|
局域网交换机技术及其发展趋势（汤九斌 许世民）
摘要 着重介绍了局域网交换机的体系结构、关键技术及其发展趋势。
关键词 局域网交换机 线速交换 第三层交换 QOS 虚拟局域网
随着网络技术的飞速发展，局域网的作用已从最初的主机连接、文件和打印服务，转
向围绕着客户机／服务器模式的大数据流应用、Intranet、WWW浏览、实时音频／视频传送等
服务，日益庞大及增长的数据流持续增加了网络负荷。同时，由于基于工作组或部门级的服
务器解决方案被企业级服务器所替代，促使数据流向发生了根本变化，网络主干的地位进一
步得到提高。这些都促使局域网络技术从网桥技术、主干路由技术向局域网交换技术过渡。
交换技术的发展为局域网交换机提供了一个空前的发展机遇，也极大地促进了局域网交换机
技术与产品的更新换代。
1局域网交换机体系结构
从目前局域网交换机技术发展的现状而言，其体系结构大致有以下几种。
（1）总统结构
基于总线结构的交换机一般分为并行总线和共享内存型总线两大类。
并行总统结构采用由一种介质组成的单块背板，模块之间的所有信息流都必须经过这条
总线进行传输。数据利用时分多工传输（TDM）方式在总线上传输。基于总线结构的交换机背
板最高容量平均为2Gb/s。
共享内存型交换机使用大量的高速RAM来存储输入数据。由于数据直接从存储器传输到输
出瑞口，因而这种设计完全不需要背板。这类交换机比较容易实现，但在扩展到一定程度时
内存操作会产生延迟。其次，由于在这种设计中增加冗余交换引擎不仅复杂而且成本高，所
以这种交换机不可避免地存在单故障隐患。故共享内存型交换机适合于小系统、谁叠式系统
或较大系统中的分布式交换模块。
（2）点对点结构
点对点结构交换机又称为纵横制交换机或矩阵交换机。结构的可扩展性与其实现方法有
关，已知容量可以扩展到100G/s。成本和复杂性高是这种交换机容量增加的主要限制因素。
在点对点交换机的全矩阵实施方案中，每个模块都通过连线直接连至其他模块，形成了全网
状背板。由于每个模块都有自己的一组连接线，因而不必设置中央交换阵列。背板总容量等
于连接线的总线[N×（N-1）]乘以一条点对点链路的传输速度（目前容量已达到1Gb／s或更
高）。
矩阵点对点交换机的分布式交换设计不需要中央交换阵列，但由于网状连接的几何性质，
这种交换机在扩大端口数目时会造成模板成本迅速增加。同时每个模块都提供网状连接，扩
容时还要重复提供系统时钟和控制功能。
某些矩阵交换机的实施方案为了降低成本而减少了模块上的缓冲器容量。减少缓冲器容
量势必引起阻塞现象的发生。因此，尽管模块之间仍然是全网状连接，但这种交换机的背板
容量还是小于标称的总传输速度，这对于核心的主干应用是一个严重的缺陷。
（3）星形连接的点对点结构
这种结构多应用于ATM交换机中。这种实施方案比矩阵交换机的分布交换结构简单得多。
星形接法的互连设计用中央交换阵列去取代以太网状的模块连接线。每个星报接法的模块只
接到中央交换阵列，在需要有冗余能力时还要连接到备份交换阵列中。由于每个模块不必自
配高性能的交换阵列，整个设计只使用两个中央阵列，所以其成本低于含有3个或更多模块的
任何网状设计。
与网状设计方案相比，星形结构的点对点设计还有更好的可扩展性。该设计在模块与中央
阵列之间可设置任何数目的连线（称为背板互连线）。因此互连线的最终传输容量取决于中央
阵列和模块的交换能力，不是取决于互连线自身。例如在一个10模块的机箱中，可以给每个模
块配置两条互连线，每条互连线的速度为1Gb／s，即模块与中央陈列之间的带宽有2Gb／s。在
这种方式下，交换机的总容量能达到对20Gb/s。
