三层交换技术 开题报告.docx

洒号.亨城市学院ZHEJIANG UNIVERSITY CITY COLLEGE毕业设计（论文）开题报告（含文献综述、外文翻译）题 目三层父换技术研究和实现姓 名学 号专业班级所在学院指导教师（职称）二。一O年 月曰毕业设计（论文）开题报告（包括选题的意义、可行性分析、研究的内容、研究方法、拟解决的关键问题、预期结果、研究进度计划等）1.选题的背景和意义过去的网络在一般情况下按“80/20分配”规则，即只有20%的流量是通过骨 干路由器与中央服务器或企业网的其他部分进行通信，而80%的网络流量主要仍集 中在不同的部门子网内。而今天，这个比例已经提高到了 50%甚至80%，这是因为 今天的网络正在经历着诸多应用的集合影响。网络应用已经超越了组件和电子邮 件，新型应用已经如此迅速和深刻地冲击着网络。这种变化对传统路由器产生了 直接的冲击。因为传统的路由器更注重对多种介质类型和多种传输速度的支持， 而目前数据缓冲和转换能力比线速吞吐能力和低时延更为重要。路由器的高费用、 低性能，使其成为网络的瓶颈。但由于网络间互连的需求，它又是不可缺少的并 处于网络的核心位置，虽然也开发了高速路由器，但是由于其成本太高，仅用于 Internet主干部分。随着Internet的发展，局域网和广域网技术得到了广泛的推广和应用。数 据交换技术从简单的电路交换发展到二层交换，从二层交换又逐渐发展到今天较 成熟的三层交换，以致发展到将来的高层交换。三层交换技术就是：二层交换技 术+三层转发技术。它解决了局域网中网段划分之后，网段中子网必须依赖路由 器进行管理的局面，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。1.1选题的背景在早期网络中交换机只具备二层交换功能，所有的跨网段通信或跨广域网通 信都通过采用路由技术的路由器设备（后来局域网内部短暂出现过采用路由技术 的三层交换），由于CPU实现路由技术的处理能力限制，当初的局域网基本不部署 跨网段的网络应用，绝大部分的局域网甚至不进行任何网段的划分，不仅网络的 安全性降低，网络的可管理性降低，而且由于广播的全网泛滥极大地降低了局 域网的性能，无法组建大规模的网络。同样，路由技术的性能限制也影响了早期 网络跨广域网的应用发展。1.2图1.1 一般的VLAN所采用的结构内外研究现状第三层交换是1997年才出现的新技术，1997年下半年才有了实用化的产品。第一代：传统路由器。体系结构和传统的路由器一样，第一层和第二层的功 能由软件完成，软件运行在一个有固定内存的CPU上。这样的第三层交换机其实 是传统的路由器在原有的交换机里插入路由模块，但它并不代表这种交换机就能 自动成为第三层交换机，而要看这个路由模块是否能保证交换机的所有端口在选 择路由时达到线速，以及能否直正实现对网络流量的控制。第二代：ASIC的加入。加入用于优化第二层帧处理的ASIC可以加快数据包的 转发速度，使CPU只用于处理第三层的工作，ASIC使交换机的性能提高了 10倍以 上，降低了系统的整体费用第三代：新的体系结构。第一、第二代第三层交换机的转发性能与纯粹的第 二层交换机相比还是不够。而第三代第三层交换机彻底弥补了第二层与第三层在 性能上的差异，同时提供极强的对网络流量的控制能力，并可完成大量的网络层 的功能，从而提供高性能，更具灵活性和扩展性。除速度外，用户还要求网络提高实现策略方面的支持。典型的策略有流量优 先处理，网络安全控制、服务质量保证及网络流量监控等。利用这些策略，可以 为特殊的用户或服务器分配较高的优先级，并使他们的应用获得更大的网络访问 权限，可为视频会议等多媒体应用提供服务质量的保证。捷径路由技术是一种新的交换和路由技术，其基本想法是，让第一个数据包 经过网络的第三层（网络层），以保持一定的对流量的控制（如防火墙检查），以 后的数据包直接在网络的第二层传输，即一次路由，随后交换的思想。已有的捷 径路由技术有Fast IP和MPOA等。这种技术实现的成本低，但对网络的控制能力 不如第三层交换。较好的解决方案是，在网络的核心采用第三层交换机，这里是 绝大部分流量所经过的地方，第三层交换机可以对整个网络进行控制。