（信号与信息处理专业论文）向量网交换机的设计及硬件仿真.pdf

中文摘要 摘要：随着计算机技术突飞猛进的发展，话音、数据与多媒体融合业务的需求与日俱 增。但就目前情形来看，无论是哪一种网络，都难以满足人们对在任何时间，任何地 点，以任何方式通信的渴望。人们期待一种新的网络来解决目前网络面临的诸多问题， 于是下一代网络成为各国关注的焦点，而作为网络中的关键技术，下一代交换技术的 研究也理所应当地成为了课题的重中之重。 当前的互联网以口网为基础，其路由交换技术存在着诸多问题。其一，路由器 功能过于复杂，难以实现高效数据转发；其二，作为面向无连接的网络，口网不能保 证q o s 。此外，i p 地址枯竭的难题也难以得到根本的解决。在分析了m 网交换体制 的弱点之后，我们提出了向量网的概念。向量网是一种集各种网络优点于一身的全新 的网络体系架构，首先，它秉承了下一代网络业务与呼叫控制分离，呼叫控制与承载 分离的思想，提高了网络运行效率；其次，向量网采用可变长的地址编码方法，解决 了地址枯竭的问题。此外，向量网对于接入控制、q o s 、移动、多播等技术都提出了 明确的解决方案。 本文重点关注向量网的路由交换技术，在分析了口网路由交换体制的缺点以及 下一代网络交换技术的要求后，提出了向量网的地址编码方法以及数据交换过程。向 量网将路由和交换功能分离，路由模块负责路由，维护网络拓扑结构，而交换模块只 负责根据特定路径转发数据包。在编码方式上，向量网采用数据传输路径上的设备输 出端口号组成的序列作为其交换地址，在交换方式上，向量网采用类似“源路由”的方 法进行数据转发，不仅节省了传统路由器每步转发时的查表操作，而且可以在网络出 现故障时迅速更换备用通信路径，使用户损失降到最低，极大地保障了用户的q o s 。 在理论分析之后，本文根据向量网交换机的设计思想搭建了硬件仿真平台。以 m c s 5 1 单片机模拟向量交换机，并编写了相应的交换程序和串行通信程序，实现了 向量交换思想的验证。 关键词：下一代网络；向量网；交换技术；m c s 一5 1 ；串口通信 分类号： 北京交通大学硕士学位论文 abstract a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h er a p i dp r o g r e s so fc o m p u t e rs c i e n c e ，i n t e r g r a t i o no fs p e e c h ，d a t a a sw e l la sm u l t i - m e d i ab u s i n e s si su r g e n t l yn e e d e d h o w e v e r , i nc u r r e n ts i t u a t i o n ，n o n e o ft h e s en e t w o r ki sa b l et om e e tp e o p l e st h i r s tf o rc o m m u n i c a t i n ga ta n yt i m e ，i na n y s p a c e ，u s i n ga n ym o d e ，t h u sa n e wk i n do fn e t w o r ki si m m i n e n t l ye x p e c t e dt os o l v et h e v a r i o u sp r o b l e m sf a c e db yc u r r e n to n e a sar e s u l t ，t h en g n ( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ) b e c o m eaf o c u sa l la r o u n dt h ew o r l d ，w h i l et h en e x tg e n e r a t i o ns w i t c h i n gt e c h n i q u e u n d o u b t l yb e c o m e st h ek e yo ft h er e s e a r c h c u r r e n tn e t w o r ki sb a s e do ni p , i nw h i c ht h er o u t i n ga n ds w i t c h i n gt e c h n i q u eh a s m a n yp r o b l e m si ni t f i r s t l y , t h ef u n c t i o no fr o u t e r si so v e r - c o m p l e x ，w h i c hi sh a r dt o r e a l i z ee f f i c i e n td a t at r a n s m i s s i o n ；s e c o n d l y , a sc o n n e c t l e s so r i e n t e dn e t w o r k ，i pc a n t e n s u r eq o