第四层交换

     端到端性能和服务质量要求对所有联网设备的负载进行细致的均衡，以保证客户机与服务器之间数据平滑地流动。 第二层与第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，而这正是第四层交换的用武之地。  
      
     第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／User 数据报协议(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，第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来说，第四层交换的作用是尤其重要的。同样，当在很多服务器上进行复制功能时，第四层交换也会起到不小的作用。  
      
     路由器和第三层交换机在转发不同数据包时并不了解哪个包在前哪个包在后。第四层交换技术从头至尾跟踪和维持各个会话。因此，第四层交换机是真正的“会话交换机”。  
      
     路由器根据链路或网络节点的可用性和性能做出转发决定，而第四层交换机则根据会话和应用层信息做出转发决定。由于做到了这点，因而用户的请求可以根据不同的规则被转发到“最佳”的服务器上。因此，第四层交换技术是用于传输数据和实现多台服务器间负载均衡的理想机制。  
      
     具有第四层功能的交换机能够起到与服务器相连接的“虚拟IP”(VIP)前端的作用。每台服务器和支持单一或通用应用的服务器组都配置一个VIP地址。这个VIP地址被发送出去并在域名系统上注册。  
      
     在发出一个服务请求时，第四层交换机通过判定TCP开始，来识别一次会话的开始。然后它利用复杂的算法来确定处理这个请求的最佳服务器。一旦做出这种决定，交换机就将会话与一个具体的IP地址联系在一起，并用该服务器真正的IP地址来代替服务器上的VIP地址。  
      
     每台第四层交换机都保存一个与被选择的服务器相配的源IP地址以及源TCP 端口相关联的连接表。然后第四层交换机向这台服务器转发连接请求。所有后续包在客户机与服务器之间重新影射和转发，直到交换机发现会话为止。  
      
     在使用第四层交换的情况下，接入可以与真正的服务器连接在一起来满足用户制定的规则，诸如使每台服务器上有相等数量的接入或根据不同服务器的容量来分配传输流。  
      
     目前一般的单功能负载均衡产品可以每秒连接400到800个接入。而同时具有第二层和第四层功能的新一代产品（使用定制的专用集成电路的基于硬件的负载均衡功能）的连接速度则超过了每秒10万次接入。  
      
     在所有这一切中的关键问题是如何确定传输流转发给哪台最可用的服务器，目前，在做出负载均衡决定时采用了多种方法。根据所需负载均衡的颗粒度，第四层交换机可以利用多种方法将应用会话分配到服务器上。这些方法包括求权数最小接入的简单加权循环、测量往返时延和服务器自身的闭合环路反馈等等。  
      
     闭合环路反馈是最先进的方法，它利用可用内存、I/O中断和CPU利用率等特定的系统信息，这些信息可以为适配器驱动器和第四层交换机自动获取。目前的闭合环路反馈机制要求在每台服务器上安装软件代理。  
      
     第四层交换机在形式和功能上与专用负载均衡器完全不同。传统基于硬件的负载均衡器是速度为45Mbps的优化的两端口设备。  
      
     而第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。  
      
     第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，第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，因而使它成为了防止非授权访问服务器的理想平台。  
      
     第四层交换产品  
      
     用户过去曾一拥而上采用第二层和第三层交换机，因为这类交换机提高了总体网络吞吐量，使它远远超过了老技术的吞吐量，不知道第四层交换机是否也会看到这种现象。  
      
     Berkeley Networks公司的exponeNT e4和Alteon Networks公司的ACEswith 180两款第四层交换产品具有突出的性能和灵活性，能够比第二层和第三层交换机做出更智能的转发决定。由于把包头查询的代码嵌入到交换机中的专用集成电路（ASIC）中去实现上述功能，几乎不会造成任何延时。这两家厂商的交换机都能实现10M、100M和千兆以太网功能，但是Berkeley的交换机是设计用于企业应用的，而Alteon交换机则是用于拥有大量Web或FTP服务器的机构的。  
      
     Alteon的第四层交换技术能通过对服务器的性能和运行状况的实时监测，根据不同服务器的健康状况，将来访的数据流量以经济高效的方式分配到合适的服务器上。同时，Alteon的第四层交换技术具有Web高速缓存重定向功能，能把指定发往远程Internet主机的HTTP通信拦截，并将这些通信重新定向到本地的高速缓存服务器上，从而大大加快了访问Internet的速度，并节省了大量宝贵的广域网带宽。而且这对于用户和信息提供者来说是完全透明的，不需要用户和信息提供者做任何的设置。  
      
     Cabletron 公司的SmartSwitch Router和Torrent Networking Technologies公司推出的IP9000 Gigabit Router 也是具有第四层交换功能的产品。其中SmartSwitch Router可以实现骨干网从常规第三层交换向全面的第三、第四层交换功能的升级转换，其独特的广域网集成能力以及基于第四层交换的访问控制能力对于网络数据传输安全、有序地进行发挥了关键作用。此外，Cabletron SmartSwitch Router基于第四层交换的QoS功能为特定业务应用数据交换提供了不同级别的优先处理能力。  
      
     第四层交换方案  
      
     在本方案中，通过采用Alteon的第四层交换机来实现Web Server的负载均衡。  
      
     HTTP是Internet中最重要的一种应用，目前Internet上广泛使用的Web Server，采用的是多进程技术，占用系统资源多，效率较低，一般一台Web Server只能承受几百个并发用户。采用第四层交换机可以很好地解决Web Server的扩展性问题，提高Web Server系统的可靠性，并在Web Server之间合理分配负载。  
      
     Alteon的第四层交换机监测Web Server的可用性，包括物理连接、Web Server主机、HTTP Server本身的健康状况，当发现某台Web Server不能提供Web 服务时，交换机自动把Web 请求分配到好的两台Web Server。Alteon第四层交换机还可以通过设置每台Web Server能承受的最大会话数、设置溢出Web Server、备份Web Server等方法来进一步保证Web系统的可靠性。  
      
     Web Server在同一局域网内实现负载均衡时采用多种负载均衡算法，包括Least Connection、Round Robin、MinMiss和Hash算法，以及对算法的加权等等。  
      
     当Web Server不在同一局域网内时，利用Alteon交换机的Global Load Balance技术来实现负载分担的合理性问题。