IP交换机制

IP交换

一、 IP交换技术的概念

随着Internet网络规模的快速增长以及人们对多媒体业务的需要，要求Internet网络具有实时性、可扩展性和保证服务质量（QOS）的能力。为了克服传统的IP网络关键部件路由器包转发速度太慢造成的网络瓶颈问题和在各节点独立路由使得业务管理和QOS很难进行的问题，业界内的一些大的公司、研究机构纷纷提出了许多IP和A TM融合的新技术，如Ipsilon公司（美国赛龙集群存储系统公司）提出的IP交换（IP switch），Cisco公司提出的标签交换（tag switch），IBM提出的基于IP交换的路由聚合技术（ARIS：aggregate routed based IP switching），IETF推荐的ATM上的传统IP技术（ IPOA：class IP over ATM）和多协议标记交换（MPLS：multi-protocol label switch ），ATM Forum推荐的局域网仿真（LANE：LAN emulation）和ATM上的多协议（MPOA：multi-protocol over ATM）等，这些将A TM交换技术和IP技术融合产生的新的一类技术统称为IP交换技术。

二、 IP交换技术的分类

根据IP与ATM融合方式的不同，其实现的模型可分为两大类：重叠模型（overlay model）和集成模型（integrated model）。

1、重叠模型

在重叠模型中，IP（三层）运行在A TM（二层）之上，IP选路和A TM选路相互独立，系统需要两种选路协议：IP路由协议和ATM选路协议；系统中的ATM端占具有两个地址，ATM地址和IP地址，并且具有地址解析功能，支持地址解析协议，以实现MAC地址与ATM 地址或IP地址与A TM地址的映射。

重叠模型使用标准的ATM论坛/ITU-T的信令标准，与标准的A TM网络及业务兼容。利用这种模型构建网络不会对IP和ATM双方的技术和设备进行任何改动，只需要在网络的边缘进行协议和地址的转换即可。但是这种网络需要维护两个独立的网络拓扑结构、地址重复、路由功能重复，因而网络扩展性不强、不便于管理、IP分组的传输效率较低。

IETF推荐的IPOA、ATM Forum推荐的LANE和MPOA等都属于重叠模型。

2、集成模型

在集成模型中，A TM层被看作是IP层的对等层，集成模型将IP层的路由功能与ATM 层的交换功能结合起来，因此该模型也被称作对等模型。

集成模型只使用IP地址和IP选路协议，不是用A TM地址和选路协议，即具有一套地址和一种选路协议，因此也不需要地址解析功能。集成模型需要另外的控制协议将三层的选路映射到二层的直通交换上。集成模型通常也采用A TM交换结构，但它不使用ATM 信令，而是采用比ATM信令简单的信令协议来完成连接的建立。

传统的IP分组转发采用无连接方式逐条转发，选路基于软件查表，采用地址前缀最长匹配算法，速度慢；集成模型将三层的选路映射为二层的交换连接，变无连接方式为面向连接方式，使用短的标记替代长的IP地址，基于标记进行数据分组的转发，速度快。

集成模型只需一套地址和一种选路协议，不需要地址解析协议，将逐跳转发的信息传送方式变为直通连接的信息传送方式，因而传送IP分组的效率高，但它与便准的ATM融合较为困难。

Ipsilon公司的IP交换、Cisco公司的标记交换、IBM的ARIS和IETF的MPLS都属于集成模型。

三、IP交换的关键技术

IP交换技术的基本思想：为了避免网络层转发的瓶颈，进行高速链路层交换。IP交换问题可以认为是地址转换问题，其关键任务是将IP子网地址与链路层地址相结合。这样，

可以通过短标识的VPI/VCI（ATM中）与交换系统进行转发。

1、直接路由

IP交换采用直接路由技术，即通路中第一个节点选择路径，该通路子序列的交换采用第一次交换所选择的路径。IP交换只对数据流的第一个数据包进行路由地址处理，按路由转发，随后按已经计算的路由，在ATM网上建立VC，以后的数据包沿VC直接传送，不再经过路由器，从而将数据包的转发速度提高到第二层交换的速度。

2、QOS和宽带管理

IP交换中，将资源信息加入到路由协议中，各VC根据对VC的资源请求和网络中的可用资源进行路由。由于VC路由是基于动态路由算法，可以在网络变化后重新路由，这就可以支持IP对VC的QOS请求和网络中已经存在的业务负载进行路。

