智能的交换式IP骨干网解决方案

1、智能的交换式IP骨干网解决方案    摘要：很 明 显， 网 络 的 设 计 要 求 建 造 一 个 高 速 ip 交 换 主 干， 这 个 网 络 主 干 所 应 具 有 的 功 能 可 以 引 用 欧 洲 网 络 试 验 室 主 任 robert mandeville 对 交 换 式 ip 主 干 的 看 法 关键词：网络设计 网络结构 ip交换主干  一、 网 络 需 求 分 析- 这 是 一 个 典 型 的园 区 网， 主 节 点 由 六 栋 楼 组 成， 网 络 用 户 的 分 布、 各 个 楼 之 间 的 位 置 和 距 离 见 下

2、 图1。 - 网 络 的 需 求 主 要 有： 企 业 网 的 计 算 模 式 由 客 户/ 服 务 器 向 intra 转 移，ip 将 作 为 唯 一 的 协 议 而 被 采 用， 但 必 须 考 虑 如 何 为 话 音 和 视 频 应 用 提 供 足 够 的 服 务 质 量 保 证。 大 幅 度 提 高 网 络 带 宽， 包 括 桌 面、 部 门 服 务 器 和 主 干 的 带 宽， 显 著 改 善 响 应 时 间。 网 络 能 快 速 有 效 地 传 送 ip 数 据 包。 容 错 的 网 络 结 构 集 中 的 网 络 管 理， 特 别 是 对 虚 拟 网 的 管 理 必 须 保 证

3、 灵 活 和 安 全。 网 络 应 支 持 动 态 地 组 建跨 部 门 的 项 目 小 组。 较 低 的 费 用。 - 由 于 各 建 筑 物 之 间 已 铺 好 足 够 数 量 的 光 纤， 且 在 距 离 较 远 的楼 之 间（如 m2 和 rd2 之 间） 使 用 单 模 光 纤， 距 离 近 的 楼 之 间 使 用 多 模 光 纤， 所 以， 网 络 主 干 的 拓 扑 结 构 没 有 布 线 结 构 上 的 限 制， 但 主 干 上 的 网 络 设 备 应 能 同 时 提 供 多 模 和 单 模 光 纤 接 口。 - 除 a2 楼 内 布 有 同 轴 电 缆， 其 它 建 筑 物

4、内 均 采 用 结 构 化 布 线， 每 层 楼 均 有 配 线 间。 其 中，m1 楼 的 垂 直 布 线 采 用 多 模 光 纤， 其 余 各 楼 的 垂 直 布 线 采 用 5 类 非 屏 蔽 双 绞 线。 水 平 布 线 为 3 类 或 5 类 非 屏 蔽 双 绞 线。 设 计 要 求 对 a2 楼 进 行 结 构 化 布 线 改 造，将 全 部 采 用 5 类 非 屏 蔽 双 绞 线。 - 因 此， 楼 内 的 网 络 结 构 比 较 规 整，可 以 由 一 个 数 据 中 心 集 中 连 接 各 配 线 间， 即 形 成 所 谓 塌 陷 式 主 干 （collapsed backb

5、one）。见 右 边 示 意 图 2。 二、 技 术 解 决 方 案 建 议 - 很 明 显， 网 络 的 设 计 要 求 建 造 一 个 高 速 ip 交 换 主 干， 这 个 网 络 主 干 所 应 具 有 的 功 能 可 以 引 用 欧 洲 网 络 试 验 室 主 任 robert mandeville 对 交 换 式 ip 主 干 的 看 法： ip 包 的 转 发 速 度 快。 千 兆 以 太 网 和 atm 均 可 达 到 每 秒 千 兆 位 级 的 速 度， 但还 需 考 虑 这 两 种 技 术 在 ip 传 输 效 率、 服 务 质 量 保 证、 价 格 和 可 管 理 性 等

6、 方 面 的 因 素。 可 为 不 同 的 应 用 提 供 不 同 级 别 的 服 务， 并 能 与 inter 协 同 工 作。 能 支 持 ip 上 的 话 音 应 用， 并 透 过 ip 多 点 组 播（ ip multicast） 支 持 视 频 应 用。 适 应 移 动 的 用 户 和 工 作 组。 网 络 可 以 自 动 调 整 配 置 以 保 证 移 动 用 户 的 原 有 身 份。 有 能 力 以 线 速 交 换 第 四 层 的 数 据 流。 - 这 些 看 法 与    本 次 招 标 的 网 络 需 求 是 一 致 的， 并 对 某

