现代交换工程(省电信研究院)

1、现代交换工程汪 斌 强国家数字交换系统工程技术研究中心（NDSC） 基础与概念 交换结构 排队技术 调度与拥塞控制 交换技术 高速交换网络的 工程实现 交换技术信息交互是21世纪人类经济与生活的基础通信的实质：信息交互信息消息信号信号消息信息传输媒介发送端接收端通信的任务：消息传递话音通信数据通信图象通信多媒体通信模拟通信数字通信无线通信有线通信光通信用户业务通信的任务：用户业务传输点点通信：单播单 工半 双 工全 双 工用户业务信源编码加密信道编码调制信 道调制信道译码解密信源译码用户业务点多点通信：广播单 工多点多点通信：通信网用户2用户1用户3用户K用户NMesh结构N（N 1）2交换用

2、户2用户1用户3用户K用户N交换结构N0131013100113131125 us125 us链路速率：2.048Mbps电路交换电路交换示意（由控存实现交换控制） 面向连接 用户特征由时隙号表示 服务质量高 资源利用率低分组交换分组交换示意（由转发表实现交换控制） 无连接，支持面向连接 用户特征由分组头表示 资源利用率高 确保服务质量困难头数据头数据头数据头数据头数据头数据头数据头数据虚电路交换虚电路交换示意（由路由选择表实现交换控制） 面向连接（虚连接） 用户特征由分组头表示 资源利用率高 服务质量高 控制协议太复杂 设备成本高头数据头数据头数据头数据虚电路头数据头数据高速交换模型时隙 时

3、隙 时隙 时隙 时隙 时隙 交换主要性能指标时隙 时隙 交换时延（S，S）吞吐率（）丢失率（）内部阻塞队头碰撞队头阻塞加速因子加速比12N交换网络规模（N）端口速率（R）负荷强度（）交换容量（V）端口容量（C）峰值交换能力（Cmax） 基础与概念 交换结构 排队技术 调度与拥塞控制 交换技术 高速交换网络的 工程实现 交换技术交换单元单级交换网络Batcher-Banyan 网络Shuffle多级交换网络Batcher-Banyan 网络（单路径）多级交换网络Clos 网络（多路径）Clos 网络Cross Bar交换结构交换单元交换网络空分时分单级多级共享存储器共享介质单路经多路经总线型环形

4、漏斗形交换Knockout扩充矩阵叠式交换Banyan网络Delta网络Clos网络MINs网络串并网络反馈网络交换结构（Switch Fabric）分类 基础与概念 交换结构 排队技术 调度与拥塞控制 交换技术 高速交换网络的 工程实现 交换技术输入排队策略实现简便队头阻塞输出排队策略交换结构内部要加速无队头阻塞共享存储排队策略全加速地址指针控制复杂存储和交换同时实现缓冲容量利用率高共享存储器 基础与概念 交换结构 排队技术 调度与拥塞控制 交换技术 高速交换网络的 工程实现 交换技术 循环轮询调度处理 处理单元为完整的IP分组 公平的输出带宽分配 确保每次轮询平均输出64 个字节的数据公平

5、调度 基于队列状态的累计补偿型循环轮询不定长包调度方法Round Robin Schedule（RRSsac）轮循调度机n个队头包长计数器输出控制输出控制输出控制1#2#n#优先级调度 交替循环轮询调度处理 处理单元为完整的IP分组 预置的输出带宽分配 确保每次轮询平均输出64 个字节（W64）的数据修正的加权差额轮循调度（MWDRR）高优先级队列组低优先级队列组 根据INTERNET网络的数据统计，我们按照IP包的长度L可将其分为N类： 如在当前网络环境下，可分为1. Class_0，具有最高优先级别，L64（字节）；2. Class_1, 具有次高优先级别，64 L 512（字节）；3.

