2-1、网络的发展和融合：MPLS

研究生学位课程：

通信网理论基础南京邮电大学张顺颐2016,4,11dirzsy@）2023/2/11第二部分：网络的发展和融合1、网络的发展和融合：关于MPLS(多协议标记交换技术)2、对等网络P2P3、融合通信技术及其发展4、物联网技术及其应用5、下一代广电网络NGB及三网融合6、软件定义网络SDN7、局域网的标准及发展8、下一代互联网的标准体系

2023/2/121、网络的发展和融合

通信网络发展的三个阶段随着通信技术从电路交换发展到分组交换，网络技术也经历了重大的改变。这种改变，大致可分为三个阶段。2023/2/13通信网络的演进通信网络发展指导思想的演进（从指导思想分析）：按照业务建立网络－网络适应电信业务：例如电话网、电报网、传真网、数据网、图象网建立综合业数字网络－ISDN，可以适应低速的话音、数字和图象让信号适应网络－IP技术，采用IP技术，可以将话音、高速的数字、图象等统一以IP的方式传送，其间信号的特征已经不再成为网络发展的障碍。相应的传输技术－DWDM密集波分复用技术允许在一根光纤上，利用不同的波长（窗口）传输不同的光信号。

2023/2/14当前网络的情况通信网络的建设和发展，三个指导思想经历了三个阶段：即1、网络适应信号－传什么信号建什么网；2、在同一个网络中综合传输各种信号－综合业务；3、信号适应网络－建立统一协议的数字化网络；这三个阶段完全是由于通信网络在技术内涵、指导思想等方面不断革新的结果。2023/2/15当前通信网络的现状分组交换 将传输的数字信息分为若干组，信息以组为单位传输，至到达对方后，再组成原始的信息。各组信息的传输途径不一定相同。

分组交换可以提供虚电路和数据报服务。2023/2/16分组交换：虚电路和数据报虚电路

提供呼叫双方的传输通路，电路和带宽不一定，但是有可能分配给用户固定使用。其它用户也可以共享传输通道和带宽；注意，在电路交换中，用户终端到交换端局的用户线是专用的，局间则是不安排专用线路的，是由各用户共用的，当然是轮流使用的；虚电路可以分为永久虚电路和交换虚电路。永久虚电路：电路由网络运营商提供该设置，虚电路经设置后，长期存在；如DDN、帧中继；交换虚电路：虚电路由通信双方通过协议建立，数据传输完毕以后，虚电路拆除；如目前使用的IP电话。2023/2/172023/2/182）数字数据网（DDN）-以数字通信的方式来传输数据信息

和X.25提供交换式的数据连接不同，DDN是为计算机联网提供固定或半固定的连接数据通道。随着计算机联网的扩大，例如银行业、证券业、航空、铁路、公安等部门都大规模部署计算机网络，DDN的应用已日益得到扩大，成为计算机联网工程中重要的基础设施，为计算机联网提供不可缺少的物理通道。DDN网络的传输质量较高，应用日趋广泛。2023/2/19

DDN采用的主要设备包括数字交叉连接设备、数据复用设备、接入设备和光纤传输设备，组成覆盖全国的数字数据网络。通过数字交叉连接设备对电路进行调度，对网络进行保护，对电路进行分段监控，为用户提供高质量的数据传输电路，为计算机网络的发展打下了重要的基础。

DDN网的传输是由节点机控制的，属于固定或者半固定连接，所以不需要使用路由器。2023/2/1102023/2/1113）、帧中继网FR（FrameRelay）帧中继是在X.25网络的基础上发展起来的数据通信网。它的特点是取消了逐段的差错控制和流量控制，把原来的三层协议处理改为二层协议处理，从而减少了中间节点的处理时间，同时传输链路的传输速率也有所提高，减少了信息通过网络的时间延迟。2023/2/112

帧中继网络由帧中继交换机、帧中继接入设备、传输链路、网络管理系统组成。提供较高速率的交换数据连接，在时间响应性能方面较之X.25和DDN有明显的改进，可在局域网互联、文件传送、虚拟专用网等方面发挥作用。

