电子科技大学高级计算机网络第四章中继原理

1、1Chapter 4Relay principlelWhats Relay means?Receive PDU from one port, and relay PDU to another port2IntroductionRepeaterEthernet SwitchIP RouterPDU processing &Relay machinePDU inPDU outIntroductionlRelay may occurs at all layers3RelayRelayRelayRelayRelayPhyLinkNetworkTransportApplicationRepeat

2、erBridgeRouterTrans.GatewayApp.GatewayIntroductionlRelay Examples4phyMACphyMACphyMACphyMACRelay4-Ports Ethernet switch(Layer-2 relay)MAC实体收到以太帧后，取出DU和形成ICI，向上递交所有SAP通道都进入中继Relay 根据ICI信息(源、目的MAC地址) 中继DU到另一个出口Relay 对DU的不同处理功能，形成多种类型的二层设备IntroductionlIP Router5phyMACphyMACphyMACphyMACIPRelay4-Ports IP

3、Router(Layer-3 relay)MAC实体收到以太帧后，取出DU和形成ICI，向上递交DU是IP实体的PDU(IP 报文)，IP实体根据IP报文中的地址信息(源IP和目的IP地址)，中继IP报文Relay 对PDU的不同处理，形成多种类型的三层设备(网络层设备)同样，传送层中继、应用层中继形成了丰富的组网设备IntroductionlIP Router vs. Ethernet switch两种完全不同中继类型两种完全不同中继类型一个用协议来中继，一个在协议外中继一个用协议来中继，一个在协议外中继一个利用一个利用PDU首部的信息，一个利用首部的信息，一个利用ICI信息进行中继信息进行

4、中继6电子科技大学通信与信息工程学院Router-Color and subduedRouterw/Silicon SwitchProtocol TranslatorCiscoWorksWorkstationTerminal ServerAccessServerNetFlowRouterWorkgroupDirectorNetwork Management AppliancePC RouterCardCiscoHubCisco MeetingPlace ExpressSoftware-Based Router on File/Application ServerBridgeWorkgroup

5、SwitchColor/SubduedSmall Hub (10BaseT Hub)100BaseTHubCDDI/FDDI ConcentratorPC Adapter CardIcons: Cisco ProductsWavelengthRouterTransPathuBR910Cable DSUWorkgroup SwitchVoice-EnabledStorage Solution Engine (SSE)IOS SLBVIP电子科技大学通信与信息工程学院SiSiRoute/Switch Processor with and without SiPC withSoftwarePC wi

6、th Router-Based SoftwareSwitch ProcessorATMSwitchLAN2LAN SwitchMicroWebServerISDNSwitchMGX 8000MultiserviceSwitchMulti-SwitchDeviceBroadbandRouterContent EngineCisco CACisco5500FamilyIcons: Cisco Products (Cont.)PXFManagement Engine(ME 1100)ASIC ProcessorGeneral ProcessorIPTransport ConcentratorBBSM

7、ITPATASIP Proxy ServerVoice GatewayApplication Velocity System电子科技大学通信与信息工程学院Cisco 4310 End Office SystemNetRangerNetSonarCisco7507Cisco7505Cisco7500(7513)Icons: Cisco Products (Cont.)Edge Label Switch Router with NetFlowSystemControllerCiscoDirectoryServerIP Standard and Old (Some Prefer)Multilayer

8、 Switch,with and without Textand SubduedEdge Label SwitchRouterCisco 1000Voice-Enabled Access Server(or Voice-Enabled Communications Server)Voice- Enabled RouterCisco 6920RateMuxApplication Control EngineProgram SwitchRouter with TDMADMADMADMFirewallServices ModuleCisco Unity ExpressCisco Unity Serv

9、erIntroductionl本章主要讨论本章主要讨论识别和处理识别和处理DU或或PDU来进行的中继来进行的中继协议内中继和协议外中继的讨论协议内中继和协议外中继的讨论中继算法和性能中继算法和性能中继排队模型中继排队模型l不讨论物理层中继不讨论物理层中继物理层还未达到识别和处理物理层还未达到识别和处理PDU的级别的级别10Relay Physical Layerl物理层依靠外部规则中继物理层依靠外部规则中继bit流流11Bit流无信息可用，只能按预定规则进行中继Bit流 入Bit流 出预设中继方向(电路交换)共享信道单入单出信号增强或变换Relay Modell层间接口层间接口第二章给出了层间

10、接口模型第二章给出了层间接口模型 ICI、DU及及SAP按照服务提供者按照服务提供者(SP)规定的规定的ICI提供相应的参数提供相应的参数lRelay 按照按照SP要求的要求的ICI，接收、中继转发，接收、中继转发DU或或PDU12phyMACphyMACphyMACphyMACRelayphyMACphyMACphyMACphyMACIPRelay协议外中继协议内中继Relay Modell外中继外中继一般化模型：不同链路层实体间的中继，因此各个接一般化模型：不同链路层实体间的中继，因此各个接口的口的ICI的内容和形式都不相同的内容和形式都不相同Relay从一个接口接收从一个接口接收DU，用

