IP交換新技術(shù)

  1  IP交換綜述

  近年來出現(xiàn)了許多用于提高傳統(tǒng)Internet速率，使其適用于寬帶多媒體通信應(yīng)用的交換技術(shù)。如 TOSHIBA公司的信元交換路由器（Cell Switching Router:CSR）、Ipsi-lon公司的IP交換機、CISCO的Tag交換機、IBM公司的基于累積路由的IP交換技術(shù)（Aggr-egate Route-based IP Switching）。所有這些技術(shù)均基于一組共同的思想，它們均采用一種稱為標簽置換（Label SwaPPing）的標簽交換技術(shù)前送數(shù)據(jù)。非常巧合是在ATM交換機里也是采用這種標簽交換的技術(shù)前送數(shù)據(jù)，所不同的是這些IP交換技術(shù)力圖保留傳統(tǒng)Internet協(xié)議組的控制部分，它們均采用IP地址和標準的Internet路由協(xié)議如OSPF、BGP（BoundaryGateway Protocol）等。在許多方面這些IP交換技術(shù)綜合了ATM和IP的最好方面，即ATM的快速、簡單交換；IP的普遍性、可擴展性和靈活性。值得注意的是所有這些IP交換機均可以通過增加適合的軟件，使ATM交換的硬件設(shè)備用作快速路由器，如圖1所示。值得一提的是：美國加州一個新崛起的小公司Ipsilon,最先提出了IP交換（IP-Switching）這個很有創(chuàng)新性的構(gòu)想。 IP交換目前極具吸引力，但已有了更廣泛的涵義。同最原始的IP交換構(gòu)想相區(qū)別，這里定義了一個新名稱即標簽交換。

  2  標簽交換將是IP網(wǎng)中非常重要的技術(shù)

  可以肯定的是在可以預(yù)見的未來，標簽交換技術(shù)將肯定是網(wǎng)絡(luò)世界的一部分，主要原因如下。

  2.1  Internet的增長和發(fā)展

  Internet的增長表現(xiàn)在兩個方面，一個是Internet用戶數(shù)量在呈指數(shù)方式增加，另一個是用戶對Internet的帶寬需求也在不斷增加。這兩個方面的增加均要求未來的Inte-rnet具有更好的可擴展性。促使標簽交換迅速發(fā)展的一個最重要的因素是IP網(wǎng)絡(luò)路由功能發(fā)展的需要。隨著Internet用戶數(shù)量的增加將肯定會對路由協(xié)議不斷提出新的要求，即不斷地要求增加新的路由功能，以面對網(wǎng)絡(luò)用戶和帶寬的增加。在目前的IP路由器中，由于路由功能和分組/數(shù)據(jù)的前送功能是緊密結(jié)合的，要增加新的路由功能就必然同時改變數(shù)據(jù)前送的功能，因而增加新路由功能是非常困難的。事實上這些數(shù)據(jù)前送算法對于路由器的性能是至關(guān)重要的，要么是硬件實現(xiàn)的，要么是非常精心設(shè)計的軟件實現(xiàn)，要改變這些數(shù)據(jù)前送算法通常是既昂貴又費時。在標簽交換中，數(shù)據(jù)前送算法是固定的，增加新的控制方法（路由功能）并不需改變它。

  因此數(shù)據(jù)前送的算法可以用硬件實現(xiàn)，也可以是精心設(shè)計的高效軟件。而不必擔心每次新增加路由功能都要優(yōu)化數(shù)據(jù)前送部分。標簽交換的這個特點對于縮短IP網(wǎng)中新路由功能的開發(fā)和鋪設(shè)時間具有非常重要的意義。這個特點同時也使我們相信標簽交換技術(shù)很可能將會成為下一代IP網(wǎng)中的路由結(jié)構(gòu)。事實上標簽交換技術(shù)對于新一代IP--IPv6的鋪設(shè)具有很好的潛力。