在核心的 外层采用低成本的纯第二层交换机，第二层交换机直接与桌面计算机连接，配合 桌面计算机上使用的Fast IP技术，可在需要的时候建立路由捷径。这样既考虑 了网络策略及线速路由，也充分调动了桌面计算机的智能，使整个网络的性能价 格比达到较高水平。1.3发展趋势三层交换机所面临的应用环境的急剧变化，使得三层交换机有了更加深层次 的技术变革。这种变革主要体现在以下几个方面：从体系架构上灵活支持多种技术的融合。今天的核心交换机的交换容量已经 达到了几百Gbps的水平，可以满足十几个万兆端口和几百个千兆端口的线速转 发，所以性能已经不再是瓶颈，如何很好地在网络融合的趋势下承载业务是各个 网络设备供应商在产品设计初期就要深入思考的问题。现在的网络是路由和交换 技术的融合，广域和局域的融合，安全、IDS等技术和交换机技术的融合。主要 体现在核心交换机上直接可以扩展防火墙模块、IDS模块、2.5G/155MPOS、ATM、 2M等路由器的接口模块。这种融合给在网络中部署各种策略提供了更好的灵活性。 比如单独的防火墙只能部署在网络的边缘，在网络出口位置保护内部网络的安全, 但70%以上的安全问题往往来源于内部，它无法对内部网络进行有效控制。而防 火墙作为一个模块插到交换机内部之后，可以灵活地部署在任意两个VLAN之间， 极大地提高了部署的灵活性。通过扩展路由器接口，可以更加节省用户的投资， 满足更加灵活的组网需求。更强的多业务承载能力。更强的多业务承载能力是城域网的基础。在局域网 和广域网融合的趋势下，城域网正在规模兴起，在电子政务网、教育科研网、宽 带城域网领域，VPN等业务正在从骨干向汇聚转移。随着以太网交换机芯片技术的 发展和汇聚层设备性能的提高，尤其是融合特性核心交换机的出现，原先主要由 骨干设备提供的MPLS VPN业务逐渐由汇聚层以太网交换机来提供。最初采用骨干 设备提供该项业务的主要原因是因为汇聚层设备的性能不足，而现在汇聚层以太 网交换机的性能已经超过了原来的骨干设备;从业务提供方面来看，汇聚层设备较 骨干设备多，更接近用户，提供业务更方便;从网络的可靠性来看，骨干设备由于 其特殊位置，应向着功能专一化和简单化以及高性能的方向发展，而汇聚层设备 则要同时兼顾性能和多业务支持能力。这种趋势要求核心交换机支持完善的路由、 交换特性，最终的设备形态就是一个集路由器、交换机一体化的设备，这样才能 真正满足这个市场的需求。更强更丰富的网络监控和管理能力。更强更丰富的网络监控和管理能力是有 效转发的基础。基于SNMP的网络管理已经成为业界的共识，通过RMON功能可以 实现对设备的运行状态、转发性能进行远程分析和监控。但管理这些设备在现有 的网络环境下是远远不够的，还需要对交换机上运行的业务进行细致的管理，比 如MPLSVPN业务的网络管理。还需要对交换机上所接入的用户进行管理，比如针对 具体的端口或者IP地址的流量进行统计和管理。进行全面的流量分析的另一个要 求是将流量镜像到探针或协议分析器中的能力，通过智能镜像功能可以将所有流 量从某个端口或VLAN发送到用户指定的端口中以进行深入分析，然后经过管理中 心判断之后，再确定对业务中的某个端口进行相应的操作，实现交换机和IDS、流 量分析仪等其他设备之间的联动。通过对数据流提供强有力的管理手段和强大的 分析监控能力，保证交换机上所有业务的有效转发。2 .研究的基本内容对三层交换技术的进行系统研究，并在三层交换机同时实现二层和三层功能， 比如访问列表(Access-List)、虚拟局域网(VLAN)等。然后从处理速度、传送 时延等方面对其进行性能比较评估。2.1基本框架在三层交换机同时实现二层和三层功能:接入层 6图2.1三层交换网络CPU Fo<-± 真肝色季信玄推式芯片三度引瑁A Poa"tb r人册包E Port MAC寺 SWITCHA PertB Port MKC尚 Port篇RP包核心层图2.2比如A要给B发送数据，已知目的IP，那么A就用子网掩码取得网络地 址，判断目的IP是否与自己在同一网段。