IP交换新技术---辜予 桂洛宁 姚兆平 赵丽
摘要 本文介绍了IP交换的新技术即标签交换技术。它可以保持ATM交换硬件不变，并采
用一组同Internet相一致的协议，可获得交换机的性能／价格比和方便地增加新
的路由器功能，满足由于Internet用户数量的指数增长和用户对Internet带宽需
求所带来的具有更好的可扩展性的要求，并大大降低了IP映射ATM的复杂性，因而
标签交换很有可能成为下一代IP网中的路由结构。
关键词 标签交换 IP交换路由器 ATM交换机
1 IP交换综述
近年来出现了许多用于提高传统Internet速率，使其适用于宽带多媒体通信应用的
交换技术。如 TOSHIBA公司的信元交换路由器（Cell Switching Router：CSR）、Ipsi-
lon公司的IP交换机、CISCO的Tag交换机、IBM公司的基于累积路由的IP交换技术（Aggr-
egate Route－based IP Switching）。所有这些技术均基于一组共同的思想，它们均采
用一种称为标签置换（Label SwaPPing）的标签交换技术前送数据。非常巧合是在ATM交
换机里也是采用这种标签交换的技术前送数据，所不同的是这些IP交换技术力图保留传
统Internet协议组的控制部分，它们均采用IP地址和标准的Internet路由协议如OSPF、
BGP（BoundaryGateway Protocol）等。在许多方面这些IP交换技术综合了ATM和IP的最
好方面，即ATM的快速、简单交换；IP的普遍性、可扩展性和灵活性。值得注意的是所有
这些IP交换机均可以通过增加适合的软件，使ATM交换的硬件设备用作快速路由器，如图
1所示。值得一提的是：美国加州一个新崛起的小公司Ipsilon，最先提出了IP交换（IP-
Switching）这个很有创新性的构想。 IP交换目前极具吸引力，但已有了更广泛的涵义。
同最原始的IP交换构想相区别，这里定义了一个新名称即标签交换。
2 标签交换将是IP网中非常重要的技术
可以肯定的是在可以预见的未来，标签交换技术将肯定是网络世界的一部分，主要
原因如下。
2.1 Internet的增长和发展
Internet的增长表现在两个方面，一个是Internet用户数量在呈指数方式增加，另
一个是用户对Internet的带宽需求也在不断增加。这两个方面的增加均要求未来的Inte-
rnet具有更好的可扩展性。促使标签交换迅速发展的一个最重要的因素是IP网络路由功能
发展的需要。随着Internet用户数量的增加将肯定会对路由协议不断提出新的要求，即不
断地要求增加新的路由功能，以面对网络用户和带宽的增加。在目前的IP路由器中，由于
路由功能和分组／数据的前送功能是紧密结合的，要增加新的路由功能就必然同时改变数
据前送的功能，因而增加新路由功能是非常困难的。事实上这些数据前送算法对于路由器
的性能是至关重要的，要么是硬件实现的，要么是非常精心设计的软件实现，要改变这些
数据前送算法通常是既昂贵又费时。在标签交换中，数据前送算法是固定的，增加新的控
制方法（路由功能）并不需改变它。
因此数据前送的算法可以用硬件实现，也可以是精心设计的高效软件。而不必担心每
次新增加路由功能都要优化数据前送部分。标签交换的这个特点对于缩短IP网中新路由功
能的开发和铺设时间具有非常重要的意义。这个特点同时也使我们相信标签交换技术很可
能将会成为下一代IP网中的路由结构。事实上标签交换技术对于新一代IP--IPv6的铺设具
有很好的潜力。
2.2 价格和性能的因素
在Internet中有两种非常重要的设备：路由器和交换机。路 由器因其前送（forwa-
rd）的是IP数据包（packet），所以是第三层设备；交换机因其前送的是第二层协议包而
被称为第二层设备。高速交换设备同路由器相比，其功能和结构要简单得多，它们通常只
支持非常少数的协议和简单固定的数据前送算法，如ATM、帧中继（Frame Relay）交换，
而路由器通常要支持很多的复杂协议和接口。
如果以设备每秒所传送的数据包或设备的带宽容量做为衡量其性能的指标，我们就会
发现交换设备的性能/价格比通常要比路由器好，即在给定的性能要求下，路由器的价格要
比交换设备高；反过来，在给定的成本下，交换设备会提供比路由器要好的性能。例如,
10 Gbit／s的交换设备要比10 Gbit／s的路由器的出现早得多。若在这样的性能／价格比
考虑下，为什么不能开发一种采用交换设备的硬件完成路由设备最主要的功能（前送数据
包），从而同时获得交换机的性能／价格比和路由器的功能呢？的确可以，这即是标签交
换技术能够做到的。
2.3 IP和ATM的综合因素
在ATM开发初期，人们认为ATM应该开发纯粹的ATM应用和协议，以充分利用ATM优越的
性能，从而使ATM适用于整个网络世界。然而人们不久便发现，许多ATM网的重要任务是前
送IP数据包，这显然是由于Internet的成功所引起的。这样，ATM和IP的标准化组织就面
临着将IP结构映射（MAP）到ATM网络中的问题。就目前的发展看，存在着两种解决方案：
（1）一种是利用ATM提供IP互联即Overlay结构，如图2所示。ATM和IETF已经定义了
