IP交换技术是由Ipsilon公司提出的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^[1]。

    在IP交换技术中，两个使用IP协议的站点A、B通过第三层交换机进行通信，发送站点A在开始发送时，把自己的IP地址与B站的IP地址比较，判断B站是否与自己在同一子网内。若目的站B与发送站A在同一子网内，则进行二层的转发，这是正常的第二层交换。若两个站点不在同一子网内，发送站A要向网关发出ARP（地址解析）请求，这时请求解析的目的IP地址是网关的地址，然后逐步获得目的IP的MAC地址，实现发送站A和接收站B的第一个数据包传输；在以后的A站和B站之间的数据传输中，通过某种方法给数据做上标记，以后两站之间的数据传输沿同一条路径进行，不需要路由，只进行交换，从而实现了IP数据包交换。由于大部分数据都通过二层交换转发，因此三层交换机的速度很快，接近二层交换机的速度。

    目前的IP交换技术核心是如何识别源站和目的站之间的数据流，根据采用的方法不同，IP交换可以划分为不同的类型，常见的有^[2]：

    ● Ipsilon IP交换。通过改进ATM交换机，删去控制器中的相关软件，增加一个IP交换控制器，与ATM交换机通信。该技术适用于机构内部的LAN和校园网。

    ●Cisco标签交换。标签交换就是给数据包贴上标签，此标签在交换节点读出，判断包传送路径，主要用于大型网络和Internet。

    ●3Com Fast IP。Fast IP协议保证实时音频或视频数据流能得到所需的带宽，为了实现这点，客户机需要有设置优先等级的软件。

    ●IBM ARIS(Aggregate Route－based IP Switching)。与Cisco的标签交换技术相似，包上附上标记，借以穿越交换网。ARIS一般用于ATM网，也可扩展到其它交换技术。

    ●MPOA(MultiProtocol Over ATM)。MPOA是ATM论坛提出的一种规范，使用时，源客户机发出路由请求，路由服务器执行路由计算后给出最佳传输路径，然后，建立一条交换虚电路，即可越过子网边界，不用再做路由选择^[3]。

    基于双绞线的IP交换技术是指在双绞线上直接传送IP包的技术。这种技术目前还没有发现任何记载。这种技术的核心是改变现有的IP工作模式，去掉中间环节，直接用IP数据包传输。

    现有的IP协议网络都是承载在某种其它网络协议之上的。对于局域网而言，承载IP分组的是局域网络协议，包括IEEE902.3、IEEE902.4和IEEE902.5等等；对于广域网而言，承载IP分组传输的主要是广域网网络协议，包括PPP、ATM、SONET和SDH等等。也就是说IP协议必须在其它网络协议之上运行。那么能不能直接传输IP分组呢？

    经过对TCP/IP协议的分析，我们可以知道，在TCP/IP协议中，由于没有定义物理层和数据链路层的协议，所以对IP分组如何进行分帧以及如何在链路上传输也就没有具体依据，实际上就是因为TCP/IP协议没有物理层和数据链路层协议，所以无法直接在物理介质上传输。如果要在双绞线上直接传送IP分组，我们必须清楚这两层的作用和功能。

    在这两层中，数据链路层的主要作用是组帧、流量控制和差错控制^[3]。组帧的作用在局域网协议中主要是将上层数据分割成一定大小的、适合传输的数据块，然后加上源地址、目的地址、校验和帧标记等形成数据帧，帧是数据传输的最小单位，有点类似于最大传输单元（MTU）；流量控制主要用来协调通信的两台主机之间的数据发送速率，避免由于发送方发送过快，接收方来不及接收而造成数据丢失，最常使用的方法是滑动窗口协议；差错控制主要用来发现数据传输中的错误，并能自动纠正某些错误，常用的方法是在数据中增加校验和，例如IEEE802.3协议的数据帧就是这种方法。

    对比分析一下我们可以看出，实际上在TCP/IP协议中，也都有数据链路层的这些功能。针对数据帧，在TCP/IP协议中实际上IP包本身就是具有一定结构和一定大小的数据块，包中既有源地址，也有目的地址，只不过它的地址形式是32位或者128位的二进制，而不是通常的MAC地址。

    对于流量控制，在TCP/IP协议的面向连接的传输协议TCP中有完备的流量控制机制，例如基于信贷的滑动窗口协议就是典型代表。

    还有就是差错控制，TCP/IP协议采用校验和应答信号机制保证数据传输错误的及时发现，对发现的错误利用重发机制进行纠正，从而实现网络的正常运行。

    也就是说目前数据链路层的功能在TCP/IP协议中都有实现，只是出现在网络模型中的位置不同，但是原理和方法基本一样。

    根据ISO/OSI的定义，计算机网络的物理层主要讨论物理特性、电器特性、功能特性和过程特性。所谓的物理特性主要是指连接器的物理形状和尺寸大小；电器特性主要讨论传输中心好的电平高低；功能特性讨论连接器中每一个管脚的功能定义；过程特性讨论数据传输过程中各个部分的工作状态和通信过程中的状态变化。