如果在同一网段，但不知道转发数据所需的 MAC地址，A就发送一个ARP 请求，B返回其MAC地址，A用此MAC封装数据包并发送给交换机，交换机起 用二层交换模块，查找MAC地址表，将数据包转发到相应的端口。如果目的 IP地址显示不是同一网段的，那么 A要实现和B的通讯，在流缓存条目中没 有对应MAC地址条目，就将第一个正常数据包发送向一个缺省网关，这个缺省网关一般在操作系统中已经设好，对应第三层路由模块，所以可见对于 不是同一子网的数据，最先在 MAC表中放的是缺省网关的 MAC地址；然后 就由三层模块接收到此数据包，查询路由表以确定到达B的路由，将构造一个新的帧头，其中以缺省网关的 MAC地址为源MAC地址，以主机B的MAC 地址为目的MAC地址。通过一定的识别触发机制，确立主机 A与B的MAC 地址及转发端口的对应关系，并记录进流缓存条目表，以后的A到B的数据， 就直接交由二层交换模块完成。这就通常所说的一次路由多次转发。2.2研究的重点和难点目前主要存在两类第三层交换技术：第一类是报文到报文交换，每一个报文 都要经历第三层处理（即至少是路由处理），并且数据流转发是基于第三层地址的； 第二类是流交换，它不在第三层处理所有报文，而只分析流中的第一个报文，完 成路由处理，并基于第三层地址转发该报文，流中的后续报文使用一种或多种捷 径技术进行处理，此类技术的设计目的是方便线速路由。转发能力上，传统的交换机采用“按流转发+精确匹配”的模式，即在CACHE 中存储了包括源IP地址和目的IP地址的“精确匹配表”，对数据流进行精确匹 配。由于采用了 CACHE技术，并采取按流转发的方式，转发速度和效率很高，但 受到CACHE容量的限制，当网络规模变大，网络中的地址增多，这种方式就存在 着CACHE耗尽的风险，尤其是目前网络上病毒的泛滥，伪造地址的攻击越来越多， 大量伪造的IP地址将很快耗尽交换机的资源。在同一个VIAN虚拟子网内部三层交换机要有二层交换的功能，以保证传输速 度的要求。基于硬件的路由转发比传统路由器基于软件的路由转发效率更高、更快。利用L3层中的IP数据包的包头信息来加强L2层交换，以期解决路由技术中转 发效率较低的技术瓶颈。2.3拟解决的关键问题在三层交换上同时实现三层和二层功能。由三层交换机和有VLAN功能的二层接入交换机来配合实现VLAN。利用三层交换机提高传输速度。3. 研究的方法及措施第三层交换的运行方式类似于LAN交换机，不同的只是它是基于IP地址而不是 MAC地址转发数据的。第三层交换机能够代替路由器执行传统路由器的大多数功 能，它应该具有路由的基本特征。将采用比较分析法，对三层交换技术进行系统 研究。4. 预期研究成果在三层交换机同时实现二层和三层功能，比如访问列表(Access-List)、虚 拟局域网(VLAN )等。在这基础上在下面几点中望获得新意的成果：由于受到ASIC的限制，三层交换机，尤其是中低端的产品所支持的ACL数量 大都比较有限，这个缺陷也制约了三层交换机过滤非法流量的能力。为防止伪造 地址或虚假用户的攻击，交换机将提供MAC、端口、用户名、IP、VLAN等多种信 息的绑订功能。5. 研究工作进度计划第7学期第2周至第7学期第4周：选题第7学期第5周至第7学期第6周：文献查阅第7学期第7周至第7学期第10周：外文翻译、文献综述第7学期第11周至第7学期第12周：开题报告第7学期第14周至第7学期第17周：开始成果设计制作第8学期第1周至第8学期第5周：设计、开发第8学期第6周：调试第8学期第7周：成果验收第8学期第8周至第8学期第12周：撰写论文、修改论文6. 其他需要说明的问题本课题的目的是对三层交换技术的进行系统研究。需要华为三层交换机，三 层交换机操作系统平台，各种TCP/IP网络检测工具等设备。毕业设计（论文）文献综述（包括国内外现状、研究方向、进展情况、存在问题、参考依据等）三层交换技术研究和实现文献综述1.国内外研究现状随着当今网络业务流量爆炸式增长，并且业务流模式改变为更多的业务流跨 越子网边界，穿越路由器的业务流也大大增加，传统路由器低速、复杂所造成的 网络瓶颈突现。第三层交换技术的出现，很好地解决了局域网中业务流跨网段引 起的低转发速率、高延时等网络瓶颈问题。第三层交换设备的应用领域也从最初 的骨干层、汇聚层一直渗透到边缘的接入层。