?

1 前言

　　Internet的特點(diǎn)就是不斷變化發(fā)展，目前網(wǎng)絡(luò)上的信息量和業(yè)務(wù)量都呈現(xiàn)爆炸性的增長(zhǎng)趨勢(shì)。不斷增長(zhǎng)的負(fù)荷和新需求的出現(xiàn)，使得用單臺(tái)服務(wù)器處理應(yīng)用服務(wù)的結(jié)構(gòu)已成為過(guò)去，取而代之的是以單一虛擬IP地址(VIP)來(lái)代表整個(gè)服務(wù)器集群，由集群中的多臺(tái)服務(wù)器來(lái)分?jǐn)偺幚碓L(fǎng)問(wèn)流量。集群的組成部分也在發(fā)生變化，過(guò)去一臺(tái)Web服務(wù)器必須處理大部分的靜態(tài)內(nèi)容，現(xiàn)在可以由應(yīng)用服務(wù)、高性能數(shù)據(jù)庫(kù)和多媒體服務(wù)器等協(xié)同服務(wù)器集群來(lái)支持復(fù)雜的Web應(yīng)用。

　　 這些不斷增長(zhǎng)的服務(wù)集群和服務(wù)需求要求更高效率和更高服務(wù)質(zhì)量的數(shù)據(jù)交換技術(shù)。數(shù)據(jù)交換技術(shù)已經(jīng)歷了過(guò)去的那種單純的電路交換逐漸發(fā)展到二層、三層甚至更高層的交換結(jié)構(gòu)的結(jié)合。交換的內(nèi)部機(jī)制也從存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、直接連通過(guò)渡到路由交換、三層交換以及最新提出四層及更高層的交換。這些先進(jìn)的交換技術(shù)在解決局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的帶寬及容量問(wèn)題上發(fā)揮了很好的作用。

2 傳統(tǒng)的二、三層交換

　　 傳統(tǒng)的第二層交換技術(shù)是在最初的總線(xiàn)集線(xiàn)器和網(wǎng)橋的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，一般用于局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換上，是作為對(duì)共享式局域網(wǎng)提供有效的數(shù)據(jù)交換的解決方案而出現(xiàn)的，它可以使每個(gè)用戶(hù)盡可能地分享到最大帶寬。

　　 第二層交換技術(shù)是在OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型中的第二層，即在數(shù)據(jù)鏈路層上進(jìn)行操作的。它對(duì)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)是建立在MAC（物理端口）地址的基礎(chǔ)之上的，對(duì)于上層協(xié)議來(lái)說(shuō)，它是透明的。交換機(jī)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)無(wú)須知道數(shù)據(jù)包的IP地址，只需其物理地址即MAC地址。交換機(jī)在操作過(guò)程中不斷地維護(hù)著一個(gè)簡(jiǎn)單的地址表，它說(shuō)明了MAC地址和端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以當(dāng)交換機(jī)收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)對(duì)比數(shù)據(jù)包的MAC地址就可以知道是哪個(gè)端口的數(shù)據(jù)包。整個(gè)過(guò)程全部是在硬件控制下實(shí)現(xiàn)的，因此速度相當(dāng)快，大大地加速了數(shù)據(jù)包的傳輸。

　　 第二層交換非常有利于建立LAN內(nèi)部或者VLAN之間的數(shù)據(jù)交換，可以大大提高數(shù)據(jù)在LAN中的通信速度。但是第二層交換只是一種簡(jiǎn)單的基于MAC層的數(shù)據(jù)交換，所以對(duì)于不同的IP子網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交換還是要經(jīng)過(guò)路由器先進(jìn)行路由。在有大量數(shù)據(jù)跨越子網(wǎng)的情況下，傳統(tǒng)的路由器又成為了網(wǎng)絡(luò)通信中的瓶頸，這個(gè)時(shí)候就引入了第三層交換的概念。

