传统网络结构与交换技术之争

传统网络结构与交换技术之争

    1996年网络科技发展的大热门当属交换技术。在信元交换技术，即ATM“发烧现象”仍在持续的同时，帧交换技术的大量不同种类和规格的面市产品正高奏凯歌，大踏步地走进用户的网络之中，给传统的网络技术（包括以太网、令牌环和FDDI）以新的活力。目前全球的网络产品中，帧交换技术的产品近80亿美元的市场规模便是很好的证明。
    人们不禁要问这是为什么?其主要原因有两条：一是ATM标准尚未完全确立，制约了其在市场的发展速度。换句话说，用户的购买热情在某种程度上被抑制了；二是帧交换技术的性能以及使传统网络可以平滑过渡到交换网络、包括今后升级到ATM的特性，当然使其大获成功。既使用户获得所需要的带宽，又保护了用户原有的网络投资，可谓一举两得。又有哪个用户能不为之所动呢?在这种情况下，各个厂商更是二十万分热情地向用户推荐自己的技术和产品。现在用户选择产品的自由度极大，加之厂商又没有哪一个不说自己的产品好，在交换技术方面又是如何领先、如何强大……，可能还真让用户一时间手足无措。怎么办？听之随之，还是碰碰运气?
    当你准备向帧交换网络产品投资的时候，笔者要道一声：且慢!先让我们从传统网络结构存在的问题着手，分析一下限制网络应用的根源是什么?尔后，你便可以揭开各个厂商为其产品所披盖的“面纱”，见其庐山真面目了。到那时，选择产品岂不更有把握，更合潮流?!

一、传统网络结构的限制

1.先从网络的广播谈起

    网络技术发展至今，无论在网络节点(即Node,通常指PC机或工作站)之间还是在网络之间，若要进行通信，首先要通过源站点发广播来寻找目的站点。这说明了广播在网络上存在的必要性。但是对于网络和网络节点而言，它们又不需要太多的广播。原因有三：
    从网络节点的角度来看，太多的广播会使PC机或工作站的性能下降，因为当其网络端口接收到每个广播包时，它们的CPU必须要停下正在进行的工作，去处理接收到的每个广播包，看一看是否是自己应接收的数据包；
    从网络的角度来看，广播太多必然使网络的有效带宽利用率下降；
    广播多到一定程度，就有可能造成广播风暴，导致网络瘫痪无法工作。
    另外，如果是采用多种网络协议(如IP、IPX、AppleTalk等)构成的网络，对于使用IP协议的网络或节点来讲，它们根本就不需要接收IPX或是AppleTalk的广播，实际上却又不得不接受，反之亦然，可以说，多种网络协议的广播包在网络上的广播又是一种非常无奈的现象。
    谈到传统的网络结构，必然就要涉及到两种网络互连设备：桥接器和路由器。桥接器是一种局域网互连设备，其特点是构造比较简单、处理速度快。但是，由于它与网络协议无关，因此也就无法对来自不同网段的广播，尤其是不同协议的广播进行分类。正是由于这一点，当桥接结构随着网络规模不断扩大时，就非常容易造成大量的网络上的广播，甚至使网络无法正常工作。路由器是智能化程度高、功能强且十分复杂的网络设备，除了实现网络互连的功能外，对网络的安全和稳定起着非常重要的作用。可是在其优点的背后，又有其处理速度太慢，容易造成网络瓶颈的缺点。因此，路由器在很大程度上又限制了用户的应用需求。为什么会是这样?让我们了解一下桥接器和路由器的功能以及它们的工作过程。

2.桥接器的功能及其工作过程简述

1).桥接器的功能凡有网络基础知识的人都知道，桥接器是OSI七层网络模型中第二层的设备。用它可以将两个或更多独立的、共享式的网段连接起来，以形成一个更大的LAN(通常称之为“扩展的LAN”)。桥接器根据数据包的第二层地址信息来过滤和转发数据包，以实现LAN之间的互连和信息的传送。其主要功能是：

分割网段；

过滤同一端口的数据包，转发跨越不同网段的数据。

从某种意义上讲，现在的交换器就是桥接技术。

    2).桥接器的工作过程桥接器接收并检查所有流经它的帧信息。它的工作过程可分为下述几种情况：
    如果帧具有一组目的MAC地址，桥接器将该帧传送至它连接的所有数据链路(接收该帧的数据链路除外)，换句话说，这实际上是向“扩展的LAN”发了一次多路广播，其所有链路上的站点都能见到这个帧;
    当帧有一个单独的目的MAC地址，桥接器则要查阅其MAC地址表，如果地址表中有该地址，且目的站点和源站点同处一个LAN上时，则桥接器不起桥接功能，而是将该帧过滤掉，不向其他链路转发；
    如果桥接器在自己的地址表内查到了这个目的MAC地址，且目的站点和源站点不在相同的LAN上时，则确定到达该目的站点的数据链路后，将此帧传送到其选择的数据链路上；
    若该帧的地址不在桥接器的地址表中，则桥接器对该帧的处理与前述的第一种相同，即向所有链路上的站点发广播。

