四层交换机的工作原理

随着百兆、千兆以及万兆局域网的普及和宽带城域网以及宽带广域网的广泛应用，不管是内联网、外联网、还是小区智能网，日益扩张的信息量，正迫使着人们对网络系统中的音频、视频、数据等信息的传输量要求越来越高。基于此，提出了第四层交换概念，以满足基于策略联网、高级QoS以及其它服务改进的要求。那么您了解四层交换机吗？四层交换机有什么作用？与二层交换机、三层交换机有何区别吗？四层交换机又该如何选购？

四层交换机是什么？四层交换机有什么作用？

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，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。四层交换机支持TCP/UDP第四层以下的所有协议，可识别至少80个字节的数据包包头长度，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。所以，与其说四层交换机是硬件网络设备，还不如说它是软件网络管理系统。也就是说，四层交换机是一类以软件技术为主，以硬件技术为辅的网络管理交换设备。

众所周知，数据包的第二层IEEE802.1P字段或第三层IP ToS字段可以用于区分数据包本身的优先级。四层交换机是基于第四层数据包交换，这表明它可以根据第四层TCP/UDP端口号来分析数据包应用类型，即四层交换机不仅完全具备三层交换机的所有交换功能和性能，还能支持三层交换机不可能拥有的网络流量和服务质量控制的智能型功能。

四层交换机与二层交换机、三层交换机有何区别？

上述详细介绍了四层交换机及其作用，为了方便区分四层交换机与二层交换机、三层交换机的区别，首先对二层交换机和三层交换机做一个详细的了解。

1．二层交换机是什么？

二层交换机是根据第二层数据链路层的mac地址和通过站表选择路由来完成端到端的数据交换的。因为站表的建立与维护是由交换机自动完成，而路由器又是属于第三层设备，其寻址过程是根据IP地址寻址和通过路由表与路由协议产生的。所以，二层交换机的最大好处是数据传输速度快，因为它只须识别数据帧中的MAC地址，而直接根据MAC地址产生选择转发端口的算法又十分简单，非常便于采用ASIC专用芯片实现。

2．三层交换机是什么？

三层交换机是直接根据第三层网络层IP地址来完成端到端的数据交换的。虽然三层交换机相当于是二层交换机与路由器的结合，但这种结合并非简单的物理结合，而是各取所长的逻辑结合。其重要表现是，当某一信息源的第一个数据流进行第三层交换后，其中的路由系统将会产生一个MAC地址与IP地址的映射表，并将该表存储起来，当同一信息源的后续数据流再次进入交换环境时，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，从而消除了路由选择时造成的网络延迟，提高了数据包的转发效率，解决了网间传输信息时路由产生的速率瓶颈。所以说，三层交换机既可完成二层交换机的端口交换功能，又可完成部分路由器的路由功能。

3．二层、三层、四层交换机的区别

经上述详细介绍可发现：四层交换机与二层交换机、三层交换机的区别在于它们三者的工作方式以及应用方式的不同。

二层交换机的解决方案实际上是一个“处处交换”的廉价方案，虽然二层交换机的解决方案也能划分子网、限制广播、建立VLAN，但它的控制能力较小、灵活性不够，也无法控制各信息点的流量，缺乏方便实用的路由功能，只适合小型局域网。

三层交换机的交换机方案实际上是一个能够支持多层次动态集成的解决方案，虽然这种多层次动态集成功能在某些程度上也能由传统路由器和二层交换机搭载完成，但这种搭载方案与采用三层交换机相比，不仅需要更多的设备配置、占用更大的空间、设计更多的布线和花费更高的成本，而且数据传输性能也要差得多，因为在海量数据传输中，搭载方案中的路由器无法克服路由传输速率瓶颈。

四层交换机在网络中的应用非常灵活，它即可是网络中心的汇接点设备，又可以应用在局域网分布层的边缘接入处，甚至于作为工作组级支持交换到桌面。

四层交换机如何选择？

目前市面上交换机分为二层、三层和四层交换机，其中二层交换机和三层交换机是最常见的交换机类型，二层交换机与三层交换机的选购，这里不做说明，四层交换机作为新起之秀，该如何选购呢？四层交换机选购可以从以下四点出发：

1．速度

在选择四层交换机的时候，为了让其在企业网中行之有效，第四层交换必须提供与第三层线速路由器可比拟的性能。也就是说，第四层交换必须在所有端口以全介质速度操作，即使在多个千兆以太网连接上亦如此。千兆以太网速度等于以每秒1488000个数据包的最大速度路由，这个是假定在最坏的情形下，即所有包为以太网定义的最小尺寸，长64字节。

2．服务器容量平衡算法

根据所希望的容量平衡间隔尺寸，四层交换机将应用分配给服务器的算法有很多种，有简单的检测环路最近的连接、检测环路时延或检测服务器本身的闭环反馈。在所有的预测中，闭环反馈提供反映服务器现有业务量的最精确的检测。

3．表容量

在选购的时候，用户应该注意进行第四层交换的交换机需要有区分和存贮大量发送表项的能力。交换机在一个企业网的核心时尤其如此。许多二/三层交换机倾向发送表的大小与网络设备的数量成正比。对四层交换机，这个数量必须乘以网络中使用的不同应用协议和会话的数量。因而发送表的大小随端点设备和应用类型数量的增长而迅速增长。四层交换机需要考虑表的这种增长，因此表容量大对制造支持线速发送第四层流量的高性能交换机至关重要。

4．冗余

另外，留意四层交换机内部是否支持冗余拓扑结构的功能，这个也很重要。因为在具有双链路的网卡容错连接时，就可能建立从一个服务器到网卡，链路和服务器交换器的完全冗余系统。

总结

目前，四层交换机主要技术除了实现网络负载均衡，还包括包过滤、服务质量、主备机连接等等。随着信息应用水平的不断提高，它对网络的需求也越来越高，越来越复杂，四层交换机及类似的高层网络设备将在未来的网络环境中发挥更加重要的作用。