第4章分组交换part2

1分组交换

---IP交换技术2主要内容IP技术与ATM技术的融合Ipsilon公司的IP交换技术标签（Tag）交换技术多协议标记交换（MPLS）技术3IP网络技术：

特点：易于不同网络互联、统一寻址、路由灵活存在问题：传输效率低，无法保证服务质量ATM网络技术：

特点：异步时分动态带宽，可信的QoS、面向连接、定长短信元结构，快速交换，传输效率高，保证服务质量，有流量控制存在问题：技术复杂，可扩展性不好1、IP技术与ATM技术的融合41、IP技术与ATM技术的融合IP与ATM融合的新技术

IpsilonIP交换（IPswitch）Cisco标签交换（tagswitch）IBM基于IP交换的路由聚合技术ARISIETF推荐ATM上的传统IP技术IPOA多协议标记交换MPLSATMForum推荐局域网仿真LANEATM上的多协议MPOAARIS：aggregateroutedbasedIPswitchIPOA：classicIP

overATMMPLS：multi-protocollabelswitchLANE：lanemulationMPOA：multi-protocoloverATM本质：IP选路，ATM传输和交换，IP封装在ATM信元中562、Ipsilon公司的IP交换技术1996年美国Ipsilon公司提出一种专门用于在ATM网上传送IP分组的技术，是IP路由器和ATM交换机组合而成“ATM交换机”去除了所有的ATM信令和路由协议，并受“IP路由器”的控制。IP交换可提供两种信息传送方式，一种是ATM交换式传输连续的、业务量大的数据流另一种是基于hop-by-hop方式的传统IP传输持续时间短的、业务量小的数据流7IP交换的两种路由8IP交换机的体系结构（1）IP交换控制器：驻存了控制软件的高性能处理机运行IP选路软件+控制软件流的判别软件：用来判别数据流，决定交换方式。Ipsilon流管理协议（IFMP）：IP交换节点间VCI的分配和标记与特定的IP流相关联。通用交换机管理协议（GSMP）：IP交换控制器对ATM交换器控制的协议ATM交换器：交换：去掉AAL以上、寻址、选路GSMP9

IP交换机由IP交换控制器和ATM交换器构成。IP交换控制器：驻存了控制软件的高性能处理机控制软件：选路软件+扩充软件（流的判别、Ipsilon流管理协议、通用交换机管理协议）流的判别：用来判别通过ATM连接传送的数据流。Ipsilon流管理协议（IFMP）：IP交换节点之间的协议，用于2层标记（VCI）的分配，一个节点通过该协议通知相邻节点将某一标记与特定的IP流相关联。通用交换机管理协议（GSMP）：是IP交换机内部IP交换控制器与ATM交换器之间的通信协议，用于IP交换控制器控制ATM交换器的工作。ATM交换器：ATM交换结构+输入/输出端口IP交换机的体系结构（2）10IP交换的基本原理（1）（1）流IP交换是基于数据流驱动的流分两类：端口到端口流、主机到主机流（2）输入输出端口：数据流进入和离开IP交换网络的点，边缘IP交换机（3）直通连接二层上建立的传输通道，数据流驱动请求建立，故障时可在三层存储转发概念11IP交换的基本原理（1）

