（物理电子学专业论文）大容量mpls路由器交换控制系统研究与设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 i i i i l l u l i i 摘要 ，未来的网络应该是一个宽带、综合、智能化的网络，而m p l s ( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h ，多协议标签交换) 技术正是向这一目标演 迸的一项关键技术。m p l s 将传统的交换和路由结合起来，兼具了i p 技术的 灵活性、可扩展性和a t m 等硬件交换技术的高速、q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ， 服务质量) 、流量控制等性能。m p l s 技术不仪能够解决当前网络中存在的大 董问题( 如n 2 问题、带宽瓶颈、q o s 保证、组播等) ，而且能够实现许多崭 新的功能( 如流麓工程、显式路由等) ，怒一种理想的i p 骨干网络技术。少 本文首兔分析了m p l s 技术的提出背景、主凄特点及其独特的优势，并 简要分析了光互连在通信网络中的作用。然后介绍了m p l s 网络体系结构与 一些核心概念，并详细论述了m p l s 网络的核心模块一一交换结构，比较了 各种不周的交换结构的特点，随后给出了本实验蜜提出的一种新的基于反馈 的分组交换结构，通过比较表明，本实验室的这种结构具有更低的、可以跟 通信链路( 光纤) 相匹蒿已的信元丢失攀。在此结构基础上介绍了本实验室的 t e r a b i t s st t 级的m p l s 路由器的结构。按下来详细讨论了交换控制系统的 实现方案，完成了整个交换控制系统的逻辑电路设计及仿真。其高度并行的 寻径方式有效地降低了对硬件电路的速率要求。在此之廒完成了实验掇的设 计与调试，并给出了实际的波形。在全文的最后，对本文的研究工作逃幸亍了 简要的总结。 关键词：m p l s 、光互逐、信元、丢失率、交换结构、 黜裘 誊致蛔 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ef u t u r e t h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kh u s th a v es u c hc h a r a c t e r sa s b r o a d b a n d ，i n t e g r a t i o na n di n t e l l i g e n c e m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h ( m p l s ) i s j u s t t h e k e yt e c h n o l o g y t o w a r dt h i s o b j e c t m p l si n t e g r a t e dt h et r a d i t i o n a l s w i t c h i n g a n d r o u t i n gt e c h n o l o g y ，s o i tn o t o n l y h a dt h e a g i l i t y a n d e x p a n s i b i l i t y o fi p t e c h n o l o g y ，b u ta l s o h a ds u c ha d v a n t a g e sa s h i g hs p e e d ， q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) w h i c hb e l o n gt ot h eh a r d w a r es w i t c ht e c h n o l o g y w i t h t h eu s eo fm p l s ，al o to fp r o b l e m si nc u r r e n tn e t w o r k ( s u c ha sn 2 ，b a n d w i d t h b o t t l e n e c k ，q o s ，m u l t i c a s t ，e t c ) c o u l db cs o l v e d ，a n ds o m en e wa p p l i c a t i o n ( s u c h a st r a f f i ce n g i n e e r i n g ，e x p l i c i tr o u t i n g ) c o u l db e c o m e r e a l i t y i nt h i sp a p e r ，t h eb a c k g r o u n d ，c h a r a c t e r sa n dt h eu n i q u ea d v a n t a g e so fm p l s w e r ef i r s t l ya n a l y z e d t h e nt h ea r c h i t e c t u r ea n ds o m ek e