寬帶綜合ip網(wǎng)

1、第12章 寬帶綜合IP網(wǎng),12.1 背景介紹12.2 IP over ATM12.3 多協(xié)議標記交換12.4 IP over SDH/SONet12.5 IP over WDM,12.1 背景介紹,12.1 背景介紹12.2 IP over ATM12.3 多協(xié)議標記交換12.4 IP over SDH/SONet12.5 IP over WDM,,12.1 背 景 介 紹,12.1.1 傳統(tǒng)I

2、nternet的主要問題綜合業(yè)務傳送能力？基于IPv4的傳統(tǒng)Internet底層結(jié)構(gòu)和協(xié)議主要是針對簡單數(shù)據(jù)傳輸來優(yōu)化設計的?？煽康木W(wǎng)絡QoS能力？Internet的最初設計并非面向電信運營，IP協(xié)議也是一個無連接型的網(wǎng)絡協(xié)議，網(wǎng)絡只提供盡力而為(Best-Effort)的數(shù)據(jù)傳輸服務，不能為業(yè)務提供有保證的QoS。路由器的線速率分組轉(zhuǎn)發(fā)能力？傳統(tǒng)路由器主要依靠軟件進行選路和分組轉(zhuǎn)發(fā)，路由器就成為性能瓶頸。支持超大型網(wǎng)絡結(jié)

3、構(gòu)的能力？IPv4的地址空間已基本耗盡，目前IETF已提出了新的IP地址方案IPv6。流量工程能力？Internet上的主要路由協(xié)議都是基于計算分組在網(wǎng)上傳輸?shù)淖疃搪窂剿惴▉碓O計的，很少考慮時延、抖動、擁塞等因素，這樣網(wǎng)絡管理者很難進行流量工程。,,1997年，IETF開始制定的多協(xié)議標記交換技術(shù)(MPLS：Multi-Protocol Label Switching)，在各種專有IP over ATM技術(shù)的基礎上，從全網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

4、的角度出發(fā)來考慮如何實現(xiàn)綜合業(yè)務、QoS、流量工程等目標。1999年底，鑒于MPLS在未來網(wǎng)絡中的重要地位，ITU-T SG13研究組也將研究重心從B-ISDN和GII轉(zhuǎn)向MPLS。2000年后，隨著低成本、高性能路由器技術(shù)的成熟，采用IP over ATM方式構(gòu)建綜合寬帶IP骨干網(wǎng)已無性能優(yōu)勢，IP/MPLS方案成為構(gòu)建綜合寬帶IP骨干網(wǎng)的首選方案，我們將在隨后進行介紹。,,12.1.2 實現(xiàn)寬帶綜合IP網(wǎng)的主要方案,總的來看，基于

5、IP的寬帶綜合骨干網(wǎng)的技術(shù)方案可以分成以下兩大類：(1) IP與ATM相結(jié)合的方案借助ATM網(wǎng)絡強大的QoS和綜合業(yè)務的能力，基于ATM來傳送IP，以此來解決IP網(wǎng)絡的服務質(zhì)量問題。IP over ATM即屬于該方案，傳統(tǒng)電信運營商多采用此方案。主要缺點：技術(shù)體制復雜、IP傳輸效率不高。 (2) IP直接與光傳送網(wǎng)相結(jié)合的方案使用光纖信道來增加可用的帶寬，同時舍棄復雜的ATM層，將IP分組直接在光傳送網(wǎng)上傳輸，以提高傳輸

6、效率，網(wǎng)絡資源的管理則委托路由器來完成，因而協(xié)議結(jié)構(gòu)簡單。依靠光傳送網(wǎng)的高帶寬和現(xiàn)代路由器的處理能力可以為寬帶業(yè)務提供很好的服務質(zhì)量。IP over SDH和IP over WDM就屬于該方案。主要缺點：綜合業(yè)務能力和QoS保障能力較弱。MPLS則更像一個封裝協(xié)議，在兩種方案中均可使用。,,寬帶IP網(wǎng)絡的實現(xiàn)方式,12.2 IP over ATM,12.1 背景介紹12.2 IP over ATM12.3 多協(xié)議標記交

7、換12.4 IP over SDH/SONet12.5 IP over WDM,,12.2 IP over ATM,將ATM技術(shù)應用于Internet可以解決帶寬問題，也可以簡單地將ATM的QoS能力引入Internet，以滿足各種實時業(yè)務的性能要求。因此IP over ATM方案成為傳統(tǒng)電信運營商構(gòu)建寬帶IP網(wǎng)的主要選擇之一。IP over ATM方案中IP層主要實現(xiàn)多業(yè)務匯聚和數(shù)據(jù)的封裝ATM層負責提供端到端的QoS

8、SDH層提供光網(wǎng)絡的管理和保護切換功能光網(wǎng)絡層基于WDM提供高帶寬,,IP與ATM技術(shù)相結(jié)合的主要難點在于ATM是面向連接的技術(shù)，而IP是無連接的技術(shù)，并且兩者都有自己的編址方案和選路規(guī)程，相互間的協(xié)調(diào)配合較復雜。目前關(guān)于IP over ATM的方案，ITU-T、IETF、ATM-Forum等標準化部門和許多制造商已提出了很多，其中有一些已成為標準。根據(jù)這些方案中IP與ATM之間的結(jié)合方式來劃分，IP over ATM可分為：