1）从默认信道上传来数据包2）要求上游节点在所分配的VC上传送分组

3）从下游节点收到改向消息

4）在ATM直通连接上传送分组IP交换的工作过程可分为这样四个阶段：12在系统开始运行时，IP数据分组被封装在信元中，通过默认通道传送到IP交换机。信元到达IP交换控制器后，被重新组合成IP数据分组，在第三层按照传统的IP选路方式，进行存储转发，然后再被拆成信元在默认通道上进行传送。如图8.3（a）所示。（1）对默认信道上传来的数据分组进行存储转发13IP交换控制器中的流判识软件要对数据流进行判别，以确定是否建立ATM直通连接。当需要建立ATM直通连接时，则从该数据流输入的端口上分配一个空闲的VCI，并向上游节点发送IFMP的改向消息，通知上游节点将属于该流的IP数据分组在指定端口的VC上传送到IP交换机。上游IP交换机收到IFMP的改向消息后，开始把指定流的信元在相应VC上进行传送。（2）向上游节点发送改向消息14IP交换机收到下游节点要求建立ATM直通连接的IFMP改向消息，改向消息含有数据流标识和下游节点分配的VCI。随后，IP交换机将属于该数据流的信元在此VC上传送到下游节点。如图8.3（c）所示。3）收到下游节点的改向消息15IP交换机检测到流在输入端口指定的VCI上传送过来，并收到下游节点分配的VCI后，IP交换控制器通过GSMP（通用交换机管理协议）消息指示ATM控制器，建立相应输入和输出端口的入出VCI的连接，这样就建立起ATM直通连接，属于该数据流的信元就会在ATM连接上以ATM交换机的速度在IP交换机中转发。如图8.3（d）所示。（4）在ATM直通连接上传送分组161、IP技术与ATM技术的对比2、IP技术与ATM技术的融合方式及对比（1）重叠模式：CIP（IPOA）LANE、MPOA

（2）集成模式：IP交换、tag交换、ARIS、MPLS3、IP交换：IP控制器+ATM交换硬件提供两种连接：传统路由、直通连接IP功能+扩展（流分类、IFMP、GSMP）4、IP交换的工作原理（数据流驱动）开始IP存储转发（默认VC）------传统路由流判别？入端口分配VCI，向上游发送IFMP重定向报文（VCI、流ID、有效时间）收到下游节点的改向（重定向）消息，将数据流在VC上传送（IP头不封装）ATM直通连接上发送分组：上下游都对该流重定向时，ATM直通连接复习对比角度173、Tag交换技术Tag交换的组件Tag交换的基本原理标签交换及其基本概念标签交换（tagswitching）:是一种利用附加在IP数据分组上的标签（tag）进行快速转发的IP交换技术。标签短小，转发表也就小，提高了传输速度和转发效率。拓扑驱动。1、标签分组上附加的一个字段，在标签交换中，对三层分组头进行分析后，将其映射到一个固定长度的、无结构的值中，这个值就叫做标签2、转发等价类FEC（forwardingequivalenceclass）是一组具有相同特性的数据分组，以相似的方式在网络中转发FEC可被看作是具有相同选路决策的一类数据分组给属于同一个FEC的数据分组加上相同的标签。3、标签边缘路由器TER（tagedgerouters）位于标签交换网络的边缘。负责加标签/去标签TER使用标准的路由协议（OSPF，BGP等）来创建转发信息库（FIB：forwardinginformationbase）。TER根据FIB的内容，使用标签分发协议（TDP：tagdistributionprotocol，使用TCP传送）向其他TER或标签交换路由器分发标签。4、标签交换路由器TSR（tagswitchrouters）位于标签交换网络的内部，负责根据标签来转发数据分组。TSR接收来自TER的TDP消息，并根据这些消息所携带的信息建立自己的标签信息库（TIB：taginformationbase）。在标签交换网络中，只依据标签进行数据分组的转发。1920TSR标签交换路由器由转发组件和控制组件构成。

