اینترنت شبکه 1

چکیده

امروزه سرعت بیشتر و کیفیت سرویس بهتر مهمترین چالش های دنیای شبکه می باشند. تلاشهای زیادی که در این راستا در حال انجام می باشد، منجر به ارائه فنآوری ها، پروتکل ها و روشهای مختلف مهندسی ترافیک شده است. در این پایان نامه بعد از بررسی آنها به معرفی MPLS که به عنوان یک فنآوری نوین توسط گروه IETF ارائه شده است، خواهیم پرداخت. سپس به بررسی انواع ساختار سوئیچ های شبکه خواهیم پرداخت و قسمتهای مختلف تشکیل دهنده یک سوئیچ  MPLS را تغیین خواهیم کرد. سرانجام با نگاهی به روشهای طراحی و شبیه سازی و نرم افزارهای موجود آن، با انتخاب زبان شبیه سازی SMPL، به شبیه سازی قسمتهای مختلف سوئیچ و بررسی نتایج حاصل می پردازیم. همچنین یک الگوریتم زمانبندی جدید برای فابریک سوئیچ های متقاطع با عنوان iSLIP اولویت دار بهینه معرفی شده است که نسبت به انواع قبلی دارای کارآیی بسیار بهتری می باشد.
 
Abstract

Nowadays achieving higher speeds and better quality of service are the main subjects of networking. Many attempts are made in this way which have led to introducing various technologies, protocols and traffic engineering methods. In this thesis, after studying the above-mentioned parameters, IETF’s new technology called MPLS will be introduced. Then several different switch architectures are examined and the components of an MPLS switch are selected. Finally after a quick look at design and simulation methods and their available softwares, SMPL is chosen as simulation tool and then switch components are simulated and the results are studied. Also a new scheduling algorithm for crossbar switch fabrics named “The Optimized Prioritized iSLIP” is introduced which has much better performance than its previous versions.

فصل اول
کیفیت سرویس و فنآوری های شبکه

۱-۱- مقدمه

با گسترش تعداد کاربران اینترنت و نیاز به پهنای باند بیشتر از سوی آنها، تقاضا برای استفاده از سرویسهای اینترنت با سرعت رو به افزایش است و تهیه کننده های سرویس اینترنت برای برآورده سازی این تقاضا ها احتیاج به سوئیچ های با ظرفیت بیشتر دارند ]۱[.
در این میان تلاشهای زیادی نیز برای دستیابی به کیفیت سرویس بهتر در حال انجام می‌باشد. فنآوریATM  نیز که به امید حل این مشکل عرضه شد، بعلت گسترش و محبوبیتIP  نتوانست جای آن را بگیرد و هم اکنون مساله مجتمع سازی IP و ATM نیز به یکی از موضوعات مطرح در زمینه شبکه تبدیل شده است.
در این فصل به معرفی مسائل و مشکلات مربوط به کیفیت سرویس و مجتمع سازی IP و ATM می پردازیم و راه حلهای ارائه شده از جمله MPLS   رابررسی خواهیم نمود.

۱-۲- کیفیت سرویس در اینترنت

سرویسی که شبکه جهانی اینترنت به کاربران خود ارائه داده است، سرویس بهترین تلاش۴ بوده است. یکی از معایب اصلی این سرویس این است که با وجود اینکه مسیریاب‌های شبکه به خوبی قادر به دریافت و پردازش بسته های ورودی می باشند ولی هیچگونه تضمینی در مورد سالم رسیدن بسته ها به مقصد وجود ندارد. با توجه به رشد روز افزون استفاده از اینترنت و به خصوص با توجه به اشتیاق زیاد به اینترنت به عنوان ابزاری برای گسترش تجارت جهانی، تلاش های زیادی جهت حفظ کیفیت سرویس (QoS)  در اینترنت در حال انجام می باشد. در این راستا در حال حاضر کلاس های سرویس متنوعی مورد بحث و توسعه می باشند. یکی از کلاس های سرویس فوق ، به شرکت ها و مراکز ارائه سرویس های web که نیاز به ارائه سرویس های سریع و مطمئن به کاربران خود دارند، اختصاص دارد.
یکی دیگر از کلاس های سرویس جدید در اینترنت ، به سرویس هایی که نیاز به تاخیر و تغییرات تاخیر کمی دارند، اختصاص دارد. سرویس هایی نظیر تلفن اینترنتی  و کنفرانس‌های تصویری اینترنتی نمونه ای از سرویس های این کلاس سرویس می باشند.
برای نیل به سرویس های جدید فوق، عده ای براین عقیده هستند که در آینده ای نزدیک تکنولوژی فیبر نوری و  WDM  آنقدر رشد خواهد کرد که اینترنت به طور کامل بر مبنای آن پیاده سازی خواهد شد و عملا مشکل پهنای باند و همچنین تضمین کیفیت سرویس وجود نخواهد داشت. عقیده دوم که ظاهرا درست تر از عقیده اول می باشد، این است که با وجود گسترش فنآوریهای انتقال و افزایش پهنای باند، هنوز به مکانیسم هایی برای تضمین کیفیت سرویس کاربران نیاز می باشد. در حال حاضر اکثر تولید کنندگان مسیریاب ها و سوئیچ های شبکه اینترنت، در حال بررسی و افزودن مکانیسم‌هایی  برای تضمین کیفیت سرویس در محصولات خود می باشند.
از سوی سازمان جهانی IETF  مدل ها و مکانیسم های مختلفی برای تضمین کیفیت سرویس مورد تقاضای کاربران ارائه شده است. برخی از مهمترین این مدل ها عبارتند از:
۱-    پروتکل رزرو منابع در اینترنت RSVP
۲-    سرویس های متمایز  DS
۳-    مهندسی ترافیک
۴-    سوئیچنگ برچسب چندین پروتکل MPLS
در قسمتهای بعدی به طور خلاصه با هر یک از مدل های فوق آشنا می شویم .

۱-۲-۱- پروتکل رزور منابع در اینترنت
پروتکل RSVP به عنوان یک پروتکل سیگنالینگ برای رزرو منابع در اینترنت استفاده می شود. در شکل ۱-۱ مثالی از عملیات سیگنالینگ RSVP نشان داده شده است. مطابق با شکل فوق، فرستنده ابتدا پیام PATH را ارسال می دارد. در این پیام مشخصات و پارامترهای ترافیکی فرستنده موجود می باشد. هر مسیریاب شبکه با دریافت پیام PATH با کمک جدول مسیریابی خود پیام را هدایت نموده تا اینکه پیام به مقصد نهایی برسد. گیرنده نهایی بعد از دریافت پیام PATH، پیام RESV را از  خود عبور داده و منابع لازم شامل پهنای باند و فضای بافر را به ارتباط جدید اختصاص می دهد. چنانچه یکی از مسیریاب های موجود در مسیر، قادر به قبول پیام RESV نباشد، آنرا رد نموده و پیام خطایی به گیرنده ارسال می نماید و سپس عملیات سیگنالینگ خاتمه می یابد. با قبول پیام    RESVاز جانب هر مسیر یاب موجود در مسیر، اطلاعات وضعیت مربوط به جریان ترافیکی فوق ثبت می شود .
 
شکل ۱-۱-  مثالی از عملیات سیگنالینگ RSVP

با ورود هر بسته به مسیریاب های شبکه، واحد طبقه بندی کننده، بسته ورودی را به یک کلاس خاص طبقه بندی نموده و سپس بسته ورودی را در یک صف خاص قرار می دهد. عملیات زمانبندی بسته ها در هر صف موجود در مسیریاب، توسط واحد زمان بند بسته طوری انجام می گردد که کیفیت سرویس مورد نظر تامین شود. این سرویس دارای مشکلات زیر می باشد:
۱- میزان اطلاعات وضعیت متناسب با تعداد جریان های ترافیکی افزایش می یابد. بنابراین برای نگهداری اطلاعات وضعیت در مسیریاب ها نیاز به حافظه زیادی می باشد. همچنین بالاسری  عملیات مسیر یاب ها به شدت افزایش می یابد. لذا قابلیت مقیاس پذیری در ساختار سرویس های مجتمع به هیچ وجه مشاهده نمی گردد .
۲- هر مسیر یاب نیاز به پروتکل RSVP، روتین کنترل کننده دسترسی، طبقه بندی کننده جریان ترافیکی و زمان بند بسته دارد . بنابراین می توان گفت که در سرویس های مجتمع وظایف پردازشی مسیریاب ها به شدت زیاد می باشد.

۱-۲-۲- سرویس های متمایز
به خاطر مشکلات پیاده سازی و توسعه سرویس های مجتمع که در بالا به آنها اشاره شد، سرویس های متمایز ارائه گردیدند . همانطور که می دانیم درسر فصل بسته های IPv4 فیلد یک بایتی به نام نوع سرویس (ToS)  وجود دارد. در این فیلد سه بیت مختلف وجود دارد که برنامه های کاربردی با استفاده از این سه بیت قادر به تعیین نیازهای خود می باشند. سه بیت فوق عبارتند از:
۱-    بیت D : نیاز به تاخیر کم
۲-    بیت R :‌نیاز به نرخ اتلاف کم (اطمینان بالا)
۳-    بیت T : نیاز به گذردهی بالا
در سرویس های متمایز، فیلد نوع سرویس به فیلد DS تغییر نام کرده است. با کد گذاری های مختلف فیلد DS و پردازش بسته ها براساس مقدار فیلد فوق، می توان کلاس های سرویس متمایزی را ایجاد نمود.
برای دسترسی به سرویس های متمایز، لازم است که کاربران شبکه به یک توافق سطح سرویس (SLA)  با سرویس دهنده های اینترنت ((ISP ، برسند . کلاس های مختلف سرویس و میزان ترافیک هر کلاس در SLA مشخص می شود. SLA می تواند به یکی از دو صورت ثابت   و پویا   بیان شود. در نوع ثابت توافق ترافیکی بین کاربر و ISP ثابت می باشد، در حالیکه در نوع پویا با استفاده از پروتکل های سیگنالینگ (مثل RSVP ) سرویس مورد نظر کاربر متناسب با تقاضای آن قابل تنظیم می باشد. براساس SLA توافق شده بین کاربر و شبکه، در مدخل ورودی به شبکه،‌ بسته‌های ورودی کاربران طبقه بندی، نظارت و در صورت لزوم شکل دهی می گردند. همچنین میزان بافر مورد نیاز جریان ترافیکی کاربر از اطلاعات موجود در SLA استخراج می گردد.
با کمک عملیات طبقه بندی، نظارت، ‌شکل دهی و زمانبندی که در DS اجرا می گردد، می توان به سرویس های متمایز زیر دسترسی پیدا نمود.
۱-    سرویس های تشویقی   : برای کاربردهایی که به تاخیر و تغییرات تاخیر کم نیاز می باشد.
۲-    سرویس های مطمئن  : برای کاربردهایی که به اطمینان بالا نیاز می باشد.
۳-    سرویس های المپیک : این سرویس ها خود به سه دسته سرویس های طلایی ، نقره‌ای و برنزی تقسیم بندی می شوند که به ترتیب کیفیت سرویس کاهش می یابد.
بین استفاده از سرویس های متمایز و RSVP تفاوت های زیر وجود دارد:
از آنجائیکه در سرویس های متمایز تعداد کلاس های سرویس که توسط فیلد DS مشخص می شود بسیار محدود است، بنابراین برخلاف سرویس های مجتمع،‌ میزان اطلاعات وضعیت متناسب با تعداد کلاس های سرویس می باشد نه تعداد جریان های ترافیکی. این امر منجر به قابلیت مقیاس پذیری بالاتر سرویس های متمایز نسبت به سرویس های مجتمع می گردد.
عملیات طبقه بندی، نشانه گذاری، نظارت و شکل دهی فقط در مرز شبکه باید انجام شود. بنابراین پیاده سازی و اعمال سرویس های متمایز ساده تر از سرویس های مجتمع می باشد.
برای پیاده سازی سرویس های مطمئن، ‌ابتدا  توسط مسیریاب ورودی شبکه عملیات طبقه بندی و نظارت صورت می گیرد. چنانچه ترافیک ورودی از آنچه که در SLA آمده است، بیشتر باشد در این صورت ترافیک ورودی متخلف می باشد، در غیر این صورت نامتخلف است. تمام بسته های ورودی و خروجی در یک صف قرار می گیرند و برروی آنها مدیریت صف صورت می گیرد .
سرویس های تشویقی برای کاربرانی که ترافیک تولیدی آنها دارای حداکثر نرخ  بیت ثابت می باشد، تاخیر و تغییرات تاخیر کمی را تضمین می نماید. هر کاربر دارای یک توافق ترافیکی SLA با سرویس دهنده خود می باشد. در SLA حداکثر نرخ بیت مجاز کاربر قید شده است و کاربر موظف به رعایت آن می باشد. چنانچه نرخ بیت ارسال کاربر از حداکثر مجاز تجاوز نماید، ‌در این صورت ترافیک های اضافی از بین می روند. شبکه نیز متعهد می شود که پهنای باند مورد نیاز کاربر را تامین نماید. در کاربردهایی نظیر تلفن اینترنتی، کنفرانس ویدئوئی، ایجاد خطوط استیجاری و مجازی و VPN  از سرویس های تشویقی استفاده می شود.

