深刻分析三層網絡交換機的原理和設計

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引言

    傳統路由器在網絡中起到隔離網絡、隔離廣播、路由轉發以及防火牆的做業，而且隨着網絡的不斷髮展，路由器的負荷也在迅速增加。其中一個重要緣由是出於安全和管理方便等方面的考慮，VLAN(虛擬局域網)技術在網絡中大量應用。VLAN技術能夠邏輯隔離各個不一樣的網段、端口甚至主機，而各個不一樣VLAN間的通訊都要通過路由器來完成轉發。因爲局域網中數據流量很大，VLAN間大量的信息交換都要經過路由器來完成轉發，這時候隨着數據流量的不斷增加路由器就成爲了網絡的瓶頸。爲了解決局域網絡的這個瓶頸，不少企業內部、學校和小區建設局域網時都採用了三層交換機。三層交換技術將交換技術引入到網絡層，三層交換機的應用也從最初網絡中心的骨幹層、匯聚層一直滲透到網絡邊緣的接入層。

 

1、第三層交換技術

一、三層交換的概念

     第三層交換技術也稱爲IP交換技術或高速路由技術等，是相對於傳統交換概念而提出的。衆所周知，傳統的交換技術是在OSI 網絡標準模型中的第二層—數據鏈路層進行操做的，而第三層交換技術是在網絡模型中的第三層實現了數據包的高速轉發。簡單地說，第三層交換技術就是：第二層交換技術＋第三層轉發技術，這是一種利用第三層協議中的信息來增強第二層交換功能的機制。一個具備第三層交換功能的設備是一個帶有第三層路由功能的第二層交換機，但它是兩者的有機結合，並非簡單地把路由器設備的硬件及軟件簡單地疊加在局域網交換機上。

 

二、三層交換的原理

      從硬件的實現上看，目前，第二層交換機的接口模塊都是經過高速背板/總線交換數據的。在第三層交換機中，與路由器有關的第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能夠與須要路由的其餘模塊間高速地交換數據，從而突破了傳統的外接路由器接口速率的限制(10Mbit/s---100Mbit/s)。在軟件方面，第三層交換機將傳統的基於軟件的路由器從新進行了界定

    (1) 數據封包的轉發：如IP/IPX封包的轉發，這些有規律的過程經過硬件高速實現；

    (2) 第三層路由軟件：如路由信息的更新、路由表維護、路由計算、路由的肯定等功能，用優化、高效的軟件實現。

    假設有兩個使用IP協議的站點，經過第三層交換機進行通訊的過程爲：若發送站點A在開始發送時，已知目的站B的IP地址，但尚不知道它在局域網上發送所須要的MAC 地址，則須要採用地址解析(ARP)來肯定B的MAC 地址。A把本身的IP 地址與B的IP 地址比較，採用其軟件中配置的子網掩碼提取出網絡地址來肯定B是否與本身在同一子網內。若B 與A 在同一子網內，A 廣播一個ARP 請求，B 返回其MAC 地址，A 獲得B 的MAC 地址後將這一地址緩存起來，並用此MAC 地址封包轉發數據，第二層交換模塊查找MAC 地址表肯定將數據包發向目的端口。若兩個站點不在同一子網內，則A 要向"缺省網關"發出ARP(地址解析)封包，而"缺省網關"的IP 地址已經在系統軟件中設置，這個IP 地址實際上對應第三層交換機的第三層交換模塊。當A 對"缺省網關"的IP 地址廣播出一個ARP 請求時，若第三層交換模塊在以往的通訊過程當中已獲得B 的MAC 地址，則向發送站A 回覆B 的MAC 地址；不然第三層交換模塊根據路由信息向目的站廣播一個ARP 請求，B 獲得此ARP 請求後向第三層交換模塊回覆其MAC 地址，第三層交換模塊保存此地址並回復給發送站A 。之後，當再進行A 與B 之間數據包轉發時，將用最終的目的站點的MAC 地址封包，數據轉發過程所有交給第二層交換處理，信息得以高速交換[1] 。

 