    3).桥接器对网络造成的问题根据前面的简单介绍，对桥接器可以归纳出以下几点：
    桥接器基于MAC地址，实现LAN之间的互连和信息的转送，其优点是网络操作简单、速度快且与OSI其它层的协议无关，另外，由于没有路由功能，桥接器属简单的网络设备，易于维护且价格低廉；
    桥接器无法实现流量控制，尤其对一个规模较大的网络而言，广播包从一个LAN传送到另外一个LAN，常会引起大量的多路广播，造成网络效率下降，最严重的会导致广播风暴，使整个网络瘫痪；
    当桥接器构成网状网时，会产生广播包和不知道目的地址的数据包的循环问题。为此，IEEE对桥接器制定了8021d标准，即生成树算法，以此来保证经过桥接的两个站点在进行通信时只有一条数据链路，接踵而来的是，通过生成树算法后，由多个桥接结构组成的网状网变成了一个树状的网络，尽管经过桥接的两个站点可能有多个物理链路，但实际使用的只有一个唯一的、未必是最佳的数据链路；
    在某些情况下，因桥接器丢失帧，使得网络不稳定、不可靠。

3.路由器的功能及其工作过程简述

1).路由器的功能八十年代初路由器问世，并由IETF对其作了网关定义。它从原先单纯为了分割网络这一目的发展至今，其用途和性能已有了相当大的扩充与增强。路由器的功能大致可分为以下6点：
    网络分段，这是路由器最主要的功能之一，即可根据实际需求将整个网络分割成不同的网段，换句话说，路由器可以将不同的LAN进行互连；
    地址解析与路径选择，地址解析是路由器的基本功能，对于流经它的任何数据包均要进行包头的“拆打”(参见下面工作过程的描述)，以确定该数据包的流向，路径选择是指路由器可为跨越不同LAN的流量在网络上选择最适宜的路径，另外，为了网络负载均衡的目的，它还允许流量在源站点和目的站点之间的冗余链路上传送；
    隔离广播，路由器能够阻止广播流量从一个LAN到另外一个LAN，因而减少了整个网络的广播流量，以避免形成广播风暴；
    安全性与防火墙，路由器对网络的安全起着相当大的作用，它能监视来自每个用户的业务流，并利用动态滤波器保证网络安全性，只有被授权的用户才能拥有相应的数据链路；
    第三层的特殊服务，如优先权控制，即路由器可按预先设定的优先权方案，给予不同协议的流量以不同的执行优先权，又如合理配置路由器可调整网络的性能；
    广域网连接，现在，由于种种原因尚未普遍使用ATM，所以广域网的连接还需要使用路由器。

2).路由器的工作过程路由器是OSI七层网络模型中第三层的设备。它在网络中，收到任何一个数据包(包括广播包在内)，就要将该数据包第二层(数据链路层)的信息去掉(称为“拆包”)，查看第三层信息。然后，根据路由表确定数据包的路由，再检查安全访问表；若被通过，则再进行第二层信息的封装（称为“打包”），最后将该数据包转发。如果在路由表中查不到对应MAC地址的网络，则路由器将向源地址的站点返回一个信息，并把这个数据包丢掉。这便是路由器工作过程的简要描述。还应当指出：MAC地址就是网络设备的物理地址(如网卡地址)。路由器要看的第三层信息，叫做“IP地址”，它是一个逻辑地址。值得强调的是：网络设备要传输信息，最终靠的是MAC地址。

3).路由器对网络造成的限制路由器是无连接的设备，其工作机制使它成为一个转发并遗忘的网络设备。仅就路由器对任何数据包都要有一个“拆打”过程来看，即使是同一源地址向同一目的地址发出的所有数据包，也要重复相同的过程。这导致路由器不可能具有很高的吞吐量，这也是路由器成为网络瓶颈的原因之一。可能有人会说，提高路由器的硬件性能(系指采用更高速的、更昂贵的处理器，更大容量的内存)不就可以改善它的性能了吗?令人遗憾的是，路由器除了硬件支撑外，其“复杂的处理与强大的功能”主要是通过软件来实现的，这必然使得它成为网络瓶颈。另外，当流经路由器的流量超过其吞吐能力时，将引起路由器内部的拥塞。持续拥塞不仅会使转发的数据包被延误，更严重的是使流经路由器的数据包丢失。这些都给网络应用带来极大的麻烦。路由器的复杂性还对网络的维护工作造成了沉重的负担。例如，要对网络上的用户进行增加、移动或改变时，配置路由器的工作将显得十分复杂。

