第六章IP交换技术

可以使价格不断下降，同时使性能比老式的、基于软件的处理
方法提高几个数量级。因此交换广泛流行的根源就是其高速和 廉价的事实。
什么是交换，为什么交换如此流行呢？ 在这个数据互连的世界上，交换可以有多种形式。L A N交换可 用于在位于相同或不同网段上的工作站之间传递分组。广域网 （ WA N）交换通常采用的形式是在两个终端节点（如一对路由 器）之间提供一条虚连接。不管其所处的环境如何，所有的交
配，就将该分组发送到除了其输入端口以外的所有输出端口上。
如果目的地址对应的输出端口就是该分组的输入端口，交换机将 丢弃该分组。经过一段时间，交换机就会使缓存器中的表项超时， 以便使高速缓存中的信息不会因为过时而变得无用。
地址学习十分易于实现，并且在互相通信的主机上不需要作
任何修改或处理过程。但是，它需要交换机能在其缓存器中存储
NEXT
地址学习可能是一种最简单的技术，交换机可用它产生和
创建一个交换转发表。在某一个特殊的端口，交换机不加区别地
监听所有的分组，并将分组的源地址与端口号一起保存在一个地 址端口对应表高速缓存器中。同时，交换机也将检测分组的目的 地址，并试图在地址-端口缓存中寻找其匹配的入口。如果成功 地找到匹配，就将该分组交换到其对应的端口。如果没有找到匹
成树的方向到达目的地。这被称为生成树探测（ S T E）。目的
端收到探测分组后，可能会使用广播分组向发送端返回一个分组， 它也可以像图中那样选择一条源路由。在这种情况下，目的端分 别按顺序经过交换机4、3、2、1发送一个分组返回给发送源。发
送者就将利用这个通路转发分组到目的端。如果使用了A R E帧，
最后一种建立交换通路的方法是利用显式的信令。在任何数据分 组开始流过一个专用的交换通路之前，源端必须首先通过网络向 目的端发送一条连接建立请求消息。这条消息可以确保存在一条 通往目的端的活动通路，并且可能会检验在该通路上是否有足够
的容量来应付数据流。当源端收到来自目的端的一个应答并确认
个数量级了，把这些新技术与“交换”术语结合起来，当然会
使我们听起来感觉更好（例如将千兆位以太网变成交换式千兆 位以太网）。但是，为了赶时髦，也使一些与交换技术明显毫
不相关的或至少是表面上无关的东西，也纷纷与“交换”拼凑
在一起，形成了一些新的、千奇百怪的网络技术，例如应用层 交换等。
什么是交换，为什么交换如此流行呢？ 就是价格和性能上的原因。交换技术，特别是与局域网结合的 交换技术，可以用比传统共享的L A N技术低得多的价格来提供 比传统技术高得多的性能。在现在和可预见的未来，半导体技 术的进步可以把更多的网络处理集成到一个廉价的芯片中，这
口。连接标识符也可以称为标签（l a b e l）。这种技术与前两种
技术有所不同，因为在这种情况下，分组头中的标签在经过交换 机的时候是需要被交换的。一个标签被添加到了分组上，交换机 需建立一个由输入端口号、输入标签、输出端口号和输出标签构 成的连接表。当一个分组到达交换机时，其输入端口号和分组标
签就被用于在连接表中搜索匹配的表项。然后，分组中的标签就
网络中形成了环路。在这种情况下，通路1上的桥接器认为分组 的源在LAN 1上。而通路2相反方向上的桥接器认为分组的源在 目的网络LAN 2上。由于没有办法来解决这个明显的冲突，分组 将会在网络上无限循环下去。
为了避免环路问题，交换机可以建立一个生成树（ spanning
tree）。生成树是一个链路和交换机的子集，它能被用于产生连
换句话说，就是某交换机上的一些端口处于“转发”状态，而其
他的交换机或该交换机上的其他端口处于“阻塞”状态。处于转
发状态的端口和链路就组成了生成树。
生成树算法在IEEE 802.1d LAN桥接标准中定义。它被用于
以太网透明桥接器和令牌环源选路桥接器中。在采用桥接器或交
换机互连来对L A N环境进行扩展时，生成树是十分有用的。但 是生成树在可扩展性和健壮性方面有一定的限制。首先，依据拓 扑结构，数据流量可能会集中在网络中少数的几个链路和交换机 上。即使是在活动链路和交换机上存在可用的替换通路，生成树
