通信網(wǎng)中的多層交換技術(shù)說明

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）提出的開放系統(tǒng)互連參考模型（OSI-RM）的下四層（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層）為通信層，因此可以最底層逐一分析：

（1）第一層

為物理層，傳統(tǒng)的電路交換就屬于這一層。

（2）第二層

為數(shù)據(jù)鏈路層，從傳統(tǒng)意義上講，真正的交換即是屬于這一層。在這一層中采用了基于硬件的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，能夠轉(zhuǎn)發(fā)各種數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，包括局域網(wǎng)（LAN）中的以太網(wǎng)和高速令牌環(huán)網(wǎng)（FD-DI）以及廣域網(wǎng)（WAN）中通過VC交換的幀中繼（FR）和異步轉(zhuǎn)移模式（ATM）等，經(jīng)典的LAN多端口網(wǎng)橋也屬于這一層。該層支持簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)分段，并能令網(wǎng)絡(luò)性能有明顯的改善。這第二層交換的流行，帶支了第三層和第四層交換的發(fā)展。

（3）第三層

是網(wǎng)絡(luò)層，主要的任務(wù)是為分組尋找合適的路由。傳統(tǒng)的路由器由于使用軟件和通用的CPU來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)的轉(zhuǎn)發(fā)，因而延遲比較大，轉(zhuǎn)發(fā)的速度也比較慢，而第三層交換正是針對(duì)這個(gè)問題提出的。所謂第三層交換并非只使用第三層的功能，而是把第三層的路由選擇與第二層的交換功能結(jié)合了起來，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的快速分組。相應(yīng)地，第三層交換機(jī)的目標(biāo)也在于要兼?zhèn)鋬蓚€(gè)特征，并通常采用專用集成電路（ASIC:Supplication Specific Integrated Circuit）將常用的軟件功能固化在硬件這中，形成完備的路由器的子集。在未來的第三層交換機(jī)中還將具備更多的功能，成為功能更加完備的路由器。例如，除了具有轉(zhuǎn)發(fā)的功能外，還將具備自動(dòng)劃分?jǐn)?shù)據(jù)流等級(jí)及服務(wù)等級(jí)的功能，以及提供某種形式的QoS等等，這將是第三層交換機(jī)的另一個(gè)重要特征。

從20世紀(jì)90年代中期起，世界上各大公司都紛紛對(duì)第三層交換進(jìn)行研究，并提出了許多不同的方案，推出了許多產(chǎn)品。比較有影響的有：Cisco公司的標(biāo)記交換（TAG Swiching）,Ipsilon公司的IP交換，東芝公司的信元交換路由器（CSR:Cell Switching Router）和IBM公司的ARIS（Aggregate Route based IP Switching），以及IETF的多協(xié)議標(biāo)記交換（MPLS:Multi-Protocol Label Switching）等等。

TAG Switching是處于交換邊緣的路由器，將每個(gè)輸入幀的第三層地址映射為簡(jiǎn)單的標(biāo)記，然后把有標(biāo)記的幀轉(zhuǎn)化為ATM信元，再映射到VC上，在網(wǎng)絡(luò)核心ATM交換機(jī)進(jìn)行標(biāo)記交換，由路由器保存標(biāo)記信息表（路由表），用以尋找第三層路由。最后，將標(biāo)記信元送到目的地路由器上，由目的地路由器去掉信息標(biāo)記，把信元轉(zhuǎn)化成幀，送到最終的目的端。在這個(gè)過程中，通過交換標(biāo)記（小的數(shù)據(jù)單元）和僅進(jìn)行一次簡(jiǎn)單的標(biāo)記查詢就可提高轉(zhuǎn)發(fā)幀的性能。

IP交換技術(shù)是一種將第二層交換功能和第三層路由功能結(jié)合起來的技術(shù)，是多層交換的另一種類型，與CSR相類似，都是數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)IP交換的一種應(yīng)用。就是說它們可以根據(jù)獨(dú)立業(yè)務(wù)流到達(dá)的情況來安排交換機(jī)的資源，并通過標(biāo)簽分配和把數(shù)據(jù)流映射成VC上的信令信息（IFMP和FANP），實(shí)現(xiàn)交換的過程。這些，都是獨(dú)立于單個(gè)IP數(shù)據(jù)流進(jìn)行的，保持了Internet模型的擴(kuò)展性及在第三層按照逐級(jí)跳的方式對(duì)所有業(yè)務(wù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的形式，且引入了特定的控制協(xié)議，把IP數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)移到端到端的直通路徑。