9、重疊模式(Overlay Model) 集成模式(Integration Model),IP over ATM技術(shù)分類,重疊模型是將IP網(wǎng)絡層協(xié)議重疊在ATM之上，ATM網(wǎng)與現(xiàn)有的IP網(wǎng)重疊。即IP在ATM網(wǎng)上運行。其基本思想是：IP與ATM各自保持原有的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、協(xié)議結(jié)構(gòu)不變，通過在兩個不同層次的網(wǎng)絡之間進行數(shù)據(jù)映射、地址映射和控制協(xié)議映射來實現(xiàn)IP over ATM。從IP層的角度來看，ATM層只是另一個異構(gòu)的網(wǎng)絡而已，它們通

10、過IP協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)間互連，ATM網(wǎng)絡作為傳送IP分組的數(shù)據(jù)鏈路層來使用；從ATM層來看，IP層產(chǎn)生的業(yè)務只是它承載的一種業(yè)務類型，它使用AAL5適配IP分組，將其封裝成ATM信元，使用標準ATM信令建立端到端的VC連接，并在其上傳送已封裝成ATM信元形式的IP業(yè)務流。,重疊模型,ATM交換機構(gòu)成寬帶核心網(wǎng)，路由器則位于核心網(wǎng)邊緣。由路由器構(gòu)成的IP網(wǎng)絡負責路由表的維護，確定下一跳路由器地址，然后將IP分組轉(zhuǎn)換成ATM信元，經(jīng)由ATM核心

11、網(wǎng)建立的VC傳送到選定的下一跳路由器。,該方案中，要求每個使用IP服務的ATM用戶終端同時具有ATM網(wǎng)絡地址和IP地址，并同時支持IP和ATM兩套控制機制；網(wǎng)絡中需設置專用服務器完成高層IP地址到ATM地址的解析工作。在發(fā)端用戶知道收端用戶的ATM地址之時，才使用標準的ATM信令建立端到端的VPI/VCI連接。優(yōu)點：與標準的ATM網(wǎng)絡及業(yè)務兼容；缺點：IP的傳輸效率低，地址解析服務器容易成為網(wǎng)絡瓶頸，不能充分發(fā)揮ATM在QoS方面

12、的優(yōu)勢，因而不適宜用來構(gòu)造大型骨干網(wǎng)。重疊模式主要包括IETF的傳統(tǒng)IP協(xié)議CIPOA、ATM forum 的局域網(wǎng)仿真LANE和ATM上的多協(xié)議MPOA等。,重疊模型,集成模型是將IP路由器的智能和管理性能集成到ATM交換中形成的一體化平臺。集成模式的基本思想是讓核心網(wǎng)的ATM交換機直接運行IP路由協(xié)議，將ATM層看作IP層的對等層，而不是為其提供服務的下一層，使用IP服務的用戶終端只需要一個 IP地址來標識，網(wǎng)絡無需再進行IP地

13、址到ATM地址的解析處理，也不再使用ATM信令進行端到端VC的建立。,集成模型,在網(wǎng)絡中ATM交換機仍然基于VPI/VCI實現(xiàn)分組轉(zhuǎn)發(fā)，但重疊模式中的ATM交換機的VPI/VCI表是由標準的ATM信令建立和維護的，而集成模式中ATM交換機的VPI/VCI表是由IP路由協(xié)議和基于TCP/IP的其他標記分發(fā)控制協(xié)議創(chuàng)建和維護的。節(jié)點先使用IP進行尋址和選路，然后在選好的路徑上使用ATM交換進行分組轉(zhuǎn)發(fā)。,IP over ATM重疊模式網(wǎng)絡,

14、集成模式的優(yōu)點是綜合了第三層路由的靈活性和第二層交換的高效性，IP分組的傳輸效率高，可以充分發(fā)揮ATM面向連接的全部優(yōu)點；缺點是協(xié)議較為復雜，與標準ATM技術(shù)不兼容。 集成模式主要包括Ipsilon公司的IP交換技術(shù)(IP Switching)、Cisco公司的標記交換技術(shù)(Tag Switching)、IETF制定的MPLS等。,,12.2.2 IP交換,1996年，Ipsilon公司提出了IP交換(IP switc

15、hing)的概念。它將一個IP路由處理器捆綁在一個ATM交換機上，去除了交換機中所有的“ATM論壇”信令和路由協(xié)議，ATM 交換機由與其相連的IP路由處理器控制。IP交換機作為一個整體運轉(zhuǎn)，執(zhí)行通常的IP路由協(xié)議，并進行傳統(tǒng)的逐跳方式的IP分組轉(zhuǎn)發(fā)。 IP交換最先引入了流的概念，IP交換機可以根據(jù)流的不同特點，選擇使用傳統(tǒng)的路由方法轉(zhuǎn)發(fā)分組，或建立ATM連接轉(zhuǎn)發(fā)分組。IP交換大大地提高了ATM網(wǎng)上IP分組轉(zhuǎn)發(fā)的效率，是典型的集成方式的

16、多層交換技術(shù)。,1．基本結(jié)構(gòu),IP交換的核心是IP交換機和相關(guān)的專用通信協(xié)議。IP交換機是一個能夠在第三層轉(zhuǎn)發(fā)IP分組并具有一個使分組也能在第二層被交換的設備或系統(tǒng)。它具有區(qū)分哪些分組將在第三層被轉(zhuǎn)發(fā)以及哪些分組將在第二層被交換的控制機制，然后通過一條第二層交換路徑重定向一些或所有分組。IP交換機由兩個邏輯上分離的功能組成：ATM交換模塊和IP交換控制器。,IP交換機的結(jié)構(gòu),,IP交換機的結(jié)構(gòu),(1) ATM交換模塊(2) I

