现代交换原理与技术（第二版）课件第七章 IP交换技术

第7章IP交换技术目录7.1IP协议7.2IP交换7.3多协议标记交换MPLS(Multi-ProtocolLabelSwitching)7.1.1TCP／IP协议栈结构TCP/IP最高层是应用层，应用程序通过该层访问网络。这一层有许多标准的TCP/IP工具与服务，比如FTP（文件传输）、HTTP（超文本传输协议）、Telnet（远程登录）、SNMP（简单网络管理）、SMTP（简单报文传送）、DNS（域名服务）等。

传输协议在计算机之间提供端到端的通信。传输协议有传输控制协议TCP、用户数据报协议UDP和流控制传送协议SCTP。TCP为应用程序提供可靠的通信连接。适合于一次传输大批数据的情况。并适用于要求得到响应的应用程序。UDP提供了无连接通信，且不对传送包进行可靠保证，适合于一次传输少量数据或实时性要求高的流媒体数据的传输，数据的可靠传输由应用层负责。网络层协议负责系统之间的连接，它将两个终端系统经过网络中的节点用数据链路连接起来，实现两个终端系统之间数据帧的透明传输。网络层的主要功能是寻址和路由选择。它将数据包封装成Internet数据报，并运行必要的路由算法。

网络接入层：这是TCP／IP软件的最低层，负责接收IP数据报并通过网络发送之，或者从网络上接收物理帧，抽出IP数据报，交给IP层。互联网研究人员认为该层协议是现成的，对此不予关心。

7.1IPProtocol7.1.2IP协议基本概念TCP／IP网络层协议的核心是IP协议，IP层协议的主要功能是IP数据报传送和在网间的路由选择，即IP路由选择。在计算机网络通信过程中，IP层协议起着核心的作用：提供无连接的数据报传输机制，虽然不能保证传输的可靠性却简单有效；利用IP地址和IP数据报将各种物理网络技术统一起来，达到屏蔽低层细节，向上提供一致性的目的。与IP相关的协议和内容有IP地址、地址解析、差错控制协议和路由选择协议等。IP数据报头部的格式

版本(Version)：4比特，给出生成该数据报的IP协议版本号。IP协议存在两个版本：IPv4和IPv6。头部长度：4比特，给出以32bit长字为单位的IP分组头的长度服务类型(TypeofService)：用于说明所需要的服务类型。在理论上该字段具有重要的意义。目前正在研究中的IP网络中的区别性业务就要以此为基础划分不同业务类别，予以不同的处理。

以字节为单位的IP分组的总长度，总长度=IP头部长度+数据区长度，可表示的最大长度（即IP分组的最大长度）为65535字节生存时间TTL：8比特，又称寿命。用来防止IP分组在网络中出现无限循环，分组产生时TTL被设置一个初值；每经过一个路由器时，TTL值都将减少；当TTL=0时，该分组将被丢弃。指出数据区中承载的数据所采用的高层协议。协议类型的编码是预定义的，如TCP=6，UDP=17，ICMP=1，OSPF=89头部校验和：16比特，用以检测头部差错。其计算方法是：以16比特半字为计算单位。在发送端取该字段初值为零，对头部各个半字依次进行逐位异或运算，求得的值取反作为校验和发送。在接收端对各个半字，包括校验和，进行同样的运算，若无差错其结果应为零。源地址和目的地址：各为32比特，指示源主机和目的主机的IP地址。IP地址①IP地址的概念在物理网络中，各站点都有一个机器可以识别的地址，该地址称为物理地址（也叫硬件地址或MAC地址）。在互联网中，统一通过上层软件（IP层）提供一种通用的地址格式，在统一管理下进行分配，确保一个地址对应一台主机，这样，全网的物理地址差异就被IP层屏蔽，一般将IP层所用的地址称为互联网地址，或IP地址。它包含在IP数据报的头部。

IP地址指定的不是一台计算机，而是该计算机到IP网络的一条连接。②IP地址的格式几类特殊的IP地址网络地址：IP把主机号的所有位都为“0”的地址保留给网络本身。定向广播地址：IP把主机号各位全为“1”的地址指定为定向广播地址，

表示向某网络内所有主机发送信息。有限广播地址：由32个"1"组成，它只向本地网络广播。“0”地址：TCP/IP规定，网络号各位全为“0”的IP地址，称为“0”地址。当

