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以太網交換機演進史
2014/8/11

       以太網交換機是基于以太網傳輸數據的交換機,以太網采用共享總線型傳輸媒體方式的局域網。以太網交換機的結構是每個端口都直接與主機相連,并且一般都工作在全雙工方式。交換機能同時連通許多對端口,使每一對相互通信的主機都能像獨占通信媒體那樣,進行無沖突地傳輸數據。

以太網稱霸

作為一種原理簡單、便于實現同時又價格低廉的局域網鏈路層技術,以太網正在成為網絡領域的基礎和壟斷承載技術。40年風雨兼程,以太網逐漸贏得業界普遍認同,成為最有前途的網絡技術。這其中,更高性能的快速以太網和千兆以太網的出現,可以說是以太網飛速發展、迅速稱霸局域網并將觸角滲透到城域網的翅膀。

1973年,施樂帕洛阿爾托研究中心的羅伯特·梅特卡夫(Robert Metcalfe)給他PARC的老板寫了一篇有關以太網潛力的備忘錄,這被認為是以太網的源起點。1976年,梅特卡夫和他的助手David Boggs發表了一篇名為《以太網:局域計算機網絡的分布式包交換技術》的文章。1977年底,梅特卡夫和他的合作者獲得了“具有沖突檢測的多點數據通信系統”的專利。多點傳輸系統被稱為CSMA/CD(帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問),從此標志以太網的誕生。

1979年,梅特卡夫離開施樂成立了3Com公司。3com對迪吉多、英特爾和施樂進行游說,希望與他們一起將以太網標準化、規范化。這個通用的以太網標準于1980年9月30日出臺,當時業界有兩個流行的非公有網絡標準令牌:環網和ARCNET,在以太網大潮的沖擊下,它們很快萎縮并被取代。

今天,3Com已經消失,而以太網卻呈現出了萬夫莫擋的霸氣。

四代交換機演進史

從1989年第一臺以太網交換機面世至今,經過20多年的快速發展,以太網交換機在轉發性能上有了極大提升,端口速率從10M發展到了100G,單 臺設備的交換容量也由幾十Mbps提升到了幾十Tbps。憑借著“高性能、低成本”等優勢,以太網交換機如今已經成為應用最為廣泛的網絡設備。

隨著以太網的發展,以太網交換機也在持續演進。早期的以太網設備如集線器是物理層設備,不能隔絕沖突擴散,限制了網絡性能的提高。交換機(網橋)作為一種能隔絕沖突的二層網絡設備,極大地提高了以太網的性能。隨著技術的發展,如今的交換機早已突破當年橋接設備的框架,不僅能完成二層轉發,也能根據IP地址進行三層硬件轉發,甚至還出現了工作在四層及更高層的交換機。

根據交換機工作的協議層次,將交換機劃分為:二層交換機、三層交換機和多層多業務交換機,簡單回顧一下交換機的發展歷程。

交換機前身:集線器

說到交換機,不得不先說一下和交換機外觀非常類似的集線器。

集線器(Hub)工作于OSI(開放系統互聯參考模型)參考模型第一層,即“物理層”,其主要功能是對接收到的信號進行再生整形放大,以擴大網絡的傳輸距離,同時把所有節點集中在以它為中心的節點上。

由于集線器收到報文會向所有端口轉發,同時只能傳輸一個數據幀,通過集線器相連的所有主機處于同一個沖突域中,因此,當有多臺主機同時發送數據報文 時,大量的沖突將導致性能顯著下降,這也意味著集線器所有端口都要共享同一帶寬,以集線器為核心構建的網絡是共享式以太網的典型代表。

嚴格來說,集線器不屬于狹義上的交換機范疇,但由于集線器在網絡發展初期具有舉足輕重的作用,在很長時間內占據著目前接入交換機的應用位置,因此往往也被看成是(第)一層交換機。
典型產品有:3COM 3C16410集線器、Cisco 1538集線器。

二層交換機

交換機是在多端口網橋的基礎上逐步發展起來的,Kalpana公司在1989年發明了第一臺以太網交換機,EtherSwitch EPS-700,對外提供7個固定端口。

最初的交換機是完全符合OSI定義的層次模型的,也就是說工作在OSI模型的第二層(數據鏈路層),因此也被稱為二層交換機。二層交換機識別數據幀中的MAC地址信息,主要根據MAC地址選擇轉發端口,算法相對簡單,便于ASIC實現,因此轉發性能極高。交換機的出現,解決了集線器的沖突域問題,使得以太網從“共享式“步入了“交換式”時代,大大提高了局域網的性能。

典型產品:Cisco 2960系列交換機、Huawei 5700-LI系列交換機。

三層交換機

在引入VLAN之 前,交換機只能隔離沖突域,而不能分割廣播域。然而在TCP/IP協議棧進行通信時,廣播或組播類型的協議報文會被廣泛使用,如ARP/RIP/DHCP 等。如果整個網絡只有一個廣播域,一旦發出廣播報文,就會傳遍整個網絡,這樣不僅會影響到網絡帶寬,而且還會對網絡中的主機帶來額外的負擔。

隨著時間的推移,網絡由最初的軍事、科研用途逐漸融入人們的日常生活,網絡用戶數急速提升,廣播域帶來的問題愈發明顯。雖然VLAN在交換機上能夠實現廣播域的隔離,但VLAN之間的轉發還是要通過路由器來完成。相對于交換機而言,路由器不僅價格昂貴,而且性能較差,無法滿足大量用戶對大帶寬的需求,人們呼喚能工作在ISO模型第三層的交換機,在滿足客戶需求的同時繼續保持“高性能、低成本”的傳統優勢。

三層交換機的發展經歷了一個小插曲。由于早期的ASIC芯片無法獨立完成三層轉發的完整功能,2002年左右出現的“三層交換機”采用了廣為流傳的 “一次路由多次交換”技術,邏輯上可以看成在原有二層交換機之上“扣了一個三層的帽子”,因此對外表現為“弱三層、強二層”的特點。但隨著芯片技術的發 展,很快ASIC就支持了硬件路由查找功能,真正實現了全硬件三層轉發的交換機,因此最終“三層交換機”只是曇花一現,很快被全硬件三層轉發的交換機所取 代。為了避免與前期的“三層交換機”相混淆,支持全硬件三層轉發的交換機往往也稱為路由交換機。

典型產品:Cisco 3750-X系列交換機、Huawei 5700-EI系列交換機。

多業務交換機

近年來,尤其是萬兆以太網出現后,語音、視頻、游戲等高帶寬業務逐步開始普及,這些業務的開展和部署對網絡設備的要求已經不僅僅是完成數據的連通性,還提出了一些新的需求,比如安全性、可靠性、QoS等。同時為了降低組網成本,簡化管理維護,網絡設備的功能出現了融合的趨勢,這就催生了交換機支持多層轉發,融合增值業務的能力。

由于ASIC芯片能力的限制,當前的多業務交換機采用了基本二、三層業務“疊加”上層增值業務的混合模型,在組網應用時對外呈現為多臺物理設備,本 質上是多臺設備安裝在同一機框內,沒有實現真正的融合。因此,這種混合模型的多業務交換機距離客戶心目中期望的真正多業務交換機還有一定差距。

典型產品:Cisco 6500系列交換機、Huawei S9700系列交換機。其中Huawei S9700交換機采用全分布式硬件轉發架構,單機交換容量最大可達18.56Tbps,最大支持12個業務槽位,支持防火墻/NAT、負載均衡、無線AC、IPSec VPN等多種增值業務能力。出自:漢信www.twpasak.com

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