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多业务宽带交换
摘要： 网络交换经历着一系列发展演变：从电路交换到分组交换；从软件交换到硬件交
换；从单一网络业务交换到多种业务交况多业务宽带交换需要协议机制的支持，
如业务类型划分、网络资源预约和用户业务量监控等。目前主要的宽带交换网技
术有千兆比以太网、千兆比路由器网和ATM网三种。文章最后论述了多业务宽带
分组交换网的原理和结构。
主题词：宽带交换千兆比以太网路由器异步转移模式
多业务宽带网
目前，话音业务仍主要由电路交换网承载，同时，电路交换网也承载着相当部分的数
据和视频业务。数据业务主要由基于TCP／IP协议的路由器网（如Internet）承载。随着
半导体、信息编码和压缩技术的发展，使得话音和视频业务由原有的固定比特流业务变为
分组、可变比特流业务，并对承载网络的实时特性要求有所降低。因此，Internet网除了
承载数据业务外，还可以承载分组话音业务和分组视频业务，向着IP综合业务网方向发展。
对于ATM网，人们则希望它既提供电路交换，又提供分组交换，适应话音。数据和视频多
种业务的承载。承载多种业务的单一网络是人们多年来追求的目标。
1．网络交换的发展
（1）从电路交换向分组交换方式发展
电路交换采用同步转移模式（STM）交换原理；分组交换采用异步转移模式（ATM）交
换原理。由于分组交换的统计复用、按需分配资源和交换过程中可附加优先级处理等优点，
所以，从电路交换向分组方式发展是网络交换技术的发展趋势。
（2）从软件交换向硬件交换发展
分组交换是对特定的分组存储／转发的过程，原有的分组交换设备均采用软件执行过
程。所遇到的问题有以下两个：
* 交换延迟大，如果逐链路地传输差错检测和恢复，则每个交换设备的延迟典型值
为400毫秒；如果采用任选端到瑞传输差错检测和恢复，则每个交换设备的延迟典型值为
40毫秒。
* 交换设备吞吐量限制在每秒几十兆比特左右，不能适应大业务量和更高带宽网络的
要求。
采用硬件交换时，设备的吞吐量可以做到每秒几十、甚至几千吉比特；每个交换设备
的延迟仅几十微秒。
（3）从单一网络业务交换向多种业务交换发展
网络业务是指对各种各样的应用业务抽象、并加以标准化的网络功能。有连接和无连
接网络业务，是从网上用户之间的信息传送路径是否固定来划分的；固定比特流和可变比
特流业务，是从网上用户之间的信息流业务量属性划分的；有服务质量保证和无保证的业
务，是从用户之间的业务实时性、优先级来划分的。实现多种业务的交换尽管十分复杂，
但它是统一网络交换业务平台的发展方向。
2．多业务宽带交换控制机制
多业务宽带交换要有效地支持话音、数据和视频业务交换，需要有协议机制的支持。
（1）业务类型划分
业务类型划分的目的。是为了在网络资源不足时，能够按优先级别处理网络业务，达
到公平、合理的网络服务质量指标。例如实时业务和非实时业务；ATM的CBR、rt-VBR、
nrt－VBR、ABR和UBR业务等，都是对业务类型的不同划分。
（2）网络资源预约
仅有业务类型的划分是不够的，因为同一类型业务中所要求的带宽大不一样，例如
10kbit／s和10Mbit／s的实时业务，要求的网络带宽差一千倍。资源预约发生在进行数
据交换之前，预约可能成功，也可能不成功。
（3）用户业务量监控
如果不执行用户输出到网络的业务量监控，预约带宽的作用不大。监控用户输出到
网络的业务量，是为了防止有的用户有意或无意地使过大业务量涌入网络，从而影响到
预约业务量的用户的服务质量。用户业务量监控的结果是通过、标记到低优先级通过、
或丢弃。
宽带交换网技术
1．千兆比以太网
据相关资料统计，到1996年底有83％（即1亿2千万台） PC机、 工作站和服务器采
用以太网接口联网。在LAN中，以太网占据主导地位的原因主要有以下两点：
* 1986年10base－T星型连接、结构化布线系统等标准的引入，大大提高了网络的
可靠性和可维护性；
* 以太网接口费用迅速下降，如10base－T以太网和100base－T快速以太网网卡的
价格，从1996年的68和122美元，分别下降到1998年的35和74美元。
在不到20年的时间里，以太网络技术从10base－T以太网发展到100base-T快速以太
网，再到1000base－T千兆比以太网，向前跨出了三步，满足了应用对网络带宽的本地追
求。1998年初，IEEE 802.3工作组通过IEEE 802.3z千兆比以太网标准，其要求如下：
①以1000Mbit／s的速率，可以半双工或全双工方式工作；
②采用802.3以太网帧格式；
③使用载频侦听多路访问／碰撞检测（ CSMA／ CD）方式操作，同一碰撞区内支持
一次（信号）再生；
④地址后向与10base－T和100base－T技术兼容。
LAN交换机根据介质访问控制（MAC）地址操作，每个以太网帧（又称MAC帧）头中都