三、第三層交換的特色

      突出的特色以下：

(1).有機的硬件結合使得數據交換加速

(2).優化的路由軟件使得路由過程效率提升；

(3).除了必要的路由決定過程外，大部分數據轉發過程由第二層交換處理；

(4).多個子網互連時只是與第三層交換模塊的邏輯鏈接，不象傳統的外接路由器那樣需增長端口，保護了用戶的投資。

    第三層交換的目標是，只要在源地址和目的地址之間有一條更爲直接的第二層通路，就沒有必要通過路由器轉發數據包。第三層交換使用第三層路由協議肯定傳送路徑，此路徑能夠只用一次，也能夠存儲起來，供之後使用。以後數據包經過一條虛電路繞過路由器快速發送。

    第三層交換技術的出現，解決了局域網中網段劃分以後，網段中子網必須依賴路由器進行管理的局面，解決了傳統路由器低速、複雜所形成的網絡瓶頸問題。固然，三層交換技術並非網絡交換機與路由器的簡單疊加，而是兩者的有機結合，造成一個集成的、完整的解決方案。

2、VLSW4150系列交換機

       VLSW4150 系列交換機是爲企業提供的高性能、多層次化的解決方案。VLSW 4150也適用於ISP和服務提供商，尤爲是對於一些大型的運營商，將可以加強其在IP市場的競爭力。

一、整體設計

     VLSW4150交換機有24個RJ45 10/100BASE－TX自適應端口，提供2個可選的光纖10/100BaseTx以太口、100BaseFx快速以太端口或者千兆以太網口（SX，LX，ZX），並另外提供一個串口和一個100M以太網口對交換機進行配置。
    VLSW4150交換機的體系結構能夠支持最高到11Gbps的速率，多層交換速率達到6.6Mpps；能夠支持8,192個MAC地址；爲了更好的控制網絡流量和網絡安全，還支持以1M爲步長的速率限制；支持TaggedVLAN和MAC-based的幀過濾以及RIP、OSPF和BGP路由協議。

    VLSW4150交換機提供堆棧技術能夠以一個邏輯IP地址來管理多個交換機，並可在一個口上鏡像其餘的數據包，提供基於Web的網管系統以及CLI方式來調試交換機。VLSW4150支持SNMP協議、RMON和Telnet功能來便於管理。

 

二、硬件結構

    VLSW4150三層交換機的硬件結構分爲兩個部分，處理器模塊和交換模塊，它們之間經過PCI接口相連，同時配合相應的外圍電路造成完整的三層交換機系統，見圖1。

 

    圖1  硬件結構

 (1)處理器模塊

    如圖2所示，處理器部採用一款MOTOROLAPowerQUICCIICPU，同一些外部存儲設備以及一些外圍電路構成三層交換機的處理器部分。處理器模塊主要是運行嵌入式操做系統，配置系統和路由表的維持，而不是數據轉發通路的組成部分。CPLD 保存一些CPU初始化的一些配置以保證上電後CPU正常啓動，Flash 芯片用於存儲三層交換機的所須要的全部軟件和相關配置，SDRAM在系統啓動以後載入FLASH中的程序，保證系統正常運行。處理器模塊一方面提供一個快速以太網接口和一個異步口，用於對交換機進行配置和調試；另外一方面經過PCI接口和交換模塊相連，經過PCI接口對交換模塊進行控制，並進行數據傳輸[2] 。

                                     圖2  處理器模塊的硬件組成

  (2)交換模塊

    如圖3所示，交換模塊採用了BROADCOM公司的BCM5645做爲ASIC芯片，經過PCI接口與處理器模塊進行通訊完成數據傳輸，經過5645提供的內存接口，能夠給交換模塊提供一個64M的外部SDRAM，從而提升交換機的吞吐量和交換速度。5645經過MII接口和GMII接口分別鏈接24個百兆以太網和2個千兆以太網[3]。

    圖3  交換模塊的硬件組成

三、軟件結構

    VLSW4150三層交換機的軟件系統採用了模塊化、分佈式的設計方法，基於實時多任務操做系統。軟件系統的結構呈層次結構，一層創建在另外一層的基礎上，每一層都使用近鄰它的下一層所提供的服務，而且爲它上面一層提供更高一級的服務，其優勢是：能夠向上層軟件屏蔽底層操做，提升上層軟件的可移植性，提升軟件的可維護性。

