基于性能優(yōu)化設計的三層交換機關鍵技術研究

　　摘要：隨著計算機網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展和信息技術的普及應用，以太網(wǎng)已經(jīng)得到越來越廣泛的應用。三層交換機（也被稱為IP交換）是三層交換技術中的關鍵設備，該文分別從別從路由子系統(tǒng)的設計、接口軟件的設計、高可靠性設計這三個方面進行了分析，得出了一些結論，對于三層交換機的改進提供了一些參考。
　　關鍵詞：交換機；數(shù)據(jù)包；模塊；報文；交換技術
　　中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012)17-4076-02
　　隨著計算機網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展和信息技術的普及應用，以太網(wǎng)已經(jīng)得到越來越廣泛的應用。三層交換技術（也稱為IP交換技術或多層交換技術）是相對于傳統(tǒng)的交換概念的提出，基于第三層地址轉發(fā)業(yè)務流，實現(xiàn)切換功能。三層交換技術，解決局域網(wǎng)段劃分，網(wǎng)絡中子網(wǎng)必須依賴路由器的管理情況。三層交換機（也被稱為IP交換）是三層交換技術中的關鍵設備，實際上是對傳統(tǒng)的交換機和路由器的進行結合了的傳統(tǒng)的網(wǎng)絡設備，它不僅可以完成傳統(tǒng)開關端口交換功能，還可以可完成部分路由器的路由功能。
　　由于網(wǎng)絡的使用越來越廣泛，使網(wǎng)絡的可靠性成為保障企業(yè)應用環(huán)境正常運行的首要條件。在軍事，國防和電信部門對網(wǎng)絡可靠性的要求更高，他們絕對不允許通信中斷，即使有些被損壞或發(fā)生故障，也絕不能出現(xiàn)整個網(wǎng)絡的癱瘓。這些要求使得提高三層交換機的可靠性已成為發(fā)展的重點推廣。為了減少不正常的系統(tǒng)停機，高端交換機必須提高可靠性，系統(tǒng)沒有單點故障，任何部件的冗余備份，包括控制卡，線路卡，電源，交換卡，冷卻等；交換系統(tǒng)內的線路卡和控制卡，切換模塊，機架，高速連接，需要進行備份。開關系統(tǒng)，網(wǎng)絡協(xié)議模型的容錯底部，保證上層協(xié)議操作的可靠性。在硬件冗余的同時，該軟件還需要相應的故障處理，可以實現(xiàn)不間斷轉發(fā)系統(tǒng)。這些技術包括熱備份，主備倒換，熱交換，通過這些技術使開關的監(jiān)測能力運行狀態(tài)和故障自動恢復，而在更換設備的損壞時，不需要停機更換部件后，不需要重新啟動，可以使其與整個系統(tǒng)集成在一塊工作，而不會影響其他模塊板的正常運作，使故障的影響降到最低。
　　1路由子系統(tǒng)關鍵設計
　　路由IP數(shù)據(jù)包從源端到目的所走路徑機制，路由的主要方式：動態(tài)路由和靜態(tài)路由。動態(tài)路由能夠自適應拓撲變化。當路由更新信息時，網(wǎng)絡的拓撲發(fā)生變化，路由設備根據(jù)路由協(xié)議算法建立路由表，和更新路由信息交互，使網(wǎng)絡上的其他路由設備同時更新路由表。靜態(tài)路由是手動的在路由設備的路由表中添加固定選擇規(guī)則。