分组交换：虚电路和数据报数据报服务

通信不需要建立电路连接或者虚电路连接。而是在报文中携带源地址和目的地址，各个传输节点根据报文中的地址负责进行数据的转发；通常需要把数据报封装在网络的一定的格式中方可传输。互联网就是采用数据报服务；

2023/2/113支撑下一代网络的主要技术

IP技术和IPv6协议宽带接入技术，如VDSL、FTTH、EPON城域网技术光交换与智能光网络技术软交换技术光纤高速传输技术DWDM3G、4G技术网络安全技术2023/2/114NGN和软交换的协议内容NGN的核心技术是软交换，软交换支持各种协议，这些协议包括：H.248：软交换与中继网关之间的协议；SCTP：流传输控制协议；ISUP：ISDN用户规程；DSS1、MGCP：媒体网关控制协议；TUP：电话用户部分；INAP、CAP、MAP：智能网应用协议；SIGTRAN：与No.7信令互通的协议2023/2/115NGN和软交换的协议内容H.323：ITU-T制定的VoIP协议；SIP：呼叫发起协议（会话初始化协议）；RADIUS：拨号用户远程认证服务；SNMP：简单网络管理协议；SIP-T：与其他软交换连接的SIP－T/BICC协议SDP：会话描述协议；BICC：与承载无关的呼叫控制协议；M3UA：MTP-3用户适配层；IUA：ISDN用户适配；2023/2/116下一代网络的主要特点

支持业务的多样化，包括话音、数据和多媒体业务。包括实时的/流/非实时业务和多媒体业务；支持业务的个性化、业务的移动性、开放性和灵活性；基于IP分组，以包的形式传送；网络体系采用分层结构，例如，分为传送层、控制层、业务层、接入层等，承载能力与控制功能、呼叫/会晤、应用/业务分离；2023/2/117下一代网络的主要特点业务和网络呈现松耦合，并且提供开放的接口。通过各种标准的接口可以方便地由第三方来完成业务的提供；具有端到端的宽带传送能力。由于下一代网络的承载主要采用基于DWDM的光传输系统，并且将逐步过渡到全光网络，所以带宽足够，带宽已经不再是问题；显然需要发展P2P的网络技术；2023/2/118下一代网络的主要特点支持终端的移动性，满足移动业务的要求；便于管理、维护和调度；网络质量更好，并且具有更好的安全性和可靠性；有利于持续发展。2023/2/119IP：网络技术的发展方向三网融合：通信网、计算机网、广电网，应用都采用了IP技术，所以在网络的结构、数据的传输等方面雷同，出现了三网融合的问趋势；基于IP技术的下一代通信网络及软交换*IP电话*基于IP的会议电视系统*IP技术支持的互联网支持IP技术的协议：呼叫控制协议：智能终端与软交换之间，如SIP（IETF：呼叫发起协议）、BICC（ITU-T，与承载无关的呼叫控制协议）媒体控制协议：软交换－媒体网关，如H.248、MGCP(端到端话音)；信令传送协议：IP网上传输No.7信令，如ISUP、TUP、SCCP；会话描述协议：SDP，传递多媒体会话的媒体流信息

2023/2/120通信网络的结构和通信网络的层次通信网络的结构通信网络的演进IP：信息的分组协议，具有丰富的应用；与实际的通信手段、目的完全融合；ATM：面向连接，完成路由的交换功能；SDH：通过SDH帧结构实现DWDM的传输功能；DWDM：充分发挥光纤传输能力的技术；2023/2/121网络模型OSS或者BOSS2023/2/122IPATMROUTERSDHDWDM数据和固定业务、互联网业务体系2023/2/123宽带城域网结构模型2023/2/124宽带城域网一般结构2023/2/125宽带城域网综合实例2023/2/126当前的情况传统电信网络按照长途网、本地网、接入网来划分；目前逐步过渡到核心网、城域网、接入网和用户住地网来分割；2023/2/1271、网络的发展和融合：

关于MPLS

(多协议标记交换技术)