۱-۲-۳- مهندسی ترافیک
عواملی نظیر کمبود منابع کافی در شبکه و همچنین توزیع نادرست بار ترافیکی در شبکه، باعث ایجاد تراکم در شبکه می گردد. چنانچه منابع کافی در شبکه موجود نباشد در این صورت تمام مسیر یاب های موجود در شبکه دچار تراکم و ازدحام بار می شوند که تنها راه حل مناسب آن، افزودن منابع دیگر به شکبه می باشد. اگر بار ترافیکی به طور مناسب و صحیح در شبکه توزیع نشود در این صورت برخی از مناطق شبکه دچار تراکم می شوند در حالیکه در برخی نقاط دیگر هیچگونه تراکمی مشاهده نمی شود. از آنجاییکه اکثر پروتکل های مسیر یابی دینامیکی از الگوریتم کوتاهترین فاصله استفاده می نمایند، بنابراین امکان ایجاد تراکم در برخی مسیرها و عدم وجود تراکم در مسیرهای دیگر شبکه وجود دارد . البته روش بهبود یافته   ECMP  به شرط آنکه بیش از یک مسیر به عنوان کوتاهترین مسیرها موجود باشد، تا حدی مشکل فوق را در پروتکل مسیریابی دینامیکی OSPF  حل می نماید. همچنین به عنوان یک راه حل دیگر می‌توان هزینه هر خط شبکه را به صورت دستی تغییر داد تا عملیات تقسیم بار صورت گیرد اما طبیعی است این راه حل برای شبکه‌های وسیع عملی نمی‌باشد .
با کمک روال هایی که در مهندس ترافیک در نظر گرفته شده است، میتوان تا حد زیادی از ایجاد تراکم در شبکه جلوگیری نمود. مسیر یابی مبتنی بر اضطرار (CBR)  یک روش برای مهندسی ترافیک و جلوگیری از تراکم در شبکه است که به شرح آن می پردازیم .
در مسیریابی مبتنی بر اضطرار با استفاده از چندین پارامتر مختلف، مسیرهای موجود بین مبدا و مقصد محاسبه می شوند. در حقیقت مسیریابی مبتنی بر اضطرار تکمیل یافته مسیریابی مبتنی بر کیفیت سرویس می باشد. در مسیریابی QoS کلیه مسیرهایی که کیفیت سرویس مورد نظر کاربر را برآورده می نماید محاسبه می شوند . در مسیریابی مبتنی بر اضطرار سایر محدودیت های شبکه نظیر نظارت بر ترافیک نیز درنظر گرفته شده است. با استفاده از مسیر یابی مبتنی بر اضطرار، امکان انتخاب مسیرهایی با کیفیت سرویس مورد نظر و همچنین افزایش میزان بهره وری شبکه فراهم می آید. در مسیریابی مبتنی بر اضطرار در هنگام محاسبه مسیرهای موجود نه تنها توپولوژی شبکه بلکه  پارامترهای دیگری نظیر نیازهای جریان های ترافیکی، میزان ظرفیت موجود در خط های شبکه و سایر نظارت های لازم که توسط مدیر شبکه تعیین می‌شود، در نظر گرفته می شوند. بنابراین در وحله اول ممکن است که مسیر محاسبه شده توسط مسیر یابی مبتنی بر اضطرار طولانی تر از مسیرهای دیگر باشد ولی مطمئنا مسیر محاسبه شده دارای سبکترین بار ترافیکی بوده و نیازهای کاربر را به خوبی برآورده می نماید.
همانند پروتکل های مسیریابی دینامیکی، برای محاسبه بهترین مسیر ممکن توسط الگوریتم مبتنی بر اضطرار باید مسیر یاب های شبکه به طور متناوب اطلاعات وضعیت خط را بین یکدیگر مبادله نمایند .
در مسیریابی مبتنی بر اضطرار مشابه سایر روش های مسیریابی، اولین مسئله مهم انتخاب متریک مورد نظر برای مسیرهای موجود در شبکه می باشد. متریک های متداول در مسیر یابی مبتنی بر اضطرار عبارتند از: هزینه  تعداد پرش ها ، پهنای باند، اطمینان، تاخیر و تغییرات تاخیر مسیر انتخاب شده. الگوریتم های مسیر یاب، یک یا چند متریک فوق را بهینه می نمایند.
چنانچه از چندین متریک فوق به صورت ترکیبی برای محاسبه مسیر بهینه استفاده شود، در این صورت پیچیدگی عملیات تولید جداول مسیر یابی به شدت زیاد می گردد. اگر از متریک های پهنای باند و یا تعداد پرش در محاسبه مسیر بهینه استفاده شود، در این صورت به خاطر وجود الگوریتم هایی نظیر الگوریتم Dijestra  و Bellman-Ford محاسبات مسیریابی نسبتا ساده می‌باشد. در مسیریابی مبتنی بر اضطرار فرکانس محاسبه مسیرها به مراتب نسبت به سایر روش های دینامیکی بیشتر می باشد. دلیلی که می توان برای این مطلب آورد این است که در مسیر یابی دینامیکی تنها با تغییر توپولوژی شبکه، مسیرهای جدید محاسبه می شوند ولی در مسیر یابی مبتنی بر اضطرار، تغییرات پهنای باند نیز منجر به محاسبه مسیرهای جدیددر جدول مسیریابی می گردد. بنابراین می توان نتیجه گرفت که پیچیدگی روش مسیر یابی مبتنی بر اضطرار به مراتب بیشتر از مسیریابی دینامیکی می باشد. برای محاسبه جداول مسیر یابی و کاهش پیچیدگی مسیریابی مبتنی بر اضطرار، می توان از روش های پیشنهادی زیر استفاده نمود:
۱-    استفاده از یک تایمر طولانی برای کاهش فرکانس محاسبات.
۲-    استفاده ازمرتیک های پهنای باند و تعداد جهش .
۳-    استفاده از سیاست های مدیریت برای حذف برخی از خط هایی که به هر دلیل مورد قبول نمی باشند. مثلا اگر یک ارتباط نیاز به تاخیر کم داشته باشد، قبل از انجام مسیریابی ابتدا تمام خط هایی که تاخیر بالایی دارند حذف می شوند و سپس مسیر‌یابی انجام می گردد.
ذکر این نکته ضروری می باشد که مسیریابی مبتنی بر اضطرار دارای مشکلات زیادی است که عبارتند از:
۱-    بالا سری زیاد در محاسبه مسیر.
۲-    افزایش اندازه جدول مسیریابی.
۳-    احتمال عدم پایداری.
۴-    بهینه نبودن مسیر انتخابی از نظر میزان مصرف منابع .

۱-۲-۴- سوئیچنگ برحسب چندین پروتکل 
در پروتکل MPLS به بسته های ورودی به شبکه یک برچسب کوتاه الحاق می گردد و سپس با توجه به مقدار برچسب فوق، عملیات مسیریابی در درون شبکه انجام می شود. در بخش های بعدی توضیحات کامل در مورد پروتکل MPLS ارائه خواهد شد.