11、输入，用输入ICI计算中继出口计算中继出口形成输出形成输出ICI，转发，转发DU13phyLink4phyLink3phyLink2phyLink1RelayICI1ICI2ICI3ICI4【ICI0，DU】考察中继转发和上层实体发送考察中继转发和上层实体发送DU的差别的差别ICI0(ICI1 ，ICI2 ，ICI3 ，ICI4）协议栈基本特性，无难题(ICI1 ，ICI2 ，ICI3 ，ICI4)(ICI1 ，ICI2 ，ICI3 ，ICI4)(不同ICI间转换，外中继最大难题)DUH1DUHk外中继考察中继前后报文变化考察中继前后报文变化Relay Modell外中继实例外中继实例14ph

12、yMACphyMACphyMACphyMACRelayICI1ICI2ICI3ICI4以太网交换机各ICI相同格式，均为:目的、源MAC地址Relay沿用ICI内容即可计算出口phyPPPphyPPPphyMACphyMACRelayICI1ICI2ICI3ICI4混合中继PPP的ICI内容为空如何考虑中继方向算法phyPPPphyPPPphypppphypppRelayICI1ICI2ICI3ICI4PPP中继PPP的ICI内容为空如何考虑中继方向算法不是所有协议都能实现外中继Relay Modell混合中继和多混合中继和多PPP中继中继15【ICI(源、目的MAC),DU】【ICI(源、目

13、的MAC),DU】【ICI(null),DU】【ICI(null),DU】根据什么为DU选择出口？根据什么，为ICI添加源、目的MACPPP入PPP出MAC入MAC出根据什么为DU选择出口？PPP入PPP出多PPP中继MACPPP混合中继一般而言，除了像以太网这种一般而言，除了像以太网这种特例特例外，外中继几乎是难以实现外，外中继几乎是难以实现的，特别是多种不同协议之间的外中继，的，特别是多种不同协议之间的外中继，几乎是不可实现的几乎是不可实现的Relay Modell外中继实例外中继实例网络层的外中继网络层的外中继16IPv4IPv6RelayH4DUH6DU中继DU，首部发生了切换外中继重

14、要的特性之一：中继可跨接到不同的网络上。外中继重要的特性之一：中继可跨接到不同的网络上。外中继似乎是异种网络互联的关键要素！外中继似乎是异种网络互联的关键要素！如何克服如何克服不可实现不可实现与与异种互联异种互联需求的矛盾？需求的矛盾？关键问题：如何确定源和目的主机的地址（Iv4Iv6）Relay Modell内中继内中继17phyPPPphyPPPphyMACphyMACIPRelayIP的中继的算法依据是IP分组的首部信息，与ICI无关(此例中，与链路层实体及它们的ICI无关)ICI1ICI2ICI3ICI4H4DUH4DU输出时，与外中继不同点在于：不是用ICI计算中继方向；而是独立、自

15、成体系的中继方向算法(是协议功能的组成部分)中继完整的IP报文18Relay Modell链路层内中继链路层内中继FR、ATM、MPLS采用内中继采用内中继有人认为是链路层、也有人认为应该是网络层有人认为是链路层、也有人认为应该是网络层每个接口都需要独立独立的bit流上的帧同步功能(这是链路层的功能)。链路协议本身功能简化到“基本无基本无”网络层把中继功能下放下放给链路层实现，自己仅保留路由控制功能路由控制路由控制网络层还是链路层？网络层还是链路层？Phy帧同步帧同步差错控制差错控制Phy帧同步帧同步差错控制差错控制Phy帧同步帧同步差错控制差错控制Phy帧同步帧同步差错控制差错控制Phy帧同

16、步帧同步差错控制差错控制relay内还是外？内还是外？Relay Modell内、外中继发生在哪些层次上内、外中继发生在哪些层次上任意层次上都可有外中继发生任意层次上都可有外中继发生网络层有内中继网络层有内中继19RelayRelayRelayRelayRelayPhyLinkNetworkTransportApplication内中继内中继链路传输，一般不考虑中继功能端到端功能，协议不再考虑中继功能内中继内中继Relay Modell高层的中继高层的中继QQ即时通信是一种应用层内中继即时通信是一种应用层内中继lTCP桥接桥接桥接两段桥接两段TCP，内还是外中继？，内还是外中继？20QQ服务器

17、门户网站文件服务器TCP1TCP2TCP桥接Relay Modell信息网络信息网络更多的应用层或传输层中继需要我们来开拓更多的应用层或传输层中继需要我们来开拓采用内中继还是外中继技术？采用内中继还是外中继技术？21Relay Modell小结小结22phyMACphyMACphyMACphyMACRelayphyMACphyMACphyMACphyMACIPRelayRelay多入多出时，需要某些信息来支撑中继算法在某些层、或在不同协议间采用外中继中继信息来源于ICI中继的内容是DU(上层的PDU)不同协议间中继存在巨大障碍中继是协议的内在功能中继信息是自身PDU定义的中继的内容是自身的PD