    在TCP/IP协议中，这些功能没有任何定义和描述，和上面说的一样，因为TCP/IP协议网络必须建立在其它网络之上，所以它不需要定义这些内容。实际上，这也是IP网络必须依赖于其它网络的根本原因。

    在了解了物理层和数据链路层的作用与功能后，我们来分析一下，看能不能在双绞线上实现IP分组的传输。

    如果要在双绞线上实现IP分组必须解决几个关键问题：

    首先，必须解决连续数据流的分割问题。在数据传输中，从应用层或者说从传输层来的数据是连续的，在数据封装成为IP包的时候只是增加IP包头。传统的局域网和广域网将IP包再次进行封装帧，帧与帧之间用分隔符隔离，便于接收方识别。如果我们熟悉IP分组格式，那么可以很清楚地知道，每一个IP分组都是以“版本号”字段开始的，由于采用链路层的数据帧进行分割，所以包格式中没有包之间的分割。如果要在双绞线上直接传送IP分组，必须解决IP分组之间的分割问题。这个问题可以通过增加特殊标记来实现。

    其次，在解决了IP分组的分割之后，接下来就要考虑IP分组如何在介质上传输的问题。直接在双绞线上传输IP分组，现有的通信接口都不能完成这个任务。虽然串口合并口都可以直接用于IP分组的传输，但是因为传输距离的原因，不能满足网络通信的距离要求，所以不能用来实现IP分组的传输。用双绞线通信的网卡，可以满足网络通信的距离要求，但是如果用于传输IP分组也是不行，因为现有的网卡中包含了局域网网络协议，这样在传输过程中仍然需要使用局域网协议，不能直接传送IP分组。为了在双绞线上直接传送必须重新设计传送的通信接口，实际上也就是必须设计新的网络适配器。只要有了合适的IP传输适配器，就可以实现在网络中直接传送IP分组。

    第三，IP网卡只能解决主机端的IP数据分组直接传输，但是对于基于双绞线的IP交换而言仍然不能完全实现，因为最重要的“交换”还没有体现。对于现代的计算机网络而言，其拓扑结构皆为星型结构，也就是网络中的主机通过中间交换节点连接在一起，形成了如图1的结构。

 

    在星型网络拓扑结构中，各主机之间的通信通过中间节点进行，中间节点就是交换机，现有的网络交换机可以分为几种大的类型：局域网交换机、ATM交换机、SDH交换机、甚至包括第三层交换机等等。

    但是上述交换机都是为专用网络设计的，和网卡一样有其工作协议和工作方式，这些协议和工作模式都不能用来进行IP分组的直接传输，也就是这些交换机都不能用来进行IP分组传输。因此，为了在双绞线上直接传送IP分组必须重新设计IP交换机。

    综上所述，如果设计出相应的网络适配器和网络交换机，并对IP分组传输的分割进行一定的控制，那么在双绞线上直接传输IP分组是可行的。

    基于双绞线的IP交换技术主要由TCP/IP协议栈、IP网卡、IP交换机和双绞线组成。双绞线大家都比较熟悉，这里不再讨论，我们主要讨论一下协议栈、网卡和交换机。

    TCP/IP协议栈大家都非常熟悉，因为每一台接入网络的计算机都运行该协议栈。TCP/IP协议栈为用户提供数据传输所需要的底层协议。其工作原理如下：

    首先，用户根据自己的需要，选择运行相应协议的客户软件，例如浏览器、网络蚂蚁或者其它软件；客户软件运行有TCP/IP协议栈，它根据用户的要求，将用户提问转换为相应的网络协议，例如HTTP或者FTP；然后协议栈将用户的应用协议封装在传输协议TCP或者UDP中；协议栈的网络层用域名解析获得的IP地址将传输下来的数据封装为IP分组，然后利用网络协议栈中的路由协议，选择数据分组的下一跳，也就是确定分组是传输给路由器还是主机，确定以后，无论是路由器还是主机，接下来的事情就是找到该路由器或者主机的MAC地址，这个由ARP协议来完成；然后利用解析来的MAC地址，将数据封装成为相应的数据帧，然后交由物理层进行传输。

    这个过程是现有的TCP/IP协议的传输过程，但是对于基于双绞线的IP交换技术而言，这个过程会有所不同。因为在这种IP交换技术中没有其它网络协议，也就是没有MAC地址，所以从IP到MAC地址的转换就没有必要，所以在网络层以上，这两种协议栈相同，但是在网络层，一些用于和其它网络进行转换和解析的协议就不再需要了，实际上，基于双绞线的IP交换技术简化了TCP/IP协议栈。

    网卡一般包括物理层和数据链路层两层的网络协议。在基于双绞线的IP交换网络中，网卡需要实现的功能主要包括两大块：数据通信和流量、差错控制。这两个部分分别由硬件和软件来实现。

通信部分主要靠硬件来完成，其功能是把IP分组的二进制数据转换为电信号，在双绞线上进行传输，并提供硬件的差错校验。其构成主要包括：编码器、发送电路、接收电路和译码器。