    如圖4所示，軟件大致分爲三個層面：

(1)驅動層

    驅動程序將上層軟件和硬件系統進行了鏈接，把上層軟件的路由更新、管理及配置命令轉化爲硬件系統所能識別的格式，從而達到更新其內部數據結構如路由表，地址表等，控制及管理硬件交換系統的目的；同時設備驅動程序把底層硬件收到的路由更新報文、控制管理幀及收到的各類信息傳遞給上層軟件處理；

(2)協議棧

    實現了TCP/IP、802.1D和802.1Q等協議，爲上層的應用程序提供良好的接口；

(3)應用層

    主要包括路由模塊和網管模塊，路由模塊實現了RIP和OSPF等協議，即實現第三層路由的主要功能；網管模塊實現了SNMP和RMON等網管模塊，使三層交換機具備部分網管功能，保證三層交換機更好地正常運轉。

 

    圖4  軟件結構
   

3、第三層交換機的應用

    第三層交換機的主要用途是代替傳統路由器做爲網絡的核心，所以，凡是沒有廣域鏈接需求，同時又須要路由器的地方，均可以用第三層交換機來代替。在企業網和校園網中，通常會將第三層交換機用在網絡的核心層，用第三層交換機上的千兆端口或百兆端口鏈接不一樣的子網或VLAN。第三層交換機解決了局域網VLAN必須依賴路由器進行管理的局面，解決了傳統路由器速度低、複雜所形成的網絡瓶頸問題。利用三層交換機在局域網中劃分VLAN,能夠知足用戶端多種靈活的邏輯組合,防止了廣播風暴的產生,對不一樣 VLAN 之間能夠根據須要設定不一樣的訪問權限，以此增長網絡的總體安全性，極大地提升網絡管理員的工做效率，並且第三層交換機能夠合理配置信息資源，下降網絡配置成本，使得交換機之間鏈接變得靈活。

 

 

交換機開發（一）—— 交換機的工做原理

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1、交換機的工做原理

     當交換機收到數據時，它會檢查它的目的MAC地址，而後把數據從目的主機所在的接口轉發出去。交換機之因此能實現這一功能，是由於交換機內部有一個MAC地址表，MAC地址表記錄了網絡中全部MAC地址與該交換機各端口的對應信息。某一數據幀須要轉發時，交換機根據該數據幀的目的MAC地址來查找MAC地址表，從而獲得該地址對應的端口，即知道具備該MAC地址的設備是鏈接在交換機的哪一個端口上，而後交換機把數據幀從該端口轉發出去。

1.交換機根據收到數據幀中的源MAC地址創建該地址同交換機端口的映射，並將其寫入MAC地址表中。
2.交換機將數據幀中的目的MAC地址同已創建的MAC地址表進行比較，以決定由哪一個端口進行轉發。
3.如數據幀中的目的MAC地址不在MAC地址表中，則向全部端口轉發。這一過程稱爲泛洪（flood）。
4.廣播幀和組播幀向全部的端口轉發。

例：某網絡如圖1所示。

                                                                         圖1 交換機地址表

表1端口/MAC地址映射表

MAC地址	端口
00-10-B5-4B-30-85	E0/1
00-10-B5-4B-30-90	E0/2
00-10-B5-4B-30-65	E0/24

假設主機pc1向主機pc7發送一個數據幀，該數據幀被送到交換機後，交換機首先查MAC地址表，發現主機pc7鏈接在E0/24接口上，就將數據幀從E0/24接口轉發出去。

 

2、MAC地址表的構建過程

       爲快速轉發報文，以太網交換機須要創建和維護MAC地址表。交換機採用源MAC地址學習的方法創建MAC地址表。

(1)交換機初始狀態

交換機的初始狀態MAC地址表爲空，如圖2所示。

                                                  圖2 交換機地址表初始狀態

 

(2)地址表源MAC地址學習

     當計算機PC1要發送數據幀給計算機PC6時，所以時地址表是空的，交換機將向除PC1鏈接端口E0/1之外的其餘全部端口轉發數據幀。在轉發以前，首先檢查該數據幀的源MAC地址（00-10-B5-4B-30-85），並在交換機的MAC地址表中添加一條記錄（00-10-B5-4B-30-85，E0/1）使之和端口E0/1相對應。

