高级计算机网络

1. 高级计算机网络 北京邮电大学继续教育学院 　授课教师: 孙斌 sunbin@bupt.edu.cn 2003年 http://www.bupttc.com

2. 第五讲 网络层之IP交换 http://www.bupttc.com

3. IP交换的概念 • 利用第二层交换来加速经过一个网络的IP分组的转发的机制和协议 • IP交换利用交换的高带宽和低时延优势，提高网络性能，对于运营者增加容量和开放实时业务意义重大 • 第三层交换（Layer 3 Switching）如果仅考虑IP，则称为IP交换。 • 一个IP交换系统提供第三层IP路由和转发及加速第二层IP交换的服务。 http://www.bupttc.com

4. IP over ATM 两类基本互通模型 ATM上的IP 综合模型 重叠模型 I-PNNI （ATM F） LANE （ATM F） CLPOA （IETF） IP交换/Tag交换（IETF） MPOA （ATM F） NHRP （IETF） MPLS （IETF） http://www.bupttc.com

5. 流驱动的解决方案 • 在一个特定IP流上操作，此IP流定义为具有相同源IP地址，目的IP地址和端口号的一个分组序列 • 流的前几个分组被路由通过网络，只有重定向过程完成后，流“尾”才在直通路径上通过 • 不适合在大网的核心运作 http://www.bupttc.com

6. 拓扑驱动的解决方案 • 基于一个IP交换机的IP路由实体中运行的路由协议所维护的IP网络拓扑结构 • 与反映一个目的网络的目的IP前缀相关的新标签被产生和分发至路由区域的IP交换机，所有指定到一个特定目的网络的业务流遵循一条基于此新标签的交换路径 • 性能和可扩展性更强 http://www.bupttc.com

7. IP交换的实现策略 • 原有设备和系统进行升级和改造 • 设计功能完善的高性能IP交换机 • 第三层技术实现原则 • 以软件为主实现路由器的主要功能 • 完全用ASIC硬件以线速来实现路由器的路由，转发，流控，管理，服务质量等功能 http://www.bupttc.com

8. IP交换模型 • 叠加模型 • 包括运行在一个独立的ATM层之上的一个IP层 • 由运行IP路由协议、具有IP地址的IP设备和运行ATM信令及路由协议、具有ATM地址的ATM设备（IP主机、IP路由器、ATM交换机等）组成 • 对等模型 • IP交换机组件维护一个单一的IP地址空间 • 支持一个独立控制协议，用于将IP业务流映射到直通路径上 http://www.bupttc.com

9. IP交换分类 • 叠加模型 • 流驱动：MPOA • 地址解析：CIPOA，LANE，NHRP，MARS • 对等模型 • 流驱动：IFMP/GSMP，CSR/FANP • 拓扑驱动：Tag Switching，MPLS，ARIS http://www.bupttc.com

10. Ipsilon 的IP交换模型 • 基于流驱动，把输入数据流分为两种类型 • 对持续期长的用户数据流提供快速直通路径 • FTP，Telnet，HTTP • 对持续期短的用户数据流利用缺省路径转发 • DNS，SMTP，SNMP • 根据 Ipsilon 公司的统计，超过 80％ 的 IP分组（超过 90％ 的字节流量）属于持续期长、业务量大的用户数据流 http://www.bupttc.com

11. Ipsilon 的IP交换模型（续） • Ipsilon首先提出IP交换的概念（1996） • 定义了叫作IP交换机的新设备，本质上它是连接到ATM交换机上的路由器，去除了所有ATM论坛的协议 • 颁布了两个RFC协议（RFC1953/1987） • IFMP （Ipsilon Flow Management Protocol） • GSMP （General Switch Management Protocol） http://www.bupttc.com

12. IFMP和GSMP • 在统一运行标准IP选路协议的相邻IP交换机网络上，IFMP 和 GSMP 提供了一种附加的功能 • 对数据流进行分类，以判断是否可以交换而不是选路 • 进而利用由ATM信元交换机所构成的第二层交换式通路进行转发 http://www.bupttc.com

