现代交换技术研究与应用.docx

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现代交换技术研究与应用

现代交换技术研究与应用

摘要：

21世纪以来，随着通信网络的迅速发展和普及，网络已经渗透到人们的学习、生活和工作当中，同时人们对网络的速度、带宽，性能等提出了更高的要求。

交换技术是提高网络带宽、提升网络性能的主要技术之一。

本文综述了现代交换技术中的电路交换、分组交换、ATM交换、标签交换、IP交换、MPLS等技术，重点探讨了局域网交换技术，分析了二层交换原理与优缺点，对三层交换、四层交换等交换技术的原理、实现方法进行了系统的阐述。

明确了二层交换、三层交换、四层交换在网络技术中的应用特点，并设计了一个基于交换技术的中小型企业网方案。

关键词：

三层交换；四层交换；交换机

ResearchandApplicationsofThemodernswitchingtechnology

Abstract：

Asthehuman-beingssettheirfootintothe21century,thenetworkhasalreadyseepedthroughthepeople'sstudy,dailylifeandworks,alongwiththequickdevelopmentofthecorrespondencenetworkanduniversality,meanwhile,peopleputforwardhigherrequirementtothespeedofnetwork,bandwidthandfunctionetc.Switchingisoneofthemaintechniquesthatraisesthenetworkbandwidthandpromotesthenetworkfunction.Thisarticlesummarizesthemodernswitchingtechnique,thecircuitswitched,thepacketswitched,theATMswitching,thetagswitching,theIPswitching,theMPLSetc.whicharepartsofthemodernswitchingtechnique,andevenputshighemphasizeontheLANswitchingtechnology,analyzestheLayer2Switchingprincipleandeventhemeritsandshortcomingsofit,makesasystematicexpressionoftheprinciplesandtheimplementationmethodsoftheLayer3SwitchingandtheLayer4Switchingetc.elaboratestheimplementationcharactersoftheLayer2Switching,theLayer3SwitchingandtheLayer4Switchingusedinnetworktechnique,yetdesignacasehappenedinthesmallscalebusinessenterprise,whichwasbasedontheswitchingtechnique.

Keywords：

theLayer3Switching;theLayer4Switching;Switch

目录

1引　言1

2现代交换技术分析1

2.1电路交换1

2.2分组交换2

2.3ATM交换2

2.4标签交换3

2.5IP交换3

2.6MPLS4

3局域网交换技术5

3.1二层交换技术5

3.2三层交换技术6

3.2.1什么是三层交换技术6

3.2.2三层交换技术原理6

3.2.3三层交换技术的的主要特点8

3.3四层交换技术9

3.3.1四层交换的定义9

3.3.2四层交换的技术原理9

3.3.3四层交换的作用11

4交换技术在中小型企业网中的应用11

4.1VLAN技术12

4.1.1VLAN的概念12

4.1.2VLAN的划分12

4.2需求设计分析13

4.3网络的总体设计13

4.4设备选型15

4.4.1交换机分配15

4.4.2本企业网络设计的特点15

5总结15

6致谢16

参考文献17

1引　言

早期的网络应用，主要是共享式的，网络中传输的主要是数字、文字和程序等数据，对于计算机终端不多的早期网络，这种共享式技术完全可以适用。

但是，首先，随着计算机终端不断增加、Internet业务的高速增长，网络应用从单纯的传输字符发展到传输图象，声音，动画和视频，而且传输冲突的概率急剧上升，网络有效的可用带宽下降，网络带宽成为网络应用的瓶颈。

其次，实时业务和多媒体应用不断增加，对网络带宽、服务质量（QOS）、时间抖动、实时性、可扩展性以及对新业务的适应性方面提出了更高的要求，传统的共享式的网络技术已经不能满足需求。

在这种情况下网络交换技术应运而生，他的产生不仅解决了上述问题，还进一步的推动了网络技术的发展。

波分复用（WDM）和多路波分复用（DWDM）光纤宽带传输技术的飞速发展和普遍使用，为提高网络的传输速度提供了条件，使人们看到宽带通道的无限发展趋势，同时也唤起了人们对网络交换技术的更大关注。

