三層交換技術(shù)的未來(lái)發(fā)展及應用趨勢

 
張建軍，從1997年開(kāi)始從事網(wǎng)絡(luò )行業(yè)，經(jīng)歷了中國互聯(lián)網(wǎng)從無(wú)到有的發(fā)展歷程，熟悉各種網(wǎng)絡(luò )設備與相關(guān)技術(shù)，曾參與規劃和實(shí)施多個(gè)大型的網(wǎng)絡(luò )項目，對中國網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展有深刻的體會(huì )?，F擔任港灣網(wǎng)絡(luò )的企業(yè)網(wǎng)總工。 

三層交換是在1997年前后才開(kāi)始出現的一種交換技術(shù)，最初是為了解決廣播域問(wèn)題。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，三層交換技術(shù)已經(jīng)成為構建多業(yè)務(wù)融合網(wǎng)絡(luò )的主要力量。當前，三層交換機的應用環(huán)境正面臨哪些變化？產(chǎn)生了哪些新技術(shù)？其發(fā)展趨勢怎么樣？未來(lái)的市場(chǎng)需求怎么樣？請看專(zhuān)家解讀— 

產(chǎn)生及發(fā)展 

三層交換（也稱(chēng)多層交換技術(shù)，或IP交換技術(shù)）是在1997年前后才開(kāi)始出現的一種交換技術(shù)，它是相對于傳統交換概念而提出的。眾所周知，傳統的交換技術(shù)是在OSI網(wǎng)絡(luò )參考模型中的第二層——數據鏈路層進(jìn)行操作的，而三層交換技術(shù)是在網(wǎng)絡(luò )模型中的第三層實(shí)現了數據包的高速轉發(fā)。三層交換技術(shù)的出現主要是為了解決規模較大的網(wǎng)絡(luò )中的廣播域問(wèn)題，通過(guò)VLAN把一個(gè)大的交換網(wǎng)絡(luò )劃分為多個(gè)較小的廣播域，各個(gè)VLAN之間再采用三層交換技術(shù)互通。最初的三層交換機往往是把二層轉發(fā)和三層交換做在兩個(gè)單元中，還沒(méi)有用一個(gè)芯片完成完整的三層交換功能，這樣的交換機往往也是機架式的，比如3Com的Corebuider9000、Corebuider3500，思科的5505、6509，朗訊的Cajun P550等，一般都有一個(gè)專(zhuān)門(mén)處理三層數據的單元或者模塊。 

在傳統的交換機中，三層交換引擎往往是整個(gè)交換機的瓶頸，無(wú)法實(shí)現大容量的線(xiàn)速的三層交換，而且模塊和模塊之間會(huì )采用總線(xiàn)式結構。千兆以太網(wǎng)標準出現之后，有些機架式交換機內部也采用了千兆端口實(shí)現模塊和模塊之間的互通。1998年Intel推出了550T、550S可堆疊的盒式三層交換機，背板容量達2.1Gbps，可以實(shí)現8個(gè)百兆端口的線(xiàn)速交換，這是當時(shí)市場(chǎng)上最早出現的盒式交換機之一，性?xún)r(jià)比也比較高。但無(wú)論是當時(shí)的盒式三層或者是機架式三層交換機，最主要的功能僅僅是為了隔離廣播域，路由協(xié)議的支持都比較簡(jiǎn)單，僅僅支持RIP、OSPF等小型網(wǎng)絡(luò )的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議，VLAN之間的路由默認也是互通的，沒(méi)有什么控制功能。 

隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )規模的變化，以太網(wǎng)技術(shù)從一個(gè)辦公室網(wǎng)絡(luò )走向一個(gè)辦公樓的局域網(wǎng)乃至整個(gè)園區網(wǎng)，而在1998年之前，園區網(wǎng)技術(shù)往往會(huì )采用最早的FDDI技術(shù)和ATM技術(shù)。這種應用變化對三層交換機提出了更高的性能要求，對數據轉發(fā)的控制能力和廣域網(wǎng)之間的路由互聯(lián)能力的要求也更高，同時(shí)可靠性、可用性要求也大大增強，二、三層交換功能也發(fā)展到由一個(gè)單獨的芯片完成，交換容量也從最初的5Gbps發(fā)展到現在的幾百Gbps的水平，由此出現了一些關(guān)鍵技術(shù)，如CrossBar技術(shù)、基于硬件線(xiàn)速的訪(fǎng)問(wèn)控制技術(shù)、端到端QoS技術(shù)、更豐富的協(xié)議支持等。 
 