  2.2  價格和性能的因素

  在Internet中有兩種非常重要的設(shè)備：路由器和交換機。路由器因其前送（forwa-rd）的是IP數(shù)據(jù)包（packet），所以是第三層設(shè)備；交換機因其前送的是第二層協(xié)議包而被稱為第二層設(shè)備。高速交換設(shè)備同路由器相比，其功能和結(jié)構(gòu)要簡單得多，它們通常只支持非常少數(shù)的協(xié)議和簡單固定的數(shù)據(jù)前送算法，如ATM、幀中繼（Frame Relay）交換，而路由器通常要支持很多的復雜協(xié)議和接口。

  如果以設(shè)備每秒所傳送的數(shù)據(jù)包或設(shè)備的帶寬容量做為衡量其性能的指標，我們就會發(fā)現(xiàn)交換設(shè)備的性能/價格比通常要比路由器好，即在給定的性能要求下，路由器的價格要比交換設(shè)備高；反過來，在給定的成本下，交換設(shè)備會提供比路由器要好的性能。例如，10 Gbit/s的交換設(shè)備要比10 Gbit/s的路由器的出現(xiàn)早得多。若在這樣的性能/價格比考慮下，為什么不能開發(fā)一種采用交換設(shè)備的硬件完成路由設(shè)備最主要的功能（前送數(shù)據(jù)包），從而同時獲得交換機的性能/價格比和路由器的功能呢？的確可以，這即是標簽交換技術(shù)能夠做到的。

  2.3 IP和ATM的綜合因素

  在ATM開發(fā)初期，人們認為ATM應(yīng)該開發(fā)純粹的ATM應(yīng)用和協(xié)議，以充分利用ATM優(yōu)越的性能，從而使ATM適用于整個網(wǎng)絡(luò)世界。然而人們不久便發(fā)現(xiàn)，許多ATM網(wǎng)的重要任務(wù)是前送IP數(shù)據(jù)包，這顯然是由于Internet的成功所引起的。這樣，ATM和IP的標準化組織就面臨著將IP結(jié)構(gòu)映射（MAP）到ATM網(wǎng)絡(luò)中的問題。就目前的發(fā)展看，存在著兩種解決方案：

  （1）一種是利用ATM提供IP互聯(lián)即Overlay結(jié)構(gòu)，如圖2所示。ATM和IETF已經(jīng)定義了很多標準：

  * IP over ATM（IPoA）。即利用 ATM適配層將 IP數(shù)據(jù)包封裝成ATM信元，同時定義了將IP地址映射為ATM 地址的ATM地址解析協(xié)議（ATM ARP）。

  * IP over Large Public Data Network（IPLPDN）和大網(wǎng)路由工作組（ROLC）定義的確解析協(xié)議NHRP（Next HoP Resolution Protocol）保證了邏輯IP子網(wǎng)（LIS）間ATM虛電路直接連接的建立。

  * MPOA（Multi Protocol over ATM），使ATM網(wǎng)能夠支持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，而不單是IP.

  * 鏈路層上綜合業(yè)務(wù)工作組（ISSLL:Integrated Service over Specific Link La-yer）定義了用于將 IP資源預(yù)定模型映射到ATM網(wǎng)中的方法即RSVP協(xié)議。

  這種將IP映射到ATM的方法如ATM ARP、MARS（Multicast Address Resolution Serv-er）、NHRP、BUS（Broadcast and Unknown Server），通常比較復雜，均要采用服務(wù)器，因此會出現(xiàn)單點毀壞的問題，解決單點毀壞需要備份服務(wù)器，這又需要引入同步協(xié)議，以保持工作服務(wù)器和備份服務(wù)器的同步。

  （2）為了解決這種復雜的映射問題，出現(xiàn)了第2種解決方法，即保持ATM交換的硬件不變，但不再使用ATM論壇和ITU的控制協(xié)議（UNI,PNNI等），代之以一組同Internet結(jié)構(gòu)（無連接性）相一致的協(xié)議，這些協(xié)議不再需要IP和ATM的復雜映射。即改變ATM交換的控制軟件，以使其在前送IP包時，不再需要IP和ATM的映射，而ATM交換仍然采用基于標簽置換的方法前送數(shù)據(jù)包，但其建立前送表和資源分配的機理將全部由IP控制協(xié)議來完成，這樣一來，從控制的角度來看，ATM交換機就等效地變成了高速的路由器，但卻不再需要IP和ATM控制模型的映射了。