信息社会的到来，使得网络交换技术与人们的距离越来越近，计算机网络不但日益深入人们的工作和生活，而且也在不断改变和丰富着人们的生活。

所以，研究现代交换技术，不仅有利于网络建设的大规模展开，提高网络的性能、效率及安全控制等，而且有利于方便人们的生活和推动我国的社会信息化建设。

本文将从以下几个方面对现代交换技术进行阐述,以便更好地发挥交换技术在计算机网络中的应用。

2现代交换技术分析

从电报诞生、电话发明至今，人类的通信手段已发生了巨大的变革。

信息交流和沟通跨越了距离的阻隔、挣脱了时间的束缚，变得日益密切和广泛，实时、互动、多媒体、无线成为追求的目标。

在计算机技术不断发展的今天，信息处理技术也日臻完善，各种特定业务的通信网络与之融合，其发展速度难以想象。

网络交换技术也由最初的电路交换、分组交换发展到今天的标签交换、IP交换、MPLS。

2.1电路交换

电路交换是最早发展的一种针对电话业务传输的交换技术。

这种交换方式的最大特点是：

先连接通话双方，建立并保持这条通道，一直到通话结束后拆除。

在电路交换中，一旦连接建立后，网络对用户是透明的，由于任何一次连接占用的时隙数相同，其传输的比特数一样，因此所有的业务都具有相同的传输速率。

由于信息的传输速率固定，因而其差错检测和流量控制较为简单。

由于电路交换只有一个基本实体，其交换方式对多种类型的业务处理就显得极不适宜。

在宽带网中，业务范围从几十比特到几百兆比特，如果把这个基本实体的速率设定到上百兆比特，那么对低速业务来说，就显得资源太过于浪费。

因此电路交换在宽带网中就有诸多不适之处。

2.2分组交换

分组交换是一种存储转发的交换方式，它把信息划分成为一个个独立的分组包（package），在分组的头部包含了一些附加信息，以进行路由选择、差错纠正、流量控制等。

分组交换分为虚电路和数据报，它们并不象电路交换中的一条通道始终被一个连接占用。

分组交换在信道使用效率上大大提高，从而可以适应不同速率的业务需求。

分组交换中，信道实际上是供所有正在传输的站点共享使用的。

但是，当网络的负载很高时，将会导致分组传输的延迟增加，特别是在网络极度拥塞时，传送延迟过长。

作为分组交换的一种变形，帧中继将X.25分组网中通过分组节点间的差错控制和防止拥塞的流量控制过程进行了简化，将处理从网内转移到网外终端系统中实现，而且路由的功能放到第二层通过DLIC实现，从而简化了节点的处理过程，缩短了处理时间，这有效利用了高速数字传输信道，提高了传输速率。

2.3ATM交换

电路交换和分组交换都无法快捷的支持各种速率、各种业务特性、各种传输要求（延时误码率）的多媒体信息的通信。

但两种方式各有优势，电路交换适合实时业务但是无法适配各种速率的业务，并且网络的利用率低，而分组交换可以适配各种速率的业务，且具有较高的复用效率，但却无法很好地支持实时业务。

综合二者优势，ITU-T给出了一种称之为异步转移模式的ATM交换技术。

ATM以分组传送为基础，对分组交换网的协议进行了简化，并由硬件实现。

各个交换节点对接收到的数据不再进行差错控制，此项工作交由终端去做。

分组长度固定为53字节，其中信头5字节，净负荷48字节。

ATM的信元头部有两种[1]。

如图1所示。

信头中包括各种控制信息，主要是表示信元去向的逻辑地址，以及其他一些维护信息、优先级和信头纠错码。

净负荷中包含有来自各种不同业务的用户信息，这些信息透明地穿过网络，信元的大小与业务类型无关，任何业务的信息都经过切割封装成统一格式的信息。

ATM交换基于对信头中VCI/VPI的识别，进行路由的选择及VCI/VPI的修改，从而转发ATM信元，以达到交换的目的。

GFC

VPI

VCI

PT

CLP

HEC

（a）UNI中的ATM头部

VPI

VCI

PT

CLP

HEC

（b）NNI中的ATM头部

GFC：

通用流量控制PT：

有效载荷类型

VPI：

虚通路标志符CLP：

信元丢弃优先权

VCI：

虚通道标识符HEC：

信头错误校验

图1ATM的两种信元头

2.4标签交换

标签交换（tagswitching）是Cisco公司提出的一种多层交换技术。

标签交换将二层交换与三层路由相结合，是一种IP包的高速转发技术。

标签交换网络包含三个成分：

标记边缘路由器、标记交换机和标记分发协议。

标签边缘路由器是位于标签交换网络边缘的含完整3层功能的路由设备，它们检查到来的分组，在转发给标记交换网络前打上适当的标签，当分组退出标签交换网络时删去该标签。

标签交换机是标签交换网络的核心。

标签分发协议提供了标签交换机和其它标签交换机或标签边缘路由器交换标签信息的方法。

相邻的标签交换机和边缘路由器通过标签分发协议彼此分发存贮在标签信息库（TIB）中的标签值。

当标签交换机收到一个携带标签的报文时，转发构件就用该报文携带的标签检索标签信息库（TIB），如果在标签信息库（TIB）中找到输入标签字段和该报文携带的标签相同的项，转发构件就以该项中的输出标签替代报文携带的标签，用输出接口层信息封装报文，并把报文通过该项指定的输出接口转发出去。