在早期网络中，交换机只具备二层交换功能，所有的跨网段通信或跨广域网 通信都通过采用路由技术的路由器设备（后来局域网内部短暂出现过采用路由技 术的三层交换机），由于CPU实现路由技术的处理能力限制，当初的局域网基本 不部署跨网段的网络应用，绝大部分的局域网甚至不进行任何网段的划分，不仅 网络的安全性降低，网络的可管理性降低，而且由于广播的全网泛滥极大地降低 了局域网的性能，无法组建大规模的网络。同样，路由技术的性能限制也影响了 早期网络跨广域网的应用发展。在三层交换技术出现以后，所有的这一切都发生 了改变，局域网可以随意部署大量的跨网段应用，网络的安全性和可管理性得到 了极大的提升，可以通过三层交换技术构建大规模的各种网络，而广域网的应用 也随着采用三层交换技术的高端路由器和高端路由交换机的出现而不断丰富。第三层交换技术将第二层交换机和第三层路由器两者的优势结合成为一个有 机的整体，是一种利用第三层协议中的信息来加强第二层交换功能的机制，是新 一代局域网路由和交换技术的结合。第三层交换技术以当前系统1/10的代价获得 传输性能于过去10倍的能力。第三层交换机能够代替路由器执行传统路由器的大 多数功能，它具有路由的基本特征。数据报文转发是路由器和第三层交换机最基 本的功能，用来在子网间传送数据报文；路由处理子功能包括创建和维护路由表， 完成这一功能需要启用路由协议RIP或OSPF来发现和建立网络拓扑结构视图，形 成路由表。路由处理完成后，将数据报文发送至目的地是报文转发子功能的任务。 第三层交换也包括一系列特别服务功能，如数据包的格式转换，信息流优先级别 划分，用户身份验证及报文过滤等安全服务，IP地址管理，局域网协议和广域网 协议之间的转换。当第三层交换机仅用于局域网中子网间或VLAN间转发业务流时 可以不执行路由处理，只作第三层业务流转发，这种情况下设备可以不需要路由 功能。第三层交换工作在OSI七层网络模型中的第三层即网络层，是利用第三层协议 中的IP包的包头信息来对后续数据业务流进行标记，具有同一标记的业务流的后 续报文被交换到第二层数据链路层，从而打通源IP地址和目的IP地址之间的一条 通路。这条通路经过第二层链路层。有了这条通路，三层交换机就没有必要每次 将接收到的数据包进行拆包来判断路由，而是直接将数据包进行转发，将数据流 进行交换。第三层交换改善了路由器的性能，使网络具有更高的智能性。第三层 交换的运行方式类似于LAN交换机，不同的只是它是基于IP地址而不是MAC地址转 发数据的。第三层交换技术具有以当前系统1/10的代价获得传输性能于过去10倍 的能力。既然第三层交换机能够代替路由器执行传统路由器的大多数功能，它应 该具有路由的基本特征。我们知道，路由的核心功能主要包括数据报文转发和路 由处理两方面。数据报文转发是路由器和第三层交换机最基本的功能，用来在子 网间传送数据报文；路由处理子功能包括创建和维护路由表，完成这一功能需要 启用路由协议如RIP或OSPF来发现和建立网络拓扑结构视图，形成路由表。路由处 理一旦完成，将数据报文发送至目的地就是报文转发子功能的任务了。报文转发 子功能的工作包括检查IP报文头、IP数据包的分片和重组、修改存活时间（TTL） 参数、重新计算IP头校验和、MAC地址解析、IP包的数据链路封装以及IP包的差错 与控制处理（ICMP）等等。第三层交换也包括一系列特别服务功能，如数据包的 格式转换，信息流优先级别划分，用户身份验证及报文过滤等安全服务，IP地址 管理，局域网协议和广域网协议之间的转换。当第三层交换机仅用于局域网中子 网间或VLAN间转发业务流时可以不执行路由处理，只作第三层业务流转发，这种 情况下设备可以不需要路由功能。图2.1实验组网图2研究方向三层交换技术与传统的路由技术不同，传统的路由技术是通过一定的路由算 法来选择到达各个子网的最佳路径，实现路由选择和网络互连；而三层交换技术 是利用L3层中的IP数据包的包头信息来加强L2层交换，以期解决路由技术中转发 效率较低的技术瓶颈。三层交换技术在现在的网络建设和改造中起着越来越重要 的作用，逐渐从局域网LAN进军到了广域网WAN。