s b e s i d e s ，t h ep r o b l e mo fa d d r e s sd r y i n g u pc a n tb eu n t i m a t e l ys o l v e d a f t e ra n a l y z i n gt h ed e f e c to fs w i t c h i n gs y s t e mi ni v , t h ec o n c e p t i o no fv e c t o rn e ti sp u t f o r w a r d v e c t o rn e ti san e wk i n do fn e t w o r kw h i c hi n t e r g r a t e st h em e r i t so fa l lc u r r e n t n e t w o r k f i r s t l y , i ti n h e r i t sn g n si d e ao ft w os e p a r a t i o n ：s e p a r a t i o no fb u s i n e s sa n d c a l l i n gc o n t r o la n ds e p r a t i o no fc a l l i n gc o n t r o la n dt r a n s m i s s i o n ，w h i c hi m p r o v et h e n e t w o r ke f f i c i e n c yg r e a t l y ；s e c o n d l y , u s i n gv a r i a b l e l e n g t ha d d r e s sc o d i n gm e t h o d ， v e c t o rn e ts o l v e st h ea d d r e s sd r y i n gu pp r o b l e m b e s i d e s ，a i m i n ga ta c c e s sc o n t r o l ，q o s ， m o b i l i t y , m u l t i b r o a d c a s t ，v e c t o rn e ta l s op u tf o r w a r dc l e a rs o l u t i o n t h i se s s a yf o c u s e so nt h er o u t i n ga n ds w i t c h i n gt e c h n i q u eo fv e c t o rn e t a f t e r a n a l y z i n gd e f e c to fr o u t i n ga n ds w i t c h i n gt e c h n i q u eo fi pn e ta sw e l la st h er e q u i r e m e n t o fs w i t c h i n gt e c h n i q u ei nn g n ，c o d i n gm e t h o da n dd a t at r a n s m i s s i o np r o c e s sa r ep u t f o r w a r d v e c t o rn e ts e p a r a t e st h e r o u t i n ga n ds w i t c h i n gf u n c t i o n ，r o u t em o d u l ei s r e s p o n s i b l ef o rr o u t i n ga n dm a i n t a i n i n gt h en e t w o r kt o p o l o g y , w h i l es w i t c h e sc a l lo n l y t r a n s m i td a t ap a c k e ta c c o r d i n gt oa s s i g n e dr o u t e i nc o d i n gm e t h o d ，v e c t o rn e tu s i n gt h e s e q u e n c ec o m p o s e do fo u t p u tp o r to ft h ed e v i c e sp a s s e db yd a t aa si t ss w i t c h i n ga d d r e s s ； i ns w i t c h i n ga p p r o a c h ，t h ed a t at r a n s m i t t o np r o c e s so fv e c t o rn e ti ss i m i l a rt o s o u r c e r o u t i n g ”，w h i c h n o to n l yo m i t st a b l el o o k i n g - u pa t i o no p e r a t e da t e v e r yh o pi n t r a d i t