yc o n c e p ti nm p l s n e t w o r kw e r ei n t r o d u c e d e s p e c i a l l y ，t h ec o r em o d u l ei nt h en e t w o r k ，s w i t c h i n g s t r u c t u r e w a sd e s c r i b e d i nd e t a i l s o m ed i f f e r e n tk i n d so f s w i t c h i n g a r c h i t e c t u r ew e r ec o m p a r e d a n dt h e nan e wp a c k e ts w i t c h i n ga r c h i t e c t u r e b a s e do nf e e d b a c kw a sp r e s e n t e d t h r o u g ht h ec o m p a r i s o n ，w ec a ns e et h a tt h i s s w i t c h i n ga r c h i t e c t u r eh a sm u c h l o w e rc e l ll o s sr a t ew h i c hm a t c h sw i t ht h el o s s r a t ei nc o m m u n i c a t i o nl i n k s ( o p t i c a lf i b e r s ) o nt h eb a s eo ft h i sa r c h i t e c t u r e ，a n e wt e r a b i t s sm p l sr o u t e rw a sp r e s e n t e d i nt h e f o l l o w i n gc h a p t e r ，t h e h a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n o ft h es w i t c hc o n t r o l s y s t e m i n t h i sr o u t e ri s d e t a i l e d l yd i s c u s s e d t h el o g i cc i r c u i td e s i g na n ds i m u l a t i o no fw h o l ec o n t r o l s y s t e mw a sd e s c r i b e d i n t h i s p a p e r t h eh i g hp a r a l l e lp a t h - h u n t i n g m e t h o d e f f e c t i v e l y r e d u c e dt h ed e m a n do nc i r c u i tr a t e b a s e do nt h ed e s i g n ，ad e m o p r i n t e d c i r c u i tb o a r d ( p c b ) i sp r o d u c e da n dd e b u g g e d ，o fc o u r s ew i t ht h e t e s t i n gw a v e f o r mp r e s e n t e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：m p l s ，o p t i c a l i n t e r c o n n e c t ，c e l l ，l o s sr a t e ，s w i t c hs t r u c t u r e ， p a t h h u n t i n g ，f e e d b a c k h 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 宽带网络的演进与m p l s 的提出1 随着互联网的迅猛发展，t c p i p 已经成为应用最为广泛的网络协议体 系，其支配地位已日趋明显。i p 网上的应用也日趋丰富，从最简单的文本、 简单图像的传送到i p 电话、视频会议、多媒体信息的传送等都可以通过i p 协议来实现，i p 协议已成为一种可承载多种业务的网络协议。有理由相 信，i p 将统治未来的通信网络。但是i p 是一个无连接的协议，主要采用尽力 传送( b e s te f f o r t ) 方式”1 。随着用户数量和业务量的增长，其局限性日益 显现，主要表现为：业务类型和应用场合受限，无法得到很好的q o s ( q u a l i t y o fs e r v i c e ，服务质量) 1 保证，主要支持数据业务，适用于教育与科研网： 传统路由器的处理能力受限，速度慢、吞吐量低；服务模式受限5 1 。 a t m “1 ( a s y n c h r o n o u st r a n s m i s s i o nm o d e ，异步传输模式) 则是电信 界为了实现宽带综合业务数字网( b - i s d n ) 而提出的一种面向连接的分组交 换技术，它克服了i p 原来设计的不足，其性能大大优于i p 。