3进展情况三层交换（也称多层交换技术，或IP交换技术）是在1997年前后才开始出 现的一种交换技术，它是相对于传统交换概念而提出的。众所周知，传统的交换 技术是在OSI网络参考模型中的第二层-数据链路层进行操作的，而三层交换 技术是在网络模型中的第三层实现了数据包的高速转发。三层交换技术的出现主 要是为了解决规模较大的网络中的广播域问题，通过VLAN把一个大的交换网络 划分为多个较小的广播域，各个VLAN之间再采用三层交换技术互通。最初的三层 交换机往往是把二层转发和三层交换做在两个单元中，还没有用一个芯片完成完 整的三层交换功能，这样的交换机往往也是机架式的，比3ComCorebuider9000. Corebuider3500，思科的5505、6509,朗讯的Cajun P550等，一般都有一个专门 处理三层数据的单元或者模块。在传统的交换机中，三层交换引擎往往是整个交换机的瓶颈，无法实现大容 量的线速的三层交换，而且模块和模块之间会采用总线式结构。千兆以太网标准 出现之后，有些机架式交换机内也采用了千兆端口实现模块和模块之间的互通。1998年Intel推出了550T、550S可堆叠的盒式三层交换机，背板容量达2.1Gbps, 可以实现8个百兆端口的线速交换，这是当时市场上最早出现的盒式交换机之一, 性价比也比较高。但无论是当时的盒式三层或者是机架式三层交换机，最主要的 功能仅仅是为了隔离广播域，路由协议的支持都比较简单，仅仅支持RIP、OSPF 等小型网络的动态路由协议，VLAN之间的路由默认也是互通的，没有什么控制功 能。随着网络规模的变化，以太网技术从一个办公室网络走向一个办公楼的局域 网乃至整个园区网，而在1998年之前，园区网技术往往会采用最早的FDDI技术 ATM技术。这种应用变化对三层交换机提出了更高的性能要求，对数据转发的控制 能力和广域网之间的路由互联能力的要求也更高，同时可靠性、可用性要求也大 大增强,二、三层交换功能也发展到由一个单独的芯片完成，交换容量也从最初的 5Gbps发展到现在的几百Gbps的水平，由此出现了一些关键技术，如CrossBar 技术、基于硬件线速的访问控制技术、端到端QoS技术、更丰富的协议支持等。三层交换从概念的提出到今天的普及应用，虽然只历经了几年的时间，但其 在网络建设中的应用越来越广泛。随着三层交换机在市场的不断推广和应用，三 层交换技术及其产品在企业网/校园网建设、宽带IP网络建设（如城域网、智能 社区接入）中得到了大量的应用，市场的需求和技术的发展双重拉动这种应用的 纵深发展。三层交换的应用在从最初骨干层、中间的汇聚层一直渗透到边缘的接 入层。三层交换机以其速度快、性能好、价格低等众多的优势已经把路由器排挤 到网络的“边缘”。凡是没有广域网连接需求，同时又需要路由器的地方，都可 以用三层交换机代替。可以预料，随着ASIC硬件芯片技术的发展和实际应用的推 广，三层交换的技术与产品将会得到更进一步发展。4 .存在问题三层技术的不足在于，虽然第三层交换技术使得用户可在工作组之间获得无 失真的100Mbps、1000Mbps的数据交换速率。但这一切还得有一个先决条件，那就 是只有当用户和服务器本身都能跟上网络中的带宽增长，包的传输可以达到系统 的极限，即达到CPU能够处理的最大速度，才是真正的成功。目前的主要问题在 于提高服务器的能力，因为越来越多功能强大的工作站连到Ethernet交换的桌面 上，用户桌面的能力并没有得到充分的发挥。参考文献(含开题报告和文献综述)1陈鑫.论三层交换技术A,计算机技术与信息发展，1007-3973(2010)05 -046-03.2胡佳.第三层交换技术原理及应用研究A.科技资讯，1672-3791(2008) 06(b)-0022-01.3莫林利.基于三层交换的VLAN的设计与实现.科技信息A，2009，06.4王丽雯，龚尚福，马旭.基于三层交换技术的虚拟局域网规A，2008，2.5朱璇，马少妆，陈达成.简述三层交换机与路由器之间的联系和区别A， 1009-3044(2010)14-3622-03.6赵清泉.浅析二层交换到三层交换机技术及其应用J,消费导刊，2007, 14.7罗萍，翟音.VLAN技术及其在三层交换机上的应用N.