宽带网络中的ip交换技术

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1、宽带网络中的I P 交换技术 北京广播学院信息工程学院金立标李鉴增 摘要：本文介绍了宽带网络中的I P 交换技术，从其基本组成，交换原理，Q O S 特性及其它方面进行了阐述。 信息化社会的发展，驱动了人们对更大带宽及业务的需求。例如，许多多媒体文件需要在I n t e r n e t 和I n t r a n e t 中传输，科学模型和各种图像文件的大小从百兆字节增加到千兆字节和万兆字节，远程医疗、远程教学、 会议电视等应用带来了大量的实时视频流。随着不断增长的业务需求和技术的进步，涌现了许多高速数据传 输技术，像I P 技术，A T M 技术，光通信技术等等有了高速的发展。各种网络技术发展

2、的动力源泉和方向在于必 须提供丰富的宽带业务，其中最具有代表性的骨干网络就是I P 与A T M 网络。 1I P 与A T M 1 1 I P 网的特点 l P 网是采用T C P I P 协议互连起来的网络。由于I P 网具有开放性的优点，可以利用各种不同类型的物理 网络，大大拓宽了其应用范围。由于它采用T C P I P 协议，与现存的绝大多数局域网相同，可以使这些局域网平 稳过渡，充分利用了现存的资源。此外，I P 网传输的是长度不一的I P 包，使网络的传输效率大大提高。 但是，传统I P 网也面临着一些问题： ( 1 ) 路由器采用的是软件交换，寻址速度低，不灵活，吞吐量小，运算复

3、杂，交换速度慢，造成网络的带宽资 源不足，骨干网的传送容量太小，用户接人速率太低，不适于传输图像和高速率的数据信号； ( 2 ) I P 包在沿途每一个路由器上都需排队和进行协议处理，使其传输时延增加，性能下降，不能满足实时 业务的要求； ( 3 ) 网络缺乏足够的流量控制和安全性能，不会检查被丢失的数据包，在主机资源不足时，还会丢弃某些 I P 包，不能保证端到端的服务质量Q O S 。 1 2 A T M 的特点 A T M 是作为广域网络骨干而设计的，目的是将数据、声音、视频信息综合到一个包含局域网和广域网的 A T M 网络中。A T M 是一种交换型的网络，全部带宽都可用；许多数据传

4、输技术则采用共享式介质，可能发生冲 突，带宽并不能充分利用。A T M 信元以固定的均匀分布的速率传送，时延较小，可用来传送数据和各种实时业 务；其它许多数据传输技术则因为其分组在发送过程中不可靠，且时间间隔不同，不适于传输实时的视频和音 频业务。A T M 为实时业务传送真实的Q O S ，而一些其它的网络技术只能取得一些A T MQ O S 特性。但是A T M 的 成本较高，不能利用现存的巨大的局域网资源。 由此可见，I P 网和A T M 网是两种最主要的网络，具有不同的特点。如何使它们的优势互补，既发挥T C P I P 协议的开放性和应用的广泛性，又利用了A T M 速度快、容量大

5、和可以支撑多种业务的能力，是人们迫切希望解决 的问题。I PO v e rA T M ，利用A T M 技术来承载I P 信号，正是想把两者的优点结合起来，利用A T M 交换机来更有效 地传送I P 业务。I P 交换技术是I PO v e rA T M 的主要技术之一，并在一些其它技术中得到了广泛的应用。 2I P 交换技术 I P 交换( I PS w i t c h ) 是I p s i l o n 公司( 现已被诺基亚公司收购) 的解决方案，是一种高效的I PO v e rA T M 技 2 0 0 1 年中国有线电视论坛 1 3 1 口 c 有线电视扩展业务与增值业务 术。它把完整