a t m 技术集中 了电路交换和分组交换的优点，具有可靠的q o s ( 服务质量) 来保证语音、 数据、图像、和多媒体信息的传输。同时还具有无级带宽分配、安全和自愈 能力强等优点。但由于a t m 交换系统过于复杂，而且a t m 交换机无法控制广 播信息，浪费了宝贵的网络资源。另外现在也不可能构建一个纯a t m 网络来 取代现有的数据通信网。因此，a t m 必须支持作为业务主流的i p 协议才能生 存 7 1 。 以a t m 为代表的交换技术和以i p 为代表的路由技术从最初的相互对 立、相互攻击走向了近年的相互协作、相互借鉴，直至将来的相互融合。在 当今的网络设计中二者都是核心技术，但二者各有优缺点。将交换机的高速 性能和路由器的控制功能结合起来，产生了第三层交换技术。所谓第三层交 换就是在保持交换的高速性能的基础上又拥有路由器的网络控制功能，或者 在保塑堕虫量笪同缝燕型垫鳇鲶萎，熊占墨麴蠹塞瑟慧，悫鎏琏能。 _ _ _ _ _ _ _ 一+ “。_ _ o _ o _ 。_ 1 _ _ ，_ _ _ ，_ _ _ ”一一一 l 华中科技大学硕士学位论文 第三层交换技术发展过程中，陆续出现了c p o a ( c l a s s i ci po v e ra t m ， a t m 上的传统i p ) ”1 、l a n e ( l o c a la r e an e t w o r ke m u l a t i o n ，局域网仿真) 、 m p o a ( m u l t i p r o t o c 0 lo v e ra t m ，a t m 上的多协议传输) ”1 、i p 交换、c s r ( c e l ls w i t c h i n g r o u t e r ，信元交换路山器) “”、a r i s ( a g g r e g a t e r o u t e - b a s e di ps w i t c h i n g ，基于汇聚路山的i p 交换) “、t a gs w i t c h i n g ( 标签交换技术) “”、m p l s ( m u l t i p r o e o c 0 1i a b e l s w t c h ，多协议标签交 换) 等技术。这些技术可分为两类，即重叠模型和集成模型。其中| j i 三种属 于重叠模型，后几种属于集成模型。 重叠模型的思路是将i p ( 第三层技术) 建立在a 1 、( 第二层技术) 之上， 两层协议完全独立，之间通过一系列协议【如n i t r p ( n e x th o pr e s o l u t i o n p r o t o c 0 1 ，下一跳解析协议) 、a r p ( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l ，地址解 析协议) 等】实现互通。这种方式只需在网络边缘进行协议和地址的转换， 无需对i p 和a t m 双方的技术和设备进行改动，是一种很自然的解决方案。 但由于i p 和a t m 二者本身的巨大差异，使得这种方式存在着很多问题。最 突出的问题就是扩展性的问题。在重叠方式c h 要为所有的节点建立全网状 连接，这会造成严重的n 2 问题，当网络规模增大时，这种开销将使网络无法 承受。而且重叠方式将整个网络分割成许多逻辑子网，子网间由一个中间路 由器而不是交换机进行连接，当流量很大时，这些路由器将成为带宽瓶颈。 另外，重叠模型要同时使用两套路由协议( i p 协议和a t m 协议) 和两套地址 ( i p 地址和a t m 地址) ，i p 层与a t m 层依赖于一系列复杂的协议与处理这些 协议的各种服务器，在i p 和a t m 层之n u 增m i l 了一个翻译层，这种复杂性不 仅降低了i p 分组传送的效率，还会影响网络的可靠性。 集成模型将a t m 和i p 视为对等层，只需要单一的i p 地址标识。在a t m 网络内使用现有的网络层路由协议来为i p 分纠上选择路由，抛弃了复杂的a t m 信令协议与地址解析协议。集成模型将1 p 层的路由功能和a t m 层的交换功 能结合起来，将网络单元统一成为具有标记交换功能的路由器( 标记交换路 由器) 。从而解决了重叠模型中存在的可扩展性问题。 1 9 9 6 年1 2 月，i e t f ( i n t e r n e te n g i t i e e r i n gt a s kf o r c e i n t e r n e t ? ：一 2 华中科技大学硕士学位论文 工程任务组) 结合各个厂家不同技术的特点，主要以c i s c o 公司的t a g s w i t c h i n g “”为基础成立了m p l s 工作组，提出了一系列的标准或草案，将 m p l s 作为第三层交换的标准。 m p l s 的基本思想是对协议堆栈进行简化，实现i p 和链路层媒体的紧密 结合，为实现各种高层业务提供一个简洁而高效的多协议技术平台。