ARIS是一種匯聚的基于通路的IP交換技術(shù)，基本的功能是按照匯聚的IP數(shù)據(jù)流的目的端建立、維護(hù)交換通路。ARIS利用選路協(xié)議的信息并把這些信息與網(wǎng)絡(luò)入口到出口的交換通路聯(lián)系起來，從而實(shí)現(xiàn)了上述功能。具體地說：ARIS是運(yùn)行在集成的交換機(jī)/路由器設(shè)備網(wǎng)絡(luò)上的控制協(xié)議，因ISR是支持IP選路的第二層交換機(jī)（如ATM），故ARIS可以利用選路協(xié)議中的信息（由OSPF，BGP）把IP分組映射到第二層交換通路上，通過ISR設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)，成為第一種引入?yún)R聚交換通路的IP交換機(jī)制。在多個(gè)不同的源端和同一目的端之間，ARIS可以建立多點(diǎn)到點(diǎn)的交換通路，進(jìn)而降低了交換機(jī)資源的消耗。

對(duì)于第三層交換技術(shù)，因各公司多采用自己的標(biāo)準(zhǔn)，相互間的連通比較困難。因此，IETF正在制定MPLS的標(biāo)準(zhǔn)，以將各公司第三層交換技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一起來。

MPLS是將第二層交換功能與第三層路由功能完善地結(jié)合在一起的一種技術(shù)，在IP路由和控制協(xié)議的基礎(chǔ)上，MPLS提供了面向連接的交換。其所以稱之為多協(xié)議，是因?yàn)镸PLS可以支持網(wǎng)絡(luò)層的各種協(xié)議，如IPv4、IPv6、IPX、CLNP等等，同時(shí)MPLS也支持第二層的各種協(xié)議，支持任何能夠在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)體間傳送網(wǎng)絡(luò)層分組的第二層媒體，而并不針對(duì)某一種鏈路技術(shù)。MPLS以十分簡(jiǎn)潔的方式完成信息的傳送，且與TAG、ATM交換相類似，引入了固定長(zhǎng)度的短標(biāo)簽（Label）作為在MPLS網(wǎng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的依據(jù)。

MPLS網(wǎng)絡(luò)由標(biāo)簽交換路由器（LSR）和標(biāo)簽邊緣路由器（LER）所組成，通過標(biāo)簽分發(fā)協(xié)議（LDP）在LER和LSR之間對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行分發(fā)。就是說，通常各個(gè)MPLS設(shè)備在運(yùn)行第三層路由協(xié)議（如OSPF、BGP）時(shí)，會(huì)根據(jù)計(jì)算得到的路由來使用標(biāo)簽分發(fā)協(xié)議，為信息流分配標(biāo)簽，并建立數(shù)據(jù)傳送通道，即標(biāo)簽交換路徑（LSP），因此當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（IP分組，幀中繼幀或ATM信元）到達(dá)MPLS網(wǎng)絡(luò)邊緣的LER之后，LER就會(huì)首先根據(jù)某種原則將數(shù)據(jù)流和固定長(zhǎng)度的標(biāo)簽對(duì)應(yīng)起來。對(duì)應(yīng)的原則不但考慮到數(shù)據(jù)流的目的地址信息，還考慮了有關(guān)QoS的信息，然后才為數(shù)據(jù)添加標(biāo)簽。這樣，在以后的轉(zhuǎn)發(fā)過程中，LSR就只是根據(jù)數(shù)據(jù)流所攜帶的Label，以查表、交換的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)出口LER之后，LER將標(biāo)簽去掉，恢復(fù)原數(shù)據(jù)流，按照原來的方式傳送數(shù)據(jù)。

總之，多服務(wù)、流分類、通信量規(guī)劃、顯示路由、進(jìn)行不同等級(jí)的服務(wù)和IP QoS（以ATM為基礎(chǔ)的）等等，都是MPLS的關(guān)鍵特征。其目標(biāo)就是要解決網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的問題并能在同一基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上提供多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。隨著MPLS的出現(xiàn)，在共享Internet上支持實(shí)時(shí)通信的虛擬專用網(wǎng)（VPN）也將在不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)成為現(xiàn)實(shí)。

（4）第四層

第四層交換允許根據(jù)應(yīng)用程序劃分通信數(shù)據(jù)的優(yōu)先權(quán)，因此管理人員能夠?qū)δ承┨囟ǖ膽?yīng)用程序進(jìn)行限制，以將一定量的帶寬用于重要應(yīng)用程序通信。從本質(zhì)上講，第四層交換提供了在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)開放系統(tǒng)聯(lián)合會(huì)（COS）所提出的方法。

是傳輸層，擴(kuò)展了第二、三層的交換并支持細(xì)粒度的網(wǎng)絡(luò)調(diào)整和對(duì)通信流優(yōu)先權(quán)的劃分，所使用的第四層信息，例如TCP/UDP應(yīng)用程序的端口號(hào)，被用來作進(jìn)一步確定通信量的轉(zhuǎn)發(fā)方式。