（对应于IP交换中的ATM交换器和IP交换控制器）转发组件：进行标签交换的Tag交换器。根据标签，查询TIB，获得输出端口及输出标签；并转发到端口控制组件：选路功能、生成标签和网络层路由的捆合信息、在Tag交换器之间传送标签捆合信息。标签交换网络主要由TSR和TER设备组成，在标签交换网络上运行的协议有传统的路由协议和TDP。标签交换的过程可分为以下4个步骤。（1）当一个要转发的数据分组进入标签交换网络前TER和TSR使用标准的路由协议（OSPF，BGP等）来确定数据分组的转发路由，并将这些转发路由信息存入FIB。TER根据FIB的内容，产生标签，并将标签关联信息（地址前缀、标签）通过TDP协议分发。相邻TSR接收到TDP信息后会建立标签信息库TIB。标签交换的工作原理（2）当一个TER接收到一个要转发的数据分组时TER会分析网络层数据分组头，从FIB中为这个数据分组选择一个可用路由，给数据分组加上一个标签后，将其转发到下一个TSR。（3）在标签交换网中TSR接收到加有标签的数据分组，不用再次分析数据分组头，而是只使用标签基于TIB对数据分组进行快速的交换。（4）加有标签的数据分组到达网络边缘的TER时TER会去掉标签然后把数据分组交给上层应用，从而完成数据分组在标签交换网络中的传送。23Tag交换的基本原理1）传统路由协议hop-by-hop方式基于目的地址的选路