多协议 是指其上层协议和下层协议可以是当前网络种存在的各种协议( 如网络层协 议i p v 4 、i p v 6 、i p x 、a p p l e t a l k 、c l m p 等，下层协议a t m 、f r 等) 。m p l s 对分组进行分类，使用标签来标识属于同一转发类型的分组，在m p l s 网络 中使用标签来作为决定转发操作的唯一标志。m p l s 将网络层路由和标签交换 很好地结合在起。融合了基于拓扑的和基于流的技术。既保持了路由的灵 活性，又提高了路由器的转发效率。同时可以进行流量管理，满足q o s 的要 求。 1 p l s 技术具有如下一些主要特点：“ ( 1 ) m p l s 网络中分组转发基于定长标签，由此简化了转发机制，使得 转发路由器容量很容易设计扩展到t e r a b i t s s 量级。 ( 2 ) 充分采用原有的i p 路由，在此基础上加以改进，保证了m p l s 网 络路由具有灵活性的特点。 。 ( 3 ) 采纳a t m 的高效传输交换方式，抛弃了复杂的a t m 信令，无缝地 将i p 技术的优点融合到a t m 的高效硬件转发中去。 ( 4 ) m p l s 网络的数据传输和路由计算分开，是一种面向连接的传输技 术，能够提供有效的q o s 保证。 ( 5 ) m p l s 不但支持多种网络层技术，而且是一种与链路层无关技术： 它同时支持x 2 5 、帧中继、a t m 、p p p ( p e e r - p e e rp r o t o c o l ，端对端协议) 、 s d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ，同步数字体系) 、 w d m ( w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l y i n g ，波分复用) ，保证了多种网络的互 联互通，使得各种不同的网络传输技术在同个m p l s 平台上统一了起来。 ( 6 ) m p l s 支持大规模层次化的网络拓扑结构，具有极为优秀的网络扩 展性。 ， 华中科技大学硕士学位论文 ( 7 ) m p l s 的标签合并机制支持不同数据流的合并传输。 ( 8 ) m p l s 支持流量工程、c o s ( c l a s s0 fs e r v i c e ，服务类型) 、q o s 和 大规模的虚拟专用网。 ( 9 ) 吸取了a t m 标准化过程太慢所带来的一系列后遗症后，m p l s 的标 准化进程十分迅速。这是它能迅速普及成功的关键。 与当前其他网络技术相比，m p l s 具有如下的优势：4 1 ( 1 ) m p l s 在定长标签的严格匹配下简化了转发过程，而且这个转发的硬 件基础是便宜、成熟的a t m 交换技术，这大大减少了设备制造商的研发投资， 加快了m p l s 设备的面市时间和产品的成熟稳定性。 ( 2 ) 由于m p l s 将路由与分组转发从i p 网中分隔开来，这使得在m p l s 网中可以通过修正转发方法来推动路由技术演进：同时新的路由技术可以在 不间断网络运行的情况下直接应用到网络中。而不必改动现有路由器上的转 发技术，这是以前的各种网络技术不易做到的。 ( 3 ) m p l s 简化了a t m 与i p 的集成技术，推动了它们的统一，从而起到 了平衡用户在a t m 和i p 网上的巨大投资，消除了现有网络的n 2 因素的限制， 由此减少了网络维护成本和扩展性问题。 ( 4 ) m p l s 网中可以直接使用显式路由，这使得流量工程的应用变得大 为简单，增强了i p 网络流量控制和自愈能力，为支持更多的新业务提供了 保障：同时m p l s 在保证连接可靠性的条件下取消了专线连接的要求，使得 各种新业务可以在基于m p l s 的i p 上实现。 ( 5 ) m p l s 技术进_ 步促进了网络功能的划分，它将复杂的事务处理推 到网络边缘去完成，核心只负责完成传送功能，这有利于在一个大的网络中 维护i p 协议的扩展性。 ( 6 ) m p l s 网络中标签堆栈的使用将庞大的路由表变得很小，极大地改 善了路由扩展能力。 ( 7 ) m p l s 可用于多种链路层技术，做到对下层与上层的多协议，最大 限度地兼顾了原有的各种技术，保护了现有投资和网络资源。促进了网络互 联互通和网络的融合统一。 4 华中科技大学硕士学位论文 ( 8 ) m p l s 能够以无连接方式或显式路由的方式提供面向连接的业务， 这使得m p l s 适用于动态隧道技术，并能保障数据传输业务的0 0 s 需求。 ( 9 ) 在综合平台方面：m p l s 能成功地承载语音业务、数据业务、视频 业务等综合业务。 目前m p l s 的标准化工作还在进行当中，但有几十家公司宣布已生产出 - m p l s 产品或者可支持m p l s 。 1 2 光交换光互联是走向宽带、高速的必由之路“钉 各种应用和技术的出现对网络带宽的要求越来越高。随着光通信技术的 发展以及密集波分复用技术的应用，目前数据通信已经可以实现t e r a b i t s s 量级的传输。而网络的瓶颈主要是路由器的处理速度。为解决这一问题，我 们急需有大容量( t c r a b i t s s 量级) 的路由器来满足通信网络的需要。 