《现代骨干网与高速互联网技术》第3部分+骨干网络路由与交换技术.ppt

1、现代骨干网与高速互联网技术Modern Backbone Network & High-Speed Internet Technology,邬 春 学 上海理工大学 Wednesday, September 23, 2020,第3部分 骨干网络路由与交换技术,3.1 路由技术概述 3.2 路由算法 3.3 路由协议 3.4 高速路由技术 3.5 交换路由技术 3.6 光交换技术,3.1 路由技术概述,路由技术是互联网的核心技术。 实现高速互联的一个重要方面是如何提高路由器的能力，使之与线路的高速传输能力相适应。 计算机网络中的分组交换是由路由系统完成的。 路由系统是指实现分组存储转发的各个节点

2、（由路由器或交换机组成）通过线路相互连接构成的系统。 路由系统是计算机网络数据传输的核心部分，它构成计算机网络中的通信子网。 组成路由系统的核心是路由器。,图2.1 路由系统构成的通信子网,典型的路由方式：静态路由和动态路由,1、静态路由 静态路由策略不用测量也无须利用网络动态信息，这种策略按某种固定规则进行路由选择。 路由器中设置固定的路由表，除非管理员干预，否则静态路由不会发生变化。 适合网络规模不大、拓扑结构固定的网络中. 特点：简单、高效，灵活性差、无法应对阻塞和故障；在所有的路由器中静态路由优先级最高。,2、动态路由 节点路由选择是由网络当前状态信息决定的策略被称为动态路由选择策略。

3、 适合网络流量和拓扑结构变化的网络中.即网络规模大、网络拓扑复杂的网络。 特点：算法复杂，会增加网络负担。有时反应慢甚至不起作用。 问题提出：网络动态会影响数据报的转发；如果网络不稳定，会导致端到端传输性能下降。 设计性能好的路由算法是路由研究中的一个重要方面。,整个互联网划分为多个自治域。自治域是指具有统一管理机构，统一路由策略的网络。根据是否在一个自治域内部使用，动态路由协议分为内部网关协议（IGP）和外部网关协议（EGP）。 IGP:内部协议需要计算有效路由，并在任何网络拓扑结构发生变化之后很快重复计算有效的路由。常用的有：RIP,OSPF,IGRP(内部网关路由协议：Interior

4、Gateway Routing Protocol), EIGRP, IS-IS(中间系统到中间系统的路由选择协议 Intermediate System to Intermediate System Routing Protocol )等。 EGP:自治系统之间操作，协议有EGP和BGP，现在几乎都用BGP。,3.2 路由算法,3.2.1 路由设计目标 优化 简单 稳健 快速收敛,3.2 路由算法,3.2.2 路由算法中使用的度量 路径长度 可靠性 延迟 带宽 负载 通信成本,路由协议算法分类：,是否支持无类路由 有类路由协议：RIPv1 无类路由协议：RIPv2,OSPF,IS-IS,BGP

5、v4 路由算法 距离向量路由协议(距离向量算法)：RIP 链路状态路由协议 (最短路径优先算法)：IS-IS,OSPF,3.2 路由算法,3.2.3 距离向量算法,3.2 路由算法,距离向量路由协议路由更新,路由更新信息只传播到直连的邻居路由器,路由表,所有路由,链路状态 路由协议 路由更新,链路状态的通告，广播到路由域的所有路由器 分层设计可以限制广播流量,路由表,One Route,20100317研究生,有类路由和无类路由选择协议,IP路由选择协议可分为有类路由和无类路由选择协议。 有类路由选择协议发送的路由选择更新不包含子网掩码信息，如RIPv1； 无类路由选择协议发送的路由选择更新包