7、些 需 求 进 一 步 做 了 细 化。 根 据 上 述 的 需 求 分 析， 以 及 新 一 代 ip 交 换 主 干 的 特 点， 本 文 提 出 以 下 技 术 建 议： - 1. 网 络 结 构 - 主 干 的 拓 扑 结 构 应 考 虑 容 错 性 和 多 链 路 上 的 负 载 共 享， 以 网 状 结 构 为 好， 但 还 需 根 据 各 楼 内 的 节 点 数、 网 络 应 用 的 种 类 及 投 资 等 因 素 进 行 配 置。 主 干 的 拓 扑 结 构 见 下 图 3： - 楼 内 的 拓 扑 结 构 虽 说 已 有 定 论， 但 不 同 厂 家 的 具 体 方 案 仍

8、有 不 同。右 图 所 示 的 结 构 在 某 些 厂 商 的 方 案 中 经 常 见 到，即 数 据 中 心 由 交 换 机 和 路 由 器（ 或 第 三 层 交 换 机） 共 同 组 成， 当 然 数 量 视 具 体 情 况 定， 比 如 两 台 交 换 机 加 两 台 第 三 层 交 换 机 组 成 数 据 中 心， 见 图4(b)。 - 为 什 么 要 用第 二 层 交 换 机 加 第 三 层 交 换 机 的 方 式 而 不 直 接 用 第 三 层 交 换 机 作 为 数 据 中 心 呢？最 重 要 的 原 因 是 这 些 厂 商 的 第 三 层 交 换 机 提 供 不 了 足 够 的

9、 千 兆 级 端 口 密 度， 只 能 先 用 有 较 高 端 口 密 度 的 第 二 层 交 换 机 放 在 数 据 中 心 的 前 端， 用于 聚 集 配 线 间 下 来 的 连 接， 然 后 再 用 1 至 2 个 端 口 连 接 第 三 层 交 换 机。 这 种 方 法 虽 解 决 了 第 三 层 交 换 机 端 口 密 度 不 足 的 问 题， 但 会 导 致 数 据 流 在 核 心 的 第 二 层 交 换 机与 第 三 层 交 换 机 之 间 产 生 瓶 颈， 而 且 桌 面 交 换 机 到 服 务 器 要 经 过 3 跳，增，加 了 延 时；由 于 使 用 了 成 倍 数 量 的

10、 交 换 机，费 用 也 增 加 不 少。 - 更 好 的 结 构 当 然 是 完 全 由 第 三 层 交 换 机（ 或 称 为 交 换 式 路 由 器）组 建 数 据 中 心，网 络 中 没 有 通 信 瓶 颈， 桌 面 到 服 务 器 仅 需 2 次 跳 步，而 且 一 台 设 备 取 代 二 台 设 备， 成 本 大 大 降 低。 如 果 考 虑 到 数 据 中 心 的 容 错， 可 以 用 两 台 第 三 层 交 换 机 并 构 成 冗 余 连 接。配 线 间 中 布 置 新 一 代 第 2 层 交 换 机。值 得 引 起 注 意 的 是， 当 采 用 冗 余 的 网 络 结 构 时，

11、 数 据 中 心 交 换 机 需 要 提 供 2 至 3 倍 于 非 冗 余 结 构 所 需 的 端 口 数 量。 图5.纯 l3 式 数 据 中 心 - 下 表 1 列 出 目 前 在 市 场 上 可 购 买 到 的 第 三 层 交 换 机 的 千 兆 以 太 网 端 口 密 度。 表 1.第 三 层 千 兆 以 太 网 交 换 机 的 端 口 密 度 厂商3combaycabletroncisco 产品名称corebuilder 3500accelar 1200smartswitch router 8600catalyst 8540 端口数4123016 - 由 于 主 干 交 换 机 是

12、 第 3、4 层 交 换 机， 支 持ospf 协 议， 所 以 园 区 网 状 的 拓 扑    结 构 不 仅 可 以 实 现 连 接 上 的 冗 余， 而 且 运 用 ospf 协 议 可 以 实 现 多 链 路 负 载 分 享。 - 2. 园 区 网 络 主 干 的 技 术 选 择 - 毫 无疑 问， 目 前 可 行 的 选 择 技 术 只 有 2 种， 即 622mbps atm 和 千 兆 以 太 网。下 面 对 这 2 种 技 术 在 与 ip 相 关 的 多 个 方 面 进 行 了 对 比： 千兆以太网（以帧方式传输）atm（以信元方式传

