L3交換技術(shù)的應(yīng)用分析

向文娟

(1.武漢科技大學(xué) 湖北 武漢:430081;2.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢:430080)

隨著IP網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展,路由器得到了廣泛的應(yīng)用,但路由器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力如拆/打包、軟件工作方式等較差,并有一定的復(fù)雜性,具有路由功能但網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬很難提高。這時,具有一定的網(wǎng)絡(luò)控制和路由功能的交換技術(shù)——L3交換技術(shù)應(yīng)運而生。

1 L3交換技術(shù)

1.1 L3交換技術(shù)描述

L3交換技術(shù)是一種作用在第三層的具有一定的網(wǎng)絡(luò)控制和路由功能的交換技術(shù)。它的速度非?？?幾乎達到L2交換的速度,同時L3交換機又叫交換路由器,在L2交換機上增加網(wǎng)絡(luò)層的路由來實現(xiàn)功能——提高帶寬的同時又有路由技術(shù),或在原路由器結(jié)構(gòu)上增加交換功能的方式來實現(xiàn)。

1.2 L3交換技術(shù)的特點分析

L3交換技術(shù)具有線速路由、IP路由、路由功能、路由協(xié)議支持等特點。L3交換技術(shù)由硬件結(jié)合實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)發(fā)。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,速率可達幾十 Gbit/s。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。

2 L3交換技術(shù)的解決方案分析

L3交換技術(shù)的解決方案有三種,現(xiàn)在市場上的主流L3交換機主要有Cisco的Catalyst 2948G和3Com的CoreBuilder 3500等。

2.1 基于核心模型:Netflow(網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流)方案

主要解決路由器的第三層交換技術(shù)這個核心關(guān)鍵節(jié)點,將對于每一個數(shù)據(jù)包都需檢查源/目的 IP地址的方法改為檢查數(shù)據(jù)分組攜帶的網(wǎng)絡(luò)流標(biāo)志為依據(jù)的方法,大大縮短檢查的時間,提高了吞吐率,而且完全用ASIC(專用集成電路)硬件以線速來實現(xiàn)路由器的路由/轉(zhuǎn)發(fā)、流控、管理、服務(wù)質(zhì)量等功能。

2.2 基于邊緣多層混合交換模型:3Com FastIP,“一次路由,隨后交換”的方案

不同子網(wǎng)終端之間的通信先通過路由器進行,隨后的信息流都取路徑更快的交換通路,子網(wǎng)內(nèi)部和子網(wǎng)之間的信息流均流經(jīng)速度更快的高帶寬通路,消除路由瓶頸。網(wǎng)絡(luò)智能在網(wǎng)絡(luò)的邊緣,不在網(wǎng)路的關(guān)鍵節(jié)點實現(xiàn),盡可能交換,必要時路由,在需要保證安全性,減少廣播流量,管理地址的地方設(shè)置路由器,絕大多數(shù)策略和請求都在端系統(tǒng)上完成,少數(shù)特定的控制功能(如身份認證、防火墻、流量統(tǒng)計等)則集中在少數(shù)幾個網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點的智能系統(tǒng)中。

2.3 兩種L3交換策略方案

對所有設(shè)備和系統(tǒng)進行升級和改造,在有關(guān)的邊緣和核心設(shè)備上,配置新的軟件、硬件或者更換部分部件,使數(shù)據(jù)流效率大大提高,或設(shè)計全新的功能完善的高性能L3交換設(shè)備替代傳統(tǒng)路由器,作為核心設(shè)備的傳統(tǒng)路由器。

3 L3交換技術(shù)的應(yīng)用舉例分析

3.1 LAN中使用的典型L3交換技術(shù)分析

3.1.1 基于邊緣多層混合交換模型3Com FastIP的應(yīng)用分析

3Com的FastIP,CoreBuilder 3500是一種典型的基于邊緣多層混合模型方案,采用了“路由一次,隨后交換”的交換技術(shù),主要技術(shù)基礎(chǔ)是N HRP,是一種軟件解決方案,由網(wǎng)絡(luò)接口卡驅(qū)動軟件提供。