6.1 引言
电信网交换技术 电路交换 分组交换 计算机交换技术
广域网
局域网
多速率电路交换
帧中继交换
传统路由器
网桥
ATM交换
高速路由器
局域网交换机
多协议标记交换MPLS
传统路由器
交换技术分类
1、 交换的概念
在任何一个网络和应用技术中的术语后面加上“交换”这
个词，好像就会得到一种极具吸引力的、可带来高性能、低费 用、低复杂性的新技术。这种例子有很多，如以太网变成交换 式以太网、令牌环变成交换式令牌环交换、I P变成I P交换等等。 很多网络新技术已经能比我们现在所使用的网络设施速度快几
被正确地交换，分组也被转发到正确的输出端口上。在大多数情 况下这一过程能够用硬件快速完成，因为交换机的工作仅仅是从 分组中提取一个固定长度的标签并将其与连接表中的表项相比较 而已。
我们还应该注意到，从一个单个交换机的角度来看，一个特
定的标签值是仅限定于该交换机本地内部的，更明确地说，它被
限定于交换机自身的端口（输入或输出）上。这一点我们可以从 标签被交换（重写）为新值的事实中推断出来。但是，从完整的 角度来说，新标签值也可能与旧标签值相等。但即使在这种情况 下，标签仍然只在本地有意义。
维护前面例子中那样的一个额外的交换表。在源路由向量中已经
包含了通往目的地通路的所有信息，交换机只需要处理该向量就 行了。由于其在网络方面做了一定工作，并且由于发送者向外发 布了准确的构造源路由向量的必须信息，因此很显然，在通过网 络交换分组时源选路方法是十分高效的。
第三种技术利用了装载在分组中的一个连接标识符来确定输出端
接到交换网络上的任何两个站点或网段之间的无环路的通路。交 换机通过相互交换控制消息来建立和维护生成树，在控制消息中 包含了根交换机的标识符和本交换机到根交换机的距离。只有那 些回到根交换机具有最小代价（ c o s t）的交换机和交换机上的
端口才会出现在这棵树上。所有其他的交换机和端口都被修剪掉
了，这使得交换机和交换机的端口可以以无环路的方式转发分组。
IP交换和路由技术
内容简介
• • • • • • • 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 IP网络概述 路由器工作原理 路由器硬件组成 路由器软件设计与实现 IP网络设计与应用 IP交换技术 MPLS技术
第六章 IP交换技术
• • • • 6.1 6.2 6.3 6.4 引言 面向IP的交换技术 交换机基本配置 IP交换技术
交换发送到一个输出端口，这个工作过程不受其他处理器的干预。
交换的过程可以从两个不同的方面来观察：本地和端到端。 从本地的出发点来看，我们需要研究的问题是，一个交换机是怎 样根据接收到的数据分组来决定将其交换到哪一个输出端口上去。
换句话说，就是数据分组及交换机内部有哪些信息可以用来使交
换机能快速地将数据分组从输入端移动到输出端。这个问题称为 交换转发问题。交换过程的第二个方面的问题是如何在交换网络 中的两个端点之间建立和维护交换通路。这方面技术称为交换通 路控制。
换形式都有些共同的基本属性。
• 工作于任何协议栈的第二层和二层以下。这意味着LAN或WAN
的交换对于运行在高层的I P或其他网络层协议及任何应用程序都 是透明的。 • 交换由硬件实现。交换机把从一个输入端口上接收到的数据分组 将此功能用硬件（或固件）来实现通常可以带来更高的性能及更 低的延迟、复杂度和费用。
一个可能是十分庞大的地址表。地址学习的另一个主要缺点是： 如果源主机与目的主机之间有一条以上的通路，就可能产生环路 （ l o o p）。环路的形成是这样的，即一个分组从源网络LAN 1 到目的网络LAN 2的转发过程中需要经过一个或多个桥接器，如
果分组通过一条通路1被发出后又从另一条通路2被返回，就说明
路。目的端接收到探测分组后，会利用一条或多条可能的通路把
探测分组返回给源端。在返回的分组中包含了一个源路由向量， 发送者可以利用它来转发所有的后续分组到目的端。
利用广播和发现技术在网络中建 立一条交换通路的概念如图所示。
广播和发现