13. IFMP和GSMP（续） • IFMP • 运行在相邻的IP交换机控制器之间，使得两个相邻的IP交换机能够对同一个数据流的信元进行分类并重新标记VPI/VCI值 • GSMP • 运行在IP交换机内部的IP交换机控制器和ATM交换机之间，使得IP交换机的路由实体能够控制ATM交换机内部的资源和连接表 http://www.bupttc.com

14. IP交换机控制器 选路协议 数据流分类器 GSMP ATM 交换机 GSMP ATM ATM Ipsilon IP交换机组成 http://www.bupttc.com

15. IP交换机 IP交换机 重新标记数据流 重新标记数据流 重新标记数据流 路由器 路由器 选路通路 交换机 交换机 交换通路 Ipsilon IP交换功能模型 数据流1 数据流1 http://www.bupttc.com

16. Ipsilon IP 交换的优点 • 对于持续期长、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、传输容量大 • 对于持续期短、业务量小的用户数据流，由于节省了建立ATM虚电路的开销，效率得到提高 • 控制简单 http://www.bupttc.com

17. Ipsilon IP 交换的缺点 • 仅支持网络层的 IP 协议 • 在沿途的每一个IP交换机中监测流，以建立直通路径，从而导致了高时延 • 效率依赖于用户业务分布 • 对于大多数业务是持续期短的情况下，IP 交换机只相当于中等速率的路由器 http://www.bupttc.com

18. 标记交换 (Tag Switching) • Cisco公司1996年提出的拓扑驱动的IP交换协议。 • 沿着路由通路给标记交换设备分配标记，标记的创建和分发依靠反映网络拓扑变化的选路协议信息（如目的端地址前缀） • 去往特定目的地的分组被添加相应标记并在标记交换网络中转发，用简单的标记表查询和替换操作代替路由表查询 • 网内不需要对3层进行处理，提高了转发速度。 http://www.bupttc.com

19. 标记交换（续） • 集成了选路和交换，将第二层的速度、性能管理和质量管理功能与第三层路由的扩展性和灵活性结合起来 • 基本目标是提高骨干路由器的转发性能，支持大规模选路系统 • 把不同的网络层选路服务（如组播、COS等等）与基于标记的转发机制联系起来 • 标记交换转发方法可用于任何介质封装 http://www.bupttc.com

20. 标记交换网络的组件 • 标记 • 标记分发协议（TDP） • 标记边缘路由器（TER） • 标记交换机路由器（TSR） • 标记交换 http://www.bupttc.com

21. 标记 • 一个短固定长度的分组头字段 • 标记可能是ATM信元的VPI和/或VCI、帧中继PDU的DLCI头、或者分组中第二层和第三层寻址信息之间插入的“Shim Tag” • TIB（Tag Information Base）由标记交换设备创建和维护，一旦接收到TDP或者其它控制协议中的标记，TIB的表项将被更新 • 就整个网络而言，标记只在局部有意义 http://www.bupttc.com

22. 标记分发协议 • Tag Distribution Protocol（ TDP ） • 结合标准路由协议，在标记交换设备间分发标记信息，将IP路由与标记进行关联 • 运行在对等TSR设备之间建立的TCP连接上 • 与标准 ATM 不同的是，没有呼叫建立过程 • 标记关联的分配还可以使用现有控制协议RSVP或PIM等通过“piggybacking”来实现 http://www.bupttc.com

23. 标记边缘路由器 • Tag Edge Router • 位于网络的入口和出口，对IP分组执行增值的网络层服务，增加或删除标记 • 既可以是路由器，也可以是多层 LAN 交换机 http://www.bupttc.com

24. 标记交换机路由器 • Tag Switch Router • 以标记为基础，对有标记的分组或信元进行交换，还可支持完整的第三层路由或第二层交换 • TSR的实现实例包括传统路由器，ATM交换机，混合式交换机/路由器 http://www.bupttc.com

25. 标记交换的过程 • 利用TDP和有关路由协议发现对等实体并建立路由表和标记映射表。 • 标记边缘路由器接受IP分组，实现3层增殖服务，并将标记加入每个IP分组后，将分组放入网络。 • 标记交换网内的标记交换机根据标记对IP分组进行交换式转发。 • 在标记交换网输出端的标记边缘路由器将标记去掉，按常规转发IP分组。 http://www.bupttc.com

