千兆以太網(wǎng)和千兆路由交換機(jī)技術(shù)

1、千兆以太網(wǎng)和千兆路由交換機(jī)技術(shù)(毛俊)摘要：本文第一部分詳細(xì)介紹千兆以大網(wǎng)的技術(shù)原理，并重點(diǎn)討論千兆以太網(wǎng)的效率和可靠性問(wèn)題。作為實(shí)現(xiàn)千兆以太網(wǎng)技術(shù)的產(chǎn)品，本文第二期分詳細(xì)介紹千兆法由交換機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)討論在千兆路由交換機(jī)中線速和無(wú)阻塞的概念。最后針對(duì)廣電視實(shí)的建網(wǎng)需求，提出在路由交換機(jī)造型時(shí)的五個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)。1千兆以太網(wǎng)技術(shù)原理1.1 早期以太網(wǎng)技術(shù)以太網(wǎng)：IEEE802.3定義了10Mbps的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，采用載波監(jiān)聽(tīng)和沖突檢測(cè)(CSMA/CD)協(xié)議，以半雙工方式運(yùn)行。從80年代末開(kāi)始以太網(wǎng)取得了巨大的成功。10BaseT是運(yùn)行在3類或更高類別的雙絞線上的以太網(wǎng)，10Base2/5是運(yùn)行在

2、同軸電纜上的以太網(wǎng)，10BaseFL是運(yùn)行在光纖上的以太網(wǎng)。由于沖突檢測(cè)的協(xié)議要求一個(gè)512位的時(shí)間槽保證無(wú)錯(cuò)誤的檢測(cè)到?jīng)_突，所以以太網(wǎng)的距離覆蓋范圍受到了限制，10BaseFL最大的覆蓋距離為2km,10BaseT在一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)的最大覆蓋距離為100m?？焖僖蕴W(wǎng)：IEEE802.3u定義了100Mbps的快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，它可以用半雙工的方式運(yùn)行CSMA/CD協(xié)議，也可以有全雙工的方式。由于快速以太網(wǎng)對(duì)以太網(wǎng)的后向兼容性，在90年代的中后期，快速以太網(wǎng)成為局域網(wǎng)中的主流技術(shù)。100BaseTX是運(yùn)行于5類雙絞線上的快速以太網(wǎng)，100BaseFX是運(yùn)行于光纖上的快速以太網(wǎng)。對(duì)于以半雙工方式運(yùn)行的

3、快速以太網(wǎng)，同樣也有距離覆蓋范圍的限制，并且由于快速以太網(wǎng)以100Mbps的速率運(yùn)行，時(shí)間槽長(zhǎng)度同樣是512位，所以它的最大距離覆蓋范圍是以太網(wǎng)的1/10,為200m。但是對(duì)于全雙工方式運(yùn)行的快速以太網(wǎng)，在理論上就不再有距離的限制，而實(shí)際受限于電或光信號(hào)的衰減。如實(shí)際中運(yùn)行在單模光纖上的100BasFXSMF的全雙工快速以太網(wǎng)最大覆蓋距離可達(dá)20km以上。1.2 千兆以太網(wǎng)協(xié)議1998年6月在千兆以太網(wǎng)聯(lián)盟的推動(dòng)下IEEE正式發(fā)布了千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3。把以太網(wǎng)的速率提高到了1000MbPs。而在此之前的1997年，就已經(jīng)有很多的廠商迫不及待地推出了千兆以太網(wǎng)的產(chǎn)品，結(jié)網(wǎng)絡(luò)界帶來(lái)了

4、全新的解決方案。到了現(xiàn)在的2000年，我們已經(jīng)可以很清晰地看到，不僅以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)在桌面和工作組級(jí)網(wǎng)絡(luò)中打敗了ATM,在城域網(wǎng)中，千兆以太網(wǎng)也憑借其良好的兼容性和優(yōu)異的性價(jià)比占據(jù)了絕對(duì)的上風(fēng)?？梢灶A(yù)見(jiàn)未來(lái)隨著價(jià)格的下跌，千兆以太網(wǎng)會(huì)象快速以太網(wǎng)一樣普及。1.2.1 半雙工千兆以太網(wǎng)MAC層協(xié)議對(duì)于快速以太網(wǎng)來(lái)說(shuō)，512位的時(shí)間槽內(nèi)電波或光可以傳輸400m遠(yuǎn)，如果在千兆以太網(wǎng)中，512位的時(shí)間槽內(nèi)電波或光的傳輸距離則只有40m遠(yuǎn)，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的半雙工千兆以太網(wǎng)的覆蓋半徑只有20mo這樣的距離覆蓋范圍在實(shí)際中無(wú)法得到大規(guī)模推廣。為了解決這個(gè)問(wèn)題，IEEE對(duì)以太網(wǎng)的MAC層協(xié)議作了第一次重大