可以注意到，探测分组将传播到整个网络中。这被称为全路由探
测（ A R E）。如果已存在生成树，那么探测分组将选择沿着生
一个统一网络链路状态数据库，该数据库由所有的活动链路和节
点构成。由于每个交换机都知道网络中哪些链路和节点是活动的， 分组就能按照逐级跳（基于目的的交换）的方式或使用源选路算 法被转发到目的地。在后一种情况下，当入口交换机接收到一个
源端希望与目的端通信的指示时，它可以参考其本地的链路状态
数据库，组装一个源路由向量，将其加入某个分组中并发送出去。 应注意，反映在本地链路状态数据库中的整个拓扑结构在每次组 装源路由向量的时候（只会发生在交换链路的建立阶段）都会被 检验。
配的入口，交换机就可能将该分组丢弃。或者交换机会将其发送
到所有的输出端口上，以希望分组能通过其中的一个端口到达目 的端。
源路由向量是一个网络中拓扑元素的序列，分组必须按照该序列
给出的通路才能到达目的地。拓扑元素的范围包括通路上交换机
的输出端口号，通路上每个交换机的地址或是在令牌Leabharlann Baidu源选路的 情况下的一个或多个环编号桥接器及环编号的组合。采用这种技 术时，一个源路由向量被插入到分组中，交换机就利用这个信息 将分组转发到适当的输出端口上。交换机在本质上不需要建立和
交换转发技术 包含在分组中的信息由下列之一构成： • 目的地址。
• 源路由向量（source-route vector）。
• 连接标识符。
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在第一种情况下分组包含一个目的地址字段，该字段的意
义很明确，就是分组所要到达的目的终端（主机）的地址。交换
机建立一个地址和端口的对应表，对应表由目的地址入口和与该 地址相关的输出端口构成。当分组到达输入端口时，交换机将检 查分组中的目的地址，并用其在地址端口对应表的表项中寻找匹 配，然后将分组发送到其正确的路由上。当然，如果寻找不到匹
交换通路控制
交换转发技术全部都依赖于某种形式的交换通路控制来在交
换机中建立和维护信息，以便使分组能转发到目的地。交换通路 控制可能会引起网络中交换机之间的控制消息的交换，从而使各 交换机能建立一个一致的交换转发表。它也可能导致发送数据的 源主机产生一条“通路设置”消息并将其发送到网络中。通路设
置消息用来在网络中发现一条通路，以使后续的数据分组能按这
交换转发技术 从表面看，一个交换机很简单，只是一个具有一定数量端口 的机箱，交换机通过这些端口可与多种不同的设备如工作站、路
由器或其他交换机等连接。当某个分组到达一个输入端口时，交
换机的任务就是决定要么丢弃这个分组，要么将其移动到正确的 输出端口上进行发送。正确的输出端口是根据分组中所携带的信 息来确定，在某些情况下可能根据交换机本身内部的信息决定。
广播和发现技术就可以提供在源L A N到目的L A N的多条通路之 间的统计负载平衡。由于源选路被用作了一种交换转发的机制， 在交换部分的开销极小；但另一方面，探测分组也消耗了带宽资 源，在网络初起阶段可能导致网络拥塞。
假定交换机运行了一个链路状态（或拓扑状态）路由协议。交换
机同与之相邻的交换机交换链路状态信息，并利用这些信息建立
也将阻塞数据流而不让其通过替换通路。这意味着生成树只利用
了可用网络拓扑（链路和交换机）的一个子集来转发数据流。第 二，在处理大量生成树控制消息时的开销很大，特别是在网络拓 扑结构很大并且不稳定的时候。
广播和发现是另一种在L A N交换（或桥接）中常用的技术， 用来在网络中确定交换通路。这里的想法是通过向目的端发送一 条广播探测分组（ explorer packet）来探测一条或多条可能的通
个通路流动。
交换通路控制可以采用下列技术之一来实现：
• 地址学习（ address learning）。
• 生成树（spanning tree）。 • 广播和发现（broadcast and discover）。 • 链路状态选路（link state routing）。 • 显式信令（ explicit signaling）。