  若采用Overfay結(jié)構(gòu)解決IP over ATM,除前面提到的單點毀壞問題外，還存在著另一個問題，即網(wǎng)絡(luò)的可擴展性問題。讓我們來看一個例子，在圖3中要使所有的路由器連通，則所有路由器之間必須可以建立VC連接，即路由器之間必須是VC全通的（fullymeshed）。也就是說任何一個路由器和其它路由器之間必須能夠建立n*（n-1）/2個VC,n是網(wǎng)絡(luò)中的路由器個數(shù)。由于中間的ATM交換（第二層交換）對路由器來講是透明的，所以每個路由器的直接連接路由器個數(shù)就是n*（n-1）/2,在圖3中為55個。對這樣的網(wǎng)絡(luò)，核心網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的任何變化都會使需要傳送的路由信息可以高達n4,由于所需傳送的路由信息數(shù)隨著n的遞增增加得非常快，所以光是路由信息業(yè)務(wù)就可以使路由器過載，導致網(wǎng)絡(luò)性能的嚴重下降。解決上述問題的一個方法是除去路由器之間的全通VC連接，以降低每個路由器的緊鄰路由器數(shù)，這樣就需要在路由器對之間的ATM網(wǎng)絡(luò)中增加路由器，NHRP服務(wù)器可以做到這一點，但NHRP只適用于單投數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而不適用于多播業(yè)務(wù)（multicast）。

  另一個解決擴展性的更好方法就是標簽交換技術(shù)。我們在上述網(wǎng)絡(luò)中的ATM交換硬件平臺上運行IP協(xié)議（包括IP路由協(xié)議），就可以在不改變網(wǎng)絡(luò)物理拓撲或設(shè)備的情況下極大地降低每個路由器的緊鄰路由器數(shù)，這是因為此ATM交換已經(jīng)表現(xiàn)為路由設(shè)備了。例如圖3中路由器a的緊鄰路由器數(shù)就從原來的55個降低為1個了。

  2.4  增加路由功能的需要

  標簽交換不但可以使ATM硬件通過增加控制軟件起到IP路由器的作用，也不僅僅是開發(fā)快速價廉的高速路由器方法。它還非常利于增加新的路由功能例如魚圖路由器結(jié)構(gòu)功能（見圖4），如果我們要求路由器b將來自路由器a要去路由器f的數(shù)據(jù)包均通過路由器d送給路由器f;其它要到路由器F的數(shù)據(jù)包均由路由器e送往路由器f,則傳統(tǒng)的IP路由器是無法實現(xiàn)的，但在標簽交換機中、我們可以通過給來自路由器a要去路由器f的數(shù)據(jù)包分配一個不同于其它路由器要去路由器f的標簽，比如該標簽為5,其它去往路由器f數(shù)據(jù)包的標簽為10,則路由器b就可以將所有要去路由器f且標簽為5的數(shù)據(jù)包送往路由器d,標簽為10的則送往路由器e. 所有上述因素構(gòu)成了人們發(fā)展標簽交換技術(shù)的基本原因。

  3  結(jié)束語

  通過上述論述可知：

  （1）標簽交換具有可增加新的路由功能，而不需改變數(shù)據(jù)前送算法的特點。此特點對縮短IP網(wǎng)中新路由功能的開發(fā)和鋪設(shè)時間具有非常重要的意義。

  （2）若以設(shè)備每秒傳送的數(shù)據(jù)包或帶寬容量做為衡量其性能的指標，標簽交換技術(shù)可以獲得交換機的性能/價格比和路由器的功能。

  （3）ATM交換采用基于標簽置換的方法能很好地解決Overlay結(jié)構(gòu)中復雜映射的問題，而且可更好地解決IP網(wǎng)絡(luò)的擴展性。

  （4）標簽交換不但使ATM硬件通過增加控制軟件起到IP路由器的作用，還非常利于增加新的路由功能。

  因而，標簽交換技術(shù)將是IP網(wǎng)中非常重要的技術(shù)，將會效為下一代IP網(wǎng)中的路由結(jié)構(gòu)。