13、输）ip 包的传输效率采 用 asic 芯片进行子网之间的 ip 包传输，速度快。 路由协议如 ospf 由软件运行 采用全双工操作以提高传输效率 采 用 mpoa 在子网之间传输 ip 包以旁路速度较慢的路由器 mpoa 客户需要专用硬件支持 这是一种捷径式路由技术，旁路了防火墙 固定长度的信元导致传送 ip 包的效率不高 服务级别和服务质量新 的 ieee 802.3 帧格式提供了数据包的优先级别（cos）和标准的 vlan （ieee 802.1p/802.1q） 低延时（一般小于 15s） 用户可以对流量进行优先化标识，在网络发生拥挤时保证高优先级的应用的响应时间 交换机拥有多个不同级

14、别的输出队列 ip tos (types of service) 提供 ip 层的服务级别 ip tos 中的 cos 位可以映射成 atm 的 qos 可 为每个虚连接分配一个队列 为话音、视频和数据提供服务质量（分别为 cbr、 vbr 和 ubr） 但 lane1.0 并未使用 cbr 和 vbr 目前直接在 vbr 上开发的应用几乎没有 流量控制全 双工操作及不同速率接口要求有流量控制 802.3x 可用于降低输入数据流的速率 需要 tcp 层的流量控制 流控的实现有以下差异： 潜在的拥塞问题 只能工作在全双工方式 消耗带宽 基 于 abr 的端到端流控   

15、60; 要求 ，atm 的站点和边缘交换机支持 abr 未被普遍采用 实现上的难易程度交 换机需要高速背板的支持 需要新的硬件控制器 第三层交换不要求对原网络进行彻底更新 需 要有系统的方法设计和维护 atm 网 需要新的硬件以支持 mpoa 客户 用户需重新培训 是否能保证网络的平滑升级新 的帧格式向后兼容 第三层交换不要求对原网络进行彻底更新 利用 mpoa 在 ip 主机之间建立捷径式路经，mpoa 要求硬件支持 虚拟网用 802.1q 建立基于端口的 vlan intra 要求建立基于子网的 vlan 某些交换机支持基于策略的虚拟网 atm 的强项 vlan 与 lane 和

16、 mpoa 集成在一起 每个端口可属于多个 vlan ip multicast第 2、3 层交换机使用 igmp snooping 技术自动设置 ip multicast 小组 某些第 3 层交换机还支持 dvmrp 路由协议 可以建立点到多点的虚连接 第 4 层数据流的控制asic 硬件可辨认 tcp 的端口号 交换机可将 qos/cos/tos 参数应用于交换的数据流上 对 ip 应用区分优先级 无 - 从 以 上 对 比 可 以 看 出， 建 设 交 换 式 ip 园 区 骨 干 网 所 需 的 功 能 用 千 兆 以 太 网 是 完 全 可 以 实 现 的。 这 主 要 是 由 于 支

17、 持 千 兆 以 太 网 的 第3/4层 交 换 机 的 出 现 大 大 地 增 强 了 千 兆 以 太 网 在 园 区 的 地 位， 原 来 认 为 的 以 太 网 的 一 些 不 足， 如     对 多 媒 体 应 用 的 支 持、 灵 活 的 网 络 拓 扑 结 构 和 多 链 路 负 载 分 享、 基 于 标 准 的 虚 拟 网 等， 已 被 新 的 技 术 和 标 准 所 解 决。 某 些 千 兆 以 太 网 交 换 机 （如 smartswitch router 交 换 式 路 由 器）在 单 模 光 纤 上 传 输 距 离 可 达 75

18、公 里， 同 时 还 支 持 ip over sdh/so， 使 得 这 种 技 术 能 从 园 区 扩 展 到 城 域 网。 - atm 技 术 将 继 续 在 一 定 时 期 内 在 广 域 网 领 域 发 挥 作 用； 对 于 那 些 要 求 有 严 格 的 服 务 质 量 保 证 （ 例 如 利 用 atm 的 线 路 仿 真 技 术 提 供 高 质 量 的 话 音 通 讯）的 用 户 来 说 ，atm 技 术 仍 是 值 得 考 虑 的 选 择。 - 本 文 针 对 此 建 议 需 求 书 的 要 求 ，采 用 千 兆 以 太 网 和 第 3/4 层 交 换 机 作 为 解 决 方