6、含子网掩码信息，如RIPv2，EIGRP,OSPF，IS-IS和BPG。,有类路由路由传递,如果路由器收到有关一个网络的信息，并且如果接收接口属于同一网络（但在不同的子网），则路由器应用配置在接口上的子网掩码。 如果路由器收到有关一个网络的信息，但该信息与接收接口上所配置的网络地址的信息不同，则路由器应用缺省的（根据类别）子网掩码。,10.1.0.0/16,172.16.2.0/24,10.2.0.0/16,10.1.0.0 10.2.0.0 172.16.0.0,10.0.0.0 172.16.1.0 172.16.2.0,10.1.0.0 10.2.0.0 172.16.1.0 172.1

7、6.2.0,172.16.1.0/24,不包括路由掩码信息,无类路由路由传递,每个路由器具有全部网段的详细路由 允许手工配置汇总路由,10.1.0.0/16,172.16.2.0/24,10.2.0.0/16,10.1.0.0 10.2.0.0 172.16.1.0 172.16.2.0,172.16.1.0/24,10.1.0.0 10.2.0.0 172.16.1.0 172.16.2.0,10.1.0.0 10.2.0.0 172.16.1.0 172.16.2.0,有类路由子网划分,在同一网络内，所有路由器接口的子网掩码必须相同 可能造成对地址的浪费,192.168.5.129 /27

8、,192.168.5.98 /27,192.168.5.33 /27,192.168.5.65 /27,192.168.5.97 /27,S1,S0,E1,E0,E0,实际只需要两个地址,却分配了30个地址,无类路由 子网划分,在同一网络内，所有路由器接口的子网掩码可以不同 支持VLSM（变长掩码） 可以充分利用可用的地址,192.168.5.129 /27,192.168.5.209 /30,192.168.5.33 /27,192.168.5.65 /27,192.168.5.210 /30,S1,S0,E1,E0,E0,满足2个主机地址的需要,DDN,3.2.4 环路探测和保护,所谓 路

9、由收敛，是指网络拓扑结构发生变化（如线路故障、网络结构改变、路由器失效等）或者路由策略（在BGP中普遍使用）发生改变后，网络中各个路由器对当前网络结构重新形成一致认识的过程。 尽可能加快路由收敛是路由算法设计中的一个重要方面。 环路的产生是影响收敛性能的一个重要因素。,3.2 路由算法,几乎所有的路由算法协议在某种条件下都可能导致环路。一旦形成环路，就会立即导致链路的失效。 路由环路（routing loops）问题，即到达某个目标网络的网络的路由在多个路由器之间循环传送。 有2种应付环路的基本方法： （1）环路预防：在任何分组发送到环路之前，应预防环路形成； （2）环路缓和：采取一些措施来减

10、少环路的负面影响。,3.2.4 环路探测和保护,RIP的存在问题路由环路,10.1.0.0,10.2.0.0,10.3.0.0,E0,S0,S0,S1,S0,E0,X,A,B,C,10.4.0.0,RIP的存在问题路由环路,10.1.0.0,10.2.0.0,10.3.0.0,E0,S0,S0,S1,S0,E0,X,A,B,C,RIP的存在问题路由环路,10.1.0.0,10.2.0.0,10.3.0.0,E0,S0,S0,S1,S0,E0,X,A,B,C,RIP的存在问题路由环路 (度量值趋向于无穷大),10.1.0.0,10.2.0.0,10.3.0.0,E0,S0,S0,S1,S0,E0

11、,X,0,A,B,C,RIP的存在问题路由环路(RIP定义最大值为15),10.1.0.0,10.2.0.0,10.3.0.0,E0,S0,S0,S1,S0,E0,X,16作为一种不可达的标记从路由自环产生的后果的角度来考虑问题，缺点是限制了网络的规模,A,B,C,一种消除路由环路并加快网络收敛的方法是通过叫做“水平分割”的技术实现的。 其规则就是不向原始路由更新的方向再次发送路由更新信息。 3台路由器ABC，B向C学习到访问网络10.4.0.0的路径以后，不再向C声明自己可以通过C访问10.4.0.0网络的路径信息，A向B学习到访问10.4.0.0网络路径信息后，也不再向B声明，而一旦网络1

