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课件之家精心整理资料-欢迎你的欣赏ip交换与路由技术课程报告 一 基于mpls的vpn技术(1)概念介绍vpn简介：vpn指的是依靠isp和其它nsp，在公用网络中建立专有数据通信网络的技术。在虚拟专网中，任意两个接点之间的连接并没有传统专网所需的端到端的物理链路，而是利用某种公共网的资源动态组成的。vpn技术采用季认证、存取控制、机密性、数据完整性等措施，以保证信息在传输过程中的机密性、完整性和可用性。它是在公共internet之上为政府、企业构恐安全可靠、方便快捷的专用网络，并可节省资金。vpn技术是广域网建设的最佳解决方染，它不仅会大大节省广域网的建设和运行维护费用，而且拥有成本低、便于管理，开销少、灵活度高，保密性好等优点。mpls vpn：mplsvpn是指基于mpls技术构建的虚拟专用网，即采用mpls技术，在公共ip网络上构建企业ip专网，实现数据、语音、图像等多业务宽带连接。并结合差别服务、流量工程等相关技术，为用户提供高质量的服务。mplsvpn能够在提供原有vpn网络所有功能的同时，提供强有力的qos能力，具有可靠性高、安全性高、扩展能力强、控制策略灵活以及管理能力强大等特点。mpls是一种特殊的转发机制，它为进入网络中的ip数据包分配标记，并通过对标记的交换来实现ip数据包的转发。标记作为ip包头在网络中的替代品而存在，在网络内部mpls在数据包所经过的路径通过交换标记（而不是看ip包头）来实现转发；当数据包要退出mpls网络时，数据包被解开封装，继续按照ip包的路由方式到达目的地。如图所示，mpls网络包含一些基本的元素。在网络边缘的节点就称作标记边缘路由器(ler: label edge router),而网络的核心节点就称作标记交换路由器（lsr：label switching router）。ler节点在网络中提供高速交换功能。在mpls节点之间的路径就叫做标记交换路径(lsp: label switched path)。一条lsp可以看作是一条贯穿网络的单向隧道。mpls的工作流程可以分为三个方面：即网络的边缘行为、网络的中心行为以及如何建立标记交换路径。a . 网络的边缘行为当ip数据包到达一个ler时，mpls第一次应用标记。首先，ler要分析ip包头的信息，并且按照它的目的地址和业务等级加以区分。在ler中，mpls使用了转发等价类(fec: forwarding equivalence class)的概念来将输入的数据流映射到一条lsp上。简单地说，fec就是定义了一组沿着同一条路径、有相同处理过程的数据包。这就意味着所有的fec相同的包都可以映射到同一个标记中。对于每一个fec，ler都建立一条独立的lsp穿过网络，到达目的地。数据包分配到一个fec后，ler就可以根据标记信息库(lib: label information base)来为其生成一个标记。标记信息库将每一个fec都映射到lsp下一跳的标记上。如果下一跳的链路是atm，则mpls将使用atmvcc里的vci作为标记。转发数据包时，ler检查标记信息库中的fec，然后将数据包用lsp的标记封装，从标记信息库所规定的下一个接口发送出去。b. 网络的核心行为当一个带有标记的包到达lsr的时候，lsr提取入局标记，同时以它作为索引在标记信息库中查找。当lsr找到相关信息后，取出出局的标记，并由出局标记代替入局标记，从标记信息库中所描述的下一跳接口送出数据包。最后，数据包到达了mpls域的另一端，在这一点，ler剥去封装的标记，仍然按照ip包的路由方式将数据包继续传送到目的地。c. 建立标记交换路径 建立lsp的方式主要有两种：(1)“hop by hop(逐跳寻径)”路由一个hop-by-hop的lsp是所有从源站点到一个特定目的站点的ip树的一部分。对于这些lsp，mpls模仿ip转发数据包的面向目的地的方式建立了一组树。