現(xiàn)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)源于電話交換。從通信資源分配的角度來看，交換就是按照某種方式動態(tài)地分配傳輸線路資源的一種運(yùn)作。當(dāng)然，這也是一門技術(shù)，稱之為交換技術(shù)。交換技術(shù)可以說是新網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的核心，具有強(qiáng)大的尋址能力，不僅解決了網(wǎng)絡(luò)智能化的問題，也促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。特別是隨著Internet網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和業(yè)務(wù)量的迅速增長，傳統(tǒng)的路由器轉(zhuǎn)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，各類經(jīng)營機(jī)構(gòu)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(yīng)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(biāo)記交換等等。因此本文首先對傳統(tǒng)的交換技術(shù)進(jìn)行簡要的介紹，然后對各層所用到的交換技術(shù)進(jìn)行較詳細(xì)的討論。

2 傳統(tǒng)的交換方式

2.1 傳統(tǒng)的電路交換方式

　　電路交換（CS:Circuit Switching）是最早出現(xiàn)的一種交換方式，電話交換就是CS方式的一個(gè)典型應(yīng)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用的物理鏈接通路，如果沒有空閑的鏈接通路，通信就不能進(jìn)行，待通信結(jié)束后，還需要根據(jù)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，十分適用于電話交換。

2.2 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換方式

　　由于CS存在著一定的缺陷，對于數(shù)據(jù)通信來說，就又出現(xiàn)了存儲轉(zhuǎn)發(fā)式的報(bào)文交換和分組交換兩種方式。當(dāng)然，存儲轉(zhuǎn)發(fā)式的分組交換（簡稱分組交換）是一種可取的交換方式。

　　存儲轉(zhuǎn)發(fā)式的報(bào)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(bào)文暫時(shí)貯存起來，然后根據(jù)收文中的目的地址信息來選擇接收節(jié)點(diǎn)，向接收節(jié)點(diǎn)傳輸。由于采用接力傳送的方式，任何時(shí)刻都只占節(jié)點(diǎn)間的一條鏈路，因而效率較高，但存在著時(shí)延過大的問題。公用電信網(wǎng)中的電報(bào)自動交換即是報(bào)文交換的即是報(bào)文交換的典型應(yīng)用。

　　分組交換與存儲轉(zhuǎn)發(fā)式的報(bào)文交換不同，需要將用戶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(shù)據(jù)報(bào)（Datagram）和虛電路（VC:Virtual Circuit）方式。

　　在數(shù)據(jù)報(bào)分組交換的網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)分組獨(dú)立地選擇路由，不需要預(yù)先建立邏輯鏈接，所以連續(xù)的分組可能會經(jīng)過不同的鏈路進(jìn)行傳送。而在虛電路分組網(wǎng)絡(luò)中，需要在數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分組均沿著這條虛電路進(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(dú)立占用線路，在一條物理鏈路上可以建立多個(gè)虛電路，以達(dá)到資源共享。虛電路實(shí)際上是數(shù)據(jù)報(bào)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(yīng)用。FPS屬于固定長度信元繼的范疇，便于用硬件來實(shí)現(xiàn)，鏈路的效率也比較提高。

3 多層交換技術(shù)

　　 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）提出的開放系統(tǒng)互連參考模型（OSI-RM）的下四層（物理層、數(shù)據(jù)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(tǒng)的電路交換就屬于這一層。

　�。�2）第二層

　　為數(shù)據(jù)鏈路層，從傳統(tǒng)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(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，能夠轉(zhuǎn)發(fā)各種數(shù)據(jù)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VC交換的幀中繼（FR）和異步轉(zhuǎn)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(tǒng)的路由器由于使用軟件和通用的CPU來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)報(bào)的轉(zhuǎn)發(fā)，因而延遲比較大，轉(zhuǎn)發(fā)的速度也比較慢，而第三層交換正是針對這個(gè)問題提出的。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(jié)合了起來，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的快速分組。相應(yīng)地，第三層交換機(jī)的目標(biāo)也在于要兼?zhèn)鋬蓚�(gè)特征，并通常采用專用集成電路（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。在未來的第三層交換機(jī)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(zhuǎn)發(fā)的功能外，還將具備自動劃分?jǐn)?shù)據(jù)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(jī)的另一個(gè)重要特征。

