关于智能虚交换技术研究及其性能测试(1)

1、引言

根据Gannet2006年3月发布的2005年全球以太网交换机市场份额分析报告，以太网交换机的出货量同比增加9%，销售额方面同比增加7%，达12.9亿美元，其中吉比特以太网交换占据了61%。

同时，以太网的应用场合已从局域网向城域网、广域网拓展，但是传统以太网技术主要存在5个问题[1]：无端到端的QoS保障机制；保护机制不完善；性能监测和内在OAM能力薄弱；扩展性和资源的利用方面不足；用户的管理及安全性差。

这些问题在以太网应用于城域网、广域网场合下显得相对突出。如何解决这些问题成为以太网领域研究的热点，国际各大标准组织（IEEE、ITU-T、MEF、IETF等）都进行相关的研究。目前，主要的解决方案有：MPLSL2[2]，QinQ[3]，VLANID可路由的解决方案GOE[4]，MACinMAC方案（这是一种类似Q in Q的方案）。

为了寻求解决方案，笔者于2001年提出VlanIDswitch概念[5]，主要解决了以太网应用于城域网的“扩展性和资源的利用方面不足”问题，形成了第一代的虚交换（virtualswitch，VS）产品——ISN8850E，这是和华为公司合作的基于其宽带接入服务器ISN8850平台的VS产品。由于第一代VS产品采用了VlanIDswitch集中处理和手工配置的方式，系统容量和应用场合受到限制，因此于2002年开始，从实际需求出发，笔者进行了第二代智能虚交换（intelligent virtual switch，IVS）[6]的研究和设计，重点解决了以太网存在的其他4个问题。

从总体上来说，IVS的创新点在于：以VlanIDswitch取代原来VlanIDbridge概念构造新型转发模式；在程控交换技术和数据交换技术之间寻求平衡，设计新型协议；引入用户编号和集中管理概念，为IVS技术的大规模使用提供可能。

2、系统结构

IVS采用了3层功能架构：承载转发层、连接控制层和业务控制层，具体如图1所示。

图1  IVS体系模型结构

IVS承载转发层由具备VlanIDswitch处理能力的数据转发实体（datarelayentity，DRE）通过以太网高速连接组成，该层主要承担以太网业务流转发。

IVS连接控制层是由具备连接控制功能的网络信令实体（networksignalingentity，NSE）通过资源保障互联协议（resourceproveinterconnectprotocol，RPIP）连接组成，承担端到端连接的资源预留、建立、维护、拆除以及呼叫记录详单（CDR）的生成等功能。该层是IVS体系中承上启下的重要层面，向上通过资源保障互联协议用户接口部分（RPIPUNI）为业务控制层提供业务接口，向下通过公共开放策略服务增强版协议（common open police service plus，COPS+）和承载转发层形成控制下发接口。

IVS业务控制层是由业务触发功能实体（servicetriggerentity，STE）和业务控制登记实体（servicecontrolregister，SCR）组成，SCR记录了用户数据，包含物理位置、逻辑标识、用户权限、认证方式、接口能力等信息。当业务触发之后,STE访问SCR进行数据查询，得到必要的业务信息，然后指挥连接控制层来建立相关电路。

OAM/管理层负责提供管理、监视、维护、告警等网管功能，对包含承载转发层、连接控制层和业务控制层在内的各种功能部件，如DRE、NSE、STE和SCR等进行监测和维护管理。

3、运行机制

下面针对IVS的运行机制主要从协议模型、转发模式、编号机制和集中管理4个方面进行阐述。

3.1RPIP逻辑模型

在IVS体系中，用户信息主要存放在SCR里，当用户触发链路建立请求时，SCR通过RPIPUNI信令通知NSE，NSE设备之间则通过RPIPNNI信令进行路径选择，确定一条能够满足要求的链路逻辑信息，然后NSE将链路逻辑信息通过COPS+协议发到DRE上，DRE根据逻辑信息在设备上进行资源预留和物理链路建立。RPIP分为UNI和NNI两大类型，逻辑模型如图2所示。

图2  RPIP逻辑模型

RPIPUNI协议是SCR与NSE之间的QoS协商接口，用户的业务请求需要通过静态配置/业务信令向SCR发出业务申请，SCR收到业务申请后，判断用户的业务权限和分析主叫/被叫的位置，确定本次业务流所需要的带宽等QoS参数，业务控制层的SCR通过RPIPUNI向连接控制层的NSE发起连接路径请求，申请相应的资源和业务承载路径，并实现修改、拆除、查询已建立的业务连接的功能。

RPIPNNI是NSE域之间的QoS协商接口，每个NSE域由1个主用NSE（必需）和1个备用NSE（可选）构成。源NSE翻译来自SCR的协议信息，如果该连接仅发生在源NSE所处的域内，那么源NSE无需启动RPIPNNI协议，只需要通过双向Dijistra算法在本域内进行路径选择，同时以用户的QoS参数作为双向Dijistra算法的约束条件，快速确定用户连接路径。如果连接需要跨越多个NSE域，那么源NSE则生成RPIPNNI格式，发给下一跳NSE，进行连接分段建立。

3.2转发模式

传统以太网的VlanID长度为12bit，总数为4094个（0和4095均为预留），采用VlanIDbridge机制，VlanID资源为全局共享，这种运行机制可适用于以太局域网，但应用到以太城域网时，VlanID资源显得不足。因此，笔者针对性提出了Vlan ID switch概念,将Vlan ID定义为局部有效，即采用三元组（设备号、端口号、Vlan ID）作为交换标签，在网络设备的每个端口上可以重复使用多达4094个Vlan ID值。

在IVS的数据转发模式中，有3个主要特点。

●保持以太网802.1Q帧格式。它无需进行报文重新封装，因而提高了数据的传送效率，降低SAR（分段和重组）部件的成本。

●以三元组（设备号、端口号、VlanID）作为交换标签集中。集中体现了VlanIDswitch概念，突破4096个Vlan的限制，每一个端口可以有独立的4094个VlanID来区分用户，为大规模以太网接入提供了条件。

●面向连接方式。通过面向连接的方式为数据转发提供带宽方面的保证。

3.3编号机制

IVS体系结构中的编号机制是采用组合逻辑号码和物理号码的方式来表示一个用户。其中逻辑号码是体现用户的惟一标志，对用户进行客户关系管理，与用户物理位置无关。物理号码则体现用户的实际位置特征，对用户路由寻址。通过结合逻辑号码和物理号码，可以实现数据领域用户一定程度上的号码携带和位置漫游。

对于逻辑号码和物理号码的具体编号，其中逻辑号码是采用现行的E.164编号规则，而物理号码则是根据用户所在的位置（设备号、端口号、VlanID）进行逻辑运算得出。