标签交换的转发决策是基于固定长度的且相对较短的标签，简化了转发过程，可以直接使用快速的硬件（ASIC）实现，这大大的提高报文的转发速度。

2.5IP交换

IP交换（IPswitching）是一个开放的，专有并已经公开的由Ipsilon公司开发的一种网络交换技术。

IP交换的设计用于基于ATM的IP交换，目的是在快速交换硬件上获得最有效的IP实现，将非连接的IP和面向连接的ATM的优点互补。

IP交换是标准的ATM交换加上连接于ATM交换机端口上的智能的软件控制器，即IP交换控制器。

IP交换控制器执行传统的路由协议，将分组以正常的方式通过缺省转发信道转发给下一个节点，这可能是另一个IP交换机或边缘设备。

IP交换控制器还执行数据流分类，它识别长期的数据流，因为这样的数据可以用ATM硬件的cut-through交换来优化，其余的通信仍然使用缺省的方式，即点到点的存贮转发路由。

当长期的数据流被识别，IP交换控制器要求上一节给之打标记，使用新的虚信道，如果源边缘设备同意，该数据流就通过新的虚信道流向IP交换控制器。

下一节点也执行同一动作。

当该流独立使用特殊的输入信道和输出信道时，IP交换控制器指示交换机建立适当的硬件端口映射，旁路路由软件和相关处理的开支。

这个过程继续下去，流的前面几个分组使从源边缘设备到目的边缘设备建立直接的连接。

此设计使IP交换机以仅受交换引擎限制的速率转发分组。

此外，因为不需要将ATM信元封装到中介IP交换机的IP分组中，IP网中的吞吐量也得到了优化。

在IP交换中，长期的数据流在ATM层上交换，短期的数据流（如DNS、SNMP等询问）象通常一样进行路由，IP交换的效率取决于通信类型，流的延续时间越长，用于建立和关闭虚信道（VC）的开销就小，IP交换的效率就越高。

2.6MPLS

标记交换与IP交换等各种多层交换技术，均采用公司标准，互通互连困难。

为此IETF正在着手制定多协议标签交换（MPLS）标准，将各公司的多层交换技术统一起来，其基本的思想是简化路由器入口处对网络层帧头的分析过程和FEC（For-wardingEquivalenceClasses）分配功能过程，改善选路的性能和成本。

MPLS网络采用标准分组处理方式对第三层的分组进行转发、采用标签交换对第二层分组进行交换。

每个MPLS设备运行一个单一的IP路由协议，交换路由表更新信息并维护一个拓扑结构和一个地址空间。

标签表示路径和业务的属性，在入口的边缘、流入的数据包被处理加上标签，位于核心的设备仅仅读这些标签，赋于适当的业务，然后根据标签转发这些数据包，对这些数据包的分析、分类和过滤只发生一次，是在进入边缘设备时，经过出口的边缘设备时，标签被移去，数据包转发到最终目的地。

MPLS可以使用各种第二层的协议，MPLS工作组到目前为止已经把在帧中继、ATM和PPP链路以及IEEE802.3局域网上使用的标记实现了标准化。

尽管MPLS面向多协议，然而它主要还是支持IP协议。

3局域网交换技术

局域网交换技术是作为对共享式局域网提供有效的网段划分的解决方案而出现的，它可以使每个用户尽可能地分享到最大带宽。

3.1二层交换技术

二层交换工作在OSI七层网络模型中的第二层即数据链路层，以MAC地址为基础。

OSI的第二层（数据链路层）的功能是将物理层提供的传送比特流可能出错的物理连接改造成为逻辑上的无差错的数据链路。

数据链路层中传输数据的基本单位为帧，因此数据链路层的功能即为提供数据帧在信道上无差错地传输[9]。

二层交换机依据第二层的地址（MAC地址）传送数据帧，所以，二层交换机可以识别数据帧中的MAC地址信息，根据MAC地址进行转发。

二层交换机对于路由器和主机是“透明的”，二层交换机通过观察每个端口的数据帧获得源MAC地址，二层交换机在内部的高速缓存中建立MAC地址与端口的映射表。

当二层交换机从某个端口收到一个数据帧时，先读取包头中的源MAC地址，这样它就知道源MAC地址的主机是连在哪个端口上的；再去读取包头中的目的MAC地址，并在地址映射表中查找相应的端口，如果找到，二层交换机便将该数据帧送往对应的端口。

