第八章宽带 IP 网络

第八章宽带IP网络 8.1 概述因特网的用户数量急剧增长，业务带宽呈指数趋势增长。这些变化形成了新时期网络带宽增长的主要驱动力。解决IP网络发展的前提首先是宽带化，总的来说，有两种技术方案： ● 走IP和ATM结合的路线。 ● 走光IP的路线。

8.2 IP Over ATM 8.2.1 概述 ATM（异步传输模式）是一种快速分组交换技术，它采用固定信元长度和面向连接的机制，具有传输速度快、可以保证服务质量（QoS）等特点。IPOA的实现方法其实是把ATM网络看成是另一种异型网络，与以太网、令牌环网以及X.25分组交换网等物理网络上传输IP数据分组的情况类似，如图:

IPOA把ATM作为IP的链路层

IPOA允许用户在ATM网络上直接运行现有的基于IP的协议（如TCP、UDP和OSPF等）和基于IP的应用（如FTP和NFS等）。IPOA技术是将IP数据包在ATM层全部封装为ATM信元，以ATM信元形式在信道中传输。

1．IPOA的逻辑实体 （1）逻辑IP子网LIS（Logical IP Subnet）每个LIS中的终端设备可位于ATM网络内的任何地方，即与物理位置无关。LIS与IP子网一样，由一组IP结点组成（如主机和路由器），这些结点都连接到ATM网络上，组成一个相对封闭的逻辑IP子网。LIS的特性与传统IP子网基本相同。

ATM网络的LIS所属终端应满足以下要求： ①．LIS所属所有终端具有相同的IP网络/子网号码和地址屏蔽码。 ②．LIS所属所有终端都直接连接到ATM网络上，而且可通过ATM直接通信。 ③．LIS与其子网之外的设备通信要通过路由器接续。

④．在基于SVC的ATM网络中，LIS的所有终端必须能通过ATM ARP将IP地址解析为ATM地址或进行相反的转换。 ⑤．在基于PVC的ATM网络中，LIS的所有终端必须能通信，要求 ATM ARP将虚电路连接解析为IP地址。

（2）ATM地址解析服务器 ATM地址解析服务器（ATM ARP）负责IP地址向ATM地址的映射，同时负责IP地址和ATM地址在ATM ARP的等级注册。ATMARP服务器可以运行于专门的平台上，也可运行于网络部件中，如路由器和ATM交换机。

2．IPOA的工作过程 （1）地址映射、登记与更新为了解决IP地址与ATM地址的直接映射，每个LIS中都设置了一个ARP服务器，它由ATM统一编址，负责IP地址与ATM的映射。这和局域网封装的初始化登记过程相似，客户和服务器间交换各种必要的信息，为以后的数据传输作准备。为了保持IP地址到ATM地址映射表的有效性，ARP服务器应定期对主机进行询问来更新地址映射表。

（2）连接与传输 在ATM网络上，若有一个IP主机向LIS中的其他主机发送数据时，先通过ATMARP得到对方的ATM地址，启动ATM信令建立到对方的虚连接。IP报文从一个路由器传到另一个路由器的协议结构如图:

（3）IPOA的操作举例 IPOA的操作过程可以分为如下几种情况： ●　LIS内的通信 ●　LIS之间的通信 ●　广域网范围的通信

3．IPOA的优点 （1）ATM是一个多业务传送平台，具有良好的网络可扩展能力；（2）ATM的业务带宽可管理；（3）能提供QoS保证，因此可提高IP业务的服务质量；（4）具有良好的流量控制均衡能力以及故障恢复能力，网络可靠性高。

IPOA的不足： （1）基于ATM实现的IP网络带宽受限于ATM网络技术本身，这导致其不适合于超大型IP骨干网，一般认为可用于超大型IP骨干网边缘多业务的接入。（2）PVC必须手工建立；（3）故障链路倒换较慢；

（4）需要解决IP地址与ATM地址多重映射的矛盾以及IP网络的非连接特性与ATM面向连接特性之间的矛盾，SNMP网管功能不强；（4）需要解决IP地址与ATM地址多重映射的矛盾以及IP网络的非连接特性与ATM面向连接特性之间的矛盾，SNMP网管功能不强；（5）IP数据包需映射成ATM信元，由此造成信元开销大，传输效率低。

8.2.2 集成模型 集成模型的主要思想是：将ATM层看成IP的对等层，将第三层的路由功能与第二层的交换功能结合起来，使IP网络获得ATM的选路功能。ATM端点只需使用IP地址标识，而不需要地址解析协议，这就避免了地址映射的开销。

集成模型的实现技术主要有：Ipsilon公司提出的IP交换（IP Switching）技术、Cisco公司的标签交换（Tag Switch）技术和IETF推荐使用的多协议标记交换（MPLS）技术。