i o n a lr o u t e r , b u ta l s oc a nc h a n g et os t a n d b yp a t hr a p i d l yw h e ne n c o u n t e r i n gn e t w o r kf a i l u r e , w h i c hl o w e ru s e r sl o s st ol e a s ta n de n s u r et h e i rq o sg r e a t l y a f t e rp r i n c i p a la n a l y s i s ，t h i se s s a yb u i l d sh a r d w a r es i m u l a t i o np l a t f o r ma c c o r d i n g t ot h ed e s i g ni d e ao fv e c t o rn e ts w i t c h t h em c s 一51i su s e dt oa n a l o gv e c t o rn e t s w i t c h ，t h r o u g hp r o g r a m i n go r r e s p o n d i n gs w i t c h i n gc o d ea n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n v u 北京交通人学硕士学位论文 abstrac t c o d e ，t h ev a l i d a t i o no ft h ei d e ao fv e c t o rn e ts w i t c hi sc o m p l e t e d k e y w o r d s ：n g n ：v e c t o rn e t ；s w i t c h i n gt e c h n i q u e ：m c s - 51 ：s e r i a lc o m m u n i c a t i o n c l a s s n 0 ： v l l i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：炙庸 导师签名： 名影笙 签字同期：2 口口g 年月工日 签字日期：1 78 年月夕日 北京交通大学硕士学位论文独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 贸倩 签字日期：二咖g 年月j 日 致谢 本论文的工作是在我的导师梁满贵教授的悉心指导下完成的，梁满贵教授严 谨的治学态度、科学的工作方法、渊博的学识、以及饱满的工作热情给了我极大 的帮助和影响。在研究生期间，梁满贵教授悉心指导我完成了实验室的科研工作， 在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向梁老师表示衷心的谢意。 感谢张金鑫博士在理论上和实践上都给予我很大帮助；感谢众多师兄师姐们， 他们在学习和生活上都给了我极大的支持；感谢李凌、王雪芬、甄茂松、解功及 诸位师弟师妹对我的支持和帮助，在实验室工作及撰写论文期间，他们对我的研 究工作给与了热情的帮助，与他们的合作、讨论与交流使我渡过了一段非常愉快 的时光。 感谢我的父母，他们在我做科研的过程中，一直给我莫大的支持和鼓励，他 们默默为我付出的关爱，是我一生都无法报答的。 感谢我的朋友们，他们始终对我充满信任和鼓励，他们的理解和支持使我能 够在学校专心完成我的学业。 最后，向所有给予我帮助、支持和关心的人表示衷心的感谢! 北京交通大学硕士学位论文序 序 现有的通信网，绝大多是都是交换式通信网，即网络以交换机为核心组建， 由于交换技术可以实现强大的寻址功能、信息处理功能，从而大大提高网络的稳 定性和灵活性，在未来的网络发展中，交换技术仍然会毋庸置疑地起着关键作用。 从1 8 9 8 年的第一台人工交换机到今天，交换技术已有1 0 0 多年的历史。随着 网络的演进和发展，交换技术也从承载单一业务的电路交换、报文交换、分组交 换，发展到承载多种业务的宽带交换。电话网中的交换机，功能相对简单，当用 户需要通信时，只需在通信双方之间建立一条临时的电路连接即可，不用对信息 进行差错检验和纠正；而在数据网中，数据业务突发量较大，且对差错敏感，因 此，交换机除了应具有基本的交换功能之外，还必须具有差错检验和流量控制等 功能，以确保数据的正确传输。 随着电信业和网络技术的迅猛发展，话音、数据和多媒体的融合已成为一种 必然趋势，在这种背景下，传统网络已难以满足人们的需求，于是下一代网络( n g n ) 的概念应运而生。下一代的网络，必将是一种宽带化，智能化，融合化的网络， 与此相应的交换技术也必然可以承载多种业务，并满足不同业务对服务质量的需 求。尽管n g n 的概念己被提出，但其本身的成熟和完善还需要一个漫长的过程， 目前，各国学者和专家都在积极努力地探索n g n 的实现形式，在这种背景下，本 文也提出了一种全新的n g n 解决方案向量网( v e c t o r - n e t ) 。 