現代通信網(wǎng)中的多層交換技術(shù)

顧華璽 2003/12/08

　　關(guān)鍵詞：電路交換；分組交換；多層交換技術(shù)

1 引言

　　通信中交換的要領(lǐng)源于電話(huà)交換。從通信資源分配的角度來(lái)看，交換就是按照某種方式動(dòng)態(tài)地分配傳輸線(xiàn)路資源的一種運作。當然，這也是一門(mén)技術(shù)，稱(chēng)之為交換技術(shù)。交換技術(shù)可以說(shuō)是新網(wǎng)絡(luò )時(shí)代的核心，具有強大的尋址能力，不僅解決了網(wǎng)絡(luò )智能化的問(wèn)題，也促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展。特別是隨著(zhù)Internet網(wǎng)絡(luò )規模的不斷擴大和業(yè)務(wù)量的迅速增長(cháng)，傳統的路由器轉發(fā)的方式已成為網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的瓶頸而多層交換技術(shù)也就顯示出了新的生命力。因此，各類(lèi)經(jīng)營(yíng)機構都在迫不及待地追趕潮流，試圖將多層交換技術(shù)滲透到各個(gè)應用領(lǐng)域，各種交換技術(shù)層出不窮，例如，第三層交換、第四層交換、標記交換等等。因此本文首先對傳統的交換技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹，然后對各層所用到的交換技術(shù)進(jìn)行較詳細的討論。

2 傳統的交換方式

2.1 傳統的電路交換方式

　　電路交換（CS:Circuit Switching）是最早出現的一種交換方式，電話(huà)交換就是CS方式的一個(gè)典型應用。CS是一種實(shí)時(shí)交換的技術(shù)，在雙方通信前需要建立專(zhuān)用的物理鏈接通路，如果沒(méi)有空閑的鏈接通路，通信就不能進(jìn)行，待通信結束后，還需要根據信令將這條通路拆除。CS所分配的帶寬是固定的，在連接建立后，即使無(wú)信息傳送也要占用信道帶寬，所以電路利用率比較低。但CS的最大優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好，十分適用于電話(huà)交換。

2.2 傳統的數據交換方式

　　由于CS存在著(zhù)一定的缺陷，對于數據通信來(lái)說(shuō)，就又出現了存儲轉發(fā)式的報文交換和分組交換兩種方式。當然，存儲轉發(fā)式的分組交換（簡(jiǎn)稱(chēng)分組交換）是一種可取的交換方式。

　　存儲轉發(fā)式的報文交換，與CS的原理不同，不需要給通信雙方提供一條物理鏈接，只是將所接收到的報文暫時(shí)貯存起來(lái)，然后根據收文中的目的地址信息來(lái)選擇接收節點(diǎn)，向接收節點(diǎn)傳輸。由于采用接力傳送的方式，任何時(shí)刻都只占節點(diǎn)間的一條鏈路，因而效率較高，但存在著(zhù)時(shí)延過(guò)大的問(wèn)題。公用電信網(wǎng)中的電報自動(dòng)交換即是報文交換的即是報文交換的典型應用。

　　分組交換與存儲轉發(fā)式的報文交換不同，需要將用戶(hù)要傳送的信息分割成若干個(gè)組（packet），并為其附上分組頭，分組頭中含有地址或其它控制信息。分組交換可以提供兩種服務(wù)方式，即數據報（Datagram）和虛電路（VC:Virtual Circuit）方式。

　　在數據報分組交換的網(wǎng)絡(luò )中，每個(gè)分組獨立地選擇路由，不需要預先建立邏輯鏈接，所以連續的分組可能會(huì )經(jīng)過(guò)不同的鏈路進(jìn)行傳送。而在虛電路分組網(wǎng)絡(luò )中，需要在數據傳輸前的呼叫建立階段，選擇一條固定的虛電路（VC），一旦VC建立，屬于這一呼叫數據分組均沿著(zhù)這條虛電路進(jìn)行傳送，最后清除分組并將虛電路拆除。

　　虛電路只是邏輯鏈接，不同于電路交換中的物理鏈接，虛電路并不獨立占用線(xiàn)路，在一條物理鏈路上可以建立多個(gè)虛電路，以達到資源共享。虛電路實(shí)際上是數據報交換和電路交換的一種折衷方案。

　　還有值得一提的是快速分組交換（FPS:Fast Packet Switching），可以理解為采用了盡量簡(jiǎn)化的協(xié)議。FPS只具有核心網(wǎng)絡(luò )的功能，可以提供高速、高吞吐量、低遲延的交換，ATM交換就是其中的一種應用。FPS屬于固定長(cháng)度信元繼的范疇，便于用硬件來(lái)實(shí)現，鏈路的效率也比較提高。