　　第三層交換就是在OSI參考模型的第三層進(jìn)行操作。第三層交換技術(shù)也稱(chēng)為IP交換技術(shù)、交換路由技術(shù)。這是一種利用第三層協(xié)議中的IP數(shù)據(jù)包頭信息來(lái)加強(qiáng)第二層交換功能的機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)中的大量數(shù)據(jù)往往越過(guò)本地的網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)際間傳送，因而路由器常常不堪重負(fù)地成為瓶頸。在這種情況下要是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(méi)有必要每次都經(jīng)過(guò)路由器的路由判斷來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。第三層交換使用第三層路由協(xié)議確定傳送路徑，此路徑可以只用一次，也可以存儲(chǔ)起來(lái)，供以后使用，之后數(shù)據(jù)包通過(guò)一條虛電路不需要經(jīng)過(guò)路由判斷而直接快速發(fā)送，最終目的是將數(shù)據(jù)通信時(shí)的路由次數(shù)降至最低。這樣的第三層交換式路由器比僅僅路由式的路由器性能上要提高非常多，一般稱(chēng)之為路由交換機(jī)。

　　在第三層交換機(jī)連接的情況下，主機(jī)A跟主機(jī)B第一次通過(guò)交換機(jī)通信，中間的交換機(jī)便會(huì)把A和B的IP地址及它們的MAC地址記錄下來(lái)，當(dāng)其它主機(jī)如C要和A或B通信時(shí)，針對(duì)C所發(fā)出的尋址封包，第三層交換機(jī)送出一個(gè)回復(fù)告訴它A或B的MAC地址，以后C當(dāng)然就會(huì)用A或B的MAC地址“直接”和它通信，不需要理會(huì)A、B和C是否屬于不同的子網(wǎng)，這樣就不用每次進(jìn)行路由，避免每次路由操作這樣一個(gè)速度相對(duì)比較慢的過(guò)程。

　　將第二層交換和第三層交換結(jié)合在一起就成為一種通過(guò)第二層連接網(wǎng)絡(luò)鏈路在子網(wǎng)中指引業(yè)務(wù)流，通過(guò)第三層交換或路由器將包從一個(gè)子網(wǎng)傳到另一個(gè)子網(wǎng)。目前針對(duì)第二層、第三層結(jié)合的技術(shù)已提出了很多具體的實(shí)現(xiàn)方案，和以ATM為代表的鏈路層結(jié)合的MPLS、MPOA技術(shù)最為突出。

3 第四層交換技術(shù)

　　第二層與第三層交換產(chǎn)品在解決局域網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的QoS問(wèn)題上發(fā)揮了很好的作用，但是對(duì)于當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)還是不夠的，還需要進(jìn)一步地提高QoS性能，這就需要在更高層上引入交換的概念。

　　我們知道OSI協(xié)議參考模型定義了7層結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)層以上也就是第四層即傳輸層，傳輸層主要負(fù)責(zé)端對(duì)端的通信。傳輸層有很多的協(xié)議，常用的有TCP、UDP協(xié)議，這些協(xié)議承載了許多不同的業(yè)務(wù)，這些業(yè)務(wù)通常是由一些諸如HTTP、FTP、NFS、Telnet等協(xié)議表示，這些協(xié)議的類(lèi)型由TCP或UDP端口地址來(lái)決定，就如同第二層的傳輸是依靠MAC地址來(lái)尋址，第三層的傳輸是依靠IP地址來(lái)尋址，那么第四層的主要表示就是傳輸層的端口地址。通過(guò)端口地址可以區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)包是由哪個(gè)傳輸層協(xié)議傳送的。

　　分配端口號(hào)的清單可以在RFC1700中找到。TCP／UDP端口號(hào)提供的附加信息可以為網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)所利用，這是第四層交換的基礎(chǔ)。