6、的I P 路由选择功能和高速交换技术相结合，使I P 路由选择能适应业务量增长的需要和更高数据 链路技术的要求，提高了整个系统的吞吐量。它只检查每个通信的第一个或前几个分组，为后续分组建立起虚 通道，以能更快地传输。它能够利用现有的路由选择协议，动态控制分组的发送，同时利用高性能的交换机作 为分组发送的引擎，使I P 的发送性能成倍增加。 I P 交换的核心设备是I P 交换机，它可以在两种方式下动态地切换：一是通过一级一级无连接的I P 路由选 择发送分组；二是通过高吞吐量的交换硬件发送分组。由于它把路由选择速度变为交换速度，可缓解传统路由 器存在的低速路由瓶颈问题。 2 1 基本组成 在I

7、 P 交换中，把A T M 交换与智能I P 路由相结合，组成其核心设备I P 交换机，能够提供比传统路由器更 高的性能，比A T M 交换机更低的价格。I P 交换机采用分布式选路的结构，在路由器中加入纵横式背板，用硬件 A S I C 电路来实现包的转发，可将路由器的包转发速度提高到它在导线中传送的速度。这种线速路由器一般称 之为路由交换机或交换路由器。 I P 交换机主要由一个高速的交换矩阵和一个交换机控制器组成。其中交换机控制器主要由路由软件和控 制软件组成，其主要任务是运行所有路由计算功能，并控制相关的交换矩阵，而只发送较小比例的分组。大部 分分组由交换矩阵发送。交换矩阵的一个A T

8、 M 接口与I P 交换机控制器的A T M 接口相连接，用于控制信号和 用户数据的传送。在系统启动时，每一个I P 节点建立一条A T M 虚拟通道，作为其隐含转发通道。I P 交换机的 A T M 输入端口接收来自上行设备隐含通道的信息，并传送至I P 交换控制器的智能交换软件。现有网络设备的 I P 数据则流向上行主机、边界路由器或者I P 交换网关。 I P 交换机的软件控制结构如图t 所示。 I P 路甫软件 I I T K t l P 1r1r I F M P n 1 Q 咬脚 。 G S M P G S M P 图1I P 交换机 I P 交换机控制器采用的控制协议是通用交换机管

9、理协议G S M P ( G e n e r a lS w i t c hM a n a g e m e n tP r o t o c 0 1 ) ，允 许它完全控制交换矩阵的功能，完成I P 的直接交换。I P 交换机之间传送数据，则采用I p s i l o n 公司的流量管理 协议I F M P ( I PF 1 0 wM a n a g e m e n tP r o t o c 0 1 ) 。利用I F M P 将现有的网络( 例如以太网、令牌环网和F D D I 等) 接入到 I P 交换网。 I P 交换技术采用交换矩阵作为背板，使其提供的汇聚吞吐量远远大于传统的总线背板。这种交换

10、矩阵可 以是A T M 的交换矩阵、帧中继的交换矩阵和局域网交换机的交换矩阵。因此，I P 交换技术可用于A T M 、帧中继 和局域网的交换机。I P 交换结构在不同类型交换机中的区别仅是从3 2 位流量标记到专门的第二层交换技术 ( 如A T M 的V P I V C I 、帧中继的D L C I 、以太网的目的M A C 地址等) 的映射。 I P 交换机可以动态地在两种方式下切换：一是通过一级级无连接的I P 路由选择发送分组；二是通过高 吞吐量的交换硬件发送分组。 2 。2 数据业务流的分类和处理 所谓数据业务流是从A T M 交换机输入端口输入的I P 包，它将由I P 交换机控制

11、器的路由软件来处理。这 些包共用一个T C P I P 头信息，接收相同的路由选择处理。I P 交换把输入的用户业务流分成持续期长，业务量 1 3 2 ( 第九届) 全固有线电视综合信息网学术研讨会 c 有线电视扩展业务与增值业务 门 大的数据流( 如文件传输协议F r I P 数据、远程登录T e l n e t 数据、超文本传输协议H T T P 数据和多媒体音频、视频 数据等) 和持续期短、业务量小、成突发分布的数据流( 如域名服务器D N S 查询、简单邮件传输协议S M T P 数据 和简单网络管理协议S N M P 数据等) ，分别进行不同的处理，提供不同的传输机制。 对于持续期短