2）标签分配和标签的捆合，形成标签信息库TIB3）基于标签的数据转发

4）通信结束，标签清除

Tag交换具有面向连接的特性。24标签分配标签分配可用TDP或捎带方式实现标签分配方法（顺序）：

1）下游分配

2）下游按需分配3）上游分配图8.4下游分配图8.5上游分配（3）下游按需分配图8.6下游按需分配28什么是MPLSMPLS网络体系结构及相关基本概念MPLS基本交换原理交换节点LSR体系结构及工作原理4、多协议标记交换——MPLS多协议标记交换技术（MPLS）采用集成模型，将IP技术与下层技术结合在一起兼具了高速交换、QOS性能、流量控制（TE：trafficengineering）性能以及IP技术的灵活性、可扩展性被业界认为是最具竞争力的通信网络技术之一，并将担负起下一代网络（NGN）骨干传输的重任多协议标记交换定义：MPLS是利用标记（label）进行数据转发的。当分组进入网络时，要为其分配固定长度的短的标记，并将标记与分组封装在一起，在整个转发过程中，交换节点仅根据标记进行转发。MPLS具有“多协议”特性对上兼容IPv4、IPv6、IPX、Appletalk、DECnet、CLNP等多种主流网络层协议，将各种传输技术统一在一个平台之上对下支持ATM、FR、PPP等链路层多种协议，从而使得多种网络的互连互通成为可能什么是多协议标记交换MPLSIPvsMPLS传统IP交换采用的是hop-by-hop的逐跳式转发，而且是路由选择和数据转发同时进行，是无连接的工作方式31图8.7传统IP交换技术IPvsMPLSMPLS技术将路由选择和数据转发分开进行。在数据转发之前先进行路由选择，通过标记（label）来标识所选路由，每个交换节点要记录路由所分配的标记信息，从而建立通信的源到目的之间的逻辑信道的连接。在信息传送阶段，数据分组依赖标记在交换节点中转发，沿选好的路由通过网络。MPLS是面向连接的技术，在信息传送之前，需要建立虚连接。3233图8.8MPLS技术IPvsMPLS小结最本质的区别在于，传统IP交换采用无连接的工作方式，而MPLS采用面向连接的工作方式。MPLS技术的另一特点在于它的“多协议”特性对上兼容IPv4、IPv6等多种主流网络层协议对下支持ATM、PPP、SDH、DWDM等多种链路层协议，多种网络互连互通34MPLS网络体系结构及基本概念MPLS网络是指由运行MPLS协议的交换节点构成的区域。交换节点就是MPLS标记交换路由器，按照所处位置MPLS标记边缘路由器（LER：labeledgerouter）：LER位于MPLS网络边缘与其它网络或用户相连MPLS标记核心路由器（LSR：labelswitchingrouter）：LSR位于MPLS网络内部两类路由器的功能因其在网络中位置的不同而略有差异。3536图8.9MPLS网络体系结构标记交换路径（LSP：labelswitchingpath）是MPLS网络为具有一些共同特性的分组通过网络而选定的一条通路，由入口的LER、一系列LSR和出口的LER以及它们之间由标记所标识的逻辑信道组成。标记分发协议（LDP：labeldistributionprotocol）是MPLS的控制协议，用于LSR之间交换信息，完成LSP的建立、维护和拆除等功能数据分组附加的部分就是标记。它是一个短的、具有固定长度、具有本地意义的标志，用来标识和区分转发等价类（FEC）。具有本地意义是指标记仅在相邻LSR之间有意义MPLS中的FEC与标签交换的FEC相似，是指在MPLS网络中经过相同的LSP，完成相同的转发处理的一些数据分组，这些数据分组具有某些相同的特性。FEC的划分通常依据网络层的目的地址前缀或是主机地址。一个FEC可以对应多个标记MPLS基本交换原理MPLS交换采用面向连接的工作方式，三个阶段：建立连接：形成标记交换路径LSP的过程数据传输：数据分组沿LSP进行转发的过程拆除连接：通信结束或发生故障异常时释放LSP的过程。371、建立连接（1）驱动连接建立的方式MPLS技术支持三种驱动虚连接建立的方式拓扑驱动：路由表信息更新消息（例如发现了新的网络层目的地址）触发建立虚连接请求驱动：由RSVP（资源预留协议）消息触发建立虚连接。RSVP与路由协议结合运用，要在节点间传送QoS，以建立一条满足传输质量要求的路径。数据驱动：由数据流的到来触发建立虚连接。38（2）标记分配MPLS存在着两种LSP建立控制方式：独立控制方式：每个LSR可以独立地为FEC分配标记并将映射关系向相邻LSR分发有序控制方式：一个LSR为某FEC分配标记当且仅当该LSR是MPLS网络的出口LER，或者该LSR收到某FEC目的地址前缀的下一跳LSR发来的对应此FEC的标记映射。