(3)計算機PC6接收數據幀

    計算機PC6收到發送的數據幀後，用該數據幀的目的MAC地址和本機的MAC地址比較，發現PC1找的正是它，則接收該數據幀，其餘計算機丟棄數據幀。

    計算機PC6回覆PC1時，交換機直接從端口E0/1轉發，並學習到（00-10-B5-4B-30-65）爲PC6鏈接的端口，將其添加到地址表中，如圖3所示。

                                                           圖3 地址表源MAC地址學習

 

       交換機的其餘端口利用源MAC地址學習的方法在MAC地址表中不斷添加新的MAC地址與端口號的對應信息。直到MAC地址表添加完整爲止。

      爲了保證MAC地址表中的信息可以實時地反映網絡狀況，每一個學習到的記錄都有一個老化時間，若是在老化時間內收到地址信息則刷新記錄。對沒有收到相應的地址信息的則刪除該記錄。例如，計算機PC6中止了和交換機通訊，達到老化時間後，交換機會將其對應的記錄從MAC地址表中刪除。

      也能夠手工添加交換機的MAC地址表的靜態記錄，手工配置的靜態記錄沒有老化時間的限制。因爲MAC地址表中對於同一個MAC地址只能有一條記錄，因此若是手工配置了MAC地址和端口號對應關係後，交換機就再也不動態學習這臺計算機的MAC地址了。

 

 

3、交換機的三個主要功能 

a -- 學習

      以太網交換機瞭解每一端口相連設備的MAC地址，並將地址同相應的端口映射起來存放在交換機緩存中的MAC地址表中.

b -- 轉發/過濾

  當一個數據幀的目的地址在MAC地址表中有映射時，它被轉發到鏈接目的節點的端口而不是全部端口（如該數據幀爲廣播/組播幀則轉發至全部端口)

c -- 消除迴路

      當交換機包括一個冗餘迴路時，以太網交換機經過生成樹協議避免迴路的產生，同時容許存在後備路徑。

 

4、交換機的工做特性 

1.交換機的每個端口所鏈接的網段都是一個獨立的衝突域。 

2.交換機所鏈接的設備仍然在同一個廣播域內，也就是說，交換機不隔絕廣播（唯一的例外是在配有VLAN的環境中）。 

3.交換機依據幀頭的信息進行轉發，所以說交換機是工做在數據鏈路層的網絡設備（此處所述交換機僅指傳統的二層交換設備）。

 

5、交換機的分類 

　　 依照交換機處理幀時不一樣的操做模式，主要可分爲兩類： 

a -- 存儲轉發

       交換機在轉發以前必須接收整個幀，並進行錯誤校檢，如無錯誤再將這一幀發往目的地址。幀經過交換機的轉發時延隨幀長度的不一樣而變化。 

b -- 直通式

      交換機只要檢查到幀頭中所包含的目的地址就當即轉發該幀，而無需等待幀所有的被接收，也不進行錯誤校驗。因爲以太網幀頭的長度老是固定的，所以幀經過交換機的轉發時延也保持不變。

 

6、2、3、四層交換機對比

多種理解的說法：

1.

二層交換（也稱爲橋接）是基於硬件的橋接。基於每一個末端站點的惟一MAC地址轉發數據包。二層交換的高性能能夠產生增長各子網主機數量的網絡設計。其仍然有橋接所具備的特性和限制。

三層交換是基於硬件的路由選擇。路由器和第三層交換機對數據包交換操做的主要區別在於物理上的實施。 

四層交換的簡單定義是：不只基於MAC（第二層橋接）或源/目的地IP地址（第三層路由選擇），同時也基於TCP/UDP應用端口來作出轉發決定的能力。其使網絡在決定路由時可以區分應用。可以基於具體應用對數據流進行優先級劃分。它爲基於策略的服務質量技術提供了更加細化的解決方案。提供了一種能夠區分應用類型的方法。

 

2.

二層交換機 基於MAC地址
三層交換機 具備VLAN功能 有交換和路由///基於IP，就是網絡
四層交換機 基於端口，就是應用

 

3.

