三層交換技術(shù)的未來發(fā)展及應(yīng)用趨勢

 
張建軍，從1997年開始從事網(wǎng)絡(luò)行業(yè)，經(jīng)歷了中國互聯(lián)網(wǎng)從無到有的發(fā)展歷程，熟悉各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與相關(guān)技術(shù)，曾參與規(guī)劃和實施多個大型的網(wǎng)絡(luò)項目，對中國網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展有深刻的體會。現(xiàn)擔(dān)任港灣網(wǎng)絡(luò)的企業(yè)網(wǎng)總工。 

三層交換是在1997年前后才開始出現(xiàn)的一種交換技術(shù)，最初是為了解決廣播域問題。經(jīng)過多年發(fā)展，三層交換技術(shù)已經(jīng)成為構(gòu)建多業(yè)務(wù)融合網(wǎng)絡(luò)的主要力量。當(dāng)前，三層交換機(jī)的應(yīng)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？未來的市場需求怎么樣？請看專家解讀— 

產(chǎn)生及發(fā)展 

三層交換（也稱多層交換技術(shù)，或IP交換技術(shù)）是在1997年前后才開始出現(xiàn)的一種交換技術(shù)，它是相對于傳統(tǒng)交換概念而提出的。眾所周知，傳統(tǒng)的交換技術(shù)是在OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型中的第二層——數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行操作的，而三層交換技術(shù)是在網(wǎng)絡(luò)模型中的第三層實現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的高速轉(zhuǎn)發(fā)。三層交換技術(shù)的出現(xiàn)主要是為了解決規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)中的廣播域問題，通過VLAN把一個大的交換網(wǎng)絡(luò)劃分為多個較小的廣播域，各個VLAN之間再采用三層交換技術(shù)互通。最初的三層交換機(jī)往往是把二層轉(zhuǎn)發(fā)和三層交換做在兩個單元中，還沒有用一個芯片完成完整的三層交換功能，這樣的交換機(jī)往往也是機(jī)架式的，比如3Com的Corebuider9000、Corebuider3500，思科的5505、6509，朗訊的Cajun P550等，一般都有一個專門處理三層數(shù)據(jù)的單元或者模塊。 

在傳統(tǒng)的交換機(jī)中，三層交換引擎往往是整個交換機(jī)的瓶頸，無法實現(xiàn)大容量的線速的三層交換，而且模塊和模塊之間會采用總線式結(jié)構(gòu)。千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)之后，有些機(jī)架式交換機(jī)內(nèi)部也采用了千兆端口實現(xiàn)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(jī)，背板容量達(dá)2.1Gbps，可以實現(xiàn)8個百兆端口的線速交換，這是當(dāng)時市場上最早出現(xiàn)的盒式交換機(jī)之一，性價比也比較高。但無論是當(dāng)時的盒式三層或者是機(jī)架式三層交換機(jī)，最主要的功能僅僅是為了隔離廣播域，路由協(xié)議的支持都比較簡單，僅僅支持RIP、OSPF等小型網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)路由協(xié)議，VLAN之間的路由默認(rèn)也是互通的，沒有什么控制功能。 

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的變化，以太網(wǎng)技術(shù)從一個辦公室網(wǎng)絡(luò)走向一個辦公樓的局域網(wǎng)乃至整個園區(qū)網(wǎng)，而在1998年之前，園區(qū)網(wǎng)技術(shù)往往會采用最早的FDDI技術(shù)和ATM技術(shù)。這種應(yīng)用變化對三層交換機(jī)提出了更高的性能要求，對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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，同時可靠性、可用性要求也大大增強(qiáng)，二、三層交換功能也發(fā)展到由一個單獨的芯片完成，交換容量也從最初的5Gbps發(fā)展到現(xiàn)在的幾百Gbps的水平，由此出現(xiàn)了一些關(guān)鍵技術(shù)，如CrossBar技術(shù)、基于硬件線速的訪問控制技術(shù)、端到端QoS技術(shù)、更豐富的協(xié)議支持等。 
 
應(yīng)用環(huán)境的變化 

即使在三層交換技術(shù)相當(dāng)成熟的現(xiàn)在，三層交換機(jī)也從來沒有停止過它的發(fā)展，主要是因為三層交換機(jī)的應(yīng)用環(huán)境正在面臨巨大的變化。 