۱-۳- مجتمع سازی IP و ATM

با گسترش سریع شبکه های مبتنی بر IP و همچنین با توجه به ویژگیهای منحصر به فرد فنآوری ATM، مدتی است که مبحث پیاده سازی IP بر روی ATM مطرح می باشد و تاکنون پیشنهادهای مختلف و فعالیتهای زیادی در این زمینه صورت گرفته است ]۲[.
یکی از اولین و مهمترین مشکلات پیاده سازی IP بروی ATM عملکرد متفاوت این دو فنآوری می باشد. IP یک پروتکل بهترین تلاش و بی اتصال  می باشد در حالیکه ATM از نوع اتصال گرا  است و کیفیت سرویس اتصال ها را به خوبی تضمین می نماید. در IP داده های ارسالی بصورت بسته  می باشد، در حالیکه در ATM داده ها بصورت سلول  می باشد. در IP از مسیر یابی لایه سوم استفاده می شود، در حالیکه در ATM از روش رزرو منابع استفاده می شود.
با استفاده از فنآوری ATM، امکان استفاده از سرویس های متنوع صوتی، تصویری و داده ای، فراهم می آید. از طرف دیگر IP، قدمت حدود ۳۰ سال دارد و در این مدت فعالیت ها و نرم افزارهای زیادی بر پایهIP طراحی و پیاده سازی شده است. بنابراین شرکت های مخابراتی و متخصصان شبکه، بهترین راه حل پیاده سازی نسل آینده اینترنت را ارسال ترافیک های IP و ATM می دانند.
همانطور که می دانیم در شبکه های کامپیوتری دو فنآوری  مختلف سوئیچینگ بسته ای  و سوئیچینگ مداری  وجود دارد. میزان بهره وری از منابع شبکه در سوئیچینگ بسته ای به خصوص در حالتیکه ترافیک های ارسالی کاربران از نوع زنجیره ای  باشد، به مراتب بالاتر از سوئیچینگ مداری است اما مهمترین برتری سوئیچینگ مداری آن است که امکان تضمین کیفیت سرویس در شبکه های سوئیچینگ مداری وجود دارد. با توجه به اینکه IP و ATM از دو نوع سوئیچینگ مختلف که در بالا به آن اشاره شد، استفاده می نمایند، ‌در ترکیبب و مجتمع سازی این دو نوع فنآوری یکسری مشکلاتی وجود دارد.
برای رفع مشکلات فوق و پیاده سازی IP برروی ATM، تاکنون از سوی IETF، انجمن ATM  و سایر شرکتهای مخابراتی، روش های مختلفی مانند مدل سنتیIP بروی ATM ،    NHRP ، MPOA  و MPLS ارائه شده است .
هر یک ازروش های فوق دارای ویژگی ها و مشخات خاصی می باشند ولی مطمئنا کاملترین روش پیاده سازیIP بروی ATM، پروتکل MPLS است که در این قسمت به بررسی اجمالی آن می پردازیم.
MPLS در حقیقت ترکیبی از سوئیچینگ لایه دوم (لایه پیونده داده) با مسیریابی لایه سوم (لایه شبکه) می باشد که هدف اصلی آن ایجاد یک فابریک انعطاف پذیرشبکه با کارآیی و مقیاس پذیری بالا می باشد.MPLS وابسته به پروتکل لایه دوم خاصی نمی باشد ولی پیاده سازی های اولیه آن بر روی ATM وFrame Relay صورت گرفته است. در اوایل سال ۱۹۹۷،  گروه مطالعاتی MPLS، که در آن ISP های زیاد عضویت دارند، ‌شروع به فعالیت نمود که هدف اصلی آن پاسخگویی و رفع نیاز مشکلات فراوان موجود در اینترنت فعلی می باشد. برخی از مهمترین اهداف MPLS که در شبکه اینترنت فعلی وجود ندارند عبارتند از:
۱-    ایجاد یک شبکه IP با قابلیت مقایس پذیری برای رفع نیازهای رو به افزون ترافیک‌های اینترنت
۲-    فراهم سازی سرویس های مبتنی بر IP
۳-    ترکیب ترافیک های مختلف بر روی یک شبکه IP واحد
۴-    بهبود  بازدهی عملیاتی شبکه در یک محیط رقابتی
در ابتدای پیدایش فنآوریATM، تصور همگان براین بود که با توجه به ویژگی های منحصر به فرد ATM در آینده شاهد یک شبکه کاملا مبتنی بر ATM خواهیم بود. اما با گسترش IP و شبکه های مبتنی بر IP، این ایده به تدریج کمرنگ گردید. تصور فعلی براین است که در نسل آینده شبکه ها از مزایای فنآوری های موجود نظیر ATM وIP به نحو احسن استفاده می شود.
فنارآوری سوئیچینگ برحسب  نتیجه ترکیب و استفاده توأم  از مزایای فناوری های سوئچینگ لایه دوم و مسیریابی لایه سوم می باشد. طبیعی است که این نوع شبکه، به دلیل استفاده همزمان از فنآوریهای سوئیچینگ و مسیریابی، بهترین راه حل برای استفاده همزمان از IP  و ATM می باشد.
در حالت کلی، فناوری MPLS فقط به IP و ATM محدود نمی‌شود، بلکه MPLS نحوه یکپارچه سازی فنآوریهای لایه دوم و لایه سوم را توصیف می نماید. در MPLS یکسری روال ها برای استفاده از قابلیت های سوئچیگ سریع ATM و Frame Relay در شبکه‌های  IP توصیف شده است .
در شبکه های MPLS به هر یک از بسته های IP ورودی توسط مسیر یاب های موجود در لبه شبکه، یک برچسب الحاق می گردد. در درون شبکه MPLS، هدایت بسته ها به مقصد بوسیله پردازش برروی فیلد برچسب انجام می شود. در لبه خروجی شبکهMPLS، برچسب الحاقی به بسته حذف شده و بسته  IP تحویل مقصد می گردد.
شکل ۱-۲ مثالی از یک شبکه MPLS و تجهیزات آن را نشان می دهد. مطابق با شکل فوق مسیریاب هایی که در لبه شبکه قرار گرفته اند و با استفاده از اطلاعات IP، به بسته های ورودی یک برچسب خاص تخصیص می دهند، با نام LER  شناخته می شوند . مسیریابهای داخل شبکه MPLS  که تنها وظیفه آنها پردازش بسته های IP برچسب زده شده و هدایت آنها به سمت مقصد می باشد، با نام LSR  شناخته می شوند. همچنین مطابق با شکل فوق، به مسیری که بسته های IP ازطریق آن مسیر به سمت مقصد ارسال می شوند، اصطلاحا LSP  گفته می شود.
 
شکل ۱-۲-  مثالی از یک شبکه MPLS

-۳-۱- مسیریابی در IP
قبل از بررسی پروتکل MPLS، به بررسی اجمالی مسیریابی در IP می پردازیم. در سرفصل بسته های IP، اطلاعات لازم برای مسیر یابی وجود دارد. مسیریابی P ، براساس مسیریابی مبتنی بر مقصد انجام می گیرد. این بدان معنی است که برای هدایت هر بسته IP به مقصد، سرفصل آن مورد بررسی قرار می گیرد و با توجه به آدرس مقصد و محتوای جدول مسیریابی، پرش بعدی  بسته تعیین شده و بسته IP  ارسال می‌گردد. از آنجاییکه هر بسته IP به طور مستقل مسیر یابی می گردد و از یک مسیر از قبل تعیین شده عبور نمی کند بنابراین می توان گفت که شبکه به صورت        بی اتصال عمل می نماید. بعد از برقراری ارتباط هسایگی بین مسیریاب های شبکه، جداول مسیریابی بین  مسیریاب ها مبادله می گردد. هر مسیر یاب، بعد از دریافت بسته IP باید پرش بعدی بسته را تعیین کند. با استفاده از پروتکل های مسیریابی دینامیکی نظیر OSPF، هر مسیریاب قادر به فراگیری کل توپولوژی شبکه می باشد. با استفاده از اطلاعات بدست آمده از مسیریاب های مجاور، هر مسیر یاب جداول مسیریابی خود را کامل نموده و بدین ترتیب قادر به تعیین پرش بعدی و هدایت بسته به سمت مقصد می باشد.
در شکل ۱-۳، جزئیات مربوط به استفاده و نحوه به روز آوری جداول مسیریابی آورده شده است. همانطور که در این شکل دیده می شود، عملیات مسیریابی به صورت نرم افزاری و سخت افزاری قابل پیاده سازی است.
 
شکل ۱-۳- نحوه استفاده و ایجاد جداول مسیریابی

۱-۳-۲- سوئیچینگ
با گسترش شبکه های کاملا مبتنی بر IP، سرویس دهنده های شبکه به این نتیجه رسیدند که چنانچه شبکه های آنها کاملا مبتنی بر مسیریاب ها طراحی و توسعه یابد، مشکلات متعددی در شبکه بوجود خواهد آمد. برخی از این مشکلات عبارتند از :
۱- مشکلات موجود در قسمت نرم افزاری مسیریاب ها
۲- قیمت بالای مسیر یاب های سریع IP
۳- مشکل بودن تخمین کارآیی شبکه های وسیع مبتنی بر IP
فناوری های سوئیچینگ سریع در ATM و Frame Relayاز الگوریتم جابجایی برچسب استفاده می نمایند. به خاطر سادگی الگوریتم فوق، امکان پیاده سازی سخت افزاری آن وجود دارد که باعث افزایش سرعت، کاهش قیمت و افزایش کارآیی آن نسبت به مسیر یاب های IP می گردد. فنآوری های ATM و Frame Relay، هر دو به صورت اتصال گرا عمل می نمایند. بنابراین قبل از ارسال هر گونه داده ای، ابتدا یک اتصال اولیه بین مبدا و مقصد بوجود می آید و داده های ارسالی تماما از یک مسیر مشخص ارسال می گردند. بنابراین در شبکه های اتصال گرا، امکان مدیریت و تخمین پارامترها فراهم می‌آید.

۱-۳-۳- ترکیب مسیریابی و سوئیچینگ
برای استفاده از مزایای سوئیچینگ و رفع مشکلات مربوط به توسعه شبکه های مبتنی برمسیریاب، از ترکیب مسیریاب و سوئیچ در توسعه شبکه های گسترده استفاده می شود. در این ساختار، مطابق با شکل ۱-۴، مسیریاب ها در لبه های شبکه قرار می گیرند و اتصال بین آنها از طریق سوئیچ های شبکه صورت می گیرد. بنابراین امکان مدیریت و تخمین پارامترها فرآهم می آید. به این نحوه مجتمع سازی IP و ATM مدل Overlay گفته می شود.
 
شکل ۱-۴-  مدل Overlyبرای مجتمع سازی IP و ATM

همانطور که قبلا نیز اشاره شد، در شبکه های مبتنی بر مسیر یاب، برای تبادل اطلاعات و جداول مسیریابی، ‌لازم است که مسیر یاب‌های  شبکه  با یکدیگر ارتباط همسایگی برقرار نمایند . در ساختار شکل ۱-۴، ازطریق اتصال های بین سوئیچ ها (مثلا VC   در ATM)، ارتباط همسایگی برقرار می شود. در این حالت برای برقراری کامل اتصال بین مسیریاب ها، نیاز به ایجاد یک حلقه کامل VC می باشد. چنانچه تعداد مسیریاب ها در شبکه n تا باشد، به تعداد n(n-1)/2 اتصال VC برای اتصال مسیریاب های شبکه به یکدیگر نیاز است. طبیعی است که با افزایش n، تعداد اتصال های لازم با توان دوم n افزایش می یابند که این امر باعث پیچیدگی مدیریت شبکه می شود.
به عنوان مثال در شکل ۱-۵ ، یک شبکه با ۴ مسیریاب آورده شده است. در این شکل برای برقراری اتصال بین مسیریاب ها به ۶=۲/(۱-۴)×4 اتصال VC نیاز است که این تعداد VC مورد نیاز، با افزایش تعداد مسیریاب ها به صورت توان ۲ افزایش می یابد.
با توجه به مطالب فوق دیده می شود که مدل Overlay برای پیاده سازی و ترکیب IP و ATM دارای ضعف زیادی در مقیاس پذیری می باشد.
 
شکل ۱-۵- یک شبکه مجتمع شامل چهار  مسیریاب IP

برای رفع مشکل فوق، سوئیچینگ چند لایه پیشنهاد شده است. در این راه حل که MPLS هم جزئی از آن می باشد، با ترکیب سوئیچینگ لایه دوم و مسیریابی لایه سوم، یک راه حل جامع برای ترکیب IP و ATM ارائه شده است. تکنیک سوئیچینگ چند لایه دارای دو ویژگی اصلی زیر می باشد:
۱- جداسازی واحد کنترل از واحد هدایت به جلو 
۲- استفاده از الگوریتم جابجایی برچسب برای عملیات هدایت به جلو
مطابق با شکل ۱-۶، در سوئیچینگ چند لایه، دو واحد اصلی به نام واحد کنترل و واحد هدایت به جلو به طور مجزا وجود دارند. وظیفه اصلی واحد کنترل، تبادل اطلاعات مسیریابی و به روز آوری جداول مسیریابی با استفاده از پروتکل های استاندارد مسیریابی نظیر OSPF و BGP   می باشد.