6、Class_2, 具有次低优先级别，512 L 1024（字节）；4. Class_3，具有最低优先级别，L1024（字节）。拥塞丢弃策略门限1，门限2，门限n 可通过软件配置以n=4为例：拥塞丢弃策略门限1门限2门限3门限4丢弃Class_3丢弃Class_2 Class_3缓冲队列丢弃Class_1 Class_2Class_3丢弃Class_0Class_1 Class_2Class_3 基础与概念 交换结构 排队技术 调度与拥塞控制 交换技术 高速交换网络的 工程实现 交换技术传输网接入网接入网用户网络用户网络用户网络用户网络用户网络：特定业务，地域或部门范围受限接入网络：完成各用户网

7、络业务的交换、复接和综合传输网络：独立于业务的传输平台基本明确的网络结构提供承载业务提供业务成形提供用户业务CRCRCRUASUASUASUAS终端终端终端终端ERERERER用户业务平台接入交换平台骨干传输平台节点节点节点节点节点链路网络链路节点访问节点：线路控制器（LC），通信控制器（CC） 通信处理机（CP），前端处理机（FEP） 集中器（C），多路选择器（MUX） 服务器（Server）, 主机（Host），数据终端（T）分转节点：交换机（S），路由器（R）交换节点：数据驱动路由节点：拓扑驱动Web-ServerConstent-serveDatabaseVOD-ServerISP-S

8、erverI-TE通信网络：业务传送信息网络：业务传送+业务应用信息基础设施：通信设备+应用环境传输网接入网接入网用户网络用户网络用户网络用户网络通信协议分层结构（1）控制平面用户平面管理平面面 管 理层 管 理物 理 层链 路 层网 络 层传 输 层会 晤 层表 示 层应 用 层会 晤 层表 示 层应 用 层用户平面：用户业务传输与处理控制平面：信令业务传输与处理管理平面：分层结构模型看：层管理和面管理实际应用角度看：网元管理和网络管理网管的五大功能：安全管理配置管理性能管理故障管理计费管理通信协议分层结构（2）物 理 层链 路 层网 络 层传 输 层会 晤 层表 示 层应 用 层低层高层利

9、用传输、交换及路由提供通信网络服务利用通信网络服务提供用户终端业务网络实现终端实现通信过程分层结构（1）网间互通设备端点节点会晤层：应用进程会晤层：应用进程网络链路传输链路ABCABC端协议端口端点点节点节点协议端口逻辑链路业务链路传输层：主机传输层：主机网络层：网络网络层：网络数据链路层数据链路层通信过程分层结构（2）ATM网络总体结构信元结构GFCVPIVPICLPVCIVCIVCIPTHECPayloadVPIVPICLPVCIVCIVCIPTHECPayload5B信元头 + 48B负荷 = 53B信元用户网络接口（UNI）网络节点接口（NNI） 高层 高层 ATM适配层（AAL层）

10、ATM层 物理层控制平面用户平面管理平面层 管 理面 管 理协议参考模型（1）AAL层物理层ATM层AAL层物理层ATM层物理层ATM层ATM端系统ATM端系统ATM交换系统物理媒介协议参考模型（2）会聚功能，即将高层来的业务数据变换成CS数据单元业务特定的会聚子层（SSCS）公共部分会聚子层 （CPCS） 层 管 理CS高 层PMSARAALATMTC物 理 层高层功能 分段与组装，完成CS数据单元和ATM信元之间的转换 流量普控信头的产生 / 提取信元VPI / VCI转换信元的复用与分接 信元速率解耦 HEC序列的产生 / 校验信元定界传输帧的适配传输帧的产生 / 恢复比特定时物理媒体A