由于采用直接路由，提高了QOS路由和宽带管理的可选择性。而且直接路由允许逐步转换路由计算，对于QOS路由和带宽管理，这使得大ISP和骨干网无须中断就可以灵活转换路由计算。

采用手工配置或RSVP（Resource Reservation Protocol）可以将IP包映射到特定的服务质量。如MPLS（多标记交换）的QOS可分为：使用RSVP的细分服务质量、使用优先位元的粗分服务质量，两者都能在标记化或非标记化的网上保持一致的服务质量，提高了ATM 硬件的性能。标记分类采用细分和粗分两种方法，既可以详尽到端到端的RSVP，又可以粗到只区分实时和非实时服务等级。

3、驱动形式

IP交换的驱动形式有两种：控制驱动和数据驱动。控制驱动中，交换路径的建立是由第三层控制协议来实现的。由于交换路径建立与数据传输分离，数据流使用交换路径几乎没有延时。交换路径的状态刷新可以通过与路由变化同步来达到。其缺点是，预先建立所有可能的交换路径常常造成最坏的标记请求，在大型网络中，会造成可扩展性问题，而且用于控制驱动的算法不可避免的依赖于该算法所基于的控制协议。

数据驱动中的交换路径的建立由数据包触发，在Ipsilon的IP Switching中，交换的建立是在交换机检测到一长期存在的数据流时进行的。无需知道转发路径是怎么有控制协议建立的，只需简单的跟随数据包来建立交换路径。缺点是在数据流使用交换路径前会有交换经的建立的延时。为了适应路由的变化，交换路径不得不周期性的刷新，这样在路由改变和下一个刷新点之间会有延时。另外它很难在不改变数据包头的情况下传达扩展信息。

4、VC融合

在ATM上直接运行IP的直接后果是造成了信令建链与拆链的频率远远高于ATM原来设计的能力。另外，在IP环境下信令的传递与返回可能是两条不同的路线，这就造成了一个IP端对端的对话形成两条的虚电路这会在路由器之间就案例庞大的数据的VC，从而造成VC“N的平方”问题。即网络中N个节点都可以直接连接到另外N-1个节点上，这需要建立和声明N2个连接。VC数目的庞大给管理带来极大的困难，而且这些VC发送的路由表也给主干造成了不必要的压力。为了减少VC的数量，降低系统开销，采用VC融合技术，将多个虚电路压缩成一组共同使用一个标记，这样一组VC实际相当于一个VC。

5、防止路由环路

在ATM中TTL字段没有被利用，而在IP交换中，为了避免路由循环，通常有一个TTL 字段。该字段每过一个hop就会减一，如果最后减到了零，则意味着网络无穷大，即出现死循环，丢弃该包。在帧封装中，TTL被直接加入到标记中，这样就可以在解析标记的过程中直接判断这个帧是否还有用。

6、包交错问题

传统的分层做法中，中间的A TM交换机接收到的是被路由器切割成碎片的帧数据，这

些碎片被重新组合时，会产生交错现象。对此的一种解决办法是只用一个VCI，这样可以降低信源的复杂程度。另一种做法是增加虚电路的数量，从而提高控制能力，这样虽然在物理线路上，这个帧仍然存在交错现象，但接受端有能力将这种交错减少到最低程度。

四、三种常用的IP交换技术

1、IP交换

IP交换可以提供两种信息传送方式，一种是ATM交换式传输，另一种是基于hop-by-hop 方式的传统IP传输。采用何种传输方式取决于数据流的类型，对于连续的、业务量大的数据流采用传统IP传输技术，IP交换是基于数据流驱动的。

IP交换的工作过程可分为四个阶段：

（1）对默认的信道上传来的数据进行存储转发

在系统开始运行时，IP数据分组被封转在信元中，通过默认通道传送到IP交换机。当封装了IP分组数据的信元到达IP交换机控制后，被重新组合成IP数据分组，在第三层按照传统的IP选路方式，进行存储转发，然后再被拆成信元在默认通道上进行传送。

