（通信与信息系统专业论文）无线通信系统层二交换研究.pdf

摘要 随着以太网的应用越来越广泛，对网络性能的要求也越来越高。层二交换技 术作为以太网中的一个关键技术，对以太网的性能至关重要。本文基于无线通信 基站系统的研发项目，对系统中的层二交换模块的驱动程序进行了设计与实现。 论文首先分析了无线通信基站子系统层二交换的硬件平台及软件系统结构， 对层二交换关键技术协议包括v l a n 技术、优先级管理技术、组播技术和生成树 技术等进行了深入的分析，并研究了这些技术对层二交换性能的影响。然后在硬 件平台基础上设计了层二交换模块的驱动程序，并对驱动程序作了功能测试。 论文所设计的驱动程序基于具体层二交换芯片，能够对层二交换涉及的几项 关键技术协议提供很好的支持，该设计已成功应用于商用g s m 基站子系统。 关键词：层二交换层二交换芯片驱动程序 a b s t r a c t w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no ft h ee t h e r n e t ，t h er e q u i r e m e n to ft h en e t w o r k p e r f o r m a n c eb e c o m e sh i g h e ra n dh i g h e r b e i n go n e o ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g yo f t h ee t h e m e t ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h el a y e r2s w i t c h i n gi sv e r yi m p o r t a n tt ot h ee t h e m e t t h i st h e s i sr e s e a r c h e do nt h ed e v i c ed r i v e rf o rt h el a y e r2s w i t c hm o d u l eo ft h eb a s e t r a n s c e i v e rs t a t i o ni naw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m f i r s t ，t h eh a r d w a r ep l a t f o r ma n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r eo f t h el a y e rt w os w i t c h i n gi n t h ew i r e l e s sb a s es t a t i o ns u b s y s t e m ( b s s ) a r ea n a l y z e d t h ek e yt e c h n i q u ep r o t o c o l si n l a y e r2s w i t c h i n g ，s u c ha sv l a n ，p r i o r i t ym a n a g e m e n ts k i l l s ，m u l t i c a s tm e c h a n i s m ， s p a n n i n gt r e et e c h n o l o g y ，a r es t u d i e di n d e t a i lw i t ht h ei m p a c to ft h ea p p l i c a t i o no f t h e s et e c h n i q u e so nt h es w i t c h i n gp r o p e r t i e s t h e nt h ed r i v e rs o f t w a r eo ft h el a y e r2 s w i t c hm o d e li sd e s i g n e di n t h i st h e s i sb a s e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m a tl a s tt h e f u n c t i o n a lt e s ti sc a r r i e do u tt ot h ed e v i c ed r i v e r t h ed e v i c ed r i v e rw a sd e s i g n e dh e r eb a s e do nt h el a y e r2s w i t c h i n gc h i p ，w i t c h s u p p o r t e dt h et e c h n o l o g i e so ft h el a y e r2s w i t c h i n gw e l l i t h a sa l s ob e e nu s e di n e o m m e r c i a lg s mb a s es t a t