　　從20世紀(jì)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(biāo)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(biāo)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單的標(biāo)記，然后把有標(biāo)記的幀轉(zhuǎn)化為ATM信元，再映射到VC上，在網(wǎng)絡(luò)核心ATM交換機(jī)進(jìn)行標(biāo)記交換，由路由器保存標(biāo)記信息表（路由表），用以尋找第三層路由。最后，將標(biāo)記信元送到目的地路由器上，由目的地路由器去掉信息標(biāo)記，把信元轉(zhuǎn)化成幀，送到最終的目的端。在這個(gè)過程中，通過交換標(biāo)記（小的數(shù)據(jù)單元）和僅進(jìn)行一次簡單的標(biāo)記查詢就可提高轉(zhuǎn)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(jié)合起來的技術(shù)，是多層交換的另一種類型，與CSR相類似，都是數(shù)據(jù)流驅(qū)動IP交換的一種應(yīng)用。就是說它們可以根據(jù)獨(dú)立業(yè)務(wù)流到達(dá)的情況來安排交換機(jī)的資源，并通過標(biāo)簽分配和把數(shù)據(jù)流映射成VC上的信令信息（IFMP和FANP），實(shí)現(xiàn)交換的過程。這些，都是獨(dú)立于單個(gè)IP數(shù)據(jù)流進(jìn)行的，保持了Internet模型的擴(kuò)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(zhuǎn)發(fā)的形式，且引入了特定的控制協(xié)議，把IP數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)流的目的端建立、維護(hù)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，從而實(shí)現(xiàn)了上述功能。具體地說：ARIS是運(yùn)行在集成的交換機(jī)/路由器設(shè)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(jī)（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ISR設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)，成為第一種引入?yún)R聚交換通路的IP交換機(jī)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)，相互間的連通比較困難。因此，IETF正在制定MPLS的標(biāo)準(zhǔn)，以將各公司第三層交換技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一起來。

　　MPLS是將第二層交換功能與第三層路由功能完善地結(jié)合在一起的一種技術(shù)，在IP路由和控制協(xié)議的基礎(chǔ)上，MPLS提供了面向連接的交換。其所以稱之為多協(xié)議，是因?yàn)镸PLS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以十分簡潔的方式完成信息的傳送，且與TAG、ATM交換相類似，引入了固定長度的短標(biāo)簽（Label）作為在MPLS網(wǎng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的依據(jù)。

　　MPLS網(wǎng)絡(luò)由標(biāo)簽交換路由器（LSR）和標(biāo)簽邊緣路由器（LER）所組成，通過標(biāo)簽分發(fā)協(xié)議（LDP）在LER和LSR之間對標(biāo)簽進(jìn)行分發(fā)。就是說，通常各個(gè)MPLS設(shè)備在運(yùn)行第三層路由協(xié)議（如OSPF、BGP）時(shí)，會根據(jù)計(jì)算得到的路由來使用標(biāo)簽分發(fā)協(xié)議，為信息流分配標(biāo)簽，并建立數(shù)據(jù)傳送通道，即標(biāo)簽交換路徑（LSP），因此當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（IP分組，幀中繼幀或ATM信元）到達(dá)MPLS網(wǎng)絡(luò)邊緣的LER之后，LER就會首先根據(jù)某種原則將數(shù)據(jù)流和固定長度的標(biāo)簽對應(yīng)起來。對應(yīng)的原則不但考慮到數(shù)據(jù)流的目的地址信息，還考慮了有關(guān)QoS的信息，然后才為數(shù)據(jù)添加標(biāo)簽。這樣，在以后的轉(zhuǎn)發(fā)過程中，LSR就只是根據(jù)數(shù)據(jù)流所攜帶的Label，以查表、交換的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)出口LER之后，LER將標(biāo)簽去掉，恢復(fù)原數(shù)據(jù)流，按照原來的方式傳送數(shù)據(jù)。

　　總之，多服務(wù)、流分類、通信量規(guī)劃、顯示路由、進(jìn)行不同等級的服務(wù)和IP QoS（以ATM為基礎(chǔ)的）等等，都是MPLS的關(guān)鍵特征。其目標(biāo)就是要解決網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的問題并能在同一基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上提供多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。隨著MPLS的出現(xiàn)，在共享Internet上支持實(shí)時(shí)通信的虛擬專用網(wǎng)（VPN）也將在不長的時(shí)間內(nèi)成為現(xiàn)實(shí)。

　�。�4）第四層

　　是傳輸層，擴(kuò)展了第二、三層的交換并支持細(xì)粒度的網(wǎng)絡(luò)調(diào)整和對通信流優(yōu)先權(quán)的劃分，所使用的第四層信息，例如TCP/UDP應(yīng)用程序的端口號，被用來作進(jìn)一步確定通信量的轉(zhuǎn)發(fā)方式。

　　第四層交換允許根據(jù)應(yīng)用程序劃分通信數(shù)據(jù)的優(yōu)先權(quán)，因此管理人員能夠?qū)δ承┨囟ǖ膽?yīng)用程序進(jìn)行限制，以將一定量的帶寬用于重要應(yīng)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(xiàn)開放系統(tǒng)聯(lián)合會（COS）所提出的方法。

5 結(jié)束語

　　最初交換的目標(biāo)僅僅在于改善網(wǎng)絡(luò)的性能，而多層交換通過給網(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)過驗(yàn)證的一些技術(shù)的優(yōu)勢，為未來實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的解決方案——可預(yù)見的、可靠的、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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