（2）向上游节点发送改向消息

在对默认信道传来的分组进行存储转发时，IP交换控制器中的流判断软件要对数据进行判别，以确定是否建立ATM直通连接。对于连续的、业务量大的数据流，则建立ATM 直通连接，进行A TM交换式传输；对于连续时间短的、业务量小的数据流，则仍采用传统的的IP存储转发方式。当需要建立ATM直通连接时，则从该数据流输入的端口上分配一个空闲的VCI，并向上游节点发送IFMP的改向消息，通知上游节点将属于该流的IP分组数据分组在指定端口的VC上传送到IP交换机。上游IP交换机收到IFMP的改向消息后，开始把指定流的信元子相应VC上进行传送。

（3）收到下游节点的改向消息

在同一个IP交换网内，各个交换节点对流的判识方法是一致的，因此IP交换机也会收到下游节点要求建立ATM直通连接的IFMP改向消息，改向消息含有数据流标识和下游节点分配的VCI。随后，IP交换机将属于该数据流的信元在此VC上传送到下游节点。

（4）在ATM直通连接上传送分组

IP交换机检测到流在输入端口指定的VCI上传送过来，并收到下游节点分配的VCI后，IP交换控制器通过GSMP消息指示A TM控制器，建立相应输入和输出端口的入口VCI的连接，这样就建立起A TM直通连接，属于该数据流的信元就会在ATM连接上以ATM交换机的速度在IP交换机中转发。

2、标签交换

标签交换是一种利用附加在IP数据分组上的标签进行快速转发的IP交换技术。由于标签短小，因此根据标签建立的转发表也就很小，这样就可以快速简便的查找转发表，从而大大提高了数据分组的传输速度和转发效率。

标签交换网络主要有TSR和TER设备组成，在标签交换网络上运行的协议有传统的路由协议和TDP。标签交换的过程可分为4个步骤。

（1）当一个要转发的数据分组进入标签交换网络时，TER和TSR使用标准的路由协议来确定数据分组的转发路由，产生标签，并将标签关联信息（地址前缀、标签）通过TDP 协议分发。相邻TSR接收到TDP信息后会建立标签信息库TIB。

（2）当一个TER接收到一个要转发的数据分组时，TER会分析网络层数据分组头，实现可应用的第三层增值服务，从FIB中为这个数据分组选择一个可用路由，给数据分组加上一个标签后，将其转发到下一个TSR。

（3）在标签交换网中，TSR接收到加有标签的数据分组，不用再次分析数据分组头，而是只使用标签基于TIB对数据分组进行快速的交换。

（4）加有标签的数据分组到达网络边缘的TER时，TER会去掉标签，然后把数据分组交给上层应用，从而完成数据分组在标签交换网络中的传送。

3、多协议标记交换

MPLS是利用标记进行数据转发的。当分组进入网络时，要为其分配固定长度的短的标记，并将标记与分组封装在一起，在整个转发过程中，交换节点仅根据标记进行转发。

MPLS交换采用面向连接的工作方式，面向连接的工作方式就是信息传送要经过三个阶段：建立连接、数据传输和拆除连接。对于MPLS来说，建立连接就是形成标记交换路径LSP的过程；数据传输就是数据分组沿LSP进行转发的过程；而拆除连接则是通信结束或发生故障异常时释放LSP的过程。

五、IP交换机结构

1996年美国Ipsilon公司提出了一种专门用于在ATM网上传送IP分组的技术，我们称之为IP交换。IP交换基于IP交换机，它可被看作是IP路由器和A TM交换机组合而成，其中的“ATM交换机”去除了所有的A TM信令和路由协议，并受“IP路由器”的控制。IP交换可提供两种信息传送方式，一种是A TM交换式传输，另一种是基于hop-by-hop方式的传统IP 传输。采用何种方式取决于数据流的类型，对于连续的、业务量大的数据流采用ATM交换式传输，对于持续时间短的、业务量小的数据流采用传统IP传输技术，IP交换是基于数据流驱动的。

IP交换机的结构如图所示，它是由IP交换控制器和ATM交换器两部分构成的。

图IP交换机的结构

1.IP交换控制器

IP交换控制器实际上就是运行了标准的IP选路软件和控制软件的高性能处理机，其中控制软件主要包括流的判识软件、Ipsilon流管理协议（IFMP：Ipsilon flow management protocol）和通用交换机管理协议（GSMP：general switch management protocol）。

（1）流的判识软件

流的判识软件用于判定数据流，以确定是采用ATM交换式传输方式，还是采用传统的IP传输方式。

（2）IFMP

在IP交换机之间通信所使用的协议是IFMP，它用于IP交换机之间分发数据流标记，即传递分配标记（VCI）信息和将标记与特定IP流相关联的信息，IETF在RFC1953定义了

