5.负载平衡主流技术

5.1链路聚合

为了支持与日俱增的高带宽应用，越来越多的PC机使用更加快速的链路连入网络。而网络中的业务量分布是不平衡的，核心高、边缘低，关键部门高、一般部门低。伴随计算机处理能力的大幅度提高，人们对多工作组局域网的处理能力有了更高的要求。当企业内部对高带宽应用需求不断增大时（例如Web访问、文档传输及内部网连接），局域网核心部位的数据接口将产生瓶颈问题，瓶颈延长了客户应用请求的响应时间。并且局域网具有分散特性，网络本身并没有针对服务器的保护措施，一个无意的动作（像一脚踢掉网线的插头）就会让服务器与网络断开。

通常，解决瓶颈问题采用的对策是提高服务器链路的容量，使其超出目前的需求。例如可以由快速以太网升级到千兆以太网。对于大型企业来说，采用升级技术是一种长远的、有前景的解决方案。然而对于许多企业，当需求还没有大到非得花费大量的金钱和时间进行升级时，使用升级技术就显得大材小用了。在这种情况下，链路聚合技术为消除传输链路上的瓶颈与不安全因素提供了成本低廉的解决方案。链路聚合技术，将多个线路的传输容量融合成一个单一的逻辑连接。当原有的线路满足不了需求，而单一线路的升级又太昂贵或难以实现时，就要采用多线路的解决方案了。目前有4种链路聚合技术可以将多条线路“捆绑”起来。同步IMUX系统工作在T1/E1的比特层，利用多个同步的DS1信道传输数据，来实现负载均衡。IMA是另外一种多线路的反向多路复用技术，工作在信元级，能够运行在使用ATM路由器的平台上。用路由器来实现多线路是一种流行的链路聚合技术，路由器可以根据已知的目的地址的缓冲（cache）大小，将分组分配给各个平行的链路，也可以采用循环分配的方法来向线路分发分组。多重链路PPP，又称MP或MLP，是应用于使用PPP封装数据链路的路由器负载平衡技术。MP可以将大的PPP数据包分解成小的数据段，再将其分发给平行的多个线路，还可以根据当前的链路利用率来动态地分配拨号线路。这样做尽管速度很慢，因为数据包分段和附加的缓冲都增加时延，但可以在低速的线路上运行得很好。

链路聚合系统增加了网络的复杂性，但也提高了网络的可靠性，使人们可以在服务器等关键LAN段的线路上采用冗余路由。对于IP系统，可以考虑采用VRRP（虚拟路由冗余协议）。VRRP可以生成一个虚拟缺省的网关地址，当主路由器无法接通时，备用路由器就会采用这个地址，使LAN通信得以继续。总之，当主要线路的性能必需提高而单条线路的升级又不可行时，可以采用链路聚合技术。

5.2 三层交换

第三层交换将二层交换机和三层路由器两者的优势有机而智能化地结合成一个灵活的解决方案，可在各个层次提供线速性能。随着三层交换机在市场的不断推广和应用，三层交换技术及其产品在企业网/校园网建设、宽带IP网络建设（如城域网、智能社区接入）中得到了大量的应用，市场的需求和技术的发展双重拉动这种应用的纵深发展。三层交换的应用在从最初骨干层、中间的汇聚层一直渗透到边缘的接入层。

　　第三层交换技术具有速度快、可靠性高等特点，并可以通过智能化带宽控制技术来满足网络发展的需要。极进网络的第三层交换技术，就充分体现了这一思路。它充分考虑到以太网和因特网各自的优势，并结合第三层的线速交换，能够使企业迅速部署网络，开展各种服务。其基于第三层交换的城域网解决方案，可以面向电信服务提供商、应用服务提供商、内容供应商和企业，构建一个简单、扩展性强并具有一定服务质量保证功能的网络体系。该方案引入了电信级交换机，配置灵活，具有高容错性，支持热插拔模块、元件和交换管理模块完全冗余；其基于策略的服务质量保证体系，可以实现优先级设定、带宽管理和拥塞控制。此外，该交换机还能够进行线速服务器负载均衡、网页缓存重定向等。值得一提的是，以太网带宽分配服务能力是检验一个网络功能优劣的关键因素。极进网络的方案可以实现音频和视频的固定延迟传输，具有高可靠性，服务供应商可以根据客户带宽使用量收费。该方案适用于城域网中的中长距离的光设备，可以集成波分复用技术，进行带宽扩展，在同一城域网中支持虚拟局域网服务。