　　三層交換機轉發(fā)原理：三層交換機的核心硬件為CPU處理器和轉發(fā)芯片，芯片和處理器通過總線交換數(shù)據(jù)，在轉發(fā)芯片的二層轉發(fā)標中，中央處理器進入一個虛擬端口。當轉發(fā)器芯片接收到一條消息，如果是本網(wǎng)的，通過搜索地址表，進行二層轉發(fā)。如果沒有這段報文，查找硬件路由表，數(shù)據(jù)包從一個相應的端口轉發(fā)。如果沒有找到，則交給MAC層，數(shù)據(jù)包發(fā)送到中央處理器對應端口。當處理器接收數(shù)據(jù)包，該內核會找到內核路由表，主機路由轉發(fā)芯片硬件路由表，隨后將收到的郵件根據(jù)路由進行三層轉發(fā)。
　　模塊設計：用戶配置接口模塊和路由更新模塊，每個子模塊進程在啟動和初始化后，將進入相同的無阻塞的多個操作周期，其次是實現(xiàn)循環(huán)隊列的操作。用戶配置接口的命令行解析模塊在前臺進程中實現(xiàn)，終端接收用戶命令輸入，虛擬終端設備嵌入在路由配置模塊的rib子模塊。該分組采用到報文的交換技術，對每一個在子網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包路由，路徑計算、路由表生成和維護是由運行在CPU的路由協(xié)議完成的，分布在各交換引擎的路由單位根據(jù)各自存在的本地存儲路由表，由硬件完成路由功能的數(shù)據(jù)包轉發(fā)操作，這樣可以很好的提高路由處理速度。三層交換機采用模塊化結構，提供快速以太網(wǎng)，千兆以太網(wǎng)交換及ATM上行接入三種功能。使用共享內存開關模式，通過高速總線和開關矩陣連接與其他交換，實現(xiàn)芯片的數(shù)據(jù)交換。共享內存分布在每個交換芯片內，而不是交換矩陣中，其大大簡化了交換矩陣控制，有利于提高交換效率。
　　2接口軟件關鍵設計
　　接口管理軟件處理的對象是各種不同類型的接口，如果根據(jù)不同的接口分別處理，會消耗大量的能量。因此，接口管理軟件把不同接口的共性抽象出來的設計思想，采取統(tǒng)一的過程，而對接口之間的差異單獨處理。如果是新的接口類型，只需要不同的處理。
　　主要關注的重點，包括幾個方面：分析了現(xiàn)有的三層交換機接口，根據(jù)接口的層次，研究界面之間的共性及各自的屬性（包括二層和三層屬性）；目前的三層交換機接口類型劃分為物理接口和邏輯接口，對每個接口定義行為，每種接口行為中存在的具體實現(xiàn)的不同，可以抽象和定義的界面的行為框架；根據(jù)界面管理現(xiàn)狀的一部分確定接口管理的主要任務，對管理任務劃分模塊和接口設計。
　　接口屬性管理：界面接口的各種屬性，如何管理這些屬性是接口管理模塊的基本任務，有效地組織各種接口是接口管理模塊的主要任務，它可以提高檢索的效率，提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率；界面管理的一個特點是屬性很多，幾乎每一個屬性將有一個用戶界面，為用戶提供全面的和友好的界面是研究內容之一；許多任務需要修改或讀取接口的各種屬性，它們可能存在于資源的并發(fā)操作，如何實現(xiàn)相互排斥的管理界面穩(wěn)定性是關鍵；多卡板通訊設備，接口板必須報告給相關信息的界面，主控制板根據(jù)接口板上信息創(chuàng)建接口并同步到接口板，主控板和接口板數(shù)據(jù)一致性。
　　在一個界面操作功能中，具體操作完成之前，必須檢查接口的能力，只有在界面上有一定的能力，才執(zhí)行相應的操作。幾個關鍵能力如下：可以設定IP，IP是否可以改變，可否加入或離開網(wǎng)絡，可以加入和離開腸道鏈路等。每個接口類型有許多屬性，一些界面的特性是共同的所有接口?？梢园压矊傩宰鳛橐粋€獨立的結構，每一個接口的類型對應私有屬性。空間分布的策略，如果接口規(guī)格較大，與實際使用的可能是比較少見的，可以一次分配適當?shù)目臻g，如果接口增加，空間地址表是不夠時再分配，反之隨著數(shù)量減少，就要釋放多余的空間。界面行為處理上遵循以下原則：共性抽象，獨特的功能，處理原則，針對特定類型的界面行為的類型專用接口邏輯處理不屬于基本范疇的界面行為。接口類型為了按接口索引組織接口，需要轉換接口，接口索引編號，每個接口編號相對于接口類型是全局唯一的。在地址映射和位圖插入，通過身份進行有序的組織。相反，遍歷時，需要轉換接口索引，根據(jù)每個接口類型索引的字段生成接口索引。