福建电脑，2008,9.8赵牡丹，王卫亚.三层交换技术的发展及应用趋势A.科技信息，2007,02.9过威克.三层交换机的特点及作为Internet主交换设备的优势A，1674- 098X(2009)01(a)-0097-02.10陶志勇，何先亮.交换机三层交换技术在网络中的应用方案J，2009,07.11温钰，龚尚福，王照峰，李红卫三层交换技术的原理及应用A，2007, 07.12张杰.三层交换技术原理及应用分析A，网络通讯与安全，1009-3044(2006)32-0079-03.13于占虎.三层交换机中VLAN间通信的设置方法A，辽宁师专学报，1008- 5688(2009)03-0046-02.14马建涛，肖英.三层交换技术在通讯网络中的应用J.黑龙江科技信 息.2007，16.15陈延东.浅谈三层交换技术与VLAN技术N.黑龙江科技信息.2008，10.16John Kevin Frick， Donald B.Crosser,Michael D.Mroz. 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Jul.18, 2006.毕业设计（论文）译文及原稿译文题目新型3层IP分组交换原稿题目Novel Layer-3 IP Packet Switching原稿出处国家信息学院与通信技术新型3层IP分组交换摘要：我们开发新的第3层（L3）的互联网协议（IP）的分组交换机，是为了连 接基于光分组交换的80 Gbps WDM与10 Gbps的以太网网络。作为光分组交换的入口 边缘节点的三层交换机，按照一个查找表生成光学标签和一个IP数据包的目的地址， 然后把近10 Gbps的IP数据包封装进80 Gpbs的光分组。作为光分组交换的入口边缘 节点的另一种类型的三层交换机，从光分组中解封装IP数据包并根据数据表生成一个 万兆以太网帧的IP数据包容纳。丢包率在错误!未找到引用源。不到情况下，我们实 现了 7.2 - Gbps的IP数据包传输吞吐量，并且顺利展示基于3D HDTV视频流通过的 L3交换机和基于光分组系统的80 Gpbs的WDM。索引词：3层交换机，IP数据包，基于光分组交换的80 Gbps WDM，10 Gbps以太 网，三维高清晰度电视（HDTV ）视频流。I. 介绍虽然存在40 Gbps的可用电子路由器，但是光分组交换是40 Gpbs以上分组交换 网络的关键技术。许多团体已经展示OPS （光分组交换）系统，可我们还在单一波长 通道上开发了与OPS原型兼容的160 （千兆/秒/端口）光纤包。一个真正的问题是如 何连接这些高速的OPS网络和目前基于互联网协议（IP）技术为基础的网络。最近， 光包高达40 Gpbs的IP数据传输已经成功。然而，考虑到OPS的技术潜力，我们需要 提供有效的计划和设备使在网络节点可容纳超过40 Gbps光纤包的IP数据包。在本文中，我们研究开发新的3层IP交换机作为接口连接在80 Gbps OPS网络 （8OGbOP）和10 Gbps以太网（1OGbE）之间。OPS有8个电气接口，其中每个通道的速度 是近10吉比特。这些交换机在光分组交换实验中扮演着重要的角色。通过连接到每个 通道的光学元件，我们可以产生各种类型的光包。为了提高光学数据包的传输距离， 同时增加光学数据包的带宽，我们引入WDM技术广泛有色光学包。因此，L3交换机可 作为OPS的网络边缘节点。在OPS核心节点，光学数据包被我们的OPS原型转发。我们通过L3交换机吧7.2Gbps的IP数据包封装到基于光学数据包的80Gpbs WDM。 我们实现了在丢包率不到错误!未找到引用源。的演示系统下传输IP数据包。此外，在一个实际应用中，以3D高清晰度电视流为基础的UDP/IP流畅视频已经被论证。本文组织如下。在第二节，我们标识了 IP网络地址与OPS之间的关系。在第三节 中，我们介绍了我们研究的三层交换机。在第四节，我们展示和进行深层次的研究。 在第五节，我们总结这个文件，同时提出一些相关工程。最近的文件总结侧重于一个 光网络实验，通过使用L3交换机10Gbe-80Gbop的转换能力，但这份文件，还涉及细 节和灵活性的L3交换机。