二層交換技術從網橋發展到VLAN（虛擬局域網），在局域網建設和改造中獲得了普遍的應用。第二層交換技術是工做在OSI七層網絡模型中的第二層，即數據鏈路層。它按照所接收到數據包的目的MAC地址來進行轉發，對於網絡層或者高層協議來講是透明的。它不處理網絡層的IP地址，不處理高層協議的諸如TCP、UDP的端口地址，它只須要數據包的物理地址即MAC地址，數據交換是靠硬件來實現的，其速度至關快，這是二層交換的一個顯著的優勢。可是，它不能處理不一樣IP子網之間的數據交換。傳統的路由器能夠處理大量的跨越IP子網的數據包，可是它的轉發效率比二層低，所以要想利用二層轉發效率高這一優勢，又要處理三層IP數據包，三層交換技術就誕生了。

三層交換技術的工做原理

第三層交換工做在OSI七層網絡模型中的第三層即網絡層，是利用第三層協議中的IP包的包頭信息來對後續數據業務流進行標記，具備同一標記的業務流的後續報文被交換到第二層數據鏈路層，從而打通源IP地址和目的IP地址之間的一條通路。這條通路通過第二層鏈路層。有了這條通路，三層交換機就沒有必要每次將接收到的數據包進行拆包來判斷路由，而是直接將數據包進行轉發，將數據流進行交換

 

下面看一下詳細分析：

一、二層交換技術

      二層交換技術是發展比較成熟，二層交換機屬數據鏈路層設備，能夠識別數據包中的MAC地址信息，根據MAC地址進行轉發，並將這些MAC地址與對應的端口記錄在本身內部的一個地址表中。

  具體的工做流程以下：

（1） 當交換機從某個端口收到一個數據包，它先讀取包頭中的源MAC地址，這樣它就知道源MAC地址的機器是連在哪一個端口上的；

（2） 再去讀取包頭中的目的MAC地址，並在地址表中查找相應的端口；

（3） 如表中有與這目的MAC地址對應的端口，把數據包直接複製到這端口上；

（4） 如表中找不到相應的端口則把數據包廣播到全部端口上，當目的機器對源機器迴應時，交換機又能夠學習一目的MAC地址與哪一個端口對應，在下次傳送數據時就再也不須要對全部端口進行廣播了。

        不斷的循環這個過程，對於全網的MAC地址信息均可以學習到，二層交換機就是這樣創建和維護它本身的地址表。

從二層交換機的工做原理能夠推知如下三點：

（1） 因爲交換機對多數端口的數據進行同時交換，這就要求具備很寬的交換總線帶寬，若是二層交換機有N個端口，每一個端口的帶寬是M，交換機總線帶寬超過N×M，那麼這交換機就能夠實現線速交換；

（2） 學習端口鏈接的機器的MAC地址，寫入地址表，地址表的大小（通常兩種表示方式：一爲BEFFER RAM，一爲MAC表項數值），地址表大小影響交換機的接入容量；

（3） 還有一個就是二層交換機通常都含有專門用於處理數據包轉發的ASIC（Application specific Integrated Circuit）芯片，所以轉發速度能夠作到很是快。因爲各個廠家採用ASIC不一樣，直接影響產品性能。

以上三點也是評判二三層交換機性能優劣的主要技術參數，這一點請你們在考慮設備選型時注意比較。

 

二、路由技術

       路由器工做在OSI模型的第三層---網絡層操做，其工做模式與二層交換類似，但路由器工做在第三層，這個區別決定了路由和交換在傳遞包時使用不一樣的控制信息，實現功能的方式就不一樣。工做原理是在路由器的內部也有一個表，這個表所標示的是若是要去某一個地方，下一步應該向那裏走，若是能從路由表中找到數據包下一步往那裏走，把鏈路層信息加上轉發出去；若是不能知道下一步走向那裏，則將此包丟棄，而後返回一個信息交給源地址。

     路由技術實質上來講不過兩種功能：決定最優路由和轉發數據包。路由表中寫入各類信息，由路由算法計算出到達目的地址的最佳路徑，而後由相對簡單直接的轉發機制發送數據包。接受數據的下一臺路由器依照相同的工做方式繼續轉發，依次類推，直到數據包到達目的路由器。

