四层千兆接入交换机还是比较常用的，于是我研究了一下四层千兆接入交换机性能的综合讲解，在这里拿出来和大家分享一下，希望对大家有用。不论是在传统的PSTN时代、ATM时代，还是今天的宽带IP时代，在网络边缘提供多种的业务和智能的服务，而在网络核心提供简洁的、高性能的、高可靠性的大容量交换是电信业谙熟的道理。从大型网络设计的角度看，这种做法无疑具备其合理性。
在企业网领域，不论是系统集成商还是用户们也有类似考虑，比如说在网络的骨干仅提供高速、高可靠性、大容量的第三层交换，而仅仅在网络的接入层、分布层划分VLAN。但是在多业务和智能的考虑却略有不同。一方面是因为最早的以太网仅仅是满足最基本的计算机联网工作，多业务、QoS等名词非常罕见。当人们认识到QoS、安全的重要性时，仅仅有一些高端的核心机箱式骨干交换机具备了识别应用、提供QoS和丰富的访问控制的功能。可谓巧妇难为无米之炊！
2001年到2002年，我们看到业内主流的网络厂商分别推出了接入层或者分布层的智能以太网交换机，为广大网络建设者、设计者在网络边缘提供分布式智能服务的产品。《网络世界》编辑部在2002年5月份，在业内率先推出题为《四层交换到桌面》的网络产品购买指南，对这一趋势进行了报道。
时隔半年多，在3Com公司、北京港湾网络技术有限公司、华为技术有限公司的帮助下，《网络世界》评测实验室组织了四层千兆接入交换机的测试，希望您能随我们感受四层千兆接入交换机带来的智能网络边缘—那种善解人意的全新体验！四层千兆接入交换机是市场上的新锐，类似产品不多，不少面市不久，对于三家公司对我们测试给予的支持深表感谢！另外，国内外对四层接入交换机的横向评测并不多，以何标准衡量其优劣，没有统一的认识。此次测试没有评出《网络世界》评测实验室编辑选择奖。
什么是智能的边缘？
此次参加测试的三款交换机分别是3Com公司的SuperStack 3 Switch4400交换机，华为公司的Quidway S3026E交换机，港湾公司的FlexHammer 5010E。这三款交换机都是24个百兆口加2个千兆上联端口的交换机。其中3Com公司的SuperStack 3 Switch4400交换机、华为公司的Quidway S3026E交换机为2/4层交换机，主要工作在网络的接入层。港湾公司的FlexHammer 5010E交换机为2/3/4层交换机，可以工作在网络的汇聚层，或者是网络的接入层。总体上讲，这三款交换机都服务于网络的边缘。智能化的网络应该能够根据现今网络上承载的不同应用提供相应的QoS保障，实现一定的网络安全功能，提供完善的网络管理。
以太网和IP技术本身已经提供了QoS的一些功能，比如我们熟知的IEEE802.1P、ToS、DSCP几个协议。很多的网络交换机和路由器也支持对数据包上相关的信息识别提供QoS的功能。但是，仅仅这些还不够。首先，网络终端（比如网卡）和应用程序中支持IEEE802.1P和DSCP协议的产品并不普遍。如果网络设备要真正能够对传输的数据提供QoS服务，就需要对数据包上更多的信息进行识别，比如IP协议的类型、对以太网协议类型、IP地址进行识别。另外今天主流的应用系统软件都使用TCP/IP协议族完成通信，不同的应用与不同的TCP、UDP端口号相对应，比如我们都非常熟悉的几种应用，WWW浏览对应的是TCP/UDP端口号的80，SNMP网络管理对应的是TCP/UDP的16，而FTP是对应的TCP/UDP端口号的21。网络设备通过对数据包上这些丰富信息的识别，就能够按照不同的应用提供不同的QoS服务和安全控制。
完成对不同应用的数据包加以区分和识别之后，需要交换机能够对这些数据包提供不同的QoS服务。比如在交换机的一些端口发生拥塞的情况下，确保高优先级的数据包能够尽可能不被丢弃、尽快地转发出去。当然，四层千兆接入交换机也可以按照需要禁止一些通信。对四层信息识别可以作更丰富的安全，基于应用的安全，比如防止一些下载的应用。
同时，对于一个大型的网络来说，需要全网实现端到端的QoS策略。工作在边缘的智能交换机在对不同应用的数据包进行识别之后，可以根据QoS策略，为这些数据包打上相应的标记，而其他的网络设备比如核心的网络交换机、连接广域网的路由器则只需通过对这些标记进行识别就能够知道那些高优先级的数据包，并提供相应的QoS服务。还有一些交换机能够根据不同的应用限制他们的通信速率，确保或限制一些应用对网络带宽的占用。有些交换机还能够在管理的过程中对流经交换机的不同数据流进行监控和统计。