隨著時間的推移，以太網(wǎng)的傳輸速度從10Mbps逐步擴(kuò)展到100Mbps、1Gbps、10Gbps，以太網(wǎng)的價格也跟隨摩爾定律以及規(guī)模經(jīng)濟(jì)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(dǎo)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，而且隨著萬兆以太網(wǎng)的出現(xiàn)，以太網(wǎng)正在向城域網(wǎng)（MAN）大步邁進(jìn)，因此也拉動了三層交換機(jī)的更深層次的變革。這種拉動體現(xiàn)在以下三個方面： 

1. 企業(yè)信息基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，給以太網(wǎng)應(yīng)用帶來了巨大的空間。由于以太網(wǎng)技術(shù)最初就是為局域聯(lián)網(wǎng)而設(shè)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(gòu)造的簡易性、擴(kuò)展的靈活性以及速度的不斷提升，使之成為構(gòu)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(shè)的大力推進(jìn)，給以太網(wǎng)的發(fā)展帶來了巨大的市場機(jī)遇。 

2. 城域網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成為以太網(wǎng)技術(shù)的新天地。當(dāng)前，城域網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的架構(gòu)基本可以分為MSTP＋I(xiàn)P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，同時具備網(wǎng)絡(luò)建設(shè)靈活快速等優(yōu)勢，在城域網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮了重要作用?；谝蕴W(wǎng)的城域網(wǎng)絡(luò)，更適合數(shù)據(jù)的傳輸以及寬帶化的增長需求。同時，以太網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)適合對大客戶以及業(yè)務(wù)密集區(qū)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(yù)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(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)的融合已是大勢所趨，新的運營商期待一種能夠提供融合業(yè)務(wù)，同時又具有較好經(jīng)濟(jì)性的網(wǎng)絡(luò)。基于IP的寬帶以太網(wǎng)交換技術(shù)，將使這一目標(biāo)逐步成為現(xiàn)實。面向光的10G以太網(wǎng)技術(shù)成為市場的熱點，這使以太網(wǎng)技術(shù)走向廣域，并最終實現(xiàn)從局域到廣域的統(tǒng)一寬帶網(wǎng)絡(luò)體系，實現(xiàn)對綜合業(yè)務(wù)的支持，形成以太網(wǎng)一統(tǒng)天下的局面。 

技術(shù)發(fā)展趨勢 

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

1．從體系架構(gòu)上靈活支持多種技術(shù)的融合 

今天的核心交換機(jī)的交換容量已經(jīng)達(dá)到了幾百Gbps的水平，可以滿足十幾個萬兆端口和幾百個千兆端口的線速轉(zhuǎn)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)是各個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商在產(chǎn)品設(shè)計初期就要深入思考的問題。現(xiàn)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(jī)技術(shù)的融合。主要體現(xiàn)在核心交換機(jī)上直接可以擴(kuò)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(hù)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的安全，但70%以上的安全問題往往來源于內(nèi)部，它無法對內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效控制。而防火墻作為一個模塊插到交換機(jī)內(nèi)部之后，可以靈活地部署在任意兩個VLAN之間，極大地提高了部署的靈活性。通過擴(kuò)展路由器接口，可以更加節(jié)省用戶的投資，滿足更加靈活的組網(wǎng)需求。 

實現(xiàn)這樣的融合，在交換機(jī)的結(jié)構(gòu)上需要具備以下幾個條件： 

● 體系上采用全分布式CrossBar架構(gòu) 

也就是說除了交換網(wǎng)板上有一個核心的CrossBar架構(gòu)之外，每一個和交換網(wǎng)板連接的模塊上還采用一片CrossBar芯片，實現(xiàn)和核心交換網(wǎng)板之間的標(biāo)準(zhǔn)化連接。采用這種結(jié)構(gòu)的接口板模塊就可以采用非常靈活的結(jié)構(gòu)，不管模塊上采用了什么樣的芯片結(jié)構(gòu)，只要和交換網(wǎng)板之間采用了一片CrossBar芯片，就可以實現(xiàn)互相之間完美互通。這種結(jié)構(gòu)的好處有兩個方面：一方面接口板上的CrossBar芯片直接連接到兩個冗余的交換網(wǎng)板上，冗余切換是直接通過接口板上的CrossBar芯片完成，不需要其他部分的參與，因此可以實現(xiàn)極快的恢復(fù)速度從而實現(xiàn)極高的可靠性；另一方面CossBar把接口板上的任何類型的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化了，從而使交換機(jī)中引入其他芯片技術(shù)成為可能。而采用這種結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)發(fā)結(jié)構(gòu) 

