现代交换原理论文

1、摘要： IP交换（IP Switch）是Ipsilon公司开发的一种高效的IP over ATM技术。它只对数据流的第一个数据包进行路由地址处理，按路由转发，随后按已计算的路由在ATM网上建立虚电路VC。以后的数据包沿着VC以直通（Cut-Through）方式进行传输，不再经过路由器，从而将数据包的转发速度提高到第2层交换机的速度。IP交换的核心思想就是对用户业务流进行分类。对持续时间长、业务量大、实时性要求较高的用户业务数据流直接进行交换传输，用ATM虚电路来传输；对持续时间短、业务量小、突发性强的用户业务数据流，使用传统的分组存储转发方式进行传输。由此产生了一系列新的交换技术，如IP交换、

2、标签交换、ARIS、IPOA、LANE、MPOA、MPLS等。关键字： ATM IP交换 融合正文：随着信息技术的高速发展，人们已经快速地进入了信息时代，Internet遍布全球各个角落，已成为全球最大的公众数据网络。以IP协议为基础的Internet的迅猛发展，使得IP成为当前计算机网络应用环境的当然标准和开放式系统平台。带宽网络的发展方向是把先进的ATM交换技术和最普及的IP技术融合起来，因此产生了一系列新的交换技术，如IP交换、标签交换、ARIS、IPOA、LANE、MPOA、MPLS等。IP交换的本质都是通过IP进行选路，建立基于AMT面向连接的传输通道，将IP封装在ATM信元中，IP

3、分组以ATM信元形式在信道中传输和交换，从而使IP分组的转发速度提高到了交换的速度。根据IP与ATM融合方式的不同，其实现模式可分为两大类：重叠模型和集成模型。在重叠模型中，IP运行在ATM之上，IP选路和ATM选路相互独立，系统需要两种选路协议：IP选路协议和ATM选路协议。系统中的ATM端点具有两个地址：ATM地址和IP地址，并且具有地址解析功能，支持地址解析协议，以实现MAC地址与ATM地址或IP地址与ATM地址的映射。集成模型只使用IP地址和IP选路协议，不使用ATM地址和选路协议，即具有一套地址和一种选路协议，因此也不需要地址解析功能。集成模型需要另外的控制协议将三层的选路映射到二层

4、的直通交换上。集成模型通常也采用ATM交换结构，但它不使用ATM信令，而是采用比ATM信令简单的信令协议来完成连接的建立。重叠模型与集成模型的比较特性重叠模型集成模型地址二套（IP和ATM地址）一套（IP地址）选路协议IP和ATM选路协议IP选路协议地址解析功能需要不需要ATM信令需要不需要IP映射至直通连接专用协议不需要需要 IP交换技术产生的原因 IP实际上已经成为了网际互连事实上的标准协议，而几乎所有新的应用程序、以及现有的许多应用程序，都是在IP网络上编写并运行。IP在任何平台上都得到支持，已被证明是非常稳定、具有很强可扩展性的协议。目前，很多应用正在将对IP协议进行改进，IntSer

5、v (Integrated Service Architecture综合服务体系结构)就是这种改进之一，它能够使基于IP的网络支持实时服务，IntServ具有RSVP和流量控制。其中，RSVP是IP主机、路由器用来向网络发送QoS请求的信令协议；而IntServ流量控制运行于路由器中，为交付请求QoS提供路由器资源。有关RSVP/Intserv的实现，应考虑两个重要的方面:1)在数据路径中引入流分类和分组调度，要求路由器具有相当分组处理能力；2)如果路由器到路由器，或者是主机到路由器的数据链路不支持QoS(如以太网)，则RSVP/IntServ性能将大打折扣。 现今，通过IP网络发送音频和视频

6、流(如Real Audio、Internet Phone等)已经非常热门。实时传播协议(RTP)是一种新的应用层成帧协议（不是一种真正的传输协议），它能够使实时应用程序在IP网络上发送数据。多媒体流经过编码、封装处理后，形成RTP分组，通过UDP/IP在单点、多点广播会话中传输。因为，RTP分组具有定时、定序和负载标识信息，因此一旦开始几个帧到达，接收方就能开始“播放”多媒体流。RTP将是支持所有视频和音频编码(RFC1890)的标准，并将用于H.323视频会议以及多媒体服务器。其中，多媒体服务器和视频会议的将采用新的RTSP(实时发送协议)，通过RTCP(实时传输控制协议)为RTP提供反馈、

