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)聽和沖突檢測（CSMA／CD） 協(xié)議，以半雙工方式運(yùn)行。從80年代末開始以太網(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)。由于沖突檢測的協(xié)議要求一個(gè)512位的時(shí)間槽保證無錯(cuò)誤的檢測到?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。
快速以太網(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)。對于以半雙工方式運(yùn)行的快速以太網(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的衰減。如實(shí)際中運(yùn)行在單模光纖上 的100BasFX SMF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)IEEE 802.3。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)界帶來了全新的解決方案。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)了絕對的上風(fēng)?？梢灶A(yù)見未來隨著價(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
對于快速以太網(wǎng)來說，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20m。這樣的距離覆蓋范圍在實(shí)際中無法得到大規(guī)模推廣。為了解決這個(gè)問題， IEEE對以太網(wǎng)的MAC層協(xié)議作了第一次重大修改：載波擴(kuò)展和幀突發(fā)。
?。?）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)的最小幀長度仍需要保持為64byte。但考慮到時(shí)間槽長度為51 byte，為了能夠匹配時(shí)間糟的長度，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)64 byte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)送的幀長度大于512 byte，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)距離覆蓋范圍的問題，但引入了一個(gè)新的 問題：對于長度較小的以太網(wǎng)幀的發(fā)送效率降低了。對于一個(gè)64byte的幀來說，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，最長可以突發(fā)到65536位。這種做法可以成立的原因在于一個(gè)正確配置的網(wǎng) 絡(luò)環(huán)境里，如果某個(gè)DTE開始發(fā)送數(shù)據(jù)后，其他 DTE都可以通過載波監(jiān)聽協(xié)議檢測到其信號并 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，當(dāng)一個(gè)DTE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)的沖突問題。自然，全雙工千兆以太網(wǎng)也不受時(shí)間槽長度的限制，從而也沒有距離覆 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)：
?。?）在接受活動(dòng)中幀的發(fā)送不會(huì)被推遲
?。?）全雙工方式下的沖突指示將被忽略
?。?）沒有載波擴(kuò)展，最小幀長度仍為64字節(jié)
?。?）沒有幀突發(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1000Base－CX是用于155Ω平衡同軸電纜上的接口，在實(shí)際 中沒有真正的產(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IEEE802.3 ab，這一標(biāo)準(zhǔn)剛剛于1999年6月發(fā)布，現(xiàn)在市場中剛剛推出商用的產(chǎn)品。
1000Base—SX使用850nm波長激光的接口，只適用于多模光纖。 1000Base－LX使用1300nm 波長激光的接口，適用于單模和多模光纖。1000Base一SX主要用于校園網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)骨干。 1000Base一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1000Base一LH的長距離 千兆以太網(wǎng)光接口，一般使用1300nm或1550nm波長的激光，可達(dá)到50km以上甚至100km的無中 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)超過標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，如阿爾卡特的PowerRail千兆路 由交換機(jī)的1000Base—LX接口在實(shí)際測試中可以無中繼的傳輸 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沖突檢測機(jī)制不再需要，每臺工作站 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)的可靠性并沒有被作為最關(guān)鍵的因素加以考慮。隨著交換式全雙工快 速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)的成熟，越來越多的運(yùn)營商選擇千兆以太網(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)：
?。?）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)?結(jié)構(gòu)，使用IP路由協(xié)議來保證網(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，請參見第二章。
1.4.1千兆以太網(wǎng)端口聚合（Port Trunking） 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。這種技術(shù)叫做端口聚合（鏈路捆綁）。比較常見的是將四個(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 路來連接，一條千兆以太網(wǎng)鏈路作為主用鍵路，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路由來保證城域網(wǎng)可靠性
如果是用千兆以太網(wǎng)來承載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)：如果沒有使用IP路由，由于生成樹協(xié)議（SPanning Tree）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)數(shù)據(jù)交換也無法構(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 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
2.1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)由路由器來完成，對于IP協(xié)議來說，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 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)。
2.2 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（Cross Bar）； 共享內(nèi)存；并行訪問共享內(nèi)存。下面分別詳細(xì)論述。
2.2.1 交叉矩陣（Cross Bar） 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，并沒有考慮在特定時(shí)間端口的狀態(tài)或 端口對內(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 ?。℉ead of Line Blocking） 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)頭阻塞"的制約轉(zhuǎn)而發(fā)向一個(gè)空閑端口的業(yè)務(wù)。隊(duì)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 ?。∕ulticast）復(fù)雜化 擁塞和惡化的阻塞問題。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。
