第三層交換技術(shù)及其在寬帶IP網(wǎng)中的應(yīng)用研究.pdf

1、以太網(wǎng)在1973年誕生于施樂的帕洛阿爾托研究中心(PARC)的計算機科學(xué)實驗室，由PARC的網(wǎng)絡(luò)專家Metcalfe設(shè)計。1980年9月30日，DEC、Intel和施樂公布了第三稿的“以太網(wǎng)，一種局域網(wǎng)：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層規(guī)范，1.0版”，這就是現(xiàn)在著名的以太網(wǎng)藍皮書，也稱為DIX版以太網(wǎng)1.0規(guī)范。以太網(wǎng)發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)有三十多年的歷史，由于它成本低、可靠性高、安裝和維護相對簡單，因此大受人們歡迎。今天，以太網(wǎng)幾乎承擔(dān)了Internet

2、上所有的通信任務(wù)?！　∮捎布酒瑘?zhí)行數(shù)據(jù)幀或報文轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)通訊設(shè)備稱為交換機，按其交換報文的層次不同，又分為二層交換機和三層交換機。分組交換又稱包交換，基于IP的交換技術(shù)發(fā)展至今已成了寬帶IP網(wǎng)的核心和關(guān)鍵的技術(shù)。IP交換技術(shù)又被稱為第三層交換技術(shù)，它是第二層交換機的報文高速轉(zhuǎn)發(fā)加上第三層路由器路由功能兩者的結(jié)合，其內(nèi)容包括如下方面：基于IOS(網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng))的轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)引擎、IP快速路由、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量QOS、VPN和網(wǎng)絡(luò)安全等。在今天

3、的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，第三層交換技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電信網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)網(wǎng)/校園網(wǎng)建設(shè)、智能小區(qū)寬帶接入等許多場合，而隨著需求的不斷提高和技術(shù)的進步則推動第三層交換技術(shù)向縱深發(fā)展?！　”疚膶拵P交換網(wǎng)中的骨干路由器必備三個關(guān)鍵技術(shù)轉(zhuǎn)發(fā)引擎、IP路由技術(shù)、QOS進行了研究并在此基礎(chǔ)上進行了創(chuàng)新，要點如下：獨立研制的基于NP的微內(nèi)核轉(zhuǎn)發(fā)引擎而非專用的實時操作系統(tǒng)，對路由查找進行優(yōu)化以便從傳統(tǒng)的幾千條路由到支持超過百萬條路由的IP快速路由技術(shù)，QOS中可

4、防止網(wǎng)絡(luò)流量攻擊的多層次流量控制技術(shù)，并成功應(yīng)用于萬兆交換機和路由器中?！　【W(wǎng)絡(luò)處理器(NetworkProcessor，NP)是一種可編程器件，它特定地應(yīng)用于通信領(lǐng)域的各種任務(wù)，比如包處理、協(xié)議分析、路由查找、聲音/數(shù)據(jù)的匯聚、防火墻、QoS等。在網(wǎng)絡(luò)處理器上可運行專用的實時操作系統(tǒng)如vxWorks，pSos，PocketPC等，亦可運行微碼或者自主開發(fā)的轉(zhuǎn)發(fā)引擎。較流行的網(wǎng)絡(luò)處理器包括IntelXscale系列，Broadcom系

5、列等。我們在Broadcom系列NP處理器上實現(xiàn)了微內(nèi)核的轉(zhuǎn)發(fā)引擎，使轉(zhuǎn)發(fā)效率得到了極大的提高?！　P路由技術(shù)是報文轉(zhuǎn)發(fā)過程中最為關(guān)鍵的一步也是轉(zhuǎn)發(fā)中的瓶頸。其查找速度決定了路由器的轉(zhuǎn)發(fā)能力即帶寬。前期的路由器實現(xiàn)均采用了純軟件技術(shù)，現(xiàn)今的實現(xiàn)則大多靠硬件以獲得高的轉(zhuǎn)發(fā)速度。本文研究了基于TCAM的硬件轉(zhuǎn)發(fā)和基于Trie表的轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)并對其進行優(yōu)化使之支持到百萬條以上的路由數(shù)，將其實現(xiàn)于萬兆交換機和路由器中。對于IP交換中的服務(wù)質(zhì)量Q

6、OS，著重研究了流量調(diào)節(jié)技術(shù)并提出多層次控制方法，以保障網(wǎng)絡(luò)的效率和負載平衡?！　≈饕ぷ髟敿殧⑹鋈缦拢?(1)采用TCAM(三重內(nèi)容可尋址內(nèi)存)技術(shù)，實現(xiàn)了最長前綴的路由查找算法，并應(yīng)用在萬兆(10G)交換機/路由器中。實現(xiàn)了基于硬件的路由查找，可支持10萬條路由，一次查找即可命中·路由信息由CIDR樹維護，操作方便簡單；路由下發(fā)速度可達到萬條/秒。 (2)采用Tiie表技術(shù)，實現(xiàn)了最長前綴的路由查找算法，并應(yīng)用在萬

7、兆(10G)交換機/路由器中。實現(xiàn)了基于軟件的路由查找，四次查找即可命中；支持百萬條路由，可應(yīng)用在核心網(wǎng)的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備上；路由下發(fā)速度可達到萬條/秒；在路由振蕩情況下仍然能維持較高的轉(zhuǎn)發(fā)性能和穩(wěn)定性。 (3)研究了基于MIPS架構(gòu)的雙核心網(wǎng)絡(luò)處理器芯片BCM1250，構(gòu)建了基于其上的微內(nèi)核轉(zhuǎn)發(fā)引擎，并在其基礎(chǔ)上實現(xiàn)了CPU間高速報文傳遞的消息隊列，是達到G比特級轉(zhuǎn)發(fā)的關(guān)鍵；微內(nèi)核實現(xiàn)如下內(nèi)容：初始化，內(nèi)存管理，中斷管理，任務(wù)管理，設(shè)

8、備管理，文件系統(tǒng)和調(diào)試模塊；消息隊列采用了環(huán)形隊列的方式，不需要互斥鎖的支持，以達到高速的報文轉(zhuǎn)發(fā)性能。 (4)研究了P交換中的服務(wù)質(zhì)量QOS，并使用流量度量算法應(yīng)用于CPU流控中；采用了兩級流控的方法，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；第一級流控基于端口流控，可避免一個端口受攻擊時，影響其它端口的轉(zhuǎn)發(fā)；第二級流控基于CPU流控，使得在CPU正常工作條件下，仍然保證流控的有效性；可有效防止DDOS攻擊；可有效防止病毒攻擊；提高系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的