5、修改：載波擴(kuò)展和幀突發(fā)。(1)載波擴(kuò)展為了使千兆以太網(wǎng)的距離覆蓋范圍達(dá)到實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)，半雙工千兆以太網(wǎng)時(shí)間槽長(zhǎng)度擴(kuò)展到了4096位，這樣半雙工千兆以太網(wǎng)的距離覆蓋范圍擴(kuò)展到了160m。為了兼容以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)中的幀結(jié)構(gòu)，半雙工千兆以太網(wǎng)的最小幀長(zhǎng)度仍需要保持為64byte。但考慮到時(shí)間槽長(zhǎng)度為512byte,為了能夠匹配時(shí)間糟的長(zhǎng)度，當(dāng)某個(gè)DTE發(fā)送小于512byte幀時(shí)，半雙工千兆以太網(wǎng)MAC將在正常發(fā)送數(shù)據(jù)之后發(fā)送一個(gè)載波擴(kuò)展序列直到一個(gè)時(shí)間精結(jié)束。例如：某DTE發(fā)送一個(gè)64byte幀，MAC將會(huì)在其后加入512-64=448byte的載波擴(kuò)展序列。如果DTE發(fā)送的幀長(zhǎng)度大于512byte,

6、則MAC不做任何改變。在載波擴(kuò)展的情況下，解決了半雙工千兆以太網(wǎng)距離覆蓋范圍的問(wèn)題，但引入了一個(gè)新的問(wèn)題：對(duì)于長(zhǎng)度較小的以太網(wǎng)幀的發(fā)送效率降低了。對(duì)于一個(gè)64byte的幀來(lái)說(shuō)，盡管發(fā)送速度較快速以太網(wǎng)增加了10倍，但發(fā)送時(shí)間增加了8倍。這樣的效率并未比快速以太網(wǎng)提高多少，為了解決半雙工千兆以太網(wǎng)的效率問(wèn)題，IEEE又引入了幀突發(fā)這種技術(shù)。(2)幀突發(fā)幀突發(fā)的工作方式如下：對(duì)于DTE發(fā)送的第一個(gè)小于512byte的幀，依然使用載波擴(kuò)展到512byte,但隨后發(fā)送的小于512byte的短幀不再使用載波擴(kuò)展，而是加入96bit的幀間隔序列后連續(xù)發(fā)送短幀，最長(zhǎng)可以突發(fā)到65536位。這種做法可以成立的

7、原因在于一個(gè)正確配置的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境里，如果某個(gè)DTE開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)后，其他DTE都可以通過(guò)載波監(jiān)聽(tīng)協(xié)議檢測(cè)到其信號(hào)DTE并抑制本身的數(shù)據(jù)發(fā)射。使用了幀突發(fā)的半雙工千兆以太網(wǎng)的效率得到了改善,連續(xù)的突發(fā)64byte幀并突發(fā)持續(xù)65536位時(shí)，其效率約為72%。1.2.2 全雙工千兆以太網(wǎng)MAC層協(xié)議在全雙工千兆以太網(wǎng)中，由于每個(gè)千兆以太網(wǎng)DTE在通信時(shí)獨(dú)占一個(gè)信道，因此不需要考慮以太網(wǎng)的沖突問(wèn)題。自然，全雙工千兆以太網(wǎng)也不受時(shí)間槽長(zhǎng)度的限制，從而也沒(méi)有距離覆蓋范圍的限制。與半雙工方式相比，全雙工千兆以太網(wǎng)的MAC層的區(qū)別主要有以下幾點(diǎn)：（1）在接受活動(dòng)中幀的發(fā)送不會(huì)被推遲（2）全雙工方式下的沖突指示將

