交换产品中的“层”概念.doc

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1、交换产品中的“层”概念区分当前交换产品中的“层”的概念，部署全网统一的QOS 在进行描述之前，首先应明确一个问题。那就是无论交换机的背板带宽有多高、无论交换机的包转发率有多大、无论数据交换有多快，拥塞在网络中是在所难免的。比如说，从高速局域网到低速的广域网，在多个链路汇聚到一个上联链路时，在从一个高速链路向一个低速链路进行数据传输时，都会产生拥塞。我们在网络设备中进行一切的智能化、使用QOS技术、流控技术等都只是为了减轻拥塞带来的不良后果，而没有服务质量的控制，竟意味着数据包的丢失和延迟增加。 我们知道，从最早出现数据通信的网络设备开始，采用的是一种基于CSMA/CD技术的总线型网络连接，其传

2、输介质最早就是利用了粗缆/细缆。后来出现专门的用于网络连接的设备：HUB和中继器，从此网络的结构出现了物理拓扑和逻辑拓扑的区别，并可以将网络的规模向更大的方向发展成为可能。但是随着网络规模的不断扩大，CSMA/CD的局限性又从另一个方面将网络扩展的规模限制在一定范围之内。于是，全双工和交换总线的技术开始出现，从而是网络接入的带宽有了向10/100M或更高的方向迈出了一步，并确保了每个接入用户的接入带宽是独享的。在网络设备智能化方面，也开始有人提出需求，如STP、MAC学习等技术相继出现。但是这并不意味着问题就解决了，因为拥塞在网络的上层开始成为问题，而且是越来越严重了。此时，人们又提出两个概念

3、，就是VLAN和QOS，前者相对简单，也比较实际地从物理层和链路层将每个接入用户的冲突域隔断了，不同接入用户之间处于同一个广播域内，所以互访是不存在问题的。至于QOS，则是数据通信技术从开始发展就没有考虑的问题，在IP技术的发展过程中，人们曾经尝试过将IP和其他技术结合来实现QOS，最著名的就是同ATM技术的结合，可惜本来就是两种技术，在结合的理解上，大家的理念不是很一致，造成现在这种思路不能规模应用的现状，可以说这个方向的前途比较错综复杂。 大概是在2001年左右，这些技术基本都已经成熟了，并且被媒体炒的沸沸扬扬，号称是很有实力的厂家也在不停地鼓吹、宣扬新的技术理念，来表示自己是“一直在努力

4、”，而实际上这些技术真正商用的很少。从现在回顾来看，比如MPLA VPN、RPR、MSTP等都是到现在才有了实施的基础的，而且真正做到的往往也不是当初鼓吹新技术的厂家。这些不在赘述了，需要言归正传。 刚才说道2001年，其实广大的用户也是在这一年开始成熟起来的，他们对数据通信的技术更加了解了，也开始明白自己真正的需求是甚麽了。从2002年下半年，我们遇到最多的关于交换机产品的概念里“层”是一个重要的概念，而我编写本文的目的也就是想在这里对这个问题进行一下阐述。 我们知道，我们现在描述交换机有个习惯的划分方法：那就是2层交换机、3层交换机、4层交换机、47层交换机。很多刚刚从事这个行业的工程师对

5、这个概念其实很模糊，昨天我的一个朋友也是这样问的我，我感觉他总是认为自己是站在目前技术条件环境下的，对一些基础的理论和常识不过多关注，这样是不对的。下面讲一下我对“层”的理解。 说到这里，我们应该明白这里的“层”是和OSI/ISO（或DOD）模型中的逻辑层的概念，而不是网络拓扑中讲到的核心层、汇聚层、接入层、边缘接入层等层的概念。 2层交换机，就是从OSI/ISO模型体系中实现到链路层的交换机。后来随着人们对智能化要求的提高或者基于整网对用户安全的考虑，这些交换机中出现了一些新的产品。这些产品不仅仅支持STP（或改进成RSTP）、VLAN、MAC学习、端口捆绑，而且可以支持2层的带宽控制、一些

6、基于RISC或ARSC的2层QOS特性、802.1X。支持所有智能化的交换机一般是各厂家在其较新款的2层交换机的基础上推出的增强型的版本。 3层交换机，就是从OSI/ISO模型体系中实现到网络层的交换机。支持到这个层次的交换机最明显的也是最简单的实现是可以对不同VLAN的用户之间的访问加以控制和可以实现路由发现和路由转发。由于3层交换机开始大规模采用专用RISC芯片对网络层的功能进行“固化处理”，所以其“线速”转发特性一度是用来“攻击”传统路由器的武器。其实，这个层次的线速转发并不能从整网角度缓解任何拥塞的威胁，只能造成网络从物理层次上的不断硬件升级的带宽升级的困惑。不同厂家的设备的优劣，我认

7、为不体现在背板和处理能力上，应该从支持的路由协议种类、路由表项、支持的2层/3层QOS的管理规模等方面来进行分析。其实上升到这个层次后，那些了解技术体系的用户往往有个概念：低于多少钱的交换机其实和他宣传的特性之间的反差比较大。绝大多数的3层交换机支持基于IP地址信息的访问控制。 47层交换机，这个层次的概念其实是先于4层交换机提出的，我们可以了解到的是这些交换机其实在网络中的应用规模不是很大，因为他们往往只有在数据中心才是需要的，他是通过分析数据包中的传输层端口信息、会话层及应用层业务号等高层信息，决定不同数据发往交换机的不同端口，从而实现端口重定向、WEB重定向、WEB缓存、负载分担等。这类