11、TM网络的业务A级固定比特率（CBR）面向连接的业务利用AAL1/AAL2适配如非压缩的话音或视频B级可变比特率（VBR）面向连接的业务利用AAL2适配如压缩的话音或视频C级面向连接的数据业务利用AAL3/4适配D级无连接的数据业务利用AAL5适配信元传输链路结构物理传输链路（LINK）虚通道（VP）虚通道（VP）虚电路（VC）虚电路（VC）信元VPI指示所属于的VP，信元VCI指示所属于的VC。ATM网络的连接永久虚通道（通路）连接（PVPC）永久虚电路（信道）连接（PVCC）交换虚通道连接（SVPC）交换虚电路连接（SVCC）VCCVC链路VP链路VPCVCC端点VCC端点VPC端点VPC

12、端点VPI-0/VCI-1 VCI-2 VPI-4/VCI-3 VPI-1 VPI-2 VPI-3 只需实现VP交换既要实现VP交换，也要实现VC交换B-D6/7ADBCA-C1/4A-C2/5A-C8/4A-C7/4A-C6/4A-C7/6A-C9/4B-D2/5B-D3/6B-D8/5B-D7/5B-D3/6B-D6/5VPCATM网络的连接示例VP交换和VC交换VP交换VC交换VCI-1VCI-2VCI-1VCI-2VPI-1VPI-2VPI-3VPI-4VPI-5VCI-1VCI-2VCI-3VCI-4ATM交换原理 路由选择控制ATM 交换结构ICICICOCOCOC1281284

13、/ 55 / 64 / 53 / 65 / 54 / 7R2R8R14 / 75 / 53 / 6路 由 选 择 表输入端口号输入VPI/VCI输出VPI/VCI输出端口号内部交换路由标签1282814 / 55 / 64 / 53 / 65 / 54 / 7R2R8R1网络1子网1子网2子网3IP网络的体系网络2子网1子网2子网3默认网关/指派路由器DR边界路由器子网内路由器IP网络的域名、IP地址和物理地址物理网络1主机A路由器1物理网络2路由器2DNS主机B主机A域名主机A IP地址主机A物理网络1地址IP地址物理网络1地址IP地址物理网络2地址IP地址物理网络2地址主机B域名主机B I

14、P地址主机A主机B进行域名解析得到主机B的IP地址；将IP包放入物理网络1的物理帧中送至路由器1；路由器1经路由选择将IP包通过物理网络2送至路由器2；路由器2经路由选择将IP包送至主机B。IP网络的分层协议结构L3：路由功能，网络拓扑驱动L2：交换功能，数据流驱动应 用 层数据链路层物 理 层传输层（TCP/UDP）网络层（IP）应 用 层数据链路层物 理 层传输层（TCP/UDP）网络层（IP）数据链路层物 理 层网络层（IP）L2L3物理网络1物理网络2主 机 主 机 路由器 IP分组格式版本4b头长4b业务类型8b标识符16b总长度16b标志3b分段偏移量13b生存时间8b协议8b头校

15、验和16b源地址32b目的地址32b选项域和填充域（变长）负荷域（变长）关于路由器 选路：由路由协议得到路由表 转发：根据路由表转发IP分组路由器的两大功能：路由器实现的技术路线： 存贮转发：由软件实现转发（低端路由器） 线速转发：由硬件实现转发（高端路由器）关于路由协议 RIP：距离矢量路由算法，适用于子网或小规模网络内 OSPF：链路状态通告路由算法，适用于子网或大规模网络内 BGP：对等通告路由聚合算法，适用于网络间2# 端口转发模块5G100M外部线路接口K# 端口转发模块1# 端口转发模块中 央 处 理 单 元光 总 线 交 换 单 元内 部 通 信 单 元以太网交换机或LAN光功率

16、分配网络或OXC或SDH传输网络5G5G100M100M1000M外部线路接口外部线路接口1个2.5G POS接口2-4个155M POS接口2个1000M LAN接口8-16个100M LAN接口SR 880原理结构 协议处理单元端口交换模块输入交换模块输出交换模块端口处理模块单元控制模块内部通信模块端口处理模块路由单元端口交换模块输入交换模块输出交换模块端口处理模块单元控制模块内部通信模块端口处理模块路由单元端口交换模块输入交换模块输出交换模块端口处理模块单元控制模块内部通信模块端口处理模块路由单元SR1880原理结构 系 统 级 数 据 总 线系 统 级 控 制 总 线SR1880物理结