二、交换技术的焦点之争

综上所述，传统的网络结构对用户应用所造成的限制，正是交换技术所要解决的关键问题。在交换网络中，尤其是大规模的交换网络，没有路由功能是不可想象的。这正是各个厂商在交换技术领域激烈纷争的焦点：即如何解决交换网络中的路由问题!由此引发出各个厂商一系列的网络发展战略与技术策略。暂且不去评说这些战略与技术策略，还是从用户的角度去看问题，用户在想什么、要什么。

1.用户需要什么样的交换网络

今天，随着网络规模的不断扩大和应用需求的不断提高，特别是多媒体技术和产品的普及应用，使得网络传输图形、图象、声音以及活动视频信息的需求日益增长。用户不仅需要高带宽的交换网络，而且还要求：

可以灵活地对网络进行增加、移动和改变；

网络设备应具有即插即用的灵活性；

对网络广播流量的控制；

对多协议的支持；

网络运行要有安全保障；

操作不依赖局域网技术和拓扑结构；

提供向新技术过渡的方法；

完全兼容现有的网关、集线器、桥接器、路由器以及交换机(LAN交换机和ATM交换机)。

归纳起来可以用一句话表示：交换网络应能帮助用户提高网络性能并简化网络的操作和管理。

2.焦点之争

    如何实现这些要求?是选择使用以太网、令牌环，还是快速以太网?是采用FDDI，还是ATM?不!都不是，也绝对不是!用户的注意力不应被某些导向或是倾向所左右。笔者认为，最值得用户花时间、花精力去研究分析，从根本上彻底解决的问题是：如何构造今天的网络?是沿用传统的网络结构模式，以路由器为核心去构造和发展网络(即使是采用了交换设备和虚拟局域网技术)；还是打破过去的传统，构造新的网络模式?进一步讲：在构造交换的网络时，是否要保留路由器?路由器保留在什么位置?如果不要路由器，而是通过路由功能取代路由器是否可行?如果可行，路由功能又怎样设置?是集中式的，还是分布式的?
    显而易见，焦点之争又集中到了路由器上。这是为什么?
    首先看一对数字的比较结果。目前，市场上最高档路由器的最大处理能力为每秒25万个包，而最高档交换机的最大处理能力则在每秒1000万个包以上。二者竞然相差了40倍。
    再听听业界大牌厂家有关“网络发展战略与技术策略”的宣言，这答案恐怕就不言自明了。
    3Com：制定了TranscendVN，即虚拟连网实施策略。它主要包括VLAN和其它建立虚拟网络的技术及特征，如网络多媒体技术、分布式网络监控和分析以及网络管理。它可运用在3Com的骨干交换机、集线器、工作组交换机、路由器、适配器和连网管理应用上。
    Bay Networks:以Bay SIS绘制了交换式互连网络的未来。
    Cabletron：设计了新里程，即“虚拟企业互连网络迈进的策略架构”。其核心思想是：要带领用户从现有以路由器为基础的网络，迈向以分包交换、信元交换技术为基础，面向连接的虚拟网络环境。
    Cisco制定了Cisco Fusion交换型网间网的蓝图。Cisco认为：现在网间网的智能集中在路由器中。随着交换型网间网的出现，智能将分散到整个网络之中。因此，一个成功的交换型网间网解决方案，必须将网络中每个部分的路由器和交换机的优点结合起来，同时还能提供一条介质共享连网到交换型网间网的灵活的发展途径。Cisco Fusion体系结构特别推出多层LAN交换机，它将当前路由器所具有的路由计算功能从第三层交换中分离出来，从而实现分布式路由体系结构。
    Digital推出了ernVISN体系结构，用以构造企业的虚拟智能网络。
    enVISN集VLAN技术、分布式路由和高速交换为中心和基于政策管理为一体，可为用户创建灵活的、满足需求的虚拟智能交换网络。
    IBM公布了建立在ATM策略之上，提供以交换为中心的网络即虚拟交换网络策略(简称SVN)。IBM称SVN是建立和管理以交换为中心网络的模型，是从基于路由器和主机的系统转向交换式网络的革命。
    这些豪迈的“宣言”，无不使人激动。但用户还要听其言观其行，把握问题要点，去分析理解“战略与策略”中的实质内容以及具体产品是怎样体现这些思想的。从上述所列各家主要观点中也不难看出，交换技术与虚拟网络或虚拟局域网有着内在的必然联系；可以这样说，交换技术是构造虚拟网络或虚拟局域网的物质基础。因此，本文的续篇将从这个角度业谈焦点之争，望能有助于用户。