综上所述，要提供更大的带宽和更快的速度，点对点连接是交换结构的发展方向。矩阵点
对点交换造价高昂，可扩展性差，不适合于大端口量的交换机；星形点对点连接方案虽然绝对
带宽不如矩阵连接，但通过优化可以获得很高的性能，且复杂度低得多，目前看来，它是大容
量交换机的最佳方案；共享内存结构的复杂度要低得多，但采用了优化设计和分布处理技术后，
也能达到很高的性能，因此在相当一段时间内，它能满足大多数企业的需要，仍是局域网交换
机的主流产品。
2局域网交换机核心技术
在今后局域网交换机发展过程中，以下几方面的技术是其核心所在。
2.1 线速交换
线速交换，顾名思义，就是使交换速度达到传输线上的数据传输速度，消除交换瓶颈。
实现线速交换的核心是ASIC技术，用硬件实现协议解析和包转发，而不是传统的软件处理方
式（通过一个CPU）。线速交换有设计简单、高可靠性、低功耗、高性能等优点。线速交换的
实现还依赖于分布式处理技术，使得多个端口的数据流能同时进行处理。所以它一般是CPU，
RISC，ASIC并用的并行处理体系。
2.2第三层交换
普通交换机工作在OSI7层模型的第二层，即数据链路层，交换以MAC地址为基础。IP处于
OSI协议栈的第三层，通常由路由器通过软件实现网间互连。路由器价格昂贵且转发速度慢，
越来越成为网络的瓶颈。第三层交换就是借助于线速交换技术，把路由功能集成到交换机中，
这种交换机称为路由交换机或第三层交换机。
第三层交换在各个网络层次上都能实现线速交换，性能有大幅度的提高。同时，它保留了
第三层上的网络拓扑结构和服务。这些结构和服务在网络分段、安全性、可管理性和抑制广播
等方面具有很大优势，它有鉴别各种应用层协议的能力，有助于实现基于策略的网络控制，所
以借助硬件在第三层实现主要的路由协议（如IP、IPX和APPLETALK是绝对必要的。第三层交换
机的目标是取代现有的路由器。它们提供子网间的信息流通信，使通信速度从数百个数据包每
秒提高到数百万个数据包每秒。第三层交换旨在高速转发多种协议，或提供防火墙以保护网络
资源，或实现带宽的预留。下一代骨干网的核心交换机都将是第三层交换机。
2.3QoS
QOS要通过业务分类、优先级划分、多点选播、流量控制、数据过滤和虚拟专网等措施来
保证，交换机要能提供控制和机制，保证这些功能的实现。ATM在这方面独具优势，可以说是
不可替代的。将来的局域网将是以大网和ATM混合的网络，所以现在有些网络采用ATM作为局域
网交换机。
ATM是面向连接的技术，是理想的骨干网解决方案。它在每个连接的基础上提供真实的
服务质量，允许话音、视频和数据的综合传输。因为它保证了必要的带宽和时延特性，同时保
证每个呼叫不会受到骨干网上其他呼叫的影响。对于像视频会议和视频点播这类应用来说，QO
S是非常重要的。但ATM到桌面代价太高，效率并不理想，所以各种IP与ATM的混合模式一直在
发展。无论何种制式，从实现上看，QoS主要依赖于ASC，RISC和并行处理技术。
2.4ATM与以太网的结合技术
ATM与以太网技术的结合有其必要性，为了使ATM和传统的以太网共存，ATM论坛提供的
LANE规范较好地解决了这一问题。LANE使得ATM使用任何数据网络协议来支持标准的、可互操
作的网络互连。作为一项成熟的技术，LANE在协议栈中位于AAL之上，提供第二层的局域网协
议桥。它允许天连接的、广播式的以太交换局域网在面向连接的ATM网络上透明地仿真，允许
局域网设备之间自由地通信或跨越ATM网段连接到ATM设备上去，从而使得局域网的高带宽、