目前的电交换系统( 基于电的交换背板) 是由大规模集成电路和互连电 子线路组成的，由于电子线路存在r l c 参数，使得传输带宽受到限制，会 带来信号的失真、畸变、时钟歪斜、串话、误码率高等问题。因此近些年， 开始研究自由空间微光学互连网，用光作为信息载体传输高速信息。自由空 间光互连网作为信息载体，在高速信息传输中具有如下优点： ( 1 ) 时间和空间带宽积近似为无穷大，信息传输无失真，无畸变： ( 2 ) 自由空间光互连网络作为信息载体传输信息，相互之间无串扰； ( 3 ) 互连密度大，互连数大； ( 4 ) 光作为信息载体，功耗很低，不随信号传输功率的增加而增加； t e r a b i t s s 量级路由器主要有两种方式： ( 1 ) 处理接口+ 全光交换背板，这种即真正意义上的全光路由器。 ( 2 ) 光电变换处理接口+ 全光交换背板，这种即光电混合路由器。 这两种体系中，全光交换背板可以采用自由空间光互连技术1 6 1 0 对全光路由器，关键是需要进行光路由，开发的关键技术包括：光波长 变换器，光逻辑门( 用于光缓冲器，目前对光信号一般是通过光纤延迟线f d l s 华中科技大学硕士学位论文 进行缓冲) ，波长识别交换机( w g s ) 等。这些目前还极不成熟，在完全进入全 光路由，交换前，般是通过第二种方式，即光电混合技术来设计t e r a b i t s s 路由器。 光电混合路由器还可以再分为两种： ( 1 ) 电接口提取出信号的头信息( 路由信息) ，转换为电信号进行路 由寻径、头信息更新等处理，利用获得的寻径信息控制信号的 数据信息( 仍然以光信号的形式) 通过自由空间光互连网络输出 到输出接口。可见这种方式下光电接1 3 只用于头信息的处理。 即：路由信息由电模块处理，数据信息在路由器内部以光的形 式进行交换。 ( 2 ) 电接口将光信号( 包括头信息和数据信息) 全部转换为电信号， 然后进行处理，将处理后的电信号转化为光信号，根据获得的 寻径信息控制光信号通过自由空间光互连网络输出到输出接 口。 第一种方式的一个缺点是：由于电处理速率相对较慢，因此需要对信号 中的数据信息( 光形式) 进行缓冲，这有待于有效的光缓冲器件的实现。或者 是将信号的头信息以低于数据信息的形式发送，使得头信号的处理( 电处理) 时间和数据信号( 光形式) 的到达同步，这又增加了复杂度。因此常用第二种 方来设计光电混合路由器，因为它通过将头信息和数据信息均转化为电信 号，不存在头信息和数据信息间的速率不匹配问题。本文的t e r a b i t s s 董级 m p l s 路由器即采用这种方案进行设计。 自由空间微光学互连主要用o e v l s i 灵巧象元实现，灵巧象元集成器 件包括三部分：( 1 ) 输入光信号接收部分，它将来自光互连交换网络的光信息 快速地转变为电信息，并交给c m o s 电路处理；( 2 ) 信号处理部分，c m o s 芯片 可以完成十分复杂的逻辑处理功能和缓冲存储功能；( 3 ) 输出光信号发射部 分，c m o s 芯片完成逻辑处理功能后将驱动相应的光调制象元和光发射象元， 快速完成电光的转换，将光信号输送到光互连交换网上进行传送。 目前c m o s s e e d 7 川剀器件是一种较成熟的灵巧像元技术，简单地说 _ - _ _ _ - _ - _ _ - _ - _ _ _ - _ _ _ 一 一 华中科技大学硕士学位论文 是将s i 基底的c m o s 电路和o a a s 基底的s e e d 单元通过倒装焊工艺结合起 来。c m o s s e e d 的一个特点是功耗较低，但由于s e e d 光敏面较小，需要 单模光纤耦合，同时c m o s - s e e d 是无源器件，需要有泵浦光源，因而需要 一套比较复杂的光学系统。 与之相比，v c s e l 9 “2 0 1 器件则具有定的优势。v c s e l 用作光输出 单元。v c s e l 与其它半导体激光器的根本区别是光束沿晶片垂直方向发射。 v c s e l 的一个优点是由于它的腔长较短，因而纵模间距可能大于有源材料 的增益带宽，从而获得单纵模特性；由于腔面垂直，器件的大小应不超过所 需光斑的尺寸，因此，v c s e l 所要求的芯片面积小于普通的电子器件( 一 般是3u m 3h m ) ；另外，这种器件可以设计为小数值孔径、圆形输出光束， 以便与光纤的模式匹配，从而无须额外的光学系统就可实现高效率的耦合； 最后，v c s e l 超平面的几何结构允许晶片级的测试，使其在并行处理和数 据链路应用中具有优势。 1 3 本课题的研究目的及意义 长期以来，市场需求和技术进步二者在人们生活中扮演着一种“双簧” 的角色。一方面，人们希望有更美好的生活，希望能得到更高质量的服务， 这就促使人们追求能够满足这一目标的技术，从而驱动了技术的进步；另一 方面，技术的进步又在人们面前展现了一副更具有诱惑力的蓝图，刺激者人 们提出更高标准的需求。在i t 产业中，这种现象表现得更加显著。正因为 如此，才带来了近年来i t 产业令人惊讶的飞速发展。 同样，m p l s 技术也是在这种市场需求和技术进步的共同作用的背景下 被提出来，并成为当前最令人关注的热点的。