　　第四層交換中數(shù)據(jù)包的傳輸不僅僅依據(jù)MAC地址(第二層交換)或源/目標(biāo)IP地址(第三層路由),還依據(jù)TCP/UDP端口地址(第四層地址)，也就是說(shuō)第四層交換除了考慮三層的邏輯地址外還要考慮對(duì)端口地址的處理。如同上面所描述的那樣，端口地址代表了不同的業(yè)務(wù)協(xié)議，所以第四層交換不僅僅進(jìn)行了物理上的交換，還包括了業(yè)務(wù)上的交換。所以說(shuō)第四層交換的交換域是由源端和終端IP地址、TCP和UDP端口共同決定。因此，第四層交換機(jī)是真正的“會(huì)話(huà)交換機(jī)”。

　　由于帶有業(yè)務(wù)信息，所以第四層交換機(jī)就帶有了業(yè)務(wù)智能，可以做出向何處轉(zhuǎn)發(fā)會(huì)話(huà)傳輸流的決定。對(duì)于Internet服務(wù)提供商或內(nèi)容提供商來(lái)說(shuō)，第四層交換的這個(gè)功能是尤其重要的。不斷增長(zhǎng)的負(fù)荷和需求的出現(xiàn)，使得用單臺(tái)服務(wù)器處理應(yīng)用服務(wù)的結(jié)構(gòu)已成為過(guò)去，一般網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)提供商采用多種不同系統(tǒng)來(lái)構(gòu)架一種應(yīng)用的大型企業(yè)數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)在很多服務(wù)器上進(jìn)行鏡像復(fù)制。第四層交換在這樣的情況下是大有可為的，可以將會(huì)話(huà)轉(zhuǎn)入性能最佳的目的機(jī)器上。

　　第四層交換尤其可以應(yīng)用在以單一虛擬IP地址(VIP)來(lái)代表整個(gè)服務(wù)器集群的情況下。具有第四層功能的交換機(jī)能夠起到與服務(wù)器相連接的"虛擬IP"(VIP)前端的作用。每臺(tái)服務(wù)器和支持單一或通用應(yīng)用的服務(wù)器組都配置同樣的一個(gè)VIP地址。這個(gè)VIP地址作為對(duì)外提供統(tǒng)一服務(wù)的目的地。當(dāng)某用戶(hù)申請(qǐng)應(yīng)用時(shí)，用戶(hù)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)包先通過(guò)第三層路由器發(fā)送到具有第四層交換功能的交換機(jī)，然后第四層交換機(jī)可以根據(jù)會(huì)話(huà)和應(yīng)用層信息做出轉(zhuǎn)發(fā)決定，將用戶(hù)的請(qǐng)求根據(jù)不同的規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)到"最佳"的服務(wù)器上。將"最佳"服務(wù)器地址中的IP取代VIP，并將連接請(qǐng)求傳給相應(yīng)服務(wù)器。因此，第四層交換技術(shù)是用于傳輸數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)多臺(tái)服務(wù)器間負(fù)載均衡的理想機(jī)制。

　　第四層交換技術(shù)通過(guò)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)可以做成第四層交換機(jī)，它可以實(shí)現(xiàn)基于端到端的服務(wù)質(zhì)量要求對(duì)所有聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的負(fù)載進(jìn)行細(xì)致的均衡，以保證客戶(hù)機(jī)與服務(wù)器之間數(shù)據(jù)平滑地流動(dòng)。

　　第四層交換技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題是如何確定傳輸流轉(zhuǎn)發(fā)給哪臺(tái)最可用的服務(wù)器，也就是策略選擇問(wèn)題。選擇策略可以根據(jù)不同的需要來(lái)制定，對(duì)高優(yōu)先權(quán)的業(yè)務(wù)應(yīng)首先保證它的QoS，將這種業(yè)務(wù)引向最大可利用的服務(wù)器中。而QoS要求小的就可以作為一般負(fù)載處理。目前應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)在學(xué)習(xí)中動(dòng)態(tài)的調(diào)整策略是一種非常好的實(shí)現(xiàn)方法。

4 應(yīng)用交換技術(shù)

