三层交换机的革命

2019-11-05 01:35:00

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供稿：网友

　　1995年，局域网中出现了三层以太网交换机，它取代路由器承担起局域网内部的路由任务。随着网络规模、流量模型的变化，以及网络病毒的攻击，传统三层交换机已经不能适应网络的需要。新一代L3交换机诞生了。
　　
　　传统三层交换机采用的是流转发机制，通过采用ASIC实现的“精确匹配表”来完成转发功能。“精确匹配表”是二元表，包括组成流的源ip地址和目的IP地址两个元素。表的大小数量级为（源IP地址数目*目的IP地址数目）。ASIC的成本和查表效率都主要取决于表的大小，综合成本/性能考虑，采用流转发机制的传统三层交换机更适合规模不大的网络。即源IP地址不多，目的IP地址比较少。而传统的企业网/园区网的流量模型正好与之相符，它满足2/8原则：内部流量占80％以上，且路由动荡很小，一般情况下是最多上千台PC访问几十台服务器。假如同时在线数据流按极限值的1/6计算，“精确匹配表”的大小也不过数千。一般ASIC的设计和制造技术在表容量为10K～20K时技术上可行，且成本比较低，查表速度也足够快。传统三层交换机对传统的企业网络完全应付得了。然而，问题出现了。
　　
　　网络病毒对传统三层交换机的攻击成为三层交换机革命的导火索。当某台PC被网络病毒感染（比如，红色代码、冲击波）后，在网络中产生流的源IP和目的IP地址可能多达百万个。这样，交换机的“精确匹配表”仅仅能容纳一小部分流信息。其他流的转发要靠CPU来实现。CPU很快不堪重负，达到满负荷，结果是网络被严重阻塞、瘫痪。此外，网络规模化、多业务、城域化是三层交换机革命的内因。企业网/园区网的网络规模越来越大，业务种类越来越多，Internet访问越来越频繁，城域化应用（非凡是在电信网/运营商网络中的应用）的普及，这些意味着传统的流量模型发生了改变，在数据流中出现了更多的源和目的IP地址对。鉴于ASIC的成本和查表效率的考虑，以上诸多问题的解决又不能通过无限制增大“精确匹配表”容量来实现。
　　
　　新一代三层交换机的设计思想产生了。它采用逐包转发机制。使用“最长匹配表”实现转发。“最长匹配表”与真正的路由表类似，它记录的是目的IP网段而不是主机地址。因此，表的大小不会随着主机数目和目的IP地址数目的增加而急剧膨胀。表的数量级为（源IP网段数目+目的IP网段数目），即使源IP地址/目的IP地址对不断增长时，仍能匹配命中并转发。这样的设计可以有效的抵制网络病毒的攻击，也能够很好的适应网络流量模型的变化。另外，新一代的ASIC设计、算法和工艺水平的提高，也使得“最长匹配表”方式也可以用硬件实现。即满足低成本＋线速性能。

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