　　下一代网络将更加智能化，假如引入第四到第七层交换，那么网络就可识别网络上每一个数据包所属的应用和服务，然后应用这种信息把数据包传送到正确的路径。因此，在第三层交换技术走向成熟的基础上，第四到第七层交换技术也开始逐步被接受，并在一定的范围内获得了应用。

　　从技术角度来说，目前三层交换机虽然具备了企业级路由器的大多数功能，但路由器较三层交换机功能更为强大，如网络地址转换等，仍然无法由三层交换完全替代。但是随着技术的发展，三层交换机的功能肯定会越来越丰富。另外，从国内的情况来看，三层交换机虽然发展势头良好，但想取代企业级路由器还要经历一个漫长的过程。

　　业务的高速持续增长，需要更大的网络带宽来满足要求。三层技术中的光交换能有效解决带宽问题，但随之而来的是光纤中信道数量急剧增加，需要大容量的光交换机。密集波分复用（DWDM）能充分利用光纤的巨大带宽，使得“光纤耗尽”问题得到有效解决。近年来，DWDM技术已经从长途干线系统渗透到城域网。由于复用的波长信道数急剧增加，光纤的传输容量可以以指数形式增长。

　　目前光交换机的市场规模并不大，这是因为光交换机技术上的相对不成熟，是限制光交换机市场迅速增大的主要因素。其主要体现在光交换矩阵技术的研究和开发上的不成熟。但是，随着技术的发展，光交换机的市场规模将日益壮大。可以预测，在未来的十年中，具有路由选择和出错恢复等功能的全光交换机将在交换机中逐渐占据主要地位。在以低于1Gb/s速率传输的网络（如局域网）中，OEO还是有着明显的优势，这种可靠性高且成本较低的光电光(OEO)光交换机在低速网络中仍会得以广泛应用。

　　另外一个值得的一提的三层技术就是 ATM与IP结合 技术了。尽管ATM作为一种全能技术的神话已经破灭，但迄今为止，ATM仍然是最适于多业务、多比特率应用环境的通信协议，因而作为多业务平台，汇接各种业务是其未来的主要角色。 而且，IP技术也会面临大量的问题。比如，IP的QoS问题。目前解决方案的思想很多都是借鉴于电信网络，但是实现起来难度很大。 所以，ATM与IP结合是其另一重要的发展方向。IP与ATM的结合是面向连接的ATM与无连接IP的统一，也是选路与交换的优化组合。

　　目前，还没有哪一种像ATM那样具有多业务高速率支持能力。因而对于电信网而言，在一段时间内，ATM作为多业务平台是比较理想的。即使在可预见的未来，在网络边缘地带，ATM作为业务汇集点仍然是不可缺少的。为此不少ATM厂家仍然在努力改进ATM交换机的性能和容量，使其在下一代电信网中占据一席之地。

　　ATM与IP的结合有两种方式，第一是两者重迭，这样虽然可以保证QoS，但是会增加协议的复杂度;第二是两者综合，这种方案能够最大限度地同时利用ATM与IP的优点。ATM技术能够提供二层的高速交换，ATM标准已逐渐被完善，其产品也已基本成熟，广泛地推向市场。但是ATM和IP的结合仍然在不断演变中，工业标准的一致化也需要相当的时间。因此，ATM与IP技术相结合的交换机会成为以后市场的主流。

　　MPLS交换机则是顺应ATM与IP结合这个潮流而产生的。多协议标记交换（Multiprotocol Label Switching，MPLS）是一种介于第二层和第三层之间的标记交换技术，是专门为IP设计的，可以将第二层的高速交换能力和第三层的灵活特性结合起来，使IP网具备高速交换、流量控制、QoS等性能。它的产生伴随着网络的发展。

