分組交換技術論文(2)

時間：2017-01-06 10:17:53 家文952由分享

　　分組交換技術論文篇二

　　論三層交換技術

　　摘要:通過對三種不同三層交換技術的工作方式進行分析和比較,從而得出LPM+HDR三層交換技術不需要CPU參與、節約了緩存空間,不僅極大地提高了路由效率,而且避免了病毒和攻擊對網絡設備本身的影響,提高設備的穩定性。

　　關鍵詞:三層交換 MAC地址 LPM HDR 路由效率

　　中圖分類號:TP39文獻標識碼:A 文章編號:1007-3973 (2010) 05-046-03

　　1三層交換技術的概念

　　交換技術是隨著交換設備的出現而出現的一種數據轉發技術,主要分為二層交換技術、三層交換技術和四層交換技術。

　　二層交換技術是最傳統的交換技術,為了實現二層交換,交換機需要維護一張“MAC地址、交換機端口”的硬件轉發表,當交換機接收到數據時,根據數據包中的“目的MAC地址”查詢硬件轉發表,匹配到相同“目的MAC地址”表項時根據對應的“交換機端口”進行線速的數據轉發,由于“MAC地址”屬于OSI網絡參考模型中的第二層――數據鏈路層的地址,所以稱為二層交換技術。

　　而為了實現三層交換技術,交換機將維護一張至少包括“目的IP地址,下一跳MAC地址”在內的硬件轉發表,當交換機接收到數據時,根據數據包中的“目的IP地址”查詢硬件轉發表,根據匹配結果進行相應的數據轉發,并且采用硬件芯片或高速緩存支持,可以達到線速。由于“IP地址”屬于OSI網絡參考模型中的第三層――網絡層的地址,所以稱為三層交換技術。

　　除了三層交換技術,在三層數據轉發技術中還有路由技術的概念,該技術在中低端路由器和早期交換機中采用,進行數據的轉發時通過檢測數據包中的“目的IP地址”來判斷應該如何進行數據包的轉發,但不采用硬件芯片或高速緩存支持,而只是通過CPU進行軟件計算轉發,所以在大流量數據條件下無法線速。由于數據處理能力的限制,該技術在高端路由器已經不被采用,高端路由器和三層交換機一樣大量地使用了三層交換技術。

　　如果在三層交換技術的轉發過程中增加對四層TCP/UDP端口的檢測和硬件轉發表匹配,則成為四層交換技術,由于四層交換技術在局域網中應用極少,所以該技術并不成為交換機處理性能的衡量標準。

　　2三層交換技術帶來的影響

　　在早期網絡中,交換機只具備二層交換功能,所有的跨網段通信或跨廣域網通信都通過采用路由技術的路由器設備(后來局域網內部短暫出現過采用路由技術的三層交換機),由于CPU實現路由技術的處理能力限制,當初的局域網基本不部署跨網段的網絡應用,絕大部分的局域網甚至不進行任何網段的劃分,不僅網絡的安全性降低,網絡的可管理性降低,而且由于廣播的全網泛濫極大地降低了局域網的性能,無法組建大規模的網絡。同樣,路由技術的性能限制也影響了早期網絡跨廣域網的應用發展。在三層交換技術出現以后,所有的這一切都發生了改變,局域網可以隨意部署大量的跨網段應用,網絡的安全性和可管理性得到了極大的提升,可以通過三層交換技術構建大規模的各種網絡,而廣域網的應用也隨著采用三層交換技術的高端路由器和高端路由交換機的出現而不斷豐富。

　　3三層交換技術的代表

　　網絡設備在進行數據跨網段轉發前需要查詢路由轉發表,然后才能做出數據轉發的決定,路由轉發表由非主機路由表(包括直連路由、靜態路由、動態學習到的路由)和主機路由表(二層用戶直接連接到三層設備時的路由或由系統管理員設定的某指定主機路由)兩大部分組成,路由轉發表的概念有助于更好地了解后文提到的三層交換技術。

　　3.1技術1:一次路由、多次交換

　　在一次路由、多次交換的技術中,有一個非常重要的概念――數據流。

　　流是具有相同數據特征的數據包的集合,相同數據特征可以指相同的源/目的MAC地址、相同的源/目的IP地址,以及相同的四層協議和四層端口號。但在三層交換技術里,流的概念是指具有相同的源/目的IP地址的數據包的集合。