應用環(huán)境的變化 

即使在三層交換技術(shù)相當成熟的現在，三層交換機也從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)它的發(fā)展，主要是因為三層交換機的應用環(huán)境正在面臨巨大的變化。 

隨著(zhù)時(shí)間的推移，以太網(wǎng)的傳輸速度從10Mbps逐步擴展到100Mbps、1Gbps、10Gbps，以太網(wǎng)的價(jià)格也跟隨摩爾定律以及規模經(jīng)濟而迅速下降。如今，以太網(wǎng)已經(jīng)成為局域網(wǎng)（LAN）中的主導網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，而且隨著(zhù)萬(wàn)兆以太網(wǎng)的出現，以太網(wǎng)正在向城域網(wǎng)（MAN）大步邁進(jìn)，因此也拉動(dòng)了三層交換機的更深層次的變革。這種拉動(dòng)體現在以下三個(gè)方面： 

1. 企業(yè)信息基礎設施的建設，給以太網(wǎng)應用帶來(lái)了巨大的空間。由于以太網(wǎng)技術(shù)最初就是為局域聯(lián)網(wǎng)而設計的，因此，其在支持企業(yè)局域網(wǎng)絡(luò )連接上具有天然的優(yōu)勢，其構造的簡(jiǎn)易性、擴展的靈活性以及速度的不斷提升，使之成為構建企業(yè)網(wǎng)絡(luò )的首選技術(shù)之一。今天，我國信息化建設的大力推進(jìn)，給以太網(wǎng)的發(fā)展帶來(lái)了巨大的市場(chǎng)機遇。 

2. 城域網(wǎng)絡(luò )建設成為以太網(wǎng)技術(shù)的新天地。當前，城域網(wǎng)絡(luò )建設的架構基本可以分為MSTP＋IP和以太網(wǎng)模式。而以太網(wǎng)技術(shù)由于更適合于已有的企業(yè)網(wǎng)絡(luò )連接，同時(shí)具備網(wǎng)絡(luò )建設靈活快速等優(yōu)勢，在城域網(wǎng)建設中發(fā)揮了重要作用?；谝蕴W(wǎng)的城域網(wǎng)絡(luò )，更適合數據的傳輸以及寬帶化的增長(cháng)需求。同時(shí)，以太網(wǎng)絡(luò )結構適合對大客戶(hù)以及業(yè)務(wù)密集區域的覆蓋，如企業(yè)網(wǎng)絡(luò )、校園網(wǎng)絡(luò )等，因此具有更高的收益預期。 

3. 寬帶的融合業(yè)務(wù)趨勢，為以太網(wǎng)走向廣域提供了空間。數據業(yè)務(wù)和傳統電信業(yè)務(wù)的融合已是大勢所趨，新的運營(yíng)商期待一種能夠提供融合業(yè)務(wù)，同時(shí)又具有較好經(jīng)濟性的網(wǎng)絡(luò )?；贗P的寬帶以太網(wǎng)交換技術(shù)，將使這一目標逐步成為現實(shí)。面向光的10G以太網(wǎng)技術(shù)成為市場(chǎng)的熱點(diǎn)，這使以太網(wǎng)技術(shù)走向廣域，并最終實(shí)現從局域到廣域的統一寬帶網(wǎng)絡(luò )體系，實(shí)現對綜合業(yè)務(wù)的支持，形成以太網(wǎng)一統天下的局面。 