12、0.4.0.0发生故障无法访问，C会向A和B发送该网络不可达到的路由更新信息，但不会再学习A和B发送的能够到达10.4.0.0的错误信息。,解决路由环路的方法：（1）水平分割,解决路由环路的方法：（1）水平分割,10.1.0.0,10.2.0.0,10.3.0.0,10.4.0.0,E0,S0,S0,S1,S0,E0,X,X,X,C,B,A,解决路由环路的方法： （2）确认收敛:毒性反转,10.1.0.0,10.2.0.0,10.3.0.0,E0,S0,S0,S1,S0,E0,X,Subnet 10.4.0.0 metric 16,当一条路径信息变为无效之后，路由器并不立即将它从路由表中删除，

13、而是用16，即不可达的度量值将它广播出去。缺点增加了路由表的大小。,A,B,C,定义最大值在一定程度上解决了路由环路问题，但并不彻底，在达到最大值之前，路由环路还是存在的。路由中毒就可以彻底解决这个问题。 其原理：3台路由器ABC，当网络10.4.0.0出现故障无法访问的时候，路由器C便向邻居路由发送相关路由更新信息，并将其度量值标为无穷大，告诉它们网络10.4.0.0不可到达，路由器B收到毒化消息后将该链路路由表项标记为无穷大，表示该路径已经失效，并向邻居A路由器通告，依次毒化各个路由器，告诉邻居10.4.0.0这个网络已经失效，不再接收更新信息，从而避免了路由环路。 当路由器B看到到达网络

14、10.4.0.0的度量值为无穷大的时候，就发送一个叫做毒化逆转的更新信息给C路由器，说明10.4.0.0这个网络不可达到，这是超越水平分割的一个特列，这样保证所有的路由器都接受到了毒化的路由信息。,解决路由环路的方法： （2）确认收敛:毒性反转,解决路由环路的方法： （3）触发更新,10.2.0.0,10.3.0.0,10.4.0.0,E0,S0,S0,S1,S0,E0,X,subnet 10.4.0.0, metric 16,10.1.0.0,subnet 10.4.0.0, metric 16,subnet 10.4.0.0, metric 16,得知网络拓扑结构发生改变,不等待发送周期

15、,立刻通告更新后全部的路由表。,A,C,B,正常情况下，路由器会定期将路由表发送给邻居路由器。而触发更新就是立刻发送路由更新信息。 检测到网络故障的路由器会立即发送一个更新信息给邻居路由器，并依次产生触发更新通知它们的邻居路由器，使整个网络上的路由器在最短的时间内收到更新信息，从而快速了解整个网络的变化。 问题：有可能包含更新信息的数据包被某些网络中的链路丢失或损坏，其他路由器没能及时收到触发更新，因此就产生了结合抑制的触发更新，抑制规则要求一旦路由无效，在抑制时间内，到达同一目的地有同样或更差度量值的路由将会被忽略，这样触发更新将有时间传遍整个网络，从而避免了已经损坏的路由重新插入到已经收到

16、触发更新的邻居中，也就解决了路由环路的问题。,解决路由环路的方法： （3）触发更新,10.1.0.0,10.2.0.0,10.3.0.0,10.4.0.0,E0,S0,S0,S1,S0,E0,X,hold-down倒记时以后更新路由表,hold-down倒记时以后更新路由表,等待网络中其它路由器收敛,在该时间内不学习任何与该网络相关的路由信息(RIP缺省180秒),在倒记时期间继续向其它路由器发送毒化信息,A,B,C,解决路由环路的方法：（4）Hold-down倒记时 （控制更新时间 （即抑制计时器）,抑制计时器用于阻止定期更新的消息在不恰当的时间内重置一个已经坏掉的路由。 抑制计时器告诉路由