26. 标记交换服务 • 基于目的地选路 • 边界路由器对之间分配标记 • 支持组播IP业务流 • 分层次选路（标记堆栈） • 显式选路（支持Traffic Engineering） • 支持服务等级（DiffServ/RSVP） http://www.bupttc.com

27. 标记交换的优势 • 支持所有路由协议，可建立在任何介质上 • 提高网络性能，实现快速服务 • 能够利用ATM信令和QoS特性 • 为网络运营者提供了业务量工程设计功能 • 非常适合大规模 IP网络 http://www.bupttc.com

28. 路由器 路由器 路由器 路由器 路由器 TSR 路由器 TSR 路由器 TSR TSR 路由器 路由器 路由器 路由器 标记交换网络实例 http://www.bupttc.com

29. MPLS (Multi-Protocol Label Switch) 多协议标记交换 • IETF的MPLS工作组，主要目标是开发一个综合选路和交换的标准，把路由选择功能转移到网络边缘，把效率更高、结构更简单的交换功能放在核心网络中 • 可以运行不同的链路层技术，如ATM、FR、PPP 、POS 、LAN等 • 实际上，网络层协议只限于IPv4和IPv6 http://www.bupttc.com

30. MPLS和传统的IP转发 入口路由器 分析头 分析FEC 映射到下一跳 分析头 分析FEC 映射到下一跳 分析头 分析FEC 映射到下一跳 入口路由器 分析头 分析FEC 添加标签 标记交换 标记交换 http://www.bupttc.com

31. MPLS的核心技术和组件 • 标记交换路由器（LSR） • 标记边缘路由器（LER） • 标记 • 标记分配协议（LDP） • 标记交换通道（LSP） • 转发机制，即标记交换 http://www.bupttc.com

32. Label Switching Routers (LSRs) (ATM Switch or Router) 标记交换设备 Label Edge Routers http://www.bupttc.com

33. 标记交换路由器 • 具有第三层转发和第二层交换功能 • 运行传统IP选路协议，并执行控制协议以与邻接设备协调FEC/标记的绑定信息 • FEC(Forwarding Equivalence Class)，在相同路径上转发，以相同方式处理，被一个LSR映射到一个单一标记的一组IP分组 • 可以是一个传统交换机扩充IP选路；或将一个传统路由器升级支持MPLS http://www.bupttc.com

34. 标记边缘路由器 • Label Edge Router • 到并且从一个MPLS域转发分组的传统路由器 • 与内部MPLS LSR通信以交换FEC/标记绑定信息 • 执行第三层增值功能，给分组加标记 http://www.bupttc.com

35. 标记 • 包含在每个分组中的短固定长度的值，用于标识一个集合流（Stream） • 在相同路径上转发并以相同方式处理的分组流，一个集合流包含一个或多个流（Flow） • 只在本地有意义，经每一跳后标记是变化的，但经逻辑级联就构成LSP，类似于VPI/VCI构成PVC • 标记的格式依赖于分组封装所在的介质，例如，ATM封装的分组采用VPI和/或VCI http://www.bupttc.com

36. 标记格式 VPI/VCI ATM 信元 数据 DLCI FR数据 数据 SHIM PPP or LAN数据 数据 L2 L3 标记 : 20bits； COS : 3bits S(堆栈指示符) : 1bit；TTL : 8bits 标记 S COS TTL 32bit http://www.bupttc.com

37. 标记信息库（LIB） • 保存在一个LSR（LER）中的连接表 • 入口端口 • 入口标记 • 下一跳LSR • FEC标识符（如地址前缀） • 标签操作（Replace，Push，Pop） • 出口标记 • 出口端口 • 出口链路层封装（如ATM） http://www.bupttc.com

38. 标记分配协议 • Label Distribution Protocol • LSR用它来交换和协调FEC/标记绑定信息，使得对等LSR就一个特定的数值达成一致；每个LSR关联它们LIB中的标记，形成一个从出口到入口的LSP • LSR之间的LDP消息交换在TCP连接上进行 http://www.bupttc.com

39. 标记分配 • 下列信息的到达可以触发交换LDP消息，从而建立标记交换通道LSP • 特定数据流（流驱动） • 预留建立消息（RSVP） • 选路表更新消息（拓扑驱动） • MPLS主要为特大型IP网络设计，可扩展性要求高，拓扑驱动的方案是最佳选择 http://www.bupttc.com