7、统计的附属控制协议。 Internet上出现的另外一项技术是IP多点广播，它能够使一个或多个发送者将分组发送给组地址，而不是单个主机。其中，那些希望参加某一特定组的接收者，需要将含有组地址的IGMP"加入消息”发送给最邻近的路由器，然后路由器使用多点广播路由协议(例如DVMRP、PIM等)建立从源到所有接收者的分发树。接收者在任何时候可以动态地参加或离开某个多点广播组。支持IP多点广播的应用包括：音频/视频会议、“push"技术(如股票行情、运动记分、广告)和虚拟现实游戏。 传统的基于TCP/IP的应用所引起的IP数据流量的大量增长，实时应用系统的产生以及商业上IP多点广播

8、应用的增加，就要求网络基础设施具备可伸缩的带宽、支持实时应用（QoS)服务、具备有效IP多点广播并能够与现有IP路由器的互操作的能力。 目前，市场上新问世的一些产品能够解决上述问题，即千兆位路由器。某些厂商也称之为第三层甚至第四层交换。实际上这些设备都是基于路由器的技术，只是采用Cache(高速缓存)和分布式路由转发表的技术，来提高路由器的处理能力。其实质还是按IP包转发，所以称之为千兆位路由器更为恰当。虽然有关千兆位路由器技术的研究还在继续，但是其设备的成本除了最富有的服务供应商外，一般用户难以承受。IP路由以及有关分组处理是否能够与基于ATM信息交换同样有效，这些都是未知数。 事实上，交换

9、能够满足上述所有要求，因此交换现在已是必不可少的部分。ATM交换技术还特别地支持以下特性:可伸缩的带宽，从T1至OC48和更高；多交通类别和QoS；基于硬件的多点广播；与基于帧交换的互操作性；高硬件价格和端口密度。本文所集中讨论的是基于ATM或其它第二层交换技术，并与IP应用充分融合的，真正意义上的IP交换技术。也就是说，以ATM的速度和多种服务功能来运载灵活的IP数据流的新技术。 因为IP现在及将来都是主要的网络协议，并且ATM具有IP发展所需要的基本服务，所以研制使IP路由/转发能够发挥ATM交换优势的解决方案是绝对有意义的。IP交换技术原理 分组交换和数据报交换一样。也采用存储转发方式，

10、但不像数据报交换是以整个数据报为单位进行传输，而是将用户要发送的数据报分割为定长的一个个数据分组（包），并附上目的地址（或标记），按顺序送分组交换网发送，分组交换可以采用两种不同方式来处理这些分组。（1）报文传输分组交换报文传输分组交换与报文交换相似，只是将每一分组都当成一个小报文来独立处理，故报文传输分组交换中每个分组均带有目的地址。网络节点设备对每个分组都要根据网络拓扑和链路负荷情况进行路由选择，因链路负荷是动态的，故一个数据报所包含的各分组，可能通过不同途径到达目的地，分组到达终端的顺序也有可能被打乱，这时要求目的节点或终端负责将分组重新排序、组装为报文。（2）虚（逻辑）电路传输分组交换

11、虚电路传输分组交换要求在发送某一群分组前，建立一条双方终端间的虚电路。一旦虚电路建立后，属同一数据报的所有分组均沿这条虚电路传输，通信结束后拆除该虚电路。通过拨号建立的虚电路称为交换型虚电路（SVC）；固定连接的虚电路则称为永久型虚电路（PVC）。虚电路传输分组交换类似电路交换，虚电路传输分组交换通过节点交换机将一段段虚链路连接起来形成一条收发终端间的虚电路。虚电路的“虚”字意味着只有传送分组时才占有物理电路，不传时则让给别的用户使用。这样在一条物理电路上用统计复用方式可同时建立若干条虚电路，提高了线路的利用率。电路交换与虚电路交换十分相似，都需要在通信前建立一条端到端的物理电路或虚电路，结束