17、器把可能影响路由的任何改变暂时保持一段时间，抑制时间通常比更新信息发送到整个网络的时间要长。 当路由器从邻居接收到以前能够访问的网络现在不能访问的更新后，就将该路由标记为不可访问，并启动一个抑制计时器，如果再次收到从邻居发送来的更新信息，包含一个比原来路径具有更好度量值的路由，就标记为可以访问，并取消抑制计时器。如果在抑制计时器超时之前从不同邻居收到的更新信息包含的度量值比以前的更差，更新将被忽略，这样可以有更多的时间让更新信息传遍整个网络。,解决路由环路的方法：（4）Hold-down倒记时 （控制更新时间 （即抑制计时器）,3.2.5 链路状态算法,链路状态LS(Link Status)算

18、法，也称为最短路径优先SPF（Shortest Path First）算法。 每个路由器拥有网络全部的拓扑结构信息 采用Dijkstra最短路径算法求得最短路径,获得链路状态,路由器周期性地发送短报文，询问相邻路由器是否可以到达并处于活动状态。 如果相邻路由器做出回答，说明两者之间的链接正常，否则认为链路故障。 避免抖动，采取n中取k原则,3.2.5 链路状态算法,SPF算法的优点,每个路由器使用相同的原始状态数据，不依赖中间结点的计算，可以独立计算出路由，确保了路由算法的收敛性； 链路状态报文仅包含单一路由器与相邻路由器的链接信息，报文长度与网络的规模无关，因此，算法适用于大型的互联网。,3

19、.2.5 链路状态算法,典型的链路状态协议,开放式最短路径优先OSPF（Open Shortest Path First）,3.2.5 链路状态算法,3.2.6 混合路由算法,距离向量算法和链路状态算法各有特点，适合不同的场所。 混合路由算法集合这两种算法优点。 EIGRP就是典型的混合路由算法协议，称为高级距离向量算法。 EIGRP同时具有距离向量算法和链路状态算法特点。 EIGRP只向相邻路由器发送更新分组，路由更新信息包括本机路由信息，使用水平分割的方法控制路由信息传送回送它的源端类似于距离向量算法。 为了避免在传输过程中出错，引起路由问题， EIGRP使用更可靠的机制传输路由协议信息-

20、类似于链路状态算法。,表：一些路由算法的性能比较,3.3 路由协议,互联网为不同的自治域； 每一个自治域内采用同样的管理策略； 路由协议分为：自治域内（RIP、OSPF、IS-IS、IGRP、EIGRP）和自治域间(BGP)的路由协议. 常用的协议： 开放最短路径优先(OSPF)协议 边界网关协议(BGP),3.4 高速路由器技术,在高速互联网中，由于光传输技术的发展，实验室中线路传输能力已经达到上百Gbps，实际应用中在10 Gbps、40 Gbps。 链路中的处理节点成为制约网络传输速度的瓶颈。 高速路由器成为构造高速网络的核心。,路由器由多个网卡和网络连接，由处理器、缓冲模块、内部互连单

21、元（交换结构）等基本的部分构成。 路由器的基本功能包括： （1）路由处理 （2）数据分组转发 （3）其他服务。,3.4 高速路由器技术 3.4.1 路由器的基本结构和功能,3.4 高速路由器技术 3.4.1 路由器的基本结构和功能,（1）路由处理 通过路由协议（RIP,OSPF,BGP）等交换路由信息； 计算达到各个网络的路由； 创建和维护路由表； 向相邻节点发布路由信息； 也可通过人工的方式管理和修改路由表（如设置静态路由、缺省路由、添加或者删除路由等）。,3.4 高速路由器技术 3.4.1 路由器的基本结构和功能,（2）数据分组转发 （3）其他服务 加密、认证、访问控制、路由过滤、SNMP

