第四层交换机:向服务要质量的典型

　　随着宽带的普及，各种网络应用的深入，我们的局域网络正在承担着繁重的业务流量。
  
　　网络系统中的音频、视频、数据等信息的传输量充斥着占用带宽，我们不得不为这些数据流量提供差别化的服务，让时延敏感性的和重要的数据优先通过，这就不得不考虑第四层交换，以满足基于策略调度、QoS（Quality of Service：服务质量）以及安全服务的需求。 

 
　　二、三、四层交换的区别 

　　第二层交换实现局域网内主机间的快速信息交流，第三层交换可以说是交换技术与路由技术的完美结合，而第四层交换技术则可以为网络应用资源提供最优分配，实现应用服务服务质量、负载均衡及安全控制。四层交换并不是要取代谁，其实现在径渭分明的二层交换和三层交换已融入四层交换技术。 

　　第二层交换机，是根据第二层数据链路层的MAC地址和MAC地址表来完成端到端的数据交换的。第二层交换机只须识别数据帧中的MAC地址，而直接根据MAC地址转发，非常便于采用LANk class=qqx_gjz>ASIC专用芯片实现。第二层交换的解决方案，是一个“处处交换”的方案，虽然该方案也能划分子网、限制广播、建立VLAN，但它的控制能力较小、灵活性不够，也无法控制流量，缺乏路由功能。 

　　第三层交换机，是根据第三层的网络层IP地址来完成端到端的数据交换的，主要应用于不同VLAN子网间的路由。当某一信息源的第一个数据流进行第三层交换（路由）后，交换机会产生一个MAC地址与IP地址的映射表，并将该表存储起来，如同一信息源的后续数据流再次进入交换机，交换机将根据第一次产生并保存的地址映射表，直接从第二层由源地址传输到目的地址，不再经过第三路由系统处理，提高了数据包的转发效率，解决了VLAN子网间传输信息时传统路由器产生的速率瓶颈。 

　　第四层交换机不仅可以完成端到端交换，还能根据端口主机的应用特点，确定或限制它的交换流量。简单地说，第四层交换机是基于传输层数据包的交换过程的，是一类基于TCP/IP协议应用层的用户应用交换需求的新型局域网交换机。第四层交换机支持TCP/UDP第四层以下的所有协议，可根据TCP/UDP端口号来区分数据包的应用类型，从而实现应用层的访问控制和服务质量保证。可以查看第三层数据包头源地址和目的地址的内容，可以通过基于观察到的信息采取相应的动作，实现带宽分配、故障诊断和对TCP/IP应用程序数据流进行访问控制的关键功能。第四层交换机通过任务分配和负载均衡优化网络，并提供详细的流量统计信息和记帐信息，从而在应用的层级上解决网络拥塞、网络安全和网络管理等问题，使网络具有智能和可管理。 

　　四层交换技术简介 

　　OSI网络参考模型的第四层是传输层。传输层负责端到端通信，即在网络源和目标系统之间协调通信。在IP协议栈中这是TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）所在的协议层。TCP和UDP包含端口号，它可以唯一区分每个数据包包含哪些应用协议（例如HTTP、FTP、telnet等等）。TCP/UDP端口号提供的附加信息可以为网络交换机所利用，四层交换机利用这种信息来区分包中的数据，这是第四层交换的基础。 

　　四层交换的主要功能如下： 

　　1．数据包过滤：在传统路由器上，采用第四层信息端口号去定义访问控制列表过滤规则。四层交换也借用了控制列表的概念，但和基于软件的路由器不一样，第四层交换是在ASIC专用高速芯片中实现的，从而使过滤控制可以线速进行。 

　　2．服务质量：TCP/UDP第四层信息还可以用于建立应用通信的优先级。第四层交换允许用基于端口号（应用）来区分优先级，设置优先级队列，确保重要的流量（如：VOIP、视频）在得到最快的处理，使紧急应用获得网络的高级别服务。 

　　3．负载均衡：第四层交换负载均衡的原理，就是按照IP地址和TCP端口进行虚拟连接的交换，直接将数据包发送到目的计算机的相应端口中。具备第四层交换能力的交换机，能作为一个硬件负载均衡器，完成服务器的负载均衡。由于第四层交换基于硬件芯片，因此性能非常优秀，尤其是对于网络传输的速度，交换的速度远远超过普通的数据包转发。采用第四层交换机设备，所有的集群主机通过第四层交换机与外部Internet相连，外部客户防问服务器时通过第四层交换机动态分配服务器，实现动态负载均衡，当其中一台服务器出现故障时，由交换机动态将所有流量分配到集群中的其他主机上。 

　　4．主机备用连接：主机备用连接为端口设备提供了冗余连接，从而在交换机发生故障时有效保护系统，这种服务允许定义主备交换机，同虚拟服务器定义一样，它们有相同的配置参数。由于第四层交换机共享相同的MAC地址，备份交换机接收和主单元全部一样的数据。这使得备份交换机能够监视主交换机服务的通信内容。主交换机持续地通知备份交换机第四层的有关数据、MAC数据以及它的电源状况。主交换机失败时，备份交换机就会自动接管，不会中断对话或连接。 

　　5．统计与报告：通过查询第四层数据包，第四层交换机能够提供更详细的统计记录。因为管理员可以收集到更详细的哪一个IP地址在进行通信的信息，甚至可根据通信中涉及到哪一个应用层服务来收集通信信息。当服务器支持多个服务时，这些统计对于考察服务器上每个应用的负载尤其有效。增加的统计服务对于使用交换机的服务器负载均衡服务连接同样十分有用。包含详尽的实时报告和历史纪录报告，全面的报告功能为管理员提供了对带宽资源的充分掌握，从而使企业可以作出更合适的业务决策。 

　　第四层交换机在业界有一通用的名字叫做“应用交换机”，比较有名的有如下几款： 

　　美国的F5公司的BIG-IP 2400系列链路应用交换机可实定制负载平衡，流量优先级安排，基于政策的流量引导，来源、目的地和应用交换。 

　　Radware公司的Web Server Director应用交换机可保障服务器群的完全可用性、优化运行以及完备的安全性，从而保证网络和数据中心范围内的应用能获得高度可靠性和性能。 

　　美国Foundry公司 ServerIronGT-C2404F应用交换机可实现全局服务器负载均衡,高性能 VPN/防火墙负载均衡，透明缓存交换，,链路负载均衡，防DoS攻击保护服务器。 

　　总结： 

　　随着网络信息系统由小型到中型到大型的发展趋势，交换技术也由原来最初的基于MAC地址的交换，发展到基于IP地址的交换，进一步发展到基于IP+端口的交换，本文对第四层交换技术作了一个比较全面的介绍，如今也有产品更提出了第七层交换（基于内容的交换）。可见，网络交换技术的不断发展使得原来由基于数据的交换变成了基于应用的交换，不仅提高了网络的访问速度，而且不断地优化了网络的整体性能。