12、通信后拆除这条电路，这种交换方式称为面向连接的交换方式。面向连接的交换方式往往需要在相关连的一群分组头上附加一个标记，节点设备根据该标记进行交换接续。在报文交换与报文传输分组交换中，交换途经的每个节点需要根据数据报或分组的目的地址重新寻找最佳路由，通信双方在端对端之间并不存在物理或逻辑上的连接。因此也常将报文交换和报文传输分组交换称为面向非连接的交换方式。为了与面向连接的节点交换设备相区别，一般将面向无连接的节点设备称为路由器。IP技术和ATM技术各有优缺点，如果将两者结合起来，即将IP路由的灵活性和ATM交换的高速性结合起来，技术互补，将有效解决网络发展过程中困扰人们的诸多问题。为此，业界内

13、的一些大公司、研究机构纷纷提出了许多IP与ATM融合的新技术，如Ipsilon公司提出的IP交换（IP switch），LANE(局域网仿真技术)、MPOA(ATM上的多种协议技术)、MPOA(ATM上的多种协议技术)、MPLS(多协议标记交换)等。现对这几种流行技术进行简单的介绍：1.LANE(局域网仿真技术)ATM论坛定义的局域网仿真(LANE)技术为在ATM网络上传送现有的LAN协议创造了条件。采用ATM局域网仿真技术时，对原局域网用户来说，ATM交换网络的各种功能(如呼叫建立、信元拆装等)都是透明的，原局域网终端的硬件和软件系统不需做任何改动，即可利用ATM网络提供的高速直达数据链路传

14、送LAN协议包。由ATM层替代传统LAN的MAC子层，成为物理层和逻辑链路之间的一层，因此局域网逻辑链路层以上的软件可以不做任何改动。LANE可以支持任何局域网的高层协议(如IP,IPX等)。LANE的服务体系是基于CLIENT/SERVER的查询和响应模型。在一个仿真的局域网络(ELAN)中，需要配置局域网仿真客户机(LEC)、局域网仿真配置服务器(LECS)、局域网仿真服务器(LES)和广播/未知服务器(BUS)。LEC是所仿真的局域网的端系统，它向现有局域网提供MAC层的服务接口，代理原局域网中的所有终端向ATM网络传输数据，完成地址解析，实现整个ELAN中的所有终端间的通信。LECS负

15、责保存仿真局域网中的局域网仿真客户机(LEC)配置信息，并向新安装的LEC发送LES的ATM地址，每个管理域只有一个LECS，它可为一个或多个仿真局域网(ELAN)提供服务。LES负责实现MAC地址与ATM地址的映射功能，每个ELAN只有一个LES，每个LES有一个专有的ATM地址来标识。BUS负责处理广播及未知的MAC地址，在仿真局域网内提供广播和组播传送功能。LEC是如何与LES进行通信完成地址解析并把用户数据通过ATM数据直达链路传送给另一个真地址解析协议(LE-ARP)请求，询问收端的ATM地址。如果收端已在LES上注册，则LES就在LE-ARP应答中将收端ATM地址返回给发ARP请求

16、转发给ELAN上的所有LEC，收端LEC收到该请求后，就在LE-ARP应答中将自己的ATM地址返回给LES，再由LES返回就通过ATMSVC呼叫建立到收端的虚连接，并在其上进行数据传送。LANE对局域网从MAC层进行仿真，屏蔽了网络层以及其上的高层协议，从而使ATM网络可以支持多种协议的传送。这既是它的优点，也是它的缺点。优点是为LAN用户的互连创造了便利条件，缺点是无法利用ATM的多业务及相应的特性，网络层的QOS(如IP协议中的RSVP)也无法对应到ATM交换结构中，同时由于最大帧大长度的限制，网络规模的扩展也受到限制;而且两个ELAN内的用户进行通信时要经过路由器，仍不能完全解决路由器瓶

