IP骨干网智能交换式解决方案

网络设计的核心目标，说到底就是要建造一个高速IP交换主干。这个主干该具备哪些功能？欧洲网络试验室主任Robert Mandeville对交换式IP主干的看法，可以说是一针见血。关键词无非是网络设计、网络结构、IP交换主干——这几个词基本概括了本文要讨论的核心。

一、网络需求分析

这是一个典型的园区网，主节点由六栋楼组成，网络用户的分布、各楼之间的位置和距离见下图1。先看看需求有哪些：

企业网的计算模式正在从客户/服务器向Intranet转移，IP将成为唯一的协议，但必须考虑如何为话音和视频应用提供足够的服务质量保证。大幅度提高网络带宽——包括桌面、部门服务器和主干——显著改善响应时间。网络要能快速有效地传送IP数据包。容错的网络结构、集中的网络管理（特别是对虚拟网的管理，必须保证灵活和安全），网络应支持动态组建跨部门的项目小组。当然，费用也要尽量低。

各建筑物之间已经铺好了足够数量的光纤，较远的楼之间（如M2和RD2之间）使用单模光纤，近的楼之间使用多模光纤。因此网络主干的拓扑结构没有布线上的限制，但主干设备需要同时提供多模和单模光纤接口。

楼内的网络结构比较规整，可以由一个数据中心集中连接各配线间，形成所谓的塌陷式主干（Collapsed Backbone）。见右边示意图2。

二、技术解决方案建议

很明显，网络的设计要求建造一个高速IP交换主干。这个主干所应具有的功能，直接引用Robert Mandeville的看法：

IP包的转发速度要快。千兆以太网和ATM均可达到每秒千兆位级的速度，但还需考虑这两种技术在IP传输效率、服务质量保证、价格和可管理性等方面的差异。可为不同的应用提供不同级别的服务，并能与Internet协同工作。能支持IP上的话音应用，并通过IP多点组播（IP Multicast）支持视频应用。适应移动的用户和工作组，网络可以自动调整配置以保证移动用户的原有身份。有能力以线速交换第四层的数据流。

这些看法与本次招标的网络需求高度一致，并对某些需求做了进一步细化。基于上述分析以及新一代IP交换主干的特点，这里提出以下技术建议：

1. 网络结构

主干的拓扑结构应考虑容错性和多链路上的负载共享，以网状结构为好，但还需根据各楼内的节点数、网络应用的种类及投资等因素进行配置。主干的拓扑结构见下图3。

楼内的拓扑结构虽然已有定论，但不同厂家的方案仍有不同。右图所示的结构在某些厂商的方案中经常见到——数据中心由交换机和路由器（或第三层交换机）共同组成，数量视情况而定，比如两台交换机加两台第三层交换机，见图4(b)。但这种结构引入了延时，而且由于使用成倍数量的交换机，费用也增加不少。

更好的结构当然是完全由第三层交换机（或称为交换式路由器）组建数据中心。网络中没有通信瓶颈，桌面到服务器仅需2次跳步，而且一台设备取代两台设备，成本大大降低。如果考虑数据中心的容错，可以用两台第三层交换机并构成冗余连接。配线间布置新一代第二层交换机。值得注意的是，采用冗余结构时，数据中心交换机需要提供2至3倍于非冗余结构所需的端口数量。图5展示了纯L3式数据中心。

下表1列出了市场上可购买到的第三层交换机的千兆以太网端口密度。

表1. 第三层千兆以太网交换机的端口密度

由于主干交换机是第三层、第四层交换机，支持OSPF协议，所以园区网状的拓扑结构不仅可以实现连接冗余，还能运用OSPF协议实现多链路负载分享。

2. 园区网络主干的技术选择

毫无疑问，目前可行的选择只有两种：622 Mbps ATM和千兆以太网。下面从与IP相关的多个方面进行对比：

千兆以太网（以帧方式传输）
- 交换机需要高速背板的支持
- 第三层交换不要求对原网络进行彻底更新
- 新的帧格式向后兼容
- 虚拟网用802.1Q建立基于端口的VLAN
- 某些交换机支持基于策略的虚拟网
- 第二、三层交换机使用IGMP Snooping技术自动设置IP Multicast小组
- 某些第三层交换机还支持DVMRP路由协议
- ASIC硬件可识别TCP的端口号，交换机可将QoS/CoS/ToS参数应用于交换的数据流，对IP应用区分优先级

ATM（以信元方式传输）
- ATM的站点和边缘交换机支持ABR未被普遍采用
- 实现上需要新的硬件控制器
- 需要系统的方法设计和维护ATM网，用户需重新培训
- 需要新的硬件以支持MPOA
- 利用MPOA在IP主机之间建立捷径式路径，要求硬件支持
- VLAN与LANE和MPOA集成在一起，每个端口可属于多个VLAN
- 可以建立点到多点的虚连接
- 对IP应用区分优先级不支持

从对比可以看出，建设交换式IP园区骨干网所需的功能，用千兆以太网完全可以实现。支持千兆以太网的第三层/第四层交换机大大增强了千兆以太网在园区的地位。原来认为的以太网的一些不足——比如对多媒体应用的支持、灵活的网络拓扑结构和多链路负载分享、基于标准的虚拟网——已被新的技术和标准所解决。某些千兆以太网交换机（如SmartSwitch Router交换式路由器）在单模光纤上传输距离可达75公里，同时支持IP over SDH/SONET，使得这种技术能从园区扩展到城域网。