17、P交換控制器：主要由IP路由軟件和控制軟件組成，它負責標識一個流，并將其映射到ATM的虛連接上。(3) GSMP：是通用交換管理協(xié)議。此協(xié)議使IP交換控制器可從內(nèi)部完全控制ATM交換模塊，管理其交換端口，建立和撤銷通過交換機的連接等。(4) IFMP：是Ipsilon流管理協(xié)議。該協(xié)議用于在IP交換機間共享流標記信息，以實現(xiàn)基于流的第二層交換。,,流的概念,IP交換的基本概念是流的概念。一個流是從ATM交換機輸入端口進來的一系列

18、有先后關(guān)聯(lián)的IP分組，它將由IP交換控制器的路由軟件來處理。 IP交換將輸入的分組流分為兩種類型：持續(xù)期長、業(yè)務量大的用戶數(shù)據(jù)流，比如FTP、Telnet、HTTP以及多媒體音頻、視頻數(shù)據(jù)等。這類數(shù)據(jù)流在ATM交換機硬件中直接進行交換。持續(xù)期短、業(yè)務量小、呈突發(fā)分布的用戶數(shù)據(jù)流，比如DNS查詢、SMTP數(shù)據(jù)、SNMP數(shù)據(jù)等。這類數(shù)據(jù)流通過IP交換控制器中的IP路由軟件完成轉(zhuǎn)發(fā)，即采用和傳統(tǒng)路由器類似的逐跳的存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式。采取這種方

19、法省去了建立ATM虛連接的開銷。,IP交換同時支持傳統(tǒng)的逐跳分組轉(zhuǎn)發(fā)方式和基于流的ATM直接交換方式.,IP交換機的工作原理,,交換機工作過程,(1) 逐跳轉(zhuǎn)發(fā)IP分組階段任意IP分組流，最初都是在兩個相鄰IP交換機間的缺省VC上逐跳轉(zhuǎn)發(fā)的，該缺省VC穿過ATM交換機并終接于兩個IP交換控制器上。在每一跳，ATM信元先重新組裝成IP分組，送往IP交換控制器，IP交換控制器則根據(jù)IP路由表決定下一跳，然后再IP分組分拆為ATM信元進行轉(zhuǎn)

20、發(fā)。同時，IP交換控制器基于接收IP分組的特征，按照預定的策略進行流分類決策，以判斷創(chuàng)建一個流是否有益。,(2) 使用IFMP將業(yè)務流從默認VC重定向到一個專用的VC上如果分組適合于流交換，則IP交換控制器用IFMP協(xié)議發(fā)一個重定向信息給上游節(jié)點，要求它將該業(yè)務流放到一個新的VC上傳送(即上游節(jié)點的出口VC同時是下游節(jié)點的入口VC)。如果上游節(jié)點同意建立VC，則后續(xù)分組在新的VC上轉(zhuǎn)發(fā)，同時下游節(jié)點也進行了流分類決策，并發(fā)送了一個重

21、定向信息到上游，請求為該業(yè)務流建立一條呼出VC。新的VC一旦被建立，后續(xù)業(yè)務流將在新的VC上轉(zhuǎn)發(fā)。,(3) 在新的VC上對流進行第二層交換ATM交換機根據(jù)已經(jīng)構(gòu)造好的輸入/輸出VC的映射關(guān)系，將該流的所有后續(xù)業(yè)務量在第二層進行交換，而不會再涉及到IP交換控制器。同時，一旦建立了一個流，IP分組就不需要在每一跳進行組裝和分拆操作，因而大大提高了IP分組的轉(zhuǎn)發(fā)效率，尤其是由長數(shù)據(jù)流組成的網(wǎng)絡業(yè)務將從IP交換受益最多。,IP交換的工作原理,

22、,IP交換中所使用的協(xié)議,GSMP協(xié)議GSMP是交換結(jié)構(gòu)的一部分，用于IP交換控制器，完成直接控制ATM交換的功能。GSMP是一種異步協(xié)議，它把IP交換控制器設置為主控制器，而把ATM交換機設置為從屬被控設備，使IP交換控制器用來控制ATM交換機的工作。IFMP協(xié)議IFMP用于IP交換機、IP交換網(wǎng)關(guān)或IP主機中，它把現(xiàn)有網(wǎng)絡或主機接入到由IP交換機組成的IP交換網(wǎng)中，用來控制數(shù)據(jù)傳送。IFMP協(xié)議可以在兩臺IP交換機之間的點到

23、點鏈路上運行，它用于IP交換機間標記綁定的流間通信，采用下游標記分配模型來實現(xiàn)。它可以在IP交換網(wǎng)關(guān)或支持IFMP的網(wǎng)絡接口卡之間請求分配一個新的VPI/VCI，即IFMP協(xié)議給某個流附加一個標簽，使該流的路由更加有效。,IP交換控制器利用該協(xié)議向ATM交換機發(fā)出下列要求：建立和釋放穿過ATM交換機的虛連接。在點到多點連接中，增加或刪除端點?？刂艫TM交換機端口。進行配置信息查詢。進行統(tǒng)計信息查詢。IP交換控制器利用GSMP

24、協(xié)議實現(xiàn)ATM交換機為某個用戶流建立新的VPI/VCI的功能。,,3．IP交換的優(yōu)缺點,優(yōu)點：由于IP交換機把輸入的用戶業(yè)務流分成兩大類，節(jié)省了建立ATM虛電路的開銷，因此提高了效率。缺點： IP交換的缺點是只支持IP協(xié)議，它的效率依賴于具體用戶的業(yè)務環(huán)境。對于大多數(shù)業(yè)務為持續(xù)期長、業(yè)務量大的用戶數(shù)據(jù)，能獲得較高的效率。但對于大多數(shù)業(yè)務為持續(xù)期短、業(yè)務量小、呈突發(fā)分布的用戶數(shù)據(jù)，IP交換的效率將大打折扣，這時一臺IP交換機只相當