17、颈问题;最后，一个ELAN目前只能同时仿真一种局域网，不能完成异种局域网的转换问题。2.MPOA(ATM上的多种协议技术)为了克服LANE和CIPOA的局限性，ATM论坛推出了ATM上的多协议规范(MPOA)。MPOA集成了LANE、CIPOA、NHRP和Mars规范的功能，同时还引入了虚拟路由器的概念。MPOA是一个功能强大的网络层路由解决方案，使任何具有MPOA功能的设备都可以和另一台设备通过ATM交换建立直接连接，不必再经过中间的路由器。这种直接跨越ATM网络建立直接连接的技术有时也称为“直通”或“零跳”路由。MPOA实际上采用了三种互补的技术来构成其基本功能：ATM论坛的局域网仿真(L

18、ANE)协议、IETF的下一跳解析协议(NHRP)以及虚拟路由器的概念。LANE是在ATM上仿真第二层的局域网技术，使得ATM透明于上层应用，是MPOA的一个内部组成部分，适用于子网内部的通信。NHRP提供了一种扩展的地址解析协议，是基于网络层的寻址技术，允许下一跳的客户在不同的逻辑子网间发送查询，从而允许子网间直接建立ATM连接，让确定的数据流不需使用中间的路由器。虚拟路由器是指将传统路由器的功能分离到网络中各个不同的组成部分中去，也就是说，将网络中一系列设备集合共同完成传统路由器在网络中的功能，从而降低了成本，提高了效率。MPOA标准模型包括三个部分：边界设备、ATM直连主机和路由服务器。

19、边界设备使用网络层和MAC层目的地址在传统的局域网与ATM接口间传送数据包，以使传统的局域网能够通过ATM进行高效传输。ATM直连主机具有能够实现多协议信息传输标准功能的ATM网络接口卡，它允许ATM直连主机的相互通信，并允许ATM直连主机通过边界设备与传统局域网进行通信。路由服务器是一组功能的集合体，它既可由作为单个产品实现，也可在现有路由器和交换机中构建，它使用某些路由协议算法和构造响应MPOA系统的请求。它完成网络层对ATM层地址的映射，对未知的服务器的多路广播以及对网络层、MAC层和ATM地址的维护功能。MPOA系统规定了具体实现某种功能的逻辑组成部件：MPOA客户(MPC)和MPOA

20、服务器(MPS)，它们可以在不同的硬件配置上实现。MPC检测通信流，一旦发现就请求MPS为其提供收端的ATM地址，得到该地址后通过SVC呼叫建立到收端的ATM连接，并在其上传送数据;MPS负责维护本地的网络层、MAC层和ATM地址信息以及路由表，MPS处理来自MPC的址解析请求并作出应答，MPS之间通过NHRP进行联络，以解决跨子网的地址解析问题。MPOA的实质是虚拟路由技术，即使用边界设备完成大部分交换功能，使用路由服务器建立路由表，为边界设备提供路由。它的优点是不仅能在一个子网内建立ATM虚通道连接，而且能够在不同的子网间建立直接的ATM虚通道连接，跨子网的通信不再经过路由器，解决了路由器

21、瓶颈问题。缺点是系统结构比较复杂，具体实现比较困难。缺点是系统结构比较复杂，具体实现比较困难，而且仍存在一些问题需要解决，如基于NHRP协议的地址解析响应时间延迟较大等。3.IP交换(IP Switch)IP交换是Ipsilon公司提出的专门用于在ATM网络上传送IP分组的技术，它克服了CIPOA的一些缺陷，如在子网之间必须使用传统的路由器，提高了在ATM上传送IP分组的效率。IP交换机由ATM交换机、IP交换控制器组成，IP交换控制器主要由路由软件和控制软件组成，ATM交换机的一个ATM接口与IP交换控制器的ATM接口相连，用于控制信号和用户数据的传送。在ATM交换机与IP交换控制器之间使用