18、U中继前后都是自己的对等实体外中继的继续讨论外中继的继续讨论lIPv4/IPv6网关网关23IPv4IPv6Relay地址映射问题IPv6IPv4TCP/UDPTCP/UDP应用实体应用实体应用实体应用实体应用层数据包含IP地址的问题，如DNS：从域名解析IP地址；QQ：消息中包含IP地址；FTP：报文中包含IP地址在应用层中出现的在应用层中出现的IP地址也需要转换！地址也需要转换！24外中继的继续讨论外中继的继续讨论lIPv4/IPv6中继中继IPv6地址中划出一部分直接映射成地址中划出一部分直接映射成IPv4的地址的地址IPv6访问这些地址被中继直接转换成访问这些地址被中继直接转换成IPv

19、4地址地址IPv4只能访问只能访问IPv6的极少部分站点的极少部分站点(中继中人工设定中继中人工设定)无法用无法用IPv6地址，需要借助于地址，需要借助于DNS(域名系统域名系统)中继需要包含对中继需要包含对DNS的转换的转换 (应用的转换应用的转换+中继中继) (DNS ALG)Web中含域名系统中含域名系统中继需要处理中继需要处理WWW数据中的域名转换数据中的域名转换(WWW ALG)FTP中包含域名中包含域名中继需要处理中继需要处理FTP数据中的域名转换数据中的域名转换(FTP ALG)V4RelayV6IPv4网络网络IPv6网络网络DNSALGWWWALGFTPALGQQALG外中继

20、的继续讨论外中继的继续讨论lPPP实现以太网远程桥接实现以太网远程桥接将两边的以太网连接成一个整体将两边的以太网连接成一个整体25PPP信道信道MACPPPphyphyRelayMACPPPphyphyRelay问题分析外中继的继续讨论外中继的继续讨论lPPP实现以太网远程桥接实现以太网远程桥接有有PPPoE，是不是可以有，是不是可以有EoPPP？以太网交换机模型以太网交换机模型+EoPPP模型模型远程桥接模型远程桥接模型26MACPPPMACPPPMACMACRelayMACMACRelayPPPMACPPPphyphyMACPPPphyphyRelayMACMACRelay拓展：MAC可以

21、放在UDP上吗？是不是可以用IP网络来桥接以太网？PPPDUEDUE27外中继的继续讨论外中继的继续讨论l分布式网桥的中继模型分布式网桥的中继模型IP 网络网络MACMACMACMACMACMAC?MACMACMAC?28802.3802.11中继中继(WiFi)l两者协议不同，但具有相同的地址格式和服务原语两者协议不同，但具有相同的地址格式和服务原语802.11：无线信道上的以太网：无线信道上的以太网 (竞争信道竞争信道)DASATData802.3 FrameTData802.11 FrameFC DurDASAAPTDataFC DurAPDASASADAAPABABTDataFC Du

22、rDAIDSACC802.11802.3具有完全相同的服务原语具有完全相同的服务原语网络ID外中继的继续讨论外中继的继续讨论l外中继更多的问题外中继更多的问题29Entity-AEntity-BRelay不同中继信息之间的转换AB不同MTU，A、B是否有分段/组合功能？Entity-BEntity-ASAP-ASAP-B不同SAP定义，是否能找到对应关系？不同地址空间定义，是否能找到对应关系？外中继的继续讨论外中继的继续讨论lTCP和和UDP如何实现外中继？如何实现外中继？前面的前面的TCP桥接的例子桥接的例子30TCPTCPRelayUDPUDPRelay错误结构描述TCP/UDPSAP在不

23、同SAP之间中继TCPTCP通信连接通信连接TCPTCP通信连接通信连接端点端点端点端点端点端点端点端点外中继的继续讨论外中继的继续讨论l练习练习为了防止外部直接访问文件服务器为了防止外部直接访问文件服务器(安全考虑安全考虑)，所有，所有的文件上下载都必须经过一台关口控制服务器。该关的文件上下载都必须经过一台关口控制服务器。该关口服务器的功能是接收外部连接，确认正常情况下，口服务器的功能是接收外部连接，确认正常情况下，关口服务器发起对文件服务器的连接，然后将这两个关口服务器发起对文件服务器的连接，然后将这两个TCP连接起来，中继它们之间传递的信息。并且在它连接起来，中继它们之间传递的信息。并且

24、在它们通信过程中，观察通信状况，以便在出现有害现象们通信过程中，观察通信状况，以便在出现有害现象时，及时切断它们的通信，达到保护服务器的目的。时，及时切断它们的通信，达到保护服务器的目的。试编写这样的软件，逐步实现更多功能试编写这样的软件，逐步实现更多功能31l以太网与以太网与Token Ring间转换网关间转换网关链路层中继链路层中继(协议转换协议转换)网络层中继网络层中继(如如IP中继中继)几种典型中继设备分析几种典型中继设备分析32802.3802.5Relay802.3802.5中继要求中继要求1、两种网的地址格式一致、两种网的地址格式一致2、两种网的、两种网的SAP使用规则一致使用规