为什么会出现“多协议标记交换技术MPLS”？网络演变是如何进行的？IP技术、ATM、SDH、DWDM等这些技术是什么关系？融合通信是怎么回事？ATM技术的发展ATM技术（异步传输模式）在九十年代问世以后，发展很快。曾经有人预料，这是下一世纪通信网络的核心技术。因为ATM技术质量很好，传输容量大，当时光通信技术在主干和骨干网络上已经完成，但是能够完成大容量的交换和传输设备没有赶上，对比而言，用于交换的技术中，最好的就是ATM。

2023/2/129ATM的发展势头受到IP技术的阻挡然而，ATM设备价格昂贵，难以大规模普及。其次，ATM设备采取信元技术，格式固定；此外ATM与丰富多彩的上层的应用结合得不太理想。IP技术在实用化以后，发展更快，有人认为，这是取代现有通信传输技术的技术。IP技术的优势就是基于IP技术的因特网的应用非常普及。但是IP技术的最大劣势是服务质量和管理。IP技术是尽力而为，其QoS不理想。

2023/2/130

IP技术和ATM技术的融合

因此发生了两种观点的争执：在2000年前后，曾经有人发出电信网即将被IP网络取代的预言。但是几年后，事实证明，电信网也可以兼容和接纳IP技术。2023/2/131IP地址和ATM的地址IP网络的地址，长度32位，分为A、B、C、D、E5类：A类地址：首位0，B类地址：头两位10，C类地址：头3位110，D类地址：头4位1110，为组播地址；E类地址：头5位11110，E类地址供今后使用；

ATM地址是ISO制定的20位字节的网络服务访问点NSAP编码。2023/2/132主干网络和接入网络主干网络采用ATM交换机连接；接入网络也采用ATM交换机作为网内的交换方式，但是网络之间，接入网络与用户网络设备之间都是通过路由器连接的。因为路由器就是网络连接设备，是在网络层上进行数据交换的设备。骨干网络和接入网络的区别是网络内的数据传输的速度不同。主干网络内部数据传输的速度很高。而接入网络内数据传输的速度相对就低很多

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ATM主干网络2023/2/134通信网络的演进通信网络发展指导思想的演进：按照业务建立网络－网络适应电信业务：例如电话网、电报网、传真网、数据网、图象网建立综合业数字网络－ISDN，可以适应低速的话音、数字和图象让信号适应网络－IP技术，采用IP技术，可以将话音、高速的数字、图象等统一以IP的方式传送，其间信号的特征已经不再成为网络发展的障碍。2023/2/135基础传输技术的发展，极大的支撑了网络的进步DWDM：密集波分复用技术允许在一根光纤上，利用不同的波长（窗口）传输不同的光信号。因此，一根光纤的传输能力可以提高到几百、几千倍。光纤的传输能力非常惊人。真正成为信息高速公路。2023/2/136ATMATM称为异步转移模式，采用固定长度的数据包“信元”作为传输单位。每个信元的长度为53个字节，其中5个作为信元头，用于标识该信元及该信元在链路上复用的位置（使用哪一条虚电路、哪条虚通道等），是面向连接的传输方式。由于ATM采用固定格式作为交换单位，所以其交换很灵活，速度快，质量也好；2023/2/137IP、ATM、SDH和DWDM大致可以这样理解：IP是通信业务及其元素，即电信运营商为用户提供的各种通信业务，可以是各种业务的颗粒或者集合，例如话音、数据、图像的分组；ATM相当于集装箱，把各种类型、分属各个用户的业务，即IP分组装配起来以便运输和转运；SDH则是运送ATM这一集装箱的大巴、列车等运输工具；DWDM则是相当于高速铁路、高速公路这些输送信息的物理介质；2023/2/138ATM协议的模型2023/2/139

