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1 前言

　　Internet的特點就是不斷變化發展，目前網絡上的信息量和業務量都呈現爆炸性的增長趨勢。不斷增長的負荷和新需求的出現，使得用單臺服務器處理應用服務的結構已成為過去，取而代之的是以單一虛擬IP地址(VIP)來代表整個服務器集群，由集群中的多臺服務器來分攤處理訪問流量。集群的組成部分也在發生變化，過去一臺Web服務器必須處理大部分的靜態內容，現在可以由應用服務、高性能數據庫和多媒體服務器等協同服務器集群來支持復雜的Web應用。

　　 這些不斷增長的服務集群和服務需求要求更高效率和更高服務質量的數據交換技術。數據交換技術已經歷了過去的那種單純的電路交換逐漸發展到二層、三層甚至更高層的交換結構的結合。交換的內部機制也從存儲轉發、直接連通過渡到路由交換、三層交換以及最新提出四層及更高層的交換。這些先進的交換技術在解決局域網和互聯網絡的帶寬及容量問題上發揮了很好的作用。

2 傳統的二、三層交換

　　 傳統的第二層交換技術是在最初的總線集線器和網橋的基礎上發展而成的，一般用于局域網的數據交換上，是作為對共享式局域網提供有效的數據交換的解決方案而出現的，它可以使每個用戶盡可能地分享到最大帶寬。

　　 第二層交換技術是在OSI七層網絡模型中的第二層，即在數據鏈路層上進行操作的。它對數據包的轉發是建立在MAC（物理端口）地址的基礎之上的，對于上層協議來說，它是透明的。交換機在轉發數據包時無須知道數據包的IP地址，只需其物理地址即MAC地址。交換機在操作過程中不斷地維護著一個簡單的地址表，它說明了MAC地址和端口的對應關系，所以當交換機收到一個數據包時對比數據包的MAC地址就可以知道是哪個端口的數據包。整個過程全部是在硬件控制下實現的，因此速度相當快，大大地加速了數據包的傳輸。

　　 第二層交換非常有利于建立LAN內部或者VLAN之間的數據交換，可以大大提高數據在LAN中的通信速度。但是第二層交換只是一種簡單的基于MAC層的數據交換，所以對于不同的IP子網之間的數據交換還是要經過路由器先進行路由。在有大量數據跨越子網的情況下，傳統的路由器又成為了網絡通信中的瓶頸，這個時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行操作。第三層交換技術也稱為IP交換技術、交換路由技術。這是一種利用第三層協議中的IP數據包頭信息來加強第二層交換功能的機制。網絡中的大量數據往往越過本地的網絡在網際間傳送，因而路由器常常不堪重負地成為瓶頸。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，就沒有必要每次都經過路由器的路由判斷來轉發數據包。第三層交換使用第三層路由協議確定傳送路徑，此路徑可以只用一次，也可以存儲起來，供以后使用，之后數據包通過一條虛電路不需要經過路由判斷而直接快速發送，最終目的是將數據通信時的路由次數降至最低。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，一般稱之為路由交換機。

　　在第三層交換機連接的情況下，主機A跟主機B第一次通過交換機通信，中間的交換機便會把A和B的IP地址及它們的MAC地址記錄下來，當其它主機如C要和A或B通信時，針對C所發出的尋址封包，第三層交換機送出一個回復告訴它A或B的MAC地址，以后C當然就會用A或B的MAC地址“直接”和它通信，不需要理會A、B和C是否屬于不同的子網，這樣就不用每次進行路由，避免每次路由操作這樣一個速度相對比較慢的過程。

　　將第二層交換和第三層交換結合在一起就成為一種通過第二層連接網絡鏈路在子網中指引業務流，通過第三層交換或路由器將包從一個子網傳到另一個子網。目前針對第二層、第三層結合的技術已提出了很多具體的實現方案，和以ATM為代表的鏈路層結合的MPLS、MPOA技術最為突出。

3 第四層交換技術

　　第二層與第三層交換產品在解決局域網和網絡互聯的QoS問題上發揮了很好的作用，但是對于當前的網絡來說還是不夠的，還需要進一步地提高QoS性能，這就需要在更高層上引入交換的概念。