向量网是在综合分析了当前网络的种种弊端后被提出的，它秉承了n g n 的根 本思想，并集合了现有网络的优点。在编码方式上，它采用了一种独特的可变长 编码方式，从根本上解决了地址枯竭的问题；在交换方式上，它采用了类似“源 路由”的方法，从而大大提高了数据传输速度，保证了网络的稳定性。本文主要 着眼于向量网交换机的硬件仿真，详细介绍了向量网的概念，向量交换技术的原 理，以及向量网交换机的实现。 本文共分六章，第一章介绍了n g n 的研究背景，成果，及下一代交换技术的 研究方向；第二章分析了传统网络中路由交换体制的弊端，在此基础上提出了第 三层交换的概念并对第三层交换和向量网交换做了详细的比较；第三章提出了向 量网的概念，阐述了向量网的体系架构以及向量连接建立的途径；第四章详细分 析了向量网的路由交换体制，包括向量网的地址编码方法和路由交换过程；第五 章具体介绍了向量交换机各个模块的硬件电路设计，交换算法的实现，以及基于 w i n d o w s a p i 的用户界面的编写；第六章对整个论文进行总结，并提出了未来仍要 北京交通人学硕 士 学位论文序 进行的研究工作。 本论文的研究工作是在国家8 6 3 项目以及北京交通大学科技基金重点项目的 资助下完成的，其撰写得到了很多老师、同学和朋友的支持，特别是我的导师对 本文进行了细致的审校，通过讨论使我的知识水平有了更大提高，我在此对以上 人士和单位表示衷心的感谢。 1 引言 1 1 课题研究背景 1 引言 自1 8 7 6 年电话发明以来，通信得到了突飞猛进的发展。通信的目的是实现信息的 传递，当存在多个终端，并且其中任意两个都希望可以进行点对点通信时，交换机的出 现就成为了必然。 黔 参 黔 图1 用户通过交换机连接 f i g u r e1u s e r s c o n n e c t i o nt h r o u g hs w i t c h 如图1 所示，当任意两个用户之间要交换信息时，交换机将这两个用户的通信线 路连通。用户通信完毕，两个用户间的连线就断开。有了交换设备，n 个用户只需要n 对线就可以满足要求，极大地方便了电信网络的建设。 时至今日，现代通信已经深刻地影响了人类社会的方方面面。然而，随着计算机的 发展和互联网的兴起，现有通信网络逐渐暴露出其固有的局限性，已经越来越无法适应 新的形势，亟需加以变革和发展。交换机是通信网中不可缺少的重要组成部分，随着网 络的发展，交换技术也面临着极大的挑战，主要表现在两方面【l 】：一是传输链路的带宽 越来越高，路由器实现线速转发的难度越来越大；二是用户对i s p 网络的服务功能要求 越来越高，随着新的互联网应用不断开发，互联网不再是简单的连通工具，类似视频、 音频传输等新的应用要求互联网提供类似服务分类( c o s ) 、信息流工程等新的服务功能。 面对这些压力，创造出一种全新的交换技术已经迫在眉睫。 1 2 课题研究现状 北京交通大学硕士学位论文 从当前信息技术发展的潮流来看，建设高带宽、大容量、业务发展不受限的宽带网 络已经成为现代信息技术发展的必然趋势。于是，下一代网络【2 】，【3 1 州g n ) 的概念诞生了。 广义上的n g n 是一个宽泛的概念，蕴含着极其丰富的内容，几乎涵盖了现代电信 新技术和新思想的方方面面，不同角度看到的n g n 是不同的内容，不同场合谈论的 n g n 往往有不同所指： 从基础传送层面看，下一代网络是大容量的智能光网络； 从承载层面看，下一代网络是能够提供高速数据交换、有q o s 和安全保障的分 组网： 从接入层面看，下一代网络是多元化、综合化的宽带有线与无线结合的接入网； 从网络控制层面看，下一代网络是业务与交换分离，呼叫控制与连接控制分离 的网络； 从业务角度看，下一代网络是集话音、数据与多媒体业务，以及固定与移动业 务于一身的、开放的智能化多业务平台； 从移动通信的角度看，下一代网络是3 g 与后3 g 4 1 。 总之，下一代网络将向着分组化、宽带化、融合化和智能化的方向发展，期望通过 单一网络提供语音、数据、多媒体及移动业务，以降低网络的复杂度，并快速、灵活地 部署新业务；网络体系结构将趋于简单和开放，逐步形成分层化网络结构。业务融合、 网络融合、固定移动融合，以及运营融合等成为业界追逐的目标。然而，各运营商由 于具体情况的不同，在网络演进的时机和策略上尚存在分歧。 2 0 0 4 年2 月，i t u t s g l 3 会议给出了n g n 的基本定义：n g n 是基于分组技术的 网络，能够提供包括电信业务在内的多种业务；在业务相关功能与传送相关功能分类的 基础上，能够利用多种宽带、有q o s 支持能力的传送技术；能够为用户提供到多个运 营商的无限制接入；能够支持普遍的移动性，确保用户的一致的、普遍的业务提供能力。 为了适应这种需求，交换技术也在不断地发展和变革，基于下一代网络的交换技术 体现在以下三种思路上【5 1 ：软交换技术f 6 1 、m p l s 交换技术【刀以及光交换技术【引，它们分 别是针对于下一代网络控制层、承载层和物理传送层提出的解决方案。 ( 1 ) 软交换技术 2 0 世纪9 0 年代初，为了快速、灵活地为用户提供新业务，传统电路交换机的结构 发生了一次重大变化，即业务控制从交换中分离出来，但它的开放性不能满足多种异构 网络融合的需要，因此在9 0 年代后期又出现了交换机结构的第二次重大变化，即业务 与交换、呼叫控制与连接控制的分离，软交换技术就是这种分离方案的体现 9 1 。软交换 是一个开放的网络体系结构，它意在解决在异构网络环境下多业务交换的难题，为下一 代网络业务层面的控制技术提供解决方案。 软交换包括四个独立的层次：边缘接入层、核心传送层、控制层以及业务应用层。 2 1 引言 边缘接入层主要指与现有网络相关的各种网关或终端设备，完成各种类型的网 络或终端到核心层的接入，完成媒体处理的转换作用； 核心传送层利用骨干传输设备由分组交换网络实现传送，m p l s 交换技术即被 应用在此层； 控制层主要指软交换控制设备，负责呼叫处理、协议适配、认证计费、操作维 护等功能； 业务应用层主要面向用户提供各种应用和服务； ( 2 ) m p l s 交换技术 为了解决传统路由器所面临的问题，满足在互联网上的分组快速转发以及快速传递 的需求，两种思路被提出：其一是采用硬件提高路由器处理及转发分组的速度：其二是 利用路由器前后分组间的相关性，提高分组在整个互联网的传递速度。这就成为i p 与 a t m 技术相结合的出发点。在各种口与a t m 融合的技术中，m p l s ( 多协议标记交换) 技术目前最为完善，其主要设计目标和技术路线如下： ( a ) 提供一种通用的标记封装方法，使得它可以支持各种网络层协议( 主要是i p 协 议) ，同时能够在现存的各种分组网络上实现。 4 ( b ) 在骨干网上采用定长标记交换取代传统的路由转发，以解决目前i n t e r n e t 的路 由器瓶颈问题，并采用多层交换技术保持与传统路由技术的兼容性。 ( c ) 在骨干网中引入q o s 以及流量工程等技术，以解决目前i n t e m e t 服务质量无法 保证的问题，使得i p 网可以真正成为可靠的面向运营的综合业务服务网。 ( 3 ) 光交换技术 下一代网络是智能光网络( i o n ) 【l0 1 ，它利用光交换提供动态的点到点连接。光交换 的设计目标是使未来的网络直接在光域内实现信号的传输、交换、复用、路由选择、监 控，网内信号的流动没有光电转换的障碍，从而克服宽带通信网的“电子瓶颈”。在智 能光网络中，光层由大容量线路系统、光交换平台、可调设备和控制平台组成：大容量 线路系统能达到太比特每秒的速率量级；光交换平台能实现透明的全光交换和交换单个 光通路、成束光通路，以至整个线路系统的光纤，所以其扩展能力是空前的；可调设备 指可调光源、接收机、滤波器和波长转换器等，用以增加网络的灵活性，控制平台包括 允许节点交换控制信息的信令通道、允许节点快速建立和拆除端到端连接的协议、能更 改和维护网络拓扑结构的分布式数据库以及灵活的恢复机制。 智能光网络的目标是可以动态分配带宽，具有创建业务的软件组件，并可以将电交 换与光交换无缝结合。在未来的若干年内，电交换结构将会在管理、控制和确保灵活性 的边缘环境中充分发挥作用，而纯光交换结构将会在光纤和超高速业务流的核心交换中 广泛应用。 以上几种思路是国内外学者共同研究的结果，目前仍在积极地探索与完善之中。同 3 北京交通大学硕士学位论文 样，作为n g n 的研究人员，我们也在分析前人成果的基础上提出了一种全新的n g n 解决方案，即下一节要提出的向量网( v e c t o r - n e t ) 。 1 3 论文主要工作 本论文在分析研究n g n 的核心思想后，提出了向量网的概念。向量网完全符合 n g n 的设计思路，业务与交换分离，呼叫与连接分离。本文着重研究向量网的路由交 换体制，与m p l s 不同的是，向量网的交换体制延续了第一种设计思路，即用硬件实 现分组转发功能，同时又有所创新，省去了转发设备不断查询路由表的时间，大大提高 了数据转发速率。本论文在阐述向量网理论的基础上，详细介绍了其交换技术，并实现 了硬件级仿真。 论文主要做了以下方面的工作： ( 1 ) 介绍了向量网的体系结构和编码方法，在分析传统网络路由交换弊端的基础 上，提出了向量网的路由交换体制； ( 2 ) 搭建了向量交换机的硬件仿真平台，完成了主控模块，接1 3 模块和交换模块的 硬件设计； ( 3 ) 进行了向量交换算法的研究，并通过程序实现了向量交换的功能； ( 4 ) 在w i n d o w sa p i 接口的基础上，完成了p c 机端串口驱动程序的编写，提供了 友好的图形用户界面； ( 5 ) 在实验结果的基础上分析了向量交换的优势，并提出了课题今后的发展方向； 1 4 论文组织结构 本论文的组织结构如下： 第一章：介绍了下一代网络对交换技术的要求、国内外对交换技术的研究现状，以 及未来的发展趋势； 第二章：分析了当前网络中路由交换体制的原理及存在的弊端，在此基础上提出了 第三层交换的思想，并将第三层交换技术和向量网交换技术作了细致而深刻的比较； 第三章：提出了向量网的概念，阐述了向量网的地址设计思想、拓扑形成过程以及 向量连接建立的途径； 第四章：详细分析了向量网的路由交换体制，包括向量网的地址编码方法和路由交 换过程； 第五章：实现了向量交换机的硬件级仿真。