从传统的ip路由来看，每一台沿途的路由器都要检查包的目的地址，并且选择一条合适的路径将数据包发送出去。而mpls则不然，数据包虽然也沿着ip路由所选择的同一条路径进行传送，但是它的数据包头在整条路径上从始至终都没有被检查。在每一个节点，mpls生成的树是通过一级一级地为下一跳分配标记，而且是通过与它们的对等层交换标记而生成的。交换是通过标记分配协议(ldp: label distribution protocol)的请求以及对应的消息完成的。(2)显式路由mpls最主要的优点就是它可以利用流量设计“引导”数据包。mpls允许网络的运行人员在源节点就确定一条显式路由的lsp（er-lsp），以规定数据包将选择的路径。er-lsp从源端到目的端建立一条直接的端到端的路径。mpls将显式路由嵌入到限制路由的标记分配协议的信息中，从而建立这条路径。虚拟专用线路： 边缘路由器和本地isp相连，通过本地isp接入internet，中心路由器也可以通过本地isp接入internet。 边缘路由器、中心路由器和本地isp连接的方法可以多种多样，比如xdsl、fr、isdn和ddn等。 边缘路由器通过internet直接和中心路由器建立隧道，通过隧道完成远程lan和中心lan之间的数据交换 企业用虚拟专用线路完成远程lan和中心lan的连接，这比直接用点对点专用线路实现远程lan和中心lan之间的连接要节省56%70%的费用，而且采用vll实现企业新增远程lan和中心lan的连接非常快速和方便。 虚拟专用线路和基于internet拨号访问一样，用和本地isp通信的费用来完成和远程终端之间的通信，而且可以同时实现对中心lan和internet的访问。 通过vll，远程lan之间、远程lan和中心lan之间可以实现交叉互连，以提高传输性能和增加冗余，而且是在不增加硬件成本和通信费用的前提下实现的，这在使用点对点专用线路时是不可思议的事情。 采用点对点专用线路直接完成远程lan和中心lan的连接时，边缘路由器和中心路由器都必须采用相同的接入方式，而采用虚拟专用线路时，边缘路由器和本地isp的接入方式与中心路由器和本地isp的接入方式是相互独立的，可以自由采用满足性能要求的接入方式。 点对点隧道协议（point-to-point tunneling protocol，pptp）：该协议是在ppp协议的基础上开发的一种新的增强型安全协议，支持多协议虚拟专用网（vpn），可以通过密码身份验证协议（pap）、可扩展身份验证协议（eap）等方法增强安全性。可以使远程用户通过拨入isp、通过直接连接internet或其他网络安全地访问企业网。(2) mpls vpn网络模型 a 基于mpls第二层vpn 二层vpn是指构成vpn的隧道封装在网络参考模型的第二层（即数据链路层）上来完成。客户将其三层路由映射到数据链路层的网络，提供商为客户的每个远端节点提供一个二层链路。这种方式下客户路由对提供商是透明的。传统的vpn大多是通过租用数据专线（帧中继或atm）来组建的，都属于二层vpn。 在基于ip的vpn中，穿过ip网络的虚拟点对点连接是通过隧道实现，一旦在两个ip端点之间建立隧道，报文就可以安全地从隧道一端传送到另一端。 在mpls域，任意两个端点之间可以建立标签交换路径（lsp），因其特性和隧道十分相似，常常被称作lsp隧道。基于mpls第二层vpn的网络拓扑结构图 ce必须通过pe接入mpls域。 对于同一个vpn，各个ce接入pe的方式比所需相同。 在mpls域中，pe1和pe2、pe1和pe3之间必须建立lsp，这些lsp的建立和vpn没有关系，它们仍然通过ldp或rsvp建立各自的lsp。 上图中假定lan1通过ce1用帧中继接口接入本地pe1，pe1就必须为帧中继接入电路分配数据链路连接标识符，同时在ce1中建立路由表。 对于ce1来说，mpls域就像一个帧中继网络，通过dlci=100的虚电路和vpn a ce3点对点相连，只要把送往192.11.2.0子网的ip报文封装成lapf（核心）帧，帧首部dlci字段值设为100，然后将封装后的lapf帧从相应的帧中继接口输出（fr1），就一定能够到达vpn a ce3。