8、被忽略（3）沒(méi)有載波擴(kuò)展，最小幀長(zhǎng)度仍為64字節(jié)（4）沒(méi)有幀突發(fā)在全雙工交換式以太網(wǎng)中，如果多個(gè)輸人端口同時(shí)向一個(gè)輸出瑞口輸出數(shù)據(jù)，那么將會(huì)在輸出端口產(chǎn)生擁塞，這時(shí)一些輸入喘口發(fā)送的幀將會(huì)被丟棄。如果在以太網(wǎng)幀上承載的是TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)包，那么TCP的傳輸機(jī)制會(huì)自動(dòng)重發(fā)被丟棄的數(shù)據(jù)包，可以想象每個(gè)產(chǎn)生了丟包的輸入端口都將重新發(fā)包，引發(fā)新一輪的擁塞和丟包，結(jié)果是導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的吞吐率大幅下降。為了避免丟包（丟幀）和重發(fā)現(xiàn)象的發(fā)生，IEEE在MAC層引入了802.3x流量控制協(xié)議來(lái)避免丟包現(xiàn)象發(fā)生。流量控制的原理是當(dāng)交換機(jī)檢測(cè)到發(fā)生擁塞的端口之后，就會(huì)向輸入端口發(fā)送暫停幀，通知其抑制發(fā)送的流量，最

9、后達(dá)到消除擁塞。流量控制并不能提高整個(gè)交換機(jī)的數(shù)據(jù)吞吐能力，但是避免了在交換機(jī)內(nèi)的丟包現(xiàn)象。1.2.3 千兆以太網(wǎng)物理層協(xié)議IEEE定義了幾種用于不同物理介質(zhì)的千兆以太網(wǎng)接口，有1000Base-CX,1000Base-SX,1000Base-LX,1000Base-T,其中1000BaseCX是用于155平衡同軸電纜上的接口，在實(shí)際中沒(méi)有真正的產(chǎn)品，1000Base-T是可用于5類或更高類別雙絞線的接口，它的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.3ab,這一標(biāo)準(zhǔn)剛剛于1999年6月發(fā)布，現(xiàn)在市場(chǎng)中剛剛推出商用的產(chǎn)品。1000BaseSX使用850nm波長(zhǎng)激光的接口，只適用于多模光纖。1000Base-LX使

10、用1300nm波長(zhǎng)激光的接口，適用于單模和多模光纖。1000Base-SX主要用于校園網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)骨干。1000Base-LX主要應(yīng)用于城域網(wǎng)，現(xiàn)在城域網(wǎng)中另外一種應(yīng)用較多的是1000BaseLH的長(zhǎng)距離千兆以太網(wǎng)光接口，一般使用1300nm或1550nm波長(zhǎng)的激光，可達(dá)到50km以上甚至100km的無(wú)中繼傳輸距離。需要特別指出的是，由于IEEE給出的是最惡劣傳輸條件下的千兆以太網(wǎng)傳輸距離，在實(shí)際應(yīng)用中，各個(gè)廠商的產(chǎn)品的傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，如阿爾卡特的PowerRail千兆路由交換機(jī)的1000BaseLX接口在實(shí)際測(cè)試中可以無(wú)中繼的傳輸22km。1.3 千兆以太網(wǎng)效率半雙工以太網(wǎng)的效率問(wèn)

11、題一直是其弱點(diǎn)，在一個(gè)半雙工以太網(wǎng)里的工作站（如計(jì)算機(jī)）數(shù)增加到某一門(mén)限值后，盡管每個(gè)工作站是以10Mbps速率發(fā)送數(shù)據(jù)，但由于沖突的增加，每個(gè)工作站不得不等待很長(zhǎng)時(shí)間后才有可能發(fā)送數(shù)據(jù)，因此每個(gè)工作站得到的平均可用帶寬急劇下降。在全雙工的交換式以太網(wǎng)中，CSMA/CD協(xié)議中的CD沖突檢測(cè)機(jī)制不再需要，每臺(tái)工作站可以得到獨(dú)占的帶寬。因此全雙工交換式以太網(wǎng)的效率不再取決于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的工作站數(shù)，而是由以太網(wǎng)幀的長(zhǎng)度而決定。1.4 千兆以太網(wǎng)可靠性從傳統(tǒng)意義上，以太網(wǎng)被看作是一種局域網(wǎng)（LAN）技術(shù)，被大量的應(yīng)用于企業(yè)網(wǎng)中，因此以太網(wǎng)交換機(jī)和以太網(wǎng)的可靠性并沒(méi)有被作為最關(guān)鍵的因素加以考慮。隨著交換式全雙

