二、三、四、七層交換技術(shù)區(qū)別

作為一名普通網(wǎng)管，如果想從基礎(chǔ)工作轉(zhuǎn)向技術(shù)主管或管理更大型的網(wǎng)吧，就要認(rèn)真了解一些雖然基礎(chǔ)，卻又最容易被忽視的網(wǎng)絡(luò)知識，而這些網(wǎng)絡(luò)知識往往是在網(wǎng)吧實際建網(wǎng)當(dāng)中必不可少的，所以一般很難接觸到實踐的機會，只能通過理論知識與模擬軟件來練習(xí)，本文以對比的方式分析幾種網(wǎng)絡(luò)交換方式，目的在于幫助大家了解這些最常聽到卻最少了解到的網(wǎng)絡(luò)組建知識，以便大家在擔(dān)任更高要求的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計任務(wù)時做到心中有數(shù)。

二層交換技術(shù)

二層交換相信大家都已經(jīng)非常熟悉了，可以簡單地解釋成以IP與MAC共同確認(rèn)數(shù)據(jù)包地址，然后傳輸數(shù)據(jù)包，交換機與PC當(dāng)中都存有一個MAC表，通過廣播的形式來建立和更新MAC地址表，眾所周知，第二層交換機，是根據(jù)第二層數(shù)據(jù)鏈路層的MAC地址和通過站表選擇路由來完成端到端的數(shù)據(jù)交換的。因為站表的建立與維護(hù)是由交換機自動完成，而路由器又是屬于第三層設(shè)備，其尋址過程是根據(jù)IP地址尋址和通過路由表與路由協(xié)議產(chǎn)生的。所以，第二層交換機的最大好處是數(shù)據(jù)傳輸速度快，因為它只須識別數(shù)據(jù)幀中的MAC地址，而直接根據(jù)MAC地址產(chǎn)生選擇轉(zhuǎn)發(fā)端口的算法又十分簡單，非常便于采用ASIC專用芯片實現(xiàn)，顯然，第二層交換機的解決方案，實際上是一個“處處交換”的廉價方案，雖然該方案也能劃分子網(wǎng)、限制廣播，建立VLAN，但它的控制能力較小、靈活性不夠，也無法控制各信息點的流量，缺乏方便實用的路由功能。網(wǎng)吧應(yīng)用二層交換最普遍，而組網(wǎng)和處理網(wǎng)絡(luò)故障也最簡單，當(dāng)然其問題也是顯而易見的，例如現(xiàn)在流行的ARP欺騙就是通過篡改MAC表來實現(xiàn)局域網(wǎng)木馬傳播和攻擊的。

三層交換技術(shù)

近年來聽過許多關(guān)于三層技術(shù)的宣傳，耳朵都能起繭子，到處都在喊三層技術(shù)，有人說這是個非常新的技術(shù)，也有人說，三層交換嘛，不就是路由器和二層交換機的堆疊，也沒有什么新的玩意，事實果真如此嗎?下面先來通過一個簡單的網(wǎng)絡(luò)來看看三層交換機的工作過程。假定有兩臺電腦分別是使用0P的設(shè)備A與使用IP的設(shè)備B比，現(xiàn)在A要給B發(fā)送數(shù)據(jù)，已知目的IP，那么A就用子網(wǎng)掩碼取得網(wǎng)絡(luò)地址，判斷目的IP是否與自己在同一網(wǎng)段。如果在同一網(wǎng)段，但不知道轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)所需的MAC地址，A就發(fā)送一個ARP請求，B返回其MAC地址，A用此MAC封裝數(shù)據(jù)包并發(fā)送給交換機，交換機起用二層交換模塊，查找MAC地址表，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的端口。如果目的IP地址顯示不是同一網(wǎng)段的，那么A要實現(xiàn)和B的通訊，在流緩存條目中沒有對應(yīng)MAC地址條目，就將第一個正常數(shù)據(jù)包發(fā)送向一個缺省網(wǎng)關(guān)，這個缺省網(wǎng)關(guān)一般在操作系統(tǒng)中已經(jīng)設(shè)好，對應(yīng)第三層路由模塊，所以可見對于不是同一子網(wǎng)的數(shù)據(jù)，最先在MAC表中放的是缺省網(wǎng)關(guān)的MAC地址；然后就由三層模塊接收到此數(shù)據(jù)包，查詢路由表以確定到達(dá)B的路由，將構(gòu)造一個新的幀頭，其中以缺省網(wǎng)關(guān)的MAC地址為源MAC地址，以主機B的MAC地址為目的MAC地址。通過一定的識別觸發(fā)機制，確立主機A與B的MAC地址及轉(zhuǎn)發(fā)端口的對應(yīng)關(guān)系，并記錄進(jìn)流緩存條目表，以后的A到B的數(shù)據(jù)，就直接交由二層交換模塊完成。這就通常所說的一次路由多次轉(zhuǎn)發(fā)。