i o ns u b s y s t e ms u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：l a y e r2s w i t c h i n gl a y e r 2s w i t c hc h i pd e v i c e d r i v e r 独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 日期翻l 鹾 日期塑2 ：呈：! y 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文背景及意义 以太网( e t h e m e t ) 技术是在2 0 世纪7 0 年代初发展起来的一种局域网( l a n ) 技术。它最早是在1 9 7 3 年由x e r o x 公司的p a r c ( p a l oa l t or e s e a r c hc e n t e r ，即帕 克研究中心) 提出，并于1 9 7 5 年研制成功。而后从1 9 7 9 年到1 9 8 2 年，由d e c 、i n t e l 和x e r o x 三家公司联合制定了以太网最初的技术规范d i x ( 取三家公司名字的首个 字母) ，也就是1 0 m b 以太网“蓝皮书 。以此为基础形成了i e e e8 0 2 3 标准，从 此以后i e e e8 0 2 委员会就成了以太网标准的主要制订者。在以后3 0 年中以太网技术 不断发展，成为迄今最广泛应用的局域网技术，同时也产生了多种技术标准。1 9 9 5 年，i e e e 正式通过8 0 2 3 u 快速以太网( 即百兆以太网) 标准，以太网技术实现了第 一次飞跃。1 9 9 8 年8 0 2 3 z 于兆以太网标准、2 0 0 2 年8 0 2 3 a e 万兆以太网标准的正式发 布，是以太网的第二次和第三次飞跃。从上世纪9 0 年代以来，以太网得到了前所 未有的规模应用【l j 。 由于以太网技术具有共享性、开放性、结构简单、算法简洁、良好的兼容性 和平滑升级功能，并且传输带宽也在大幅提升，所以，以太网技术成为当今最重 要的一种局域网建网技术，在全球数据网络中，以太网在数量上占有绝对的优势。 同时随着千兆以太网的成熟和万兆以太网的出现，加上在低成本光纤上直接架构 千兆网和万兆网技术的成熟( o p t i c a le t h e m e t ) ，以及一些新的相关标准及协议， 如快速生成树( 8 0 2 1 w ) 、v l a n ( v i r t u a ll o c a la r e an e t w o r k ，即虚拟局域网) 等的出现，以太网的应用领域已开始逐步扩展到城域网( m a n ，m e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k ) 和广域网( w a n ，w i d ea r e a n e t w o r k ) 领域。 以太网的广泛应用推动了以太网交换技术的发展。由于以太网技术的物理层 采用了c s m c d ( c a r d e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 机制，该 机制在同一物理网段上只允许一个站点在某一时刻发送数据，其它站点在该时刻 只能进行监听。当同一物理网段上的两个站点或多个站点欲同时发送数据时，便 会产生冲突。所以同一物理网段上的站点越多，产生冲突的概率越大，网络带宽 的利用率也随之下降。为减少冲突的概率，可以利用网桥或第二层交换机将一个 较大的网络划分为若干个较小的物理网段。第二层交换设备具有m a c 地址学习能 力，可以将站点的m a c 地址与该站点所连接的端口等信息记录在m a c 地址表中。 当第二层交换设备收到数据包后将数据包从与其目的m a c 地址对应的端口发送出 去。第二层交换设备可以有效的分割冲突域，大大提高了网络带宽的利用率。随 无线通信系统层二交换研究 着网络规模的逐渐扩大和对网络性能要求的提高，许多新的第二层交换( 以下简 称层二交换) 技术也不断涌现出来，这些技术包括v l a n 技术、优先级管理技术、 组播技术、生成树技术和速率控制技术等。 随着以太网层二交换技术的成熟，基于这些交换技术的网络产品也得到越来 越广泛的应用。无线通信在现代信息社会的地位越来越重要，这些层二交换技术 在无线通信系统中的发展和应用必将在更深层次上推动整个社会的信息化变革， 并能进一步巩固无线通信系统在通信网络中的统治地位。 1 2 国内外研究现状 层二交换最早应用是在1 9 9 3 年，当时的交换机运行在数据链路层，因此被称 作层二交换机，它可以访问m a c ( 介质访问层) 地址，作出帧转发的决策，同时 构筑自己的转发表。第二层交换机的应用使网络带宽得以提高，并为传输图像音 频等信号提供了技术基础【l l 。 目前，层二交换技术已经成熟。从硬件上看，层二交换机的接口模块都是通 过高速背板总线( 速率可高达几十g b p s ) 交换数据的，层二交换机一般都含有专 门用于处理数据包转发的a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 芯片，因此 转发速度可以做到非常快。 