很多标准：
* IP over ATM（IPoA）。即利用 ATM适配层将 IP数据包封装成ATM信元，同时定义
了将IP地址映射为ATM 地址的ATM地址解析协议（ATM ARP）。
* IP over Large Public Data Network（IPLPDN）和大网路由工作组(ROLC)定义的
确解析协议NHRP（Next HoP Resolution Protocol）保证了逻辑IP子网（LIS）间ATM虚
电路直接连接的建立。
* MPOA（Multi Protocol over ATM），使ATM网能够 支持多种网络层协议，
而不单是IP。
* 链路层上综合业务工作组（ISSLL：Integrated Service over Specific Link La-
yer）定义了用于将 IP资源预定模型映射到ATM网中的方法即RSVP协议。
这种将IP映射到ATM的方法如ATM ARP、MARS（Multicast Address Resolution Serv-
er）、NHRP、BUS（Broadcast and Unknown Server），通常比较复杂，均要采用服务器，
因此会出现单点毁坏的问题，解决单点毁坏需要备份服务器，这又需要引入同步协议，以
保持工作服务器和备份服务器的同步。
（2）为了解决这种复杂的映射问题，出现了第2种解决方法，即保持ATM交换的硬件
不变，但不再使用ATM论坛和ITU的控制协议（UNI，PNNI等），代之以一组同Internet结
构（无连接性）相一致的协议，这些协议不再需要IP和ATM的复杂映射。即改变ATM交换的
控制软件，以使其在前送IP包时，不再需要IP和ATM的映射，而ATM交换仍然采用基于标签
置换的方法前送数据包，但其建立前送表和资源分配的机理将全部由IP控制协议来完成，
这样一来，从控制的角度来看，ATM交换机就等效地变成了高速的路由器，但却不再需要
IP和ATM控制模型的映射了。
若采用 Overfay结构解决 IP over ATM，除前面提到的单点毁坏问题外，还存在着
另一个问题，即网络的可扩展性问题。让我们来看一个例子，在图3中要使所有的路由器
连通，则所有路由器之间必须可以建立VC连接，即路由器之间必须是VC全通的（fully
meshed）。也就是说任何一个路由器和其它路由器之间必须能够建立n*(n-1）／2个VC，
n是网络中的路由器个数。由于中间的ATM交换（第二层交换）对路由器来讲是透明的，
所以每个路由器的直接连接路由器个数就是n*(n-1）／2，在图3中为55个。对这样的网
络，核心网络拓扑结构的任何变化都会使需要传送的路由信息可以高达n4，由于所需传
送的路由信息数随着n的递增增加得非常快，所以光是路由信息业务就可以使路由器过载
，导致网络性能的严重下降。解决上述问题的一个方法是除去路由器之间的全通VC连接，
以降低每个路由器的紧邻路由器数，这样就需要在路由器对之间的ATM网络中增加路由器
，NHRP服务器可以做到这一点，但NHRP只适用于单投数据业务，而不适用于多播业务（
multicast）。
另一个解决扩展性的更好方法就是标签交换技术。我们在上述网络中的ATM交换硬件
平台上运行IP协议（包括IP路由协议），就可以在不改变网络物理拓扑或设备的情况下
极大地降低每个路由器的紧邻路由器数，这是因为此ATM交换已经表现为路由设备了。例
如图3中路由器a的紧邻路由器数就从原来的55个降低为1个了。
2.4 增加路由功能的需要
标签交换不但可以使ATM硬件通过增加控制软件起到IP路由器的作用，也不仅仅是
开发快速价廉的高速路由器方法。它还非常利于增加新的路由功能例如鱼图路由器结构
功能（见图4），如果我们要求路由器b将来自路由器a要去路由器f的数据包均通过路由
器d送给路由器f；其它要到路由器F的数据包均由路由器e送往路由器f，则传统的IP路
由器是无法实现的，但在标签交换机中、我们可以通过给来自路由器a要去路由器f的数
据包分配一个不同于其它路由器要去路由器f的标签，比如该标签为5，其它去往路由器
f数据包的标签为10，则路由器b就可以将所有要去路由器f且标签为5的数据包送往路由
器d，标签为10的则送往路由器e。
所有上述因素构成了人们发展标签交换技术的基本原因。
3 结束语
通过上述论述可知：
（1）标签交换具有可增加新的路由功能，而不需改变数据前送算法的特点。此特
点对缩短IP网中新路由功能的开发和铺设时间具有非常重要的意义。
（2）若以设备每秒传送的数据包或带宽容量做为衡量其性能的指标，标签交换技
术可以获得交换机的性能／价格比和路由器的功能。
（3）ATM交换采用基于标签置换的方法能很好地解决Overlay结构中复杂映射的问
题，而且可更好地解决IP网络的扩展性。
（4）标签交换不但使ATM硬件通过增加控制软件起到IP路由器的作用，还非常利于
增加新的路由功能。
因而，标签交换技术将是IP网中非常重要的技术，将会效为下一代IP网中的路由结
构。
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