层交换技术具有Web高速缓存重定向功能，能把指定发往远程Internet主机的HTTP通信拦截，并将这些通信重新定向到本地的高速缓存服务器上，从而大大加快了访问Internet的速度，并节省了大量宝贵的广域网带宽。而且这对于用户和信息提供者来说是完全透明的，不需要用户和信息提供者做任何的设置。

　　　　Cabletron 公司的SmartSwitch Router和Torrent Networking Technologies公司推出的IP9000 Gigabit Router 也是具有第四层交换功能的产品。其中SmartSwitch Router可以实现骨干网从常规第三层交换向全面的第三、第四层交换功能的升级转