层二交换机主要用在小型局域网中，终端数量在二、三十台以下，这样的网 络环境下，广播包影响不大，层二交换机的快速交换功能、多个接入端口和低廉 价格，为小型网络用户提供了完善的解决方案。 总之，交换式局域网技术使专用的带宽为用户所独享，极大地提高了局域网 传输的效率。可以说，在网络系统集成的技术中，直接面向用户的层二交换技术， 已得到了令人满意的答案。 到了1 9 9 7 年，基于路由的交换机出现了，它引进了对第二层帧处理进行优化 的a s i c 专用集成电路，可以根据一台外部路由器所创建的路由表以线速传输i p 信 息流，同时，传统路由器的使用使传统协议得到支持，路由速度有了较大的提高。 不久以后，真正意义上的第三层交换机推出了，它被靠近客户机布置，能提供刻 度级的流量模式控制，并使数据传输速度明显提高，同时它还支持多种路由协议。 在其新的a s i c 中内置了帧处理器，可以完成网络层的部分功能，使a s i c 更加灵活、 易扩展。近年来，第四层交换机也在逐渐进入市场，它采用传输层信息作出转发 决策，根据端口号构造转发数据库，它在要求资源平衡的网络中发挥了重要的作 用。交换技术在不断地发展，将来要发展到什么地步，很难以定论，但可以肯定， o s i 七层网络模型的每一层都是可以实现的【3 】。 第一章绪论 1 3 论文的主要工作及结构安排 本文的工作基于华为技术公司的无线通信系统中的基站子系统开发项目，层 二交换在基站收发信台( b t s ) 系统中起着十分重要的作用。本文首先从分析层二 交换硬件及软件结构入手，然后引入层二交换原理及硬件及软件平台涉及的几项 层二交换关键技术协议。所完成的主要工作如下： 1 分析基站收发信台层二交换系统的硬件及软件结构。 2 详细分析硬件及软件系统涉及的层二交换关键技术与协议，包括v l a n 技 术、优先级管理技术、组播支持技术、生成树技术等。 3 设计了层二交换模块的硬件驱动程序，并对所设计的层二交换模块几项关 键的功能驱动进行了测试。 本文共分为六个部分： 第一章绪论部分，首先简述了课题的背景及意义，然后对层二交换及交换技 术的研究现状进行论述，最后介绍了本文的主要工作及章节安排。 第二章分析了本论文涉及的层二交换硬件平台及软件系统结构。 第三章对硬件及软件系统涉及的几项层二交换关键技术协议进行了详细的分 析，包括v l a n 技术、优先级管理技术、组播支持技术、生成树技术等。 第四章基于交换硬件平台设计出了交换模块的各项功能驱动，主要包括系统 的输入输出、初始化及各项层二交换关键技术的功能驱动设计。 第五章针对第四章设计的层二交换模块功能驱动程序进行了简要的测试，以 验证设计的正确性。 第六章对本文作了总结。 第二章层二交换硬件平台及软件系统结构 第二章层二交换硬件平台及软件系统结构 层二交换是由硬件完成的交换，硬件的性能直接影响交换的性能，驱动软件 的设计是本论文的主要工作。本论文采用的层二交换硬件平台是位于g s m 基站子 系统基站收发信台基带单元中的传输板， 进行分析，包括各部分完成的具体功能， 系统结构。 本章首先对g s m 基站子系统的系统框架 然后分析传输板交换模块的硬件和软件 2 1g s m 基站子系统系统框架 基站子系统( b s s ，b a s es t a t i o ns u b s y s t e m ) 在g s m 网络的固定部分和无线部 分之间提供中继，一方面b s s 通过无线接口直接与移动台实现通信连接，另一方面 b s s 又连接到网络端的移动交换机。b s s 可分为两部分，通过无线接口与移动台相 连的基站收发信台( b t s ，b a s et r a n s c e i v e rs t a t i o n ) 和另一侧与交换机相连的基站 控制器( b s c ，b a s es t a t i o nc o m r o l l e r ) ，b t s 负责无线传输，b s c 负责控制与管 理。b s s 是由一个b s c 与一个或多个b t s 组成的，一个基站控制器根据话务量需要 可以控制数十个b t s ，b t s 可以直接与b s c 相连，也可通过基站接口设备b i e 与远 端的b s c 相连拉j 。基站子系统还应包括码型变换器( t c ) 和子复用设备( s m ) ， 图2 1 是一种典型的b s s 结构。 u m 图2 1g s m 基站子系统结构 a 基站收发信台( b t s ) 属于基站子系统( b s s ) 的无线部分，受控于基站控制 器，是服务于某个小区的无线收发信设备，完成b s c 与无线信道之间的转换，实现 b t s 与m s 之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。 b t s 包括无线收发信机和天线，此外还有与无线接口相关的信号处理电路。信 6 无线通信系统层二交换研究 号处理电路将实现多址复用所需的帧和时隙的形成和管理，以及为改善无线传输 所需的信道编、解码和加密、解密，速率适配等功能。