25、则一致可用于运载任意网络层协议可用于运载任意网络层协议802.3802.5802.3802.5IPIPIP中继条件：中继条件：1、IP协议的内容功能协议的内容功能2、中继与两种网络无关、中继与两种网络无关网络层协议仅有网络层协议仅有IP中继中继DU中继中继IP报文报文33上页协议转换问题上页协议转换问题l1. reformat the frame and compute new checksuml2. Reverse the bit orderl3. Copy the priority, meaningful or notl4. Generate a fictitious priorityl5

26、. Drain the ring (some how)l6. Discard priorityl7. Set A and C bitsl8. Worry about congestion( fast to slow LAN)l9. Worry about token handoff ACK being delayed or impossiblel10. Panic if frame is too long for destination LAN 1，41,2,4,81,5,8,9,1091,2,3,8,9,101,2,5,6,7,101,2,3,6,76,7802.3802.4802.5802

27、.5802.3802.4几种典型中继设备分析几种典型中继设备分析l以太网远程连接以太网远程连接链路层中继链路层中继网络层中继网络层中继一定要用链路层中继一定要用链路层中继(上层不是上层不是IP协议）协议）34PPP信道信道802.3PPPRelayPPP中继中继DU802.3Relay中继中继DU由于由于PPP的的ICI信息无信息无助于中继，助于中继，该方案是该方案是不可实现的不可实现的802.3PPPPPP802.3IPIP中继是中继是IP协议实现的，协议实现的，PPP和和802.3互不相关，互不相关，不存在转换问题，不存在转换问题，方方案可实现案可实现802.3PPP802.3Relay8

28、02.3PPP802.3Relay以太网间可中继以太网间可中继以太帧作为以太帧作为DU封装到封装到PPP中，不是转换中，不是转换PPP仅是携带仅是携带DU而已而已(EoPPP)几种典型中继设备分析几种典型中继设备分析lADSL接入接入链路层中继链路层中继网络层中继网络层中继链路层中继可实现方案链路层中继可实现方案35EtherPPP/ADSL主机采用以太网接口是因为主机采用以太网接口是因为没有其它高速接口可用没有其它高速接口可用802.3ADSLRelay中继中继DUADSL Modem同理，同理，不可实现不可实现802.3PPPADSLPPPIPADSL路由器路由器在在IP上中继，上中继，8

29、02.3和和PPP与中继无关，与中继无关，802.3ADSLRelayADSL Modem两端口的两端口的PPP中继中继可实现可实现(PPPoE)PPPPPP802.3PPP中继的性能特性中继的性能特性l中继的时延特性中继的时延特性中继的固有时延中继的固有时延T0T0 = 信道速率信道速率/帧长度帧长度固有时延相当于增加了信道长度固有时延相当于增加了信道长度处理时延处理时延T1Relay接收完接收完DU后，为其选择出口的计算时延后，为其选择出口的计算时延(计算量分析计算量分析)处理时延处理时延T1直接影响中继设备的吞吐性能直接影响中继设备的吞吐性能若中继设备为一个若中继设备为一个DU选择出口的

30、计算需要选择出口的计算需要1us，则该设备的最大吞吐量，则该设备的最大吞吐量为为1M PDU/s排队时延排队时延T2接收的接收的DU排队等待处理、排队等待发送的时延排队等待处理、排队等待发送的时延排队时延反映网络的流量特性对通信的影响排队时延反映网络的流量特性对通信的影响(排队论分析排队论分析)若多个接口的若多个接口的DU要从一个接口出，超出接口通信流量，引起排队要从一个接口出，超出接口通信流量，引起排队T0、T1基本是固定值，基本是固定值，T2则是随机的则是随机的l结论：中继对报文传输带来了随机的延时结论：中继对报文传输带来了随机的延时36RelayDevice固有时延固有时延中继时延中继时

31、延排队时延排队时延T0T1T1T2中继的吞吐性能中继的吞吐性能l吞吐性能指标吞吐性能指标中继设备每秒从所有接口发出中继设备每秒从所有接口发出PDU的最大值的最大值pps （pdu per second)DU入DU出接收处理(并行)发送处理(并行)中继处理(串行)Relay设：Relay 处理一个PDU所需的时间是T1，则中继设备的最大吞吐量为: Thr = 1/T1 （pps）-中继系统本身的最大能力，与速率无关，与排队无关38Relay Algorithml中继分类中继分类中继内中继外中继连接模式的中继无连接模式的中继连接模式的中继无连接模式的中继连接-无连接间的中继-PDU提供的连接提供的

32、连接ID做中继线索做中继线索-PDU源源/目的地址做中继线索目的地址做中继线索-ICI提供源提供源/目的地址做中继线索目的地址做中继线索-ICI提供连接提供连接ID做中继线索做中继线索-ICI中继线索中继线索 ？无连接模式的中继性能无连接模式的中继性能l链路层、网络层的中继链路层、网络层的中继各各PDU之间是独立无关的之间是独立无关的l常规中继方式常规中继方式中继转发表中继转发表39DU入DU出Relay依靠ICI(外中继)或PDU首部(内中继)的地址信息，选择出口目的地址目的地址出口出口地址12。1地址n4中继转发表(FT)转发：DU出口=FT目的地址.出口无连接模式的中继性能无连接模式的中