ATM主干网络2023/2/140

永久虚电路PVC成为路由器之间连接的骨干网络2023/2/141汇接点为此，就需要设置汇接点PoP，用来缓冲两者之间速度的差异。图中PoP称为汇接点（PointofPresence）。汇接点PoP中，有两种路由器：接入路由器（accessrouter），也称为边沿路由器（borderrouter），这类路由器用来与用户的设备相连接，因此数量大，速度低。主干路由器（backbonerouter）或核心路由器（corerouter），一般一个汇接点PoP中使用一个，速度很高。2023/2/142主干网络汇接点PoP之间连接通过主干的ATM交换机。这样的好处是，因为ATM是面向连接的，但是是虚连接（相比较，IP则不是面向连接的，是面向分组的）。其间的电路是永久虚电路PVC。这样，避免了每一次使用虚电路时都要建立虚电路，使用完毕，再释放虚电路。于是，建立在ATM基础之上的主干电路网络就如同为IP层提供了一个直通的信道。这种方式称为“覆盖模型”。具体的技术有：ATM上的传统IP规范IPOA（ClassicalIPOverATM），局域网仿真LANE（LANEmulation），ATM上的多协议规范MPOA（MultiprotocalOverATM）。2023/2/143IPoverATM解决分组交换和电路交换之间两个网络互联互通的方法：IPoverATM有多种解决方案包括重叠模型和集成模型：

重叠模型集成模型IPOA（IPoverATM）IPSwitching（IP交换Ipsilon/Nokia）MPOA（ATM上的多协议）TagSwitching(标记交换Cisco)LANE（局域网仿真）MPLS（多协议标记交换IETF）2023/2/144两种地址的矛盾问题在于，主干网络上的主干路由器必须有两种地址：一是为了与网络上的其它IP设备通信的IP地址，另一种是与ATM设备通信的ATM地址。2023/2/145IP数据包在主干网络中的传输当IP数据包通过主干路由器进入或者离开主干网络时，主干路由器就需要进行地址的适配。以IP数据包进入主干网络为例，此时主干路由器需要完成以下工作：1、

拆分数据包，提出其中的目的地址，查找路由表，确定下一跳路由器的地址，由于主干网络是全连接，下一跳的路由器地址即网络中出口路由器地址；2023/2/146IP数据包在主干网络中的传输2、

由于ATM层是IP层下面的传输通道，也就是相当于IP网络的数据链路层，所以，需要从ATM设备连接的主干网络确定出口路由器的ATM地址。因为只有确定ATM设备的地址以后，才能完成传输IP包的工作；3、入口处的路由器将所得到的出口路由器的ATM地址与IP数据包同时送往ATM主干网络；

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然后，由ATM主干网络完成以下工作：

1、

确定通向目的ATM设备的虚通路的虚通路标识符VCI。由于ATM主干网络中已经建立了一个ATM到VCI的影射表，这个表是静态的（因为使用的是永久虚电路）；2、

虚通路的发送端，即入口路由器将数据报分割，形成ATM需要的53字节的ATM信元，以便在ATM网络中传输；在ATM信元到达出口路由器后，再将ATM信元还原成原来的IP数据报；2023/2/148问题的产生：由此可见，在网络中的传输过程是比较复杂的，网络的传输速度由于拆分和重组数据报而大受影响，传输的效率也很低。（因为ATM传输格式是固定的，而IP数据报的长短是随意的。多次拆分影响速度，包的长度不同，影响效率。IP是无连接的，而ATM是面向连接的；IP的QoS是尽量保证，而ATM是保证质量的。）2023/2/149ATM网络发展受到阻碍的原因：这种传输模式还带来另外一个所谓N×N即N²问题（实际上是N×（N－1）问题）：即每增加一个主干路由器必须同时建立该主干路由器到其它各个主干路由器的永久虚电路，这样，网络复杂性大大增加；分组转换时增加的ATM信元的5个字节降低了效率（常称之为“信元税”）；同时维持两种体系结构和地址体系是非常困难的事情。这样使得ATM的发展遇到很大的困难。2023/2/150MPLS技术的产生：MPLS是解决这一困难问题的一个方案。IETF（互联网工程任务组）在1997年成立MPLS工作组。目标是开发出一种将第三层的路由选择功能和面向连接的第二层的交换功能综合在一起的新的协议标准，以便使得IP和ATM技术结合得更好一些。这就是多协议标记交换MPLS。在这之前，类似的技术有：CISCO公司的TAGSwitch（标记交换），Ipsilon公司的IP交换等。2023/2/151技术发展的前景：目前这方面的技术发展是：1、