II. 高速IP网络和IP上的光分组交换未来的IP网络和层次结构如图所示：（a）和（b）。有些网络可能包括以太网技 术和其它可能的SONET/SDH0为了提供高吞吐量的数据传输，OPS网络也部署为一个二 层网络。OPS网络可以提供40Gpbs或以上的高速传输，其它传统网络不行。为了充分 利用OPS网络的带宽，几个以太网或SONET/SDH接口将被安装到L3交换机上。例如， 在可能的情况下，有一个80Gbop接口的L3交换机有8个或更多的10Gbe接口。OPS网络通过第三层连接到其它网络。也就是说，在OPS网络的入口边缘节点， 三层交换机根据一个查找表和一个IP数据包的目的地址生成光学标签，然后封装到一 个光分组的IP数据包。图2展示了一个例子。目的地址是192.168.0.1和192.168.0.3 的IP数据包，在三层交换机给出光标记“ A”，将被传送到192.168.0.2的IP数据包 标为光标记“B”。在出口边缘节点，三层交换机从光分组中解封装IP数据包，并再次 根据查找表把IP数据包封装到相应的框架。在OPS网络，光包交换不伴随O/E/O转换。交换机元素的数量可以减少，每单位 时间内处理的数据包数量将增加，如果光分组的比特率升高。举例来说，如果最小的 数据包长度是64字节，在80Gpbs端口每秒大约可处理1.6亿个包，而在10Gpbs端口 只能处理2千万个包。由于跟电子开光技术相比，比特率是比较容易增加的，提高比 特率来降低成本的方法是更有前途的。本段介绍在OPS网络，我们通过使用WDM技术引进有色光学包。如图3所示，每 个光包由速度近10Gbps的多波长构成。由于10Gbps传输系统比高速传输更成熟，更 适合于电子系统，与由单一的大带宽波长组成的光包传输相比，我们可以更容易地开发OPS系统。III. 研究开发3层IP分组交换为了实现在上一节所描述的网络，我们开发新的L3交换机，每台交换机各自有一 个10GbE接口和一个80GboP (8X10Gbps)接口来产生光包。我们知道。如果我们有八 个10GbE端口，我们可以使用80Gbps OPS网络的整个带宽，甚至在边缘节点。但是， 我们不开发8端口的1OGbEs作为第一阶段实施。有人可能会认为这不会切换数据包， 这只是一个在1OGbE和8OGbOP之间的一个网关。我们称这是一个三层交换机，是因为 数据包被切换到另一个端口，通过查找IP数据包的目的地址。另一方面，我们不称它 为路由器，因为查找表是手动设置的。在下一步，我们应该有一些内部开关仲裁机制， 和OPS的自动化控制机制。三层交换机包括一个电子开光部分和一个光学收发器部分。这些部件被分开，以 方便以后的升级和各种规格的光纤的挑战。举例来说，我们正在实施后面即将详细描 述的基于数据包的WDM，虽然我们可以使用那些基于数据包的高速单波数据包收发器 来代替WDM，和那些基于数据包的非常密集的WDM。在本节中，我们针对电子开关显示 的一部分，然后我们展示基于光包的10 Gbps x 8带宽的WDM收发器。A.在入口边缘节点L3交换机的1OGbE - 8OGbOP转换图4展示了作为OPS网络入口边缘节点的L3交换机的10GbE-80GbOP转换功能。 这三层交换机有一个10GbE端口和一个80GboP端口。首先，我们看一下电子开光部 分。表一显示了部分规格。一个10GbE的IP数据包被分为8个频道，其中每个是9.95328 吉比特。该80GOP包和IP数据包是一对一的对应的。虽然1OGbE帧在可变帧长度情况 下进入L3交换机异步，所产生的信号异步发送，同时通过填充无效信号使每个通道的 信号的长度固定在5120bits，以便在不久的将来适合我们的支持同步，定长光包分组 的OPS实验。分割成语是基于FIFO的处理，如果到达的IP数据包的大小大于640字 节，8号通道信号将在系统中排队。不同于传统如以太网L2系统，我们只有通过的 64B/66B的光分组的负载。也就是说，我们不会给非数据区放人任何编码。为了光接 收机性能日后的改进，序言的范围可以设置成0位到512位。该交换机可以在最大传 输单元在1500字节到2960字节的以太网帧上处理IP数据包。