2007年10月17日 星期三

Layer 3 Switch簡介

http://wiki.iiietc.ncu.edu.tw/mediawiki/index.php?title=Layer_3_switch

Layer 3 Switch簡介

什麼是Layer 3 Switch (第三層交換器)?

image:l3 switch.jpg

傳統的路由器，曾經是企業網路的核心組件，現在變成提升到下一代網路的主要障礙。整個關鍵就在於第三層交換器(Layer 3 switch)創造一個嚴謹的第三層路由功能，取代以軟體為基礎的路由器，達到更迅速地傳送封包的目的。

第三層交換器的產品，它的出現與ATM及交換器相異的背景有關，前者希望增加路由器的功能，使之能夠在MAC（Media Access Control）層使用交換器的功能，同時又要交換器中增加路由器的功能；後者希望在網路規模變大時，純用交換器的網路能不產生廣播風暴，而由路由器來分 隔孤立每一網段的風暴。在部分的網路環境下，將可取代路由器的部分市場。第三層交換器具有下列幾個特點：

  1. 第三層交換器就是一部路由器。
  2. 它的路由介面，與第二層交換領域相同。
  3. 可實施有效的政策運用。
  4. 管理容易。

它的特性是可以像傳統的路由器一樣地處理封包，包括下列功能：

  1. 根據第三層資訊決定封包前進路徑。
  2. 透過位元加總 (checksum)技術確認第三層標頭的完整。
  3. 證實封包終結和更新。
  4. 處理和回應任何選擇資訊。
  5. 更新傳送統計資料於管理資訊庫中，並且在必要時實施安全管制措施。

第三層交換器主要設計來處理高效能的區域網路交通流量，所以它可以被放置在網路核心或主幹的任何地方，並且很輕易及經濟地替換傳統折疊式主幹上的路 由器。第三層交換器使用像RIP和OSPF等工業標準的路由通訊協定，可以和WAN路由器交換訊息。第三層交換器的每個介面先天具有第二層交換領域 (Layer 2 switching domain)，允許分配個別子網路頻寬，伴隨著對網路廣播的隔離能力。它可以根據物理的特性或通訊協定資訊去組織不同的輸出入埠群組，這種能力，對網路 設計者而言，在網路容量規劃設計上是一個超強的工具。這種結構天生具有擴充彈性，能夠支援極多的第二層交換器，不論它們是駐在資料中心或者在線路機櫃裡。 這樣的設計模型保存了子網路的基礎構造，同時提升子網路的性能，而且能夠在必要時佈署交換式的10、100或1000 Mbps的頻寬至桌上型工作站。保留子網路的概念是促使網路移植成功的關鍵，因為它允許逐漸的遷移，幫助網路設計者與同僚僅在部份設備上進行設定即可，而 不必重新編號與設定全部的網路。

最新的第三層交換器允許以硬體速度執行第二層、第三層、單向廣播(unicast)、多向廣播(Multicast)或廣播 (broadcast)等傳送功能。軟體被用來處理網路管理、路徑表管理和例外狀況。硬體不僅提供性能最好的彈性，在平行處理方面也是一樣好。所謂的平行 處理模型允許網路設備執行遠較先前所想像更多的封包運作，特別是關於政策的運用。一個政策是一種方法，用來變更經過網路設備常態封包傳送的作法。熟悉的例 子包含安全、負荷平衡和通訊協定選擇處理。CoS(Class of Service)，是用來管理封包優先度方法的政策，較新的政策則包含 QoS(Quality of Service)，是用來安排頻寬和控制傳播延遲的方法。QoS和 CoS政策不僅意指能夠使用新的多媒體運用，諸如：區域網路電話系統技術，而且也能確保重大應用系統的網路回應時間，諸如：電子醫療 (telemedicine)。政策是由聰明的網路設備提供，諸如：第三層交換器，能夠整合聲音，影像，和資料於同樣的基礎架構上。以軟體為基礎的結構無 法緊密地提供管理政策甚至管理10 Mbps頻寬的速度。第三層交換器解決這問題，能夠使政策應用在第二層和第三層，而達到相同等級的效能。更進一步的革新則允許第三層交換器應用基於第四層 資訊的政策，諸如：TCP和 UDP輸出入埠資訊。從傳送的角度來看，這是所謂的第四層交換技術。當大量的容量計劃導入許多網路時，運用第三層交換技術執行有效的政策管理，是保護與確 保重要的資源確實可用的關鍵。

第三層交換技術與傳統的路由技術的差異在於：

第三層交換器可以佈署在傳統路由機所在的區域網路任何地方。 第三層交換器都經過最佳化來提供高性能區域網路支援，而非用來服務廣域網路連接(雖然它可以很容易的滿足MAN連接的要求，諸如： SONET)。 第三層交換器提升10 倍以上路由器的效能，而價格則僅有路由器的十分之一。(本項成本比較並不包含低廉的第三層交換器管理人員訓練費用，以及增加的網路生產力) 傳統的路由器把橋接功能和路由功能視為同輩。而第三層交換器的路由功能架在交換功能上，准許一個更自然的網路結構，對網路擴展性很有幫助。