12、、业务量小、成突发分布的数据流，采用普通路由器的传输方式，通过交换机控制其中的路 由软件进行传输。对于持续期长、业务量大的数据流，在A T M 交换机中直接进行交换，建立快速通道。这时， A T M 只检查一个通信的第一个或前几个分组，为后续分组建立起虚通道，以能更快地传输。对于多媒体数据， 一般要求进行广播和多发送能力，把这些数据在A T M 交换机中直接进行交换，也能利用A T M 交换机硬件的 广播和多发送能力。 2 3 I P 交换原理 I P 交换的基本思路是，将路由的计算与包的转发分开，采用分布式选路的结构，在路由器中加入纵横式背 板，用硬件A S I C 电路来实现包的转发，这就

13、可以将路由器的包转发速度提高到导线传送的速度。 它能够利用现有的路由选择协议，动态控制分组的发送，同时利用高性能的交换机作为分组发送的引擎， 使I P 的发送性能成倍增加。由于它把路由选择速度变为交换速度，可缓解传统路由器存在的低速瓶颈问题。 更重要的是，通过引入I P 流的概念和利用I P 流与I P 路由选择相连，使I P 交换结构根据特定网络的需要，适应 增加的细化和增加的业务量汇聚。细化的增加实现了应用和主机的业务疏导的质量，业务量汇聚的增加增强 了网络的可扩展性。 I P 交换技术可以支持点到多点的同播功能。它采用标准的I P 同播路由选择协议来确定同播树，并在交换 硬件中复制同播分

14、组，比传统路由器更能有效地实现同播。但这种同播功能与交换机的性能有关。I P 交换技术 用于以太网交换机时，其同播性能不如它用于A T M 交换机时的性能。 对于需要进行A T M 交换的数据流，必须在A T M 交换机内建立V C ，以便用一个V C I 进行标记，来确定该 业务流属于哪一个V C ；I P 交换机利用流管理协议来建立V C I 标签和每条输入链路上传送的业务流之间的关 系。 I P 交换机是通过直接交换或一跳接- - 跳, ( h o pb yh o p ) ，存储转发方式实现高速传输数据的。其工作原理如 下： ( 1 ) 在I P 交换机内的A T M 输入端从上游节点接

15、收到输入业务流，然后把这些数据业务流送往I P 交换机 控制器内的路由软件进行处理。路由软件根据输入数据业务流包头的端口号码进行分类。对于持续期长，业务 量大的用户数据流，I P 交换机直接利用A T M 交换机进行交换；对于持续期短，业务量小，成突发分布的用户数 据流，通过I P 交换机控制其中的路由软件进行一跳接- - 跳, ( h o pb yh o p ) 和存储转发方式发送。 ( 2 ) 在I P 交换机控制器内使用交换机管理协议( G S M P ) ，完成I P 的直接交换，并指导A T M 交换机为某个 用户流建立其V P I V C I 。它的主要任务是：建立和释放A T M

16、 交换机的虚连接；在点到点连接中，增加或删除端 点；控制A T M 交换机端口；进行配置信息查询；进行统计信息查询。该信息通路被称为快速通道。 ( 3 ) 在I P 交换网关中使用流管理协议( I F M P ) 来把现有网络连人I P 交换网内。它在相邻的I P 交换机控制 器，I P 交换网关或支持流管理协议的网络接口之间请求分配一个新的V P I V C I ，相当于给某个数据流加一个 标签，使其路由更加有效。该协议可以识别较长的有很多分组组成的数据流，然后把这些数据流映射到专门的 3 2 位数据流标签中，而该标签只识别点到点链路上的I P 流。该信息通路被称为慢速通道。 ( 4 ) 一旦一个业务被标识为直接A T M 交换，I P 交换机控制器将要求上游节点把该业务流放在一条新的虚 通路上，如果上游节点同意建立虚通路，则该业务就在这条虚通路上进行传送；同时，下游节点也要求I P 交换 机控制器为该业务流建立一条输出的虚电路。然后通过路由软件，I P 交换机控制器指示A T M 交换机完成直接 交换。 2