25、于一臺中等速率的路由器。,12.2.3 Tag交換 Tag交換是Cisco公司提出的一種根據(jù)每個分組中預先分配的Tag來進行交換的通用方法(并非僅對IP和ATM)。Cisco公司將它定位為一種廣域網(wǎng)技術(shù)，其設計目標是將第二層交換和網(wǎng)絡流量管理能力與第三層路由功能的靈活性和可伸縮性結(jié)合在一起，以滿足未來通信網(wǎng)的服務質(zhì)量要求。,1．Tag 交換的基本結(jié)構(gòu) 1) Tag的概念 Tag交換核心的

26、概念是“Tag", Tag的長度固定，每個Tag與第三層的路由信息直接關(guān)聯(lián)，這樣通過定長的Tag而不是變長的IP地址前綴，就可以將IP分組或ATM信元傳送到網(wǎng)絡中的合適目的地。這種方式有如下優(yōu)點： (1) 交換機使用固定長的Tag 作為索引查找分組轉(zhuǎn)發(fā)表，從而產(chǎn)生非?？焖俣行У霓D(zhuǎn)發(fā)決策，更適合用硬件方式來實現(xiàn)交換。,(2) Tag與第三層的路由信息相關(guān)聯(lián)，使得與Tag相關(guān)聯(lián)的交換路徑可以預先建立，提高了網(wǎng)絡的

27、交換性能和穩(wěn)定性。我們將這種流建立方式稱為拓撲驅(qū)動，它是Tag交換與IP交換的最重要的區(qū)別。 Tag與IP地址不同點在于：IP地址是全網(wǎng)有效的，要求保證IP地址的全網(wǎng)范圍的惟一性；而Tag是局部有效的，只需在任一交換節(jié)點保持其惟一性即可。 對于IP over ATM網(wǎng)絡，Tag可直接由VPI/VCI字段運載，無需修改所需要的AT M信元格式。對于其他分組網(wǎng)絡，標記必須放在現(xiàn)有的幀字段中，或附加在第二層和第

28、三層的控制字段之間。,2) Tag交換的主要部件 Tag交換主要包括以下組成部分： (1) 邊緣路由器(ER：Edge Router): 位于核心網(wǎng)絡的邊緣，它負責將Tag加到分組上，并執(zhí)行增值的網(wǎng)絡層服務。ER既可以是路由器，也可以是多層LAN交換機。 (2) Tag交換機(TS：Tag Switch): 它可以對所有被Tag的分組或信元進行第二層交換，同時它也可以支持完整的第三層IP路

29、由功能。,(3) Tag分配協(xié)議(TDP：Tag Distribution Protocol)：TDP與標準的網(wǎng)絡層IP路由協(xié)議(OSPF、BGP等)配合，在Tag交換網(wǎng)絡中的相鄰的各設備間分發(fā)Tag信息，TDP提供了TS與ER以及TS與TS之間進行Tag信息交換的方式。ER和TS使用標準的IP路由協(xié)議建立它們的路由表(FIB：Forward Information Base)，獲取目的地的可達性信息，在FIB的基礎上，相鄰的TS和E

30、S使用TDP相互分發(fā)Tag值，創(chuàng)建Tag交換需要的TIB(Tag Information Base)，TS將依據(jù)TIB執(zhí)行Tag交換。,3) 分配Tag的依據(jù) 在ER中可以根據(jù)下列幾類信息為IP分組加上Tag值： (1) 目的地址前綴：此類Tag，以路由表中的路由為基礎分配。它允許來自不同源地址而流向同一目的地的業(yè)務流發(fā)送時共享同一標記，從而節(jié)省標記和資源。 (2) 業(yè)務量調(diào)節(jié)：給IP分組加上

31、一個Tag，使它沿指定的，但與IP路由算法選擇的路徑不同的路徑傳輸，從而使管理員可以平衡網(wǎng)絡負荷，進行流量工程管理。 (3) 應用業(yè)務流：該方法Tag的分配同時考慮源地址和目的地址，比如可以根據(jù)源地址和目的地址之間已登記的QoS需求來分配Tag，它可以提供更為精細的QoS保證能力。,2．工作原理 Tag交換將路由功能分成以下兩部分： (1) 分組轉(zhuǎn)發(fā)：執(zhí)行基于Tag值的查表和轉(zhuǎn)發(fā)分組。

32、 (2) 控制功能：使用IP路由協(xié)議和TDP創(chuàng)建和維護Tag信息庫TIB。 當分組轉(zhuǎn)發(fā)部分收到一個帶Tag值的IP分組或信元時，用Tag作索引查詢Tag信息庫TIB, 如果找到匹配的，則根據(jù)TIB中的信息，用輸出標記取代原來的輸入標記，隨后該分組或信元將被轉(zhuǎn)發(fā)到指定的輸出端口。,Tag交換的工作過程可簡單地用以下四個步驟來描述，如圖12.7所示。 (1) 1a: 使用現(xiàn)有路由協(xié)議(如OSPF、BG

33、P )建立目的網(wǎng)絡可達性。 1b: 使用TDP協(xié)議在ER和TS間分布Tag信息。 (2) 在IP骨干網(wǎng)的邊緣，入口ER接收IP分組，完成任何第三層特殊服務，并為分組打上Tag。 (3) 在IP骨干網(wǎng)內(nèi)部，TS使用Tag而非IP地址進行分組轉(zhuǎn)發(fā)。 (4) 當分組穿過網(wǎng)絡到達另一邊，出口ER移去Tag，并將分組傳給其目的地LAN。,圖12.7 Tag交換的工作過程,需要指出的