在這種體系結(jié)構(gòu)下，交換機(jī)在運行中每個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，各個模塊內(nèi)部的二、三、四層轉(zhuǎn)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(jī)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(zhuǎn)發(fā)性能問題?，F(xiàn)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前提下，交換機(jī)引入NP技術(shù)成為可能，通過擴(kuò)展含有NP芯片的模塊，實現(xiàn)了對擴(kuò)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(xiàn)在各個主流供應(yīng)商身上，Juniper斥巨資收購安全廠商NetScreen、思科收購IDS廠商Riverhead等事件都是這種融合趨勢下的產(chǎn)物。 

2．更強(qiáng)的多業(yè)務(wù)承載能力 

更強(qiáng)的多業(yè)務(wù)承載能力是城域網(wǎng)的基礎(chǔ)。在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)融合的趨勢下，城域網(wǎng)正在規(guī)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(zhuǎn)移。隨著以太網(wǎng)交換機(jī)芯片技術(shù)的發(fā)展和匯聚層設(shè)備性能的提高，尤其是融合特性核心交換機(jī)的出現(xiàn)，原先主要由骨干設(shè)備提供的MPLS VPN業(yè)務(wù)逐漸由匯聚層以太網(wǎng)交換機(jī)來提供。最初采用骨干設(shè)備提供該項業(yè)務(wù)的主要原因是因為匯聚層設(shè)備的性能不足，而現(xiàn)在匯聚層以太網(wǎng)交換機(jī)的性能已經(jīng)超過了原來的骨干設(shè)備；從業(yè)務(wù)提供方面來看，匯聚層設(shè)備較骨干設(shè)備多，更接近用戶，提供業(yè)務(wù)更方便；從網(wǎng)絡(luò)的可靠性來看，骨干設(shè)備由于其特殊位置，應(yīng)向著功能專一化和簡單化以及高性能的方向發(fā)展，而匯聚層設(shè)備則要同時兼顧性能和多業(yè)務(wù)支持能力。這種趨勢要求核心交換機(jī)支持完善的路由、交換特性，最終的設(shè)備形態(tài)就是一個集路由器、交換機(jī)一體化的設(shè)備，這樣才能真正滿足這個市場的需求。 

3．更強(qiáng)更豐富的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和管理能力 

更強(qiáng)更豐富的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和管理能力是有效轉(zhuǎn)發(fā)的基礎(chǔ)。基于SNMP的網(wǎng)絡(luò)管理已經(jīng)成為業(yè)界的共識，通過RMON功能可以實現(xiàn)對設(shè)備的運行狀態(tài)、轉(zhuǎn)發(fā)性能進(jìn)行遠(yuǎn)程分析和監(jiān)控。但管理這些設(shè)備在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要對交換機(jī)上運行的業(yè)務(wù)進(jìn)行細(xì)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(jī)上所接入的用戶進(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(tǒng)計和管理。進(jìn)行全面的流量分析的另一個要求是將流量鏡像到探針或協(xié)議分析器中的能力，通過智能鏡像功能可以將所有流量從某個端口或VLAN發(fā)送到用戶指定的端口中以進(jìn)行深入分析，然后經(jīng)過管理中心判斷之后，再確定對業(yè)務(wù)中的某個端口進(jìn)行相應(yīng)的操作，實現(xiàn)交換機(jī)和IDS、流量分析儀等其他設(shè)備之間的聯(lián)動。通過對數(shù)據(jù)流提供強(qiáng)有力的管理手段和強(qiáng)大的分析監(jiān)控能力，保證交換機(jī)上所有業(yè)務(wù)的有效轉(zhuǎn)發(fā)。 

市場情況分析 

以下是計世資訊對2003年交換機(jī)市場的統(tǒng)計。 

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

從以上的數(shù)據(jù)中可以看出，三層交換機(jī)在整體交換機(jī)市場中的銷售占大半份額，整體銷售金額方面略有上升；從端口數(shù)量上來說，三層及三層以上交換機(jī)的整體份額呈快速下降趨勢，主要是源于近年來SOHO市場的興起，但整體市場規(guī)模依然在上升。 

在價格方面，三層交換機(jī)產(chǎn)品的價格一般至少都在1萬元以上。從圖3中可以看出，三層交換機(jī)產(chǎn)品的價格在不斷下降。 

一方面，隨著交換機(jī)價格的下降，產(chǎn)品的性價比不斷提高；另一方面，以上數(shù)據(jù)也反映出了用戶對交換機(jī)價格變化的預(yù)期。 

后記 

從最初的僅僅為了解決廣播域問題而設(shè)計的設(shè)備，到成為構(gòu)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(shè)備取得了長足的發(fā)展。這些技術(shù)的發(fā)展必將在更深層次上推動整個社會的信息化變革，在整個網(wǎng)絡(luò)中獲得越來越重要的地位。