2.2.2共享內(nèi)存
傳統(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，并且它們在背 板容量小于10GbPS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，所有的端口通過一個(gè)共享 總統(tǒng)訪問中央內(nèi)存。采用仲裁機(jī)制來控制端口訪問共享端口。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)存的問題是， 構(gòu)造一個(gè)快的足以提供無阻塞的速度超過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64×100MHz＝6.4GbPs，按雙向計(jì)算，系統(tǒng)背板性能為12.8GbPS。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。
2.2.3并行訪問共享內(nèi)存
并行訪問共享內(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)的共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)，并行訪問共享內(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)制無需要總線仲裁設(shè)備。并行訪問共享內(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30路的同時(shí)訪問，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)并行訪問共享 內(nèi)存也沒有引人交叉矩陣背板帶來的隊(duì)頭阻塞等問題。
2.3 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)行詳細(xì)論述。
2.3.1 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)專門的硬件模塊（路由模塊）來對全交換機(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15Mpps。
2.3.2 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)專門的模塊來為整個(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)。
2.4 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。
*對于OC－12的POS端口，一個(gè)線速端口的包轉(zhuǎn)發(fā)率為1.17Mpps。
3.1 路由交換機(jī)造型五項(xiàng)主要標(biāo)準(zhǔn) 針對廣電部門在建設(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)供廣電部門參考，通過這五項(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
3.1.1 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。
3.1.2 無阻塞千兆端口數(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阻塞的線速交換這些千兆端口。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300～400MbPS，因此對于這些安裝了千兆 以太網(wǎng)卡的服務(wù)器，并沒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，而真正衡量千兆路由交換機(jī) 的能力的是其可以交換的無阻塞千兆端口數(shù)量。
3.1.3第二層包轉(zhuǎn)發(fā)速度
對于千兆路由交換機(jī)來說，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。
3.1.4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，而沒有明確區(qū)分是第二層還是第三層的包轉(zhuǎn)發(fā)速度。對于采用分布 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?路由需要一個(gè)單獨(dú)的路由模塊來進(jìn)行第三層包轉(zhuǎn)發(fā)，而第二層包轉(zhuǎn)發(fā)是在各個(gè)千兆接口模塊 中進(jìn)行的。
3.1.5路由數(shù)量
路由交換機(jī)中路由表支持的路由數(shù)量越多，意味著可支持的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越大，典型的 城域網(wǎng)路由交換機(jī)的路由數(shù)量是64K／每端口。這里需要明確的是廠商宣稱的路由數(shù)量是每個(gè) 機(jī)箱還是每個(gè)端口支持的數(shù)量，通常情況下，每機(jī)箱的路由數(shù)量=端口數(shù)量×每端口的路由數(shù)量。 當(dāng)前的Internet中實(shí)際運(yùn)行BGP－4的骨干路由器的路由表大小約為77K（資料來源： www.telatra.net／ops／bgPtable．html），并且在緩慢增長，增長速率的放慢主要是由于 CIDR技術(shù)的采用。對于一個(gè)城域網(wǎng)路由交換機(jī)來說，支持64K的路由表容量是可以滿足未來很 長時(shí)間內(nèi)的城域網(wǎng)需求。
3.2 判斷千兆路由交換機(jī)無阻塞的標(biāo)準(zhǔn)
一個(gè)千兆路由交換機(jī)需要符合以下幾個(gè)要求才可以實(shí)現(xiàn)真正的無阻塞。
（1）背板是無阻塞結(jié)構(gòu)，常見的算法是如果背板容量≥端口數(shù)量×端口速率×2，那么這 個(gè)路由交換機(jī)在背板上是無阻塞的。
（2）第二層包轉(zhuǎn)發(fā)線速，算法是如果機(jī)箱的第二層包轉(zhuǎn)發(fā)率=千兆端口數(shù)量×1.488Mpps， 那么講路由交換機(jī)在做第二層交換的時(shí)候可以做到線建。
?。?）第三層包轉(zhuǎn)發(fā)線速，算法是如果機(jī)箱的第三層包轉(zhuǎn)發(fā)率=千兆端口數(shù)量×1.488Mpps， 那么這個(gè)路由交換機(jī)在做第三層交換的時(shí)候可以做到線速。
有很多廠商的產(chǎn)品數(shù)據(jù)滿足第二層和第三層線速的標(biāo)準(zhǔn)，但不滿足背板無阻塞的標(biāo)準(zhǔn)，這 種情況表明其第二層和第三層線速是在數(shù)據(jù)包未通過背權(quán)交換的條件下取得的；如果有大量的 數(shù)據(jù)包需要通過其背板轉(zhuǎn)發(fā)，那么這個(gè)路由交換機(jī)將無法做到統(tǒng)速。
另一種情況是背板滿足無阻塞的要求，但是其第二層和第三層的包轉(zhuǎn)發(fā)率未滿足統(tǒng)速標(biāo)準(zhǔn)， 這說明此路由交換機(jī)的包轉(zhuǎn)發(fā)模塊存在瓶頸。
需要澄清的是，在本文中述及的阻塞和擁塞在路由交換機(jī)里是二個(gè)不同的概念。擁塞是當(dāng) 多個(gè)端口向一個(gè)端口同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，由于接收端口的速率小于多個(gè)端口速率之和而引起的數(shù) 據(jù)丟包或發(fā)送速率下降的問題，這一問題可以通過標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3X流控協(xié)議來加以控制。阻 塞是由于交換機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷而引起的單個(gè)端口通信速率達(dá)不到全速率的問題，這一問題不 是可以通過流技協(xié)議加以避免的。
4、結(jié)束語
千兆以太網(wǎng)技術(shù)正在日趨成熟，除了原有的兼容性，寬帶，廉價(jià)，對IP良好的支撐的特點(diǎn)， 正在增強(qiáng)其可靠性，可擴(kuò)展性。在當(dāng)前廣電寬帶城域網(wǎng)主要承載IP業(yè)務(wù)的趨勢下，千兆以太網(wǎng) 是建設(shè)寬帶城域網(wǎng)的首選技術(shù)。