8.2.3 数据驱动与控制驱动 驱动方式，即触发标记分配的方式，包括: ●数据驱动:指根据第三层IP交换机收到的特定业务流来发起标记交换进程，它依据到达数据流的类型来决定是否为其建立直接路径，所以又叫流驱动。业务流是指具有相同的源网络地址、目的网络地址和传输层端口号的数据分组序列。

流驱动

●控制驱动:指由网络拓扑的变化或者是用户的业务请求来发起标记交换进程的发起方式。它依据控制流（如路由更新信息或资源预留信息等）的到达来建立映射。●控制驱动:指由网络拓扑的变化或者是用户的业务请求来发起标记交换进程的发起方式。它依据控制流（如路由更新信息或资源预留信息等）的到达来建立映射。

1．性能 （1）数据驱动的性能如果所有数据流均为无限长，那么标记交换技术能以底层硬件的速度转发数据。但实际情况并非总能如此理想，数据驱动技术的主要问题在于非标记交换的分组必须由控制单元来进行转发。而控制单元的交换能力要比进行标记交换的交换单元的硬件低得多。通常，实际负载下，我们说当70～80％的数据被标记交换时，数据驱动技术的性能可以非常好，接近下层硬件的性能。

（2）控制驱动的性能 控制驱动中，只要拓扑结构不变，所有进入第三层交换机的数据流就都可以进行标记交换，而控制单元则不转发分组，这时控制驱动可以获得很好的性能，接近底层硬件性能，而结构改变时，控制驱动技术仍然有可能获得理想的性能。

2．可靠性 数据驱动技术在这一点上不如控制驱动技术，即数据驱动技术预测数据流的变化要比控制驱动技术中预测控制流的变化难得多。

数据驱动技术可以说是一种缓冲模式。在数据驱动技术中，每一个新的数据流都要消耗一定的缓冲，而当判定了该数据流可以进行标记交换后，数据流中随后的分组便不再消耗缓冲了。数据驱动技术可以说是一种缓冲模式。在数据驱动技术中，每一个新的数据流都要消耗一定的缓冲，而当判定了该数据流可以进行标记交换后，数据流中随后的分组便不再消耗缓冲了。在控制单元的设计中，若实际应用的数据流形态与预期相同，则缓冲器的使用可以大大增强性能。但是，在最坏的情况下，其性能可能会还不如不用缓冲器。

3．主机支持 在数据驱动技术中支持主机接入要比在控制驱动技术中容易些。因为：数据驱动技术中与标记相关联的基本实体——数据流是很容易为主机所理解的。综上所述，控制驱动技术在性能、可靠性等方面要优于数据驱动技术。由于MPLS（后面即将介绍）对于这些方面有很高的要求，所以，在MPLS技术中，将主要使用控制驱动技术。

8.2.4 IP交换 IP交换技术（IP Switch）是Ipsilon公司于1996年提出的专门用于在ATM网络上传送IP分组的技术。它的思想是将一个IP路由器捆绑在一个ATM交换机上，去除了交换机中所有的ATM论坛信令和路由协议，这样的一个结构我们就可以称之为IP交换机了。

1．IP交换的组成 IP交换的核心是IP交换机。除了IP交换机，IP交换技术中还用到了数据流和一些与之相关的概念: （1）数据流：数据流是分组的序列，分为两种类型： ●　持续期长、业务量大的用户数据流。 ●　持续期短、业务量小、呈突发分布的用户数据流。

（2）数据流分类器:驻留在每一个IP交换机的选路实体中的组件，用以判断对某个数据流进行选路还是交换。（2）数据流分类器:驻留在每一个IP交换机的选路实体中的组件，用以判断对某个数据流进行选路还是交换。与传统路由器的逐跳转发相比，IP交换机增加了直通路径。直通路径的基本特性有以下几点: （1）它旁路中间的第三层路由功能。（2）建立一条直通路径的触发系统可以基于数据业务流或控制业务流。

（3）如果一个入口和出口间的直通路径不存在或突然消失，业务流仍然可以通过路由路径到达目的地。（3）如果一个入口和出口间的直通路径不存在或突然消失，业务流仍然可以通过路由路径到达目的地。（4）它可以与路由路径遵循相同的物理通路（经过相同的端点和链路），或者它可以经过一个独立的第二层交换机拓扑（虚拟IP交换机）。（5）一个入口到出口的直通路径可以在一条端到端通路上建立，或者它可以通过连接多个更小的直通路径来建立。

2．IP交换的工作原理 其工作原理可分为以下几步: （1）IP交换机对用户数据流进行分类传输。（2）一旦一个业务流被标识为直接ATM交换，那么IP交换机控制器将要求上游结点将该业务流放在一个新的直接通路上。

(3）如果上游结点同意建立直接通路，则该业务流将在这条直接通路上传送。(3）如果上游结点同意建立直接通路，则该业务流将在这条直接通路上传送。（4）同时，下游结点也要求IP交换机控制器为该业务流建立一条呼出的直接通路。