FastIP技術(shù)實現(xiàn)了主機到主機模式的NHRP協(xié)議,減少了中間的路由環(huán)節(jié),從而提高網(wǎng)絡(luò)性能,是一種效率很高的L3技術(shù)。盡量在數(shù)據(jù)交換過程中避開L3路由器,把基于IP地址路由表的路由功能轉(zhuǎn)換為基于端口——MAC地址表的轉(zhuǎn)發(fā)功能,實現(xiàn)完全的端到端高速交換通信,使網(wǎng)絡(luò)的性能獲得提高,不替代路由器,是對路由的補充,支持ATM 622Mbps和千兆位以太網(wǎng)。

局域網(wǎng)環(huán)境中的FastIP技術(shù)應(yīng)用舉例分析:

如工作在ATM網(wǎng)絡(luò)上,NHRP首先將一個NHRP請求(IP數(shù)據(jù)包)從源端系統(tǒng)通過路由發(fā)往目的端系統(tǒng),目的端系統(tǒng)根據(jù)該數(shù)據(jù)包的源地址,返回一個響應(yīng)數(shù)據(jù)包,如果目的端和源端在同一個網(wǎng)絡(luò)中,使用N HRP協(xié)議進行地址解析,建立由源端到目的端的數(shù)據(jù)交換路徑,進行數(shù)據(jù)傳輸。如果目的端和源端不在同一個網(wǎng)絡(luò)中,則建立由源端到邊界路由器再到目的端的數(shù)據(jù)交換路徑,進行數(shù)據(jù)傳輸。

注意:FastIP有一定的拓撲結(jié)構(gòu)的限制,因為NHRP是基于交換路徑的,在源端和目的端之間必須存在交換路徑。

現(xiàn)在市場上的主流3Com的CoreBuilder 3500 L3交換機使用先進的分布式ASIC+RISC技術(shù),總的數(shù)據(jù)吞吐量極大。具有動態(tài)可擴展的儲存器,自動流量分類和先進的排隊機構(gòu)的特性。

3.1.2 基于核心模型Cisco的NetFlow交換應(yīng)用分析

Netflow技術(shù)是在原來路由器的基礎(chǔ)上軟件升級(路由器必須支持升級),使路由器的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的性能有所提高的一種技術(shù)。

NetFlow“交換”的意義并非每二層直通的交換方式,它只是一種用Cache對傳統(tǒng)路由和轉(zhuǎn)發(fā)改進的技術(shù)。對每一個數(shù)據(jù)分組分別獨立地進行處理,即使是源端和目的端相同的分組也要進行分別獨立地進行處理。過程可記為MAC——IP——MAC。另外Netflow并沒有建立源和目的端系統(tǒng)的第二層交換路徑,而是在路由器上完成的,并非通常意義上的“交換”。

局域網(wǎng)環(huán)境中的NetFlow交換技術(shù)應(yīng)用舉例分析:

第一個數(shù)據(jù)分組經(jīng)過一般的L3路由器采用路由交換方式處理后,路由器把第一個數(shù)據(jù)分組的地址和路由信息保存在NetFlow高速緩存(Cache)中,后繼的數(shù)據(jù)分組到達路由器后,首先在Cache中進行地址匹配查找,如果找到,就使用Cache中緩存的路由信息直接進行交換轉(zhuǎn)發(fā),否則按通常的路由轉(zhuǎn)發(fā)。這樣后繼數(shù)據(jù)就可省去重新查找路由等任務(wù)。NetFlow技術(shù)中,網(wǎng)絡(luò)流的劃分標(biāo)準(zhǔn)是源和目的IP地址,因此NetFlow必須首先識別一個分組所攜帶的源和目的IP地址域,并查找。NetFlow速度可達到每秒30萬個分組。CISCO還采用了一種專用的技術(shù),可以支持流狀態(tài)信息的搜集和輸出,方便管理者管理。

目前市場上大量使用的 CiscoCatalyst 2948GL3交換技術(shù)可以支持 Internet協(xié)議(IP),互聯(lián)網(wǎng)包交換(IPX),為IP、IPX及IP多路傳輸、非路由協(xié)議提供無阻塞路由交換和提供線速L2交換,通常不需要建立并行網(wǎng)絡(luò)來完成。