34、是：ATM交換與Tag交換主要的不同在于轉(zhuǎn)發(fā)表的創(chuàng)建方式，ATM轉(zhuǎn)發(fā)表中的每一項是通過響應網(wǎng)絡用戶發(fā)起的一個ATM信令過程創(chuàng)建的。Tag交換則通過執(zhí)行IP路由協(xié)議來發(fā)現(xiàn)到每一目的地的路由，然后該路由上相鄰的Tag交換機通過TDP協(xié)商確定到每一目的地的輸入輸出Tag對。 Tag交換作為一種Cisco公司的專有技術(shù)，其主要的缺點是不可擴展。當使用地址前綴分配Tag值時，存在VC合并問題，即當IP分組封裝進AAL5-PDU中時

35、，插入到同一連接中的信元會分配相同的VCI，這樣接收它們的下一跳就無法區(qū)分它們是否屬于不同的分組。,為了使這一技術(shù)能夠被接受， Cisco已將Tag交換提交給IETF的多協(xié)議標號交換MPLS工作組，其中的許多思想已被MPLS接受。 前面介紹的IP交換和Tag交換都屬于集成模式，從支持IP的角度來看，集成模式在性能和擴展性等方面優(yōu)于重疊模式，更適合用來組建面向電信運營的寬帶綜合IP網(wǎng)絡。,集成模式中根據(jù)流的建立方式不同又分

36、為基于數(shù)據(jù)流(Flow-based)的方式和基于拓撲(Topology-Based)的方式。其中IP交換屬于基于數(shù)據(jù)流的方式，因為執(zhí)行ATM交換還是IP轉(zhuǎn)發(fā)依賴于數(shù)據(jù)流的特性；Tag交換屬于基于拓撲的方式，因為ATM-VC的建立直接與網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)和路由器傳送分組時選擇的路由相關(guān)。下面是兩種方式的比較： (1) 基于數(shù)據(jù)流方式的IP交換可以為業(yè)務流提供與ATM一樣的QoS保證，但必須為每一個業(yè)務流分配一個虛電路，一方面會

37、占用過多的IP地址，另一方面基于業(yè)務流創(chuàng)建流，要求沿途所有交換機都進行流檢測，并通過IFMP協(xié)議通信，很容易產(chǎn)生擁塞。因此IP交換創(chuàng)建流的方法開銷大，不適用于業(yè)務密集的大型骨干網(wǎng)絡。,(2) 基于拓撲方式的Tag交換在建立路由表時，預先建立Tag映射，它既能支持短期、小業(yè)務量的Tag交換，也能支持長期、大業(yè)務量的Tag交換；另外，Tag交換的TDP協(xié)議只在網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時才發(fā)送消息，其流的創(chuàng)建維護開銷較小，該技術(shù)更適于在大型骨干網(wǎng)

38、上應用。 上述的集成模式技術(shù)都屬于設備制造上的專有技術(shù)，不同廠商的設備間很難互通，隨著2000年后高速路由器技術(shù)的成熟和成本下降，IP over ATM技術(shù)已逐漸喪失吸引力，IP/MPLS方案逐漸成為主流。IETF提出的MPLS技術(shù)一個很重要的目標就是提供一個集成模式的國際標準，來解決未來大型骨干IP網(wǎng)絡中不同廠商設備間的兼容性問題。目前主要的電信、計算機領域的設備制造商都參與了該標準的制定。,,12.3 多協(xié)議標記交

39、換,12.1 背景介紹12.2 IP over ATM12.3 多協(xié)議標記交換12.4 IP over SDH/SONet12.5 IP over WDM,12.3 多協(xié)議標記交換,12.3.1 背景 1．MPLS的定義 MPLS是IETF提出的解決下一代寬帶骨干網(wǎng)帶寬管理和業(yè)務需求的優(yōu)秀方案之一。MPLS代表多協(xié)議標記交換，其中多協(xié)議的含義是該技術(shù)適用于任何網(wǎng)絡協(xié)議，在這里主要討論

40、IP作為網(wǎng)絡層協(xié)議的用法；,其中的標記交換是指利用MPLS傳輸?shù)姆纸M在網(wǎng)絡入口處打上一個短小、長度固定的標記，當分組沿某一路徑傳輸時，該路徑上的交換設備將根據(jù)標記值實現(xiàn)快速高效的第二層交換。 MPLS的多協(xié)議特性則體現(xiàn)在，它提供了一種標記的封裝方法，使得MPLS可以交換任何類型網(wǎng)絡層分組，同時也可以保持與現(xiàn)有網(wǎng)絡的兼容性，即MPLS具體的標記封裝方式?jīng)Q定于具體數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)(ATM、幀中繼、Ethernet等)，所以MPLS既可以在現(xiàn)有

41、的ATM網(wǎng)絡、幀中繼、Ethernet等網(wǎng)絡上實現(xiàn)，也可以在未來新的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)。從本質(zhì)上看，MPLS是將第二層交換的高效率與第三層路由的靈活性綜合在一起的多層交換技術(shù)。 圖12.8描述了MPLS的多協(xié)議支持特性。,圖12.8 MPLS的多協(xié)議支持特性,2．MPLS的設計目標 MPLS是針對目前網(wǎng)絡面臨的速度、可伸縮性(Scalability)、QoS管理、流量工程等問題而設計的一個通用的解決方案。其主要的設計目標和

