浅谈第四层交换机技术及应用

二、第四层交换机支持哪些重要技术

如上所述，第二层交换设备是依赖于MAC地址和802.1Q协议的VLAN标签信息来完成链路层交换过程的，第三层交换/路由设备则是将IP地址信息用于网络路径选择来完成交换过程的，第四层交换设备则是用传输层数据包的包头信息来帮助信息交换和传输处理的。也就是说，第四层交换机的交换信息所描述的具体内容，实质上是一个包含在每个IP包中的所有协议或进程，如用于Web传输的HTTP，用于文件传输的FTP，用于终端通信的Telnet，用于安全通信的SSL等协议。这样，在一个IP网络里，普遍使用的第四层交换协议，其实就是TCP（用于基于连接的对话，例如FTP）和UDP（用基于无连接的通信，例如SNMP或SMTP）这两个协议。

由于TCP和UDP数据包的包头不仅包括了“端口号”这个域，它还指明了正在传输的数据包是什么类型的网络数据，使用这种与特定应用有关的信息（端口号），就可以完成大量与网络数据及信息传输和交换相关的质量服务，其中最值得说明的是如下五项重要应用技术，因为它们是第四层交换机普遍采用的主要技术。

⑴包过滤/安全控制：在大多数路由器上，采用第四层信息去定义过滤规则已经成为默认标准，所以有许多路由器被用作包过滤防火墙，在这种防火墙上不仅能够配置允许或禁止IP子网间的连接，还可以控制指定TCP/UDP端口的通信。和传统的基于软件的路由器不一样，第四层交换区别于第三层交换的主要不同之处，就是在于这种过滤能力是在ASIC专用高速芯片中实现的，从而使这种安全过滤控制机制可以全线速地进行，极大地提高了包过滤速率。

⑵服务质量：在网络系统的层次结构中，TCP/UDP第四层信息，往往用于建立应用级通信优先权限。如果没有第四层交换概念，服务质量/服务级别就必然受制于第二层和第三层提供的信息，例如MAC地址，交换端口，IP子网或VLAN等。显然，在信息通信中，因缺乏第四层信息而受到妨碍时，紧急应用的优先权就无从谈起，这将大大阻止紧急应用在网络上的迅速传输。第四层交换机允许用基于目的地址、目的端口号（应用服务）的组合来区分优先级，于是紧急应用就可以获得网络的高级别服务。

⑶服务器负载均衡：在相似服务内容的多台服务器间提供平衡流量负载支持时，第四层信息是至关重要的。因此，第四层交换机在核心网络系统中，担负服务器间负载均衡是一项非常重要的应用。第四层交换机所支持的服务器负载均衡方式，是将附加有负载均衡服务的IP地址，通过不同的物理服务器组成一个集，共同提供相同的服务，并将其定义为一个单独的虚拟服务器。这个虚拟服务器是一个有单独IP地址的逻辑服务器，用户数据流只需指向虚拟服务器的IP地址，而不直接和物理服务器的真实IP地址进行通信。只有通过交换机执行的网络地址转换（NAT）后，未被注册IP地址的服务器才能获得被访问的能力。这种定义虚拟服务器的另一好处是，在隐藏服务器的实际IP地址后，可以有效地防止非授权访问。

虚拟服务器是基于应用服务（第四层TCP/UDP端口号）定义的，这样，独立服务器便可以是虚拟服务器的成员。而使用第四层对话标志信息，第四层交换机则可以使用许多负载均衡方法，在虚拟服务器组里转换通信流量，其中OSPF、RIP和VRRP等协议与线速交换和负载均衡是一致的。第四层交换机还可以利用被称之为TRL（Transaction Rate Limiting）功能所提供的复杂机制，针对流量特性来遏制或拒绝不同应用类型服务。可以借助CRL（Connections Rate Limiting）功能，使网络管理员指定在给定的时间内所允许的连接数，保障QoS.或者借助SYN-Guard功能，确保那些满足TCP协议的合法连接才可查询网络服务。

⑷主机备用连接：主机备用连接为端口设备提供了冗余连接，从而在交换机发生故障时有效保护系统，这种服务允许定义主备交换机，同虚拟服务器定义一样，它们有相同的配置参数。由于第四层交换机共享相同的MAC地址，备份交换机接收和主单元全部一样的数据。这使得备份交换机能够监视主交换机服务的通信内容。主交换机持续地通知备份交换机第四层的有关数据、MAC数据以及它的电源状况。主交换机失败时，备份交换机就会自动接管，不会中断对话或连接。

