8第8章 路由器及IP交换

第八章路由器及IP交换技术,8.1计算机通信的演进和发展,计算机是人类生活、工作中最有用的辅助工具，可用来辅助完成设计、计算、管理及控制，视频、音频信息处理、存储和演播等。单台计算机只能单独完成部分工作，不能实现资源和信息共享，对于大型任务也难以应付，从而产生了计算机通信。早期的计算机通信采用点到点方式。,计算机通信的演进和发展,计算机通信的演进和发展,计算机通信的演进和发展,多台计算机互连局域网技术采用共享介质互连多台计算机，网络不依赖于计算机而独立存在，信息传送速度快，可有10Mb/s、100Mb/s和1000Mb/s速率。共享介质计算机网络执行三种通信标准类型：以太网、令牌总线和令牌环。,计算机通信的演进和发展,LAN解决了多台计算机共享资源互连问题，当更多计算机互连通信时，由于链路资源共享而使扩大容量受阻。在一台计算机上同时插入两个不同或相同的网卡，可使该计算机同时与两个不同网络上的计算机互连通信。路由器原型的产生，如果在一台插有两个网卡的计算机上运行网间数据转发协议软件，则该计算机便可使多个网络上的计算机互连通信。,计算机通信的演进和发展,计算机通信的演进和发展,计算机D上插入三个以上网卡时，便可实现三个以上网络之间互连通信。当三个以上网络互连时，则互连点的计算机必须运行具有路由选择功能的软件，以确定向那个网络转发数据。执行路由选择功能的专用计算机称作路由器，有时也称作网关，通常网关只完成两个不同通信协议网络之间的互通和协议转换。,计算机通信的演进和发展,路由器使异构网络实现互连互通服务，为了对网络上所有计算机提供通用服务，必须对互联网上所有网络和计算机统一编址，并且路由器和所有计算机都执行统一的协议，从而产生了TCP/IP协议。在互联网中，路由器起着地址翻译器的作用，互译异构网络的底层地址，屏蔽了异构网互通的复杂性，提供单一的无缝通信服务。,计算机通信的演进和发展,8.2TCP/IP基本原理(略）,TCP/IP的网络体系结构TCP/IP网络特点着重于实现异构网络互连通信功能，本身是一个在物理网络之上的统一网络协议族。TCP/IP网络遵循OSI七层协议，但在实现上对高层协议作了一定简化，一般只有5层。,8.3路由器工作原理（略）,8.4IP交换技术,随着计算机技术的发展，计算机不仅可以处理数据、文本文件，而且可以处理语音、图像等流媒体。Internet的特点是尽最大努力型服务方式，可保证数据的正确性，但不保证时延特性。为了保证语音、图像等流媒体的带宽、延迟抖动等QoS要求，须引入面向连接的交换技术。IP交换是Ipsilon公司提出的在ATM网上传送IP分组的技术，硬件以ATM交换机为基础，连接控制则采用IP技术完成选路。,1IP交换机的构成IP交换机是一个能够在第三层转发IP分组并具有一个使分组也能在第二层被交换的设备或系统。它具有区分哪些分组将在第三层被转发以及哪些分组将在第二层被交换的控制机制，然后通过一条第二层交换路径重定向一些或所有分组。IP交换机的结构如图8.18所示，它由两个逻辑上分离的模块组成，这两个模块是ATM交换模块和IP交换控制器。,8.4.1IP交换机构成及工作原理,(1)ATM交换模块：利用了ATM具有固定长度信元、高速交换信元以及便于用硬件实现的特性。(2)IP交换控制器：主要由IP路由软件和控制软件组成，它负责标识一个流，并将其映射到ATM的虚连接上。ATM交换机与IP交换控制器通过一个ATM接口相连，用于控制信号和用户数据的传送。(3)GSMP：是通用交换管理协议。此协议使IP交换控制器可从内部完全控制ATM交换模块，管理其交换端口，建立和撤销通过交换机的连接等。(4)IFMP：是Ipsilon流管理协议。该协议用于在IP交换机间共享流标记信息，以实现基于流的第二层交换。,IP交换的基本概念是流的概念。一个流是从ATM交换机输入端口进来的一系列有先后关联的IP分组，它将由IP交换控制器的路由软件来处理。IP交换的核心是把输入的数据流分为两种类型：一种是持续期长、业务量大的用户数据流，比如FTP、Telnet、HTTP以及多媒体音频、视频数据等；另外一种是持续期短、业务量小、呈突发分布的用户数据流，比如DNS查询、SMTP数据、SNMP数据等。,对于持续期长、业务量大的用户数据流在ATM交换机硬件中直接进行交换；对于多媒体数据，它们常常要求进行广播和多播通信，把这些数据流在ATM交换机中进行交换，也能利用ATM交换机硬件的广播和多点发送能力。对于持续期短、业务量小、呈突发分布的用户数据流，通过IP交换控制器中的IP路由软件完成转发，即采用和传统路由器类似的逐跳的存储转发方式。采取这种方法省去了建立ATM虚连接的开销。