需要本网内通信，但又不知本网网络号的情况下使用“0”地址。回送地址：A类网络地址127是一个保留地址，用于网络软件测试以及本地机进程间通信，称为回送地址。

③子网（Subnet）编码1）分类地址的缺陷：a.地址分配不够灵活：A类、B类、C类网络的规模不能平滑过渡；b.地址空间消耗速度快：分类地址中网络的总数量有限，随着网络的扩展，IP地址将很快被分配完。2）子网划分技术：将较大的分类地址（A/B类）空间划分成多个小的子网。子网划分能够使较大的分类地址空间被多个规模较小的网点所共享（不需要为每个网点分别申请一个分类地址空间。）

子网掩码（32位）定义地址中网络前缀所占的比特数，高位对应于网络号的比特为1，对应于主机号的比特为0。如：B类网络，其掩码为0xFFFF0000（可表示为）。在网络地址后给出子网掩码中1的位数，如网络

表示为：/16。地址掩码在子网划分中的作用

与传统分类地址一致，子网划分地址中的主机部分与网络部分（网络+子网）的边界由子网掩码来定义。

子网划分时，子网掩码的位数可以根据需要确定，利用可变长子网掩码（VLSM），可把一个地址空间划分为若干大小不同的子网。VLSM的采用能够更有效地管理地址空间：在地址分配时，可实现地址空间容量与子网中主机的数量达到最佳的匹配。④超网、CIDR

将若干个相邻的C类地址合并成一个大的网络地址，合并后的地址块大小没有限制，只要求是2的整数幂即可。和子网编址一样，它也采用掩码来提取超网网络号部分，其后操作和一般选路基本相同。无类别域间路由（CIDR）不局限于新的C类地址，CIDR要求每个地址块的大小是2的幂，并用一个比特掩码标识块的大小。CIDR要求用两个值来说明图中地址的范围：32比特的块中最低地址和32比特的掩码。掩码用来描述网络前缀的位数。对如图所示的范围，CIDR掩码有21比特置为1，表示网络前缀占21位。

以上地址块可表示为：128．211．168．0／21128．211．168．0表示块中最低地址，／21表示掩码中的网络前缀占21比特。7.1.3IP路由选择IP网络的路由选择是由路由器来完成的。路由器每收到一个IP数据报，就根据目的IP地址查询路由表，找到匹配网络号及下一跳路由器，完成数据转发。如果路由表指定至目的主机的路由的下一跳路由器，则按照此路由转发；如果找不到匹配网络，则发往默认路由器；如果目的主机在本网络，则转换成该主机的物理地址，重新封装数据报后将其发给主机。（a）一个由六个网络组成的互联网（b）R1的路由表

由于因特网的迅速发展，使IP成为当前计算机网络应用环境中的“既成事实”标准，基于IP的网络应用日益广泛，帧中继、ATM必须支持作为业务主流的IP协议。7.2IP交换技术(IPswitching)

7.2.1IP交换技术的产生背景

IP技术面临如下的问题：1）Internet发展迅猛，用户数、主机数和Web服务器数都高速增长，多媒体应用丰富的WWW成为其主要业务，使得越来越多的流量穿越子网，造成骨干网的传送容量小，带宽资源不足。2）由于路由器数量的相应增加，各节点路由器独立路由机制使得路由表查询时间过长，路由的计算、匹配变得很复杂，转发速度慢。3）路由器的吞吐量不够，处理能力有限，使得路由器成为网络数据传输的瓶颈，网内和网间经常发生拥塞。4）Internet所使用的无连接的IP对实时业务、灵活的路由机制、流量控制和安全性能的支持不够，不能提供业务所要求的QoS的保障。ATM技术特点:对不同速率、不同突发性和实时性要求及质量要求的业务，都能提供满意的QoS。ATM技术动态分配带宽，可满足多业务需求，交换速度快、传输效率高。ATM技术上追求完善，极大的增加了系统的复杂度，使得设备的成本较高，同时相应业务开发没有跟上网络的发展，导致其举步维艰。如何将IP路由技术的灵活性和ATM交换的高速性的优点相结合，如何将路由和交换结合起来，解决IP无连接和ATM面向连接的矛盾，支持规模日益增长的Internet和多媒体业务，成为网络发展研究的热点。目前已有的研究方案有:IP交换、CSR、Tag交换、ARIS、MPLS等。IP与ATM的融合模型1.重叠模型