当前，欧美各国及东亚地区有关 通信厂商及研究部门都在加紧进行m p l s 的研究工作，并已推出了部分具有 m p l s 功能的设备。如l u c e n ta s c e n dc b x 5 0 0 、g x 5 5 0 、b - s t d x 9 0 0 0 系列a t m 交换机，可提供f p l s 功能；韩国迅通公司c e l l i n x 一6 0 7 0 具有m p l s 功能的 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = 等= = 2 霉, i l l i i i i ! 苎竺皇= 毒皇孽! ! = = = ! = 苎= ! = 苎! = a t m 交换机( 第三层以软件方式支持) ；c is c o 公司g s r l 2 0 1 6 交换式路由器： n e w b r i d g e 公司6 7 0 路由交换式；爱立信的新一代a x d3 0 la t m 交换机2 1 1 、 a x i s 4 0 交换机等支持m p l s 功能。推出m p l s 软件包的有c i s c o 、h a r r i s 、 f u t u r em p l s 、n o r t e l 、d a t ac o n n e c t 、y u n i p p e r 公司等。其中n o r t e l 称可 提供全面的m p l s 解决方案。有些厂家还宣称已设计出实现m p l s 功能的专用 芯片组，只待商机成熟便迅速推向市场。本实验室在自由空间微光学互连方 面取得了很大的成绩，在大容量光电m p l s 路由器的研制过程中也积累了丰 富的经验，并在此基础上提出了t e r a b i t s s 量级m p l s 路由器的系统方案， 并进行具体的设计工作。 交换系统是m p l s 路由器中的重要部件，它负责路由器对信元的转发。 设计一个交换系统的最关键的是选择交换结构的选择，交换结构将会影响到 交换系统的的价格、性能、吞吐量、可扩展性以及交换机设计的复杂性“”。 本课题的研究目的是探讨m p l s 路由器的交换体系结构，分析交换系统的结 构对其性能的影响，以及对交换控制系统进行详细的研究，并实现其具体的 电路设计与调试。通过本课题的研究，力求对m p l s 技术的某些方面进行比 较详细的阐述，为大容量光电m p l s 路由器的研制作出自己的贡献。 i 华中科技大学硕士学位论文 2 m p l s 路由器及其核心模块一一交换结构 2 im p l s 体系结构3 1 m p l s 网络模型结构如图2 1 所示，它与传统i p 网络的不同主要在于m p l s ，丸 蔓刮一l s r ( l a b e ls - i t c h r o u t e r ) 圆一l e r ( e d g e l a b e ls w i t c hr o u t e r ) 、一， 口 一c e ( c u s t o m e re n de q u i i l e n t ) 图2 im p l s 的网络结构 域中使用标签交换路由器( l s r ) ，域内部l s r 之间使用m p l s 协议进行通信， 在m p l s 域边缘由m p l s 边缘路由器( l e r ) 进行与传统i p 技术的匹配。 m p l s 技术的成功之处就在于它在无连接的i p 网络中引入了面向连接的 技术，利用标签交换机制来转发分组。其核心思想就是“边缘的路由，核心 的交换”。2 ”标签是m p l s 中的一项关键技术，它是一个简短的、具有固定长 度和本地意义的标识符，用以表示转发等价类( f e c ) 。转发等价类是一系列 具有某些共性的数据流集合，这些数据在转发过程中被l s r 以相同的方式进 行处理，正是从转发处理这个角度讲这些数据“等价”。事实上，可以将转 发等价类理解为一系列属性的集合，这些属性构成转发等价类的要素集合。 一般来说其要素包括地址前缀( a d d r e s sp r e f i x ) 和主机地址( h o s t a d d r e s s ) 。每个f e c 对应一条标签交换路径l s p 。固定标签长度虽然使传输 效率略有下降，但却以此换得了交换性能得很大提高。 9 篱 逗 华中科技大学硕士学位论文 m p l s 基本工作过程如下：( i ) l d p ( l a b e ld is t r i b u t i o np r o t o c o l ，标 签分发协议) 和传统路由协议( 开放最短路径优先协议等) 一起，在各个l s r 中为有业务需求的f e c ( f o r w a r d i n ge q u i v a l e n c ec l a s s ，转发等价类) 建立 路由表和标签映射表；( 2 ) 入口l e r 接受i p 分组，完成第三层功能，检查 i p 分组头中的相关字段，进行f e c 的分类，然后查找标签信息库( l i b ，l a b e l i n f o r m a t i o nb a s e ) 。获得相应的标签并将其分配给i p 分组，形成m p l s 标 签分组，分组经相应的输出端转发给下一站l s r 。