作者：jiaohuan
隨著寬帶的普及，各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的深入，我們的局域網(wǎng)絡(luò)正在承擔著繁重的業(yè)務(wù)流量。
網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的音頻、視頻、數(shù)據(jù)等信息的傳輸量充斥著占用帶寬，我們不得不為這些數(shù)據(jù)流量提供差別化的服務(wù)，讓時延敏感性的和重要的數(shù)據(jù)優(yōu)先通過，這就不得不考慮第四層交換，以滿足基于策略調(diào)度、QoS（QualityofService：服務(wù)質(zhì)量）以及安全服務(wù)的需求。
二、三、四層交換的區(qū)別
第二層交換實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)主機間的快速信息交流，第三層交換可以說是交換技術(shù)與路由技術(shù)的完美結(jié)合，而第四層交換技術(shù)則可以為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用資源提供最優(yōu)分配，實現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)服務(wù)質(zhì)量、負載均衡及安全控制。四層交換并不是要取代誰，其實現(xiàn)在徑渭分明的二層交換和三層交換已融入四層交換技術(shù)。
第二層交換機，是根據(jù)第二層數(shù)據(jù)鏈路層的MAC地址和MAC地址表來完成端到端的數(shù)據(jù)交換的。第二層交換機只須識別數(shù)據(jù)幀中的MAC地址，而直接根據(jù)MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)，非常便于采用ASIC專用芯片實現(xiàn)。第二層交換的解決方案，是一個“處處交換”的方案，雖然該方案也能劃分子網(wǎng)、限制廣播、建立VLAN，但它的控制能力較小、靈活性不夠，也無法控制流量，缺乏路由功能。
第三層交換機，是根據(jù)第三層的網(wǎng)絡(luò)層IP地址來完成端到端的數(shù)據(jù)交換的，主要應(yīng)用于不同VLAN子網(wǎng)間的路由。當某一信息源的第一個數(shù)據(jù)流進行第三層交換（路由）后，交換機會產(chǎn)生一個MAC地址與IP地址的映射表，并將該表存儲起來，如同一信息源的后續(xù)數(shù)據(jù)流再次進入交換機，交換機將根據(jù)第一次產(chǎn)生并保存的地址映射表，直接從第二層由源地址傳輸?shù)侥康牡刂�，不再�?jīng)過第三路由系統(tǒng)處理，提高了數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)效率，解決了VLAN子網(wǎng)間傳輸信息時傳統(tǒng)路由器產(chǎn)生的速率瓶頸。
第四層交換機不僅可以完成端到端交換，還能根據(jù)端口主機的應(yīng)用特點，確定或限制它的交換流量。簡單地說，第四層交換機是基于傳輸層數(shù)據(jù)包的交換過程的，是一類基于TCP/IP協(xié)議應(yīng)用層的用戶應(yīng)用交換需求的新型局域網(wǎng)交換機。第四層交換機支持TCP/UDP第四層以下的所有協(xié)議，可根據(jù)TCP/UDP端口號來區(qū)分數(shù)據(jù)包的應(yīng)用類型，從而實現(xiàn)應(yīng)用層的訪問控制和服務(wù)質(zhì)量保證。可以查看第三層數(shù)據(jù)包頭源地址和目的地址的內(nèi)容，可以通過基于觀察到的信息采取相應(yīng)的動作，實現(xiàn)帶寬分配、故障診斷和對TCP/IP應(yīng)用程序數(shù)據(jù)流進行訪問控制的關(guān)鍵功能。第四層交換機通過任務(wù)分配和負載均衡優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，并提供詳細的流量統(tǒng)計信息和記帳信息，從而在應(yīng)用的層級上解決網(wǎng)絡(luò)擁塞、網(wǎng)絡(luò)安全和網(wǎng)絡(luò)管理等問題，使網(wǎng)絡(luò)具有智能和可管理。
四層交換技術(shù)簡介
OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型的第四層是傳輸層。傳輸層負責端到端通信，即在網(wǎng)絡(luò)源和目標系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)通信。在IP協(xié)議棧中這是TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）所在的協(xié)議層。TCP和UDP包含端口號，它可以唯一區(qū)分每個數(shù)據(jù)包包含哪些應(yīng)用協(xié)議（例如HTTP、FTP、telnet等等）。TCP/UDP端口號提供的附加信息可以為網(wǎng)絡(luò)交換機所利用，四層交換機利用這種信息來區(qū)分包中的數(shù)據(jù)，這是第四層交換的基礎(chǔ)。