重叠模型利用了两种技术对应的OSI模型的不同层次，将IP层直接叠加在ATM层之上，相当于把ATM网络看成另一种承载IP数据分组的异型子网。

利用重叠模型的规范，用户可以在ATM网络上直接运行基于IP的网络协议和基于IP的网络应用（如WWW、FTP等）。

重叠模型技术将IP数据分组封装在ATM信元中，IP分组以ATM信元形式在信道中传输和交换，使得IP数据分组的转发速度提高到了ATM信元交换的级别上。

重叠模型技术有：IETF提出的IPOA和CIPOA，ATM论坛提出的LANE和MPOA等技术。CIPOA重叠模型IP数据分组的封装重叠模式的优点是实现简单，对IP和ATM技术和设备无需进行任何改动，只需要在网络的边缘进行协议和地址转换，减少了ATM和IP的相互限制，利于它们独立发展。缺点是IP技术和ATM技术不能有效地结合，需要维护两个独立的网络拓扑结构；地址重复、路由功能重复，网络扩展型不强、不便于管理、IP分组的传送效率低。ATM网络和IP网络都可以使用各自网络原来的选路协议和地址编码，只需要增加数据分组从第三层选路时封装的目的IP地址到下层ATM信元封装的ATM地址之间的解析功能，即完成IP地址和ATM地址之间的映射和转换。2.集成模型集成模型是把ATM层和IP层看成是同样的对等层，这样可以消除复杂的网络间映射，简化了重叠模型的复杂选路协议，只保留一套地址（IP地址）和一种选路协议（IP选路协议：IGRP，OSPF等。）来为IP分组选择路由，建立基于ATM面向连接的传输通道，而不像重叠模型那样需要地址解析。集成模型的主要技术有：IP交换、CSR（信元交换）、标签交换、MPLS等。

集成模型优点：结合了IP路由的灵活性和ATM的快速交换性，并保障了QoS；继承了IP技术的应用广泛性，并改进了传统IP分组逐跳转发方式及路由寻址的低效性，不需要地址解析协议；继承了ATM交换的大容量和高速度，从无连接方式转变为面向连接的方式，使用短标签代替长的IP地址进行IP数据分组的转发，达到了快速高效的目标。1996年，美国加州一个名为Ipsilon的小公司提出了一种革命性的思想，称为IP交换（IPswitching）。它将一个路由处理器捆绑在一个ATM交换机上，去除了交换机中所有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。IP交换机可看作是IP路由器与ATM交换机的组合，其中ATM交换机受IP路由器控制。IP交换可提供两种信息传送方式：一种是ATM交换，另一种是基于逐跳（hop-by-hop）方式的传统IP交换。采用何种方式取决于数据流的类型，对于连续的、业务量大的数据流采用ATM交换；对于持续时间短、业务量小的数据流采用传统IP传输技术。7.2.2IP交换基本概念7.2.3IP交换协议IP交换机使用了两种协议：Ipsilon流管理协议（IFMP）和通用交换机管理协议（GSMP）。IFMP用于相邻的IP交换机对某个数据流的信元进行重新标记。GSMP被IP交换机控制器用于管理ATM交换机的资源，它能使IP交换机控制器建立和释放跨越ATM交换机的连接。1.IFMPIFMP作为IP交换机网络中分发数据流标记的协议，它在跨越外部数据链路的相邻的ATM交换机控制器（或者IP交换机入口或出口）之间工作。IFMP仅在相邻的IP交换机之间操作，与其他IP交换机的工作方式和功能无关。

IFMP消息的发送端用IPv4的分组头封装IFMP信息，目的端IP地址是外部链路另一端的对等IP交换机。

IFMP重定向协议支持五种类型的消息：重定向消息。重定向消息通知相邻的上游IP交换机在某时间段内把某个标记赋予某个数据流。重声明消息。重声明消息通知相邻的上游IP交换机解除一个或多个流与标记的关联关系，并释放这些标记以便数据流标识符字段能够分配给其他数据流。重声明确认消息。在每个上述的重声明消息成功地释放了一个或多个标记后，相邻的IP交换机利用重声明确认消息给出确认。标记范围消息。上游IP交换机向下游IP交换机发出标识范围消息，响应包含标记的重定向消息，指明上游IP交换机（发送端）不能分配的标记。出错消息。出错消息是对IFMP的重定向消息的响应，用来通知下游的IP交换机，发送端由于处于异常状态而无法成功处理重定向消息。

2.GSMPGSMP是一个简单、通用的交换机管理和控制协议，用于对IP交换机内部交换机资源的管理。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。GSMP按照主从方式、请求-响应方式工作。IP交换控制器向ATM交换硬件发送请求，ATM交换硬件在动作完成后给予响应。GSMP支持五种消息：连接管理、端口管理、统计、配置和事件。