标记分发有上游分配和下游分配两种方式，下游分配又有下游自主分配方式和下游按需分配方式。39（3）连接建立过程MPLS网络中的各LSR要在路由协议的控制下，分别建立路由表。MPLS技术中常用的路由协议为OSPF和BGP。在LDP的控制下，在路由表的作用下，LSR进行标记分配，LSR之间进行标记分发，分发的内容是FEC与标记的映射关系，从而通过标记的交换建立起针对某一FEC的LSP。分发的内容被保存在标记信息库（LIB：libinformationbase）中，记录与某一FEC相关的信息，例如输入端口、输入标记、FEC标识（例如目的网络地址前缀、主机地址等）、输出端口、输出标记等内容。LSP的建立实质上就是在LSP的各个LSR的LIB中，记录某一FEC在交换节点的入出端口和入出标记的对应关系。40LSP的建立过程。有序的下游按需标记分发方式来进一步说明LSP建立的过程41所建立的LSP对应的转发等价类为FECx(1)入口LER0查找路由表，获得FECx的目的地址前缀的下一跳是LSR1，因此向LSR1发出标记请求。42(2)LSR1接到LER0的请求，在本地记录请求信息，然后查找路由表，获得FECx目的地址前缀的下一跳是LSR2，因此向LSR2发送标记请求。(3)同理LSR2接到LSR1的请求，记录请求信息，然后查找路由表，获得FECx目的地址前缀的下一跳是LER1，因此向LER1发送标记请求。43(4)LER1为FECx选定一个标记2作为输入标记填入LIB中，相应表项的输出标记设为空值，并将相应的入出端口、路由信息（如目的地址前缀）填入该表项。最后将分配的标记2与FECx的映射发送给上游的LSR2。44(5)LSR2收到LER1发送的映射关系，为FECx选定一个标记8，将8作为输入标记，2作为输出标记，连同入出端口、路由信息（如目的地址前缀）等信息一同填入LIB中。并将标记8与FECx的映射发送给上游的LSR1。(6)LSR1与LSR2雷同45（7）LER0在收到下游LSR1发送的映射关系后，将5作为输出标记，与路由信息（如目的地址前缀）、出端口一起填入LIB中。LER0是入口路由器，不需要分配输入标记，输入标记为空46这样，FECx通过MPLS网络的LSP：LER0LSR1LSR2LER1建立完成。47（4）MPLS路由方式MPLS协议支持两种路由方式逐跳式路由这种方法的特点是，每个节点均可独立地为某FEC选择下一跳。显式路由方式每个节点路由器不能独立地决定某FEC的下一跳由网络的入口路由器或出口路由器依照某些策略和规定来确定路由。显示路由能够很好地支持QoS和流量工程，MPLS的一大优势就在于它对显示路由的支持。482、数据传输MPLS网络的数据传输采用基于标记的转发机制，其工作过程49（1）入口LER的处理过程当数据流到达入口LER时，入口LER需完成三项工作：将数据分组映射到LSP上将数据分组封装成标记分组将标记分组从相应端口转发出去。50将数据分组映射到LSP上入口LER检查数据分组中的网络层目的地址，将分组映射为某个LSP，也就是映射为某个FEC。FEC目前只有两个属性：地址前缀和主机地址（即为完整的主机地址）FEC的属性以及分组与LSP的映射原则。主机地址匹配优先，最长地址前缀匹配优先51入口LER的封装入口LER的封装操作就是在网络层分组和数据链路层头之间加入“SHIM”垫片。“SHIM”实际上是一个标记栈，其中可以包含多个标记。这样的封装使得MPLS协议独立于网络层协议和数据链路层协议，这也就解释了我们前面提到的MPLS支持“多协议”的特性。52每个标记是一个4字节的标识符（2）LSR的处理过程LSR从“SHIM”中获得标记值，用此标记值索引LIB表，找到对应表项的输出端口和输出标记，用输出标记替换输入标记，从输出端口转发出去。对于采用标记栈的情况，只对栈顶标记进行操作。53在核心LSR，仅需通过标记转发。简化转发的操作提高转发的速度（3）出口LER的处理过程出口路由器要进行相应的弹出标记等操作。当数据分组到达出口路由器LER时，出口路由器同样从“SHIM”获得入口标记值，索引LIB表，找到相应表项，发现该表项出口标记为空，于是将整个垫片“SHIM”从标记分组中取出，这就是弹出标记操作。54出口路由器LER检查网络层分组的目的地址，用这个网络层地址查找路由表，找到下一跳。然后，从相应端口将这个分组转发出去3、拆除连接连接的拆除也就是标记的取消。标记取消的方式主要有两种采用计时器的方式：分配标记的时候为标记确定一个生存时间，并将生存时间与标记一同分发给相邻的LSR，相邻的LSR设定定时器对标记计时。如果在生存时间内收到此标记的更新消息，则标记依然有效并更新定时器；否则，标记将被取消。