3 多層交換技術(shù)

　　 國際標準化組織（ISO）提出的開(kāi)放系統互連參考模型（OSI-RM）的下四層（物理層、數據鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層）為通信層，因此可以最底層逐一分析：

　　（1）第一層

　　為物理層，傳統的電路交換就屬于這一層。

　　（2）第二層

　　為數據鏈路層，從傳統意義上講，真正的交換即是屬于這一層。在這一層中采用了基于硬件的轉發(fā)機制，能夠轉發(fā)各種數據鏈路層的協(xié)議，包括局域網(wǎng)（LAN）中的以太網(wǎng)和高速令牌環(huán)網(wǎng)（FD-DI）以及廣域網(wǎng)（WAN）中通過(guò)VC交換的幀中繼（FR）和異步轉移模式（ATM）等，經(jīng)典的LAN多端口網(wǎng)橋也屬于這一層。該層支持簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )分段，并能令網(wǎng)絡(luò )性能有明顯的改善。這第二層交換的流行，帶支了第三層和第四層交換的發(fā)展。

　　（3）第三層

　　是網(wǎng)絡(luò )層，主要的任務(wù)是為分組尋找合適的路由。傳統的路由器由于使用軟件和通用的CPU來(lái)實(shí)現對數據報的轉發(fā)，因而延遲比較大，轉發(fā)的速度也比較慢，而第三層交換正是針對這個(gè)問(wèn)題提出的。所謂第三層交換并非只使用第三層的功能，而是把第三層的路由選擇與第二層的交換功能結合了起來(lái)，實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )的快速分組。相應地，第三層交換機的目標也在于要兼備兩個(gè)特征，并通常采用專(zhuān)用集成電路（ASIC:Supplication Specific Integrated Circuit）將常用的軟件功能固化在硬件這中，形成完備的路由器的子集。在未來(lái)的第三層交換機中還將具備更多的功能，成為功能更加完備的路由器。例如，除了具有轉發(fā)的功能外，還將具備自動(dòng)劃分數據流等級及服務(wù)等級的功能，以及提供某種形式的QoS等等，這將是第三層交換機的另一個(gè)重要特征。

　　從20世紀90年代中期起，世界上各大公司都紛紛對第三層交換進(jìn)行研究，并提出了許多不同的方案，推出了許多產(chǎn)品。比較有影響的有：Cisco公司的標記交換（TAG Swiching）,Ipsilon公司的IP交換，東芝公司的信元交換路由器（CSR:Cell Switching Router）和IBM公司的ARIS（Aggregate Route based IP Switching），以及IETF的多協(xié)議標記交換（MPLS:Multi-Protocol Label Switching）等等。

　　TAG Switching是處于交換邊緣的路由器，將每個(gè)輸入幀的第三層地址映射為簡(jiǎn)單的標記，然后把有標記的幀轉化為ATM信元，再映射到VC上，在網(wǎng)絡(luò )核心ATM交換機進(jìn)行標記交換，由路由器保存標記信息表（路由表），用以尋找第三層路由。最后，將標記信元送到目的地路由器上，由目的地路由器去掉信息標記，把信元轉化成幀，送到最終的目的端。在這個(gè)過(guò)程中，通過(guò)交換標記（小的數據單元）和僅進(jìn)行一次簡(jiǎn)單的標記查詢(xún)就可提高轉發(fā)幀的性能。

　　IP交換技術(shù)是一種將第二層交換功能和第三層路由功能結合起來(lái)的技術(shù)，是多層交換的另一種類(lèi)型，與CSR相類(lèi)似，都是數據流驅動(dòng)IP交換的一種應用。就是說(shuō)它們可以根據獨立業(yè)務(wù)流到達的情況來(lái)安排交換機的資源，并通過(guò)標簽分配和把數據流映射成VC上的信令信息（IFMP和FANP），實(shí)現交換的過(guò)程。這些，都是獨立于單個(gè)IP數據流進(jìn)行的，保持了Internet模型的擴展性及在第三層按照逐級跳的方式對所有業(yè)務(wù)進(jìn)行轉發(fā)的形式，且引入了特定的控制協(xié)議，把IP數據流轉移到端到端的直通路徑。

　　ARIS是一種匯聚的基于通路的IP交換技術(shù)，基本的功能是按照匯聚的IP數據流的目的端建立、維護交換通路。ARIS利用選路協(xié)議的信息并把這些信息與網(wǎng)絡(luò )入口到出口的交換通路聯(lián)系起來(lái)，從而實(shí)現了上述功能。具體地說(shuō)：ARIS是運行在集成的交換機/路由器設備網(wǎng)絡(luò )上的控制協(xié)議，因ISR是支持IP選路的第二層交換機（如ATM），故ARIS可以利用選路協(xié)議中的信息（由OSPF，BGP）把IP分組映射到第二層交換通路上，通過(guò)ISR設備和網(wǎng)絡(luò )，成為第一種引入匯聚交換通路的IP交換機制。在多個(gè)不同的源端和同一目的端之間，ARIS可以建立多點(diǎn)到點(diǎn)的交換通路，進(jìn)而降低了交換機資源的消耗。

