路由和交换技术的发展与探讨

一声叹息

路由和交换技术的发展与探讨
赵希
摘要 在系统地论述了网络技术的发展，详细地介绍了目前的一些热点技术后，分析了它们
的优缺点，使得大家能够以交换和路由技术的发展有一个整体概念并追踪了解其最新的发
展动态。最后，对于我国的网络建设提出了一些合理化建议。
关键词 快速以太网ATM IPv6 MPLS IP Switching
--科技的发展日新月异，用"一日千里"来形容网络技术的发展是恰当不过了。从第一
块以太网卡的发明-快速以太网，到如今的千兆以太网，IPv6、ATM、MPLS、IP Switching
等等，令人眼花缭乱，目不暇接。本文从交换和路由的角度系统地回顾一下网络发展的历
史，特别论述最近网络技术的热点，比较它们的优缺点，使大家能够对交换和路由技术有
一个整体的概念以及了解其最新的发展动态。
1 第一代技术
--在人们继续沿用小型Novell网络，津津乐道于10M局域网的传输效率的时候，许多
局域网业务要求的已经不能被满足。其原因在于办公文件中的电子数据表格和文字处理软
件等的格式日趋复杂，有的附带大量的图片；同时，数据信息的爆炸式增长，迫使网络技
术人员必须采取有效的方法来提供更宽的带宽和更快的处理速度。人们主要采取了两种解
决方法：一种是购置更高级的网络设备，让LAN运行得更快；另外一种是把LAN分段成
更小的网段并行工作。第一种方法设备投资比较大，原有设备得不到很好地利用，第二种
方法实现起来较方便、简单。
--下面以Ethernet为例来说明这两种技术的运用。
--IEEE在1995年正式推出了100Base-T规范，也就是常说的Fast Ethernet，其速度是传
统Ethernet速度的10倍，能有效地提高网络的性能。此后，IEEE 802工作组又着手Gigabit  
Ethernet产品。对于第二种解决办法，在Ethernet中可以采用Bridge工作在OSI模型的第
二层，连接不同的网段。但是Bridge只简单进行数据包的转发，容易导致广播风暴，不利
于网络的扩展。利用Router来分割网络则能够克服广播风暴的问题，因为Router工作在OSI
模型的第三层。在网络拓扑图中，我们经常能够看到处理网络顶端的多协议Router，它一
方面进行子网的划分，另外一方面连接到WAN，实现网络互联。
2 第二代技术
--传统的计算机局域网，如Ethernet网络，是一种共享媒体的物理网络。在这种结构中，
用户需要竞争接入网络资源，当用户数量增加时，每个用户实际可获得的数据传输速率大
幅度下降，因此共享介质接入机制网络的总体带宽。层2交换机就是在这种情况下应运而
生的，根据层2信息做出帧转发决策，同时构造自己的转发表。层2交换机运行在数据链
路层，使得多个端口之间可以并行地传输数据包。它摒弃了共享式的接入方式，极大地提
高了网络的表现性能，比如8端口的全双工层2层交换机能达到80Mbit的吞量。然而，层
2交换机同样存在广播风暴的问题，只有在小规模的网络中有效地利用。
--针对层2交换机的缺点，VLAN技术出现了。VLAN技术使得一组网络设备，不管它
们是处于同一物理网段，还是分布在不同的地点，都能象连接在同一网段上一样进行通信。
--（1）VLAN有这样的一些优点：
--1）网络设备能够在物理上任意移动，而逻辑上保持不变，使用户对操作透明。
--2）有效地控制广播风暴。VLAN把网络分割为几个虚拟的子网，不同虚拟子网间的通
信由路由器连接完成，因此减少了广播数据包，增加了网络带宽。
--层2交换网络的拓扑结构是一种平铺的拓扑结构，存在许多缺点，如广播风暴、扩展
树兜圈子、地址空间限制等。即使VLAN可以解决广播风暴的问题，虚拟LAN之间的连
接仍然需要Router完成，因此必须采用路由器。
--（2）目前传统的路由器严重阻碍网络的发展有如下一些主要原因：
--1）随着层2交换技术的广泛运用和网络应用程序的业务量迅速提高，网络的吞吐量迅
速得以提高，从目前市场的资料来看，高速层2交换机的吞吐量是几百pps，而路由器的
吞叶量不足500kpps,传统的路由器严重遏制了层2交换机性能的发挥，影响了网络的性能。
随着Gigabit switch的进一步引入以及多媒体业务的不断发展，路由器的瓶颈效应将会更加
恶化。
--2）网络信息流的模式也发生了很大的变化，网络的瓶颈逐渐转移到了网络的顶端。在
过去，网络业务流量主要集中在工作组内部，表现为80-20规则，即80%的业务量集中在
一定的工作组内部，而后0%的业务量增大 骨干网上。然而，随着信息和技术的不断发展，
业务流量发生了重大的改变。80%的业务量流动在网络的骨干层，20%的业务量在工作组
内部成员之间流动。导致这种情况的发生主要有以下几个原因：
--●为了提高网络管理与维护的效率，分散在各工作组中的服务器逐渐集中到网络的顶
端，使得业务流量迅速涌向网络顶端，造成瓶颈效应。
--●Internet以及企业Iatranet的构建使得这一问题显得更为明显。例如，一个Web Page
的浏览必须经由IP Router。据统计，企业Intranet内部的业务量大约一半是在子网之间流
动。
--3）传统的路由器价格相当昂贵，维护管理烦琐。
--所有的这些因素决定了传统的路由器不再适应网络的发展与需要，我们需要的是下一
代的交换机：结合了三层路由技术和二层交换技术的交换机。
3 第三代技术
--第三代技术主要有三种解决思路：
--第一种解决思路是构建一个高速的路由器（Gigabit Router），这种路由器内部带有一上
交换矩阵。能够在三层高速地进行包头的路由处理的同时，以线速完成数据包的转发。采
用这种解决思路的技术主要有：Netstar GigaRouter,Multigigabit Router等。
--第二种解决思路是采用"Cut-Through"的方法。首先在三层对某一次会话业务流的第
一个包进行路由的计算中心查询，然后在二层的交换矩阵建立"Cut-Through"。使得该会
话业务流蓁的包直接由二层的交换矩阵完成前转工作，而不再需要三层路由的处理。采取
这种解决思路的技术主要有：Ipsilon公司的IP Switching ，IP/ATM Router。
--第三种解决思路是采用标记交换的方法。采用这种解决思路的技术主要有：
--Cisco公司的Tag Switch，IETF WG的MPLS。
--下面就这几种技术详细地予以描述：
--3.1 Gigabit Router
--目前有不少厂商正在开发Gigabit Router，基本上都是采用如图1所示的组织方式。这
种组织方式主要包括四部分：线路卡、交换结构、转发引擎、网络处理器。这些功能单元
只是在逻辑上（功能上）的分布，在物理上可以整合在一起。