 
شکل ۱-۶- واحدهای تشکیل دهنده سوئیچینگ چند لایه
 
با ورود هر بسته به سوئیچ های چند لایه، ‌واحد هدایت به جلو با استفاده از جداول هدایت به جلو و براساس اطلاعات موجود در سرفصل بسته ورودی، آن را مسیریابی وهدایت می نماید. جدول هدایت به جلو توسط واحد کنترل مدیریت و به روز می گردد.
یکی از مزایای جداسازی واحد کنترل و واحد هدایت به جلو، امکان توسعه و بهینه سازی هر یک از واحدهای فوق به طور  مستقل و جداگانه می باشد. واحد هدایت به جلو برای  هدایت بسته ها از الگوریتم جابجایی برچسب که مشابه الگوریتم مورد استفاده در ATM و Frame Relay است، استفاده می نماید. در این الگوریتم، سیگنالینگ و توزیع برچسب ها از اهمیت بالایی برخوردار می باشد.
هر برچسب دارای طول ثابتی می باشد که در سرفصل بسته ها قرار می گیرد و از آن برای مشخص نمودن کلاس معادل هدایت به جلو (FEC) ، استفاده می شود. فیلد برچسب مشابه فیلدهای VPI وVCI در ATM و DLCI  درFramy Relay  می باشد. هر برچسب دارای اهمیت محلی می باشد و از آن برای نگاشت ترافیک های ورودی به یک کلاس FEC  خاص استفاده می شود. هر FEC نشان دهنده مجموعه ای از بسته ها می باشد که از یک مسیر یکسان به سمت مقصد هدایت می شوند. این احتمال وجود دارد که بسته های متعلق به یک کلاس FEC خاص دارای آدرس های مقصد یکسانی نباشند. به عنوان مثال در یک شبکه IP  کلیه بسته هایی که بخش پیشوند آدرس IP مقصد آنها یکسان است، می توانند به یک کلاس FEC خاص تعلق داشته باشند.
در شبکه های سوئیچینگ چند لایه و MPLS، از مسیریاب های موجود در لبه ورودی به شبکه برای تعیین مقدار اولیه برچسب بسته های وردی به شبکه استفاده می شود. در شکل ۱-۷، مثالی از نحوه تخصیص برچسب بسته های وردی براساس آدرس مقصد آنها، آورده شده است.
همانطور که قبلا نیز اشاره گردید، در شبکه های سوئیچینگ  چند لایه مسیر موجود بین مبدا و مقصد با نام LSP شناخته می شود. درهر LSP، اولین و آخرین سوئیچ برچسبی، به ترتیب با نامهای سوئیچ  برچسبی ورودی و سوئیچ برچسبی خروجی شناخته می شوند. سوئیچ های برچسبی موجود در درون شبکه، بدون توجه به محتویات سرفصل بسته ها و فقط براساس مقدار برچسب هر بسته و با کمک الگوریتم جابجایی برچسب، اقدام به هدایت بسته ها به سمت مقصد می نمایند.
الگوریتم جابجایی برچسب نسبت به مسیر یابی پرش به پرش لایه شبکه، دارای مزایای زیر می‌باشد:
۱- سوئیچ های  برچسبی  در تخصیص  بسته های ورودی  به FEC ها،  دارای  انعطاف‌ پذیری
 
شکل ۱-۷- مثالی از نحوه تخصیص برچسب

     بالایی می باشند.
۲- امکان تخصیص LSP مطابق با نیازهای لایه کاربرد وجود دارد. مثلا  می توان LSP را طوری تعیین کرد که تعداد پرش ها تا مقصد و یا میزان پهنای باند مورد استفاده مینیمم گردد.
۳- مهمترین مزیت الگوریتم جابجایی برچسب، تخصیص ترافیک های مختلف به FEC و نگاشت FEC به LSP مناسب و مطابق با نیازهای کاربران، می باشد .
با کمک نرم افزارهای مسیریابی IP، سوئیچ های چند لایه قادر به تبادل اطلاعات جداول مسیریابی بین یکدیگر می باشند. با استفاده از مکانیسم نگاشت برچسب کلیه مسیرهای لایه سوم به برچسب مناسب (مثل VPI/VCI در ATM) نگاشت یافته و اطلاعات بدست آمده فوق، بین تمام سوئیچ های موجود در مسیر LSP مبادله می شود. در سوئیچ های چند لایه، پروتکل مسیریابی در تمام سوئیچ های داخل شبکه اجرا می گردد در حالیکه در مدل Overaly ، این عمل فقط در مسیریاب های موجود در لبه شبکه انجام می شود. بنابراین در سوئیچینگ چند لایه نسبت به مدل Overlay تعداد کانال های مورد نیاز برای اتصال مسیریاب‌های لبه شبکه به یکدیگر به شدت کاهش می یابد و همچنین پروتکل مسیریابی ساده تر می گردد.
به طور کلی دو روش مختلف برای تخصیص و توزیع برچسب ها در سوئیچینگ چند لایه  وجود دارد. در روش اول که راندن داده ای  نام دارد، با ورود داده های ترافیکی کاربران، عملیات نگاشت برچسب انجام می گردد. مزیت این روش در آن است که تنها در صورتیکه جریان ترافیکی کاربران برقرار شود، عملیات نگاشت برچسب انجام می شود. اما این روش دارای معایب عمده زیر می باشد:
۱- سوئیچ های شبکه باید قادر به تشخیص و جداسازی جریان های ترافیکی مختلف کاربران باشند.
۲- تعداد ترافیک های کنترلی برای توزیع برچسب ها به طور مستقیم به تعداد جریان های ترافیکی موجود بستگی دارد که این امر باعث نیاز به حجم حافظه بالا در سوئیچ های شبکه می گردد .
۳- این روش قابلیت مقیاس پذیری بالا ندارد.
در روش دوم که راندن کنترلی  نام دارد، با ورود اطلاعات کنترلی خاص، عملیات نگاشت برچسب انجام می شود. این روش نسبت به روش قبل دارای مزایای عمده زیر می باشد:
۱- قبل از ورود داده های ترافیکی کاربران‌، عملیات تخصیص و توزیع برچسب ها صورت گرفته است. این مطلب به این معنی است که اگر در جدول مسیریابی IP، مسیری موجود باشد، قبلاً به آن مسیر برچسب تخصیص یافته است و بنابراین ترافیک های ورودی به سوئیچ، سریعاً هدایت می شوند.
۲- در این روش تعداد LSP های لازم به تعداد مسیرهای موجود در جدول مسیریابیIP  می باشد نه به تعداد جریان های ترافیکی موجود در شبکه. بنابراین در مقایسه با روش قبلی، این روش دارای قابلیت مقیاس پذیری بالاتری می باشد.
۳- در حالت پایدار، میزان بالاسری لازم برای تخصیص و توزیع برچسب ها نسبت به روش راندن داده ای کمتر می باشد.

۱-۳-۴- MPLS
به جرات می توان گفت فنآوری MPLS که توسط گروه مطالعاتی IETF ارائه و توسعه یافته است، آخرین تحول در سوئیچینگ چند لایه می باشد. در MPLS که از مدل راندن کنترلی برای تخصیص و توزیع برچشب استفاده می نماید، مسیرهای ارسال اطلاعات (LSP) ذاتا یک طرفه می باشد و برای ارسال ترافیک های دو طرفه باید دو LSP مختلف بین مبدا و مقصد ایجاد گردد.
MPLS از مسیریابی استادندارد IP و همچنین از الگوریتم جابجایی برچسب، برای هدایت بسته ها استفاده می نماید. یکی از ویژگی های بارز MPLS آن است که متکی به پروتکل مشخصی در لایه پیوند داده نمی باشد بلکه بر روی هر فنآوری لایه دومی قابل نصب می باشد.
چنانچه پروتکل لایه دوم دارای فیلد برچسب باشد (مانند فیلدهای VPI/VCI و DLCI در ATM و Frame Relay) از همان فیلد برای تخصیص فیلد برچسب MPLS استفاده می‌شود و در غیراینصورت از قسمتی از ناحیه سرفصل بسته های MPLS که بین سرفصل های لایه دوم و لایه IP قرار دارد به عنوان فیلد برچسب استفاده می شود که به آن سرفصل Shim می گویند. در شکل ۱-۸، نحوه کد گذاری سرفصل MPLS نشان داده شده است.
 
شکل ۱-۸- ساختار سرفصل بسته های MPLS

همانطور که در شکل ۱-۸ دیده می شود، در سرفصل MPLS فیلدهای زیر موجود است:
۱- فیلد بر چسب به طول ۲۰ بیت که حاوی مقدار واقعی بر چسب MPLS می باشد.
۲- فیلد سه بیتی کلاس سرویس، CoS  که به کمک آن می توان نحوه صف بندی و حذف بسته ها در هنگام عبور از سوئیچ های شبکه را مشخص نمود.
۳- فیلد یک بیتی S که نشان دهنده پایان ناحیه پشته برچسب  می باشد. چنانچه این بیت یک باشد به معنی آن است که برچسب جاری، آخرین برچسب ناحیه پشته برچسب می باشد.  در مورد پشته برچسب در فصل بعد توضیحات بیشتری خواهیم داد.
۴- فیلد هشت بیتی زمان زندگی، ( TTL)  که مطابق با فیلد TTL بسته های IP عمل می نماید.
طراحان MPLS، اهداف زیر را در طراحی MPLS مدنظر داشته اند:
۱- MPLS باید قادر به پشتیبانی  هر نوع فنآوری لایه دوم باشد و فقط منحصر به ATM و Frame Realy نباشد.
۲- MPLS باید با پروتکل های مختلف مسیریابی سازگار باشد.
۳- در MPLS باید قابلیت مجتمع سازی ترافیک پشتیبانی شود. در اینصورت امکان ارسال ترافیک های متنوع کاربران از طریق یک مسیر واحد فراهم می آید.
۴- MPLS باید قابلیت مسیریابی چند مسیره  را داشته باشد.
۵- سوئیچ های MPLS باید قابلیت برقراری ارتباط و تبادل اطلاعات با سایر سوئیچ های غیر MPLS را داشته باشند.
۶- MPLS باید با مدل سرویس های مجتمع IETF شامل RSVP سازگار باشد.
۷- MPLS باید قابلیت مقیاس پذیری داشته باشد.
۸- MPLS باید امکانات عملیاتی، مدیریتی و نگهداری که در حال حاضر در شبکه های IP وجود دارد را پشتیبانی نماید.
در فصل بعد به توصیف دقیقتر فنآوری MPLS می پردازیم .
 
فصل دوم
فنآوریMPLS

۲-۱- مقدمه

همانطور که در فصل قبل اشاره شد، در شبکه های بدون اتصال، هنگامی که بسته های ارسالی از مسیریاب های درون شبکه به سمت مقصد عبور می نمایند، هر مسیریاب براساس اطلاعات موجود در سرفصل بسته ها و با کمک الگوریتم مسیریابی لایه شبکه، بسته ورودی را پردازش نموده و پرش بعدی یا به عبارتی مسیریاب بعدی را که بسته  باید به آن ارسال شود، تعیین می نماید. البته اطلاعات موجود در سرفصل بسته ها به مراتب از آنچه که فقط برای مسیریابی لازم است، بیشتر می باشد.
می توان عملیات مسیریابی و تعیین پرش بعدی بسته ها را ترکیبی از دو عملیات مختلف تصور نمود. عملیات اول، دسته بندی بسته های ورودی به یکسری کلاس های معادل هدایت به جلو (FEC) می باشد. دومین عملیات، نگاشت هر FEC به یک پرش بعدی است. طبیعی است که تمامی بسته هایی که به یک FEC یکسان نگاشت می یابند، از یک مسیر واحد عبور کرده تا به مقصد برسند. در الگوریتم های مسیریابی متداول IP، چنانچه دو بسته دارای پیشوند آدرس مقصد یکسان باشند، در این صورت از یک مسیر برای رسیدن به مقصد عبور می نمایند.
در شبکه های MLPS، با کمک مسیریاب‌های برچسبی موجود در لبه شبکه LER))، بسته‌های ورودی به یک کلاس FEC خاص نگاشت می یابند و سپس هر FEC به یک مقدار عددی ثابت که آن را برچسب می نامیم، نگاشت می یابد. بعد از اینکه بسته های ورودی به شبکه، توسط LER برچسب زده شدند، بسته های برچسب زده شده وارد شبکه می‌شوند. مسیریاب های موجود در درون شبکه MLPS که به LSR مشهور می باشند، هیچگونه پردازشی بر روی اطلاعات موجود در سرفصل لایه سوم بسته ها نمی نمایند بلکه فقط با توجه به مقدار برچسب هر بسته و با کمک جدول هدایت به جلو اقدام به تعیین پرش بعدی بسته می نمایند. با توجه به این مطلب، در مقایسه با مسیریابی در سطح لایه شبکه که در شبکه های معمولی استفاده می شود، MLPS دارای مزایای زیر می باشد:
۱- می توان با استفاده از سوئیچ هایی که فقط براساس مقدار یک فیلد خاص، عملیات سوئیچینگ را انجام می دهند (مانند سوئیچ های ATM) عملیات ارسال و هدایت بسته ها را در MPLS، انجام داد.
۲- از آنجاییکه هر بسته ورودی به شبکه MPLS، به یک کلاس FEC خاص نگاشت می‌یابد، بنابراین مسیریاب های موجود در لبه شبکه می توانند از هر گونه اطلاعات موجود در مورد بسته های ورودی برای تعیین و تخصیص کلاس FEC  یکسان استفاده نمایند.
۳- چنانچه یک بسته ورودی واحد را از طریق دو مسیریاب متفاوت وارد شبکه MPLS نماییم، در اینصورت برچسبی را که دو مسیریاب به بسته ورودی تخصیص می دهند متفاوت با یکدیگر خواهد بود که این مطلب در پروتکل های متداول مسیریابی لایه سوم مشاهده نمی شود .
۴- هر قدر عملیات تخصیص و نگاشت کلاس های FEC به بسته های ورودی پیچیده باشد، هیچگونه تاثیری بر روی عملکرد مسیریاب های درون شبکه نمی گذارد.
۵- مسیریاب های متداول موجود، با دریافت هر بسته ورودی به پردازش اطلاعات موجود در سرفصل آن می پردازند. البته این کار فقط برای تعیین پرش بعدی نمی باشد بلکه از آن برای استخراج سایر اطلاعات مورد نیاز نظیر اولویت و کلاس سرویس بسته استفاده می‌شود. همانطور که قبلا نیز اشاره شد، در MPLS میتوان اطلاعات اولویت و کلاس سرویس بسته ها را در برچسب بسته قرار داد .