b t s 主要分为基带单元、载 频单元及控制单元三大部分。基带单元，主要用于必要的话音和数据的速率适配 以及信道编码等；载频单元，主要用于调制解调与发射机接收机之间的耦合；公 共控制单元，主要用于b t s 的操作与维护。 在图2 1 中的m s c ( m o b i l es w i t c h i n gc e n t e r ) 即移动交换中心是整个g s m 网络 的核心，它控制所有b s c 的业务，提供交换功能及和系统内其它功能的连接，m s c 可以直接提供或通过移动网关g m s c 提供和公共电话交换网( p s t n ) 、综合业务 数字网( i s d n ) 、公共数据网( p d n ) 等固定网的接口功能，把移动用户与移动 用户、移动用户和固定网用户互相连接起来。 2 2 层二交换系统的硬件平台 本文采用的层二交换系统的硬件平台是位于基站收发信台( b t s ) 基带处理单 元的传输板，传输板完成基带数据的传输功能，b t s 内各个传输单板之间的通信由 其各自的层二交换模块完成，交换模块结构图如图2 2 所示。 图2 2 传输单板层二交换系统组成结构 在图2 2 的硬件结构中，交换模块的核心交换芯片采用了b r o a d c o m 公司的 层二交换芯片b c m 5 3 x x ( 考虑到实习公司的保密要求，这里隐去了具体的芯片型 号) ，该交换芯片通过m d i o ( m a n a g e m e n td a t ai n p u t o u t p u t ，管理数据输入输出) 接口与控制模块c p u 相连，交换芯片的8 个s e r d e s ( s e r i a l i a z e r d e s e r i a l i z e r ，串行 反串行化器) 端口与背板相连。所有需要发往其它单板的数据都要进入此交换芯 片以寻找出端口。 作为外部管理模块的c p u 通过m d i o 接口与交换芯片进行通信，从而实现对交 换机内部各种寄存器的读写，另外交换芯片的管理信息也可通过i m p ( i n d e p e n d e n t 第二章层二交换硬件平台及软件系统结构 m a n a g e m e n tp o r t ，独立管理端1 3 ) 端口发送至j j c p u 。单板内需要发往其它单板的 数据从i m p 口进入交换芯片，通过交换选择合适的s e r d e s 端口发送到背板，最终数 据经过背板的总线到达其它单板上，从而完成整个层二交换过程。 所用的交换芯片是一个集成了高速交换系统必备的所有功能，包括包缓冲、 媒体接入控制、地址管理和一个无阻塞的交换控制器。适用于i e e e8 0 2 3 、i e e e 8 0 2 3 u 、i e e e8 0 2 3 a b 和i e e e8 0 2 3 x 规范，包括m a c 控制和自协商部分，提供对所 有工业标准以太网、快速以太网和吉比特以太网的兼容性。它有以下特征【l9 】： 1 8 个1 0 1 0 0 1 0 0 0 m b p s 的s e r d e s 端e l ； 2 内置1 2 8 k b 的缓存，用于存放报文数据、a r l 表、v l a n 表和发送队列等； 3 一个1 0 0 0 1 0 0 1 0m b p s 的管理端口( i m p 端1 3 ) ，可以直接连接至i j c p u 或 其它管理设备，用于管理信息的转发； 4 支持地址管理功能，能够自动进行地址学习与老化： 5 支持存放多达4 k 个单播地址表； 6 支持长达9 7 2 8 字节的超长帧； 7 支持端口镜像功能； 8 支持基于端口的v l a n 和4 k 个i e e e8 0 2 1 q 标记的v l a n 表项； 9 支持基于端口、区分服务、m a c 地址和i e e e8 0 2 1 p 的q o s 管理功能： 1 0 每个端口支持最多4 个优先级队列，出端口提供w r r 调度算法来进行队列 的调度； 1 1 支持生成树协议； 1 2 持基于m a c 的链路聚合。 2 3 1 软件系统总体结构 2 3 软件系统结构 此交换模块的软件主要有三部分构成：操作系统、上层协议和驱动程序，如 图2 3 所示。 操作系统采用广泛应用的实时操作系统v x w o r k s ，用以提供中断、多任务调度 等方面的支持。v x w o r k s 是一款功能强大而且比较复杂的操作系统，包括了进程管 理、存储管理、设备管理、文件系统管理、网络协议及系统应用等几个部分。它 以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛应用在通信、军事、航空、航天等高精 尖技术及实时性要求极高的领域中【2 引。 软件组成结构中的上层协议部分完成协议栈的管理和调用底层驱动程序对交 换硬件进行配置。协议栈包括了v l a n 协议( 8 0 2 1 q ) 、生成树协议( 8 0 2 1 w ) 、 8 无线通信系统层二交换研究 链路聚合( 8 0 2 3 a d ) 、优先级管理协议( 8 0 2 1 p ) 及组管理协议( i g m ps n o o p i n g ) 等。 