12、工快速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)的成熟，越來(lái)越多的運(yùn)營(yíng)商選擇千兆以太網(wǎng)作為城域網(wǎng)MAN的首選技術(shù)，這時(shí)千兆以太網(wǎng)的可靠性就成為運(yùn)營(yíng)商考慮的關(guān)鍵因素。用千兆以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)可靠的城域網(wǎng)，現(xiàn)在有兩種成熟的技術(shù)：（1）千兆以太網(wǎng)端口聚合；（2）千兆以太網(wǎng)1+1備份。如果千兆以太網(wǎng)被用于承載IP業(yè)務(wù)，在網(wǎng)絡(luò)層IP這一層次，也可以采用環(huán)型或網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用IP路由協(xié)議來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)可靠性。下面就這三種技術(shù)作一詳細(xì)介紹。關(guān)于千兆路由交換機(jī)的可靠性，請(qǐng)參見(jiàn)第二章。1.4.1 千兆以太網(wǎng)端口聚合（PortTrunking）在千兆路由交換機(jī)中，可以將多個(gè)千兆以太網(wǎng)鏈路捆綁為一個(gè)虛擬的邏輯鏈路，以達(dá)到增加帶寬，可靠性的目的

13、。這種技術(shù)叫做端口聚合（鏈路捆綁）。比較常見(jiàn)的是將四個(gè)千兆以太網(wǎng)鏈路捆綁為一個(gè)鏈路，這時(shí)的帶寬可達(dá)到單向4Gbps雙向8Gbps。在端口聚合中的多條千兆以太網(wǎng)鍵路可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載分擔(dān)，即使其中的一條鏈路的光纖出現(xiàn)故障，邏輯鏈路仍會(huì)保持正常工作。端口聚會(huì)需要較多的光纖來(lái)構(gòu)成，2個(gè)端口的端口聚合需要4根光纖，3個(gè)端口的聚會(huì)需要6根光纖，4個(gè)端口的端口聚會(huì)需要8根光纖。1.4.2 千兆以太同1+1備份和很多ATM交換機(jī)里實(shí)現(xiàn)的ATM物理鏈路1+1備份相似，千兆以太網(wǎng)也可以實(shí)現(xiàn)1十1備份，即在一個(gè)千兆路由交換機(jī)的接口模塊上，對(duì)應(yīng)于一個(gè)千兆以太網(wǎng)鍵路，實(shí)際用兩個(gè)千兆以太網(wǎng)鏈路來(lái)連接，一條千兆以太網(wǎng)鏈路作為主

14、用鍵路，另一條則作為備用鍵路。當(dāng)主用鏈路的光纖出現(xiàn)故障時(shí)，千兆路由交換機(jī)可以在1ms的時(shí)間內(nèi)把數(shù)據(jù)切換到備用鍵路的光纖上傳輸。在這種1+1備份方式下，需要用四根光纖來(lái)完成1GbPS的傳輸帶寬。每一個(gè)千兆以太網(wǎng)鏈路需要1發(fā)1收兩根光纖。1.4.3 用IP路由來(lái)保證城域網(wǎng)可靠性如果是用千兆以太網(wǎng)來(lái)承載ip業(yè)務(wù)，那么就可以應(yīng)用ip路由協(xié)議的收斂特性來(lái)保證城域網(wǎng)可靠性。使用ip路由，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢员容^靈活，可以是星型、環(huán)型、網(wǎng)狀網(wǎng)，或是它們的混合。這里順帶指出一點(diǎn)：如果沒(méi)有使用IP路由，由于生成樹(shù)協(xié)議(SPanningTree)的作用，千兆以太網(wǎng)即使在物理鍵路上構(gòu)成了環(huán)型或網(wǎng)狀網(wǎng)，在交換機(jī)的實(shí)際的以太網(wǎng)