33、继性能l转发性能问题转发性能问题(DU出口出口=FT目的地址目的地址.出口出口)FT表有多大？表有多大？以太网地址以太网地址48bits、IP地址地址32bits、IPv6地址地址128bits需要需要248(=218*230=256T)、232、2128条表项条表项40415. PDU throughputlPDU throughput performanceNo. of PDU per secondRelay 模块每秒的模块每秒的PDU处理能力处理能力l基本描述基本描述假设中继系统有假设中继系统有K个全双工接口个全双工接口每个接口最大输入能力是每个接口最大输入能力是Ri个个PDU/秒秒 (

34、pps，i=1，2,K)最大总输入量为最大总输入量为Rin=Ri当输出量也到达当输出量也到达Rout=Rin时，称中继系统可线速工作时，称中继系统可线速工作实际系统中，实际系统中，Rout 可能远远小于可能远远小于 Rin原因：原因：Relay的处理能力不足的处理能力不足本节探讨本节探讨Relay能力不足的原因及有关技术能力不足的原因及有关技术PDU inPDU OutRelayR1R2RKr1r2rK42Relay Processing ModelR1R2RKr1r2rK查表运算查表运算中继转发表中继转发表Qi1Qi2QiKQo1Qo2QoK输入队列输入队列输出队列输出队列并发输入并发输入并

35、发输出并发输出串行运算串行运算查表运算速率查表运算速率 P查表查表 Ri = Rin （pps）输入和输出是输入和输出是K个接口并发处理的，只有中继处理是串行进行的个接口并发处理的，只有中继处理是串行进行的(逐个逐个PDU处理处理)。中继系统要到达线速性能的基本条件：中继系统要到达线速性能的基本条件：43Relay Processing Modell输入输出不匹配输入输出不匹配部分输出排队等候，而其它输出队列为空部分输出排队等候，而其它输出队列为空l低效查表算法低效查表算法每秒为每秒为K个分组查表个分组查表Rout=K dMac);lHash算法只需算法只需1次查表算法次查表算法16口口100

36、M 以太网交换机所需的查表运算量以太网交换机所需的查表运算量Proc = 16*148.8k = 23808k = 23.8M运算单元运算单元l以太网交换机无法回避的问题以太网交换机无法回避的问题不同不同MAC产生同一产生同一hash值值OutIFHashh12hMac8K个表项Hash 索引表(48bits)(13bits)47中继转发表中继转发表以太网交换机的排队模型以太网交换机的排队模型R1R2RK查表运算查表运算Qi1Qi2QiKQo1Qo2QoK48IP路由器中的查表算法路由器中的查表算法l不能采用不能采用Hash算法算法(地址模糊地址模糊)需要精确匹配每个子网地址、出口位置、下一网

37、关需要精确匹配每个子网地址、出口位置、下一网关lIP地址数量地址数量IPv4 232， IPv6 - 2128IP路由器需要掌握每个路由器需要掌握每个IP地址的出口和方向地址的出口和方向IP路由表项有多大？路由表项有多大？lIP路由器性能要求路由器性能要求普通路由器：几百普通路由器：几百几兆几兆 pps中心路由器：几十中心路由器：几十几百及上千兆几百及上千兆 pps49PDU throughputlIP路由器查表算法路由器查表算法分级分级(索引索引+查表查表)算法，以减少查表次数算法，以减少查表次数第一字节索引，将表分为第一字节索引，将表分为256个子表，长度减少个子表，长度减少256倍，倍，

38、优化索引表结构优化索引表结构高速缓存高速缓存将最近使用过的表项存入将最近使用过的表项存入(较小的较小的)高速缓存，提高查表命中率高速缓存，提高查表命中率先查高速缓存，没有时再按常规查询先查高速缓存，没有时再按常规查询IP交换机交换机高速缓存硬件查表高速缓存硬件查表分级查表软件实现分级查表软件实现分级查表算法示意图分级查表算法示意图索引索引顺序查找高速缓存IP交换机交换机(硬件中继硬件中继)硬件查表软件查表特别现象：首次通信速度慢特别现象：首次通信速度慢50PDU throughputlIP路由器查表算法路由器查表算法分布式中继和查表分布式中继和查表板内中继，仅需较小的板内路由表板内中继，仅需较

39、小的板内路由表(提升速度提升速度)板间中继，全局路由表板间中继，全局路由表(硬件缓存硬件缓存+软件查表软件查表)板内路由表由全局路由维持和动态更新板内路由表由全局路由维持和动态更新LLLLLLLLLLLLLLLLIP relayIP relayIP relayIP relay板内中继板内中继板间中继板间中继IP路由器路由器51PDU throughputlMPLS中继算法中继算法20bit标签值，标签总量标签值，标签总量220 = 1M每个报文流用同一个标签，只从同一个入口进每个报文流用同一个标签，只从同一个入口进每个入口可以有多个流，各个流的标签值不同每个入口可以有多个流，各个流的标签值不同