7.2.4IP交换机的组成与工作原理IP交换机由ATM交换机硬件和一个IP交换控制器组成，如下图所示。ATM交换机硬件主要利用ATM具有固定长度信元、硬件实现高速交换的特性来完成数据包的快速交换；IP交换控制器由流分类器、IP路由软件和控制软件组成，用于控制ATM交换机工作。IP交换的基本概念是流的概念。一个流是从ATM交换机输入端口输入的一系列有先后关系的IP包，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：持续期长、业务量大的用户数据流。包括：文件传输协议（FTP）数据、远程登录（Telnet）数据、超文本传输协议（HTTP）数据、多媒体音频、视频数据等。持续期短、业务量小、呈突发分布的用户数据流包括：域名服务器（DNS）查询、简单邮件传输协议（SMTP）数据、简单网络管理协议（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路由软件完成传送，即采用和传统路由器类似的跳到跳的存储转发方式，采用这种方法省去了建立ATM虚连接的开销。

与传统路由器相比，IP交换机增加了直接路由。

(a)传统路由器的数据转发方式(b)IP交换机上的数据转发方式IP交换机是通过直接交换或跳-跳的存储转发方式实现IP分组的高速转移，共分6步进行。在IP交换机内的ATM输入端口从上游节点接收到输入业务流，并把这些业务流送往IP交换控制器中的选路软件进行处理。IP交换控制器根据输入业务流的TCP或UDP信头中的端口号码进行流分类。一旦一个业务流被识别为直接的ATM交换，那么IP交换机将要求上游节点把该业务流放在一条新的虚通路上；如果上游节点同意建立虚通路，则该业务流就在这条虚通路上进行传送；同时，下游节点也要求IP交换机控制器为该业务流建立一条呼出的虚电路；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虚通路上；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。7.2.5标记交换技术

标记交换是Cisco推出的一种基于传统路由器的ATM承载IP技术。标记交换结合了ATM的第二层交换技术和第三层的路由技术，能支持多种上层协议。1.标记交换的基本原理标记交换的基本原理是：在位于交换网络系统边缘的路由器中，先将每个输入数据单元的第三层地址映射为简单的标记，然后将带有标记的数据单元转化为打了标记的ATM信元。带有标记的ATM信元被映射到ATM虚电路上，由ATM交换机进行标记交换，与ATM交换相连的路由处理器用来保存标记信息库，以寻找第三层路由。这些信元在另一个边缘路由器中，经过一个逆过程，恢复出原始的数据单元，再发给用户。2.标记交换网中的部件

标记交换网中的部件主要包括边缘标记路由器、标记交换机和标记分发协议。边缘标记路由器：位于标记交换网络核心的边缘，提供网络层服务，负责将标记加到数据包上。可以是路由器，也可以是具有多层交换功能的局域网交换机。标记交换机：根据携带的标记信息和交换机中保存的标记传递信息进行交换。标记分发协议（TDP）：是标记交换机和边缘路由器进行标记信息交换的标准。边缘标记路由器和标记交换机采用标准的路由协议来建立TDP路由数据库。相邻的标记交换机和标记路由器运用TDP相互分发标记值。3.标记交换过程举例以目的地址为的无标记IP数据包到达路由器A（RTA）交换为例：4.标记交换中对标记分类的含义