    流量控制和差错控制主要靠软件来实现，主要根据TCP中的流量控制协议进行流量控制操作，并对收到的数据进行校验，发出相应的应答信号。

    IP交换机是IP交换网络的主要设备，是实现IP交换的核心。

    交换机主要用来根据收到的IP分组中的目的IP地址选择合适的端口进行交换转发。IP交换机主要有两个部分组成：交换电路和控制软件。

    交换电路主要包括交换阵列和识别电路。识别电路用来识别收到的分组中的目的IP地址；交换电路则根据这种识别，在控制软件的控制下实现IP分组的直接交换。

    控制软件对数据交换进行控制，由IP地址和端口对照表、交换控制软件等组成。

    基于双绞线的IP交换网络中网络层以上的数据流程和原有的网络相同，不同的是下面的通信过程。

    当用户数据转换为IP分组并到达网卡后，网卡将分组加上分割标记，然后将数据发送给交换机；交换机收到数据后，去掉分割标记，然后提取其中的目的IP地址，将目的IP地址和IP地址-端口对照表进行比较，同一个网段的直接交换，不是同一个网段的，查找路由表，然后根据路由表中的下一跳地址，交换到相应的其它端口。

    基于双绞线的IP交换技术研究非常具有意义，具体可以表现在如下几个方面。

    基于双绞线的IP交换技术的意义首先体现在完善了现有的TCP/IP协议体系结构。目前的TCP/IP协议虽然是4层结构：应用层、传输层、网络层和网络接口层，但是，实际上只有上面3层，和OSI的七层模型相比主要少了下面2层，从而导致TCP/IP协议必须借助于其它网络形式来进行数据传输。

    基于双绞线的IP交换技术改变了这种现象，使得TCP/IP协议不需要借助于其它网络形式，可以直接通过IP网卡和IP交换机传输，补充了TCP/IP协议下面两层的协议，使得TCP/IP协议更加完整，也可以独立使用。

    基于双绞线的IP交换技术的第二个意义是简化了TCP/IP协议的结构。由于不需要依赖于其它网络进行数据传输，所以也就不需要在TCP/IP网络和其它网络之间进行数据格式和地址转换，这样原有地址解析协议ARP和RARP就不再需要，同时也省去了把IP分组封装成为其它网络数据帧的过程，使得TCP/IP网络协议更加简明和完整。

    第三个意义就是提高了网络效率。在基于双绞线的IP交换网络中，IP分组不需要再转换成为其它网络的数据帧，也就是不需要把IP分组封装成为数据帧，这样数据在传输过程中就没有了数据帧的一些结构。这个过程首先因为不需要数据帧的封装，主机的处理速度自然得到很大提高，同时由于缺少了数据帧的一些结构，这样在传输的数据中，有效数据（也就是用户的实际数据）在整个传输的数据中所占的比例也得到大幅度提高。

    从这两个方面我们可以看到，在基于双绞线的IP交换网络中，数据传输的效率得到了大幅提高。

    在IP交换网络中，路由器和交换机的概念变得比较模糊，因为IP交换机既是交换机，又是路由器。

    一方面，IP交换机采用交换电路，根据IP地址和端口对照表进行分组交换，所以它具备网络交换机的所有特征。

    另一方面，在数据传输的时候，对于非本地网络的数据分组，在交换的时候需要判定通过哪个端口传输，也就是需要判断网络的路由。这个时候依靠IP地址和端口对照表就不能满足分组传输的需要，必须查找路由表，在路由表中找到相应的端口，然后通过IP地址和端口对照表进行分组交换。这个过程具有路由器的典型特征。

    所以，从这两个方面我们可以看出，IP交换机实际上是路由器和交换机的结合，同时具有交换机和路由器双重功能。

    和现有的IP交换技术相比较，基于双绞线的IP交换技术是真正的IP交换技术。现有的IP交换技术都是通过采用某种标记或其它方法，实现IP在其它网络上的交换，用一句通俗的话就是“一次路由，多次交换”，这种交换技术只能用于广域网，而且必须加载其它协议。

    基于双绞线的IP交换技术不需要依赖其它网络实现，充分利用IP分组交换网络的特性，直接在传输层和物理层实现IP交换，无论是广域网还是局域网都是交换网络，而且不需要对IP协议作任何改变。所以用基于双绞线的IP交换技术组建的计算机网络是真正的IP交换网络。

    基于双绞线的IP交换技术目前还没有看到相关报道，本人也是在做一些探讨性的工作，目前的试验是通过两台计算机和一个简单的交换机进行互连，TCP/IP协议栈是改进后的一个简单协议栈，许多功能尚未添加和完善。

    另外目前所作的交换机功能也比较简单，数据传输速率也不是很高，只是提供一个研究的基本环境，目前功能更完善的交换机正在进一步研究之中。

    本人所作的基于双绞线的IP交换技术研究只是一个开始，尚有许多理论工作和实际开发工作需要进一步进行，这里提出这个观点是希望大家能认识到这项工作的重要性，并进行更深入的研究和探讨。