技術(shù)發(fā)展趨勢 

三層交換機所面臨的應用環(huán)境的急劇變化，使得三層交換機有了更加深層次的技術(shù)變革。這種變革主要體現在以下三個(gè)方面： 

1．從體系架構上靈活支持多種技術(shù)的融合 

今天的核心交換機的交換容量已經(jīng)達到了幾百Gbps的水平，可以滿(mǎn)足十幾個(gè)萬(wàn)兆端口和幾百個(gè)千兆端口的線(xiàn)速轉發(fā)，所以性能已經(jīng)不再是瓶頸，如何很好地在網(wǎng)絡(luò )融合的趨勢下承載業(yè)務(wù)是各個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備供應商在產(chǎn)品設計初期就要深入思考的問(wèn)題?，F在的網(wǎng)絡(luò )是路由和交換技術(shù)的融合，廣域和局域的融合，安全、IDS等技術(shù)和交換機技術(shù)的融合。主要體現在核心交換機上直接可以擴展防火墻模塊、IDS模塊、2.5G/155M POS、ATM、2M等路由器的接口模塊。這種融合給在網(wǎng)絡(luò )中部署各種策略提供了更好的靈活性。比如單獨的防火墻只能部署在網(wǎng)絡(luò )的邊緣，在網(wǎng)絡(luò )出口位置保護內部網(wǎng)絡(luò )的安全，但70%以上的安全問(wèn)題往往來(lái)源于內部，它無(wú)法對內部網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行有效控制。而防火墻作為一個(gè)模塊插到交換機內部之后，可以靈活地部署在任意兩個(gè)VLAN之間，極大地提高了部署的靈活性。通過(guò)擴展路由器接口，可以更加節省用戶(hù)的投資，滿(mǎn)足更加靈活的組網(wǎng)需求。 

實(shí)現這樣的融合，在交換機的結構上需要具備以下幾個(gè)條件： 

● 體系上采用全分布式CrossBar架構 

也就是說(shuō)除了交換網(wǎng)板上有一個(gè)核心的CrossBar架構之外，每一個(gè)和交換網(wǎng)板連接的模塊上還采用一片CrossBar芯片，實(shí)現和核心交換網(wǎng)板之間的標準化連接。采用這種結構的接口板模塊就可以采用非常靈活的結構，不管模塊上采用了什么樣的芯片結構，只要和交換網(wǎng)板之間采用了一片CrossBar芯片，就可以實(shí)現互相之間完美互通。這種結構的好處有兩個(gè)方面：一方面接口板上的CrossBar芯片直接連接到兩個(gè)冗余的交換網(wǎng)板上，冗余切換是直接通過(guò)接口板上的CrossBar芯片完成，不需要其他部分的參與，因此可以實(shí)現極快的恢復速度從而實(shí)現極高的可靠性；另一方面CossBar把接口板上的任何類(lèi)型的數據標準化了，從而使交換機中引入其他芯片技術(shù)成為可能。而采用這種結構的劣勢是成本相對較高。 

● 軟件體系和硬件體系都具備全分布式轉發(fā)結構 

在這種體系結構下，交換機在運行中每個(gè)接口模塊的軟件相對獨立，主控板軟件主要起到表項管理、同步等功能，各個(gè)模塊內部的二、三、四層轉發(fā)不需要交換網(wǎng)板和主控板的參與，因此就使得模塊上運行特定功能的軟件成為可能。 

● 在交換機中引入NP（網(wǎng)絡(luò )處理器）技術(shù) 

NP芯片是介于CPU和ASIC之間的一種芯片，也是在CPU和ASIC之間取得的一種平衡技術(shù)，同時(shí)具備了CPU的靈活性和ASIC的高性能。NP技術(shù)是目前在多業(yè)務(wù)融合環(huán)境下路由器采用的一種主要的芯片技術(shù)，解決了在多業(yè)務(wù)環(huán)境下的各種協(xié)議支持和轉發(fā)性能問(wèn)題?，F在NP已經(jīng)在路由器、防火墻上廣泛使用。在前面所提到的兩個(gè)前提下，交換機引入NP技術(shù)成為可能，通過(guò)擴展含有NP芯片的模塊，實(shí)現了對擴展廣域網(wǎng)接口、防火墻功能模塊等特定功能的支持。 

如今對于融合的重視已經(jīng)明確地體現在各個(gè)主流供應商身上，Juniper斥巨資收購安全廠(chǎng)商NetScreen、思科收購IDS廠(chǎng)商Riverhead等事件都是這種融合趨勢下的產(chǎn)物。 