驱动程序主要起到沟通上层协议与底层硬件的功能。驱动程序的设计是本论 文完成的主要工作，关于它的详细结构将在下一节中加以介绍。 2 3 2 驱动程序结构 图2 3 交换模块软件体系结构 驱动程序可分为两个层次，底层部分主要实现了设备的输入、输出，上层部 分按照功能又分成若干个模块，驱动程序结构如图2 4 所示。 p o r t ，v l a n ，q o s ，p o r ta g g r e g a t i o n ，r a t ec o n t r o l ，p o r t 各个功能模块 m i r r o r i n g ，i g m ps n o o p i n g 设备输入、输出 s p i ，m d i oi n t e r f a c e 图2 4 驱动程序结构 交换芯片提供了多种输入、输出的方法以对各个寄存器进行设置。对内部寄 存器的访问既可以通过s p i 接口，也可以通过m d i o 接口。 上层部分实现了端口模式设置、a 砌。表配置、v l a n 设置、q o s 配置等功能。 层二交换软件系统结构包括位于上层的交换协议和底层的交换硬件驱动程 序，交换协议部分采用的是华为公司开发的通用协议栈，该协议栈提供对v l a n 、 优先级管理、生成树和组播等技术协议的支持。驱动程序的设计基于硬件平台， 同时也需要对层二交换技术协议具有较深入的认识，下一章节将首先对一些交换 模块涉及的层二交换的关键技术协议进行较为详细的分析。 笫三章层二交换关键技术协议分析 第三章层二交换关键技术协议分析 随着网络规模的不断扩大，传统的层二交换技术的局限性也越来越明显，为 了解决层二交换中普遍存在的问题，引入新的层二交换技术是十分迫切的。如为 解决交换网络中的广播风暴和冲突域的问题引入了v l a n 技术，为解决不同数据信 息的服务等级问题引入了优先级管理技术等。本章将首先对层二交换的原理进行 论述，然后分析了几个后续出现的层二交换的关键技术协议其中对v l a n 技术、 优先级管理技术、组播技术、生成树技术协议等进行较为详细的分析，对端口镜 像、端口聚合、端口流控技术等作了简要的论述。 3 1 层二交换的原理及特点 局域网交换是对传统l a n 技术的一次本质革命。在传统以太网环境中，终端 通过挂在同一条电缆上相互连接起来( 或者通过集线器连接在一起) 。这条电缆 作为各工作站的一个共同的传输介质被所有连接在上面的工作站所共享。但由于 它是共享介质，在一个时刻只允许一个工作站发送数据。在以太网中，采用带有 冲突检测的载波监听多路访问( c s m a ，c d ，c a r d e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sc o l l i s i o n d e t e c t ) 协议来保证在任何时候只有一个工作站能够获得共享总线的控制权。在图 3l 描述了共享l a n 的结构，在连接域中的四个工作站共享一个共同的传输介质， 但同时只能一个工作站传输数据，其它工作站必须等待，即这三个工作站在同一 个冲突域中i 。 工作站 画 z z 送 + 图3 i 共享式l a n 但这种共享式l a n 存在明显的缺点，即随着业务量和终端用户的增加，会导 画 无线通信系统层二交换研究 致较低的同络利用率。最好的解决办法是l a n 分段，减少每个网段上的工作站的 数量( 每个网段即为一个冲突域) ，最好是每个网段只有一个工作站，从而使共 享l a n 的冲突域缩小。在局域网交换技术产生以前，通常采用网桥或路由嚣进行 网段的划分，这虽然在某种程度上会改善带宽问题，但方面会增加投资和维护 费用另一方面效果并不明显且缺乏灵活性。 使用第二层交换技术完全改变了其享式l a n 中存在的最大的弊病首先，层 二交换技术能够轻松将一个l a n 分段成多个网段并且每个网段只有一个工作站， 这种方式被称为微分段( m i c r os e g m e n t a t i o n ) ，微分段在工作组级别提供了更大的 带宽和更好的性能。同时层二交换技术能够将通信能力由半双工扩展成全双工， 可以使工作站能使用全部的可用带宽同时发送和接收数据。 层二交换技术不仪仪能够通过把冲突域缩小成只包含一个终端，让终端独占 该链路段带宽来提高网络的传输速率，而且还能通过虚拟局域网技术( v l a n ) 、 多媒体应用支持、远程监测( r m o n ) 、基于策略控制等多种功能，把网络建成 能够对信息漉自动分类、对不同信息流实施小同服务级别、高度容错、自动诊断、 管理方便这样一个智能型的刚络。也i f 是因为层二交换技术的诸多优点。所以以 太网交换机得到了越来越广的应用。图32 中对交换式l a n 进行了说明，图中每个 工作站连接到l a n 交换机的一个端口上，并且给予每个端口全双工的带宽。 嘲段1 圄 圄 州段4 删段2 圄 h 段3 圄 圄 叫段6 豳32 交换式l a n 在现代的网络系统中，层二交换是基于m a c 地址的交换，层二交换设备检测 从以太网端口来的数据包的源和目的m a c 地址，并将分组数据的源地址与端口号 一起保存在一个地址蜡口对应表的高速缓存嚣中同时，交换机也将检测分 组的目的地址，并试图在地址一靖口缓存中寻找其匹配的出口。