对于需要进行ATM交换的数据流，必须在ATM交换机内建立虚连接VC。ATM交换要求所有到达ATM交换机的业务流都用一个VCI来进行标记，以确定该业务流属于哪一个VC。IP交换机利用Iplison流管理协议(IFMP)来建立VCI标签和每条输入链路上传送的业务流之间的关系。,2IP交换机的工作原理IP交换同时支持传统的逐跳分组转发方式和基于流的ATM直接交换方式，其工作过程可大致分为三个阶段。(1)逐跳转发IP分组阶段。任意IP分组流，最初都是在两个相邻IP交换机间的缺省VC上逐跳转发的，该缺省VC穿过ATM交换机并终接于两个IP交换控制器上。在每一跳，ATM信元先重新组装成IP分组，送往IP交换控制器，IP交换控制器则根据IP路由表决定下一跳，然后再IP分组分拆为ATM信元进行转发。同时，IP交换控制器基于接收IP分组的特征，按照预定的策略进行流分类决策，以判断创建一个流是否有益。,(2)使用IFMP将业务流从默认VC重定向到一个专用的VC上。如果分组适合于流交换，则IP交换控制器用IFMP协议发一个重定向信息给上游节点，要求它将该业务流放到一个新的VC上传送(即上游节点的出口VC同时是下游节点的入口VC)。如果上游节点同意建立VC，则后续分组在新的VC上转发，同时下游节点也进行了流分类决策，并发送了一个重定向信息到上游，请求为该业务流建立一条呼出VC。新的VC一旦被建立，后续业务流将在新的VC上转发。,(3)在新的VC上对流进行第二层交换。ATM交换机根据已经构造好的输入/输出VC的映射关系，将该流的所有后续业务量在第二层进行交换，而不会再涉及到IP交换控制器。同时，一旦建立了一个流，IP分组就不需要在每一跳进行组装和分拆操作，因而大大提高了IP分组的转发效率，尤其是由长数据流组成的网络业务将从IP交换受益最多。,IP交换的六个步骤,IP交换中使用了GSMP和IFMP两种协议。GSMP用于IP交换控制器中，完成直接控制ATM交换的功能。IFMP用于IP交换机、IP交换网关或IP主机中，它把现有网络或主机接人到由IP交换机组成的IP交换网中，用来控制数据传送。1)GSMP协议GSMP是交换结构的一部分，用于IP交换控制器。GSMP是一种异步协议，它把IP交换控制器设置为主控制器，而把ATM交换机设置为从属被控设备，使IP交换控制器用来控制ATM交换机的工作。IP交换控制器利用该协议向ATM交换机发出下列要求：,8.4.2IP交换中所使用的协议,(1)建立和释放穿过ATM交换机的虚连接。(2)在点到多点连接中，增加或删除端点。(3)控制ATM交换机端口。(4)进行配置信息查询。(5)进行统计信息查询。(6)IP交换控制器利用GSMP协议实现ATM交换机为某个用户流建立新的VPI/VCI的功能。,GSMP消息格式,GSMP消息,配置消息，控制器用来发现ATM交换机能力，如支持的VPI/VCI范围、接口类型、信元速率、管理和线路状态、优先级号等。连接管理消息，建立和删除连接。端口管理消息，复位、激活、停止和换回交换端口等操作。统计消息，查询每个VC、端口的性能数据。事件消息，允许特殊事件向控制器发出告警。,2)IFMP协议IFMP协议可以在两台IP交换机之间的点到点链路上运行，它用于IP交换机间标记绑定的流间通信，采用下游标记分配模型来实现。它可以在IP交换网关或支持IFMP的网络接口卡之间请求分配一个新的VPI/VCI，即IFMP协议给某个流附加一个标签，使该流的路由更加有效。IFMP是软状态协议；除非更新，否则其状态会自动超时结束。这就是说，流的绑定信息有一个有效期，一旦上游交换机获知该期限，则应周期性地更新。IFMP包含两个协议：邻接协议和改发协议。邻接协议用于发现相邻节点以及实现两节点间链路状态的同步；改发协议则用于VCI分配与ATM连接建立和释放过程。,Iplison流管理协议，实现邻接的IP交换控制器、IP交换网关/网卡之间请求分配一个新的VPI/VCI的控制操作。IFMP协议在IP交换机中使用缺省通路(VPI/VCI=0/5)建立协议消息链路。一个流抵达ATM交换机，IP交换机对流分类，确定是否并且何时进行交换。,IFMP协议,IFMP协议中定义了两种流类型：类型1是端口对流类型；类型2是主机对流类型。流类型2允许加入业务区分，支持基于流的防火墙安全特性。流的格式,IFMP协议,一个流在交换之前首先进行标记，入口链路选一空闲VCI，向上游节点发一个IFMP重定向消息，使流与VCI关联。查看下游链路上的流是否已作标记。上、下游均为某个流作完标记后，该流便以直接交换方式穿过交换机。,IFMP协议封装格式,IP交换的优缺点由于IP交换机把输入的用户业务流分成两大类，节省了建立ATM虚电路的开销，因此提高了效率。