　　對于第三層交換技術(shù)，因各公司多采用自己的標準，相互間的連通比較困難。因此，IETF正在制定MPLS的標準，以將各公司第三層交換技術(shù)的標準統一起來(lái)。

　　MPLS是將第二層交換功能與第三層路由功能完善地結合在一起的一種技術(shù)，在IP路由和控制協(xié)議的基礎上，MPLS提供了面向連接的交換。其所以稱(chēng)之為多協(xié)議，是因為MPLS可以支持網(wǎng)絡(luò )層的各種協(xié)議，如IPv4、IPv6、IPX、CLNP等等，同時(shí)MPLS也支持第二層的各種協(xié)議，支持任何能夠在網(wǎng)絡(luò )層實(shí)體間傳送網(wǎng)絡(luò )層分組的第二層媒體，而并不針對某一種鏈路技術(shù)。MPLS以十分簡(jiǎn)潔的方式完成信息的傳送，且與TAG、ATM交換相類(lèi)似，引入了固定長(cháng)度的短標簽（Label）作為在MPLS網(wǎng)中進(jìn)行數據轉發(fā)的依據。

　　MPLS網(wǎng)絡(luò )由標簽交換路由器（LSR）和標簽邊緣路由器（LER）所組成，通過(guò)標簽分發(fā)協(xié)議（LDP）在LER和LSR之間對標簽進(jìn)行分發(fā)。就是說(shuō)，通常各個(gè)MPLS設備在運行第三層路由協(xié)議（如OSPF、BGP）時(shí)，會(huì )根據計算得到的路由來(lái)使用標簽分發(fā)協(xié)議，為信息流分配標簽，并建立數據傳送通道，即標簽交換路徑（LSP），因此當業(yè)務(wù)數據（IP分組，幀中繼幀或ATM信元）到達MPLS網(wǎng)絡(luò )邊緣的LER之后，LER就會(huì )首先根據某種原則將數據流和固定長(cháng)度的標簽對應起來(lái)。對應的原則不但考慮到數據流的目的地址信息，還考慮了有關(guān)QoS的信息，然后才為數據添加標簽。這樣，在以后的轉發(fā)過(guò)程中，LSR就只是根據數據流所攜帶的Label，以查表、交換的方式進(jìn)行轉發(fā)，當數據到達出口LER之后，LER將標簽去掉，恢復原數據流，按照原來(lái)的方式傳送數據。

　　總之，多服務(wù)、流分類(lèi)、通信量規劃、顯示路由、進(jìn)行不同等級的服務(wù)和IP QoS（以ATM為基礎的）等等，都是MPLS的關(guān)鍵特征。其目標就是要解決網(wǎng)絡(luò )擴展的問(wèn)題并能在同一基礎結構上提供多種網(wǎng)絡(luò )服務(wù)。隨著(zhù)MPLS的出現，在共享Internet上支持實(shí)時(shí)通信的虛擬專(zhuān)用網(wǎng)（VPN）也將在不長(cháng)的時(shí)間內成為現實(shí)。

　　（4）第四層

　　是傳輸層，擴展了第二、三層的交換并支持細粒度的網(wǎng)絡(luò )調整和對通信流優(yōu)先權的劃分，所使用的第四層信息，例如TCP/UDP應用程序的端口號，被用來(lái)作進(jìn)一步確定通信量的轉發(fā)方式。

　　第四層交換允許根據應用程序劃分通信數據的優(yōu)先權，因此管理人員能夠對某些特定的應用程序進(jìn)行限制，以將一定量的帶寬用于重要應用程序通信。從本質(zhì)上講，第四層交換提供了在網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現開(kāi)放系統聯(lián)合會(huì )（COS）所提出的方法。

5 結束語(yǔ)

　　最初交換的目標僅僅在于改善網(wǎng)絡(luò )的性能，而多層交換通過(guò)給網(wǎng)絡(luò )增加明顯的智能，超出了單純提升性能的初衷，特別是多層交換吸收了經(jīng)過(guò)驗證的一些技術(shù)的優(yōu)勢，為未來(lái)實(shí)現可擴展的解決方案——可預見(jiàn)的、可靠的、可擴展的網(wǎng)絡(luò )，奠定了堅實(shí)的基礎。

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