( 3 ) 此后，在l s r 构成的 网络中，标签交换路径( l s p ，l a b e ls w i t c h e dp a t h ) 中的一系列l s r 不再 分析i p 分组头，只根据标签查找l i b ，决定下一跳，实现标签替换，完成转 发功能。( 4 ) 最后i p 分组到达出口l e r ，出口l e r 完成标签丢弃并转发。所 有这些f e c 的分类、标签的分配、分配结果的传输、l s p 的建立和维护均由 标签分发协议l d p 来完成。标签交换过程如图2 2 所示。 l e r l s r l s rl e r 伊 l a b e l o u t i 。t l n e ：。 l 2 图2 2m p l s 标签交换过程 m p l s 标签交换路由器( l s r ) “”是m p l s 网络中的基本元素，其结构如 图2 3 所示“”。它分控制单元和转发单元两个部分：控制单元主要负责标 签的分配、路由的选择j 标签转发表的建立、标签交换路径的建立、拆除等： 转发单元则根据标签转发表对收到的标签分组进行转发。这种控制单元与转 发单元的分离一方面有利于现有的a t m 交换设备向m p l sl s r 的演进( 只需 在a t m 交换结构上安装m p l s 控制软件，即可完成升级) ：另一方面，对于m p l s 技术本身的演进与升级也是十分有利的。这种结构正是将i p 技术和a t m 技 术完美结合在一起的基础。l s r 中的路由协议单元可以使用任何一种现有的 路由协议，如o s p f ( o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ，开放最短路径优先) ，b g p ( b o r d e rg a t e w a yp r o t o c o l 边界网关协议) 等，其工作就是生成路由表。 一_ 。一 l0 华中科技大学硕士学位论文 图2 3 标签交换路由器结构 在各l s r 之间通过一条信令专用的标签交换路径l s p 来传输各种信令消息， 这些消息使用t c p i p 的连接与消息格式，l s r 收到这些消息后送至l d p 单元 进行处理，l d p 单元结合路由协议单元生成的路由表，生成标签信息库。而 下层的交换单元则根据这一标签信息库生成标签转发信息库l f i b ( l a b e l f o r w a r d i n gi n f o r m a t i o nb a s e ) 。l f i b 是m p l s 转发的关键，其中的内容包 括：入标签、转发等价类、出标签、出界面、出封装方式等。边缘路由器l e r 主要完成连接m p l s 域和非m p l s 域以及不同m p l s 域的功能，并实现对业务 进行分类、分发标签( 作为出口l e r 时) 、剥去标签等功能；它甚至可以完 成确定业务类型，实现策略管理，实现流量工程控制等工作。 标签分发协议l d p “是m p l s 的控制与信令协议，是m p l s 技术的核心。 它的功能主要包括：( 1 ) m p l s 的信令与控制协议；( 2 ) 发布标签与f e c 等的 映射；( 3 ) 传递路由信息：( 4 ) 建立与维护标签交换路径。其操作程序按时 间顺序可分为四个阶段： ( 1 ) 发现阶段：宣布和维护l s r 在网络中的存在； ( 2 ) 会话阶段：建立和维护l d p 对等体之间的会话； ( 3 ) 公布阶段( a d v e r t i s e m e n t ) ：完成标签赋值( a l l o c a t i o n ) ； ( 4 ) 通知阶段：用于错误报告。 1l 华中科技大学硕士学位论文 2 2 各种交换体系结构及其比较 根据其拓扑结构，目前交换结构总的说来可以分为三大类：时分交换结 构、空分交换结构以及波分交换结构。 时分结构是指所有的输入输出端口共享一条高速总线，整个交换系统的 容量由此共享通道的吞吐量所限制，且一般不能扩展。 波分结构是指信号通过不同的波长，选择不同的网络通路来实现。波分 交换网络由波长复用解复用器、波长选择空间开关和波长转换器组成。这种 方式的优势十分明显，就是充分挖掘了光纤的带宽潜力，但是实用的器件在 一段时间内还很难实现。 空分结构是指在输入端口和输出端口之间有多条通道，不同的信元可以 在不同的通道上同时进行交换。空分结构具有较好的扩展性，交换机性能可 以随着端口的增加而提高，由于其端口不必竞争单一的共享资源，所以在理 论上空分交换结构可以容纳很多的端口。但是其硬件复杂度较高，而且对路 由控制的要求很高。因而实际交换机的规模会收到物理条件( 成本、互联限 制、同步考虑、芯片引脚数) 的制约。从目前来看，空分结构是最适合用于 核心路由器的交换结构。 空分交换结构又可根据其拓扑结构大致分为两类：单路径结构和多路径 结构。所谓单路径结构是指由任一输入端到任一输出端只存在一条可以到达 的路径。而多路径则是在任一输入端和输出端之间存在着多条路径，与单路 径相比，多路径结构在性能上有所改善，但是相应的路由选择更加复杂一些。 典型的单路径网络有： ( 1 )交叉开关矩阵( c r o s s b a r ) 一个n x n 的c r o s s b a r 结构如图2 4 所示。