⑸统计：通过查询第四层数据包，第四层交换机能够提供更详细的统计记录。因为管理员可以收集到更详细的哪一个IP地址在进行通信的信息，甚至可根据通信中涉及到哪一个应用层服务来收集通信信息。当服务器支持多个服务时，这些统计对于考察服务器上每个应用的负载尤其有效。增加的统计服务对于使用交换机的服务器负载平衡服务连接同样十分有用。

三、第四层交换机应用分析

第四层交换机在网络中的应用非常灵活，既可以是网络中心的汇接点设备，又可以应用在局域网分布层的边缘接入处，甚至于作为工作组级支持交换到桌面。特别是在性能和功能方面，被认为较弱的工作组级第四层交换机，不但能够在网络中实现端到端的服务质量，能应用于网络边缘识别，还能为数据包打上优先级标记，如运行IEEE802.1Q和IP DiffServ协议等。在拥塞控制、拥塞避免和数据整形方面，虽然，某些三层交换机也支持排队阻塞控制及IEEE802.3X协议等，第四层交换机还支持广泛应用于路由器而很少应用于第三层交换机上的WRR、WRED、RED、CAR等应用层协议。

第四层交换机在服务质量控制等方面，性能上较之第二层交换机有很大提高。如在优先级方面，原来千兆接入交换机，每个百兆端口仅仅支持2个队列，而新一代智能边缘第四层交换机则可以支持4个；在QoS所要做的分类与识别工作中，虽然第二层交换机也支持IEEE802.1P协议，可通过识别端口、MAC地址、VID确定数据的优先级技术等，第三层交换机可通过识别IP地址信息确定交换机优先级设置，可识别IP DiffServ字段，并能重写这一字段信息，然而第四层交换机，不仅可以识别端口号码，还可结合优先级策略提供相应的服务。

在传统的用户接入系统中，分布式结构邮件系统通常采用前端代理、DNS轮循或第四层交换等方法来实现复杂分担。其中采用第四层交换机方式的效率较高，特别是采用千兆以太网技术的第四层交换机，可以大大提高系统的效率。因些，在Internet、Intranet、Extranet系统中，邮件系统是第四层交换机的重要应用领域。

我们说在一个由服务器群组支持的企业网应用中，往往要考虑为紧急服务提供健壮连接，这其中第四层交换机便成为关键，使之成为必不可少的重要应用设备。因为支持服务器群组连接的第四层交换机，具有独特方式增强组网能力，且主要反映在如下几个方面。

⑴提高安全性：第四层交换机的包过滤器能够为自己所辖网络和服务器提供保护标准，利用这些保护标准可以对付来自某个IP地址或子网的面向特定应用的非授权访问。即包过滤器能够禁止特定的一组用户或子网访问服务器，或者反过来，可以赋予一组用户或子网访问的权利。

⑵改进对紧急任务的服务质量：为了向基于HTTP的应用提供比服务器群所支持的其它服务级别更高的服务，可以在应用层定义通信优先权（服务质量）。所有给这个服务器的、目标端口为HTTP口的数据可以得到一个比到该机其它端口的数据高的优先权。因为现在可以获得网络的边缘和核心都适用的第四层交换机，这类交换完全能够用于在整个网络上为哪些基于Web数据流的服务器提供高水平服务。

⑶优化可访问能力：服务器负载平衡能力用于根据用户的需要，公正地分配到每台服务器的Web流量，性能较高的服务器能够接收更多的对话，否则可以在特定的服务器上对提供服务的对话数进行限制。为了实现这一点，要定义包括多个服务器的虚拟服务器组，并在其上设置相应的负载均衡尺度，这些正是第四层交换机所特有的支持能力。

⑷增强网络的可伸缩性：采用第四层交换机来组建的热备用特性可提高服务器群的可伸缩性。因为服务器做为双宿主机与两个交换机分别连接后，这些交换机的地位是平等的，它们有通用的IP地址和MAC地址。如果主交换机发生故障，辅助交换机可以立即接管工作，因为它一直在镜像主交换机的操作。

⑸改进管理：管理员因使用第四层交换机支持的统计特性，是能够获得更加丰富的关于到服务器群的数据的管理信息的。管理员不仅可以跟踪服务器和客户机之间的数据，还可以很好地跟踪哪一个应用服务在工作、服务器上的活动和被打开对话数等重要信息，因而可增强网管性能。