    而路由表的維護，也有兩種不一樣的方式。一種是路由信息的更新，將部分或者所有的路由信息公佈出去，路由器經過互相學習路由信息，就掌握了全網的拓撲結構，這一類的路由協議稱爲距離矢量路由協議；另外一種是路由器將本身的鏈路狀態信息進行廣播，經過互相學習掌握全網的路由信息，進而計算出最佳的轉發路徑，這類路由協議稱爲鏈路狀態路由協議。

   因爲路由器須要作大量的路徑計算工做，通常處理器的工做能力直接決定其性能的優劣。固然這一判斷仍是對中低端路由器而言，由於高端路由器每每採用分佈式處理系統體系設計。

 

三、三層交換技術

      近年來的對三層技術的宣傳，耳朵都能起繭子，處處都在喊三層技術，有人說這是個很是新的技術，也有人說，三層交換嘛，不就是路由器和二層交換機的堆疊，也沒有什麼新的玩意，事實果然如此嗎？下面先來經過一個簡單的網絡來看看三層交換機的工做過程。

     組網比較簡單

     使用IP的設備A------------------------三層交換機------------------------使用IP的設備B

     好比A要給B發送數據，已知目的IP，那麼A就用子網掩碼取得網絡地址，判斷目的IP是否與本身在同一網段。

     若是在同一網段，但不知道轉發數據所需的MAC地址，A就發送一個ARP請求，B返回其MAC地址，A用此MAC封裝數據包併發送給交換機，交換機起用二層交換模塊，查找MAC地址表，將數據包轉發到相應的端口。

   若是目的IP地址顯示不是同一網段的，那麼A要實現和B的通信，在流緩存條目中沒有對應MAC地址條目，就將第一個正常數據包發送向一個缺省網關，這個缺省網關通常在操做系統中已經設好，對應第三層路由模塊，因此可見對於不是同一子網的數據，最早在MAC表中放的是缺省網關的MAC地址；而後就由三層模塊接收到此數據包，查詢路由表以肯定到達B的路由，將構造一個新的幀頭，其中以缺省網關的MAC地址爲源MAC地址，以主機B的MAC地址爲目的MAC地址。經過必定的識別觸發機制，確立主機A與B的MAC地址及轉發端口的對應關係，並記錄進流緩存條目表，之後的A到B的數據，就直接交由二層交換模塊完成。這就一般所說的一次路由屢次轉發。

    以上就是三層交換機工做過程的簡單歸納，能夠看出三層交換的特色：

a -- 由硬件結合實現數據的高速轉發。

b -- 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，突破了傳統路由器的接口速率限制，速率可達幾十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。

c -- 簡潔的路由軟件使路由過程簡化。

d -- 大部分的數據轉發，除了必要的路由選擇交由路由軟件處理，都是又二層模塊高速轉發，路由軟件大多都是通過處理的高效優化軟件，並非簡單照搬路由器中的軟件。

 

簡單總結：

     二層交換機用於小型的局域網絡。這個就不用多言了，在小型局域網中，廣播包影響不大，二層交換機的快速交換功能、多個接入端口和低謙價格爲小型網絡用戶提供了很完善的解決方案。

     路由器的優勢在於接口類型豐富，支持的三層功能強大，路由能力強大，適合用於大型的網絡間的路由，它的優點在於選擇最佳路由，負荷分擔，鏈路備份及和其餘網絡進行路由信息的交換等等路由器所具備功能。

     三層交換機的最重要的功能是加快大型局域網絡內部的數據的快速轉發，加入路由功能也是爲這個目的服務的。若是把大型網絡按照部門，地域等等因素劃分紅一個個小局域網，這將致使大量的網際互訪，單純的使用二層交換機不能實現網際互訪；如單純的使用路由器，因爲接口數量有限和路由轉發速度慢，將限制網絡的速度和網絡規模，採用具備路由功能的快速轉發的三層交換機就成爲首選。