42、技術(shù)路線如下： (1) 提供一種通用的標記封裝方法，使得它可以支持各種網(wǎng)絡層協(xié)議(主要是IP協(xié)議)，同時又能夠在現(xiàn)存的各種分組網(wǎng)絡上實現(xiàn)。 (2) 在骨干網(wǎng)上采用定長標記交換取代傳統(tǒng)的路由轉(zhuǎn)發(fā)，以解決目前Internet的路由器瓶頸，并采用多層交換技術(shù)保持與傳統(tǒng)路由技術(shù)的兼容性。,(3) 在骨干網(wǎng)中引入QoS以及流量工程等技術(shù)，以解決目前Internet服務質(zhì)量無法保證的問題，使得IP可以真正成為可靠的、

43、面向運營的綜合業(yè)務服務網(wǎng)。 總之，在下一代網(wǎng)絡中為滿足網(wǎng)絡用戶的需求，MPLS將在尋路、交換、分組轉(zhuǎn)發(fā)、流量工程等方面扮演重要角色。,3．主要標準化機構(gòu) 1997年IETF首次提出了MPLS，1999年就有廠商推出了相應的設備，速度之快是以前任何一種技術(shù)所沒有的。MPLS草案主要分四部分：第一部分描述了MPLS的總體情況和術(shù)語；第二部分為標準的主體，描述了MPLS的標記格式、標記分配的屬性、標記分配的概念

44、、標記編碼、路由選擇機制和環(huán)路控制等內(nèi)容；第三部分描述了MPLS的主要應用；第四部分描述了標記分配協(xié)議LDP。 2000年前與MPLS相關(guān)的機構(gòu)主要有IEFT和ATM論壇。IETF中與MPLS有關(guān)的工作組包括： (1) Routing area 工作組； (2) MPLS 工作組。,ATM論壇中與MPLS有關(guān)的工作組包括: (1) Traffic Management

45、 工作組； (2) ATM-IP Collaboration 工作組。 1999年底，鑒于IP技術(shù)在Internet 的絕對統(tǒng)治地位，ITU-TSG13研究組將研究重心從B-ISDN和GII轉(zhuǎn)向MPLS，并一致同意將LDP/CR-LDP作為公用網(wǎng)標準信令。 2000年成立的MPLS論壇也是非?；钴S的MPLS研究機構(gòu)，由于其成員代表了主要的電信設備廠商，因而對MPLS標準的制定有很大的影

46、響。,4．主要應用 MPLS提供了一個基于標準的解決方案以滿足當今骨干網(wǎng)對高性能的需求，其主要應用目標如下： 1) 提高數(shù)據(jù)網(wǎng)中分組轉(zhuǎn)發(fā)的性能 (1) 通過采用第二層交換技術(shù)，MPLS增強并簡化了路由器轉(zhuǎn)發(fā)分組的能力。 (2) MPLS簡單、易于實現(xiàn)。 (3) 由于IP路由被標記線速率交換替代，網(wǎng)絡性能得到了提高。,2) 支持區(qū)分服務的QoS (

47、1) MPLS采用流量工程的方式建立通路，以此來提供業(yè)務級的性能保證。 (2) MPLS同時提供基于約束的和顯式LSP的建立。 3) 支持網(wǎng)絡的可升級性(Scalability) MPLS可以避免在網(wǎng)孔型的IP-ATM中出現(xiàn)的N2覆蓋問題。,4) 構(gòu)建可互操作的網(wǎng)絡(1) MPLS是一個實現(xiàn)IP與ATM網(wǎng)絡可以互操作的標準解決方案。(2) MPLS簡化了IP over SD

48、H在光交換中的集成。(3) MPLS的流量工程能力，有助于創(chuàng)建可伸縮的VPN。,12.3.2 MPLS的總體結(jié)構(gòu) 1．主要功能 MPLS是IETF為業(yè)務流通過網(wǎng)絡進行高效地尋路、轉(zhuǎn)發(fā)和交換而提供的一個框架，它執(zhí)行的主要功能有： (1) 提供對不同粒度的業(yè)務流的管理機制，例如不同硬件和機器之間、不同應用之間的業(yè)務流。 (2) 保持原有第二層和第三層協(xié)議的獨立。

49、 (3) 提供一種將IP地址映射成簡單的、固定長度標記的方法，該標記可用于不同的分組轉(zhuǎn)發(fā)和分組交換技術(shù)。 (4) 為已有的路由協(xié)議如RSVP和OSPF(Open Shortest Path First)等提供接口。,2．主要名詞術(shù)語 1) 標記(Label ) 標記是一個短小、定長，且只有局部意義的連接標識符，它對應于一個轉(zhuǎn)發(fā)等價類(FEC)。一個分組上增加的標記代表該分組隸屬的FEC。標記

50、可以使用LDP、RSVP或通過OSPF、BGP等路由協(xié)議搭載來分配。 2) LSP LSP(Label-Switched Path)指標記交換路徑，在功能上它等效于一個虛電路。在MPLS網(wǎng)絡中，分組傳輸在LSP上進行, 一個LSP由一個標記序列標識，它由從源端到目的端的路徑上的所有節(jié)點上的相應標記組成。,3) LSR LSR(Label Switched

51、Router)指標記交換路由器，是一個通用IP交換機，位于MPLS核心網(wǎng)中，具有第三層轉(zhuǎn)發(fā)分組和第二層交換分組的功能。它負責使用合適的信令協(xié)議(如LDP/CR-LDP或RSVP)與鄰接LSR交換FEC/Label綁定信息，建立LSP。對加上標記的分組，LSR將不再進行任何第三層處理，只是依據(jù)分組上的標記，利用硬件電路，在預先建立的LSP上執(zhí)行高速的分組轉(zhuǎn)發(fā)。,4) LER LER指標記邊緣路由器，它位于接入網(wǎng)和MPL