15、數(shù)據(jù)交換也無(wú)法構(gòu)成環(huán)狀和網(wǎng)狀網(wǎng)。而在環(huán)型和網(wǎng)狀網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，即使某條鏈路或某個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)故障，由于迂回路由的存在，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不會(huì)癱瘓。城域網(wǎng)中最典型的IP路由協(xié)議是OSPF,運(yùn)行OSPF協(xié)議的路由器利用Hello信息周期性傳遞路由器狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)鄰近節(jié)點(diǎn)故障后，路由器會(huì)重新計(jì)算路由，自動(dòng)找到可迂回的路由，保證網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常工作。這一過(guò)程被稱之為路由的收斂。一般OSPF協(xié)議的收斂時(shí)間大于10秒。與千兆以太網(wǎng)1+1備份方式相比，OSPF協(xié)議從故障中恢復(fù)的時(shí)間要長(zhǎng)很多。1.5 千兆以太網(wǎng)和莫他承載IP的城域網(wǎng)技術(shù)比較目前形式下，廣電的寬帶城域網(wǎng)承載的都是基于IP的業(yè)務(wù)，承載IP的平臺(tái)主要有ATM、千兆以太

16、網(wǎng)、POS、DPT這四種技術(shù)。本文不做ATM和千兆以太網(wǎng)承載IP的比較，將會(huì)有另一文章專門(mén)論述這一課題。POS最初是用于廣域網(wǎng)在SDH上承載IP的技術(shù)，也可以用于探光纖上在城域網(wǎng)使用。DPT是CISCO公司專有的城域網(wǎng)技術(shù)。2千兆路由交換機(jī)路由交換機(jī)的定義傳統(tǒng)意義上，只處理第二層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)備被稱之為交換機(jī)，交換機(jī)只根據(jù)數(shù)據(jù)包中的目的和源MAC地址進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)發(fā)，而不涉及第三層的數(shù)據(jù)包中的內(nèi)容。如進(jìn)行以太網(wǎng)，F(xiàn)DDI,令牌杯交換的局域網(wǎng)交換機(jī)。第三層的數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)由路由器來(lái)完成，對(duì)于IP協(xié)議來(lái)說(shuō)，路由器檢查第三層數(shù)據(jù)包的目的和源IP地址，然后作出相應(yīng)的處理或轉(zhuǎn)發(fā)。在90年代中期以前，由于硬件芯

17、片技術(shù)的限制，路由器和交換機(jī)是兩個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。路由器的內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很象一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)，有一個(gè)主CPU,如486或MIPS,有內(nèi)存，在CPU上運(yùn)行軟件來(lái)進(jìn)行包的轉(zhuǎn)發(fā)和路由的計(jì)算及更新。所以路由器的性能比較差，往往成為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。為了解決基于軟件的路由器在性能上的缺陷，在新的ASIC芯片技術(shù)的推動(dòng)下，交換機(jī)中用來(lái)處理第二層數(shù)據(jù)包的芯片功能增強(qiáng)到能夠進(jìn)行第三層數(shù)據(jù)包的處理，這種具有路由功能的交換機(jī)被稱為路由交換機(jī)。路由交換機(jī)的背板及其實(shí)現(xiàn)方式背板是交換機(jī)的中央交換部件，用于交換機(jī)的各個(gè)端口之間傳送數(shù)據(jù)。背板的結(jié)構(gòu)和容量決定了一個(gè)路由交換機(jī)的性能?，F(xiàn)在的路由交換機(jī)背板主要有三種結(jié)構(gòu)：交叉矩陣(

18、CrossBar);共享內(nèi)存；并行訪問(wèn)共享內(nèi)存。下面分別詳細(xì)論述。交叉矩陣(CrossBar)這種結(jié)構(gòu)容易設(shè)計(jì)，擴(kuò)展性好，并且在其基本形式中可以提供較低的每端口成本。然而，它有幾個(gè)關(guān)鍵的局限性。交叉矩陣結(jié)構(gòu)的3個(gè)主要的局限和其對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響如表1所述。表1局限影響基于端口的內(nèi)不能充分利用內(nèi)存。內(nèi)存靜態(tài)地分配給每個(gè)端口，并沒(méi)有考慮在特定時(shí)'司端口的狀態(tài)或端口對(duì)內(nèi)存的需求。在數(shù)據(jù)突發(fā)期間，緩沖區(qū)很快就被用光，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟棄和不必要的數(shù)據(jù)重傳。|隊(duì)頭阻塞(HeadofLineBlocking)在網(wǎng)絡(luò)的核心阻塞。由于采用了基于端口的輸入隊(duì)列，發(fā)向一個(gè)很忙的接收端口的數(shù)據(jù)包常因"隊(duì)頭

