顧華璽
（西安電子科技大學綜合業務網國家重點實驗室，陜西 西安 710071）
摘 要：在介紹傳統交換技術的基礎上，根據技術發展的趨勢詳細講座了目前通信網絡中常見的一些多層交換技術，包括標記交換、IP交換、ARIS和MPLS技術等等。
關鍵詞：電路交換；分組交換；多層交換技術
1 引言
通信中交換的要領源于電話交換。從通信資源分配的角度來看，交換就是按照某種方式動態地分配傳輸線路資源的一種運作。當然，這也是一門技術，稱之為交換技術。交換技術可以說是新網絡時代的核心，具有強大的尋址能力，不僅解決了網絡智能化的問題，也促進了網絡的發展。特別是隨著Internet網絡規模的不斷擴大和業務量的迅速增長，傳統的路由器轉發的方式已成為網絡發展的瓶頸而多層交換技術也就顯示出了新的生命力。因此，各類經營機構都在迫不及待地追趕潮流，試圖將多層交換技術滲透到各個應用領域，各種交換技術層出不窮，例如，第三層交換、第四層交換、標記交換等等。因此本文首先對傳統的交換技術進行簡要的介紹，然后對各層所用到的交換技術進行較詳細的討論。
2 傳統的交換方式
2.1 傳統的電路交換方式
電路交換（CS:Circuit Switching）是最早出現的一種交換方式，電話交換就是CS方式的一個典型應用。CS是一種實時交換的技術，在雙方通信前需要建立專用的物理鏈接通路，如果沒有空閑的鏈接通路，通信就不能進行，待通信結束后，還需要根據信令將這條通路拆除。CS所分配的帶寬是固定的，在連接建立后，即使無信息傳送也要占用信道帶寬，所以電路利用率比較低。但CS的最大優點是實時性好，十分適用于電話交換。
2.2 傳統的數據交換方式
由于CS存在著一定的缺陷，對于數據通信來說，就又出現了存儲轉發式的報文交換和分組交換兩種方式。當然，存儲轉發式的分組交換（簡稱分組交換）是一種可取的交換方式。
存儲轉發式的報文交換，與CS的原理不同，不需要給通信雙方提供一條物理鏈接，只是將所接收到的報文暫時貯存起來，然后根據收文中的目的地址信息來選擇接收節點，向接收節點傳輸。由于采用接力傳送的方式，任何時刻都只占節點間的一條鏈路，因而效率較高，但存在著時延過大的問題。公用電信網中的電報自動交換即是報文交換的即是報文交換的典型應用。
分組交換與存儲轉發式的報文交換不同，需要將用戶要傳送的信息分割成若干個組（packet），并為其附上分組頭，分組頭中含有地址或其它控制信息。分組交換可以提供兩種服務方式，即數據報（Datagram）和虛電路（VC:Virtual Circuit）方式。
在數據報分組交換的網絡中，每個分組獨立地選擇路由，不需要預先建立邏輯鏈接，所以連續的分組可能會經過不同的鏈路進行傳送。而在虛電路分組網絡中，需要在數據傳輸前的呼叫建立階段，選擇一條固定的虛電路（VC），一旦VC建立，屬于這一呼叫數據分組均沿著這條虛電路進行傳送，最后清除分組并將虛電路拆除。
虛電路只是邏輯鏈接，不同于電路交換中的物理鏈接，虛電路并不獨立占用線路，在一條物理鏈路上可以建立多個虛電路，以達到資源共享。虛電路實際上是數據報交換和電路交換的一種折衷方案。
還有值得一提的是快速分組交換（FPS:Fast Packet Switching），可以理解為采用了盡量簡化的協議。FPS只具有核心網絡的功能，可以提供高速、高吞吐量、低遲延的交換，ATM交換就是其中的一種應用。FPS屬于固定長度信元繼的范疇，便于用硬件來實現，鏈路的效率也比較提高。
3 多層交換技術
國際標準化組織（ISO）提出的開放系統互連參考模型（OSI-RM）的下四層（物理層、數據鏈路層、網絡層、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，傳統的電路交換就屬于這一層。
（2）第二層
為數據鏈路層，從傳統意義上講，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發機制，能夠轉發各種數據鏈路層的協議，包括局域網（LAN）中的以太網和高速令牌環網（FD-DI）以及廣域網（WAN）中通過VC交換的幀中繼（FR）和異步轉移模式（ATM）等，經典的LAN多端口網橋也屬于這一層。該層支持簡單的網絡分段，并能令網絡性能有明顯的改善。這第二層交換的流行，帶支了第三層和第四層交換的發展。
（3）第三層
是網絡層，主要的任務是為分組尋找合適的路由。傳統的路由器由于使用軟件和通用的CPU來實現對數據報的轉發，因而延遲比較大，轉發的速度也比較慢，而第三層交換正是針對這個問題提出的。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合了起來，實現了網絡的快速分組。相應地，第三層交換機的目標也在于要兼備兩個特征，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，除了具有轉發的功能外，還將具備自動劃分數據流等級及服務等級的功能，以及提供某種形式的QoS等等，這將是第三層交換機的另一個重要特征。