IP交换的缺点是只支持IP协议，同时它的效率依赖于具体用户的业务环境。对于大多数业务为持续期长、业务量大的用户数据，能获得较高的效率。但对于大多数业务为持续期短、业务量小、呈突发分布的用户数据，IP交换的效率将大打折扣，这时一台IP交换机只相当于一台中等速率的路由器。,8.5标记交换技术,标记交换(TagSwitching)是Cisco公司1996年秋天提出的一种多层交换技术。虽然IP交换技术与标签交换技术一样是IP路由技术与ATM技术相结合的产物，但两个技术的产生却有着完全不同的出发点。IP交换技术认为路由器是IP网中的最大瓶颈，它希望借助ATM技术完全替代传统的路由器技术；而标签交换技术最本质的特点是兼容了传统的IP路由协议，在一定程度上将数据的传递从路由变为交换，提高了传输效率。,标签交换的基本目标是提高骨干路由器的转发性能，它使用了简单定长标签替换转发功能，并把不同的网络层选路服务(例如单播、组播、分类服务COS等)与这种标签替换转发的机制联系起来，同时保持与介质无关。标签交换核心的概念是“标签,标签的长度固定，每个标签与第三层的路由信息直接关联，这样通过定长的标签而不是变长的IP地址前缀就可以将IP分组或ATM信元传送到网络中的目的地。标签与IP地址的不同点在于：IP地址是全网有效的，要求保证IP地址的全网范围的惟一性；而标签是局部有效的，只需在任一交换节点保持其惟一性即可。,8.5.1标记交换的工作原理,标记交换机主要由传递元件和控制元件组成。(1)传递元件，以分组中携带的标记信息和交换机中保存的标记传递信息决定分组传递。工作流程是：从分组中提取标记；根据标记查标记信息库；用对应项中的出口标记和链路层信息替换分组的原有标记和链路信息；装配分组并从指定输出口发送。,标签交换机有两种元件：传递元件和控制元件。传递元件根据分组中携带的标签信息和交换机中保存的转发表完成分组的转发。控制元件负责在交换机之间维护标签转发信息。在标签交换机中，标签转发信息库TFIB(TagFowardingInformationBase)用于存放标签转发的相关信息，每个入口标签对应一个信息项，每个项内包括输出标签、输出端口号、输出链路层信息等子项。,8.5.1标记交换的工作原理,1)传递元件当标签交换机收到一个携带标签的分组时，传递元件的工作流程如下：(1)从分组中提取出标签；(2)将该标签作为标签转发信息库(TFIB)的查询索引，检索该分组所对应的项；(3)用该信息项中的输出标签和链路层信息(如MAC地址)替换分组中原来的标签和链路层信息；(4)将装配后的分组从所指定的输出端口送出。,2)控制元件控制元件完成标签分配和维护规程，也就是负责TFIB的标签信息的生成和维护。标签的分配和维护主要用标签分配协议TDP(TagDistributedProtocol)来实现。标签转发信息库(TFIB)是根据路由表形成的，除了增加输出标签子项外，每个信息项在TFIB中所处的位置还进行了有序化处理，即以输入标签为索引进行一定的计算便可得到该信息项在TFIB中的位置。定长的标签以其位置固定的优点，非常方便采用硬件方式完成对TFIB的检索和数据的转发。,3)TDP协议TDP与标准的网络层IP路由协议(OSPF、BGP等)配合，在标签交换网络中的相邻的各设备间分发标签信息，TDP提供了TSR与TER以及TSR与TSR之间进行标签信息交换的方式。TER和TSR使用标准的IP路由协议建立它们的FIB，获取目的地的可达性信息。在FIB的基础上，相邻的TSR和TER使用TDP相互分发标签值，创建标签交换需要的TFIB。TSR将依据TFIB执行标签交换。TDP规定了3种标签分配方式：下游节点标签分配、下游节点按需分配标签和上游节点标签分配。所谓上游和下游是从某个路由器的角度考虑的，指向某个目的地址的路由方向称为下游，反之称为上游。,标记交换分配标记示例,标记信息库(TFIB)管理,(1)单接口TFIB，一个接口配备一个TFIB，所有接口互不相关，索引的入口标记只在本接口或本段有效，可用于上游或下游节点标记分配方式。(2)单节点TFIB，一个节点设一个TFIB，入口标记在整个节点内有效，不能重复，只能用于下游节点按需分配标记方式，否则将产生信元交织问题。,信元交织问题示例,下游按需分配标记,8.5.2标记交换的性能,(1)路由机制灵活，引入了层次化路由概念，解决了VPI/VCI资源匮乏问题。(2)服务质量(QoS)可靠，两项措施：一是通过预留资源，在ATM下不同业务类型使用不同标记虚电路来保证服务质量；二是特殊业务用下游按需分配标记可申请专用TVC，能提供端到端服务质量保证。