--线路卡主要完成物理接口的功能，连接外部的数据链路和内部的交换结构。交换结构
对数据包进行交换，并互连Gigabit Router的各个组成部分。转发引擎检查包头，决定把数
据包发送到哪一个出口的线路卡，并改写包头中相应的端口信息。网络处理器运行路由协
议，计算路由表并负责把这些路由表复制到转发引擎中，网络处理器还需要完成诸如网络
管理消息、异常数据包处理等任务。
--Gigabit Router的这种设计结构和传统的路由器相区别的重要的一点就是传统的路由器
采用的是总线式的结构，而Gigabit Router采用产交换式的结构，这种交换结构可以采用纵
横制式交换器（Crossbar Switch），也可以采用ATM交换结构。采用ATM交换结构的优点
是已有成型的标准化产品，而且易于实现QoS、多播（Multi-Cast）和广播（Broadcast）等
功能。缺点是ATM交换结构是基于信元交换而不是基于帧交换。
--为了实现Gigabit Router的高速处理，很关键的一点就是实现转发引擎的高速处理。目
前基本上采用两大类实现方式。一种实现方式是通过一组高速处理器和缓冲存储器（Cache）
来实现。数据包头的处理由高速处理器完成，路由处理的速度在一定程度上取决于处理器
的数量。另外一方面，每一处理器带有高容量的Cache，大约能存储8000个IPv4地址，
同时还有外接扩展存储器，可存储大约几十万条路由，通过这些措施有效地Cache中路由
查询的命中率。据估计，在Cache命中率大于60%的情况下，路由器的分组包处理能力高
达6.5Mpps。在最坏的情况下，即每个分组包的路由都不能在Cache中命中，路由器的性
能下降50%，也能达到3Mpps。第二种实现方法是基于专用集成电路的路由处理。传统的
路由器采用的是低速的处理器进行路由处理，从入口进入的每个数据包都被发送给处理器
进行路由查找、包头差错TTL（Time to Live）更新等，这些工作是基于软件完成的，因此
相对较慢。基于硬件的路由处理，其路由的处理由专用集成电路（ASIC）完成，实现
"route-on-a-chip"。基于处理器的路由处理方法的优点在于其灵活性，便于引进新的功能
和系统性能领带于处理器的数量和大量的Cache，导致价格昂贵。另外一个缺点是该方法
的效率依赖业务流的连续相关性。随着技术的发展，网络业务模型将会不断发生变化，届
时业务流还具有多大的本地相关性？基于ASIC的路由处理器优点是能够实现高速的路由
处理，缺点是灵活性不够，不便于引入新的功能和升级。
--3.2 Cut-Through方法
--从前面的论述可以知道，传统的路由器对于每一个数据包均需要由三层的路由处理模
块进行路由处理，导致传统路由器处理负载的速度不够快，于是一些象Ipsilon网络公司这
样的厂商开始提供具有Cut-Through技术的即所谓捷径交换。我们以Ipsilon网络公司的IP  
Switching为例来说明。
--IP Switching是ATM支持IP包传送技术，它将IP寻址和ATM交换的优点结合在一个
网络单元（即IP交换机）中。IP Switching的基本原理是越过ATM信令，直接将IP映射
到ATM交换机，将VPI/VCI控制交付IP控制器，并将业务流直接转发或逐跳转发。
--IP交换网包括IP交换机和IP交换网关。IP交换网关将现在局域网接入IP交换网络，
负责把IP分组分段成ATM信元或把ATM信元重组为IP分组。IP交换机由ATM交换机
和IP交换控制器组成。IP交换控制器需具备标准路由器协议和专用控制器协议，包括通用
交换机管理协议（GSMP）和Ipsilon流管理协议（IFMP）。IP控制器完成对所有数据流的
第一个包进行IP层的转发，即初期在默认的ATM虚连接上按照标准路由器方式逐跳传送，
同时运行流检测算法，如果发现该IP流是一个具有某种特性的流，则利用GSMP和IFMP
协议将该数据流转移到第二层，即直接在ATM的虚连接上传送，无需再进行路由处理。
IP Switching具体的工作原理如图2所示：