包含有源MAC地址和目的地MAC地址。交换机接收到一个MAC帧时，如果不知道该从那个端
口发送出去，则广播这个帧；待与之对应的目的地发出的帧路过本交换机时，它记录下
这个目的地MAC地址和本交换机端口的对应关系；以后再接收到发向这个目的地的帧时，
交换机不再广播，而只从对应的端口发出。这个过程称为地址后向（或自）学习过程。
MAC层属于链路层，上面可运行IP层协议，MAC地址称为物理地址或子网地址；IP地
址称为逻辑网络地址或网络地址。当发送站只知道目的站的IP地址，不知道对应的MAC地
址时，先发送带有目的IP地址并请求对应MAC地址响应的广播帧；待接收到所要的响应帧
后，这个发送站记录下目的IP地址和MAC地址的对应关系，不再使用广播而发送确定目的
地MAC地址的帧。LAN站通过目的地IP地址查询对应MAC地址的过程，称为地址解析（ARP）
过程。
上述 LAN交换机地址自学习过程和LAN站ARP过程均使用广播，这虽然加大了网络开
销，但简化了交换机的控制管理，也降低了网络成本。因为IAN的网路成本有限，所以LAN
的设计在开销和成本两方面的比较上，更加关注成本。
表1列出了千兆比以太网关键特性和 ATM的比较。其中 IEEE802.1P规定了通用属性
注册协议（GARP），用于定义具体的注册服务，如 GARP多播注册协议（GMRP）、 GARP
VLAN（虚拟LANL）注册协议（GVRP）。IEEE 802.1Q规定了基于标准的VLAN，它引用GVRP，
对VLAN成员提供注册服务。RSVP协议在后文中介绍。
2．千兆比路由器网
原有的路由器主要是通过软件执行存储／转发过程、实现对IP数据包的交换。这种
路由器的吞吐量很难达到100Mbit／s，大量IP数据包不能通过路由器而被丢掉，结果是
用户长期等待无响应或者传送失败。从源向目的地传送IP数据包的过程，是沿途每个路
由器独立地存储/转发（或前向）的过程，称为逐跳传送。低吞吐量的路由器和逐跳传
送方式，构成了IP业务迅速发展的障碍。
采用类似ATM硬件交换的技术，大大提高了路由器性能，使其可以达到每秒几百甚
至上千吉比特的吞吐量。千兆比路由器是指主要通过硬件存储／转发过程，实现对IP数
据包交换，吞吐量达到每秒若干吉比特的路由器。采用千兆比路由器作为骨干设备的IP
网络称为千兆比路由器网。
千兆比路由器网的问世，大大推动了IP支持数据、话音和视频综合业务（或IP综合
业务）的发展。
如前所述，支持宽带综合业务的网络需要具有区分不同业务和对应服务质量控制的
机制。为此，IP网络正在引入RSVP网络控制协议。RSVP使P网络能够提供“尽量传送”
和实时传送两类服务，在网络出现阻塞的情况下，优先保证实时服务类型的业务传送。
RSVP运行在以“尽量传送”为基础的网络上，它要达到保证实时业务的服务质量，还
需要改进和完善。
RSVP与P路由协议一起使用，可支持点到点和点到多点的数据传送。RSVP工作过
程概要如下：
①由接收用户发起资源预约，向网络请求特定QoS的服务。在点到多点的情况下，
所有接收用户独立地向网络发送这种请求。
②RSVP请求到达发送用户路径上的第1个路由器，该路由器确定是否有资源满足
这一请求。如果有，则回答成功响应并保留相应资源，准备好对应IP数据包分类和优
先调度；否则回答拒绝响应，接收用户重新请求。
③这个请求经过接收用户到发送用户沿途的所有路由器，这些路由器都回答成功
响应，预约才成功，发送用户发向接收用户的数据受到资源优先使用控制。
④对于点到多点传送，最后形成的是从发送用户到所有接收用户的组播树，由于
每个接收用户独立地预约请求，所以同一棵树上的不同枝可以有不同的传送能力。
⑤这种预约状态在发送和接收用户中“永久”地保存，并周期性地发送RSVP控制
信息来刷新路由器中的状态，在无刷新信息的情况下，路由器中的状态会超时并删除。
从上述RSVP工作过程可以看出：RSVP的效果需要进一步验证，尤其在大量路由器
构成的大型网络中。考虑到业务量的不稳定性，在大量实时业务流突发出现阻塞时，
就出现该优先处理哪些实时业务的问题。另一个问题就是用户超过预约请求，向网络
加载业务量应如何处理。RSVP应该能满意地回答这些问题，但还需要时间。
IP网络具有灵活的寻路机制。每个月数据包独立、并能单向寻找到达目的地的路
径。这样就形成了许多独特的网络性质：如自动绕过网络故障或阻塞的部分维持用户
间的通信；满足点到点单向、点到点双向对称或不对称、点到多点、多点到多点、广
播等各种网络通信方式。IP网络适合非实时的数据通信，包括少量的实时业务支持能
力，但在网络上的实时业务流数量大、比重高时，还需要更有力的网络资源管理控制
机制，使这些实时业务得到满意的服务。
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