22、节点等功能。,3.4 高速路由器技术 3.4.2 加速路由表查找的算法,路由表查找是路由器分组转发功能中的重要步骤，也是提高路由器分组转发速度的瓶颈之一。 由于采用CIDR技术，路由表查找采用“最长匹配”原则。 现在主干网络路由表的路由超过11万条，路由器的端口速度达到OC-192（10Gbps）。 因此，需要采用新的路由表查找算法和系统结构来实现高速查找。,3.4 高速路由器技术 3.4.2 加速路由表查找的算法,（1）基于软件的查找算法 衡量查找算法通常需要考虑3个方面的问题： 路由表查找速度 路由表所需存储空间的大小 路由表插入/删除的难易程度 （2）基于硬件的查找方法 加大内存，用空间

23、换时间； 基于硬件的专业集成电路（ASIC）进行路由识别、计算和转发的新型路由器，其速度很快，就像通过传输线一样，被称为线速路由器和线速路由交换机。,3.4 高速路由器技术 3.4.2 加速路由表查找的算法,特点： （1）基于软件的查找算法 优点是灵活，但是速度慢，还依赖算法。 （2）基于硬件的查找方法 能提高速度，但是灵活性收到限制。,3.4 高速路由器技术 3.4.3 IP路由器的体系结构,第一代路由器：单处理器共享总线式体系结构,CPU,内存,网卡,网卡,网卡,处理负担重； 可扩展性较差，不适合于高速传输网络。,3.4 高速路由器技术 3.4.3 IP路由器的体系结构,第二代路由器：多处

24、理器共享总线式体系结构 在每个网络接口卡上具有本地处理器和缓存。,主CPU,主内存,缓存,从处理器,网卡,缓存,从处理器,网卡,缓存,从处理器,网卡,3.4 高速路由器技术 3.4.3 IP路由器的体系结构,第二代路由器：多处理器共享总线式体系结构,解决了第一代路由器CPU负担过重的问题； 总线结构造成速度瓶颈； 这种路由器不能运用到主干网。（主干网数据不具有局域性，同时发生的数据流可以达到上百万个，对缓存的管理和维护带来很大困难；并且数据流的迅速变化，需要频繁调用主处理器，分布式和缓存对提高效率的作用就不明显！）,3.4 高速路由器技术 3.4.3 IP路由器的体系结构,第三代路由器：多处理

25、器交换式体系结构,主CPU,主内存,从处理器,网卡,缓存,从处理器,网卡,缓存,从处理器,网卡,缓存,交换 结构,3.4 高速路由器技术 3.4.3 IP路由器的体系结构,第三代路由器：多处理器交换式体系结构,采取多处理器交换式体系结构，在接口之间传送数据分组的带宽大大提高，能适应吉比特每秒的传输速率； 第三代路由器的瓶颈在于主处理器和主内存组成的转发引擎部分。在大量数据流存在的时候，主处理器成为整个路由器性能提高的瓶颈。,3.4 高速路由器技术 3.4.3 IP路由器的体系结构,第四代路由器：多转发引擎共享并行处理器交换式体系结构,路由处理器,网卡,交换结构,网卡,网卡,转发引擎,转发引擎,

26、转发引擎,3.4 高速路由器技术 3.4.4 路由器的交换结构,交换结构是指路由器内部各个模块之间进行数据交换的结构，特别是将数据分组从输入接口发送到输出接口的结构。,交换结构是实现高速IP路由器中的关键组件，是解决高速分组转发的主要方式。 交换结构的性能直接影响到路由器的整体性能 交换结构实现方式可以分为三种: 共享总线、共享内存和交叉开关阵列,3.4 高速路由器技术 3.4.4 路由器的交换结构,共享总线结构：出现在早期的路由器中 CPU内存和接口卡之间交换数据都要通过总线传输。 可能发生多个模块同时访问总线的情况，需要采取一定的仲裁机制才能防止共享冲突。 共享总线易于扩展，也比较容易实现