IFMP。

（3）GSMP

在IP交换控制器和A TM交换器之间所使用的控制协议是GSMP，它是一个主/从协议，此协议用于IP交换器对A TM交换器的控制，以实现连接管理、端口管理、统计管理、配置管理和事件管理等，IETF在RFC1987定义了GSMP。

2.ATM交换器

A TM交换器实际上就是去掉了ATM高层信令（AAL以上）、寻址、选路等软件，并具有GSMP处理功能的A TM交换机。它们的硬件结构相同，只存在软件上的差异。

六、IP交换的工作原理

1.几个重要的概念

（1）流

流是IP交换中的基本概念，IP交换是基于数据流驱动的。在IP交换中将流分为两类，一种是端口到端口的流，另一种是主机到主机的流。前者是具有相同源IP地址、源端口号、目的IP地址和目的端口号的一个IP数据分组序列，被称为IP交换中的第一种类型的流，识别出这一类型的流，实际上就识别出了相同的一对主机之间的不同的应用；后者具有相同源IP地址、目的IP地址的一个IP数据分组序列，被称为IP交换中的第二种类型的流。

（2）输入输出端口

IP交换网的输入输出端口是指数据流进入和离开IP交换网络的点，即边缘IP交换机，边缘IP交换机主要完成以下的功能：

●为进入和离开IP交换网的数据流提供默认缺省的分组转发

●根据数据流的特性申请建立、参与维护和释放第二层交换路径

●入口能判断到达分组头的有关标记，对到来的数据流进行拆解，并将相应的流放到对应的交换通道上

●出口将二层送来的数据重新组合成原来的IP分组数据流，并在第三层上转发

（3）直通连接

直通连接是在二层上建立的传输通道，它旁路了中间结点的三层功能，在该通道上经过的每个中间结点不再有如同三层上的存储转发，它是由数据流驱动请求建立的，可提供一定的QoS，当直通连接因故障中断时，分组仍能在第三层进行转发而不被丢失。

2、IP交换的工作原理

IP交换的工作过程可分为这样四个阶段：

（1）对默认信道上传来的数据分组进行存储转发

在系统开始运行时，IP数据分组被封装在信元中，通过默认通道传送到IP交换机。当封装了IP分组数据的信元到达IP交换控制器后，被重新组合成IP数据分组，在第三层按照传统的IP选路方式，进行存储转发，然后再被拆成信元在默认通道上进行传送。如图（a）所示。

（a

）默认操作

（b ）向上游节点发改向消息

上游节点下游节

上游节点下游节点

（c ）收到下游节点的改向消息上游节点下游节点（c ）直通连接

上游节点下游节

图IP 交换的过程

（2）向上游节点发送改向消息

在对从默认信道传来的分组进行存储转发时，IP 交换控制器中的流判识软件要对数据

流进行判别，以确定是否建立A TM 直通连接。对于连续的、业务量大的数据流，则建立ATM

直通连接，进行A TM 交换式传输；对于持续时间短的、业务量小的数据流，则仍采用传统

的IP 存储转发方式。当需要建立A TM 直通连接时，则从该数据流输入的端口上分配一个空

闲的VCI ，并向上游节点发送IFMP 的改向消息，通知上游节点将属于该流的IP 数据分组

在指定端口的VC 上传送到IP 交换机。上游IP 交换机收到IFMP 的改向消息后，开始把指

定流的信元在相应VC 上进行传送。如图（b ）所示。

（3）收到下游节点的改向消息

在同一个IP 交换网内，各个交换节点对流的判识方法是一致的，因此IP 交换机也会

收到下游节点要求建立A TM 直通连接的IFMP 改向消息，改向消息含有数据流标识和下游

节点分配的VCI 。随后，IP 交换机将属于该数据流的信元在此VC 上传送到下游节点。如图

（c ）所示。

（4）在ATM 直通连接上传送分组

IP 交换机检测到流在输入端口指定的VCI 上传送过来，并收到下游节点分配的VCI 后，

IP 交换控制器通过GSMP 消息指示A TM 控制器，建立相应输入和输出端口的入出VCI 的

连接，这样就建立起A TM 直通连接，属于该数据流的信元就会在ATM 连接上以ATM 交换

机的速度在IP 交换机中转发。如图（d ）所示。