52、S網(wǎng)的邊界的LSR，其中入口LER(Label Edge Router)負責基于FEC對IP分組進行分類，并為IP分組加上相應標記，執(zhí)行第三層功能，決定相應的服務級別和發(fā)起LSP的建立請求，并在建立LSP后將業(yè)務流轉(zhuǎn)發(fā)到MPLS網(wǎng)上。而出口LER則執(zhí)行標記的刪除，并將除去標記后的IP分組轉(zhuǎn)發(fā)至相應的目的地。通常LER都提供多個端口以連接不同的網(wǎng)絡(如ATM、FR、Ethernet等)，LER在標記的加入和刪除，業(yè)務進入和離開MPLS網(wǎng)等

53、方面扮演著重要的角色。,5) FEC FEC(Forwarding Equivalence Class)指轉(zhuǎn)發(fā)等價類，代表了有相同服務需求分組的子集。對于子集中所有的分組，路由器采用同樣的處理方式轉(zhuǎn)發(fā)。例如，最常見的一種是LER可根據(jù)分組的網(wǎng)絡層地址確定其所屬的FEC，根據(jù)FEC為分組加上標記。,MPLS核心網(wǎng)之所以基于標記，而不是直接使用FEC進行交換，主要基于以下原因： (1) FEC長度可變，甚

54、至是一個策略描述，基于它難以實現(xiàn)硬件高速交換。 (2) FEC是基于網(wǎng)絡層或更高層的管理信息得到的，而MPLS的目標之一是支持不同的網(wǎng)絡層協(xié)議，直接使用FEC不利于實現(xiàn)一個獨立于網(wǎng)絡層的核心交換網(wǎng)。 (3) FEC-Label策略也增強了MPLS作為一種骨干網(wǎng)技術(shù)在路由和流量工程方面的靈活性和可伸縮性。,圖12.9 FEC-Label與LSP的關(guān)系示意圖,6) LDP LDP指標

55、記分配協(xié)議，是MPLS中LSP的連接建立協(xié)議。LSR使用LDP(Label Distribution Protocol)協(xié)議交換FEC/Label綁定信息，建立一條從入口LER到出口LER的LSP。但是MPLS并不限制舊有的控制協(xié)議的使用，如RSVP、OSPF、BGP、PNNI等。,3．網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu) MPLS屬于多層交換技術(shù)，它主要由兩部分組成，即控制面和數(shù)據(jù)面，其主要特點如下： (1) 控制面：負責交換

56、第三層的路由信息和標記。 (2) 數(shù)據(jù)面：負責基于LIB進行分組轉(zhuǎn)發(fā)，其主要特點是采納ATM等的固定長標記交換技術(shù)進行分組轉(zhuǎn)發(fā)，從而極大地簡化了核心網(wǎng)絡分組轉(zhuǎn)發(fā)的處理過程，提高了傳輸效率。,圖12.10 MPLS網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示意圖,MPLS網(wǎng)絡執(zhí)行標記交換需經(jīng)歷以下步驟： (1) 1a：LSR使用現(xiàn)有的IP路由協(xié)議獲取到目的網(wǎng)絡的可達性信息，維護并建立標準IP轉(zhuǎn)發(fā)路由表FIB。 1b：使用LD

57、P協(xié)議建立LIB。 (2) 入口LER接收分組，執(zhí)行第三層的增值服務，并為分組打上標記。 (3) 核心LSR基于標記執(zhí)行交換。 (4) 出口LER刪除標記，轉(zhuǎn)發(fā)分組到目的網(wǎng)絡。,圖12.11描述了在MPLS網(wǎng)中使用的主要協(xié)議和其所在的功能模塊，其中控制面由IP路由協(xié)議模塊、標記分配協(xié)議模塊組成。根據(jù)不同的使用環(huán)境，IP路由協(xié)議可以是任何一個目前流行的路由協(xié)議，如OSPF、BGP或IS-IS等。標

58、記分配協(xié)議也有多種選擇，其中LDP使用TCP協(xié)議來保證LDP對等層在對話期間的控制數(shù)據(jù)可靠地在LSR間傳輸，同時LDP也負責維護、更新LIB的內(nèi)容。當LDP處于發(fā)現(xiàn)操作狀態(tài)時，它使用UDP協(xié)議，在這個狀態(tài)下，LSR竭力搜索它的鄰居成員，同時也將自己在網(wǎng)上呈報。這是通過相互交換Hello分組實現(xiàn)的，而RSVP則采用UDP協(xié)議傳遞標記信息。,數(shù)據(jù)面主要由IP轉(zhuǎn)發(fā)模塊和標記轉(zhuǎn)發(fā)模塊組成，其中IP轉(zhuǎn)發(fā)是指執(zhí)行傳統(tǒng)的IP轉(zhuǎn)發(fā)功能，它使用最長地址匹

59、配算法在路由表中查找下一跳，在MPLS中，該功能只在LER上執(zhí)行。MPLS標記轉(zhuǎn)發(fā)則根據(jù)給定分組的標記進行輸出端口/標記的映射。圖12.11中灰色框部分通常用硬件實現(xiàn)，以加快處理速度和效率，而控制面的功能主要由軟件來實現(xiàn)。,圖12.11 MPLS的功能模塊和相關(guān)協(xié)議,12.3.3 標記的封裝 1．標記的封裝 簡單來說，一個標記是一個分組應該經(jīng)過的路徑標識，標記封裝在分組第二層的Header中, 接收路

60、由器檢查分組中標記的內(nèi)容以決定下一跳地址。一旦分組被打上標記，分組在網(wǎng)上隨后的轉(zhuǎn)發(fā)將基于標記來進行。標記值只有局部意義， 即一個標記只是標識相鄰兩個LSR間的一跳。,一個分組一旦被歸為一個新的FEC或到一個已有的FEC中， LER將為它分配一個標記。標記值和封裝方式根據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層的不同而有所區(qū)別，它既可被嵌入到數(shù)據(jù)鏈路層的Header中，也可在數(shù)據(jù)鏈路層的Header和網(wǎng)絡層Header之間增加一個MPLS Shim字段。如果數(shù)據(jù)鏈路層