低成本的特性与ATM的高可靠性有机地结合起来。
2.5虚拟局域网（VLAN）技术
VLAN技术定义的是一个逻辑广域网。其中基于端口的VLAN是VLAN关联最简单的一种形式，
从网络管理的角度看，此时VLAN是一组可以互换单一播送和广播数据包的局域网交换机上的端
口。当一个数据包从一个属于某一VLAN的端口进行广播时，交换机收到数据包然后拷贝到这一
VLAN所包括的所有端口上。一些局域网交换机还允许一个VLAN跨越到多台交换机的端口上，尽
管这需要依赖于一些附加的用于交换机之间进行VLAN信息通信的协议。除此之外，交换机还可
以采用其他的基于以太网数据包内部信息的 VLAN关联策略，如MAC、网络分层信息（包括通过
协议类型和／或IP地址）及组播组。但除了基于端口的VLAN在众多供应商的产品中得到实现之
外，其他几种VLAN技术都仍有待于获得广泛的接受和标准化。
VLAN有许多优点，其中包括能够把分散在任何地点的一些用户组织成高性能的工作组，用
户可以方便地在园区内变更工作地点，提高了网络的安全性。但是，如果VLAN不是用简便的管
理工具来实现的话，其代价将是网络管理难度和成本的增加。
在实施VLAN时必须考虑4个主要问题，一是在网络中应如何定义VLAN；二是在多台交换
机上用何种方法进行VLAN成员信息交流最好；三是VLAN配置应自动化到何种程度；四是如何在
不同VLAN之间传输。用户们需要选择一种能够经济有效地获得VLAN所能提供的优势的解决方案。
3局域网交换机发展趋势
一般认为，局域网交换机的技术发展趋势离不开交换技术的发展。
交换技术从目前来讲可分为第二层交换和第三层交换。第二层交换是OSI第二层或称MAC层
的交换；而第三层交换或称网络层交换，则提供了更高层的服务，如路由功能等。不同层次的
交换应用的驱动方式也不尽相同。最早的交换机是基于一般用途处理器的，这些RISC（缩减指
令系统计算）和CISC（复杂指令系统计算）是通过其内部软件来提供高层服务的，可以软件升
级，但其运行速度很慢，而且生产成本也较高。后来出现装备ASIC的交换机，其运行速度较快，
而且能批量生产、成本较低，但它却失去了第一代产品所提供的灵活性和可编程能力。后来又
出现了ASIC－RISC合并的产品，它集两家之长，即ASIC优良的性能价格比和RISC的灵活编程能
力。现在最新的交换机构是基于DSP（数字信号处理）的可高速运行又可编程的交换驱动编码，
可为不同的局域网技术（10MB／100MB／千兆以太网、FDDI、ATM）提供“个性化”的ASIC驱动。
现在已经把多层交换技术描述成为能够支持各种局域网体系结构的一个集成的、完整的解
决方案，它将交换技术和路由技术智能化地有机结合起来。一个多层交换机从逻辑上可以被看
成一个附带有一个第三层转发功能的第二层的交换设备，同时它与第三层的数据转发模块采用
高速互连。一组局域网端口界面的参数直接附属于第二层交换的处理核心。就像一个传统的路
由器转发应用一样，网络节点为了将数据包转发给不同干网，首先将IP数据包传给第三层转发
功能模块，该模块具有一个或多个IP寻址器和MAC寻址器，然后再转发给其他子网。
总的看来，局域网交换机是向更快、更宽、更可靠的方向发展。多层交换技术是一个完整
的、自我包容的、性能价格比高并具有良好扩充性的解决方案。多层交换技术结合了局域网交
换技术和路由技术最优的特征，具有比传统的基于路由器的局域网主干更高的性能价格比以及
更强大的灵活性，必然成为今后的技术走向。随着千兆以太网、虚拟局域网、IP协议交换技术
等新技术的成熟，局域网交换机必定能承担起新一代网络基石之重任。
|