具体阐述了向量交换机各个模块的硬件 电路设计，交换算法的实现，以及基于w i n d o w s a p i 的用户界面的编写； 4 1 引言 第六章：对整个论文进行总结。 5 2i p 网中的路由和交换体制 2i p 网中的路由和交换体制 “路由和“交换”可谓是网络中出现频率最高的词汇，尽管根本目的都是 实现数据的传送，但两者的概念有很大区别。交换一词最早出现于电话系统，特 指实现两个不同电话机之间话音信号的交换，完成该工作的设备就是电话交换机。 所以从本意上来讲，交换只是一种技术概念，即完成信号由设备入口到出口的转 发。因此，只要是和符合该定义的所有设备都可被称为交换设备。当“交换”一 词被用来描述数据网络第二层的设备时，实际指的是一个桥接设备；而当它被用 来描述数据网络第三层的设备时，又指的是一个路由设备。然而，在传统意义上， “交换 对应的是网络第二层，即实现子网内部的帧传输；而“路由 对应的是 网络第三层，即负责子网之间的计算机寻址、路径收集和数据传输。两者都可以 进行数据的转发，功能并没有严格的区分，本章即介绍传统意义上的交换和路由。 2 1i p 编址方式 不同的物理网络技术有不同的编址方式，不同的物理网络中的主机有不同的 物理地址。因此，为了做到不同的物理结构的互连互通，必须解决地址的统一问 题，即在互联网上采用全局统一的地址格式，为每一个子网，每一个主机分配一 个全网唯一的地址，为此，制定了i p 地址。 ( 1 ) 传统分类编址方式 当i p 在1 9 8 1 年9 月首次标准化时，要求连接在i p 网上的每个接口都必须被 分配一个3 2 位的地址】，这就是i p 地址的最早形式。其包括两个标识码( i d ) ，即 网络i d 和主机i d 。同一个网络上的所有主机都有一个网络i d ，网络上的每个主 机只有一个主机i d 与其对应。 i p 地址被划分为a 、e 这5 个不同的地址“类别”，地址空间也被划分为几个预 定义的组或类，因此通常称之为“有类别”编址方法。不同的地址类将网络号和主机 号的边界固定在3 2 位地址中的不同点上。如图2 所示，阴影部分代表网络号，空 白部分代表主机号。 7 北京交通人学硕士学位论文 a b c d e 地址范陶 1 2 8 0 0 o 1 9 1 2 5 5 2 5 5 2 5 5 1 9 2 0 0 m v 2 2 3 2 5 5 2 5 5 2 5 5 2 2 4 0 0 0 - - 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 2 4 0 0 0 0 - - - 2 5 5 2 5 5 2 5 5 2 5 5 图2i p 地址类 f i g u r e2c l a s so fl pa d d r e s s 传统的分类编址方式使得同一物理网络上的所有主机共享一个相同的网络前 缀网络i d 。路由器在互联网中选路时，只需检查目的地址的网络i d ，就可以 找到目的主机所在的物理网络。 ( 2 ) 子网编址方式 2 0 世纪8 0 年代，随着局域网的流行，地址空间愈发紧缺，一种新的地址扩展 被开发出来保存网络前缀，这种方法称为子网编址( s u b n e ta d d r e s s i n g ) t 1 2 】，它允许 多个物理地址共享一个前缀。子网划分是把一个单一的i p 网络地址划分为多个更 小的子网( s u b n e t ) 。其基本思想是将主机地址进一步细分为子网地址和主机地址。 以b 类i p 地址为例，其子网划分原理如图3 所示： i网络地址( 1 4 b i t ) l 子网地址( 8b i t ) l 主机地址( 8 b i t ) i 图3 子网划分的原理 f i g u r e 3p r i n c i p l eo fs u b n e td i v i s i o n ( 3 ) 无分类编址方式i d r 随着i n t e r n e t 的高速发展，口地址又一次面临被耗尽的危险，同时，路由器内 路由表的数量和尺寸也高速增长，降低了路由效率。于是在2 0 世纪9 0 年代，人 们设计出了另外一种扩展方式，即忽略分类层次并允许在任意位置进行前缀和后 缀之间的划分，这种方法称为无分类编址( c l a s s l e s s a d d r e s s i n g ) 】。 无分类编址的基本思想是对i p 地址不分类，用网络前缀代替原先的分类网络 i d ，前缀允许任意长度，而不是特定的8 、1 6 和2 4 位。无分类地址的表示方法为 2i p 网中的路由和交换体铝4 i p 地址加“”再加后缀，例如1 9 2 1 6 8 1 2 0 2 8 2 1 表示一个无分类地址，它有2 1 位网 络地址。对于路由表来讲，c i d r 把一块相邻接的地址在路由表中压缩成一个表项， 这样可以有效降低路由表快速膨胀的难题。 2 2 传统交换机的工作原理 这里所说的传统交换机即第二层交换机，也叫做局域网交换机。其通常有多 个端口，每个端口都具有桥接功能，可以连接一个局域网，也可以连接一个高性 能服务器。工作时，交换机读取分组的目的m a c 地址，查找端口m a c 地址映 射表，找到目的端口后，将它们直接转发至相应的端口。