從20世紀90年代中期起，世界上各大公司都紛紛對第三層交換進行研究，并提出了許多不同的方案，推出了許多產品。比較有影響的有：Cisco公司的標記交換（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的多協議標記交換（MPLS:Multi-Protocol Label Switching）等等。
TAG Switching是處于交換邊緣的路由器，將每個輸入幀的第三層地址映射為簡單的標記，然后把有標記的幀轉化為ATM信元，再映射到VC上，在網絡核心ATM交換機進行標記交換，由路由器保存標記信息表（路由表），用以尋找第三層路由。最后，將標記信元送到目的地路由器上，由目的地路由器去掉信息標記，把信元轉化成幀，送到最終的目的端。在這個過程中，通過交換標記（小的數據單元）和僅進行一次簡單的標記查詢就可提高轉發幀的性能。
IP交換技術是一種將第二層交換功能和第三層路由功能結合起來的技術，是多層交換的另一種類型，與CSR相類似，都是數據流驅動IP交換的一種應用。就是說它們可以根據獨立業務流到達的情況來安排交換機的資源，并通過標簽分配和把數據流映射成VC上的信令信息（IFMP和FANP），實現交換的過程。這些，都是獨立于單個IP數據流進行的，保持了Internet模型的擴展性及在第三層按照逐級跳的方式對所有業務進行轉發的形式，且引入了特定的控制協議，把IP數據流轉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，基本的功能是按照匯聚的IP數據流的目的端建立、維護交換通路。ARIS利用選路協議的信息并把這些信息與網絡入口到出口的交換通路聯系起來，從而實現了上述功能。具體地說：ARIS是運行在集成的交換機/路由器設備網絡上的控制協議，因ISR是支持IP選路的第二層交換機（如ATM），故ARIS可以利用選路協議中的信息（由OSPF，BGP）把IP分組映射到第二層交換通路上，通過ISR設備和網絡，成為第一種引入匯聚交換通路的IP交換機制。在多個不同的源端和同一目的端之間，ARIS可以建立多點到點的交換通路，進而降低了交換機資源的消耗。
對于第三層交換技術，因各公司多采用自己的標準，相互間的連通比較困難。因此，IETF正在制定MPLS的標準，以將各公司第三層交換技術的標準統一起來。
MPLS是將第二層交換功能與第三層路由功能完善地結合在一起的一種技術，在IP路由和控制協議的基礎上，MPLS提供了面向連接的交換。其所以稱之為多協議，是因為MPLS可以支持網絡層的各種協議，如IPv4、IPv6、IPX、CLNP等等，同時MPLS也支持第二層的各種協議，支持任何能夠在網絡層實體間傳送網絡層分組的第二層媒體，而并不針對某一種鏈路技術。MPLS以十分簡潔的方式完成信息的傳送，且與TAG、ATM交換相類似，引入了固定長度的短標簽（Label）作為在MPLS網中進行數據轉發的依據。
MPLS網絡由標簽交換路由器（LSR）和標簽邊緣路由器（LER）所組成，通過標簽分發協議（LDP）在LER和LSR之間對標簽進行分發。就是說，通常各個MPLS設備在運行第三層路由協議（如OSPF、BGP）時，會根據計算得到的路由來使用標簽分發協議，為信息流分配標簽，并建立數據傳送通道，即標簽交換路徑（LSP），因此當業務數據（IP分組，幀中繼幀或ATM信元）到達MPLS網絡邊緣的LER之后，LER就會首先根據某種原則將數據流和固定長度的標簽對應起來。對應的原則不但考慮到數據流的目的地址信息，還考慮了有關QoS的信息，然后才為數據添加標簽。這樣，在以后的轉發過程中，LSR就只是根據數據流所攜帶的Label，以查表、交換的方式進行轉發，當數據到達出口LER之后，LER將標簽去掉，恢復原數據流，按照原來的方式傳送數據。
總之，多服務、流分類、通信量規劃、顯示路由、進行不同等級的服務和IP QoS（以ATM為基礎的）等等，都是MPLS的關鍵特征。其目標就是要解決網絡擴展的問題并能在同一基礎結構上提供多種網絡服務。隨著MPLS的出現，在共享Internet上支持實時通信的虛擬專用網（VPN）也將在不長的時間內成為現實。
（4）第四層
是傳輸層，擴展了第二、三層的交換并支持細粒度的網絡調整和對通信流優先權的劃分，所使用的第四層信息，例如TCP/UDP應用程序的端口號，被用來作進一步確定通信量的轉發方式。
第四層交換允許根據應用程序劃分通信數據的優先權，因此管理人員能夠對某些特定的應用程序進行限制，以將一定量的帶寬用于重要應用程序通信。從本質上講，第四層交換提供了在網絡中實現開放系統聯合會（COS）所提出的方法。
5 結束語
最初交換的目標僅僅在于改善網絡的性能，而多層交換通過給網絡增加明顯的智能，超出了單純提升性能的初衷，特別是多層交換吸收了經過驗證的一些技術的優勢，為未來實現可擴展的解決方案——可預見的、可靠的、可擴展的網絡，奠定了堅實的基礎。