　　應用程序接口是為其他模塊提供的，因此需要較強的容錯性、穩(wěn)定性，接口函數(shù)必須簡潔清晰。許多模塊都關心界面行為事件，以便及時通知其他模塊的接口管理，接口管理實現(xiàn)通知連接機理，是其他模塊的了解接口管理的窗口。存在一個全局的通知鏈表，對其他模塊的事件處理程序的功能進行事件的相關處理。注冊功能還提供相應的優(yōu)先級設置，因此需要進行注冊功能列表的前面。當事件發(fā)生時，在適當?shù)墓芾斫缑娴胤秸{用通知鏈掃描功能，其次是實施循環(huán)鏈功能。界面管理實施循環(huán)鏈，附帶其他模塊需要的數(shù)據(jù)。
　　3高可靠性設計
　　在分布式交換機中，整個系統(tǒng)的管理是由主控制板來完成。該系統(tǒng)配置是由主控制板通過帶外信道被發(fā)送到每個業(yè)務板，主控板系統(tǒng)的可靠性是非常重要的，所以在分布式系統(tǒng)一般采用兩塊主控制板，用于提高可靠性。正常運行時只有一個主控制板發(fā)揮作用，管理整個系統(tǒng)，稱為主要控制板，另一塊是用來作為備份，稱為備用主控板。需要相應的主/從切換技術、熱備份技術來實現(xiàn)雙控制冗余備份功能，從而真正實現(xiàn)系統(tǒng)中的主控板快速下跌后自動切換到備用主控板和確保所有的配置信息不丟失。此外每個板應能在不斷電源的情況下插入和去除，并可自動保存和恢復相應的配置，而不影響正常的轉發(fā)，這需要使用熱插拔技術。技術方案可以使開關系統(tǒng)具有很好的容錯能力，故障恢復能力，長期運行時間，最短的主備倒換開關時間，主備倒換過程不中斷服務。滿足用戶要求的高性能交換機，確保用戶業(yè)務的穩(wěn)定運行。
　　熱備份系統(tǒng)（交換機）：開始后，主控板將配置信息反饋給備用控制板；在系統(tǒng)運行過程中，如果配置信息發(fā)生變化時，主控制板的配置信息反饋備用主控板。主/從切換檢測：系統(tǒng)的正常運時，主控制板將定期向備用主控制板發(fā)送狀態(tài)報告消息。當備用主控制板的一段時間內沒有接收主控板的消息，會認為主控制板故障，進而進行主備倒換處理。主備倒換處理：每個模塊該狀態(tài)設置為“主/備用狀態(tài)”；原來的主控制板故障恢復，即重新啟動原有的主控制板，主控板將重新啟動，并成為備用控制板；每個模塊禁止處理的數(shù)據(jù)包再發(fā)送到CPU進行處理；運行熱備份配置信息；允許處理器發(fā)送數(shù)據(jù)包；使配置管理。
　　熱插拔檢測：使用硬件中斷和軟件的狀態(tài)報告消息的檢測機制。硬件中斷模塊拉出，很久沒有收到業(yè)務模塊狀態(tài)報告消息。熱拉深工藝對單板配置信息提取和刪除，熱插拔處理完成配置信息恢復。
　　4結束語
　　該文對三層交換機中的主要技術進行了研究，分別從路由子系統(tǒng)的設計、接口軟件的設計、高可靠性設計這三個方面進行了分析，并提出了一些自己的建議，對三層交換機技術的改進提供了參考。由于時間有限，不能全部從實驗上進行驗證，這些將在以后的工作中完成。
　　參考文獻：
　　[1]（美）Behrouz A.Forouzan.數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡[M].2版.吳時霖，周正康，