　　随着MPLS应用的不断升温，无论是产品还是网络，对MPLS的支持已不再是额外的要求，而应该是必备的功能。此外，MPLS从骨干网走向边缘网也是一种越来越明显的趋势，这一进程将给边缘网带来更多的带宽、更高的智能和更多的服务。在接入网中，利用MPLS的技术承载以太网，会使网络更易升级和富有弹性。普通的以太网在每个骨干网中只能处理4000个VLAN，MPLS能使每个路由器支持最多100万个标记。因此，核心路由器厂商支持MPLS自然是毫无疑问的，如华为 Quidway NetEngine系列产品等等;边缘路由器厂商也开始关注MPLS。

　　从整个网络发展方向来看，在未来的核心网上，所有新的运营商在第一时间内建立的骨干Internet网都是光结点。MPLS不再单一存在，它将与底层的光设备相辅相成。以前的IP是第一层、第二层、第三层在一起，现在，利用MPLS的基础，IP与底层的光设备结合起来，让光去识别IP路由，即光是基于IP来驱动，将来的网络核心是波长路由，外面是一种大路由，这是以后大网核心的必然。对运营商来讲，今天的网络与以后的网络的关系是，所有今天的电信的其他网，如DDN专线网、ATM的中继网等，都是将来整个大网络的接入结点。这个网不会摒弃以前所有的技术和产品，而是把它们结合进来，只是所有的应用都要以IP的形式来做，所有的东西都会以IP的形式终结在Internet和路由阶层中去。

　　以千兆比特的速度处理100万个URL模式规则的能力使人们重新考虑数据中心的网络设计。这也要求人们实现某些我们正在努力研发的功能。这些新功能包括：

• 具有内容识别能力的骨干网。在数据中心的网络体系中，基于千兆比特的吞吐能力，应用交换技术置于更高的层次而不是直接置于服务器的前面是有意义的。把应用交换机放置在核心层或者分配层，使得网络管理者能够以更低的成本更好地分配网络资源。这样，网络需要移动、添加和变更涉及的设备更少，需要购置的设备也少得多，并且设备的放置也更加集中。
• 虚拟负载均衡（vLB）。无论用户是一个大企业还是一个提供增值网站业务的供应商，下面的规则是同样适用的：设计和运营网络的人不会永远是最理解服务器站点的人。虚拟负载均衡将用户的网络可扩展到一个前所未有的水平，可以实现在一个网络中管理几个站点。
• 尽管线速负载均衡功能和会话保持功能的优势是无可辩驳的，然而网络管理者为了充分利用网站，就必须具备有关网站的知识。Extreme正在为应用交换机开发一种层次化的能力，这种能力在实现网络管理员所需的更广泛的管理能力的同时，允许网站管理员管理针对网站的域、与之关联的URL查找和cookie保持规则。
• 随着三层交换机所支持的协议越来越多，路由器不可替代的神话将被打破。一些低速连接的设备逐渐被淘汰，路由器的路由功能将会完全被交换机代替。将来，有了真正的能以硬件实现的路由交换机以后，传统路由器达不到的功能，路由交换机也有了，这样，路由器和交换机的界限可能就会被重新划分了。

5.3第四层交换

端到端性能和服务质量要求对所有连网设备进行负载均衡，以保证客户机与服务器之间数据平滑地流动。二层与三层交换产品在解决局域网和互联网络的带宽及容量问题上发挥了很好的作用，但是，这可能还不够，还需要更多的性能，而这正是四层交换的用武之地。四层交换技术利用第三层和第四层包头中的信息来识别应用数据流会话，这些信息包括TCP/UDP端口号、标记应用会话开始与结束的“SYN/FIN”位以及IP源／目的地址。利用这些信息，四层交换机可以做出向何处转发会话传输流的智能决定。 对于使用多种不同系统来支持一种应用的大型企业数据中心、Internet服务提供商或内容提供商，以及在很多服务器上进行复制功能的时候，四层交换的作用就尤为重要。四层交换机是设计用于高速Intranet应用的，它支持100Mbps或千兆位接口。

四层交换除了负载均衡功能外还支持其它功能，如基于应用类型和用户ID的传输流控制功能。采用多级排队技术，第四层交换机可以根据应用来标记传输流以及为传输流分配优先级。此外，四层交换机直接安放在服务器前端，它了解应用会话内容和用户权限，因而使它成为防止非授权访问服务器的理想平台。