--（1）开始时，一条默认的VCC连接所有的IP交换机，所有的IP包在这条缺省的VCC
上按照逐跳的方式 被传送；
--（2）在IP交换机，从入口来的数据包在默认的操作下送往IP控制器进行路由处理，
按照逐跳的方式转发到一一个VCC；
--（3）在IP控制器根据业务流的特性，如检测为具有预先定义好特性的流，则为该流
在进入的端口（port i）中分配一个VCi=X',在ATM交换中建立起二者的映射。然后IP控
制器发送一条IFMP重定向消息给上游的节点，该重定向消息包含VCi=X，流标识符（即
IP包头中的一系列信息），生命时间（IFMP重定向的有效时长）。IFMP重定向消息通知上
游节点把包头匹配流标识符的数据包转发到新VCC。至此从入口port=i进入的该类业务流
包中的标记包含了VCi=X'，包继续被改善到IP控制器，但是IP控制器不再需要进行路由
的计算，直接在Cache中以X'为索引得到出口路由port=j，再由二层进行包的转发，因此
加速了处理。
--（4）真正的好处是当该节点的下游节点也几乎在同时执行上上述操作时，本节点在端
口port=j收到下游节点的IFMP消息，指示本节点将该业务流重定向到VCi=y。
--（5）此后，该类业务流直接ATM交换机中完成交换，从入口port i VCi=X到port=j  
VCi=y，不再经过IP控制器以存储转发的方式进行发送。
--业务流特性的判别和取定的方法可以有很多种，可以根据入口业务流在一定时间内的
数据包数量来判别。总的说来，IP控制器把输入业务流分成两大类，即：持续时间长、数
据量大的业务流和持续时间短、数据量小的业务流。对于持续时间长、数据量大的业务流
在ATM交换机中直接进行交换，对于需要多播或者广播的业务流也直接利用ATM交换机
硬件的多播和广播功能来完成。对于持续时间短、数据量小的业务流通过IP控制器中的IP
路由软件进行转发、即与传统的路由器一样，也是逐跳和存储转发的。
--持续时间长、数据量大的业务流一般是如下特性能的一些业务流：
--●FTP数据流；
--●HTTP数据流；
--●音频、视频等多媒体数据。持续时间短、数据量小的业务流一般是如下特性的一些
业务流：
--●DNS查询；
--●Telnet数据流；
--●SMTP数据流；
--●SNMP数据流。
--IP Switching技术的优点是根据业务特性决定数据流的转发方式，实现起来非常容易，
ATM交换机加上路由控制器以及相关协议即可，代码量小。对于采用交换方式传送的业务
流，传输时间小，传输容量大。其缺点是需要对流进行判别，开销较高；对Cut-Through
建立的前期引入了时延，同时，对于业务流量的模型和流判别的门限值十分关键，它们和
IP Swiching的性能息息相关。更加重要的一点就是尽管这类交换机技术与层2技术相比之
下有重大的改进，但是它们仍不能被认为是真正的层3交换机，因为它们采用的流技术使
得一些包需要经过路由而非交换传输。
--3.3标记交换方法
--标记交换方法与Cut-Through方法最重要的区别就是Cut-Through方法最重要的区别就
是Cut-Through方法是基于数据的驱动机制，而标记交换方法实现的是基于网络拓扑结构
的驱动机制。目前采取标记交换方法的产品主要有Cisco公司的Tag Switch，IBM的ARIS，  
IETF WG的MPLS（多协议标记交换技术）。下面我们IETF正在制定和完美的技术标准
MPLS。MPLS源于Cisco公司的Tag Switch（标记交换）技术，它结合了第二层的高速交
换和流量管理、第三层的可扩展性和灵活性。
--MPLS网包括MPLS边缘路由器和MPLS交换机。MPLS边缘路由器位于MPLS网的
边缘，将标记加到包上。MPLS交换机由ATM交换机和执行LDP协议（标记分配协议）
的路由控制器构成。它对有标记的包进行交换。并支持第三层的路由功能。ATM交换机根
据VPI/VCI标记进行信元的交换。路由控制器负责网络路由的计算，并把计算出来的路由
用标记映射成ATM VCC，再通过LDP分布到MPLS网上。
--MPLS工作的具体过程如下：
--（1）开始时，利用默认的ATM VCC连接个网络单元，构成MPLS网络，此时是一个
传统的路由器网；
--（2）MPLS利用现有的路由协议（OSPF，IGRP等）获得路由信息，建立路由表；
--（3）MPLS节点依据路由表，通过LDP协议建立标记转发信息库（TIB），即标记和
目的地映射表；
--（4）MPLS边缘路由器接收到IP包，根据标记转发信息库将标记加到包头上；
--（5）MPLS交换机根据标记，直接在二层由ATM交换机对信元进行交换；
--（6）MPLS边缘路由器去掉标记，发送IP包。
--MPLS对QoS的支持是通过每级QoS对应一个预定的标记，包的分级只在MPLS边缘
路由器操作，网络内部服从同一优先级先进先出的排队原则。但是MPLS中标记是预选建
立的，很难处理一个新的QoS要求，若每种Qos对应一个标记，标记转发信息库势必会很
大，查表效率将会很低。
--MPLS最大的优点是通过VCmerging实现标记复用，即映射多个源到相同目的地的业
务流而不会发生信元的交织，减少了网状连接数，扩展了地址空间。
--除了以上的IP Switching技术，MPLS技术，还有许多类似的技术，如：IBM的ARIS、
Toshiba的CSR、NEC的IPSOFACTO、Fujitsu的IP/ATM和Cisco的TAG Switch等，这些
技术实现的基本思路还是以上这些，只是在某些方面或多或少有些不同而已，限于篇幅就
不再赘述。具体比较见表1。
表1 一些主要厂商的路由器和交换机性能比较
名称
IP Switch
CSR  
Tag Switch
ARIS
IP/ATM
  