每一输入和输出的相交点 有一个开关，可控制从该输入来的信元是否传往此输出端，每个开关对 应着一对输入输出端口，也即对应着一条交换路径。c r o s s b a r 网络最大 的优点在于它是严格无阻塞网络。然而c r o s s b a r 网络的扩展性较差。交 叉模块的数量随所要求的输入端口数量增加而以n 2 量级增长，这就限 。_ _ _ _ 。_ ”_ _ _ _ _ _ _ 一 12 华中科技大学硕士学位论文 制了扩展型交换模块的规模，因此一般最多能达到6 4 x 6 4 或更高一点的 n 图2 4c r o s s b a r 交换网络 1 2 8 x 1 2 8 规模。 ( 2 ) k n o c k o u t 交换网络n ” k n o c k o u t 交换网络是由y e h 等人在1 9 8 7 年提出的一种的严格无阻 塞的交换结构，实际是对c r o s s b a r 网络的一种改进。其结构如图2 5 所 n 条总垃 1 2 入 线 n ( a ) 交换结构 输出蝤 ( b ) 输出接口模块 图2 5k n o c k o u t 交换网络 示。它是基于“k n o c k o u t 原理”而设计的一种网络结构，所谓“k n o c k o u t 原理”就是规定任一输出端口在每个时隙最多只接收l 个分组 ( o l n ) ，多出的分组将被丢弃。不妨假设到达不同输入端口的分组 是相互独立的，那么可以验证，即使n 的值非常大，有多于l ( l n ) 个的分组要同时到达某一给定输出端口的概率是极小的。只要分组被丢 l3 华中科技大学硕士学位论文 失的概率足够的小，低于系统中其它因素( 缓存溢出、链路出错等) 引起 的分组丢失率即可。显然k n o c k o u t 网络规模为n x l ，取决于l 值的选 取。系统的输入端通过总线连接到各个输出模块。输出模块由地址过滤 器、k n o c k o u t 集中器和缓存组成( 如图2 5 ( b ) 所示) ( 3 )b a n y a n 网络 b a n y a n 网络涵盖了很大一部分单 路径网络。现在b a n y a n 网络则专指一 类由2 x 2 交换单元构成的单路径自路 由网络。一个8 8b a n y a n 网络如图2 6 所示。可以看出，任意输入输出对都只 存在一条可达路径。n x n 的b a n y a n 网 络交换单元规模为nl g n 量级，与 c r o s s b a r 相比，更易于构造大规模可扩 图2 68 x 8b a n y a n 网络 展交换结构。但b a n y a n 网络是阻塞网络，在某些请求组合情况下，会 出现竞争同一条链路的情况。 典型的多路径网络有： ( 1 ) 增强型b a n y a n 网络 由于b a n y a n 网络易产生内部阻塞。为了减少内部阻塞，可对b a n y a n 网络进行扩展，在b a n y a n 网络基础上增加交换级。通常有两种方案。 一是将若干个b a f i y a n 网络相级联( 如b e n e s 网络) ，另外一个方案是 b a t c h e r b a n y a n 网络，即在b a n y a n 网络前加上一个b a t c h e r 网络构成的。 这些扩展交换网络规模增大，提高了集成的难度，同时也使得整个网络 的同步控制不易实现。 ( 2 ) 交换模块平行叠加 交换模块平行叠加是对单路径网络作横向扩展。实际上，这是一种 14 华中科技大学硕士学位论文 很简单的改进方法，即将多个单路径网络( 予网) 相应的输入输出端口 连接起来。这样输入信元在某一子网阻塞时可以选择其它子网中的空闲 路径。 ， ( 3 ) c l o s 网络 图2 7 三级c l o s 网络 一个典型的三级( m ，n ，r ) c l o s 网络如图2 7 所示。显然应满足n = n r ， 其中n 表示c l o s 网络输入( 出) 端口数。每一输入输出对之间存在m 条可达路径。 2 3b e l l - l a b s 基于分组c r o s s b a r 的可扩展交换结构 由以上分析得知，单级网络的控制比较简单，多级网络则易于扩展。而 简单且易于扩展则是大容量交换机路由器所希望达到的目标。1 9 9 2 年，b e l l 实验室的k y 。e n g 等人提出，将k n o c k o u t 原理推广到一组输出的情况( 即广 义k n o c k o u t 原理) ，在此基础上可以得到一类性能优良的a t m 信元交换结构 ( 如图2 8 所示) 。并提出了可由较小模块构造出大规模交换系统的可扩展信 元交换结构3 们3 ，该可扩展交换结构基于三个关键的原理：1 ) 广义 k n o c k o u t 原理，利用该原理可改善分组到达的统计特性，从而减小互连的复 l 基 华中科技大学硕士学位论文 杂性：2 ) 输出排队，可得到最佳的时延和吞吐量性能；3 ) 分布式智能寻径 算法，可降低分组通过互连机构时产生的内部阻塞。该结构还能保持信元流 图2 8 采用n x nc r o s s b a r 的可扩展交换系统 的“先入先出”顺序，具有广播和多点传输功能。更重要的一点，该结构还 能用于分组长度不固定的分组交换。