۲-۲- اساس کار MPLS

همانطور که گفتیم، در MPLS برچسب الحاقی به هر بسته نشان دهنده کلاس FEC است که بسته به آن تعلق دارد ]۳[. فرض کنید که R1 و R2 دو LSR داخلی شبکه باشند. بعد از مذاکره و توافق اولیه بین R1 و R2، فرض کنید که R1 تمام بسته هایی را که به کلاس FEC F نگاشت یافته است را با برچسب L به R2 ارسال می دارد. در اینصورت برچسب L برای مسیریاب های R1 و R2 به ترتیب برچسب خروجی  و برجسب ورودی  نامیده می‌‌شود. البته توجه باید نمود که برچسب L ارزش محلی دارد و فقط نشان دهنده بسته های متعلق به کلاس FEC F ارسالی بین R1 و R2 می باشد. به عبارت دیگر اگر در جایی دیگر از شبکه از برچسب L  استفاده شود، دیگر الزاما بسته های ارسالی به کلاس FEC F تعلق ندارند.
با توجه به اینکه ترافیک کاربر از R1 به سمت R2 ارسال می شود، ‌اصطلاحاً به مسیریاب R1 و R2 به ترتیب مسیریاب هایUpstreamو Downstream گفته می‌شود. وظیفه عملیات تخصیص برچسب در MPLS به عهده مسیریاب Downstream می باشد. به عبارت دیگر میتوان گفت که در MPLS عملیات تخصیص برچسب در جهت معکوس و از سمت مسیریاب Downstream به سمت مسیریاب Upstream انجام می شود. با استفاده از پروتکل LDP  هر LSR شبکه اقدام به ارسال اطلاعات مربوط به برچسب های تخصیص یافته به کلاس ‌های مختلف FEC به سایر LSR های شبکه می نماید. اصطلاحاً به دو LSR  که اطلاعات تخصیص برچسب را به یکدیگر مبادله می‌نمایند، همتای توزیع برچسب گفته می شود. تاکنون استانداردهای متعددی برای انجام عملیات توزیع برچسب در MPLS ارائه شده است که از بین آنها می توان به استانداردهای RSVP ،‌LDP و CR-LDP  اشاره نمود.
چنانچه یک LSR شبکه از LSR مجاور خود درخواست ارسال لیستی از برچسب های تخصیص یافته به یک کلاس FEC خاص را بنماید، اصطلاحاً گفته می شود که عملیات توزیع برچسب درخواستی Downstream انجام می شود. البته در MLPS امکان ارسال لیست فوق بدون دریافت درخواست LSR مجاور نیز وجود دارد که به این نوع عملیات توزیع برچسب غیردرخواستی Downstream گفته می شود. هر شبکه MPLS معمولاً یک و یا هر دو روش توزیع بر چسب فوق را پشتیبانی می نماید.

۲-۲-۱- پشته برچسب
در MPLS، برخی از بسته ها دارای چندین برچسب می باشند که به صورت یک پشته LIFO  مدیریت می شوند. در این حالت سوئیچ های میانی شبکه فقط بالاترین برچسب موجود در پشته را بررسی و مورد توجه قرار می دهند و به مقادیر برچسب های قبلی و بعدی توجهی ندارند. چنانچه پشته برچسب ورودی خالی باشد (اصطلاحاً گفته می شود که عمق پشته صفر است)، در این صورت بسته دارای برچسب نمی باشد. در یک پشته برچسب به عمق m، ‌پایین ترین و بالاترین برچسب به ترتیب برچسب سطح ۱ و سطح m نامیده می شوند.
هنگام ورود یک بسته به سوئیچ های LSR، واحدی به نامNHLFE   وظیفه هدایت بسته ورودی به سمت سوئیچ بعدی را به عهده دارد. در NHLFE اطلاعات زیر موجود است:
۱- پرش بعدی بسته.
۲- عملیاتی که باید بر پشته برچسب انجام شود. این عملیات یکی از موارد زیر است: 
     الف- جایگزینی بالاترین برچسب پشته با یک برچسب جدید.
      ب- انجام عملیات استخراج ، بر روی پشته برچسب.
       ج- جایگزینی بالاترین برچسب پشته با یک برچسب جدید و سپس انجام عملیات     قرادادن   یک یا چند برچسب جدید در پشته برچسب.
۳- نحوه عملیات محصورسازی  لایه دوم که در هنگام ارسال بسته استفاده می شود.
۴- نحوه کد کردن پشته برچسب در هنگام ارسال بسته.
۵- هر گونه اطلاعات لازم دیگر که برای مرتب سازی و هدایت بسته ها لازم است.
چنانچه یک LSR شبکه متوجه شود که پرش بعدی بسته ورودی، خودش می باشد، در اینصورت عملیات استخراج را بر روی پشته بسته جاری انجام می دهد.
هر برچسب بسته ورودی، بوسیله عملیات نگاشت برچسب ورودی (ILM )  به مجموعه‌ای از NHLFE ها نگاشت می یابد و همچنین توسط عملیات مشابهی به نام FTN  هر FEC ورودی به مجموعه ای از NHLFE ها نگاشت می یابد. هنگامی که بسته ورودی فاقد برچسب باشد، عملیات FTN بر روی آن اعمال شده و توسط این عملیات به بسته ورودی برچسب خاصی تخصیص داده می شود و بوسیله آن بسته ورودی هدایت می گردد.

۲-۲-۲- جابجایی برچسب
هر LSR شبکه، از روال های جابجایی برچسب در MPLS، ‌برای هدایت بسته ها به سمت مقصد نهایی استفاده می نماید. بدین منظور، ابتدا بالاترین برچسب موجود در پشته برچسب بسته مورد پردازش قرار می گیرد. توسط عملیات ILM برچسب فوق به NHLFE نگاشت می یابد. با کمک اطلاعات موجود در NHLFE، پرش بعدی بسته و همچنین نوع عملیاتی که باید بر روی پشته برچسب انجام شود، تعیین می شود .
چنانچه بسته ورودی به LSR فاقد برچسب باشد، در اینصورت با پردازش بر روی فیلدهای موجود در سر فصل لایه شبکه، کلاس FEC بسته استخراج می شود و سپس با استفاده از FTN کلاس FEC بسته ورودی به یک NHLFE خاص نگاشت می یابد. با استخراج NHLFE میتوان پرش بعدی بسته و همچنین نوع عملیات اعمالی بر روی پشته بسته را تعیین نمود.

۲-۲-۳- مسیر سوئیچ برچسب (LSP)
مطابق با شکل ۲-۱، یک LSP سطح m برای بسته ورودی P، مجموعه ای از مسیریاب های می باشد که دارای خواص زیر است:
۱- مسیریاب R1 که مسیریاب ورودی است، در بسته ورودی P، یک پشته برچسب قرار می دهد.
۲- هنگامی که بسته ورودی P توسط مسیریاب های Ri، ۱ ۳- تمام مسیریاب هایRi، ۱ ۴- آخرین مسیریاب موجود در مسیر (Rn) که مسیریاب خروجی است، ‌برای ارسال بسته به مقصد نهایی، از سوئیچینگ برچسب سطح m-k (k>0) و یا از سایر روش های متداول هدایت بسته (روش های غیر MPLS) استفاده می نماید .
 
شکل ۲-۱-  مثالی از LSP در یک شبکه MPLS

سوالی که ممکن است در این قسمت با آن مواجه شویم این است که چنانچه یک LSR شبکه MPLS، بسته ای را دریافت نمود که دارای برچسب نامعتبر باشد طوری که امکان تخصیص برچسب جدید و تعیین LSR بعدی به آن نباشد، چه عملیاتی را باید انجام دهد؟ یکی از راه حل های رفع مشکل فوق این است که بدون توجه به مقدار برچسب بسته ورودی و تنها با استفاده از اطلاعات موجود در سرفصل لایه سوم و براساس الگوریتم‌های مسیریابی لایه سوم  بسته ورودی را مسیریابی نمود که البته این عمل ممکن است باعث ایجاد حلقه در شبکه گردد. راه حل    مطمئن تر این مشکل آن است که بسته فوق از بین برود مگر اینکه مطمئن شویم که مسیریابی بسته براساس سرفصل لایه سوم، تولید هیچگونه مشکلی نمی نماید . 

-۲-۴- کنترل LSP
همانطور که قبلاً اشاره گردید، برای تعیین کلاس های FEC بسته های ورودی، میتوان از پیشوند آدرس های IP که توسط الگوریتم های مسیریابی دینامیک بین مسیریاب ها توزیع می شود، استفاده نمود. برای این نوع کلاس های FEC، به دو صورت می توان ISP را تعیین نمود که عبارتند از:
۱-    کنترل مستقل LSP
۲-    کنترل ترتیبی LSP
در روش اول که کنترل مستقل LSP نام دارد، هر LSR شبکه مستقل از سایر LSR ها، با توجه به کلاس FEC تخصیص یافته به بسته ورودی، بر چسب مناسب را به کلاس FEC تخصیص می دهد و سپس برچسب تخصیص یافته را به LSR همتای خود ارسال می‌دارد. طبیعی است که اینگونه عملکرد در تعیین مسیر، مشابه مسیریابی IP می باشد که هر مسیریاب شبکه به طور مستقل اقدام به تعیین پرش بعدی بسته ورودی می نماید.
در روش کنترل ترتیبی LSP هر LSR شبکه، در دو حالت زیر عملیات تخصیص برچسب به بسته ورودی را انجام می دهد:
۱-    چنانچه LSR، خود LSR خروجی برای کلاس FEC مشخص شده باشد.
۲-    چنانچه قبلاً اطلاعات مربوط به تخصیص برچسب به FEC را از LSR پرش بعدی بسته های کلاس FEC دریافت کرده باشد.
در مواردی که ترافیک های متعلق به یک کلاس FEC خاص باید از یک مسیر مشخص با ویژگی های معین عبور نمایند، از روش کنترل ترتیبی LSP استفاده می شود. در روش کنترل مستقل LSP، این احتمال وجود دارد که قبل از برقراری LSP، ترافیک های متعلق به کلاس FEC وارد شبکه شده و از یک مسیری که ممکن است ویژگی های ترافیکی مطلوب را نداشته باشد، عبور کنند.