以上就是三層交換機工作過程的簡單概括，可以看出三層交換的特點：由硬件結(jié)合實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)發(fā)。這就不是簡單的二層交換機和路由器的疊加，三層路由模塊直接疊加在二層交換的高速背板總線上，突破了傳統(tǒng)路由器的接口速率限制，速率可達(dá)幾十Gbit/s。算上背板帶寬，這些是三層交換機性能的兩個重要參數(shù)。

簡潔的路由軟件使路由過程簡化。大部分的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，除了必要的路由選擇交由路由軟件處理，都是由二層模塊高速轉(zhuǎn)發(fā)，路由軟件大多都是經(jīng)過處理的高效優(yōu)化軟件，并不是簡單照搬路由器中的軟件。

總結(jié)起來第三層交換機，是直接根據(jù)第三層網(wǎng)絡(luò)層IP地址來完成端到端的數(shù)據(jù)交換的。表面上看，第三層交換機是第二層交換器與路由器的合二而一，然而這種結(jié)合并非簡單的物理結(jié)合，而是各取所長的邏輯結(jié)合。其重要表現(xiàn)是，當(dāng)某一信息源的第一個數(shù)據(jù)流進(jìn)行第三層交換后，其中的路由系統(tǒng)將會產(chǎn)生一個MAC地址與IP地址的映射表，并將該表存儲起來，當(dāng)同一信息源的后續(xù)數(shù)據(jù)流再次進(jìn)入交換環(huán)境時，交換機將根據(jù)第一次產(chǎn)生并保存的地址映射表，直接從第二層由源地址傳輸?shù)侥康牡刂罚辉俳?jīng)過第三路由系統(tǒng)處理，從而消除了路由選擇時造成的網(wǎng)絡(luò)延遲，提高了數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)效率，解決了網(wǎng)間傳輸信息時路由產(chǎn)生的速率瓶頸，所以說，第三層交換機既可完成第二層交換機的端口交換功能，又可完成部分路由器的路由功能。即第三層交換機的交換機方案，實際上是一個能夠支持多層次動態(tài)集成的解決方案，雖然這種多層次動態(tài)集成功能在某些程度上也能由傳統(tǒng)路由器和第二層交換機搭載完成，但這種搭載方案與采用三層交換機相比，不僅需要更多的設(shè)備配置、占用更大的空間、設(shè)計更多的布線和花費更高的成本，而且數(shù)據(jù)傳輸性能也要差得多，因為在海量數(shù)據(jù)傳輸中，搭載方案中的路由器無法克服路由傳輸速率瓶頸。

四層交換技術(shù)

第四層交換的一個簡單定義是一種功能，它決定傳輸不僅僅依據(jù)MAC地址(第二層網(wǎng)橋)或源/目標(biāo)IP地址(第三層路由)，而且依據(jù)TCP/LDP(第四層)應(yīng)用端口號。第四層交換功能就象是虛IP，指向物理服務(wù)器，它傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)服從的協(xié)議多種多樣，有HTTP、FTP、NFS，Telnet或其他協(xié)議。這些業(yè)務(wù)在物理服務(wù)器基礎(chǔ)上，需要復(fù)雜的載量平衡算法。在IP世界，業(yè)務(wù)類型由終端TCP或UDP端口地址來決定，在第四層交換中的應(yīng)用區(qū)間則由源端和終端IP地址、TCP和LOP端口共同決定。在第四層交換中為每個供搜尋使用的服務(wù)器組設(shè)立虛IP地址(VIP)，每組服務(wù)器支持某種應(yīng)用。在域名服務(wù)器(DNS)中存儲的每個應(yīng)用服務(wù)器地址是VIP，而不是真實的服務(wù)器地址。當(dāng)某用戶申請應(yīng)用時，一個帶有目標(biāo)服務(wù)器組的VIP連接請求(例如一個TCP SYN包)發(fā)給服務(wù)器交換機。服務(wù)器交換機在組中選取最好的服務(wù)器，將終端地址中的VIP用實際服務(wù)器的IP取代，并將連接請求傳給服務(wù)器。這樣，同一區(qū)間所有的包由服務(wù)器交換機進(jìn)行映射，在用戶和同一服務(wù)器間進(jìn)行傳輸。根據(jù)第四層交換的原理，位于OSI模型的第四層是傳輸層。傳輸層負(fù)責(zé)端對端通信，即在網(wǎng)絡(luò)源和目標(biāo)系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)通信。在IP協(xié)議棧中這是TCP(一種傳輸協(xié)議)和UDP(用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議)所在的協(xié)議層。