（5）通过（3）和（4），该业务流被分离到特定的呼入虚通路和特定的呼出直接通路上。（5）通过（3）和（4），该业务流被分离到特定的呼入虚通路和特定的呼出直接通路上。（6）通过旁路路由，IP交换机控制器指示ATM交换机完成直接交换。

3．IP交换的优缺点分析 如前所述，IP交换把输入的用户业务流分成两大类：对于持续期长与业务量大的用户数据流，由于利用ATM虚通路的传输能力，因此传输时延小与传输容量大；而对于持续期短、业务量小、呈突发分布的用户数据流，由于节省了建立ATM虚电路的开销，所以，效率得到了提高。 IP交换的缺点是只支持IP协议，同时它的效率有赖于具体用户业务环境。

8.2.5 MPLS 1．基本概念（1）转发等价类（FEC）（2）标记交换路由器（LSR）（3）标记（Label）（4）标记空间（5）标记交换路径（LSP）（6）标记分发协议（LDP）（7）标记分发对等实体

（8）标记交换 （9）标记信息库（LIB）（10）流（stream）（11）上游和下游（12）TLV（Type Length Value）

2．MPLS的网络结构 MPLS网络结构

3．MPLS的工作过程 MPLS网络采用标准分组处理方式对第三层的分组进行转发，采用标记交换对第二层分组进行交换。MPLS采用标记交换的机理，是一种基于拓扑的选路机制。MPLS交换操作一般分为四个步骤：（1）使用现有的选路协议，如OSPF，建立到终点网络的连接，LDP完成标记到终点网络的映射。

（2）输入端LER接收到分组，完成第三层功能，并给分组贴上标记。（2）输入端LER接收到分组，完成第三层功能，并给分组贴上标记。（3）LSR对带有标记的分组进行交换。（4）在输出端的LER中去掉标记，并将分组传送给IP路由器，进而到达终端用户。

标记分组转发过程

４．标记分发协议（LDP） LDP规定的是标记分发过程中的各种报文以及相关的各种处理进程。标记分发是指LSR向其他LSR发出标记请求或通知其他LSR标记含义的过程。使用LDP的各种进程与报文，LSR将可以把网络层的路由信息直接映射到数据链路层的交换路径上，进而建立LSP。

LDP协议中主要有4种LDP报文： （1）发现（Discovery）报文：用于通告和维护网络中LSR的存在。（2）会话（Session）报文：用于建立，维护和终止LDP对等实体之间的会话连接。

（3）通告（Advertisement）报文：用于创建，改变和删除FEC-标记绑定。（3）通告（Advertisement）报文：用于创建，改变和删除FEC-标记绑定。（4）通知（Notification）报文：用于提供建议性的消息和差错通知。

在LDP的发现过程中，LSR之间可以通过周期性地发送HELLO报文来表明它们在网络中的存在。一旦初始化过程成功结束，两个LSR就成为LDP对等实体，并且可以交换通告报文。为了保证LDP的正确操作，需要可靠并有序的报文传输，因此LDP使用TCP协议来传送会话、通告和通知报文。

5．MPLS的显著特点 （1）与7号信令网络相同，每个交换机都具有第三层智能，可以重新进行选路连接。因此，当主要中继干线出现故障时，MPLS技术可以使业务中断时间最短，而选择另一条路由疏通业务流量，并使网络迅速恢复。（2）MPLS使用标记作为标识，通过路由表寻找下一跳。

（3）MPLS支持CIDR的机制。CIDR是一个群地址的概念，可以适应Internet用户数量快速增长的需要。（3）MPLS支持CIDR的机制。CIDR是一个群地址的概念，可以适应Internet用户数量快速增长的需要。（4）MPLS采用VC融合的机制，同一终点的多个VC可以汇集成为一个VC，从而节省了VCI的资源。（5）ATM交换机与IP相结合，无需复杂的地址解析。

6．MPLS带来的改变 （1）显式路由 MPLS支持传统的逐跳路由，同时也提供了类似传统IP源路由的显式路由机制。采用显式路由后，作了标记后的分组经过的路径就不再是由传统逐跳路由形成的而是通过扩展了的LDP预先定制好的显示路径。

（2）层次化路由 这是MPLS引入的一种新概念，MPLS层次化路由的技术只适用于MPLS采用特定的硬件，并且封装采用Shim的环境。在Shim格式中，标记字段是由多个标记组成的标记栈，而不是FR的DLCI，或是ATM的VPI/VCI。这里的栈和计算机的堆栈具有相同的特性：先进后出。层次化路由引入了隧道的概念，这使MPLS在实现VPN时具有优势。

（3）比较LSR和传统路由器的效率 LSR只需完成下列任务： ● 去掉头部和尾部； ● TTL减1；

● 在交换表中查找下一站（注意比路由器表小，耗时也小得多）； ● 生成一个新的帧头部和尾部； ● 发到输出端口并传送。 LSR处理的效率高得多。MPLS提供了稳定的路径和延迟，并可以提供足够的带宽满足应用程序的需求。

第八章 宽带 IP 网络