3.2 廣域網(wǎng)中的L3交換技術(shù)應(yīng)用分析

廣域網(wǎng)中的L3交換技術(shù)主要有:Cascade的IP Navigator,CISCO的 Tag Switching(標(biāo)記交換)和MPLS(Multiprotocol Label Switching多協(xié)議標(biāo)記交換)。廣域網(wǎng)的速率可達到G和T比特。

廣域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中存在一些問題,如:核心路由器匯集了大量的網(wǎng)絡(luò)流量,因此會成為網(wǎng)絡(luò)通信的瓶頸,所有的通信數(shù)據(jù)分組都必須經(jīng)過核心路由器的路由/轉(zhuǎn)發(fā),廣域網(wǎng)的多個路由器中繼影響了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量,如果網(wǎng)絡(luò)擴大,就必須不斷地投資來提高核心路由器的處理能力,網(wǎng)絡(luò)不夠健壯,一旦關(guān)鍵節(jié)點崩潰就會癱瘓等。

在管理和服務(wù)方面也面臨一些問題,如呈幾何級數(shù)膨脹的虛擬連接的管理,虛擬連接的復(fù)雜度為N×N,N為節(jié)點數(shù),路由器必須提高轉(zhuǎn)發(fā)速度,才能滿足全雙工信元傳輸(ATM)吞吐率,支持端到端的服務(wù)質(zhì)量等。

3.3 新型結(jié)構(gòu)高性能L3交換技術(shù)應(yīng)用分析

結(jié)構(gòu)上面向第三層交換的設(shè)備:交換路由器或路由交換機。3Com的基于FIRE(靈活智能路由引擎)的高性能交換。使用ASIC芯片提供基于硬件的高性能交換速度。以FIRE ASIC不僅僅提高了第二層的性能,更提供了第三層路由、流量的優(yōu)化處理、帶寬保留和服務(wù)質(zhì)量QoS的保證等更多的能力和線速轉(zhuǎn)發(fā)的性能。它構(gòu)成了真正的第三層交換式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),以第二層效率實現(xiàn)第三層的性能,又保證第三層對網(wǎng)絡(luò)的控制能力。同時支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(IP,IPX,Appletalk)和接口類型(FDDI,Ethernet,ATM),實現(xiàn)了數(shù)據(jù)流線速交換的性能。主要結(jié)構(gòu)是FIRE ASIC,RISC幀處理機,RISC應(yīng)用處理機。(RISC精簡指令集計算機)

4 L3交換技術(shù)在LAN中的組網(wǎng)應(yīng)用方式

在LAN的組網(wǎng)中,可考慮主干交換設(shè)備使用第三層交換機(交換路由器或路由交換機),即用L3交換機替換作為主干交換設(shè)備的傳統(tǒng)L2交換機,這樣可以大大提高整個網(wǎng)絡(luò)的帶寬和連接性,或在VLAN之間的互聯(lián)中用,以替代路由器。

如在Bay的IP路由交換機中,使用ASIC實現(xiàn)最影響路由器性能的IP報文轉(zhuǎn)發(fā)功能,提高了路由器的性能,由兩個硬件模塊組成:核心模塊和I/O模塊,核心模塊進行路由,I/O模塊進行報文的轉(zhuǎn)發(fā)。傳統(tǒng)的路由器采用L2交換機作為主干交換機組成的網(wǎng)絡(luò)中,子網(wǎng)之間的報文轉(zhuǎn)發(fā)由路由器全部承擔(dān),這就造成路由任務(wù)過重的問題。在使用L3路由交換機的網(wǎng)絡(luò)中,報文的轉(zhuǎn)發(fā)則由路由交換機完成,減輕了路由器的負擔(dān),因而網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)效率提高。

[1] 秦建文.基于Cisco路由器的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)及其實現(xiàn)[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用,2009,(7):115-116.

[2] 汪紀(jì)鋒.基于寬帶交換式路由器體系結(jié)構(gòu)的綜合研究[J].計算機工程與應(yīng)用,2008,(9):78-80.

[3] 周 婕.安全路由器關(guān)鍵技術(shù)探討[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報,2008,(3):55-57.