22、控制协议为RFC1987通用交换机管理协议(GSMP)，在IP交换机之间使用的协议是RFC1953Ipsilon流管理协议(IFMP)。GSMP是一个多用途的协议，使得IP交换控制器能对ATM交换机进行控制，完成直接ATM交换。它将IP交换控制器设置为主控制器，而把ATM交换机设置为从属被控设备，IP交换控制器利用该协议向ATM交换机发出各种要求，如：建立和释放经过ATM交换机的虚连接，在点到多点连接中增加或删除端点，进行配置信息查询等。IFMP用于在相邻的IP交换机控制器、IP交换网关或支持IFMP的网络接口卡之间的控制数据传送，以便把现有网络或主机接入IP交换网中或实现相应的控制功能。IP

23、交换网络将用户数据流分为两类：持续时间长、业务量大的用户数据流(如FTP数据、HTTP数据、多媒体音频、视频数据等)和持续时间短、业务量小、呈突发分布的用户数据流(如DNS查询、SMTP数据、SNMP查询等)，对不同类型的流进行不同的处理。IP交换机的工作过程如下：(1)IP交换机的ATM输入端口从上游节点接收输入业务流，并把这些业务流送往IP交换机控制器中的路由软件进行处理。IP交换机控制器根据输入业务流的TCP或UDP信头中的端口号码进行流分类。持续时间长、业务量大的用户数据流在ATM交换机硬件中直接进行交换;持续时间短、业务量小、呈突发分布的用户数据流通过IP交换控制器中的IP路由软件进

24、行传输，即与传统路由器一样，也是一跳接一跳(hopbyhop)进行存储转发传送。(2)一旦一个业务流被标识为直接ATM交换，IP交换控制器将要求上游节点把该业务流放在一条新的虚通道上。(3)如果上游节点同意建立虚通道，则该业务流就在这条虚通道上进行传送。(4)同时，下游节点也要求IP交换控制器为该业务流建立一条呼出的虚通道。(5)通过步骤(3)和(4)，该业务流被分离到特定的呼入虚通道和呼出虚通道上。(6)通过旁路路由，IP交换控制器指示ATM交换机完成直接交换。IP交换的实质是基于信息流的传输方案，它的特点是对于持续时间长，业务量大的用户数据流，利用ATM虚通道进行传输，因此传输时延小、容量

25、大;而对于持续时间短、业务量小，呈突发分布的用户数据流，使用IP路由软件进行传输，从而节省了建立ATM虚电路的开销，提高了传输效率。IP交换的缺点是只支持IP协议，同时它的效率有赖于具体的用户业务环境，对于大多数是持续时间长、业务量大的用户数据情况下，能获得较高的效率;但对于大多数是持续时间短、业务量小、呈突发分布的用户数据的情况下，IP交换的效率将大幅降低。4.标记交换(Tag Switching)标记交换是Cisco公司提出的一种多层交换技术，它把ATM第二层交换技术和第三层路由技术结合起来，能充分利用ATM的QOS特性、支持多种上层协议，是一种性能比较优越的IP和ATM结合技术。在标记交

26、换网络中，处于边缘的路由器将每个输入帧的第三层地址映射为简单的标记，然后把帧转化为打了标记的ATM信元;打了标记的信元被映射到虚通道上，在网络核心由ATM交换机进行标记交换，并使用路由器与交换机直连，用于保存标记信息，实现寻找第三层路由的功能;最后，目的地的边缘路由器去掉信元中的标记，把信元转换为帧并将其送往接收用户。在标记交换网络中的边缘路由器主要根据下列信息对IP包加上标记：(1)目的地址前缀：以路由表中的路由为基础，允许来自多个源地址的IP包向同一个目的地址发送时共享同一个标记，从而节省了标记资源。(2)边界路由：对标记交换系统的边缘路由器进行标记分配。在某些情况下，这种技术使用的标记比

27、使用目的地址前缀技术少。(3)业务量调节：使IP包沿着指定的且与路由算法选择的不同的路径流动，从而允许网络管理人员平衡中继线路上的负荷。(4)应用业务流：同时考虑IP包的源地址和目的地址，以提供对诸如QOS等特性更精确的控制。标记交换的关键在于采取基于拓扑结构的选路方式。它使用标记分配协议(TDP)与第三层路由协议，在标记交换网络的各设备间分发标纪信息，共同建立合适的直通路由。采用此种技术，使得只有在网络拓扑结构发生变化时，才需要使用TDP重新计算节点的标记，从而大幅度地了降低了整个网络的开销。标记交换的主要优点是：标记交换不依赖于路由过程中使用的特定网络层协议，因此标记交换技术支持不同的路由