　　我們知道OSI協議參考模型定義了7層結構，網絡層以上也就是第四層即傳輸層，傳輸層主要負責端對端的通信。傳輸層有很多的協議，常用的有TCP、UDP協議，這些協議承載了許多不同的業務，這些業務通常是由一些諸如HTTP、FTP、NFS、Telnet等協議表示，這些協議的類型由TCP或UDP端口地址來決定，就如同第二層的傳輸是依靠MAC地址來尋址，第三層的傳輸是依靠IP地址來尋址，那么第四層的主要表示就是傳輸層的端口地址。通過端口地址可以區分數據包是由哪個傳輸層協議傳送的。

　　分配端口號的清單可以在RFC1700中找到。TCP／UDP端口號提供的附加信息可以為網絡交換機所利用，這是第四層交換的基礎。

　　第四層交換中數據包的傳輸不僅僅依據MAC地址(第二層交換)或源/目標IP地址(第三層路由),還依據TCP/UDP端口地址(第四層地址)，也就是說第四層交換除了考慮三層的邏輯地址外還要考慮對端口地址的處理。如同上面所描述的那樣，端口地址代表了不同的業務協議，所以第四層交換不僅僅進行了物理上的交換，還包括了業務上的交換。所以說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，第四層交換機是真正的“會話交換機”。

　　由于帶有業務信息，所以第四層交換機就帶有了業務智能，可以做出向何處轉發會話傳輸流的決定。對于Internet服務提供商或內容提供商來說，第四層交換的這個功能是尤其重要的。不斷增長的負荷和需求的出現，使得用單臺服務器處理應用服務的結構已成為過去，一般網絡的服務提供商采用多種不同系統來構架一種應用的大型企業數據中心，數據在很多服務器上進行鏡像復制。第四層交換在這樣的情況下是大有可為的，可以將會話轉入性能最佳的目的機器上。

　　第四層交換尤其可以應用在以單一虛擬IP地址(VIP)來代表整個服務器集群的情況下。具有第四層功能的交換機能夠起到與服務器相連接的"虛擬IP"(VIP)前端的作用。每臺服務器和支持單一或通用應用的服務器組都配置同樣的一個VIP地址。這個VIP地址作為對外提供統一服務的目的地。當某用戶申請應用時，用戶請求的數據包先通過第三層路由器發送到具有第四層交換功能的交換機，然后第四層交換機可以根據會話和應用層信息做出轉發決定，將用戶的請求根據不同的規則轉發到"最佳"的服務器上。將"最佳"服務器地址中的IP取代VIP，并將連接請求傳給相應服務器。因此，第四層交換技術是用于傳輸數據和實現多臺服務器間負載均衡的理想機制。

　　第四層交換技術通過硬件來實現可以做成第四層交換機，它可以實現基于端到端的服務質量要求對所有聯網設備的負載進行細致的均衡，以保證客戶機與服務器之間數據平滑地流動。

　　第四層交換技術的關鍵問題是如何確定傳輸流轉發給哪臺最可用的服務器，也就是策略選擇問題。選擇策略可以根據不同的需要來制定，對高優先權的業務應首先保證它的QoS，將這種業務引向最大可利用的服務器中。而QoS要求小的就可以作為一般負載處理。目前應用神經網絡的學習算法實現在學習中動態的調整策略是一種非常好的實現方法。

4 應用交換技術

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

　　這時候的交換突破了一般意義上的交換的概念，開始進入以進程和內容級別為主的交換范圍。高層由于和應用相關，我們說這時候的交換就有了智能性。交換機具有了區別各種高層的應用和識別內容的能力。這時的交換機不僅能根據數據包的IP地址或者端口地址來傳送數據，而且還能打開數據包，進入數據包內部并根據包中的信息做出負載均衡、內容識別等判斷。