19、案 的 核 心。下 面 看 看 这 些需 求 在 技 术 上 是 如 何 被 满 足 的： - (1) 支 持 向 intra 转 移 - intra 与 传 统 企 业 网 的 最 大 不 同 是 信 息 流 模 式 的 转 变， 即 所 谓 20/80 规 则 的 倒 转。在 传 统 企 业 网 中，80% 的 流 量 发 生 在 ip 子 网 内 部，20% 的 流 量 发 生 在 ip 子 网 之 间；而 在 intra 中， 由 于 各 部 门 均 可 设 置 自 己 的 web 服 务 器， 用 户 也 不 关 心 所 访 问 的 服 务 器 的 物 理 位 置， 他 们 访 问

20、这 些 服 务 器 时，80% 的 流 量 是 跨 子 网 的， 只 有 20% 的 流 量 是 在 本 部 门 内 发 生 的。intra 的 这 种 流 量 模 式 要 求 网 络 的 ip 路 由 速 度 有 大 幅 度 的 提 升， 这 是 传 统 路 由 器 所 无 法 胜 任 的。 交 换 式 路 由 器 采 用 专 用 集 成 电 路 实 现 线 速ip，路 由 性 能，并 可 实 施 第 4层 的 控 制， 如 为 各 种 应 用 保 留 带 宽、 设 置 防 火 墙、 以 及 为 不 同 的 应 用 区 分 不 同 的 优 先 级 别 等。交 换 式 路 由 器 是 建 造i

21、ntra 的 最 理 想 的 骨 干 设 备。 - (2) 支 持 话 音 和 视 频 应 用 - 话 音 和 视 频 应 用 要 求 网 络 能 够 保 证 服 务 质 量， 服 务 质 量 可 以 由 以 下 因 素 来 判 断： - 延 时 - 可 获 得 的 带 宽 - 延 时 的 抖 动 - 丢 包 率 - 本 方 案 主 要 利 用 4个 技 术 来 保 证 服 务 质 量： 高 速 度 和 高 带 宽。 采 用 千 兆 以 太 网 作 为 骨 干、 桌 面 直 接 采 用 交 换 的 10/100mbps， 且 骨 干 采 用 多 链 路 冗 余、 网 络 的 带 宽远 超 过

22、一 般 多 媒 体 应 用 所 需 的 带 宽。 低 延 时。 千 兆 以 太 网 交 换 机 的 延 时 是 极 低 的， 一 般 不 超 过 15s； 本 方 案 采 用 2 级 园 区 网 结 构， 即 桌 面 交 换 机 直 接 连 至 园 区 骨 干 交 换 机， 使 累 积 的 延 时 保 持 在 足 够 低 的 水 平。 流 量 优 先 化 处 理。 ieee 802.1p 为 以 太 网 帧 定 义 了 8 个 优 先 级 别， 不 同 类 别 的 应 用 被 赋 予 不 同 的 优 先 级 别， 支 持 802.1p 的 交 换 机 在 每 个 端 口 都 设 置 多 个 输

23、 入/输 出 队 列，这 些 队 列 的 优 先 级 别 是 不 同 的， 网 络 管 理 员 根 据 各 种 网 络 应 用 对 服 务 质 量 的 要 求 为 这 些 应 用 制 定 基 于 802.1p 的 优 先 级 别。交 换 式 路 由 器 与 第 2 层 交 换 机 相 比， 除 了 能 辨 认 数 据 包 中    的 802.1p 位， 而 且 能 够 辨 认 出 各 种 应 用 的 信 息 流， 并 根 据 网 管 人 员 制 定 的 有 关 服 务 质 量 的 策 略 将 这 些 信 息 流 送 入不 同 级 别 的 队 列 中。

24、交 换 式 路 由 器 通 过 复 杂 的 队 列 管 理 机 制 来 保 证 对 时 间 敏 感 的 应 用（ 其 数 据 流 一 般 也 是 高 优 先 级 别 的）优 先 被 转 发 出 目 的 端 口， 好 的 队 列 管 理 机 制也 可 进 行 流 量 控 制 和 流 量 整 形（traffic shaping）， 以 保 证 数 据 流 不 会 拥 塞 交 换 机， 以 及 获 得 平 稳 的 数 据 流 输 出， 这 对 话 音 和 视 频 会 议 这 样 的 多 媒 体 应 用 是 非 常 重 要 的。 带 宽 预 留。 透 过 rsvp（ 资 源 保 留 协 议）， 交 换

25、 式 路 由 器 可 以 动 态 地 为 特 定 的 应 用 保 留 所 需 的 带 宽。 另 外， 交 换 式 路 由 器 具 有 对 应 用 层 信 息 流 进 行 控 制 的 能 力， 可 以 分 辨 出 不 同 的 信 息 流 并 为 它 们 提 供 服 务 质 量 保 证。 利 用 ip multicast 技 术 可 以 使 视 频 会 议、 视 频 点 播 等 应 用 的 信 息 流 只 流 向 需 接 收 这 些 数 据 流 的 站 点， 而 不 会 漫 延 到 整 个 网 络， 并 且 每 个 multicast 组 之 间 可 以 互 不 干 扰， 从 而 保 证 多 媒