    通常來講，在內網數據流量大，要求快速轉發響應的網絡中，如所有由三層交換機來作這個工做，會形成三層交換機負擔太重，響應速度受影響，將網間的路由交由路由器去完成，充分發揮不一樣設備的優勢，不失爲一種好的組網策略，固然，前提是客戶的腰包很鼓，否則就退而求其次，讓三層交換機也兼爲網際互連。

 

四、四層交換機

　 第四層交換的一個簡單定義是：它是一種功能，它決定傳輸不只僅依據MAC地址(第二層網橋)或源/目標IP地址(第三層路由),並且依據TCP/UDP(第四層)應用端口號。第四層交換功能就象是虛IP，指向物理服務器。它傳輸的業務服從的協議多種多樣，有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其餘協議。這些業務在物理服務器基礎上，須要複雜的載量平衡算法。在IP世界，業務類型由終端TCP或UDP端口地址來決定，在第四層交換中的應用區間則由源端和終端IP地址、TCP和UDP端口共同決定。

　 在第四層交換中爲每一個供搜尋使用的服務器組設立虛IP地址（VIP），每組服務器支持某種應用。在域名服務器（DNS）中存儲的每一個應用服務器地址是VIP，而不是真實的服務器地址。

　 當某用戶申請應用時，一個帶有目標服務器組的VIP鏈接請求（例如一個TCP SYN包）發給服務器交換機。服務器交換機在組中選取最好的服務器，將終端地址中的VIP用實際服務器的IP取代，並將鏈接請求傳給服務器。這樣，同一區間全部的包由服務器交換機進行映射，在用戶和同一服務器間進行傳輸。

第四層交換的原理 

　 OSI模型的第四層是傳輸層。傳輸層負責端對端通訊，即在網絡源和目標系統之間協調通訊。在IP協議棧中這是TCP（一種傳輸協議）和UDP（用戶數據包協議）所在的協議層。
　 在第四層中，TCP和UDP標題包含端口號（portnumber），它們能夠惟一區分每一個數據包包含哪些應用協議（例如HTTP、FTP等）。端點系統利用這種信息來區分包中的數據，尤爲是端口號使一個接收端計算機系統可以肯定它所收到的IP包類型，並把它交給合適的高層軟件。端口號和設備IP地址的組合一般稱做「插口（socket）」。

　 1和255之間的端口號被保留，他們稱爲「熟知」端口，也就是說，在全部主機TCP/IP協議棧實現中，這些端口號是相同的。除了「熟知」端口外，標準UNIX服務分配在256到1024端口範圍，定製的應用通常在1024以上分配端口號.

　　 分配端口號的最近清單能夠在RFc1700」Assigned Numbers」上找到。TCP／UDP端口號提供的附加信息能夠爲網絡交換機所利用，這是第4層交換的基礎。 

"熟知"端口號舉例: 

應用協議　　　      端口號 

FTP                         20（數據）
　　　　　　　    21（控制）

TELNET                 23
SMTP                     25
HTTP                      80
NNTP                     119
NNMP                    16
                               162（SNMP traps） 

     TCP/UDP端口號提供的附加信息能夠爲網絡交換機所利用，這是第四層交換的基礎。

　 具備第四層功能的交換機可以起到與服務器相鏈接的「虛擬IP」(VIP)前端的做用。

     每臺服務器和支持單一或通用應用的服務器組都配置一個VIP地址。這個VIP地址被髮送出去並在域名系統上註冊。

　 在發出一個服務請求時，第四層交換機經過斷定TCP開始，來識別一次會話的開始。而後它利用複雜的算法來肯定處理這個請求的最佳服務器。一旦作出這種決定，交換機就將會話與一個具體的IP地址聯繫在一塊兒，並用該服務器真正的IP地址來代替服務器上的VIP地址。

　 每臺第四層交換機都保存一個與被選擇的服務器相配的源IP地址以及源TCP端口相關聯的鏈接表。而後第四層交換機向這臺服務器轉發鏈接請求。全部後續包在客戶機與服務器之間從新影射和轉發，直到交換機發現會話爲止。

　 在使用第四層交換的狀況下，接入能夠與真正的服務器鏈接在一塊兒來知足用戶制定的規則，諸如使每臺服務器上有相等數量的接入或根據不一樣服務器的容量來分配傳輸流。