19、阻塞”的制約轉(zhuǎn)而發(fā)向一個(gè)空閑端口的業(yè)務(wù)。火頭阻塞引起了時(shí)延并產(chǎn)生了人為的和不必要的網(wǎng)絡(luò)擁塞。IP多址廣播（Multicast）復(fù)雜化胡塞和惡化的阻塞問(wèn)題。需要發(fā)送到多個(gè)輸出端口的輸入業(yè)務(wù)必須復(fù)制多次并拷貝到多個(gè)內(nèi)存空間中。靜態(tài)內(nèi)存他和隊(duì)頭阻塞的問(wèn)題的共同影響使其難以在逐端口的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)發(fā)基于優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)。所以交叉矩陣結(jié)構(gòu)提供可靠的QoS支持的能力有限，這與整個(gè)IP網(wǎng)絡(luò)提高QoS能力的要求不符。共享內(nèi)存?zhèn)鹘y(tǒng)的共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)是基于總線的。這種結(jié)構(gòu)克服了交叉矩陣背板的局限性，并且它們?cè)诒嘲迦萘啃∮?0GbPS的交換機(jī)中十分普遍。在一個(gè)共享內(nèi)存總線結(jié)構(gòu)中，所有的端口通過(guò)一個(gè)共享總統(tǒng)訪問(wèn)中央內(nèi)存。采用仲裁機(jī)

20、制來(lái)控制端口訪問(wèn)共享端口。這消除了交叉矩陣交換機(jī)具有的基于端口的靜態(tài)內(nèi)存分配和隊(duì)頭阻塞的問(wèn)題并以一種高效的方式使用系統(tǒng)內(nèi)存。共享內(nèi)存的問(wèn)題是，構(gòu)造一個(gè)快的足以提供無(wú)阻塞的速度超過(guò)20Gbps性能的仲裁機(jī)構(gòu)現(xiàn)在很難作到。例如：現(xiàn)在的芯片，技術(shù)的數(shù)據(jù)總線一般是64位，總統(tǒng)的時(shí)鐘頻率（并非芯片的內(nèi)部時(shí)鐘頻率）為100MHz,這樣的系統(tǒng)背板性能可達(dá)到64M00MHz=6.4GbPs,按雙向計(jì)算，系統(tǒng)背板性能為12.8GbPSo因此，受限于現(xiàn)在的內(nèi)存促裁機(jī)制芯片，共享內(nèi)存體系的擴(kuò)展性比較差。并行訪問(wèn)共享內(nèi)存并行訪問(wèn)共享內(nèi)存是一種共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：所有端口共享一個(gè)中央內(nèi)存空間。然而，不象傳統(tǒng)的基于總統(tǒng)的共

21、享內(nèi)存結(jié)構(gòu)，并行訪問(wèn)共享內(nèi)存為每個(gè)模塊上的每個(gè)端口提供一個(gè)專用的可同時(shí)寫(xiě)入中央內(nèi)存機(jī)構(gòu)和從中讀出的機(jī)制，這種機(jī)制無(wú)需要總線仲裁設(shè)備。并行訪問(wèn)共享內(nèi)存能夠保證在所有端口上同時(shí)實(shí)現(xiàn)完全的線速性能。并行共享內(nèi)存解決了基于總線的共享內(nèi)存的擴(kuò)展性問(wèn)題，它的每一個(gè)模塊到中央內(nèi)存的存取速度都可以達(dá)到10GbPS以上，而整個(gè)中央內(nèi)存可以容許超過(guò)30路的同時(shí)訪問(wèn)，這樣一個(gè)系統(tǒng)的背板容量可以擴(kuò)展到300GbPs以上。同時(shí)并行訪問(wèn)共享內(nèi)存也沒(méi)有引人交叉矩陣背板帶來(lái)的隊(duì)頭阻塞等問(wèn)題。交換機(jī)的第三層包轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制（胸中式與分布式）每個(gè)廠商的路由交換機(jī)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制不同，在路由功能的實(shí)現(xiàn)上，主要有集中式和分布式兩種機(jī)制。下面進(jìn)行