其端口m a c 地址之间 的映射表，通常都是由第二层交换机自动配置管理的。 2 2 1 交换结构 控制部分 转发部分 图4 第二层交换机功能结构不恿图 f i g u r e4s t r u c t u r ea n df u n c t i o no fs e c o n dl a y e rs w i t c h 交换机交换模块的物理结构主要有以下三种： ( 1 ) 交换矩阵。这种方式的交换机内部有一个空分的交换矩阵，它连接所有的 输入输出端口，交换矩阵可以同时在多对端口间建立并行交换通路。交换机监视 每个端口的状态，一旦有分组到达输入端口，交换机将根据目的m a c 地址查表确 定输出端口，然后建立两个端口间的交叉连接，传输数据。 ( 2 ) 总线结构。这种方式的交换机内部没有交换矩阵，而采用时分多路复用方 式让所有端口共享一条内部公共总线的带宽，所有端口均与该总线相连。该方式 需要为每端口配置专用缓冲区，同时总线的访问控制也采用a s i c 实现。与交换矩 9 北京交通人学硕士学位论文 阵方式相比，该方式能够实现更高的端口密度。 ( 3 ) 共享内存。该方式的交换机将所有的输入分组都先存入一个公共的缓冲 区中，然后再查表转发其到指定的端口。该结构在小型交换机中很常见，其优点 是便于同时支持不同类型和速率的局域网，缺点是内存管理复杂。 2 2 2 工作原理 目前大多数第二层交换机都支持i e e e8 0 2 委员会提出的透明网桥技术 ( t r a n s p a r e n tb r i d g i n g ) ，其主要特点是：无需网络管理人员人工干预，交换机可以通 过生成树计算、地址学习等机制获知网络中其它节点的地址信息，创建转发所需 的端口m a c 地址表。如图5 所示，其工作过程分为五部分： ( 1 ) 学( l e a r n i n g ) ：当交换机接收一个数据帧后，首先会检查此数据帧的源 m a c 地址，然后查看m a c _ 一端口地址表中有没有记录这个m a c 地址，如果没有 记录，就会将此m a c 地址记录在m a c 地址表中，这就是学习功能； ( 2 ) 洪泛( f l o o d i n g ) ：如果目标m a c 地址在m a c 地址表中没有记录，那么交 换机会向除接收端口以外的所有端口转发这个数据帧，这样所有的主机都能接收 到此数据帧，这就是洪泛。 ( 3 ) 过滤( f i l t e r i n g ) ：如果数据帧的源m a c 地址和目标m a c 地址所对应的端 口一样，即它们在同一网段中，交换机就不会对这个数据帧做转发，这就是过滤 功能。 ( 4 ) 转发( f o r w a r d i n g ) - 如果目标m a c 地址在m a c 地址表中有记录，则交换 机就会直接通过m a c 地址表中这个目标m a c 所对应的端口直接转发，这就是转 发功能。 ( 5 ) 老化( a g i n g ) ：为了提高内存的使用效率，减少查表时间，交换机为每一 个站点在转发表中建立一项，就会为该项分配一个时间戳，该时间戳代表了该项 的生命期，一旦生命期为零，该项将被清除。另一方面，该项对应的站点一旦有 分组传递，生命期将被更新，此过程称为老化。 l o 2i p 网中的路由和交换体制 图5 第二层交换机工作流程图 f i g u r e5w o r kf l o wo fs e c o n dl a y e rs w i t c h 2 3 传统路由器的工作原理 传统路由器即具有集中处理结构的、不涉及多层交换技术的、没有采用专用 a s i c 芯片的路由器。其工作于o s i 参考模型的下三层：物理层、数据链路层和网 络层，完成不同网络间的数据存储和转发。 2 3 1 功能结构 路由器主要完成两个功能： ( 1 ) 寻找去往目的网络的最佳路径，由路由协议完成； ( 2 ) 转发分组，即对每一个经过路由器的分组都需要经过一系列操作，包括转 发决策、交换分组、输出链路的调度等。 北京交通大学硕士学位论文 路由器通过端口与每个独立的子网相连。路由器从子网送过来的i p 分组中提 取出目的主机的p 地址，与子网掩码进行运算后获得目的口地址的网络号部分， 再根据口分组中目的i p 地址的网络号部分选择合适的端口，把i p 分组送出去。 图6 路由器的硬件结构 f i g u r e6h a r d w a r es t r u c t u r eo fr o u t e r 路由器的功能结构如图6 所示，它由控制部分和转发部分组成。转发部分由 端口、交换结构组成；控制部分由路由处理、路由表、路由协议组成。 端口是物理链路和分组的出、入口。其主要进行数据链路层的封装和解封 装； 交换结构是在多个端口之间提供分组转发的通路，它具有共享总线、共享 内存和空分交换开关三种物理结构。 路由处理器运行系统软件和各种路由协议，计算、维护和更新路由表。 2 3 2 工作原理 我们假定通过路由选择协议及路由选择算法在路由器中已经建立好了路由 表。下面介绍如何通过路由表对i p 分组进行转发。 