如果它查不到，便将该数据帧"扩散"出去，即把它从每一个端口广播出去。

如果有回应数据包，二层交换机便将在映射表中增加新的对应关系，在下次传送数据时就不再需要对所有端口进行广播了。

当二层交换机初次加入网络时，映射表是空的，数据帧将被发往网络内的全部端口直到二层交换机“学习”到各个MAC地址为止，二层交换机在“学习”的过程中会在它的高速缓存中建立MAC地址与端口的映射表，后来在转发数据帧时就查看该映射表。

因此，二层交换机在刚刚启动时相对来说是慢的，只有在映射表建立后，才能真正发挥它的性能，并且二层交换机在运行过程中不断收集和建立自己的MAC地址表，并且定时刷新，这样就可以大大提高网络的流量。

二层交换机的数据转发过程比较简单而且采用ASIC硬件对数据包进行处理。

所以，二层交换机具有吞吐量高、延时低、每个端口的价格比较经济等特点。

二层交换机缺点是：

它在处理广播封包上比较困难，对广播风暴、异种网络互连、安全性控制等不能有效地解决，特别是在网络规模较大时经常发送广播封包，会造成网络性能和效率大幅的下降。

如果有一台失效的设备就会形成广播风暴，形成众多的广播帧堵塞网络，使合法的信息发生拥塞。

3.2三层交换技术

3.2.1什么是三层交换技术

三层交换是在网络模型中的第三层（网络层）实现了数据包的高速转发。

而第三层（网络层）的功能就是提供建立、维护、和终止网络连结的手段。

网络层传输的信息以报文分组为单位,它将来自源的报文转化成包文,经路径选择算法确定路径送往目的地[2]。

因此,网络层的任务是负责网络内任意两点间数据的交换,为信息选择路径和进行拥塞控制。

三层交换技术是基于二层交换技术之上的三层转发技术。

三层交换技术提供更高层的服务，借助于线速交换技术，把路由功能集成到交换机中，在各个网络层次上都可实现线速的转发，网络的性能大幅度的提高。

3.2.2三层交换技术原理

三层交换工作在OSI七层网络模型中的第三层即网络层，只要在源地址和目的地址之间有一条更为直接的第二层通路，就没有必要经过路由器转发数据包。

三层交换利用第三层协议中的IP包的包头信息来确定传送路径，对具有同一传送路径的后续数据包进行标记，具有同一标记的的后续数据包被交换到第二层数据链路层，有了这条通路，三层交换机就没有必要每次将接收到的数据包进行拆包来判断路由，而是直接将数据包进行转发，将数据流进行交换。

从而，数据包通过一条虚电路绕过路由器快速发送。

原理如图2示，假设两个使用IP协议的站点通过三层交换机，通信的过程如下：

发送站点A在开始发送时，已知目的站B的IP地址，但不知道在局域网上发送所需要的MAC地址。

要采用地址解析（ARP）来确定目的站的MAC地址。

发送站A把自己的IP地址与目的站B的IP地址比较。

若目的站B与发送站A在同一子网内，站点A广播一个ARP请求，B站返回其MAC地址，A站得到目的站点B的MAC地址后将这一地址缓存起来，并用此MAC地址封装包后转发数据，二层交换模块查找MAC地址表确定将数据包发向相应的目的端口。

若两个站点不在同一子网内，如发送站A要与目的站C通信，发送站A要向“三层引擎”发出ARP包请求，若“三层引擎”在以往的通信过程中已得到目的站C的MAC地址，则向发送站A回复目的站C的MAC地址；否则“三层引擎”根据路由信息向目的站C广播一个ARP请求，目的站C得到此ARP请求后，向“三层引擎”回复其MAC地址，“三层引擎”保存此地址并回复发送站A，同时将C站的MAC地址发送到二层交换引擎的MAC地址表中。

以后，当再进行站点A与站点C之间的数据包转发时，将用最终的目的站点C的MAC地址，数据转发过程全部交给二层交换处理，信息得到高速转发。

图2三层交换原理示意图

目前三层交换技术主要有两种：

基于分组和基于流。

（1）基于分组交换的技术原理

基于分组的交换与传统的路由采用同样的操作方式，每一个报文都要经历第三层处理，并且数据流转发也是基于第三层地址的。

报文进入网络中OSI模型的第一层，即物理接口，然后在第二层接受目的MAC地址检查，若在第二层交换模块的地址表中能够找到目的MAC地址的对应端口，则报文进行二层转发。