其完成交换的基 li圄 第三章层二交换关键技术协议分析 本原理如下： 1 接收网段上的所有数据帧； 2 利用接收数据帧中的源m a c 地址来建立m a c 地址表； 3 在m a c 地址表中查找数据帧中的目的m a c 地址，如果找到就将该数据帧 发送到相应的端口，如果找不到，就向所有端口发送； 4 使用地址自动学习和老化机制进行地址表的维护。 地址学习过程如下：当交换设备在端口上收到一个帧，然后检验帧中的源m a c 地址是否在地址表中有相应的映射关系，若没有找到它将把这个源m a c 地址及其 源端口号添加到表中。如果在地址表中存在相应的表项，则对源端口进行比较， 如果是不同的则更新地址表项【2 9 1 。 地址表的老化机制用于定期删除不用的地址表项以释放它占用的地址表资 源。 结合前面的分析可以看出，层二交换使用交换技术把网段微化，允许并行交 换，提升网络有效带宽方面的优势是显而易见的。除了这些主要优点层二交换还 有如下优点：时延短、延伸网络传输直径、安全性和可管理性。但是，当层二交 换机收到一个数据帧时，如果目的m a c 地址不能在其地址表中被找到，交换机就 会像收到一个广播数据帧一样，把该数据帧“扩散 到网上的所有端口，这又使 网络从“交换 回转到“介质共享”的广播方式，降低了网络的整体效率。这正 是传统层二交换机的弱点所在。 为了克服层二交换技术无法对数据帧“扩散”进行有效控制的缺点，产生了虚拟 局域网( v l a n ) 技术。v l a n 技术将网络逻辑地分成多个子网( 子广播区) ，在 某一子广播区中的广播帧被限制到只能在本广播区中传送，不会传送到其它广播 区里。这样，网络的广播信息自然就会得到控制。 随着以太网技术的发展，一系列的交换技术也随之出现并得到广泛的应用。 主要的层二交换技术包括：i e e e8 0 2 1 d 生成树协议；i e e e8 0 2 1 q 虚拟局域网技术； i e e e8 0 2 1 p 优先级管理技术；组播支持技术，包括i g m ps n o o p i n g 协议及i e e e 8 0 2 1p 组播动态注册协议( g a r p g m r p ，g e n e r i ca t t r i b u t er e g i s t r a t i o np r o t o c o l g a r pm u l t i c a s tr e g i s t r a t i o np r o t o c 0 1 ) ，在下面将对这些技术进行详细的分析。 3 2v l a n 技术 v l a n 是为解决以太网的广播问题和安全性而提出的一种协议，它在以太网帧 的基础上增加了v l a n 头，用v l a ni d 把用户划分为更小的工作组，限制不同工作 组间的用户二层互访，每个工作组就是一个虚拟局域网。虚拟局域网的好处是可 以限制广播范围，并能够形成虚拟工作组，动态管理网络【2 们。下面将对v l a n 的定 无线通信系统层二交换研究 义、工作原理及分类等进行详细的分析。 一、v l a n 的定义 v l a n 是用特定的技术将一组位于不同物理网段上的用户和服务器从逻辑上 划分成的终端站组，使得这些用户和服务器之间的通信行为就像将它们从物理上 直接连在一起。 当前几乎所有的厂商的交换机都支持v l a n 。由于历史原因很多厂商提供了专 用的v l a n 解决方案，由于没有统一的标准，这就导致这些厂商的交换设备互联非 常困难。而8 0 2 1 qv l a n 标准的出现解决了这个问题，它使不同厂商的交换设备 的互联成为可能。 二、v l a n 的设计思想及工作原理 v l a n 技术将广播信息限制在单个v l a n 内，交换机处理来自某v l a n 的广播 信息时，只在是该v l a n 成员的端口上转发广播报文，而不是该v l a n 成员的端口 上将过滤广播报文，避免将广播信息发送到不必要的网段上，从而实现广播域的 隔离，避免了全网广播造成的带宽浪费。 v l a n 技术将同一v l a n 内的通信流量( 单播帧、多播帧、广播帧) 经第二层 交换设备的转发完成，因此速度极快。这里所用的第二层交换设备必须是具备 v l a n 功能的设备，比如，能够对接收的帧的v l a n 属性进行判断，在交换芯片内 具有存放v l a n 信息的数据结构，能够对v l a n 标记帧做特殊的处理等。为了更好 的利用v l a n 内通信效率高、安全性好等特点，在网络配置时通常将相互通信量大 的网段划分在一个v l a n 中，尽可能将网络通信控制在同一v l a n 内。不同v l a n 在第二层是互不相通的，从第二层的角度上可以看作完全的隔离。可是在网络中 仍然存在着不同v l a n 之间通信的需要，例如客户机n 务器模式。因此通常的解 决办法是使用第三层路由技术将各v l a n 连接起来，这种方法和i p 子网间使用路由 技术的原理有些类似。一个v l a n 是一个广播域，而一个i p 子网也是一个广播域。 