۲-۲-۵- مجتمع سازی  ترافیک
یکی از روش های تقسیم بندی ترافیک به کلاس های مختلف FEC، ایجاد FEC جداگانه برای هر یک از پیشوندهای آدرس IP موجود در جدول مسیریابی می باشد. بعد از تعیین کلاس های FEC، تمام ترافیک های وابسته به یک کلاس FEC خاص از یک مسیر عبور نموده تا به مقصد نهایی برسند.
در شبکه های MPLS این امکان وجود دارد که گروهی از کلاس های FEC با یکدیگر مجتمع شده و تشکیل یک گروه واحد بدهند. در این حالت به تمام کلاس های FEC موجود در گروه، یک برچسب یکسان تخصیص داده می شود. به عملیات تخصیص برچسب به گروهی از FEC ها که خود یک کلاس FEC جدید می باشند، متجمع سازی ترافیک گفته می شود. طبیعی است که عملیات مجتمع سازی ترافیک، باعث کاهش تعداد برچسب های مورد نیاز و همچنین کاهش میزان روال های کنترلی توزیع برچسب می‌گردد.

۲-۲-۶- انتخاب مسیر
در شبکه های MPLS، به نحوه انتخاب LSP برای یک کلاس FEC خاص، انتخاب مسیر گفته می شود. در MPLS دو روش مختلف برای این کار موجود است که عبارتند از:
۱-    مسیر یابی پرش به پرش 
۲-    مسیر یابی صریح۳
در مسیریابی پرش به پرش، هر LSR شبکه مستقل از سایر LSR ها، اقدام به تعیین پرش بعدی بسته های متعلق به کلاس FEC می نماید. امروزه در شبکه های IP، از این روش برای انجام عملیات مسیریابی استفاده می شود .
در مسیریابی صریح، همه LSR های شبکه در انتخاب مسیر و پرش های بعدی، دخالت ندارند بلکه فقط یک LSR خاص که معمولا LSP ورودی یا خروجی است، اقدام به تعیین بخشی یا تمام مسیر LSP می نماید. در کاربردهای نظارتی  و همچنین مهندسی ترافیک، از روش مسیریابی صریح استفاده می شود. در شبکه های MPLS، در زمان تخصیص برچسب، مسیر صریح مشخص می شود .

۲-۲-۷- زمان زندگی (TTL)
در مسیریابی متداول IP، هر بسته ورودی دارای فیلدی به نام TTL است. با هر پرش بسته یکی از محتویات این فیلد کم می شود و در صورتیکه مقدار فیلد فوق صفر شود، بسته IP از بین می رود. بدین ترتیب امکان محافظت شبکه در برابر حلقه های مسیریابی که از پیکره بندی غلط شبکه و یا از سرعت کم همگرایی الگوریتم مسیریابی شبکه ناشی می شود، وجود دارد. در شبکه های MPLS، برای جلوگیری از حلقه های مسیریابی و همچنین برای محدود سازی دامنه بسته های ارسالی، از فیلد TTL در بسته های ارسالی استفاده می شود .
چنانچه از سرفصل Shim (سرفصلی که مستقل از سرفصل های لایه دوم و لایه سوم بوده و ما بین این دو فصل قرار می گیرد) در بسته های MPLS استفاده  شود، در این صورت در داخل سرفصل فوق، فیلدی به نام TTL وجود دارد که مقدار اولیه آن همان مقدار فیلد TTL سرفصل بسته های IP است. با عبور بسته از هر LSR شبکه، از مقدار فیلد TTL یکی کم شده و هنگامی که بسته به LSR خروجی رسید، مقدار فیلد TTL موجود در سر فصل MPLS به فیلد TTL بسته های IP کپی می شود.
چنانچه از بخشی از سرفصل بسته های لایه دوم (مثلا فیلد VPI/VCI در سلول های ATM) به عنوان برچسب MPLS استفاده گردد. در اینصورت در هر پرش امکان کاهش یک واحدی TTL وجود ندارد. در این صورت به مسیری که دارای ویژگی فوق باشد، مسیر LSP فاقد TTL گفته می شود. از آنجاییکه در مسیرهای فاقد TTL نمیتوان در هر پرش از محتوای فیلد TTL یک واحد کم نمود، باید به نحو دیگری تعداد پرش های عبوری بسته در ناحیه های فاقد TTL مشخص شود. یکی از روش های انجام این کار این است که طول ناحیه فاقد TTL به اطلاع LSR ورودی رسانده شود. سپس بسته هایی که وارد LSR ورودی شده و می خواهند از مسیر فاقد TTL عبور نمایند، یکجا فیلد TTL آنها به اندازه طول ناحیه فاقد TTL کاهش می یابد. یکی از نکات مهمی که در مورد مسیرهای فاقد TTL باید مد نظر داشت آن است که سخت افزار لایه دوم این نواحی باید به مکانیسمی برای تشخیص حلقه های مسیریابی و رفع آنها مجهز باشد.

۲-۲-۸- استفاده از سوئیچ های ATM به عنوان LSR
همانطور که تا کنون توضیح داده شده است، عملیات جایابی برچسب در MPLS تا حد زیادی مشابه عملیات فوق در سوئیچ های ATM می باشد. با ورود هر سلول به سوئیچ‌های ATM، ابتدا شماره پورت  ورودی و مقدار فیلد VPI/VCI آن بررسی می شود و سپس با کمک جدول خاصی، عملیات تخصیص پورت خروجی و VPI/VCI جدید انجام می شود. بنابراین چنانچه بتوان از ناحیه VPI/VCI سلول های ATM به عنوان برچسب MPLS استفاده کرد، در این صورت با افزودن نرم افزارهای مناسب به سوئیچ ATM  می‌توان آنها را به LSR های شبکه MPLS تبدیل نمود.

۲-۲-۹- ادغام برچسب  
فرض کنید که یک LSR شبکه MPLS چندین برچسب ورودی مختلف را به یک کلاس FEC خاص تخصیص داده است. طبیعی است که تمام بسته های متعلق به یک کلاس FEC یکسان باید دارای برچسب خروجی یکسان باشند، بنابراین باید تمام برچسب های متعلق به یک کلاس FEC خاص، به یک برچسب واحد تقلیل یابند. به این عملیات ادغام برچسب گفته می شود ]۴[.
به عبارت دیگر می توان گفت که  چنانچه یک LSR شبکه، از پورت های مختلف خود،  بسته هایی را با برچسب های مختلف ولی متعلق به یک کلاس FEC یکسان دریافت دارد، در این صورت با کمک عملیات ادغام برچسب همه بسته های ورودی را با یک برچسب یکسان و از طریق یک پورت خروجی مشخص از خود عبور می دهد.
چنانچه LSR شبکه قادر به عملیات ادغام برچسب نباشد، در این صورت چنانچه دو بسته ورودی متعلق به یک کلاس FEC یکسان، با برچسب های متفاوت و از طریق پورت های مختلف وارد سوئیچ LSR گردد، در این صورت بسته های ورودی فوق با برچسب های متفاوت از یکدیگر از LSR خارج می شوند. بنابراین می توان نتیجه گرفت که چنانچه LSR‌ های شبکه قابلیت ادغام برچسب را داشته باشند، در این صورت به هر کلاس FEC تنها یک برچسب خروجی نسبت داده می شود در حالیکه چنانچه LSR قابلیت ادغام برچسب را نداشته باشد، در اینصورت تعداد برچسب های تخصیص یافته به یک کلاس FEC خاص به مراتب بیشتر از یکی می باشد. در MPLS امکان استفاده از LSR باقابلیت ادغام برچسب و یا بدون این قابلیت وجود دارد.

۲-۲-۱۰- تونل
فرض کنید که R1 و R2 دو مسیریاب شبکه MPLS باشند که الزاماً در مسیر پرش به پرش بسته قرار ندارن . چنانچه مسیریاب R1 بسته ای را دریافت دارد و صریحاً  عملیاتی انجام دهد که منجر به تحویل بسته فوق به R2 گردد، در این صورت گفته می شود که بین R1 و R2 تونل ایجاد شده است. به بسته های ارسالی از این مسیر، بسته های تونلی گفته می‌شود. در شبکه های MPLS، می توان تونل های LSP نیز پیاده سازی نمود. چنانچه یک مسیرLSP از تشکیل شده باشد که R1 نقطه ارسالی به تونل و Rn نقطه پایانی آن باشد، اصطلاحاً به این مسیر یک تونل LSP گفته می شود .

۲-۳- پروتکل های توزیع برچسب در MPLS

همانطور که قبلاً اشاره گردید، در هر یک از LSR های موجود در مسیر LSP جدولی به نام جدول هدایت به جلو که شامل زوج های مرتب } شماره پورت ورودی ، برچسب ورودی {  به  } شماره پورت خروجی ، برچسب خروجی { است، وجود دارد. عملیات ایجاد جداول فوق، برقراری LSP با توزیع برچسب نامیده می شود. براساس سیاست نظارتی شبکه و همچنین نیازهای سخت افزاری شبکه MPLS، می توان از روش‌های مختلفی جهت توزیع برچسب استفاده نمود.
چنانچه مسیریابی مورد استفاده در شبکه از نوع پرش به پرش باشد، برای انجام عملیات تخصیص و توزیع برچسیب از پروتکل هایی نظیر BGP و LDP استفاده می شود، اما اگر از مسیریابی صریح استفاده شود، پروتکل های  CR-LDP و RSVP  برای انجام عملیات تخصیص و توزیع برچسب به کار گرفته می شوند.
 

فصل سوم
ساختار سوئیچ های شبکه

۳-۱- مقدمه

سوئیچ های پرسرعت گلوگاه شبکه های سرعت بالا می باشند. در حالیکه روشهای انتقال از استفاده از سیمهای مسی به استفاده از فیبرهای نوری تکامل پیدا کرده است که قادرند پهنای باند بسیار زیادی را برای انتقال اطلاعات فراهم آورند، ‌مساله سوئیچنگ در شبکه‌ها همچنان به عنوان یک مشکل باقی مانده است. در واقع فنآوری سوئیچینگ از نرخ پهنای باند عقب مانده است و در حالیکه سرعت انتقال برروی یک فیبر نوری تاچندین ترابیت در ثاینه می رسد هنوز در قسمت سوئئچینگ تلاش برای دستیابی به سرعت های چنیدین گیگابیت بر ثانیه ادامه دارد.
با معرفی MPLS این امکان بوجود آمده است تا با حذف قسمتهای آدرس‌یابی  در IP و جایگزینی آنها با قسمتهای تبادل برچسب که براحتی قابل پیاده سازی در سخت افزار و دارای الگوریتم های پیاده سازی ساده وسریع می باشد و همچنین امکان استفاده از تکنیک های سوئچینگ سلولی ، طراحی و ساخت سوئیچ های با سرعت بیشتر و در عین حال تضمین کننده کیفیت  سرویس عملی شود.
در این فصل به معرفی قسمتهای مختلف سوئیچ های شبکه می پردازیم.