22、詳細(xì)論述。集中式第三層包轉(zhuǎn)發(fā)集中式第三層包轉(zhuǎn)發(fā)是指在交換機(jī)中有一個(gè)專門(mén)的硬件模塊（路由模塊）來(lái)對(duì)全交換機(jī)的第三層包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。交換機(jī)的每個(gè)接口模塊如千兆以太同交換模塊，都不具備第三層的處理功能，需要把第三層的數(shù)據(jù)包從背飯送往路由模塊來(lái)查詢路由并轉(zhuǎn)發(fā)。嚴(yán)格的講，這種結(jié)構(gòu)的交換機(jī)更準(zhǔn)確的名稱是第三層交換機(jī)，而不是路由交換機(jī)。集中式第三層包轉(zhuǎn)發(fā)是早期的技術(shù)，它的缺點(diǎn)在于整個(gè)交換機(jī)的路由性能受限于其路由模塊的能力。另外，當(dāng)一個(gè)ip包要進(jìn)行路由時(shí)，它經(jīng)常要從一個(gè)以太網(wǎng)接口模塊通過(guò)背板總線送往路由模塊，在路由模塊處理后，又經(jīng)背板總統(tǒng)送往同一以太網(wǎng)接口模塊，這樣一種數(shù)據(jù)包傳送方式浪費(fèi)了背板總規(guī)處理能力。并且路

23、由模塊的故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)交換機(jī)內(nèi)的路由功能的失效。實(shí)際中很多廠商交換機(jī)中的路由模塊就是一個(gè)以插卡形式集成在交換機(jī)內(nèi)的軟件路由器。因此在各廠商的產(chǎn)品中，采用集中式包轉(zhuǎn)發(fā)的交換機(jī)的路由能力一般可達(dá)到15MppSo分布式第三層包轉(zhuǎn)發(fā)隨著ASIC芯片技術(shù)的發(fā)展，具有路由功能的模塊被集成到一塊芯片上，于是廠商將路由芯片設(shè)計(jì)到了路由交換機(jī)中的每一個(gè)接口模塊上，這種技術(shù)就被稱為分布式第三層包轉(zhuǎn)發(fā)。它不需要一個(gè)專門(mén)的模塊來(lái)為整個(gè)機(jī)箱服務(wù)做包的轉(zhuǎn)發(fā)，第三層的包轉(zhuǎn)發(fā)可以由每個(gè)接口模塊上的路由芯片獨(dú)立完成。分布式第三層包轉(zhuǎn)發(fā)突破了集中式第三層包轉(zhuǎn)發(fā)的性能瓶頸，但它的路由控制機(jī)制比集中式要復(fù)雜，它需要在每一個(gè)端口保留路

24、由表信息以進(jìn)行快速的包轉(zhuǎn)發(fā)。盡管在技術(shù)上更復(fù)雜，由于在性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出集中式，分布式第三層包轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)已經(jīng)成為了現(xiàn)在路由交換機(jī)的主流技術(shù)。線速的包轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)在廠商往往直稱自己的路由交換機(jī)的每個(gè)端口都是線速的，那么怎么判定一個(gè)路由交換機(jī)中所有的端口是否線速呢？線速的衡量標(biāo)準(zhǔn)是以64byte的數(shù)據(jù)包（第二層或第三層包）作為計(jì)算基準(zhǔn)，常用的基準(zhǔn)如下：*對(duì)于千兆以太網(wǎng)，一個(gè)線速端口的包轉(zhuǎn)發(fā)率為1.488Mpps。*對(duì)于快速以太網(wǎng)，一個(gè)線速端口的包轉(zhuǎn)發(fā)率為148.8kpps。*對(duì)于OC12的POS端口，一個(gè)線速端口的包轉(zhuǎn)發(fā)率為1.17MppSo*對(duì)于OC48的POS端口，一個(gè)線速端口的包轉(zhuǎn)發(fā)率為468MppSo