61、是幀中繼時，則標記值直接使用DLCI(Data Link Connection Identifier), 如果數(shù)據(jù)鏈路層是ATM時，則直接使用VPI/VCI作標記，此時標記被嵌入到第二層的Header中。假如數(shù)據(jù)鏈路層是LAN或PPP時，則在L2與L3層之間加一個Shim字段(32 bit)，由該字段來承載標記，MPLS必須支持兩個不同的鏈路層標記之間的轉(zhuǎn)換。,圖12.12 MPLS標記的一般格式,Shim字段：32 bit。Lab

62、el：20 bit，只使用了16 bit。Exp(Experimental)：3 bit，用來指示CoS。BS(bottom of stack)：1 bit，當BS=1時，標記棧中的最后一項。TTL：8 bit for Time To Live。,圖12.13 MPLS中的標記封裝方式,2．標記堆棧 在MPLS中，允許一個分組或信元攜帶多個標記，一般稱為標記堆棧，它是一個順序的標記集合，該機制允許MPLS網(wǎng)絡組織

63、成層次化的結(jié)構(gòu)，使得標記既可用于一個ISP的MPLS域內(nèi)路由器之間轉(zhuǎn)發(fā)操作，也可用于更高層的MPLS域之間的轉(zhuǎn)發(fā)操作，標記堆棧的每一層適用于某一層次，但LSR總是使用最上面的標記執(zhí)行交換。,在MPLS中，標記的分配及LSP的建立都是以IP路由協(xié)議生成的路由表FIB為基礎的，在每個獨立的MPLS域內(nèi)，只需使用IGP協(xié)議(如OSPF、PNNI、RIP等)讓入口LER了解相應的出口LER地址即可；而在不同域間則使用BGP協(xié)議來交換目的網(wǎng)絡的可

64、達性信息，建立路由表。該機制將極大地減小了LSR中FIB和LIB的大小，并簡化了MPLS中隧道的操作模式。同時每個MPLS域的核心網(wǎng)可以保持其技術(shù)上的獨立性，極大地增強了MPLS網(wǎng)絡的靈活性、可擴展性，如圖12.14所示。,圖12.14 標記棧與MPLS網(wǎng)絡的分層結(jié)構(gòu),LSR對標記可進行以下操作：Swap：基于棧頂標記值進行標記交換。Push：將一個新的標記壓入棧頂。Pop ：從棧頂彈出一個新的標記。 在MPLS

65、網(wǎng)絡中，Push操作只在入口LER處進行，而Pop操作也只在出口LER處進行，LSR只是簡單地對基于棧頂標記值做Swap操作，并且MPLS本身并不限制標記棧的層數(shù)。,3．標記空間 標記空間指標記的可取值范圍，由于標記是局部有效的，僅用來標識兩個相鄰LSR之間的一跳，因此相鄰LSR之間都要通過標記分配協(xié)議協(xié)商標記空間。一個LSR用于 FEC/Tag綁定而使用的標記空間可分為以下兩類： (1) 每平臺惟一：一

66、個標記在一個LSR中是惟一的，不同的端口上不會出現(xiàn)相同值的標記，標記都從一個公共標記池中分配。 (2) 每端口惟一：每一個端口都需配置一個標記池，不同端口上的標記可以有相同的值。,12.3.4 MPLS的信令機制 1．信令機制概述 MPLS的信令機制包含以下兩部分功能： (1) IP路由信息的交換：使得LSR可以獲取目的網(wǎng)絡的可達性信息，建立并維護路由表FIB，主要由

67、現(xiàn)有的IP路由協(xié)議完成。 (2) 標記分配控制：包括標記的分配，LSP的創(chuàng)建，LIB的維護，主要由標記分配協(xié)議來完成。,1) MPLS的IP路由協(xié)議 (1) 現(xiàn)有的路由協(xié)議：如OSPF、RIP、IS-IS、BGP等，其中BGP用來確定目的網(wǎng)絡的可達性，主要用在MPLS域間，而IGP(包括OSPF、RIP、IS-IS)主要用在一個MPLS域內(nèi)，通過它確定下一跳的BGP路由器(也就是該域相應的出口

68、LER)。 (2) 擴展的路由協(xié)議：如OSPF-TE(Traffic-Engineering)、IS-IS-TE，可傳遞約束信息，如連接的容量、利用率、資源類型、優(yōu)先級、搶占權(quán)(preemption)等屬性信息，相關(guān)路由器可基于約束信息確定下一跳路由器地址，以支持QoS和流量工程。,2) 標記分配控制 在MPLS網(wǎng)上，需要一種工具在LSR間傳送FEC/Label綁定信息，使得LSR根據(jù)這些信息建立和維護L

69、IB，從而創(chuàng)建從入口LER到出口LER的LSP。 MPLS可以使用的標記分配協(xié)議包括：IETF新定義的LDP協(xié)議、RSVP協(xié)議，也可以使用現(xiàn)有的路由協(xié)議，如BGP、IS-IS、OSPF等捎帶FEC/Label綁定信息。另外為支持流量工程，還定義了擴展的CR-LDP和RSVP-TE兩種協(xié)議。 由于MPLS還很新，目前哪一種標記分配協(xié)議將會在未來的骨干網(wǎng)中占主導地位，還很難斷言，上述協(xié)議也是各有優(yōu)缺點，本文中