网络设计的核心目标，归根结底是构建一个高速IP交换主干。这个主干需要具备哪些关键功能？欧洲网络试验室主任Robert Mandeville针对交换式IP主干的见解可谓直击要害。核心关键词无非是网络设计、网络架构、IP交换主干——这几个术语基本涵盖了本文要深入探讨的主题。

一、网络需求分析

这是一个典型的园区网络场景，主节点由六栋楼宇构成，网络用户的分布情况、各楼之间的物理位置与距离参见下图1。首先梳理一下具体需求：

企业网络的计算模式正从客户/服务器架构向Intranet迁移，IP将成为唯一通用的协议，但必须充分考虑如何为语音和视频应用提供可靠的服务质量保障。大幅度提升网络带宽——包括桌面接入、部门服务器以及主干链路——从而显著改善响应时间。网络需要具备快速高效转发IP数据包的能力。容错性强的网络拓扑、集中化的网络管理（尤其要确保虚拟网管理的灵活性与安全性），网络应支持动态组建跨部门的项目团队。当然，总体建设成本也需尽量控制。

各建筑物之间已经铺设了足够数量的光纤，距离较远的楼宇（例如M2与RD2之间）使用单模光纤，较近的楼宇之间则采用多模光纤。因此，网络主干的拓扑结构不受布线条件限制，但主干设备必须同时提供多模和单模光纤接口。

楼宇内部的网络结构相对规整，可以通过一个数据中心集中连接各个配线间，形成所谓的塌陷式主干（Collapsed Backbone）。具体结构如右侧示意图2所示。

二、技术解决方案建议

很明显，网络设计的目标就是建设一个高速IP交换主干。这个主干应具备的功能，直接引用Robert Mandeville的观点：

IP数据包的转发速度必须足够快。千兆以太网和ATM都能达到每秒千兆位级的速率，但还需要权衡这两种技术在IP传输效率、服务质量保障、价格以及可管理性方面的差异。应能为不同应用提供差异化的服务等级，并能够与Internet协同工作。需要支持IP上的语音应用，并通过IP多点组播（IP Multicast）支持视频应用。能够适应移动用户和工作组，网络可自动调整配置，确保移动用户的原有身份不丢失。同时要具备线速交换第四层数据流的能力。

这些看法与本次招标中的网络需求高度吻合，并对部分需求做了进一步细化。基于上述分析以及新一代IP交换主干的特性，现提出以下技术建议：

1. 网络结构

主干拓扑结构应兼顾容错性与多链路上的负载均衡，以网状结构为佳，但还需根据各楼宇内的节点数量、网络应用类型以及投资预算等因素来具体配置。主干拓扑结构参见下图3。

楼宇内部的拓扑结构虽然已有定论，但不同厂商的方案仍存在差异。右图所示的结构在某些厂商的方案中较为常见——数据中心由交换机和路由器（或第三层交换机）共同组成，数量依情况而定，例如两台交换机加两台第三层交换机，见图4(b)。但这种结构会引入额外延迟，同时由于使用成倍数量的交换机，成本也相应增加。

更好的方案自然是完全采用第三层交换机（也称交换式路由器）来构建数据中心。网络中不存在通信瓶颈，桌面到服务器仅需2次跳转，并且一台设备替代两台设备，大大降低了成本。若考虑数据中心的容错，可以使用两台第三层交换机并构建冗余连接。配线间则部署新一代的第二层交换机。需要注意的是，采用冗余结构时，数据中心交换机需要的端口数量约为非冗余结构的2至3倍。图5展示了纯L3式数据中心的典型架构。

下表1列出了市面上可采购到的第三层交换机在千兆以太网端口密度方面的数据。

表1. 第三层千兆以太网交换机的端口密度

由于主干交换机属于第三层、第四层交换机，支持OSPF协议，因此园区网状的拓扑结构不仅能实现连接冗余，还能通过OSPF协议实现多链路的负载分担。

2. 园区网络主干的技术选择

毫无疑问，当前可行的方案只有两种：622 Mbps ATM和千兆以太网。下面从与IP相关的多个维度进行对比：

千兆以太网（以帧方式传输）
- 交换机需要高速背板提供支撑
- 第三层交换无需对原有网络进行彻底改造
- 新的帧格式向后兼容
- 虚拟网通过802.1Q建立基于端口的VLAN
- 部分交换机支持基于策略的虚拟网
- 第二、三层交换机利用IGMP Snooping技术自动设置IP Multicast组
- 某些第三层交换机还支持DVMRP路由协议
- ASIC硬件可识别TCP端口号，交换机能够将QoS/CoS/ToS参数应用于交换的数据流，对不同IP应用区分优先级