2．更強的多業(yè)務(wù)承載能力 

更強的多業(yè)務(wù)承載能力是城域網(wǎng)的基礎。在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)融合的趨勢下，城域網(wǎng)正在規模興起，在電子政務(wù)網(wǎng)、教育科研網(wǎng)、寬帶城域網(wǎng)領(lǐng)域，VPN等業(yè)務(wù)正在從骨干向匯聚轉移。隨著(zhù)以太網(wǎng)交換機芯片技術(shù)的發(fā)展和匯聚層設備性能的提高，尤其是融合特性核心交換機的出現，原先主要由骨干設備提供的MPLS VPN業(yè)務(wù)逐漸由匯聚層以太網(wǎng)交換機來(lái)提供。最初采用骨干設備提供該項業(yè)務(wù)的主要原因是因為匯聚層設備的性能不足，而現在匯聚層以太網(wǎng)交換機的性能已經(jīng)超過(guò)了原來(lái)的骨干設備；從業(yè)務(wù)提供方面來(lái)看，匯聚層設備較骨干設備多，更接近用戶(hù)，提供業(yè)務(wù)更方便；從網(wǎng)絡(luò )的可靠性來(lái)看，骨干設備由于其特殊位置，應向著(zhù)功能專(zhuān)一化和簡(jiǎn)單化以及高性能的方向發(fā)展，而匯聚層設備則要同時(shí)兼顧性能和多業(yè)務(wù)支持能力。這種趨勢要求核心交換機支持完善的路由、交換特性，最終的設備形態(tài)就是一個(gè)集路由器、交換機一體化的設備，這樣才能真正滿(mǎn)足這個(gè)市場(chǎng)的需求。 

3．更強更豐富的網(wǎng)絡(luò )監控和管理能力 

更強更豐富的網(wǎng)絡(luò )監控和管理能力是有效轉發(fā)的基礎?；赟NMP的網(wǎng)絡(luò )管理已經(jīng)成為業(yè)界的共識，通過(guò)RMON功能可以實(shí)現對設備的運行狀態(tài)、轉發(fā)性能進(jìn)行遠程分析和監控。但管理這些設備在現有的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下是遠遠不夠的，還需要對交換機上運行的業(yè)務(wù)進(jìn)行細致的管理，比如MPLS VPN業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò )管理。還需要對交換機上所接入的用戶(hù)進(jìn)行管理，比如針對具體的端口或者IP地址的流量進(jìn)行統計和管理。進(jìn)行全面的流量分析的另一個(gè)要求是將流量鏡像到探針或協(xié)議分析器中的能力，通過(guò)智能鏡像功能可以將所有流量從某個(gè)端口或VLAN發(fā)送到用戶(hù)指定的端口中以進(jìn)行深入分析，然后經(jīng)過(guò)管理中心判斷之后，再確定對業(yè)務(wù)中的某個(gè)端口進(jìn)行相應的操作，實(shí)現交換機和IDS、流量分析儀等其他設備之間的聯(lián)動(dòng)。通過(guò)對數據流提供強有力的管理手段和強大的分析監控能力，保證交換機上所有業(yè)務(wù)的有效轉發(fā)。 

市場(chǎng)情況分析 

以下是計世資訊對2003年交換機市場(chǎng)的統計。 

說(shuō)明：高端交換機的背板帶寬為30Gbps以上的機架式交換機，這類(lèi)交換機一般都是三層或三層以上的交換機；中端交換機的背板帶寬介于8Gbps與30Gbps之間的盒式交換機，這類(lèi)交換機有部分是三層交換機；低端交換機的背板帶寬一般小于8Gbps接入層二層盒式交換機。高端交換機一般用于電信市場(chǎng)及部分信息化程度較高的非電信市場(chǎng)，中低端交換機則廣泛應用于電信及非電信市場(chǎng)。 

從以上的數據中可以看出，三層交換機在整體交換機市場(chǎng)中的銷(xiāo)售占大半份額，整體銷(xiāo)售金額方面略有上升；從端口數量上來(lái)說(shuō)，三層及三層以上交換機的整體份額呈快速下降趨勢，主要是源于近年來(lái)SOHO市場(chǎng)的興起，但整體市場(chǎng)規模依然在上升。 

在價(jià)格方面，三層交換機產(chǎn)品的價(jià)格一般至少都在1萬(wàn)元以上。從圖3中可以看出，三層交換機產(chǎn)品的價(jià)格在不斷下降。 

一方面，隨著(zhù)交換機價(jià)格的下降，產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比不斷提高；另一方面，以上數據也反映出了用戶(hù)對交換機價(jià)格變化的預期。 

后記 

從最初的僅僅為了解決廣播域問(wèn)題而設計的設備，到成為構建多業(yè)務(wù)融合網(wǎng)絡(luò )的主要力量，三層交換技術(shù)及三層交換設備取得了長(cháng)足的發(fā)展。這些技術(shù)的發(fā)展必將在更深層次上推動(dòng)整個(gè)社會(huì )的信息化變革，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中獲得越來(lái)越重要的地位。