40. 拓扑驱动的标记分配 LSR1 LSR2 选路 协议 选路 协议 路由更新 FIB FIB FEC/标记 LDP LDP LIB LIB 入 出 http://www.bupttc.com

41. 标记分配方式 • 下游分配（Downstream Allocation） • 也可称为非请求下游分配，由数据流动方向的下游MPLS结点分配标记 • 下游按需分配（Downstream On-demand Allocation） • 在收到上游节点明显的请求时，才由下游节点分配标记 http://www.bupttc.com

42. 下游标记分配过程 tag2 tag3 tag4 tag1 路由 : A-B 入：tag1 出：tag2 A-B tag1 路由 : A-B 入：tag2 出：tag3 A-B tag4 路由 : A-B 入：tag3 出：tag4 LER-A LER-B LSR-Z LSR-X LSR-Y http://www.bupttc.com

43. 标记交换通道 • Label Switched Path • 来自于面向虚电路的思想，类似于ATM PVC • 允许用户IP分组以标记交换的方式从一个LSR转发到另一个LSR的一条事先固定的路径 • LSP的建立通过LDP的消息交换进行 http://www.bupttc.com

44. MPLS服务 • 业务量工程 • 在独立和缺省的路径上引导业务流量的能力 • 提高网络性能，合理利用资源 • 有效提高用户端到端的服务质量 • QoS/CoS • 允许个别用户流从特殊的COS属性得到好处 • 采用ATM建立的LSP可以利用ATM的QoS属性 • 目标是支持IETF现有的QoS模型（Diffserv和Intserv） http://www.bupttc.com

45. MPLS服务（续） • 虚拟专用网（VPN） • VPN是在公共网络上叠加的一个逻辑网络 • 通过为每个VPN分配一个标识符，将VPN的成员（及各自的网络地址前缀）和一组标记相关联 • 建立VPN的内部LSP，提供一个安全和可预测的方式交换业务量 • 组播 • IP组播业务量通常持续一段时间，并要求合适的带宽和低时延 • MPLS通过把一个网络层传递树映射成一个LSP树，使得组播分组的有效传输变得更容易 http://www.bupttc.com

46. MPLS的优点 • 提供高速交换、高吞吐量和一定的QoS能力 • 有效完成业务量工程，最佳利用资源 • 支持显示路由、组播、VPN 等路由功能 • 增强了传统IP网络的可扩展性 • 引进和实施新业务时更具灵活性 http://www.bupttc.com

47. MPLS的问题 • 控制协议面临着CR-LDP与M-RSVP两种方式的取舍，影响到互联互通的实现 • 真正的端到端QoS支持尚难以实现，目前只能支持Diffserv的CoS业务 • VC Merge技术有待进一步研究 • 面临与已有网络的兼容和改造 http://www.bupttc.com

48. 第五讲 网络层之IPv6 http://www.bupttc.com

49. IPv4潜伏的三大危机 • 地址枯竭： IPv4的地址域为32比特，可提供232（约40亿）个IP地址。但因将IP地址按网络规模划分成A、B、C三类后，用户可用地址总数显著减少。根据预测，到2003年~2005年IPv4地址将被用尽。 • 网络号码匮乏： 在IPv4中，A类网络只有126个，每个能容纳1亿多个主机；B类网络也仅有16,382个，每个能容纳6万多个主机；C类网络虽多达209万余个，但每个只能容纳254个主机。 • 路由表急剧膨胀： IPv4的地址体系结构是非层次化的，每增加一个子网路由器就增加一个表项，使路由器不堪重负。 http://www.bupttc.com

50. 解决措施 • 暂时缓解三大危机的措施 • 利用内部地址弥补IP地址的不足 • 用CIDR扩大网络号码 • 地址层次化可抑制路径数 • 彻底消除三大危机的措施—导入IPv6 • 1990年，IETF开始开发新的IP版本。 • 1995年12月以RFC1883文件公布了建议标准(proposal standard)，1996年7月和1997年11月先后发布了版本2和2.1的草案标准(draft standard)，1998年7月以RFC2374进一步定义了可聚类的全局单目地址。 http://www.bupttc.com