在数据驱动方式中，常采用这种方式，因为很难确定数据流何时结束不设置定时器LSP要被明确地拆除，网络中拓扑结构发生变化或者网络某些链路出现故障等原因，可能促使LSR通过LDP消息取消标记，拆除LSP。55MPLS交换节点的体系结构及工作原理MPLS交换节点，即LSR的体系结构56控制单元57IP路由协议（OSPF和BGP），建立IP路由表LDP协议基于IP路由表与其它LSR交换标记与FEC的映射关系，建立和维护标记信息库LIB在相邻LSR之间传递和交换消息都要在TCP连接上来完成控制单元可以运行多种网络层路由协议，形成相应的路由表，在此路由表的基础上，LDP协议生成LIB在数据传送阶段，分组是根据标记来完成传发的，这样就屏蔽了不同网络层路由协议的差异，这就是MPLS技术可支持多种网络层协议的原因转发单元58LFIB根据标记信息库LIB生成，内容是LIB的子集，包含当前用于转发的内容。标记分组只需依据标记查找LFIB表，用出口标记替换入口标记，从相应端口转发出去标记转发信息库（LFIB：labelforwardinginformationbase），此外LSR也需要进行IP分组转发，这时分组要依据网络层目的地址查找路由表，转发到下一跳MPLS路由器要实现四种分组的转发：入IP分组到出标记分组（入口LER）；入标记分组到出标记分组的转发（核心LSR）入标记分组到出IP分组（出口LER）；入IP分组到出IP分组的转发（传统路由器的功能）。2、LER与LSR从构成标记交换路由器的控制单元和转发单元所完成的功能不同，来比较两者之间的差异59LDP协议LDP标记分发协议是MPLS网络中交换节点之间交互的协议主要功能：规定MPLS的信令与控制方式，发布<标记，FEC>映射关系，传递路由信息，建立与维护标记交换路径等。60LDP的消息类型LDP采用四种消息类型发现消息：LSR周期性在子网发送组播HELLO消息，告知网络中他的存在，并建立他与邻接LSRLDP对等实体的关系，采用UDP。会话消息：控制LDP会话，通过发现消息发现LSR，通过TCP连接和会话消息建立会话，并维护和终止。宣告消息：实现标记分发。通过宣告消息，LSR维护标记与FEC映射，TCP传送通知消息：提供错误&故障和咨询信息。，TCP传送。61LDP操作LDP的操作主要阶段1、LDP发现阶段：两种机制基本发现机制（直联）：LSR从某端口周期性的发送基于UDP的HELLO消息（LDP标识和相关信息），接送方周期性的回应HELLO.扩展发现机制（非直联）：LSR从某端口周期性的向某IP发送基于UDP的HELLO消息（LDP标识和相关信息），接送方周期性的回应HELLO或者不响应.622、LDP会话路径建立与维护若LSR1地址>LSR2地址，LSR1为主动，LSR2被动，主动方发起TCP连接连接建立后，进行会话初始化进行参数协商LDP版本、标记分发方式、会话保持时间等会话建立后对会话进行维护。设置定时器进行故障判断利用终止消息，结束会话633、标记分发建立会话实现标记分发通道的建立标记分发有独立和有序两种控制方式标记保持有保守和自由两种模式标记保持：LSR处理接收到的标记与FEC映射的方式保守标记保持模式：只保存下一跳的映射自由标记保持模式：保存所有映射4、会话撤销阶段LDP会话保持与维护阶段对会话的终止操作。64MPLS相关技术简介1、MPLS服务质量QoS是一个综合指标，用于衡量使用一个服务的满意程度。在传输时延、时延抖动、安全性、数据分组丢失率等方面达到一定的标准，这些服务才可为用户所接受，才可能使用户满意在数据传输之前，要由发送数据的一方向网络提出数据传输要求的QoS。网络中各设备之间，设备中各层之间要就QoS要求进行协商，并传递至网络的资源管理实体需要端到端的所有设备和网络的各层协作65有QoS要求的数据传输一定是面向连接的在建立连接的过程中协商参数，分配资源。传统的IP网络无法克服，MPLS具有优势。IETF在通过MPLS网络实现基于IP协议的QoS方面，提出了两种模型：综合服务模型（IntServ）差分服务模型（DiffServ）。66（1）综合服务模型综合服务模型通过信令协议——资源预留协议（RSVP）在路径上各节点间协商QoS要求，并进行资源分配，从而建立传输通道。RSVP不是路由协议，它位于OSI参考模型的传输层路由器利用RSVP在路径上的各节点间传送QoS请求，并在每个节点分配资源，从而建立一条满足QoS要求的传输通道RSVP要和路由协议结合应用，数据在网络中要经过的路径由路由协议决定，而传输质量则由RSVP来控制，因而，RSVP实质上是一种网络控制协议。在MPLS网络中，QoS参数协商和资源分配是在LSP的建立过程中进行的。这时，FEC的划分可依据QoS请求，也就是前面提到