ATM（以信元方式传输）
- ATM站点和边缘交换机对ABR的支持尚未普及
- 实现上需要新的硬件控制器
- 需要系统化的方法设计和维护ATM网络，用户需重新培训
- 需要新的硬件来支持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，每个端口可属于多个VLAN
- 能够建立点到多点的虚连接
- 对IP应用区分优先级的支持不足

从对比可以看出，建设交换式IP园区骨干网所需的功能，千兆以太网完全能够实现。支持千兆以太网的第三层/第四层交换机显著增强了千兆以太网在园区环境中的地位。过去被认为是以太网短板的一些方面——例如多媒体应用支持、灵活的拓扑结构及多链路负载分担、基于标准的虚拟网——如今已被新技术和新标准所解决。某些千兆以太网交换机（如SmartSwitch Router交换式路由器）在单模光纤上的传输距离可达75公里，同时支持IP over SDH/SONET，使得这种技术能够从园区延伸到城域网。

当然，ATM技术在广域网领域仍将发挥其作用。对于那些要求严格服务质量保障（例如利用ATM的线路仿真技术提供高质量语音通信）的用户而言，ATM依然是值得考虑的选择。

本文针对建议需求书中的要求，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。接下来看这些需求如何被满足：

(1) 支持向Intranet迁移

Intranet与传统企业网的最大区别在于信息流模式的转变——即80/20规则的逆转。传统企业网中，80%的流量发生在IP子网内部，20%发生在子网之间；而在Intranet环境中，各部门都可以部署自己的Web服务器，用户不关心所访问服务器的物理位置，跨子网的流量占比达到80%，只有20%停留在本部门内。这种流量模式要求IP路由速度大幅提升，传统路由器难以胜任。交换式路由器采用专用集成电路实现线速IP路由性能，并能实施第四层控制，例如为各种应用预留带宽、设置防火墙、对不同应用区分优先级。交换式路由器是构建Intranet的理想骨干设备。

(2) 支持语音和视频应用

语音和视频应用要求网络提供服务质量保障，服务质量的衡量指标包括延迟、可用带宽、延迟抖动以及丢包率等。本方案采用四项技术来保障服务质量：

高速度与高带宽。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的需求。流量优先处理。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，优先级各不相同。交换式路由器还能识别应用层的信息流，根据策略将不同信息流送入对应队列，通过复杂的队列管理机制确保时间敏感的应用优先转发，同时进行流量控制与流量整形，这对语音和视频会议等多媒体应用至关重要。

带宽预留。通过RSVP（资源预留协议），交换式路由器能够动态地为特定应用保留所需带宽。此外，交换式路由器具备对应用层信息流进行控制的能力，可以区分不同的信息流并提供服务质量保障。

借助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，不会扩散到整个网络，各个组之间互不干扰，从而保证多媒体应用更加畅通。

上述技术配合使用，虽然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、低延迟交换机、能够对流量进行应用层控制的交换式路由器——这些技术和产品都能大幅缩短网络响应时间。

(4) 容错性

网状骨干拓扑结构、双核心交换机、冗余的配线间连接——这些设计确保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，后者用于旁路出现故障的连接。

(5) 集中式网络管理与较低的总体成本

Cabletron的网管系统Spectrum能够胜任集中管理任务。本方案采用交换式路由器而非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，而价格仅为后者的十分之一。

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包转发速度快。 具备第三层、第四层功能的千兆以太网交换机SmartSwitch Router是业界性能领先的同类产品之一，能够以线速进行第二、第三、第四层数据转发且不丢包，交换矩阵速率高达32 Gbps，第三、第四层交换能力超过3000万包/秒。《WorkComputing》杂志今年对多家厂商的千兆以太网交换机进行了严格测试，SmartSwitch Router获得最高评分，并荣获该杂志为交换机设立的唯一“编辑选择奖”。

容错的网络结构。 主干采用网状拓扑，通过OSPF协议实现多链路负载分担。主干带宽达到8000 Mbps，具备良好的扩展性。SmartSwitch Router支持VRRP协议，可实现双SmartSwitch Router之间的动态互为备份。楼层交换机均通过多条线路连接至楼内数据中心，多链路之间可进行负载分担和互为备份。

可为不同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更能对应用层数据流进行精细化控制，从而保障服务质量。该交换机还支持RIP、OSPF和BGP协议，并提供广域网及IP over SDH/SONET接口，可与Internet协同工作。

能支持IP上的语音应用，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还支持DVMRP协议，使IP多点组播更加高效。

适应移动用户和工作组。 网络能够自动调整配置，确保移动用户的原有身份保持不变。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。 它具备每秒400万条第四层数据流的交换能力，是唯一同时支持所有RMON和RMON2组的交换机。

较低的总体成本。

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