MPLS技术仍然受到重视。这是因为由于高速路由器的发展，其转发IP的速率可以与ATM媲美，ATM设备在速度方面的优势逐步在减少和消失；2、

全IP网络的发展有了新的局面。不用ATM的高速数据网络正在尝试，并且取得了成功，。QoS的质量也逼近电信的质量标准，故ATM已经不再发展，已经被淘汰而退出骨干网络；2023/2/152技术发展的前景：3、

MPLS的特殊功能，仍然适用目前的网络实际，比如：支持面向连接的服务质量；支持流量工程，平衡网络负载；有效地支持虚拟专用网VPN；支持多种网络协议；

2023/2/153MPLS的工作原理：传统的IP网络中，分组每到达一个路由器，路由器每接收一个分组，都必须拆开主干IP包，检查其中的目的地址，然后查找路由表，按照“最长前缀匹配”的原则找到下一跳的IP地址。由于每个IP目的地址的前缀的长度不是相等的，也就是前缀的长度是不确定的。当网络很大时，查找规模很大的路由表就比较费时，甚至于一旦出现突发性的通信量时，会引起时延大大增加、服务质量下降、甚至分组的丢失。MPLS由于批量处理分组，可以节省路由器的处理时间。所以得到广泛的应用；图：MPLS的工作原理2023/2/154

MPLS的工作原理

LSR

2023/2/155MPLS的工作原理：MPLS的出发点，就是舍去“通过长度可变的IP地址前缀来查找转发器中下一跳地址的办法”，而是使用一个很简单的“转发算法”，给分组打上固定长度的“分组标记”，在转发分组时，用硬件进行转发。这就省去了分组每到达一个路由器都需要拆包、到第三层用软件查找路由表这一过程。所以转发效率大大提高。给分组打上“标记”，用硬件技术给分组转发，这就是“标记交换”。

2023/2/156MPLS的工作原理：这一交换不是在第三层（在第三层拆包，用软件分析第三层的IP首部，查找转发表），而是在第二层给分组打上“标记”，用硬件转发。从而大大节省了转发的时间，提高了QoS。这种“标记交换”不仅可用于ATM，也可以使用多种链路层的协议，如IPX、DECnet、PPP以及以太网、帧中继等。故称之为“多协议标记交换”。在这种情况下，MPLS可以将大批具有相同目标地址的IP分组打包，装配在一起，形成MPLS的“分组”，集中和批量处理，不必在每个路由器上都分析路由，转发分组，通过了通信网络的效率；2023/2/157MPLS的使用：

使用MPLS技术时，由于是另外在第二层上打上“标记”，所以在使用MPLS技术的网络中必须全部采用，而不是一部分采用。这时候支持MPLS技术的路由器称为标记交换路由器LSR（LabelSwitchingRouter）,LSR组成的网络称为MPLS域。2023/2/158

MPLS的工作原理

LSR2023/2/159MPLS的使用：LSR同时具有标记交换和路由选择两个功能。因为LSR虽然使用标记交换功能对于分组进行快速转发，但是很显然，在转发之前LSR必须使用原来的路由转发的功能来改造分组的标记转发表。虽然在一个网络的一次转发中只需要构造一次。2023/2/160MPLS的工作过程：

1、MPLS域中各LSR使用专门的“标记分配协议LDP”交换报文，找出与特定的“标记”相对应的路径，这一路径称之为“标记交换路径”。如图中的A→B→C→D,各个LSR根据这一路径确定构造适应MPLS的分组转发表。此过程与路由器的分组转发表类似；

2023/2/161MPLS的工作过程：2、

当一个分组进入到MPLS域时，由MPLS域的入口结点给分组打上标记，按照标记交换分组转发表的规定，将分组转发到下一个LSR。3、

所有的LSR都按照标记进行转发。（有的资料中讲，每转发一次需要更换一次标记，为什么？实际上在一个MPLS域中，确定一次即可。）4、

当分组离开MPLS域时，MPLS出口节点将分组的标记去除，还原到原来的转发方式。2023/2/162