  • 第三層交換器與傳統路由器比較表
特 性 第三層交換器 傳統路由器
支援核心路由協定：IP、IPX、Apple Talk 有 有
子網路定義 第二層交換領域 介面埠
傳送架構 硬體 軟體
傳送效能 高 低
RMON支援 有 無
政策效能 高 低
廣域網路支援 無 有
價格 低 高


image:qaz.jpg


Layer 3 Switch通常提供較大頻寬的交換核心(Switch Fabric)以提供較大的容量(Port Capacity)與較高的交換效能，

近來各廠家不斷附以Layer 3 Switch更強大的支援能力，如Class of Service(服務等級優先權)，Quality of Service(服務品質保證)，

Policy Management(策略分級品質與頻寬管制與管理)，Multicast Routing(群組廣播路由傳送)等功能，以符合網路環境的快速變化與應用。


Layer 3 Switch的功能

  • 提供兩個不同子網路的 VLAN 通訊的功能。


VLAN是Virtual Local Area Network 的縮寫。

簡單的說就是利用一台網路設備、例如Ethernet Switch，以邏輯分割的方式將底下串接之設備，區分成不同群組。 所以VLAN是一種 GROUP 的觀念，將其對應到OSI七層，一般的Switch是屬於Layer 2的設備，而支援VLAN之Switch則介於Layer 2及Layer 3 之設備。

提到VLAN，首先我們要了解乙太網路的衝突區域及廣播區域(broadcast domain)；共同使用同一CSMA/CD之演算法的機器所組成的區域稱為衝突區域，

例如Hub、repeater底下所接的Host都是同一 collision domain ，而Bridge、Switch底下每個port都是獨立的collision domain，但都隸屬於同一廣播區域，只有在Layer 3之設備底下的每埠才是獨立的broadcast domain。 而VLAN則是利用Layer 2的設備將單一廣播區域分成數個廣播區域，也就是它可做到Layer 3的部份功能， VLAN的技術也能說是Grouging的技術。


切VLAN的好處可以 對不同switch 但同一網段 串接

image:Vlan.jpg

同一段VLAN1但是分布在三個樓層

相同的部門可以透過 VLAN 可以成為同一個網段

對網路效能來說提高更多也可減少 collision 與 broadcast 提高安全性。


  • 比較高階的switch產品，有提供Broadcast Storm Control (廣播風暴控制) 的功能。
  • 廣撥風暴控制

由於Layer 2 的Switch 並無法有效的阻絕廣播域(Broadcast Domain)如ARP (Address Resolution Protocol)及Win95/98 中大量使用的NetBEUI協定均大量使用廣播封包，因此就算Layer 2 Switch 以VLAN (Virtual LAN)的方式(虛擬網路)將經常要通訊的群組構成一廣播域(Broadcast Domain)來試圖降低broadcast封包對網路層的影響，但仍無法完全避免廣播風暴問題(同一個VLAN間仍會產生廣播風暴)，再加上現今網路 (尤其是Campus內部間流量及對外的Internet/Intranet流量)已不是80/20規則(80%流量在本地，20%是外地)，而是漸漸成 為20/80規則，且加上Client/Server 及Distributor Server之運用，因此單靠Layer 2 Switch或傳統Router路由器便無法符合對效能(傳統路由器變成瓶頸)及Intranet上對安全顧忌(Layer 2 Broadcast Domain，對因廣播而使資訊傳送被盜取的安全疑慮)之要求，因此Layer 3 Switch便大量興起，初期只運用Core端(骨幹)，現在的趨勢已漸漸走向桌面(Layer 3 down to desktop)。


  • 有效降低路由器的負擔

有別於傳統的路由器以軟體的方式來執行路由運算與傳送，Layer 3 Switch是以硬體的方式(通常由專屬ASIC構成)來加速路由運算與封包傳送率並結合Layer 2 的彈性設定，因此其效能通常可達每秒數百萬封包(Million packet per second)的傳送率，並具備數十個至上百個以上的高速乙太網路(Fast Ethernet)連接埠，或數個至數十個超高速乙太網路(Gigabit Ethernet)連接埠之容量。傳統路由器通常可處理Multiprotocol 多重協定路由運算(如IP，IPX AppleTalk，DEC Net...etc)，但Layer 3 Switch 通常只處理IP 及IPX，此乃為簡化設計，降低路由運算與軟體的複雜性以提昇效能，並配合網路協定發展的單純化(多重協定慢慢簡化至IP一種協定)趨勢所致。

參考資料

http://nmc.ilc.edu.tw/page3.htm#17

http://www.pczone.com.tw/vbb3/forum/29/

http://redhat.ecenter.idv.tw/bbs/forumdisplay.php?s=b078d07c7717fb1ecbcfdf95f22e2204&forumid=50

http://www.vlab.com.tw/vlabforums/viewtopic.php?t=10805&highlight=layer++switch

http://tanet98.ndhu.edu.tw/TANET98/HOMEPAGE/paper/3c_1/3c_1.htm

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