第四層交換機不僅可以完成端到端交換，還能根據(jù)端口主機的應(yīng)用特點，確定或限制它的交換流量。簡單地說，第四層交換機是基于傳輸層數(shù)據(jù)包的交換過程的，是一類基于TCP/IP協(xié)議應(yīng)用層的用戶應(yīng)用交換需求的新型局域網(wǎng)交換機。第四層交換機支持TCP/LOP第四層以下的所有協(xié)議，可識別至少804-字節(jié)的數(shù)據(jù)包包頭長度，可根據(jù)TCP/LDP端口號來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)包的應(yīng)用類型，從而實現(xiàn)應(yīng)用層的訪問控制和服務(wù)質(zhì)量保證。所以，與其說第四層交換機是硬件網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，還不如說它是軟件網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。也就是說，第四層交換機是一類以軟件技術(shù)為主，以硬件技術(shù)為輔的網(wǎng)絡(luò)管理交換設(shè)備。最后值得指出的是，某些人在不同程度上還存在一些模糊概念，認(rèn)為所謂第四層交換機實際上就是在第三層交換機上增加了具有通過辨別第四層協(xié)議端口的能力，僅在第三層交換機上增加了一些增值軟件罷了，因而并非工作在傳輸層，而是仍然在第三層上進(jìn)行交換操作，只不過是對第三層交換更加敏感而已，從根本上否定第四層交換的關(guān)鍵技術(shù)與作用。我們知道，數(shù)據(jù)包的第二層IEEE802.IP字段或第三層IPToS字段可以用于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)包本身的優(yōu)先級，我們說第四層交換機基于第四層數(shù)據(jù)包交換，這是說它可以根據(jù)第四層TCP/UDP端口號來分析數(shù)據(jù)包應(yīng)用類型，即第四層交換機不僅完全具備第三層交換機的所有交換功能和性能，還能支持第三層交換機不可能擁有的網(wǎng)絡(luò)流量和服務(wù)質(zhì)量控制的智能型功能。

第七層交換

在高可用性和負(fù)載均衡方面，有許多先進(jìn)的工具可以利用由應(yīng)用返回給最終用戶的第七層信息。用戶不僅能驗證是否在發(fā)送正確的內(nèi)容，而且還能打開網(wǎng)絡(luò)上傳送的數(shù)據(jù)包(不用考慮IP地址或端口)，并根據(jù)包中的信息做出負(fù)載均衡決定。從本質(zhì)上講，這種智能性遷移超越了第四層的功能。最多具有第四層功能的設(shè)備無法識別流過此端口的不同類型的傳輸流，因此它們對所有傳輸流同等對待，可是傳輸流并不都是相同的。對于負(fù)載均衡產(chǎn)品來說，能夠知道流過此端口的數(shù)據(jù)是流媒體還是對商品目錄中一件商品的簡單請求非常有用，也許商家想賦予需要此目錄項的客戶更高的優(yōu)先級。不少具有第四層功能的設(shè)備以同樣的方式對待這兩種類型的數(shù)據(jù)，因而可能將流媒體數(shù)據(jù)發(fā)送到無法做出響應(yīng)的服務(wù)器，導(dǎo)致錯誤的信息和時延，而第七層的智能性能夠進(jìn)行進(jìn)一步的控制，即對所有傳輸流和內(nèi)容的控制。這類具有第七層認(rèn)知的產(chǎn)品的部分功能，是保證不同類型的傳輸流可以被賦予不同的優(yōu)先級。具有第七層認(rèn)知的設(shè)備不是依靠路由設(shè)備或應(yīng)用來識別差別服務(wù)(Diff-Serv)、通用開放策略服務(wù)或其它服務(wù)質(zhì)量協(xié)議的傳輸流，它可以對傳輸流進(jìn)行過濾并分配優(yōu)先級。這就使你不必依靠應(yīng)用或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來達(dá)到這些目的。第七層交換可以實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)流優(yōu)化和智能負(fù)載均衡。

其實萬變不離其宗，數(shù)據(jù)比特流在交換之時最終還是要靠物理層也就是第一層來傳輸?shù)模渌⑷⑺摹⑵邔咏粨Q技術(shù)都是依托于這個基礎(chǔ)在路由器、交換機上得以充分發(fā)展，而如今隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，OSI七層模型也漸漸的與一些新技術(shù)發(fā)展越來越不適用，人們也已經(jīng)漸漸不太關(guān)心到底這些技術(shù)屬于哪一層，但是作為網(wǎng)吧工作的網(wǎng)管，仍然要牢記這一基礎(chǔ)知識，面對新一代的網(wǎng)絡(luò)簡化模型或全新的三維技術(shù)框架的時候才能做到知識無斷層，從容應(yīng)用新技術(shù)為網(wǎng)吧技術(shù)管理帶來便利。