۳-۲- ساختار کلی سوئیچ های شبکه

بطور کلی یک سوئیچ دارای دو قسمت اصلی می باشد:
۱-    قسمت کنترل 
۲-    قسمت هدایت به جلو
قسمت کنترل کارهای مسیریابی، تعیین جداول مربوط به تبادل برچسب، مهندسی ترافیک و انجام مذاکرات مربوط به تضمین کیفیت سرویس را بر عهده دارد و می تواند به سه صورت متفاوت وجود داشته باشد:
۱-    کارت کنترلی سوئیچ
۲-    کارت مجزا در داخل محفظه سوئیچ
۳-    سخت افزار مجزا
قسمت کنترل یک سوئیچ به هر کدام از سه صورت فوق که باشد با استفاده از پروتکلهای مسیریابی و توزیع برچسب مانند OSPF,RSVP,CR-LDP,LDP و … اطلاعات کنترلی را استخراج کرده و بسته های کنترلی را از طریق خط های سیگنالینگ (که در هر پورت مشخص می باشد) برای قسمتهای کنترل سوئیچ های دیگر شبکه ارسال می‌دارد. هنگامی که یک بسته کنترلی وارد سوئیچ می شود برخلاف دیگر بسته های اطلاعاتی که باید از فابریک سوئیچ عبور کنند، تحویل قسمت کنترلی می شود تا با سر هم کردن این بسته ها، اطلاعات کنترلی استخراج شود.
قسمت هدایت به جلو وظیفه هدایت بسته های اطلاعاتی در داخل شبکه را برعهده دارد و دارای دو قسمت اصلی می باشد:
۱-    کارت خط
۲-    فابریک سوئیچ
در وردی سوئیچ ، کارت خط بسته های اطلاعاتی را از خط انتقال دریافت می کند و در اینجا عملیات پردازش لایه فیزیکی و سپس لایه دو روی بسته ها و شکستن آنها به بسته‌های لایه سه انجام می گیرد. سپس عملیات مربوطه به بررسی بسته‌ها، چک کردن حوزه TTL، ‌تبادل برچسب، کلاس بندی بسته ها و شکستن بسته ها به سلولهای با اندازه ثابت برای انجام عملیات سوئیچینگ در فابریک سوئیچ، انجام می گیرد.
در خروجی سوئیچ ، کارت خط سلولها را از فابر یک سوئیچ تحویل می گیرد و پس از سرهم کردن و تبدیل آنها به بسته های لایه سوم، آنها را با توجه به کلاس سرویشان روی زمانبند خروجی برای ارسال روی مدولاتورهای لایه دو سپس لایه فیزیکی می فرستد.
فابریک سوئیچ نیز قسمتی است که سلولها را روی پورت های ورودی خود دریافت می کند و با توجه به الگوریتم زمانبندیش آنها را روی پورت خروجی مربوطه قرار می دهد.
ساختار قسمت هدایت به جلوی سوئیچ تغییراتی را با گذشت زمان به خود دیده است ]۵[. عواملی مانند هزینه ساخت، ‌تعداد پورتها، کارآیی مورد نیاز و تکنولوژی موجود همواره تعیین کننده نوع ساختار سوئیچ بوده اند. ولی همواره سه مسیر تکاملی مشخص در ساختار سوئیچ ها به چشم می خورد. اول پیاده سازی هر چه بیشتر قسمتهای مختلف در سخت افزار با گذشت زمان می باشد. این  مساله با  توجه به نیاز به  دستیابی به  سرعت بیشتر و  پیشرفتهای چشمگیر در  تکنولوژی CMOS  و قابلیت پیاده سازی قسمتهای مختلف به صورت قطعات ASIC  قابل توجیه می باشد. دوم تمایل به استفاده از موازی سازی  برای دستیابی به کارآیی بیشتر می باشد و سوم آنکه با گذشت زمان همواره سعی شده است که استفاده از گذرگاههای  مشترک کنار گذاشته شود زیرا گذرگاههایی که بین چند بخش بصورت مشترک استفاده می شوند اغلب با مشکل تراکم  مواجه می شوند و کارآیی سیستم را کم می کنند. ساختارهای مختلف برای قسمت هدایت به جلو در شکل ۳-۱ نشان داده شده اند. اولین نوع ساختار که در شکل ۳-۱ الف نشان داده شده است شامل یک گذرگاه مرکزی مشترک، ‌یک CPU  مرکزی، حافظه و کارتهای خط اطراف آن می‌باشد.

 
شکل ۳-۱- ساختار های مختلف برای قسمت هدایت به جلوی سوئیچ

بسته ها از طریق کارتهای خط وارد سیستم می شوند و از طریق گذرگاه مرکزی به CPU  می‌رسند که در آنجا تصمیم گیری در مورد مسیر خروجی بسته انجام می گیرد  و بسته ها دوباره از طریق گذرگاه مرکزی به کارت خروجی فرستاده می شود.
مشکل اصلی ساختار ۳-۱- الف این است که CPU باید هر بسته را پردازش کند و این گذردهی سیستم را محدود می کند. این محدودیت باعث شد تا ساختار مشکل ۳-۱- ب پیشنهاد شود که در آن چندین CPU به طور موازی بسته ها را پردازش می کنند. در این ساختار بسته های ورودی همانند قبل به یک CPU فرستاده می شوند اما این بار یک قدرت انتخاب وجود دارد و آن این است که مثلا یک بسته می تواند به اولین CPU  موجود فرستاده شود و یا اینکه بسته های با آدرس مقصد مشترک به یک CPU فرستاده می شوند. بدین ترتیب می توان با انجام پردازش ها بصورت موازی گذردهی سیستم را افزایش داد و همچنین از CPU های با هزینه کمتر استفاده نمود.
در ساختار ۳-۱- ج با قرار دادن یک CUP  مجزا در هر پورت، استفاده بیشتری از پردازش موازی صورت گرفته است. در هر CUP  تصمیم گیری در مورد مسیر خروجی بسته ها بصورت محلی  صورت می گیرد و بسته ها فورا روی پورت خروجی مربوطه قرار می گیرند. در این ساختار،  از آنجا که هر بسته فقط یکبار از گذرگاه مرکزی عبور می کند، گذردهی سیستم افزایش می‌یابد. CPU مرکزی هم برای تهیه جداول هدایت بسته ها در هر یک از CPU ها و همچنین مدیریت سیستم لازم است.
اما دو عامل باعث محدودیت کارآیی ساختار ۳-۱- ج می شود. اول اینکه چون عملیات تصمیم گیری در مورد هدایت بسته ها در نرم افزار انجام می گیرد، سرعت آن محدود به سرعت CPU  می‌باشد. بنابراین با استفاده از مدارات ASIC که آنها را موتور هدایت  می نامیم، به جای CPU می‌توان سرعت تصمیم گیری را بالاتر برد. دوم اینکه بعلت استفاده از یک گذرگاه مشترک، در هر لحظه فقط یک بسته می تواند بین دو کارت خط حرکت کند. بنابراین اگر چندین بسته بتواند بطور همزمان از گذرگاه عبور کنند، کارآیی سیستم افزایش می یابد. بدین ترتیب در ساختار ۳-۱- د به جای CPU از موتور هدایت و به جای گذرگاه از فابریک متقاطع  استفاده شده است. امروزه سوئیچ های پرسرعت دارای این چنین ساختاری می باشند. یعنی در داخل کارت خط قسمتی به نام پردازنده شبکه  وجود دارد کارهای موتور هدایت، کلاس بندی بسته‌ها و اعمال تغییرات لازم روی آنها در این قسمت انجام می شود.
حال به بررسی دقیق تر کارت خط و فابریک سوئیچ می پردازیم.

۳-۳- کارت خط
وظایف کارت خط عبارتند از :
۱-    مدولاسیون و  دمدولاسیون در لایه فیزیکی: هنگامی که بسته ها از خط انتقال که عموما فیبرنوری می باشد، دریافت می شوند، توسط دمدولاتور کارت خط به بسته های لایه دو تبدیل می شوند و برعکس هنگام ارسال، بسته‌های لایه دو توسط مدولاتور کارت خط به بسته های لایه فیزیکی مانند SDH تبدیل شده و ارسال می گردند.
۲-    پردازش های لایه دو: ‌شکستن بسته های لایه دو مانندPPP  یا Ethernet  به بسته های لایه سوم در این قسمت انجام می گیرد . در ضمن در قسمت خروجی عکس این کار انجام می گیرد یعنی بسته های لایه سوم سرهم  شده و بسته های لایه دو ایجاد می شود.
۳-    تجزیه و تحلیل بسته ها   :  در این  قسمت  ابتدا  نوع  بسته  مورد  بررسی قرار می گیرد
(Multi cast , Unicast, MPLS, IP)، و سپس  نوع  سرفصل  پرتکل  لایه بالاتر  آن 
(, TCP ….,OSPF)‌ مشخص می شود.
۴-    محاسبات سرفصل : ‌اگر بسته MPLS باشد، در این قسمت فقط عملیات بررسی مقدار TTL و تعیین مقدار جدید آن صورت می گیرد. یعنی اگر مقدار TTL  صفر باشد،‌ بسته دور اندخته می شود. در غیر این صورت از مقدار TTL آن یک واحد کم می شود. اگر بسته IP باشد باید مقدار CRC  نیز چک شود و در خروجی هم باید مقدار CRC محاسبه و جایگزین مقدار قبلی شود. همچنین با کمک پروتکل ARP  عملیات تطبیق آدرس لایه شبکه با لایه پایین تر صورت می گیرد.
۵-    کلاس بندی : در بسته‌های MPLS نوع کلاس از مقدار سه بیتی CoS  مشخص می شود ولی اگر بسته IP باشد، باید نوع کلاس بر اساس آدرس مقصد استخراج شود.
۶-    آدرس یابی: برای بسته های MPLS  این کار بصورت بسیار ساده تطبیق دقیق برچسب   صورت می گیرد ولی در مورد بسته های IP احتیاج به روشهای آدرس یابی براساس تطبیق طولانی ترین پیشوند  می باشد.
۷-    شکستن  و سرهم کردن   : بسته های لایه سوم دارای طولهای متفاوتی می باشند که باید به سلولهای با طول ثابت شکسته شوند و در خروجی دوباره بصورت یک بسته در آیند. بعد از شکسنتن یک بسته، به سلولهای حاصله سرفصلی اضافه می شود که حاوی اطلاعات مربوط به پورت خروجی، ‌پورت ورودی، کلاس و شماره سلول می باشد. در خروجی، این سرفصل برداشته می شود و سلولها به ترتیب سر هم می شوند.
۸-    مدیریت صف   : در این قسمت بسته ها براساس کلاس سرویشان در صفهای مربوطه  قرار می گیرند.
۹-    زمانبندی: در این قسمت مشخص می شود که باید در چه زمانی و ازچه صفی یک بسته برای ارسال انتخاب شود و روی پورت خروجی برود.
در شکل ۳-۲ ساختار داخلی یک کارت خط و نحوه ارتباط آن با قسمتهای دیگر نشان داده شده است.

 
شکل ۳-۲- ساختار داخلی یک کارت خط و نحوه ارتباط آن با قسمتهای دیگر

۳-۴- فابریک سوئیچ

فابریک سوئیچ مسئول انتقال سلولها بین پورتهای  مختلف می باشد ]۶[. در واقع فابریک سوئیچ سلولها را از ورودی ها بر می دارد  و برروی خروجی ها می گذارد. عواملی مانند پایداری در مقابل خرابی، نرخ ضایعات۱، تأخیر و جیتر طراحی فابریک سوئیچ را پیچیده می کنند. در طراحی یک فابریک سوئیچ باید سعی نمود تا گذردهی را حداکثر و تأخیر و جیتر سلولها را حداقل نمود و در ضمن فابریکی طراحی شود که پیاده‌سازی آن آسان باشد.
فابریک سوئیچ می تواند به سه صورت کلی زیر باشد:
۱-    فابریک سوئیچ با واسطه مشترک
۲-    فابریک سوئیچ با حافظه مشترک
۳-    فابریک سوئیچ متقاطع
در ادامه به بررسی این سه نوع فابریک سوئیچ می پردازیم.