体验什么？
这次测试的***个部分是验证这些四层接入交换机是否真正能实现网络边缘的智能。第二部分的测试是希望了解这些四层接入交换机的智能是否会影响性能。比较交换机而言，路由器很早就实现了上述的“智能”，很多路由器都能支持访问列表，可以对数据包的IP地址、IP协议类型、TCP/UDP的端口信息进行识别，并进行相应的处理。但是，很多情况下实际使用这些功能的人并不多，通常的路由器是利用通用CPU和软件实现数据包寻径和转发的，QoS和ACL功能会影响到路由器的性能。（详细的测试方法见23版）
丰富的智能
经过我们的测试，三款交换机都能够提供丰富的智能，特别是可以依据数据包中四层的端口号（UDP和TCP端口号）根据不同的应用提供不同的服务。（这三款交换机的功能可见功能列表）为了验证交换机在QoS的能力，我们用四个百兆端口向一个百兆端口发送数据包，不断的增加负载造成接收端口的拥塞，来验证交换机的QoS功能。我们分别在交换机开启QoS功能前和开启QoS功能之后进行了测试，测试在拥塞情况下数据包的丢失情况和延迟情况（结果见21版）。如果交换机开启了QoS功能，UDP端口号为21的数据是***优先级的，UDP端口号为24的为次低优先级的数据包，UDP端口号为26的数据包为次高优先级，UDP端口号为28的数据包是***优先级。图片中横坐标的百分数代表着每一个端口的负载。在帧丢失率的测试中纵轴代表着丢失数据包的比例，在延迟测试中纵坐标代表着数据包的平均延迟，单位是微秒（msec）。
在横坐标为25%的时候，交换机每一个发送端口的负载都达到了25%，而接收端口达到了100%线速，而当横坐标超过30%以后，在接收端口则出现拥塞，随之开始出现丢包现象，帧丢失率测试图中的红色的曲线开始抬升。当每个输入端口的负载达到100%时测试停止，将有4倍于100Mbps的数据包发送到接收端口，造成极大的拥塞，一般这时候帧丢失测试红色的曲线将停留在75%的刻度值，表示丢弃了75%的数据包。
所有参测交换机在没有开启QoS功能时候的帧流失率测试结果与3Com图片类似（更多的结果、图片请见网站），我们可以发现所有种类的数据包都在丢失，大多数情况下，每种数据包的丢失比例都非常接近。四层千兆接入交换机随机地丢失所有种类的数据包，我们的拥塞测试也分别进行了64字节、512字节和1518字节的测试，结果并没有因为测试帧长度的变化而发生改变（刊登的结果为64字节结果）。而在开启了QoS功能之后帧丢失测试的结果有了很大的不同。当负载为30%的时候***优先级的数据包（UDP端口号为21）率先开始出现丢失现像，随着负载的增加，不同优先级的数据包先后开始出现帧丢失的情况，而且随着负载的不断加强，数据包的帧丢失率也在发生变化，不同优先级的数据包的帧丢失比例也有很大的区别。
从帧丢失的情况看，我们发现有些时候同一款交换机在同样的字节长度下的测试结果并不一样，不同优先级的数据包有着不同的帧丢失增长曲线和丢失比例。这是因为有些交换机支持多种的队列调度算法。送测的交换机支持的队列调度算法有PQ（严格优先级）和WRR（加权轮循）。
三款交换机都可以支持WRR的队列调度算法，3Com的SuperStack Switch 4400不能够对WRR算法中每个队列的权值进行调整。港湾和华为的交换机可以进行相应的设置，在此次测试中我们将从高到低的四个队列的权值设置为40、30、20、10,即***优先级可以丢失60%左右的数据包，次高的可以丢失70%、次低的可以丢失80%，***的丢失90%数据包。另外，华为的交换机还支持一个带***延迟的WRR算法。从测试的曲线我们可以看出在使用WRR算法时，在拥塞的时候高优先级的数据包也会相应的丢弃，而***优先级的数据包，哪怕是在最拥塞的情况下（400%），仍有10%的数据包可以被转发。我们***计算了一下帧丢失的情况，这三款交换机可以按照规定的比例丢失数据包。
港湾和华为的交换机还支持PQ优先级。在PQ算法起作用的时候，我们可以发现***优先级的数据包一直保持着发送，最终没有出现帧丢失的现象，而低优先级随着负载的不断增加最终都被完全丢弃了。这些测试结果证明从帧丢失的角度，三款四层千兆接入交换机都很好的实现了Qos功能。