　　對于某一個端口來說，我們在第四層交換時候可以對端口進行分析來獲得較好的QoS，但是對于通過TCP/IP端口的傳輸流我們沒有辦法識別，只能對所有屬于這個端口的傳輸流統一對待，而服務提供商或許需要其中的某些傳輸流具有高的QoS優先處理權或者將某些流引向性能高的處理機中。而第七層的智能交換能夠實現進一步的控制，即對所有傳輸流和內容的控制。這種交換機可以打開傳輸流的應用／表示層，分析其中的內容，因此可以根據應用的類型而非僅僅根據IP和端口號做出更智能的流向決策。其中的一個典型例子就是根據URL的具體內容的識別交換。

　　第七層交換技術可以定義為數據包的傳送不僅僅依據MAC地址(第二層交換)或源/目標IP地址(第三層路由)以及依據TCP/UDP端口(第四層地址)，而是可以根據內容(表示/應用層)進行。這樣的處理更具有智能性，交換的不僅僅是端口，還包括了內容，因此，第七層交換機是真正的"應用交換機"。

　　這類具有第七層認知的交換機可以應用在很多方面，比如保證不同類型的傳輸流被賦予不同的優先級。它可以對傳輸流進行過濾并分配優先級，使你不必依賴于業務或網絡設備來達到這些目的，譬如，網絡電子商務提供商使用80端口提供用戶服務，但是對于不同的Web請求他們希望不同對待，比如瀏覽一般商品的Web請求的級別比用戶發出的定購Web請求要低一些，而且處理起來也不一樣。這樣需要識別80端口中的具體的URL內容來進行判斷，賦予不同的優先權交換到不同的處理器上去。更進一步,可能需要對不同級別的用戶的Web請求給予不同QoS優先權，這樣就需要對數據請求的內容進行識別，這時候對交換的智能要求就非常高了。

　　目前關于第七層交換功能還沒有具體的標準。第七層交換功能和目前很多類似的技術具有很大的互補性，它可以和其他的網絡服務和諧地共存。但是第七層交換和類似的解決方案之間最大的優勢，也就是交換技術具有的最大優勢，就是高速而且不影響智能處理。采用第七層交換技術可以以交換的線速度做出更智能性的傳輸流內容的決策。用戶將自由地根據得到的信息就各類傳輸流和其目的地做出決策，從而優化網絡訪問，為最終用戶提供更好的服務。

5 高層交換技術與Web交換機

　　高層交換技術的一個典型應用就是Web交換機。目前Internet網上提供應用的主要方式就是網站，在網站上的信息量和訪問量急劇增長的前提下，怎樣為用戶提供更多的服務，使每個用戶都可以得到QoS保證是一個越來越重要的問題。網站的運營商們正在嘗試通過架構新的體系結構以適應其業務的增長。

　　怎樣將數據中心的各種設備，包括各種互聯網服務器、防火墻、高速緩沖服務器、數據倉庫和網關等組織起來提供對外界面一致和QoS保證的服務，同時提供管理、路由和負載均衡傳輸成為一個焦點問題。所以必須提供一種處于網絡中心地位的交換機，來組織數據中心，我們稱之為Web交換機，Web交換機的基本功能是：
· 組織數據中心；
· 提供對外一致的服務界面；
· 管理數據的流向、路由；
· 負載均衡；
· 提供QoS和CoS(服務等級)；
· 請求會話定向。

　　可以看出所需要的Web交換技術僅僅用傳統的交換機是無法實現的，必須結合高層交換機的技術來實現。為了實現上述的功能Web交換機必須檢查4~7層的協議字段，獲取信息來處理數據流的管理和定向。

　　Web交換機的設計比較復雜，目前Web交換機也只是采用了三層以上的高層交換技術的部分功能。主要的Web交換機設計方案有三種：集中式CPU模式、分布式處理系統和二級混合模式。每種設計方案是采用不同的方法把交換、控制和狀態共享組合，因此各有優缺點。

6 結束語

　　本文探討了目前出現的高層交換技術，可以看出由于網絡的快速發展，高層交換技術的應用正在成為一種趨勢，尤其是第四層交換發展迅速，已經有很多產品出現。但是更高層的交換產品由于其復雜性目前還處于一種概念或者說是實驗階段，要實現商用化還有很大的距離，但是綜合它們其中一部分優點的Web交換機已經得到了應用，必將成為一個發展趨勢。
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總結

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內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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