ce1中有关192.11.2.0子网的路由项 由于lsp是单向传输的，为了在vpn a各个子网之间双向传输数据，必须在pe1和pe2、pe1和pe3建立两条不同方向的lsp。因此在pe1中，对不同lsp有两张不同的转发表 pe1必须根据接收到的lapf帧首部的dlci字段值确定标识标签，选定对应的lsp，这个lsp可以通过pe1 lsp的输出标签和输出接口确定。 lsp的标识标签和输出标签是不同的，pe1的lsp输出标签和lsp输出接口确定了lsp，保证能够经过制定lsp将mpls 报文送到pe3，但当pe3接入多个不同的vpn时，无法从标识lsp的标签字段中确定对应的ce来转发lapf帧，因此必须使用标识标签，让lsp末端pe用标识标签确定该lapf帧的目的ce及相应的dlci。 在具体实现过程中，pe1首先将lapf帧封装成mpls报文，标签堆栈的栈底标签为标识标签，栈顶标签为lsp的输出标签，将携带有两层标签的mpls报文从lsp对应的输出端口转发出去，lsp中间的提供者路由器对mpls报文进行标签交换转发，在到达lsp的倒数第二跳提供者路由器时，只对mpls报文进行栈顶标签弹出操作（弹出标识lsp的标签），然后根据转发表从相应端口转发该mpls报文 mpls报文在到达lsp末端pe（pe3）时，标签堆栈只保留标识标签，用于标识lsp的输出标签在前一跳lsr（p3）并没有压入标签堆栈。 报文从vpn a中ip子网地址为192.11.1.0的lan1中终端发送到vpn a 中ip子网地址为192.11.2.0的lan2中终端的协议结构和报文转换格式如下图所示：协议结构报文格式转发b 基于mpls第三层vpn基于bgp扩展实现的mpls三层vpn包含以下基本组件：pe：provider edge router,pe路由器使用静态路由、ripv2、ospf或ebgp与ce路由器交换路由信息。尽管pe路由器维护着vpn路由信息，但它只需为其直接相连的那些vpn维护vpn路由。每台pe路由器为其直接相连的每个站点维护一个vrp（virtual routing forwarding table），每个客户连接映射到某个vrf上。在从ce路由器上学习本地vpn路由信息。pe路由器使用ibgp与其它路由器交换vpn路由信息。pe路由器可以保护到路由反射器的ibgp会话，作为全网状ibgp会话的替代方案。使用mpls在供应商骨干中转发vpn数据流量时，入口pe路由器作为入mpls使用，出入pe路由器作为出中lsr使用。 ce：客户边缘(ce)设备允许客户通过连接一台或多台供应商边缘（pe）路由器的一条数据链路接入服务供应商网络。ce设备是一台ip路由器，它与直接连接的pe路由器建立邻接关系。在建立邻接后，ce路由器把站点的本地vpn路由广播到pe路由器，并从pe路由器上学习远程vpn路由。prouter:provider router，供应商路由器是没有连接ce设备的供应商网络中的任何路由器。在pe路由器这间转发vpn数据流量时，供应商路由器作为mpls连接lsr使用。由于是在采用两层标记堆栈的mpls骨干中转发流量，因此供应商路由器只需维护到供应商pe路由器的路由，而不需维护每个客户站点专用的vpn路由信息。rr: route reflector ,bgp路由反射器asbr :automated system borde rrouter，自治系统边界路由器，在实现跨自治系统的vpn时，与其它自治系统交换vpn路由。mp-bgp：多协议扩展bgp，承载携带标签的ipv4/vpn路由，包括mp-ibgp、mp-ebgp。pe-ce路由协议：在pe、ce之间传递用户网络路由，可以是静态路由，或rip、ospf、isis、bgp协议。ldp：label distribution protocol，在pe之间建立尽力而为的lsp，经过p路由器，所有pe、p路由器均需要支持。