40、每个标签对应一个出口，报文根据标签值从对应出口中继出去每个标签对应一个出口，报文根据标签值从对应出口中继出去void MPLSRelay(in,mp) LB=mp.LBL; if(tabLB.Lnk1=in) Out = tabLB.Lnk2; else Out = tabLB.Lnk1; SendTo(mp,Out);DULBMPLS PDUMPLS报文中继只需一次查表采用硬件中继可轻松实现高达上百G吞吐性能52PDU throughput小结小结l中继类型中继类型根据查表方式分为：串行中继、并行中继根据查表方式分为：串行中继、并行中继串行中继并行中继并行中继并行中继 查表参数：流标识查表参

41、数：流标识(ID) 查表方式：流标识索引查表方式：流标识索引 查表速度：接口最大报文速率查表速度：接口最大报文速率 缺点：同一个流须来自同一接口缺点：同一个流须来自同一接口 优点：高速中继，可硬件实现优点：高速中继，可硬件实现串行中继串行中继查表参数：目的地址查表参数：目的地址查表方式：逐项搜索查表方式：逐项搜索查表速度：报文速率查表速度：报文速率*接口数接口数*表深度表深度缺点：查表速度要求太高无法实现缺点：查表速度要求太高无法实现优点：一个报文流可从多个接口进入优点：一个报文流可从多个接口进入 6 Relay to SwitchlIP路由器采用串行中继，阻碍了向高性能发展路由器采用串行中继

42、，阻碍了向高性能发展l提高路由器的性能方法提高路由器的性能方法提高中继性能提高中继性能减少路由表项数减少路由表项数l提高中继性能提高中继性能IP交换技术交换技术从设备上提升性能从设备上提升性能从组网方式上提升性能从组网方式上提升性能l减少路由表项减少路由表项路由聚合、网络拓扑聚合路由聚合、网络拓扑聚合53IP交换技术交换技术l1996年，是年，是IP从中继转向路由的年代从中继转向路由的年代lIpsilon公司提出公司提出IP交换概念交换概念(1996)由由IP路由器对路由器对ATM交换机实施控制交换机实施控制当检测到大容量、长时间的业务时，当检测到大容量、长时间的业务时，IP路由器为该业路由器

43、为该业务建立一条务建立一条ATM传输路径传输路径54IP中继路径为业务流建立ATM高速路径 将IP报文经过多个路由器的路径，转变成一条ATM的传输路径，从而实现了IP报文的快速传输路由器控制交换机IPATMATM通道控制通道控制源目的报文通道IP交换技术交换技术lIBM提出聚合路由的提出聚合路由的IP交换技术交换技术(1996)在在ATM网络上建立多条点到点网络上建立多条点到点/点到多点的交换通路点到多点的交换通路IP将路由表项通过聚合，映射到这些交换通路上将路由表项通过聚合，映射到这些交换通路上55ATM网络网络IBM的方案与Ipsilon的方案相比，对ATM网络的部署和利用更简单且更充分

44、不需要探测大容量业务流 不需要为业务流动态建立通道 路由聚合有效减少了表项数目没有区分不同流的不同需求，相对粗糙业务流映射到几个通路上IPATMMAC通道号+IP报文IP交换技术交换技术lCisco提出提出Tag-Switch用标记的思想把寻址和转发统一起来用标记的思想把寻址和转发统一起来将路由过程和转发过程分离将路由过程和转发过程分离56MACMACMACMAC寻址寻址寻址寻址寻址寻址寻址寻址路由路由Tag-switch(转发转发)IP实体路由器Tag+IP报文路由信息分发路由接口板思科的方案重点在不改变IP网络的结构下，提高路预期的吞吐率基于tag的高速交换IP交换技术交换技术lIETF对

45、几种技术进行综合和标准化对几种技术进行综合和标准化MPLS，Multi-Protocol Label Switch57LBDUATM的通道使用过于复杂(VPI,VCI), ATM信元开销过大 Label用于中继转发(Cisco)，用于IP及其它协议 用Label可建立任意两点间的通道(IBM) 可用Label动态建立通道(Ipsilon) 首部可嵌套实现多级通道首部一级通道二级通道二级通道LB1lbn587. Relay QoSlQuality of ServiceDelay featureJitter (Delay variance)PDU flow FairnessHeavy load a

46、nd light load performancel问题描述问题描述一个大流量的数据和一个小流量的语音一个大流量的数据和一个小流量的语音(如如VoIP)同时经过中继同时经过中继系统，并从同一个出口送向目的地系统，并从同一个出口送向目的地数据流量虽大，但允许出现一定的延迟数据流量虽大，但允许出现一定的延迟语音流量虽小，但对延迟有严格的要求语音流量虽小，但对延迟有严格的要求大流量的数据对小流量的语音产生什么影响？大流量的数据对小流量的语音产生什么影响？采取什么措施才能让二者都能得到满意的效果？采取什么措施才能让二者都能得到满意的效果？语音语音数据数据59Queuing Theoryl排队模型排队模