　　例如表1(流精確匹配硬件表):

　　所有源IP地址為192.168.1.1,目的IP地址為192.168.2.1的數據包都屬于同一個數據流,但源IP地址為192.168.1.1,目的IP地址為192.168.2.2的數據包屬于不同的數據流。

　　一次路由,多次交換的工作機制:

　　數據流的第一個數據包采用CPU軟件實現三層路由,然后交換機把數據流三層轉發需要的相關信息表項(源IP地址、目的IP地址、下一跳MAC地址、數據轉發出口MAC地址)下載到ASIC芯片,該數據流后續數據包的三層轉發就可以直接通過ASIC芯片采用流精確匹配來硬件實現。當另一個不同的數據流需要進行三層交換的時候需要重復同一個過程:一次路由、多次交換。

　　從表1的內容可以看到,雖然例子中數據三層轉發的下一跳地址和數據轉發出口都相同(也就是數據轉發目的屬于同一網段),但由于屬于不同的數據流,分別占用了一個硬件表項。因此,在一次路由、多次交換的三層交換工作模式下,存在兩個明顯的缺點:首先,每種數據流的第一數據包采用CPU軟件實現路由,在大型網絡、應用繁多或病毒和攻擊泛濫的數據流復雜環境下,數據的三層轉發將大量耗費CPU資源,不僅影響了效率,而且CPU利用率過高后有可能導致設備死機;其次,由于采用了流精確匹配的硬件轉發方式,在大型網絡、應用繁多等數據流復雜的環境下對交換機硬件轉發表的存儲空間是一個極大的挑戰,尤其在病毒和攻擊網絡環境下,由于每個數據包都有可能是一個獨立的數據流,能在很短時間內就使硬件存儲空間溢出,從而導致其它的數據流只能使用純CPU軟件實現三層路由,交換機將迅速因為資源耗竭而癱瘓直接死機。

　　一次路由、多次交換的缺點可以簡單概括為:

　　一次路由:采用CPU軟件實現,CPU利用率高

　　多次交換:流精確匹配,硬件存儲空間承受巨大壓力

　　3.2技術2:最長前綴匹配硬件三層交換(LPM:Longest Prefix Matching)

　　在最長前綴匹配硬件三層交換技術中,三層硬件轉發表里存儲著和軟件路由表一樣的轉發表項(主機路由表和網段路由表,不是流形式存在的轉發表),而且可以支持網段相互包容的網絡規劃,在硬件轉發過程中利用最長匹配技術進行準確的表項查詢。

　　LPM實現機制:

　　三層交換機剛啟動完畢

　　在交換機剛啟動完畢時,交換機就把設備的軟件路由表下載到ASIC芯片,但由于MAC地址是未知的,無法同時下載MAC地址,此時的硬件轉發表是無效的。

　　下載和工作機制

　　在需要進行三層交換的數據包到達交換機以后,交換機首先會查詢最長匹配硬件轉發表,但由于MAC地址未知,所以無法進行硬件數據轉發。所以交換機將利用CPU對數據進行軟件路由轉發,交換機在數據的轉發過程中獲取下一跳和數據轉發出口的MAC地址,然后會自動下載到三層硬件轉發表,此時包含了下一跳和數據轉發出口MAC地址的硬件轉發表項才真正生效。在這之后,發往相同目的IP網段的數據包到達交換機都可以直接通過最長匹配硬件轉發表進行硬件轉發,而其它網段的數據轉發需要重復上述的同一過程。

　　由于只有下載了MAC地址以后硬件表項才真正生效,業界通常把下載MAC地址的動作稱為真正意義上的下載三層轉發表。

　　當數據是發往三層交換機的直連網段(該網段的主機直接二層連接到三層交換機),三層交換機除了把發往這些主機的數據發往對應的三層網關,交換機還負責把數據直接發往這些主機,交換機需要知道“主機IP地址”對應的“主機MAC地址”,為了提高轉發效率,交換機將生成主機轉發表,直接進行數據的轉發,但表項匹配部分內容只有“目的IP地址”字段,不是數據流的存儲形式,因此依然節約了非常大量的存儲空間。

　　
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