rsvp-te：在vpn需要qos保障时，在pe之间建立具有qos能力的er-lsp。vrf：virtual routing fowarding table，虚拟路由转发表，它包含同一个site相关的路由表、转发表、接口（子接口）、路由实例和路由策略等。在pe设备上，属于同一vpn的物理端口或逻辑端口对应一个vrf，可通过命令行或网管工具进行配置，主要参数包括rd(route distinguish)、importroute-targets、export route-targets、接口（子接口）等。vpn用户站点：site是vpn中的一个孤立的ip网络，一般来说，它不通过骨干网公司总部、分支机构都是site的具体例子。ce路由器通常为vpn site中的一个路由器或交换设备，site通过一个单独的物理端口或逻辑端口（通常是vlan端口）连接到pe设备。 ce1和ce4不需要知道属于同一vpn的其他子网的分布情况，他们只需配置直接和其相连的lan的路由情况。vpn a ce1原始路由信息 将pe1和pe2设置为bgp的邻接路由器，同时pe1和vpn a ce1、vpn b ce2，pe2和vpn a ce4、vpn b ce3也可以设置为rip、ospf或者bgp的邻接路由器。 mpls通过ldp或rsvp在pe1和pe2之间建立pe1pe2和pe2 pe1的lsp，pe1通过和vpn a ce1交换路由信息，pe2通过和vpn a ce4交换路由信息，获知下表所示的路由项 标识标签是用来标识所属vpn的，由于pe1可能连接多个属于不同vpn的lan，而且这些属于不同vpn的lan所分配的ip地址可以相同，因此pe1必须为属于不同vpn的lan 建立单独的路由表。 当有报文到达pe1时，pe1无法从ip报文的目的ip地址确定ip报文所属vpn，因此必须给报文携带用于区分报文所属vpn的标识标签。 pe1通过bgp公告消息将标识标签公告给pe2，pe2也同样通过bgp公告消息将标识标签公告给pe1。 pe1和pe2通过bgp公告消息，各自从对方获知如下表所示的路由信息。 pe1和pe2建立最终路由表后，分别和vpn a ce1、vpn a ce4交换路由信息，vpn a ce1和vpn a ce4最终建立的路由表分别如下:vpn a ce1 最终建立的路由表 对于vpn a ce1，它只要配置有关直接相连的lan的路由信息，和作为路由协议邻接的路由器的pe1，并不需要知道属于同一vpn的其他lan的情况，对于vpn a ce4也同样如此。 通过ce1和pe1之间、ce4和pe2之间的路由协议，及pe1和pe2之间的路由协议，最终可以在ce1、pe1、pe2、ce4上生成所需的全部路由信息。 下面以ip地址为192.11.1.5的终端，向ip地址为192.11.2.5的终端传输ip报文为例，介绍报文的传输过程。 报文传输过程中的协议结构和报文格式转换图如下图所示:二 mpls技术与光传输网结合 背景 传统光网络的操作方式存在问题 网络失效、发生故障时，呈现慢收敛现象，恢复系统需要手工配置，唯一的加快方法是指配专用 的保护通道； 不同设备制造商的设备配合，在管理级的工作复杂化； 排除了分布式动态路由的控制方式； 网络扩展和业务指配复杂化 ；ip业务量的增加对光网络提出新要求 光通道应该具有自动控制和智能交换的能力 具有流量工程能力：允许每个用户系统对网络资源进行 态管理； 业务恢复和复原：在网络性能退化的情况下，能维持对业务的恢复能力。 动态的智能光网络能有效地连接网络资源和数据业务，获得高性价比的传送网，而且可以为发展新型宽带业务铺平了道路。 mpls向光网络的扩展 mpls over wdm网络的结构mpls over wdm的两个模型a 叠加模型 从路由的角度来说，ip/mpls业务层和光层是完全独立 的两层，光网络与ip网络可以独立地发展，两层通过一个公共的用户到网络的接口uni来完成相互关联； 两个控制平面之间几乎没有联系 两者之间不交换路由信息，独立选路，具有独立的拓扑结构，边缘设备只能看到通过核心光网络的光路径而看不到网络的内部拓扑； 容易实现分层管理； 网络中点到点的连接必须由边缘设备来建立； 网络扩展性能差，存在n2问题； 两个层面存在两套不同的地址空间，需要复杂的地址解析。 