17、构 目前技术水平： N = 1 8 系统吞吐率为： 0.16 1.28Tbps 峰值交换能力： 0.3 2.4Tbps机框（路由单元）机匣功能板1路由单元2路由单元N路由单元机框互连单元数据总线控制总线时钟系统数据总线系统控制总线系统时钟单元数据总线单元控制总线单元时钟带状光缆/差分带缆5类线同轴线路由单元机架主控单元机架系统时钟模块单元控制模块100M接口模块2.5G POS接口模块155M POS接口模块端口交换模块1000M接口模块系统图形化网管导入界面系统图形化网管用户管理界面SR1880系统对一体化网管的支持系统图形化系统配置管理界面系统图形化系统告警管理界面系统图形化系统性能管理数

18、据界面系统图形化系统性能管理曲线界面SR1880系统对一体化网管的支持MPLS概念的提出（1） ATM面向连接的交换技术（L2） Ipsion提出IP交换 I P无连接的路由技术（L3） 路由交换技术（L2.5） Cisco提出标签（TAG）交换 Cisco、IBM、Bay和Cascade提出MPLSMPLS概念的提出（2） Ipsion提出的IP交换IP交换控制器ATM交换机GSMP通用交换机管理协议IFMPIFMPIpsion流管理协议持续期长、业务量大的数据流通过IFMP建立的直接通路经ATM交换处理持续期短、业务量小、呈突发分布的数据流仍然经三层路由转发MPLS概念的提出（3） Cis

19、co提出的TAG交换网络1网络N网络N-1网络i网络2边缘标签交换路由器标签交换路由器标签交换网络MPLS概念的提出（4） IEFT推荐的MPLSMPLS域 LER LER LER LER LER LER LSR LSR LSR路由器路由器路由器路由器ATM交换机ATM交换机用FEC（转发等效类）表示流用LSP（标记交换通路）表示路径LSR（标记交换路由器）仅实现路由和标记交换功能LER（边缘标记路由器）除实现路由和标记交换功能外， 还要实现业务流到FEC的映射MPLS系统工作原理示意入标记出标记目的子网号操作出口无4P1压入1无6P2压入1入标记出标记操作出口470691弹出/压入弹出/压入

20、LER1 下一跳标记转发条目LSR下一跳标记转发条目LER1LSRLERLERRRP1 数据P1 数据4 P1 数据7 P1 数据P2 数据6 P2 数据9 P2 数据110MPLS标记的封装格式建议 Label COS S TTL 4BLabel：标签，20bCOS：服务等级，3bS：标记栈的栈底标识，1bTTL：标记项的生存期，8bMPLS分层结构标记栈LERLSRLSRLSRLSRLSRLERL1 P1 数据L1 P1 数据l1L1 P1 数据l2L1 P1 数据l3L1 P1 数据l4L2 P1 数据MPLS子域在IP网络中实现MPLS版本4b头长4b业务类型8b标识符16b总长度16

21、b标志3b分段偏移量13b生存时间8b协议8b头校验和16b源地址32b目的地址32b选项域和填充域（变长）负荷域（变长） Label 1 COS S TTL Label n COS S TTL在ATM网络中实现MPLS标记栈AAL5数据AAL5尾48B48B48B信元头中，VPI/VCI域携带顶层标记MPLS的最主要优点VPN（虚拟专用网）QOS（服务质量）TM（流量管理） 基础与概念 交换结构 排队技术 调度与拥塞控制 交换技术 高速交换网络的 工程实现 交换技术Cross-BarSARSARSARSARCSIX44/ 88基于Cross-Bar的交换网络一般结构基于Cross-Bar的交换网络实际实现Cross-BarCS