8、交换机的一个强大的对手就是专用的WEB缓存服务器和负载均衡器。目前的情况下，47层的交换机只能在不需要专门的、昂贵的负载均衡器和单独设置WEB缓存器的网络中需要提供的。 而目前（2003年3季度）来看，主流的交换机厂商在其高段设备中基本都具有这些功能，并在一些“服务器区交换机”上对该功能进行了不同层面的强化。 4层交换机，是最近才提出的一个概念，并确定其作用是在增加智能化功能的前提下，通过将较强的流管理及QOS功能实现，伴随着将这个层面的交换机向用户接入侧的推进，使网络对核心设备的高性能依赖性逐渐降低，从而提供一条有效缓解拥塞的新思路。业内人士也习惯地把这个变化称为“引起网络从职能型向业务型转

9、变的开始。同47层交换机不同，在网络中位于网络的边缘分布层（下接接入交换机）或作为桌面接入交换机使用。 下面结合一些例子来分析一下不同层上数据的处理情况： 首先，从数据包进入交换机的端口开始。我们可以从4层交换机的性能表格里看到，这些交换机的优先级队列的数量比2层交换机/3层交换机有了显著的提高。前者的每个端口一般支持2个队列，而新的交换机则支持至少4个队列。接下来是QOS需要做的分类和识别工作，这是在2层实现的。2层的功能可以使交换机识别出802.1P的信息，一般这类交换机在识别应用后会根据交换机网络的QOS策略改写以太网ZHEN的802.1P的标记字段（就是COS值。需要指出的是：一般数据

10、包进入网络前，是由操作系统在链路层根据应用打上的802.1P标记字段，有的交换机不支持对这个字段的改动，使该数据包不能根据网络的实际情况进行灵活的优先级调整，这些4层的交换机则都可以实现这点）。除了这个方式外，还支持通过识别端口、MAC地址、VLAN ID确定数据包的优先级。在3层，交换机进一步识别数据包的IP地址信息，确定交换机的优先级设置，同时，识别出IP DiffServ字段，并根据网络的资源情况重写这个字段的信息，使之更适应网络的资源情况。在4层，交换机进一步识别数据包的4层端口号，结合优先级策略提供定制的相应的服务。 组过网络的朋友们一定知道，在现在的桌面应用系统下，在几年之内，加入

11、一个网络通过1000M向上级连，其下级连的交换机接入端口不多与100个百兆口，一般是不会发生拥塞的。即使是在稍微增加一些，一般还是不会发生拥塞的。所以说，单纯从拥塞控制来考虑，并不是4层交换机出现的初衷，4层交换机是为了给网络中的业务保证端到端服务质量而提出的。他能在网络接入时就实现识别应用，为数据包打上优先级标记。 在拥塞控制、拥塞避免、和数据整形方面，2层交换机一般只支持队头拥塞控制和802.3X，而4层交换机则提供了WRR、WRED、RED、CAR这些协议支持，这些东西过去是在路由器上才能见到的。 要想实现全网的统一QOS，我们可以从最终用户（PC）、接入交换机、交换机网络（从汇聚到核心

12、）三个层次来考虑实施。而在用户PC侧，刚才讲到他可以根据业务情况在802.1P的COS或IP TOS值域中打上相应的优先级标记，使进入网络的数据具有属于终端用户定制的QOS优先级，接入交换机的端口根据网络资源情况可以调整该值，交换机网络中的交换机则根据具体的优先级标记来进行数据包的处理。可见，实现目前的问题是PC和接入交换机哪一个作为“端”？如果PC可以支持，相对来说就使QOS更丰富了，但是对接入交换机的处理复杂度也就增加了。但是，多数的网卡的驱动程序还不支持在802.1P的COS或IP TOS值域中打上相应的优先级标记。因此，往往用户的数据包进入网络的时候还不包含优先级标记。所以，目前的情况

13、下多数是在接入交换机上进行分类和标记。 可见，整网的统一的QOS策略需要网络中所有的交换机来共同执行，桌面交换机的QOS处理过程如下（以用户的QOS策略是要保证数据库应用优先传送）： 1、流分类几标记： 根据用户定义的策略来区分数据包，可基于4层及4层以下的信息，如果识别到是数据库应用，则定义为高有限级，可在数据包的802.1P或IP TOS字段加以标记，以便于网络中其他交换机来识别，便于实现全网统一的QOS。 2、流控制： 基于在交换机上定义的策略可以允许数据包通过或被禁止，以及可以对数据包进行带宽控制等策略。 3、流排队： 交换机每端口支持4/8个优先级队列，根据第1步流分类及标记的结果，

14、将高优先级的数据包放到高优先级队列。如数据库应用数据包被放在高优先级队列当中，其他应用数据包按照其优先级高低依次放在不同的优先级队列当中。 4、流调度： 交换机通常支持两种队列调度方式：WFQ和PQ，WFQ是加权公平队列调度方式，既轮流处理不同优先级队列当中的数据，保证每个队列当中的数据都能被处理到；PQ是严格优先级队列调度方式，该方式是保证关键应用的优先处理，只要高优先级队列当中有数据未被传送完，交换机将一直处理该队列，直到该队列为空，才依次从高到低处理其他队列。用户如果要求必须先处理数据库应用的服务质量，则采用PQ。 桌面接入交换机处理完 的数据包被传送到网络中的其他交换机上，其他交换机根据数据包中的802.1P或IP TOS标记加以区分其优先级，重复完成2、3、4步过程，就可以保证端到端的应用级QOS策略。 那目前哪些交换机属于4层交换机呢？ 从我对产品的接触中来看，思科的3550（不过好象不支持流量整形，目前只有新的3750支持流量整形）、华为的3526/3526E、港湾的5010/5020。