47、型无限容量的队列，无限容量的队列，PDU(客人客人)随机到达并排队。侍者按先到随机到达并排队。侍者按先到先服务的方式为客人服务，每次服务一位客人。先服务的方式为客人服务，每次服务一位客人。l客人到达时间分布函数客人到达时间分布函数: 客人平均到达率客人平均到达率Pn(t) :在时间在时间t内到达内到达n位客人的概率位客人的概率l每位客人服务时间长度每位客人服务时间长度(PDU长度长度)分布函数分布函数 1/u: 为平均服务时间长度为平均服务时间长度侍者侍者队列队列!)()(nettPtnntetf)(60Queuing TheorylPDU中继排队描述中继排队描述PDUPDU到达时间分布到达时

48、间分布( (均值为均值为 ) )PDUPDU长度长度( (均值为均值为1/u)1/u)服务服务61Queuing TheorylSome Results队列长度与队列长度与PDU到达概率、到达概率、PDU长度相关，也与信道长度相关，也与信道速率有关速率有关队列长度队列长度=n的概率为的概率为Pn平均队列长度平均队列长度平均排队时间平均排队时间)1 (nnPCCC C 为信道速率，为信道速率，为信道的最大为信道的最大PDUPDU速率，速率，为信道占用率为信道占用率1)(nE)1 ()(1CnECT62Queuing Theoryl考查平均排队时间考查平均排队时间当信道占用率低于当信道占用率低于5

49、0%时时排队时间较小排队时间较小(少于少于1个个PDU)当信道占用率达当信道占用率达70%以上以上排队时间急剧加大排队时间急剧加大l中继系统中继系统QoS当信道占用率较大时，将对中继的服务质量带来重大影响当信道占用率较大时，将对中继的服务质量带来重大影响前面前面(数据、语音数据、语音)例子，数据通信量将严重影响语音通信质量例子，数据通信量将严重影响语音通信质量)1 ()(1CnECT0.5115100.99/(1- )1/91/43/72/313/27/3499963Back to Relay QoSl解决解决QoS的途径之一的途径之一

50、是采用多个队列，将要求是采用多个队列，将要求不同服务质量的不同服务质量的PDU分开排队分开排队(分类分类)，侍者区分，侍者区分处理处理(队列调度队列调度)。队列队列侍者侍者分类分类调度调度64经典排队算法经典排队算法PQlPQ（Priority Queuing, 优先级排队）优先级排队）PDU按优先级排到不同的队列中按优先级排到不同的队列中侍者首先服务最高优先级的队列，只有优先级高的队列为空时，侍者首先服务最高优先级的队列，只有优先级高的队列为空时，才服务下一优先级的队列才服务下一优先级的队列l研讨研讨PQ对中继对中继QoS的贡献的贡献(定性分析话音和数据的中继效果定性分析话音和数据的中继效果

51、)PQ有哪些不足有哪些不足过于重优轻慢的问题过于重优轻慢的问题PQP0P1P2P3P0空P1空P2空P3空取出、发送1个PDUNNNN经典排队算法经典排队算法PQl低优先级的报文被拖延现象低优先级的报文被拖延现象65PQ优先级高中低输出结果66经典排队算法经典排队算法CQlCQ （Class Queuing,分类排队分类排队)将单一优先级分类改变成一般分类概念进行排队将单一优先级分类改变成一般分类概念进行排队优先级、流量、实时性等优先级、流量、实时性等为各队列分配适当的流量比例额度为各队列分配适当的流量比例额度调度远未达到比例额度的队列中的调度远未达到比例额度的队列中的PDU发送发送调度算法细

52、节如何调度算法细节如何(1额度额度=?字节字节)CQ的效果的效果如何对语音和数据进行分类？如何对语音和数据进行分类？队列额度高、队列短问题队列额度高、队列短问题需要相当量的手工配置和调节需要相当量的手工配置和调节CQC0C1C2C3C0？C1？C2？C3？取出、发送1个PDUNNNN是否已达到规定的流量分类67经典排队算法经典排队算法FQlFQ （Fair Queuing，公平队列调度），公平队列调度）采用循环调度，保证各个队列完全公平的（流量基本均等）采用循环调度，保证各个队列完全公平的（流量基本均等）调度方式规则，易于硬件实现调度方式规则，易于硬件实现l将不同的传输将不同的传输(流量、实时

53、性流量、实时性)需求转变为排队算法需求转变为排队算法讨论：数据和语音的排队方式讨论：数据和语音的排队方式FQF0F1F2F3F(i)空取出、发送1个PDUi+N选择68经典排队算法经典排队算法WFQlWFQ （Weighted FQ，加权，加权FQ）FQ通过加权，对各个队列实现一定水平的配额分配。通过加权，对各个队列实现一定水平的配额分配。WFQQ0Q1Q2Q3W0W1W2W3F(i)？取出、发送1个PDUi+非空且未达到加权的流量dWi选择各个队列的流量分别为：W0，W1，W2，W3，69更多的排队算法更多的排队算法lCBWFQ基于类的加权公平队列，混合的算法，集中了基于类的加权公平队列，混