b 对等模型 ip/mpls和光层是对等的，即在两层中运行同一个路由协议，gmpls就属于对等模型； 光传送网和ip网络形成一个集成的网络，统一法的控制平面维护单一的拓扑，光交换机和ip路由器可以自由交换所有信息并运行同样的选路和信令协议，实现一体化的管理和流量工程； 每个边缘设备只需与相邻的光交换机而不是其他的边缘设备相关联；边缘设备可以看到核心网络的拓扑，点到点连接边缘设备只在数据传输时才需要； 路由协议能扩展到支持大规模的ip网络，简化了在光域内的波长通道指配，设备故障时可以快速自动回复，充分利用光网络资源； 必须在光层和ip层交互大量的状态和控制信息。 两层设备过于集成，相互牵制，网络供应商不愿意开放光网络拓扑结构mplms mpls与wdm光网络层的结合，就是将mpls中流量 工程的控制平面的思想应用于wdm光网络中，用来 指配光层上的端到端的光通道，其中不同的标记对 应于不同的波长，这种技术称为mplambdas 。网络模型工作原理 mplms网络由mpls模块和波长交换模块组成： (1) mpls提供资源发现、网络状态 、通路计算和路由管理等功能， （2） 按照在节点是否使用波长转换器，可以将光通道分为波长通道（wp） 和虚波长通道（vwp）： wp：整个光路采用同一波长； vwp：整个光路采用不同的波长； (3) 可重构的选路交换节点在源端和目的 端之间建立端到端光路来承载网络业务，以波长交换为核心，实现波长路由和交换； a 节点的交换操作是按照波长通道标识（wpi） 号或虚波长通道标识（vwpi）进行的； b vwpi是建立端到端通路的一系列波长的编号，由“入口波长+端口数”和“出口波长+端口数”构成。 c mpls将三层寻址的结果与包含vwpi的标签进行绑定操作，选路表的更新就等于vwpi的更新。 d 由具有可控交换机的可重构、可编程的oxc和oadm以及相应的光网络层智能控制模块实现选路、监控、整形和光通道的 保护和恢复等功能.gmpls gmpls（通用多协议标签交换）是ietf提出的可用于光层的一种通用多协议标签交换技术，可以实现ip与wdm的无缝结合； gmpls对mpls标签进行了扩展，标签不但可以用来标记传统的数据包，还可以标记tdm时隙、波长、波长组、光纤等； gmpls对信令和路由协议进行了修改和补充；以便充分利用wdm光网络的资源支持新业务（如vpn、光波长租用等）； gmpls采用链路管理协议lmp，解决光网络中各种链路的管理问题； gmpls对光网络的保护和恢复机制进行了改进gmpls的关键技术 gmpls支持的接口类型 gmpls的标签 gmpls的lsp gmpls的信令gmpls的路由 gmpls的链路管理 gmpls的保护恢复机制 gmpls支持的接口类型1. 分组交换接口psc（packet switch capable）：进行分组交换。通过识别分组边界，根据分组头部的信息转发分组例如mpls的标签交换路由器lsr基于垫片形式的标签转发数据；2. 第二层交换接口l2sc（layer2 switch capable）：行信元交换。通过识别信元的边界，根据信元头部的信息转发信元，例如atm lsr则基于atm的vpi/vci转发信元；3. 时隙交换接口tdmc（time division multiplexingcapable）：根据tdm时隙进行业务转发。典型的有sdh的dxc设备的电接口，可以根据时隙交换sdh帧； 4. 波长交换接口lsc（lambda switch capable）：根据承载业务的光波长或光波段转发业务，例如oxc设备是一种基于光波长级别的设备，可以基于光波长和光波段进行转发。光波段交换是光波长交换的进一步扩展，它将一系列连续的光波长当作一个交换单元。