26、体 应 用 的 运 行 更 加 畅 通 无 阻。 - 以 上 技 术 配 合 使 用， 虽 还 不 能 实 现 严 格 意 义 上 的 服 务 质 量 保 证， 但 实 际 效 果 却 足 以 满 足 绝 大 多 数 多 媒 体 应 用 的 质 量 要 求。 - (3) 显 著 改 善 响 应 时 间 - 交 换 式 千 兆 以 太 网 骨 干、 低 延 时 的 交 换 机、 能 对 流 量 进 行 应 用 层 控 制 的 交 换 式路 由 器， 这 些 技 术 和 产 品 均 可 大 幅 度 改 善 网 络 响 应 时 间。 - (4) 容 错 - 网 状 的 骨 干 拓 扑 结 构， 双

27、核 心 交 换 机、 冗 余 的 配 线 间 连 接 等，这 些 都 保 证 了 网 络 中 没 有 单 点 故 障。 交 换 式 路 由 器 支 持 vrrp（ 虚 拟 的 冗 余 路 由 器 协 议） 和 ospf 协 议，前 者 用 于 2 个 交 换 式 路 由 器 互 为 备 份， 后 者 用 于 旁 路 出 故 障 的 连 接。 - (5) 集 中 的 网 络 管 理 和 较 低 的 总 体 费 用 - cabletron 公 司 的 网 管 系 统 软 件 spectrum 正 可 担 当 集 中 管 理 的 任 务。 本 方 案 为 降 低 总 体 费 用， 采 用 了 交 换

28、 式 路 由 器 而 不 是 普 通 路 由 器 作 为 核 心 设 备。 交 换 式 路 由 器 的 性 能 是 普 通 路 由 器 的 10100 倍， 而 价 格 只 有 后 者 的 十 分 之 一。 三、 网 络 结 构 及 配 置 说 明 - 本 方 案 采 用 千 兆 以 太 网 为 主 干， 以 smartswitch router 第 3/4 层 交 换 机 为 主 干 交 换 机，其 中，在 m1 楼 中 使 用 2 台 16 槽 的 smartswitch router 8600， 在 m2 楼 采 用 2 台 8 槽 的 smartswitch router 8000，

29、在 a1 和 r&d2 楼 内 各 采 用 1 台 smartswitch router 8000。 配 线 间 内 的 设 备 根 据 楼 层 的 用 户 端 口 数 量， 分 别 选 择 高 端 口 密 度 的 模 块 式 smartswitch 6000交 换 机、smartswitch 2200 交 换 机 和 24 端 口 堆 叠 式 10/100mbps 自 适 应 交 换 机 smartstack el    s100。 从 图 中 ，可 以 看 出， 这 是 一 个 容 错 性 极 好 的 网 络 结 构。 图 3.m1 楼 的

30、网 络 结 构 图 4.r&d1 楼 的 网 络 结 构 图 5. m1 楼 的 网 络 结 构 图 6. a1 楼 的 网 络 结 构 图 7. a2 楼 的 网 络 结 构 图 8.楼 r&d2 的 网 络 结 构 四、本 方 案 实 现 的 网 络 功 能 及 方 案 的 优 势 ip 包 的 转 发 速 度 快。有 第 3、4 层 功 能 的 千 兆 以 太 网 交 换 机 smartswitch router 是 业 界 性 能 最 好 的 此 类 交 换 机， 可 以 线 速 进 行 第 2、3、4 层 数 据 转 发 而 不 丢 包， 其 交 换 矩 阵 速 度 可 达 32gbps， 第 3、4 层 交 换 能 力 超 过 3000 万 包/秒。 work computing 杂 志 今 年 对 多 厂 商 的 千 兆 以 太 网 交 换 机 进 行 了 严 格 测 试， 结 果 是 smartswitch router 获 得 最 高 分， 并 荣 获 该 杂 志 为 交 换 机 设 置 的 唯 一 一 个 “ 编 辑 选 择 奖”。 容 错 的 网 络 结 构。 主 干 为 网 状 拓 扑 结 构， 并 通 过 ospf 协 议 实 现 多 链 路 负 载 分 享。 主 干 带 宽 达 8000mbps， 并 具 有 足 够 的 扩