厂商
Ipsilon
Toshiba
Cisco
IBM
Fujitsu
  
协议名称
IFMP
FANP
TDP
ARIS protocol
-
  
VC merging
不需要
不需要
不需要
不需要
不需要
  
VC merging
不需要
不需要
不需要
不需要
不需要
  
驱动机制
Traffic Based
Traffic Based
Traffic Based
Traffic Based
Traffic Based
  
交换比例
80%～90%
80%～90%
any data
any data
any data
  
ATM signaling
不需要
需要
不需要
-
需要
  
  
4 第四代技术
--似乎众多不同技术的层3交换机造成的局面仍不够复杂，有引起公司象PacketEngines
公司（其产品为PE4884）开始兜售其使用层4信息做转发决策的交换机。这是否有很大的
意义？是不是真正的层4交换机？前景如何？目前还不可预测！
5 结束语
--从上面网络技术的发展动态来看，将三层的路由技术和二层的交换技术结合是大势所
趋。而最能体现这一思S想的结合就是ATM与IP技术的结合。ATM技术能够提供二层的
高速交换，ATM标准已逐渐被完善，其产品也已基本成熟，广泛地推向市场。IP技术完成
三层的路由，具有扩展性好等优点。因此把ATM技术和IP技术结合起来则相得益彰，高
速数据网需要ATM技术来解决自身急剧膨胀、力不从心的问题，ATM技术则需要和IP技
术结合来把自己更快速地推向市场，但是ATM和IP的结合仍然在不断演变中，工业标准
的一致化也需要相当的时间。因此，对于我国高速信息网的建设，建议采取积极谨慎的态
度来对待，一方面不断跟踪国际最新技术的发展，关注国外运营公司的实际动作；另外一
方面组织专家学者进行研究和探索。

liuiang

好文，好文，过瘾！！

thyears

谢谢，又学到了点

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chu

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