该交换机处理多达1024 个IP地址并产生多达256个电子标签。下一步，我们将描述结合WDM收发器的整个1IOGbE-80GbOP转换器。这主要包括 分割，IP头加工，电子到光（E/O）转换和光标记的产生。光标记是根据一个查找表 和IP数据包目的地址产生的。IP头处理器输出一个来自8个电子标签的8位电子标 签信号。在光标记发生器输出一个使用8位标签信号的合适光标签。因此，多达256 种的标签可以被输出。与此同时，如前所述，几乎所有的10Gbps的IP数据包被分为 10Gbps的八个环节。这E/O转换器是一个带有分布反馈激光器的电吸收调制器（EAM）。 这8个DFB-EAM排列在不同的波长中，产生8个波长通道光学有效载荷。最好，这个 有个光学标签的80Gbps光包通过复用设备被分散输出。同样，当光时复用技术应用在 单一波长为10Gbps的八个部分时，80Gbps的串行数据也可以生成。虽然查表目前是 静态的，我们可以从一个控制台端口随意重写该表。B.在疏散的边缘节点的三层交换机的8OGbOP - 1OGbE转换表二和图5显示在OPS网络疏散边缘节点的网络节点规格和L3交换机80Gbop-10GbE的转换功能。IP地址的数量和媒体访问控制地址存储在1024的查找表 中。这些数据在接受部分通过使用同步时钟进行位同步。该80GboP-10GbE转换器主要 由光到电（O/E）转换，包去分割，MAC地址生成等组成。基于WDM的光分组的80Gbps 被分解成8个通道为10Gbps的有效光学载荷，同时光学标签将被丢弃。O/E转换器是 一种10GHz时脉的突发模式包3R接收器和10Gbps的有效载荷数据。然后，L3交换机 通过8通道排列O/E转换器和包去分割而恢复的8通道的有效载荷进行拆封和重构。 在收回的8个通道有效载荷中可接受的偏差约为12.8纳秒。最后，一个可容纳1 OGbE 帧的MAC地址与IP数据包重新生成。Novel Layer-3 Packet SwitchingAbstract- We develop novel Layer-3 (L3) Internet Protocol (IP) packet switches to connect 80 Gbps WDM-based optical packet switching (OPS) networks with 10 Gbps Ethernet (10GbE).A L3 switch, which is the ingress edge node of the OPS network, generates an optical label according to a look-up table and the destination address of an IP packet, and then encapsulates the almost 10 Gbps IP packet into an 80 Gbps (8-wavelength x 10 Gbps) optical packet. Another type of L3 switch, which is the egress edge node of the OPS network, encapsulates the IP packet from the optical packet and generates a 10GbE frame accommodating the IP packet according to a look-up table. We achieve the transmission of 7.2-Gbps IP packets throughput with a packet loss rate under 10-6 and demonstrate smooth UDP/IP-based 3D high-definition television (HDTV) video-streaming via the L3 switches and 80 Gbps WDM-based OPS system.Index Terms-Layer-3 swit