也可以将一个口子网划分为一个v l a n ，i p 子网间通过路由设备互联【3 2 】。 三、v l a n 技术的优点 v l a n 技术的应用主要有以下好处： 1 提高网络的性能，有效控制广播域的大小 通常广播数据包会扩散至全网，当网络规模过大时会因碰撞过多而严重影响 网络的性能。v l a n 技术可以将广播数据包限制在一个v l a n 内部，而不会扩散到 其它v l a n 中。 2 提高可管理性，降低了移动和改变的代价 虚拟子网的功能和作用与传统物理上分成的子网相同，不同的是虚拟子网中 的成员与其物理位置和连接无关。当一个用户从交换式网络中的一个位置移到另 一个位置，它的网络属性通常不需要重新配置。 第三章层二交换关键技术协议分析 3 提高安全性 不同v l a n 的端口不能相互访问，数据只能在v l n 内的端口之间交换数据。因 此，通过划分v l a n ，就可以在物理上防止某些非授权用户访问敏感数据。当v l a n 之间需要通信时，必须经过第三层路由，这时可以在第三层路由进行访问控制， 增加了安全性。 四、v l a n 的分类及性能分析 对v l a n 的类型有多种划分方法如基于端口的v l a n 、基于m a c 地址的 v l a n 和基于协议的v l a n 等。不同类型的v l a n 各有优缺点在实际中可根据具 体情况选择一种或多种，将v l a n 的性能发挥到最佳。下面简要描述几种常见的 v l a n 类型口”。 1 基于端口的v l a n 基于端口的v l a n 划分方法是v l a n 的划分以交换设备的端口为单位一个 v l a n 对应于交换设备的一组端口。v l a n 内的通信在这组指定的端口范围内进 行并限制与其它端口的连通，基于端口的v l a n 如图33 所示。 朗，3 基于端口的v l a n 最初的基于端口的v l a n 的实施都用成组的交换端口定义v l a n 成员，并且在 最初实现时v l a n 只支持单个交换机，例如同一个交换机的端q 0 、3 、5 和6 构成 v l a nl ，而端口l 、2 、4 和7 构成v l a n 2 。 第二代基于端口的v l a n 的实现支持v l a n 可以跨多个交换机，例如a 交换机 的端) n o 、l 、3 和b 交换机的4 、5 、6 、7 构成v l a nl ，而a 交换机的2 、4 、5 、6 、7 和b 交换机的0 、l 、2 、3 构成v l a n 2 。 基于端口的v l a n 配置很方便，但是有很大的局限性，例如当一个用户从一个 端口移动到另一个端口的时候，网络管理员必须重新配置v l a n 成员。 无线通信系统层二交换研究 2 基于m a c 地址的v l a n 基于m a c 地址( 介质访问控制地址) 的v l a n 划分方法是根据每个主机的m a c 地址来划分，即将具有指定m a c 地址的主机配置到指定的v l a n 中。因为m a c 地 址是固定在主机的网卡中，因此基于m a c 地址的v l a n 可以让主机在网内移动到 不同的物理位置的同时让该主机自动地保留在原来的v l a n 中，这样，基于m a c 地址定义的v l a n 可以被看作是基于用户的v l a n 基于m a c 地址的v l a n 如图3 4 所示。 囝，4 基于m a c 地址的v l a n 但是，基于m a c 地址定义v l a n 这种划分方法必须将所有的主机都在最初被 初始化配置在至少一个v l a n 中只有当完成初始化配簧操作后，基于m a c 地址 的v l a n i 动跟踪移动的主机才有可能实现，如果是在比较大的局域网中，要求有 数干个主机都必须被明确地配置到指定的v l a n 的情况下，初始化配置v l a n 的缺 点便显露出来，因为这样工作量太大了。 总结起来，基于m a c 地址划分v l a n 这种方法的优点和缺点如下： 优点： ( i ) 移动方便，因为m a c 地址决定t v l a n 成员的身份而m a c 由主机的 网卡决定。主机可自由移动到交换网络的任意位置，网络配置可以保 持不变，v l a n 成员身份不变。 ( 2 )交抉机转发速度快，因为二层交换机仅处理第二层的m a c 地址信息和 v l a n 标记。 缺点： ( 1 )无法隔离广播域，比如当一个v l a n 的成员均匀分布在交换机的每个 基揣 萨址匿 厂上i一 第三章层二交换关键技术协议分析 端口上，该v l a n 内的每次广播无异于全网广播，网络性能严重下降。 ( 2 )网络初始化时，网络管理员必须对每台主机的m a c 地址指定其v l a n 属性，对于大型网络工作量巨大。 ( 3 ) 主机更换网卡，m a c 地址改变，必须重新为其配置v l a n 成员属性。 ( 4 )网络安全性低，无法防止v l a n 外用户窃听v l a n 中的广播信息。 由于上述的缺点，基于m a c 的v l a n 应用较少。 3 基于协议的v l a n 基于协议的v l a n 划分是根据主机的协议类型来确定v l a n 的成员关系，一个 v l a n 对应于一组使用相同协议的主机。 