四層交換的主要功能如下：
1．數(shù)據(jù)包過濾：在傳統(tǒng)路由器上，采用第四層信息端口號去定義訪問控制列表過濾規(guī)則。四層交換也借用了控制列表的概念，但和基于軟件的路由器不一樣，第四層交換是在ASIC專用高速芯片中實現(xiàn)的，從而使過濾控制可以線速進行。
2．服務(wù)質(zhì)量：TCP/UDP第四層信息還可以用于建立應(yīng)用通信的優(yōu)先級。第四層交換允許用基于端口號（應(yīng)用）來區(qū)分優(yōu)先級，設(shè)置優(yōu)先級隊列，確保重要的流量（如：VOIP、視頻）在得到最快的處理，使緊急應(yīng)用獲得網(wǎng)絡(luò)的高級別服務(wù)。
3．負載均衡：第四層交換負載均衡的原理，就是按照IP地址和TCP端口進行虛擬連接的交換，直接將數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的計算機的相應(yīng)端口中。具備第四層交換能力的交換機，能作為一個硬件負載均衡器，完成服務(wù)器的負載均衡。由于第四層交換基于硬件芯片，因此性能非常優(yōu)秀，尤其是對于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣龋粨Q的速度遠遠超過普通的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。采用第四層交換機設(shè)備，所有的集群主機通過第四層交換機與外部Internet相連，外部客戶防問服務(wù)器時通過第四層交換機動態(tài)分配服務(wù)器，實現(xiàn)動態(tài)負載均衡，當其中一臺服務(wù)器出現(xiàn)故障時，由交換機動態(tài)將所有流量分配到集群中的其他主機上。
4．主機備用連接：主機備用連接為端口設(shè)備提供了冗余連接，從而在交換機發(fā)生故障時有效保護系統(tǒng)，這種服務(wù)允許定義主備交換機，同虛擬服務(wù)器定義一樣，它們有相同的配置參數(shù)。由于第四層交換機共享相同的MAC地址，備份交換機接收和主單元全部一樣的數(shù)據(jù)。這使得備份交換機能夠監(jiān)視主交換機服務(wù)的通信內(nèi)容。主交換機持續(xù)地通知備份交換機第四層的有關(guān)數(shù)據(jù)、MAC數(shù)據(jù)以及它的電源狀況。主交換機失敗時，備份交換機就會自動接管，不會中斷對話或連接。
5．統(tǒng)計與報告：通過查詢第四層數(shù)據(jù)包，第四層交換機能夠提供更詳細的統(tǒng)計記錄。因為管理員可以收集到更詳細的哪一個IP地址在進行通信的信息，甚至可根據(jù)通信中涉及到哪一個應(yīng)用層服務(wù)來收集通信信息。當服務(wù)器支持多個服務(wù)時，這些統(tǒng)計對于考察服務(wù)器上每個應(yīng)用的負載尤其有效。增加的統(tǒng)計服務(wù)對于使用交換機的服務(wù)器負載均衡服務(wù)連接同樣十分有用。包含詳盡的實時報告和歷史紀錄報告，全面的報告功能為管理員提供了對帶寬資源的充分掌握，從而使企業(yè)可以作出更合適的業(yè)務(wù)決策。
第四層交換機在業(yè)界有一通用的名字叫做“應(yīng)用交換機”，比較有名的有如下幾款：
美國的F5公司的BIG-IP2400系列鏈路應(yīng)用交換機可實定制負載平衡，流量優(yōu)先級安排，基于政策的流量引導(dǎo)，來源、目的地和應(yīng)用交換。
Radware公司的WebServerDirector應(yīng)用交換機可保障服務(wù)器群的完全可用性、優(yōu)化運行以及完備的安全性，從而保證網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心范圍內(nèi)的應(yīng)用能獲得高度可靠性和性能。
美國Foundry公司ServerIronGT-C2404F應(yīng)用交換機可實現(xiàn)全局服務(wù)器負載均衡,高性能VPN/防火墻負載均衡，透明緩存交換，,鏈路負載均衡，防DoS攻擊保護服務(wù)器。
總結(jié)：
隨著網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)由小型到中型到大型的發(fā)展趨勢，交換技術(shù)也由原來最初的基于MAC地址的交換，發(fā)展到基于IP地址的交換，進一步發(fā)展到基于IP+端口的交換，本文對第四層交換技術(shù)作了一個比較全面的介紹，如今也有產(chǎn)品更提出了第七層交換（基于內(nèi)容的交換）�？梢�，網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)的不斷發(fā)展使得原來由基于數(shù)據(jù)的交換變成了基于應(yīng)用的交換，不僅提高了網(wǎng)絡(luò)的訪問速度，而且不斷地優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)的整體性能。