54、合的算法，集中了CQ和和WFQ的优点，可以支持的优点，可以支持N个流量类，每个流量类均有个流量类，每个流量类均有自己的队列，队列使用自己的队列，队列使用WRR算法进行轮询。是数据算法进行轮询。是数据应用中的很高效的算法，但不能为实时应用提供严格应用中的很高效的算法，但不能为实时应用提供严格的优先级保障。的优先级保障。lLLQ低延时队列。集成了低延时队列。集成了CQ、PQ、WFQ的优点。也可的优点。也可称为称为PQ-CBWFQ。LLQ在在CBWFQ的基础上增加了的基础上增加了严格的优先级保证。常用于语音网络。严格的优先级保证。常用于语音网络。70排队机制的算法模型排队机制的算法模型l排队算法的一

55、般模型包括三个算法排队算法的一般模型包括三个算法分类分类进入不同的队列算法进入不同的队列算法调度调度输出调度算法输出调度算法资源资源队列缓冲区资源分配算法队列缓冲区资源分配算法分类调度分类算法： 源/目的地址 协议 流类型 调度算法： QoS 流量 实时性 缓冲区资源分配71队列管理算法队列管理算法lRED （Random Early Detect，随机早期检测），随机早期检测）当队列长度达到预设值后，按一定概率随机丢弃进入队列的当队列长度达到预设值后，按一定概率随机丢弃进入队列的PDU，较，较好地控制了平均队列长度好地控制了平均队列长度l输出排队输出排队 （OQ， Output Queuin

56、g)输入处理后直接在输出端口排队输入处理后直接在输出端口排队N端口要求缓冲区以端口要求缓冲区以N倍速工作，高速下难实现倍速工作，高速下难实现l输入排队（输入排队（IQ，Input Queuing）在输入端排队，输出有空时直接递交发送在输入端排队，输出有空时直接递交发送受队列头阻塞问题制约受队列头阻塞问题制约l输入输出联合排队输入输出联合排队 （CIOQ, Combined IOQ)掌握输入输出的拥塞情况掌握输入输出的拥塞情况算法复杂算法复杂RED72网络的服务质量（网络的服务质量（QoS）l仅中继系统的仅中继系统的QoS是不够的是不够的使用排队和缓冲区管理提高自身的使用排队和缓冲区管理提高自身

57、的QoSl需要网络协议的需要网络协议的QoS功能上的配合功能上的配合不同的应用需要不同的不同的应用需要不同的QoS为中继系统提供正确的为中继系统提供正确的QoS能力能力73网络的网络的QoS例：例：IP 的的QoSlIETF定义的定义的IP QoS 标准标准IntServ利用利用IP的的ToS，针对每个流设置所需的，针对每个流设置所需的QoSToS：Type of ServiceDelay, Throughput,DiffServ取代取代ToS，重新定义为，重新定义为DS。定义了相对简单、粒度粗的。定义了相对简单、粒度粗的QoS类，对同类的流进行聚合控制。类，对同类的流进行聚合控制。协议协议Q

58、oS为中继系统实施为中继系统实施QoS提供了具体措施提供了具体措施各个各个IP路由器上独立实施路由器上独立实施MPLS交换网统一实施交换网统一实施74Relay QoS小结小结l排队理论排队理论排队输出方式可能对排队输出方式可能对QoS产生重大影响产生重大影响实时性问题、公平性问题实时性问题、公平性问题通过不同的排队调度，可提高中继的通过不同的排队调度，可提高中继的QoS性能性能l中继在输出端的排队处理中继在输出端的排队处理FIFOPQCQ简单处理简单处理优先队列处理优先队列处理一般性的分类处理一般性的分类处理FQWFQ CBWFQ公平性公平性加权公平加权公平分类的加权公平分类的加权公平l网络

59、的网络的QoS中继的中继的QoS仅有局部意义，网络仅有局部意义，网络QoS则是全局的意义则是全局的意义网络的网络的QoS可能牺牲某些中继的可能牺牲某些中继的QoS758. Multi-Layer Switchl在多个层次同时实现中继交换在多个层次同时实现中继交换l首先需要回答这样的问题：首先需要回答这样的问题：在一连串的中继过程中，中继是如何结束的？在一连串的中继过程中，中继是如何结束的？在端系统上结束中继在端系统上结束中继中继系统可不可能也作为端系统？中继系统可不可能也作为端系统？MACMACMACMACRelayIP EntityLLLLLRelayIPIP中继中继MAC中继中继MAC端系

60、统端系统中继系统中继系统MAC端系统端系统IPIP端系统端系统中继系统中继系统76Multi-Layer Switchl中继系统作为端系统中继系统作为端系统MACMACMACMACRelayIP EntityLLLLLRelayIP如果目的如果目的MACMAC地址是中继系地址是中继系统的统的MACMAC地址之一地址之一- -表示什么意思？表示什么意思？- -该如何处理？该如何处理？如果目的如果目的IPIP地址是中继系统地址是中继系统的一个的一个IPIP地址地址- -表示什么意思？表示什么意思？- -该如何处理？该如何处理？MPLSMPLS交换没有此可能性交换没有此可能性- -标签不带寻址信息标签不带寻