28、协议(如OSPE、BGP、OSIISIS等)以及各种网络层协议(如IP、IPX等);标记交换还借助标准的多点广播协议，利用ATM交换机现有的广播硬件支持多点广播功能;另外，通过为不同的服务质量等级分配不同的标记，并在标记交换机中使用排队和缓冲机制加以控制，使得标记交换可以保证具有一定服务质量要求的用户数据的传送;在网络内部，标记交换机按照信元上的标记进行寻路，不再依赖于特定的第三层地址(如IP地址)，使得网络的分级组织容易实现，网络的扩展能力较强。标记交换技术实际上已将ATM交换机用作多协议路由器，从而形成了更加统一的网络模型并增加了网络间配置的共同性。标记交换虽然有很多优点，但由于标记交换是

29、Cisco的专有技术，要求网络中端到端都有Cisco的设备才能完成通信，推广使用受到了限制。5.MPLS(多协议标记交换)近来MPLS越来越引起人们的关注，人们普遍看好MPLS在广域网中的应用。作为一种ATM与IP相结合的技术，MPLS是在标记交换的基础上发展而来，并正成为集成技术的标准模型。目前，IETF已制定了MPLS标准草案。MPLS网络由核心部分的标签交换路由器(LSR)和边缘部分的标签边缘路由(LER组成)。LER位于ATM骨干网络的边缘并作为MPLS的入口/出口路由器。LER执行全部的第三层功能;运行标签分发协议(LDP)，实现标签的分配、绑定功能。LSR执行的标准交换可以看作AT

30、M交换机和传统路由器的结合，具有第三层转发分组和第二层交换分组的功能。MPLS的基本思想是采用标记交换的机理，是一种基于拓扑结构的选路机制，MPLS网络的工作过程一般包括以下4个步骤：(1)使用现有的路由协议，例如OSPF、IGRP等建立到终点网路的连接，同时使用LDP完成标签到终点网路的映射。(2)输入端LER接收到分组，完成第三层功能，并对分组进行标签粘贴。(3)LSR对带有标签的分组不再进行任何第三层处理，只依据分组上的标签进行交换。(4)由输出端的LER去掉标签，并传送分组给终端用户。要在MPLS中执行标记交换，第一步就先要进行标记分配和分发。MPLS规定采用下游标记分配，也就是标记是

31、沿着数据流传输的逆方向进行分配和分发。每个LSR本地分配输入标记，将标记分配给特定的FEC，然后将此绑定信息告知上游，作为上游节点的输出标记，即标记按下游至上游的方向分配和分发。标记分配是每个LSR随机自动生成的，每个LSR可以使用的标记一共有220个，其中015由系统保留，可分配的标记从16到1048575。上游(upstream)和下游(downstream)是根据数据流的流向而定的。一个分组由一个路由器发往另一个路由器时，发送方的路由器为上游路由器，接收方为下游路由器。RU和RD分别表示上游LSR和下游LSR。下游是路由的始发者。两个LSR之间利用标记分发协议LDP进行标记分发。标记分配

32、和标记分发主要有两种方式：1. 下游自主方式DU下游自主方式DU(Downstream Unsolicited)参见图6.7，每个LSR不需要上游请求即可主动为所选的FEC分配标记并周期地向上游分发，优点是分配速度快。2.下游按需方式DoD下游按需方式DoD(Downstream-on-Demand)参见图6.8，每个LSR只有在收到上游LSR发来的请求时才为该FEC分配标记并反馈给上游，优点是利于路由信息和标记绑定的同步。MPLS的主要特点是：MPLS在网络中的分组转发是基于定长标签，由此简化了转发机制，使得转发路由器容量很容易扩展;充分采用原有的IP路由，在此基础上加以改进，保证了MPLS网络路由的灵活性;采用ATM的高效传输变换方式，抛弃