使用光波段交换可以有效减少单波长交换所带来的波形失真，减少设备的光开关数量，还可以使光波长之间的间隔减小； 5. 光纤交换接口fsc（fiber switch capable）：根据业务（光纤）在物理空间中的实际位置进行转发，例如oxc设备可对一根或多根光纤进行连接操作gmpls的标签gmpls定义了以下各种标签：分组交换标签（对应psc和l2sc）电路交换标签（对应tdmc）光交换标签（对应lsc和fsc）分组交换标签与传统mpls标签相同，而电路交换标签和光交换标签为gmpls新定义，包括请求标签、通用标签、建议标签以及设定标签。 1 请求标签 请求标签用于lsp的建立，由lsp上游节点发出，向下游节点申请建立lsp的资源。gmpls的lsp建立过程也是由上游节点向目的端发出标签请求消息、目的端返回标签映射消息。所不同的是，标签请求消息中需要增加对所要建立的lsp的说明，包括lsp类型（psc、tdmc等）、载荷类型等，其格式如图： lsp enc. type：其数值用来指示lsp类型；例如，当lsp=1时，表示lsp是分组传输，而lsp=5时，表示是sdh，而lsp=9，则对应光纤； reserved：保留。必须设为全“0”，接收时忽略其数值； g-pid：16 bits，用于指示lsp承载的载荷类型；例如，g-pid、14，表示是字节同步映射的sdhe1载荷；g-pid17，表示比特同步映射的sdhds1/t1载荷；g-pid32，表示数字包封帧。2 光波段交换标签对于oxc设备来说，一次交换一组连续的光波长可以有效地减少单个光波长的波形失真，提高业务的传输质量，这种光波长组的交换可用光波段交换标签来表示，其标签格式如图 waveband id：用于识别某个光波段，其数值由发送端oxc设备设定；start label：用于表示组成光波段的最短光波长的数值；end label：用于表示组成光波段的最长光波长的数值；3 设定标签设定标签用于限制下游节点选择标签的范围，其引入的原因在于： 某种类型的光设备只能传输和接收某一波段范围内的光波长，例如某个光端机只能接收c波段光波长，而另一个则能在c+l波段中接收光波长； 有些接口没有波长转换能力，要求在几段链路上甚至整条lsp上只能使用相同的波长； 为了减少波长转换时对信号波形的影响，设备一次只能处理有限个光波长； 一条链路两端的设备支持的光波长的数目和范围都不尽相同。reserved：保留字节； label type：希望下游节点接收的通用标签的类别； action：0表示希望接收以下子通道定义的标签；1表示不希望接收以下子通道定义的标签； subchannel：子通道标签的类型，子通道标签的格式与通用标签的格式相同。利用gmpls标签堆栈实现lsp lsp分级技术是通过gmpls标签堆栈技术来实现的： 从入口lsr 1来的分组达到入口lsr 2后，就进入了下一级lsp。 入口lsr 2先将原来的mpls标签1压栈，然后再由入口lsr 2分配一个新的标签2到标签堆栈的栈顶，通过标签压栈使新的标签2在这个嵌套的lsp里用于交换。（在一个低级lsp嵌入到高级lsp时，先保留原gmpls标签，再在原标签的头部添加新的标签。） 使用标签栈时，由于接口形成的分级，新的标签与被压栈的标签可能在形式上不一样，比如从tdmc lsp来的分组进入到lsc lsp时，被压入标签栈的标签是时隙形式的，而新分配的标签是光波长形式的。层次化lsp层次化lsp 的概念：gmpls引入层次化标签交换路径支持光网络，层次化的含义是针对lsp的复用能力而言的，复用能力越强的lsp，其层次越高。 lsp1、lsp2、lsp3和lsp4具有由低到高的嵌套关系。lsp1在最低层，它的始端和终端设备是具有分组交换能力的网络接口（主要的设备是路由器）；lsp1和其他具有分组传输能力的lsp可以聚合到lsp2中，lsp2处在第二层，它的始端和终端设备是具有时隙交换能力的网络接口，主要种类有sdh/sonet、tdm或adm接口；同样，lsp2可以和其他的具