否则报文进入到第三层。

在第三层，报文经过路径确定、地址解析（ARP）及某些特殊服务的处理。

经过三层处理后的报文已经更新为新的报文，在确定合适的输出端口后，报文通过第一层的物理接口传送到物理介质上。

基于分组交换处理方法的优点：

通过运行标准协议来维护路由表，分组交换设备可动态地重新路由报文，绕过网络故障点和拥塞点而无需等待高层的协议检测报文丢失。

所以，基于分组的交换能够适应网络的拓扑变化，易于实现拥塞控制。

同时，采用硬件转发逻辑的第三层交换设备，克服了传统路由完全基于软件的工作机制所产生的固有缺陷，基于分组交换的处理速度得以大幅提高。

如：

基于分组的交换机速度比传统的路由器速度提高了一个数量级。

（2）基于流交换的技术原理

在基于流的交换中，不同子网上的终端系统之间的通信先通过路由器进行，此后的信息流都取捷径流经更快的交换通路。

流交换通过识别具有相同源地址和目的地址的IP分组来提高性能。

它不在第三层处理所有报文，只分析流中的第一个报文，可以通过正在进行的业务流或者在分组头中使用特殊的流标签来实现，一旦流被识别，流中的后续报文使用一种或多种捷径技术进行处理，便可在网络中建立一条预先规定的路由来加快转发的过程。

由于流交换节省了检查每个报文要花费的处理时间，所以流交换的速度很快。

但是，流交换的后续报文走捷径不需要第三层处理，流交换就不能识别标准协议对路由表的改变。

因此，流交换需要其它的协议来适应网络拓扑的变化和实现拥塞控制。

　　目前出现了多种流交换技术，如3Com公司的快速IP、由Cisco提交给IETF的多协议标记交换（MPLS）、ATM的多协议（MPOA）以及Ipsilon公司的IP交换等。

这些技术的差别在于如何使用捷径：

一些是依靠端系统来启动流交换；另一些是使用中介或专用的交换机或路由器。

还有些技术综合利用了上述两种方法。

3Com公司的快速IP就属于依靠端系统启动的流交换技术，其工作原理基于NHRP标准（草案）。

3Com快速IP交换的过程如图3示

图33Com快速IP交换示意图

3.2.3三层交换技术的的主要特点

（1）三层交换机采用ASIC技术及有机的硬件结合使数据交换加速，除了必要时进行路由外,大部分数据转发过程由第二次交换处理。

所以三层交换的数据转发速度非常的快。

（2）三层网络架构采用层次化模型设计，将复杂的网络进行分层次设计，每个层次着重于某些特定的功能，这样可以降低网络设计的难度。

三层网络架构设计的网络有三个层次：

核心层、汇聚层、接入层。

由于三层交换的层次化设计，三层交换能够创建更加易于扩展和维护的大规模网络。

（3）多个子网互连时只是与三层交换模块的逻辑连接,不像传统的外接路由器那样需增加端口,端口成本低；

（4）三层交换可与VLAN相结合，有效的控制广播风暴。

可以支持数据连路层的VLAN,例如基于端口的VLAN和基于MAC地址的VLAN,也可以支持网络层的VLAN,例如网络协议、组播地址等。

（5）工作组和服务器安全好：

第三层交换设备能根据第三层网络地址创建接入策略，允许网络管理员控制和阻塞某些VLAN到VLAN通信，阻塞某些IP地址，并且能够防止某些子网访问特定的信息。

3.3四层交换技术

二层交换实现局域网内主机间的快速信息交流，三层交换可以说是交换技术与路由技术的完美结合，而下面要详细介绍的四层交换技术则可以为网络应用资源提供最优分配，实现应用服务的负载均衡。

3.3.1四层交换的定义

在网络的边缘，由于服务器的应用越来越多，出现了新的网络边缘瓶颈，第四层交换的出现很好的解决了这些问题。

四层交换工作在OSI参考模型的第四层，即传输层，它具有检查TCP和UDP连接的源端口或目的端口并根据这些信息进行转发的功能。

第四层交换能够基于端口地址实现交换，通常听到的基于策略的路由选择就是在第四层完成的。

第四层交换利用第三层和第四层包头中的信息识别应用数据流会话，利用这些信息第四层交换机可以做出向何处转发会话传输流的智能决定。

第四层交换用于分布式的系统，以提高访问速度，负载均衡能力。

3.3.2四层交换的技术原理

OSI模型的第四层是传输层,是第一个端对端，即主机到主机的层次。

四层交换就工作在这一层。

有了传输层后，高层的用户就可以利用传输层的服务直接进行端到端的数据传输，从而