基于协议信息的v l a n 划分有如下优点： ( 1 )主机移动方便，不需要更改网络配置。 ( 2 ) 交换机处理简单，因为以太网帧中协议类型字段表明了v l a n 成员信 息，所以交换机仅仅处理第二层信息，转发速度快。 ( 3 ) 它可以用协议类型来区分。这对基于业务的网络管理极为有用。 相应地，基于协议信息的v l a n 划分具有如下缺点： ( 1 )和基于m a c 地址的v l a n 类似，不能隔离广播，网络性能不高。这也 使得网络不安全，无法防止v l a n 成员身份假冒和v l a n 内广播帧的窃 听。 ( 2 ) 基于协议的v l a n 主要适用于多协议的网络女i d e c n e t 、a p p l et a l k 、i p x 等，应用不广。 五、v l a n 的帧标记技术 v l a n 技术的引入，在报文格式上也作出了修改，产生两种类型的帧： 1 u n t a g g e d 帧，指报文中不含v l a n 标记的帧。 2 v l a n t a g g e d 帧，指报文中含有v l a n 标识的帧。这样的帧隶属于报文中 的v l a n 标识对应的v l a n 。在8 0 2 1 q 中定义了v l a n t a g g e d 帧的报文 格式，如图3 5 所示【4 1 。 对以太网而言，t p i d 值为0 x 8 1 0 0 ，即在以太网中代表该帧是8 0 2 1 qv l a n t a g g e d 类型的帧。在v l a n t a g g e d 帧中，用户优先级为3 b i t ，定义了帧在数据链 路层的优先级。c f i 用于标识m a c 地址信息是否规范，对以太帧而言，该b i t 始终为 o 。报文使用1 2 b i t 的v l a n 标识，所以8 0 2 1 q 中共支持4 0 9 6 个v l a n ( 实际为4 0 9 4 ， 因为0 与4 0 9 5 为保留值，不能用于v l a n 标识) 。 无线通信系统层二交换研究 3 b i tl b i t1 2 b i t 图3 5 i e e e 8 0 2 1 q 帧格式 3 3 优先级管理技术 在局域网交换机中，多种业务队列允许数据包优先级存在。较高优先级 的业务可以在不受较低优先级业务的影响下通过交换机，减少对诸如话音或 视频等对时间敏感业务的延迟事故。 3 3 1 优先级管理技术的基本原理 优先级管理技术是建立在流量分类与标记技术和队列技术基础之上的。 流量分类就是将流量划分为多个优先级或多个服务类，如使用i p 报文头的t o s ( t y p eo fs e r v i c e ，服务类型) 字段的前三位( 即i p 优先级) 来标记报文，可以将 报文最多分成2 3 = 8 类；若使用d s c p ( d i f f e r e m i a t e ds e r v i c ec o d ep o i n t ，区分服务 编码点，t o s 域的前6 位) ，则最多可分成2 6 = 6 4 类。在报文分类后，就可以将q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ，即服务质量) 特性应用到不同的分类，实现基于类的拥塞管 理、流量整形等。 队列技术是将所有要从一个接口发出的报文进入多个队列，按照各个队列的 优先级进行处理。这样，在出接口发生拥塞时，通过适当的队列调度机制，可以 优先保证某种类型报文的q o s 参数，例如带宽、时延、抖动等。这里所说的队列是 指出队列，其作用是在接口有能力发送报文之前先将报文在内存中保留下来，直 到接口可以继续发送报文，所以队列调度机制都是在出端口发生拥塞情况下产生 作用，队列调度的另外一个主要作用是将报文重新排序( f i f o 除外) 。不同的队 列调度算法用来解决不同的问题，并产生不同的效果，常用的队列调度技术有 f i f o 、p q 、w f q 、w r r 等，下面将简要论述以下这些常用队列技术的基本原理【3 1 1 。 1 f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ，先进先出) 队列调度示意图如图3 6 所示： 第三章层二交换关键技术协议分析 1 7 如图3 6 所示，f i f o 队列不对报文进行分类，当报文进入接口的速度大于接口 能发送的速度时，f i f o 按报文到达接口的先后顺序让报文进入队列，同时，f i f o 在队列的出口让报文按进队的顺序出队，先进的报文将先出队，后进的报文将后 出队。 囹圆黔 需要此接口 发送的报文 队列 二三 溉囹紧急报文 次紧急报文 出队调度 j 能收到相应的多插流，而非多播成员则不会收到相应的多播 流，如图3 1 2 所示。除了建立和维护组播组外，i g m ps n o o p i n g 坼议对收到的i g h 心 报文进行转发，此时交换机就相当于一个代理实体的功能：对主机，它的角色就 相当于路由器，因为从路由器发来的i g m p 查询报文由它来转发给主机：对路由罂 它又相当于主机的角色，因为主机向路由嚣发送的报告和离开报文都由它来向路 由器转发。 d 樊