标记交换中使用的标记类型有四种，标记边缘路由器根据这四类信息对IP数据包加上不同类型的标记。目的地址前缀：按目的地址前缀来标记IP数据包，标记以路由表中的路由为基础，允许来自不同源地址的业务数据流向同一个目的地址发送时共享相同的标记和虚信道连接，可节省标记和提高传输的效率。边界路由：在标记交换网的标记边缘路由器对之间分配标记。这种技术使用的标记比目的地址前缀技术要少一些。业务量调节：按业务量调整来标记IP数据包，使得加上标记的IP数据包能按制定的、与路由算法选择不同的路由流动，从而允许网络管理员平衡中继线路上的业务负荷。应用业务流：按应用业务流来标记IP数据包的类型是同时考虑源地址和目的地址，以提供更精确的控制，得到质量保证。5.标记交换的优缺点①优点路由信息层次化，使网络具有较强的扩展能力；标记交换能支持多媒体应用所需的QoS和具有组播能力；标记交换技术能实现对路由器和ATM主干构成的网络更为简单的管理，因为它将ATM交换机变成了路由器，形成了更加统一的网络模型，简化了网络设备的配置和管理。②缺点标记交换是Cisco公司的专有技术，并非统一的标准，构建标记交换网络时端到端都要使用Cisco的设备，才能完成通信。7.3MPLS知识回顾：传统IP路由技术面向连接的分组交换——FRATM交换比较传统的IP路由技术采用最长匹配算法对包头信息和路由表进行匹配，路由判决过程复杂；无连接，路由表更新与网络状态相关，与交换需求无关，表项少；工作在3层，慢，不利于实时业务和QoS保障。帧中继FR采用精确匹配算法对帧头中已知位置、固定长度的域和转发表进行匹配，转发判决过程相对简单；面向连接，按照交换要求进行DLCI变换表的更新，表项多；工作在2层，速度快。ATM交换技术采用精确匹配算法对信头中已知位置、固定长度的域和转发表进行匹配，转发判决过程相对简单；面向连接，按照交换要求进行信头翻译表的更新，表项多；工作在ATM层，速度快，有利于实时业务和QoS保障。7.3.1MPLS的基本概念MPLS是一个可以在多种第二层媒质上进行标记交换的网络技术。它结合了第二层的交换和第三层路由的特点，将第二层的基础设施和第三层的路由有机的结合起来。MPLS是一种有效的封装机制，通过在packet（IPpackets）上使用标记（“Label”）进行数据传递。同时可以支持多协议，不仅可以支持多种上层网络协议，包括IPv4、IPv6等，还可以运行于不同底层（ATM、FR、PPP）的网络之上，使得多种网络的互连互通成为可能。MPLS基本模型MPLS是一种结合分组路由和电路交换的混合模型。使用固定长度的标记表示转发信息，使用精确匹配算法进行转发判决，故称标记交换。MPLS技术思路逻辑连接：label（标记）MPLS技术特点以路由判决为基础，先使用相关协议为信息流建立虚连接，分组以分配的标记为基础进行转发；以分组头的某些定长字段标识这个虚连接；MPLS——Labels；ATM——VPI/VCI；FR——DLCI标记可以任意级，VPI/VCI或DLCI只有一级，标记可以包含在VPI/VCI、DLCI、MLPS填充片中；与ATM/FR类似，标记都是本地有效的；MPLS的PDU允许变长；MPLS可以使用多种2层网络技术（Ethernet、PPP、FR、ATM、光换换等。）允许直接使用已有的路由技术，不局限于ATM。7.3.2MPLS基本交换原理基本标记格式支持的链路类型：可以在以太网、802.3、PPP链路上运行，兼容性很强。​-标识方式：会用到两种新的

Ethertypes/PPPPIDs

，让二层设备识别出这是MPLS数据包。​-转发信息：标签里包含了转发时需要的所有关键信息，设备拿到标签就能直接转发，不用再查IP路由表。大小固定：每个标签正好是1个32bit的字（word），处理起来非常高效。1）Label：标记值字段，20bit，用于转发的指针；2）Experimental：实验位，3bit，一般用于CoS（ClassofService，服务类别）；3）S（Bottomofstack）：栈底指示，1bit，MPLS支持标记的分层结构，即多重标记，S值为1时，

表明为最底层标记。4）TTL（TimeToLive）：生存时间，8bit，类似IP分组中的TTL含义。标记封装MPLS网络的基本思想边缘路由，核心交换MPLS网络由标记交换路由器（LabelSwitchRouter，LSR）和标记边缘路由器（LabelEdgeRouter，LSR）组成，LER将MPLS域与域外节点相连，LSR负责数据分组基于标记的转发。MPLS网络结构见下图所示。

与传统的IP无连接方式转发形式不同，MPLS采用面向连接的转发机制。基于第三层逐跳转发（hop-by-hop）选路方式，利用相关协议在第二层为每个路由建立一条标记交换路径（LabelSwitchPath，LSP），下图所示粗线部分表示已建立的一个LSP连接（由多段链路组成）。LSP是指在某逻辑层次上（相应于标记堆栈）由多个LSR组成的交换式分组传输通路；LSP来自于面向虚电路的思想，类似于ATM中的虚连接。FEC是沿相同路径、有相同处理过程的数据分组FEC可以多种方式划分，例如：按照IP地址前缀同一FEC具有相同Label，走相同的LSPLIB：标记信息库。又称FIB（ForwardingInformationBase），转发信息库保存转发一个打标分组所需要的信息对入口IP分组进行分类，确定FEC；对于每个FEC，LER为其生成Label，将该FEC映射到LSP下一跳的标记上；转发分组时，LER根据FEC得到下一跳的Label，将Label插入IP包头，从下一跳端口发送；维护LIB完成标记置换——收到打标分组后，提取入局Label，查LIB，取出出局Label，将新的Label代替IP包头中的旧Label，从下一跳端口发送去掉封装的Label，按IP路由方式继续传送建立连接通过LDP