当然，ATM技术还会在广域网领域继续发挥作用。对于那些要求严格服务质量保证（例如利用ATM的线路仿真技术提供高质量话音通讯）的用户来说，ATM仍是值得考虑的选择。

本文针对建议需求书的要求，采用千兆以太网和第三层/第四层交换机作为解决方案的核心。下面看这些需求是如何被满足的：

(1) 支持向Intranet转移

Intranet与传统企业网的最大不同是信息流模式的转变——80/20规则的倒转。传统企业网中，80%的流量发生在IP子网内部，20%发生在IP子网之间；而在Intranet中，各部门均可设置自己的Web服务器，用户不关心所访问服务器的物理位置，80%的流量是跨子网的，只有20%在本部门内。这种流量模式要求IP路由速度大幅提升，这是传统路由器无法胜任的。交换式路由器采用专用集成电路实现线速IP路由性能，并可实施第四层控制，如为各种应用保留带宽、设置防火墙、为不同应用区分优先级。交换式路由器是建造Intranet的理想骨干设备。

(2) 支持话音和视频应用

话音和视频应用要求网络保证服务质量，服务质量由延时、可获得的带宽、延时的抖动、丢包率等因素判断。本方案利用四个技术来保证服务质量：

高速度和高带宽。千兆以太网骨干、桌面交换10/100 Mbps，骨干采用多链路冗余，带宽远超一般多媒体应用所需。流量优先化处理。IEEE 802.1p为以太网帧定义了8个优先级，不同类别的应用被赋予不同优先级。支持802.1p的交换机在每个端口设置多个输入/输出队列，优先级不同。交换式路由器还能辨认应用的信息流，根据策略将信息流送入不同队列，通过复杂的队列管理机制保证时间敏感的应用优先转发，同时进行流量控制和流量整形，这对话音和视频会议等多媒体应用至关重要。

带宽预留。通过RSVP（资源保留协议），交换式路由器可以动态地为特定应用保留所需带宽。另外，交换式路由器具有对应用层信息流进行控制的能力，可以分辨不同信息流并提供服务质量保证。

利用IP Multicast技术，视频会议、视频点播等信息流只流向需要接收的站点，不会漫延到整个网络，每个组之间互不干扰，保证多媒体应用更畅通。

以上技术配合使用，虽不能实现严格意义上的服务质量保证，但实际效果足以满足绝大多数多媒体应用的质量要求。

(3) 显著改善响应时间

交换式千兆以太网骨干、低延时交换机、能对流量进行应用层控制的交换式路由器，这些技术和产品均可大幅改善网络响应时间。

(4) 容错

网状的骨干拓扑结构、双核心交换机、冗余的配线间连接——这些保证了网络中没有单点故障。交换式路由器支持VRRP（虚拟冗余路由器协议）和OSPF协议，前者用于两个交换式路由器互为备份，后者用于旁路出故障的连接。

(5) 集中的网络管理和较低的总体费用

Cabletron的网管系统Spectrum可以胜任集中管理任务。本方案采用交换式路由器而不是普通路由器作为核心设备，交换式路由器的性能是普通路由器的10～100倍，价格只有后者的十分之一。

图3. M1楼的网络结构
图4. R&D1楼的网络结构
图5. M1楼的网络结构
图6. A1楼的网络结构
图7. A2楼的网络结构
图8. 楼R&D2的网络结构

四、本方案实现的网络功能及方案的优势

IP包的转发速度快。 具有第三层、第四层功能的千兆以太网交换机SmartSwitch Router是业界性能最好的此类交换机之一，可以线速进行第二、第三、第四层数据转发而不丢包，交换矩阵速度可达32 Gbps，第三、第四层交换能力超过3000万包/秒。《WorkComputing》杂志今年对多厂商的千兆以太网交换机进行了严格测试，结果是SmartSwitch Router获得最高分，并荣获该杂志为交换机设置的唯一一个“编辑选择奖”。

容错的网络结构。 主干为网状拓扑结构，通过OSPF协议实现多链路负载分享。主干带宽达8000 Mbps，具有足够的扩展性。SmartSwitch Router支持VRRP协议，实现双SmartSwitch Router之间的动态互为备份。楼层交换机均由多条线路连接至楼内数据中心，多链路之间可进行负载分享和互为备份。

可为不同的应用提供不同级别的服务，并能与Internet协同工作。 本方案采用的各型交换机均支持IEEE 802.1p标准，SmartSwitch Router更具有对应用层数据流进行控制的能力，可以保证服务质量。该交换机还支持RIP、OSPF和BGP协议，并提供广域网和IP over SDH/SONET接口，可与Internet协同工作。

能支持IP上的话音应用，并通过IP多点组播支持视频应用。 本方案使用的各种交换机均支持IGMP Snooping（IGMP是IP多点组播的工业标准）。其中SmartSwitch Router更支持DVMRP协议，使IP多点组播更加有效。

适应移动的用户和工作组。 网络可以自动调整配置以保证移动用户的原有身份。所有交换机均支持IEEE 802.1Q标准的虚拟网。Cabletron先进的网管软件Spectrum可方便地对虚拟网进行管理。

SmartSwitch Router可提供基于硬件的防火墙。 它具有每秒400万条第四层数据流的交换能力，是唯一的同时支持所有RMON和RMON2组的交换机。

较低的总体费用。

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