　　在第四層交換大大地提高了網(wǎng)絡(luò)性能和QoS保證之后，在更高的層次上也引入了交換的概念，可以稱(chēng)之為第七層交換技術(shù)，或者高層智能交換。

　　這時(shí)候的交換突破了一般意義上的交換的概念，開(kāi)始進(jìn)入以進(jìn)程和內(nèi)容級(jí)別為主的交換范圍。高層由于和應(yīng)用相關(guān)，我們說(shuō)這時(shí)候的交換就有了智能性。交換機(jī)具有了區(qū)別各種高層的應(yīng)用和識(shí)別內(nèi)容的能力。這時(shí)的交換機(jī)不僅能根據(jù)數(shù)據(jù)包的IP地址或者端口地址來(lái)傳送數(shù)據(jù)，而且還能打開(kāi)數(shù)據(jù)包，進(jìn)入數(shù)據(jù)包內(nèi)部并根據(jù)包中的信息做出負(fù)載均衡、內(nèi)容識(shí)別等判斷。

　　對(duì)于某一個(gè)端口來(lái)說(shuō)，我們?cè)诘谒膶咏粨Q時(shí)候可以對(duì)端口進(jìn)行分析來(lái)獲得較好的QoS，但是對(duì)于通過(guò)TCP/IP端口的傳輸流我們沒(méi)有辦法識(shí)別，只能對(duì)所有屬于這個(gè)端口的傳輸流統(tǒng)一對(duì)待，而服務(wù)提供商或許需要其中的某些傳輸流具有高的QoS優(yōu)先處理權(quán)或者將某些流引向性能高的處理機(jī)中。而第七層的智能交換能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步的控制，即對(duì)所有傳輸流和內(nèi)容的控制。這種交換機(jī)可以打開(kāi)傳輸流的應(yīng)用／表示層，分析其中的內(nèi)容，因此可以根據(jù)應(yīng)用的類(lèi)型而非僅僅根據(jù)IP和端口號(hào)做出更智能的流向決策。其中的一個(gè)典型例子就是根據(jù)URL的具體內(nèi)容的識(shí)別交換。

　　第七層交換技術(shù)可以定義為數(shù)據(jù)包的傳送不僅僅依據(jù)MAC地址(第二層交換)或源/目標(biāo)IP地址(第三層路由)以及依據(jù)TCP/UDP端口(第四層地址)，而是可以根據(jù)內(nèi)容(表示/應(yīng)用層)進(jìn)行。這樣的處理更具有智能性，交換的不僅僅是端口，還包括了內(nèi)容，因此，第七層交換機(jī)是真正的"應(yīng)用交換機(jī)"。

　　這類(lèi)具有第七層認(rèn)知的交換機(jī)可以應(yīng)用在很多方面，比如保證不同類(lèi)型的傳輸流被賦予不同的優(yōu)先級(jí)。它可以對(duì)傳輸流進(jìn)行過(guò)濾并分配優(yōu)先級(jí)，使你不必依賴(lài)于業(yè)務(wù)或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來(lái)達(dá)到這些目的，譬如，網(wǎng)絡(luò)電子商務(wù)提供商使用80端口提供用戶(hù)服務(wù)，但是對(duì)于不同的Web請(qǐng)求他們希望不同對(duì)待，比如瀏覽一般商品的Web請(qǐng)求的級(jí)別比用戶(hù)發(fā)出的定購(gòu)Web請(qǐng)求要低一些，而且處理起來(lái)也不一樣。這樣需要識(shí)別80端口中的具體的URL內(nèi)容來(lái)進(jìn)行判斷，賦予不同的優(yōu)先權(quán)交換到不同的處理器上去。更進(jìn)一步,可能需要對(duì)不同級(jí)別的用戶(hù)的Web請(qǐng)求給予不同QoS優(yōu)先權(quán)，這樣就需要對(duì)數(shù)據(jù)請(qǐng)求的內(nèi)容進(jìn)行識(shí)別，這時(shí)候?qū)粨Q的智能要求就非常高了。