۳-۴-۱- فابریک سوئیچ با واسطه مشترک
در این مدل سلولها توسط یک واسطه مشترک مانند گذرگاه یا حلقه  یا گذرگاه دو واحدی  انتقال می یابند. ساده ترین فابریک سوئیچ ها، گذرگاه است. در این مدل اطلاعات با استفاده از روش TDM انتقال می یابند یعنی به هر پورت یک بازه زمانی اختصاص می یابد که بطور متناوب می تواند در آن بازه زمانی اطلاعات خود را ارسال نماید. در هر پورت خروجی فیلتر های آدرس، سرفصل هر یک از سلولها را چک می کنند و اگر سلول مربوط به آن پورت خروجی باشد آنرا به بافرهای خروجی آن پورت می فرستند. شکل ۳-۳ یک فابر یک سوئیچ از نوع گذرگاه را نشان می دهد .
 
شکل ۳-۳- گذرگاه واسط مشترک

اگر فرض کنیم که سوئیچ دارای N پورت ورودی و N پورت خروجی باشد و سرعت هرپورت برابر S سلول در ثانیه باشد، گذرگاه مورد استفاده باید حداقل با سرعت NS سلول بر ثانیه کار کند تا بتواند گذردهی صدردرصد را تامین کند، بدون اینکه در ورودی احتیاج به قرار دادن سلولها در صف باشد.
در این مدل پورتهای خروجی بطور کاملاً مجزا از یکدیگر پیاده سازی می‌شوند و فیلترهای آدرس و بافرهای خروجی نیز براحتی قابل پیاده‌سازیند.  همچنین این مدل امکان ارسال به صورت
Broadcast و Multicast را براحتی فراهم می‌آورد.
فیلترهای آدرس و بافرهای خروجی باید در سرعتی برابر با سرعت واسط مشترک کار کنند که ممکن است تا N برابر سریعتر از سرعت پورت باشد ولی محدودیتهای فیزیکی برای سرعت گذرگاه، فیلترهای آدرس و بافرهای خروجی وجود دارد که موارد استفاده از این نوع مدل را برای سوئیچ‌های با سرعت بالا و اندازه بزرگ محدود می‌کند.

۳-۴-۲- فابریک سوئیچ با حافظه مشترک
نمونه‌ای از ساختار یک فابریک سوئیچ با حافظه مشترک در شکل ۳-۴ نشان داده شده است. سلولهای  ورودی به ترتیب در یک حافظه  با دسترسی اتفاقی  نوشته می‌شوند. سرفصل سلولها به
 
شکل ۳-۴- یک فابریک سوئیچ با حافظه مشترک

یک کنترل کننده حافظه تحویل داده می‌شود و در آنجا تصمیم گیری می‌شود که سلولها باید با چه ترتیبی از حافظه خوانده شوند و روی پورت خروجی مربوطه قرار داده شوند. در این مدل در واقع از یک نوع بافر خروجی مشترک استفاده شده است، بنابراین امکان تضمین کیفیت سرویس براحتی بوجود می‌آید و گذردهی سیستم  در زیر بار کامل صدرصد می‌باشد. همچنین اگر ترافیک ورودی به یک پورت زیاد شود، می‌توان درصد بیشتری از حافظه را در اختیار آن پورت قرار داد. بنا به این دلایل این نوع فابریک سوئیچ محبوبیت زیادی در بین طراحان سوئیچ دارد.
اما این مدل دارای معایبی نیز می‌باشد. از آنجا که سلولها باید در هر لحظه یکبار به حافظه نوشته شوند و از آن خوانده شوند، حافظه مشترک باید در سرعتی برابر با NS سلول بر ثانیه یعنی N بار سریعتر از سرعت پورت کار کند و چون زمان دسترسی به حافظه بطور فیزیکی محدود می‌باشد این افزایش سرعت N باعث اعمال محدودیت بر بکارگیری این مدل در سوئیچ‌های سرعت بالا و با اندازه بزرگ می‌شود. همچنین کنترل کننده حافظه نیز باید قادر باشد تا در سرعتی برابر با سرعت حافظه سرفصلهای سلولها را پردازش کند. این مساله هنگامی که کنترل کننده باید الگوریتم‌های مربوط به زمانبندی سلولهای با کلاس‌های متفاوت را اجرا کند، می‌تواند ایجاد مشکل کند. بنابراین فابریک سوئیچ‌های با حافظه مشترک بیشتر برای سیستم‌های با ظرفیت کم مناسب می‌باشند.

۳-۴-۳- فابریک سوئیچ متقاطع
شکل ۳-۵ یک فابریک سوئیچ متقاطع را نشان می‌دهد. در این مدل بین هر پورت ورودی و هر پورت خروجی یک اتصال می‌تواند بوجود آید.
 
شکل ۳-۵- ساختار یک فابریک سوئیچ متقاطع

فابریک سوئیچ متقاطع به علت اینکه به همه پورت‌های ورودی و خروجی اجازه می‌دهد که بطور همزمان به یکدیگر اطلاعات ارسال کنند، بازده زیادی دارد. این مساله باعث می‌شود که در فابریک سوئیچ‌های متقاطع پدیده انسداد  بوجود نیاید.
همچنین با توجه به پیشرفتهای به عمل آمده در صنعت CMOS پیاده‌سازی این نوع فابریک سوئیچ براحتی و به سادگی مقدور می‌باشد و همین امر باعث استقبال زیاد طراحان سوئیچ از آن شده است.
در این مدل یک زمانبند مرکزی سلولهایی را که منتظر انتقال به پورت خروجی هستند را  بررسی می‌کند و با توجه به الگوریتم‌زمانبندی مورد استفاده تعدادی از سلولها را برای عبور از سوئیچ انتخاب می‌کند، بطوریکه در هر لحظه هر پورت ورودی حداکثر به یک پورت خروجی و هر پورت خروجی حداکثر به یک پورت ورودی متصل باشد.
در این مدل، برخلاف مدلهای پیشین، استفاده از سلولهای با طول ثابت بازده سیستم را افزایش زیادی می‌دهد. زیرا اگر طول سلولها متفاوت باشد، زمانبند باید همواره وضعیت پورتهای ورودی و خروجی را نگه دارد تا بداند که کدام یک از آنها مشغول می‌باشد و کدام یک آماده ارسال اطلاعات. ولی اگر از سلولهای با طول ثابت استفاده کنیم، زمانبند بطور متناوب در بازه‌های زمانی مشخص که به آن زمان سلول  می‌گوییم، الگوریتم زمانبدی مربوطه را اجرا می‌کند و سلولها در همان بازه زمانی از ورودی به خروجی انتقال می‌یابند و همه پورتها در ابتدای بازه زمانی بعدی آزاد می‌شوند.
سلولهایی که قصد دارند به یک پورت خروجی مشخص بروند، ممکن است که نتوانند در یک بازه زمانی به آنجا برسند. این مساله وقتی اتفاق می‌افتد که مثلاً همه پورتهای ورودی می‌خواهند سلولهای خود را به یک پورت خروجی بفرستد ولی پورت خروجی و خط خروجی فقط می‌توانند ترافیکی را که توسط یک پورت ورودی وارد می‌شود، قبول کنند، بنابراین لازم است که ترافیکی را که توسط پورتهای ورودی دیگر وارد سوئیچ می‌شود در داخل صف قرار دهیم.
این صف‌بندی می‌تواند در ورودی و یا خروجی فابریک سوئیچ مقاطع صورت بگیرد که هر کدام مزایا و معایبی را دارا می‌باشند:
۱-    صف‌بندی در خروجی: سلولهایی که نمی‌توانند در بازه زمانی که به پورت خروجی می‌رسند روی خط خروجی قرار بگیرند، می‌توانند در خروجی صف‌بندی شوند. واضح است که اگر فابریک سوئیچ در سرعتی برابر سرعت خط کار کند، این کار غیر ممکن است. در بدترین شرایط تمامی پورتهای ورودی ممکن است فقط به یک پورت خروجی مشترک ترافیک ارسال کنند، بنابراین فابریک سوئیچ باید در N برابر سرعت خط کارکند. در واقع با توجه به سرعت زیاد خط انتقال پیاده‌سازی این نوع صف‌بندی مشکل می‌باشد، اگر چه با صف‌بندی در خروجی به راحتی می‌توان با استفاده از الگوریتم‌های زمانبندی روی صف‌های خروجی به کیفیت سرویس عالی دست پیدا کرد.
۲-     صف بندی در ورودی: در این حالت سلولهایی که نمی‌توانند در یک بازه زمانی به خروجی بروند در ورودی فابریک سوئیچ صف‌بندی می‌شوند بنابراین فابریک سوئیچ می‌تواند در سرعتی برابر با سرعت خط کار کند و این مهمترین مزیت این مدل می‌باشد زیرا پیاده‌سازی سخت‌افزاری آن بسیار ساده می‌باشد.
اما این مدل صف‌بندی یک عیب بسیار بزرگ دارد که به آن انسداد سرخط  (HOL) می‌گویند. این پدیده را توسط یک مثال توضیح می‌دهیم.
 
شکل ۳-۶- مثالی از پدیده HOL در یک سوئیچ ۴×4

در شکل ۳-۶ یک سوئیچ ۴×4 نشان داده شده است. در یک بازه زمانی هر دو پورت ورودی ۲ و ۴ می‌خواهند سلولهای سرصف خود را به پورت خروجی ۲ بفرستند. در این حالت اگر زمانبند پورت ورودی ۴ را برای ارسال سلولش انتخاب کند، علاوه بر سلول سر صف پورت ورودی ۲، سلول دوم داخل صف که مقصدش پورت خروجی ۳ می‌باشد هم نمی‌تواند در آن بازه زمانی از سوئیچ عبور کند اگر چه پورت خروجی ۳ در این بازه زمانی آزاد می‌باشد. این مساله باعث می‌شود که گذردهی سیستم پایین بیاید و در عمل از ۶/۵۸% ‌بیشتر نشود ]۷[. برای حل این مشکل استفاده از صف‌بندی مجازی در خروجی(VOQ)  پیشنهاد شد که در اینجا آنرا توضیح می‌دهیم.
در این روش در هر پورت ورودی به ازای هر پورت خروجی یک صف FIFO مجزا در نظر گرفته می‌شود. همانطور که در شکل ۳-۷ نشان داده شده است، در این حالت بعد از اینکه خروجی سلول مشخص شد، سلول وارد شونده به فابریک سوئیچ در هرپورت، وارد صف مربوط به 
شکل ۳-۷- مدلی از یک سوئیچ N×N با صف‌بندی در ورودی و استفاده از VOQ

خروجیش در آن پورت می‌شود. در آغاز هر بازه زمانی، یک الگوریتم زمانبدی مرکزی، همه صفهای وردی را چک می‌کند و مسیرهای بدون تقاطع بین ورودی‌ها و خروجی‌ها را پیدا می‌کند.
از لحاظ نظری، یک الگوریتم زمانبندی می‌تواند با کمک VOQ گذردهی یک فابریک سوئیچ متقاطع را از ۶/۵۸% به ۱۰۰% برساند زیرا پدیده HOL بطور کامل از بین می‌رود ]۸[.
بنابراین ما برای سوئیچ خودمان از فابریک سوئیچ متقاطع با صف‌بندی در ورودی و VOQ استفاده می‌کنیم.
در سالهای اخیر تحقیقات زیادی بر روی الگوریتم‌های زمانبندی برای فابریک سوئیچ‌های متقاطع که از صف‌بندی در ورودی و VOQ استفاده می‌کنند، انجام گرفته است که سرآمد آنها الگوریتم iSLIP می‌باشد ]۹[.
بطور کلی یک الگوریتم زمانبندی خوب باید دارای مشخصات زیر باشد:
۱-    گذردهی بالا
۲-     بدون گرسنگی  (هیچ یک از صفهای VOQ بدون سرویس نماند)
۳-     سریع
۴-     قابلیت پیاده‌سازی آسان
از آنجا که الگوریتم iSLIP دارای همه این مشخصات می‌باشد و در اکثر سوئیچها از آن استفاده می‌شود، ما نیز از این الگوریتم استفاده خواهیم کرد.