25、對(duì)于千兆以太網(wǎng)來(lái)說(shuō)，計(jì)算方法如下：（64+8+12）byteM,488,095pps.8bit=1,000,000,000bps說(shuō)明：當(dāng)以太網(wǎng)幀為64byte時(shí)，需考慮8byte。的幀頭和12byte的幀間隙的固定開(kāi)銷。故一個(gè)線速的千兆以太網(wǎng)端口在轉(zhuǎn)發(fā)64byte包時(shí)的包轉(zhuǎn)發(fā)率為1.488Mpps?？焖僖蕴W(wǎng)的統(tǒng)速端口包轉(zhuǎn)發(fā)率正好為千兆以太網(wǎng)的十分之一，為148.8kppso對(duì)于POS端口來(lái)說(shuō)，計(jì)算方法如下：一個(gè)OC12的SDH中容器的有效速率約為599MbPs,將其除以64X8bit的包長(zhǎng)度，就可以得出一個(gè)線速的OC12POS端口的包轉(zhuǎn)發(fā)率為1.17Mpps。OC48的容器的有效速率為OC1

26、2一的四倍，所以O(shè)C48POS端口的線速包轉(zhuǎn)發(fā)率為1.17>4=4.68Mpps。3路由交換機(jī)選型標(biāo)準(zhǔn)路由交換機(jī)造型五項(xiàng)主要標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)廣電部門(mén)在建設(shè)寬帶ip城域網(wǎng)需要進(jìn)行千兆路由交換機(jī)選型的實(shí)際工作，本文列出了五項(xiàng)主要的選型標(biāo)準(zhǔn)供廣電部門(mén)參考，通過(guò)這五項(xiàng)選型標(biāo)準(zhǔn)，基本上可以比較各廠家的路由交換機(jī)性能的優(yōu)劣：*背板容量*無(wú)阻塞千兆端口數(shù)量*第二層包轉(zhuǎn)發(fā)速度*第三層包轉(zhuǎn)發(fā)速度*路由數(shù)量背板容量衡量路由交換機(jī)容量大小的主要指標(biāo)是交換機(jī)的背板容量，其單位是GbPs。無(wú)阻塞千兆端口數(shù)量一個(gè)千兆路由交換機(jī)可以交換或路由多個(gè)千兆以太網(wǎng)端口，但其支持的最大千兆以太網(wǎng)端口數(shù)量并不意味著它可以全部無(wú)阻塞的線速

27、交換這些千兆端口。原因在于有些千兆路由交換機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為計(jì)算機(jī)服務(wù)器提供千兆連接，而現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)上千兆網(wǎng)卡的通信速度受限于計(jì)算機(jī)的總線，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到1000MbPS,一般是300400MbPS,因此對(duì)于這些安裝了千兆以太網(wǎng)卡的服務(wù)器，并沒(méi)有必要為其提供線速的千兆交換。但一些廠商的產(chǎn)品往往回避而真正衡量千兆路由交這一設(shè)計(jì)目標(biāo)，一味宣傳千兆路由交換機(jī)支持的最多千兆端口數(shù)量,換機(jī)的能力的是其可以交換的無(wú)阻塞千兆端口數(shù)量。第二層包轉(zhuǎn)發(fā)速度對(duì)于千兆路由交換機(jī)來(lái)說(shuō)，第二層包轉(zhuǎn)發(fā)速度就是其轉(zhuǎn)發(fā)以太網(wǎng)幀的速度。以PPS（包每秒）為衡量單位。第三層包轉(zhuǎn)發(fā)速度第三層包轉(zhuǎn)發(fā)速度指千兆路由交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)第三層協(xié)議包的速度，如轉(zhuǎn)發(fā)IP或IPX包的速度。以PPS（包每秒）為衡量單位。這里需要指出的是，第二層包轉(zhuǎn)發(fā)速度和第三層包轉(zhuǎn)發(fā)速度是兩個(gè)不同的概念。很多廠商往往只提包轉(zhuǎn)發(fā)速度，而沒(méi)有明確區(qū)分是第二層還是第三層的包轉(zhuǎn)發(fā)速度。對(duì)于采用分布式路由的路由交換機(jī)，一般情況下，第二層包轉(zhuǎn)發(fā)速度等于第三層包轉(zhuǎn)發(fā)速度。對(duì)于采用集中式路由的路由交換機(jī)，其第三層包轉(zhuǎn)發(fā)速度往往不等于第二層的包轉(zhuǎn)發(fā)速度，因?yàn)榧惺铰酚尚枰粋€(gè)單