　　目前關(guān)于第七層交換功能還沒(méi)有具體的標(biāo)準(zhǔn)。第七層交換功能和目前很多類(lèi)似的技術(shù)具有很大的互補(bǔ)性，它可以和其他的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和諧地共存。但是第七層交換和類(lèi)似的解決方案之間最大的優(yōu)勢(shì)，也就是交換技術(shù)具有的最大優(yōu)勢(shì)，就是高速而且不影響智能處理。采用第七層交換技術(shù)可以以交換的線(xiàn)速度做出更智能性的傳輸流內(nèi)容的決策。用戶(hù)將自由地根據(jù)得到的信息就各類(lèi)傳輸流和其目的地做出決策，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)，為最終用戶(hù)提供更好的服務(wù)。

5 高層交換技術(shù)與Web交換機(jī)

　　高層交換技術(shù)的一個(gè)典型應(yīng)用就是Web交換機(jī)。目前Internet網(wǎng)上提供應(yīng)用的主要方式就是網(wǎng)站，在網(wǎng)站上的信息量和訪(fǎng)問(wèn)量急劇增長(zhǎng)的前提下，怎樣為用戶(hù)提供更多的服務(wù)，使每個(gè)用戶(hù)都可以得到QoS保證是一個(gè)越來(lái)越重要的問(wèn)題。網(wǎng)站的運(yùn)營(yíng)商們正在嘗試通過(guò)架構(gòu)新的體系結(jié)構(gòu)以適應(yīng)其業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)。

　　怎樣將數(shù)據(jù)中心的各種設(shè)備，包括各種互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、防火墻、高速緩沖服務(wù)器、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和網(wǎng)關(guān)等組織起來(lái)提供對(duì)外界面一致和QoS保證的服務(wù)，同時(shí)提供管理、路由和負(fù)載均衡傳輸成為一個(gè)焦點(diǎn)問(wèn)題。所以必須提供一種處于網(wǎng)絡(luò)中心地位的交換機(jī)，來(lái)組織數(shù)據(jù)中心，我們稱(chēng)之為Web交換機(jī)，Web交換機(jī)的基本功能是：
· 組織數(shù)據(jù)中心；
· 提供對(duì)外一致的服務(wù)界面；
· 管理數(shù)據(jù)的流向、路由；
· 負(fù)載均衡；
· 提供QoS和CoS(服務(wù)等級(jí))；
· 請(qǐng)求會(huì)話(huà)定向。

　　可以看出所需要的Web交換技術(shù)僅僅用傳統(tǒng)的交換機(jī)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，必須結(jié)合高層交換機(jī)的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)上述的功能Web交換機(jī)必須檢查4~7層的協(xié)議字段，獲取信息來(lái)處理數(shù)據(jù)流的管理和定向。

　　Web交換機(jī)的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，目前Web交換機(jī)也只是采用了三層以上的高層交換技術(shù)的部分功能。主要的Web交換機(jī)設(shè)計(jì)方案有三種：集中式CPU模式、分布式處理系統(tǒng)和二級(jí)混合模式。每種設(shè)計(jì)方案是采用不同的方法把交換、控制和狀態(tài)共享組合，因此各有優(yōu)缺點(diǎn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

　　本文探討了目前出現(xiàn)的高層交換技術(shù)，可以看出由于網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，高層交換技術(shù)的應(yīng)用正在成為一種趨勢(shì)，尤其是第四層交換發(fā)展迅速，已經(jīng)有很多產(chǎn)品出現(xiàn)。但是更高層的交換產(chǎn)品由于其復(fù)雜性目前還處于一種概念或者說(shuō)是實(shí)驗(yàn)階段，要實(shí)現(xiàn)商用化還有很大的距離，但是綜合它們其中一部分優(yōu)點(diǎn)的Web交換機(jī)已經(jīng)得到了應(yīng)用，必將成為一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。
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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的第四层到第七层的高层交换技术及其应用的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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