1 2 2i p 网中的路由和交换体制 图7 路由器分组转发流程图 f i g u r e7 w o r kf l o wo fr o u t e r sg r o u p i n ga n df o r w a r dp r o c e s s 如图7 所示，当路由器转发i p 分组时，其只根据i p 分组的目的i p 地址的网， 络号部分选择合适的端口，把分组送出去。同时路由器要判定端口所接的是否 是目的子网，如果是，就直接把分组通过端口送到网络上，否则，也要选择下一 个路由器来传送分组。路由器也有它的缺省网关，用来传送目的地不知的i p 分组。 通过一级级传送，口分组最终将送到目的地，送不到目的地的i p 分组则被网络丢 弃。 2 4 第三层交换概述 第三层交换( l a y e r3s w i t c l l i n g ) 技术1 3 1 是指将第二层交换和第三层路由功能结 合起来的一种新技术，它既可以提供第二层交换的快速性，又可以提供第三层路 由的灵活性，实际上是一种多层交换技术。第三层交换技术出现在1 9 9 5 年后，其 主要的设计目标是：在保持第三层路由灵活性的基础上，解决传统路由器在高速 大业务流量环境下的性能瓶颈。 2 4 1 传统交换机和路由器的缺点 1 3 北京交通人学硕十学位论文 由前几节的介绍可以看出，在i p 网中，交换机和路由器并没有严格的功能区 分，它们都可以进行数据转发，只是工作的层次不同，同时也各有缺点。 传统交换机的主要缺点是：通过交换机互联的网络是一个平面网络，也就 是说，所有网段属于同一个广播域。由于不能利用i p 地址来帮助寻址，过滤广播 分组，因此当交换机不知道目的地址时，将向全网广播分组，这会造成广播风暴。 传统路由器的主要缺点在于： ( 1 ) 功能远较交换机复杂：路由器不仅要根据路由协议和路由算法计算通信路 径，维护路由表，还要在不同子网之间转发数据； ( 2 ) 基于软件的逐包式分组转发方式：由于p 网络是一个无连接型的网络，路 由器把任何一个收到的分组( 包括广播分组在内) 都看成一个与其它分组毫无关联 的独立分组，对其进行一次“拆打”处理。处理过程为：先进行“拆包”工作，将该分 组第二层的信息去掉，查看第三层信息( 主要指i p 地址) ：然后，以目的p 地址 为关键字查路由表确定分组转发的下一跳，再检查安全访问表；全部通过后，又 要进行“打包”工作，利用第二层信息重新封装分组，最后将该分组转发。这一过程 中，如果在路由表中查不到对应的网络地址，则路由器将向源地址主机返回一个 信息，并把这个分组丢掉。在分组转发过程中，即使某些分组的目的地址相同， 甚至属于同一个业务流，上述操作也会被重复执行，这导致路由器不可能具有很 高的吞吐量。 2 4 2 第三层交换的实现技术 第三层交换技术在设计时可以通过以下方法解决路由器的瓶颈问题： ( 1 ) 用硬件a s i c 来增强路由器的处理能力，主要是将最耗时的分组转发功能 用硬件处理； ( 2 ) 避免传统路由器对分组的重复解释。为减少路由次数，大多数第三层交换 技术均采用“路由一次，交换多次”的设计思路； ( 3 ) 尽量减少和限制特殊服务功能，它们往往对核心路由功能影响很大； 在设计时，各种策略往往互相配合使用，以改善服务性能，增强系统的可扩 展性。第三层交换可分为两个基本类型【1 4 】：报文到报文技术( p x p ) 和流交换技术 ( f s ) ，这两种方法的根本区别就在于是否每一个报文都要经历第三层处理，并且业 务流转发是基于第三层地址的。 ( 1 ) 报文到报文技术( p x p ) 。该技术的基本思路是尽可能地采用a s i c 硬件，以 实现线速率路由器性能。它对每一个分组都要进行第三层路由处理，然后基于第 三层地址转发。与传统路由器相比，由于数据转发和第二层协议处理均采用了a s i c 2i p 网中的路由和交换体制 处理，使得逐包式交换机可以达到线速交换。该方法的优点是没有采用新的协议 和专有技术，可以和现有网络设备完全兼容。典型的报文到报文交换机包括b a y 公司的a c c e l a r1 0 0 0 系列，3 c o r n 公司的c o r e b u i l d e r3 5 0 0 ，t o r r e n t 公司的i p 9 0 0 0 笙1 1 4 1 寸 o ( 2 ) 流交换技术( f s ) 。该技术的基本思路是尽可能地避免路由器对分组的逐个 处理。它通常按照传统路由器的工作方式处理第一个分组，并分析分组头，以确 定它是否标识了一个“流”，如果符合条件，则记忆其路由。建立路由以后，同一流 中的后续分组将直接基于第二层( 甚至第三层，取决于特定流交换技术的实现) 的目的地址或流标识进行交换，而不再进行逐包路由计算，从而提高转发效率。 因为后续分组无需路由选择而是直接交换，所以流方法又称为“直通路 由”( c u t t h r o u g hs w i t c h ) 技术。流交换需要两个技巧【b 】：第一个技巧是要识别第一 个报文的哪一个特征标识一个流，这个流可以使其余报文走捷径，即第二层路径； 第二个技巧是，一旦建立穿过网络的路径，就让流足够长以便利用捷径的优点。 怎样检测流、识别属于特定流的报文以及建立通过网络的流通路随实现机制的变 化而不同。目前出现了多种流交换技术，女1 1 3 c o m 公司的f a s t l p 1 6 1