27、，但是速率相对较低。,3.4 高速路由器技术 3.4.4 路由器的交换结构,共享内存结构： 来自各个网络接口的数据分组将写入双向随即访问存储器中，数据分组头上加内部路由标记。 内存控制器通过读取数据分组头的标记来决定各个分组的读出顺序，包括优先级的处理。 共享内存方式可以使各个接口共享输出能够吸收某个接口的突发特性，实现各个接口相同的转发性能。,3.3 高速路由器技术 3.4.4 路由器的交换结构,共享内存结构： 缺点： 要求共享内存和内存控制速度是各个接口速度的总和，才能达到各个接口能充分利用传输能力。 共享方式实现简单、也可以达到比较高的速度。在配置8块OC-48接口卡时，可以达40 Gb

28、ps吞吐率。 但是共享内存速率的进一步提高将受到内存速度的限制，很难有更大的突破。,3.4 高速路由器技术 3.4.4 路由器的交换结构,交叉开关阵列结构：,现在越来越成为高速路由器的实现方式。 可以实现接口到接口的直连通路，交换结构的带宽与接口带宽相同即可，并且规模扩展性好，能够增加整个交换结构的规模。 随着技术的发展，交换速率还可以进一步提高。,路由处理器,网卡,交换结构,网卡,网卡,转发引擎,转发引擎,转发引擎,3.4 高速路由器技术 3.4.4 路由器的交换结构,交叉开关阵列结构：,3.4 高速路由器技术 3.4.4 路由器的交换结构,交叉开关阵列结构：,开关阵列需要解决的关键问题之一

29、是阻塞问题，包括： 线路头部阻塞、输入阻塞和输出阻塞。,开关阵列另外一个重要问题是队列调度。 为了支持不同的服务类型，路由器对对分组进行分类，放入不同的队列中。 在输出分组时，需要进行选择输出哪一个队列的分组，这就是路由器的队列调度。,3.4 高速路由器技术 3.4.4 路由器的交换结构,交叉开关阵列结构：,调度算法设计的基本要求： 效率高，能够匹配尽可能多的输入队列； 具有稳定性，无论是什么样的输入队列，都能找到可行调度； 速度快，以适应宽带的要求； 简单，使得实现容易。,3.4 高速路由器技术 3.4.4 路由器的交换结构,交叉开关阵列结构：,最近几年很多性能好的调度算法，能够在输出缓冲和

30、共享缓冲的方式下对应用进程提供相应的QoS保证。,目前常用的调度算法有： WFQ(Weighted Fair Queuing,加权公平排队)算法 DRR (Deficit Round Robin,亏空轮循)算法 CBQ（Class Based Queuing）算法,3.5 交换路由技术,交换路由技术的基本思想是“先寻径，后交换”，融合第二层交换技术和第三层路由技术，用数据流的初始分组和网络拓扑结构驱动路由功能，后续的数据流按照寻好的路径进行快速交换。 Ipsilon公司的IP交换，Cisco公司的标记交换，3Com公司的快速IP技术都是该类技术。,3.5 交换路由技术,IETF对多协议标记交换

31、(MPLS)进行规范，并提出通用多协议标记交换协议(GMPLS)，成为交换路由协议基础。 MPLS在保证数据的快速传输和提供多媒体数据QoS方面具有优点，同时也是当前高速路由器提高网络传输速度所采用的新技术。,开发MPLS技术的目的是为了在因特网路由器中实现快速分组转发，以加速网络的数据传输。,MPLS（Multi-Protocol Label Switching） :多协议标记(标签)交换。 由IETF (Internet Engineering Task Force ,Internet工程任务组)开发来用于支持IP增值服务。,MPLS的成功之处在于它在无连接的IP网络中引入面向连接的机制，

32、通过采用一个短的、固定长度的称为“标签”的标识符，利用标签交换机制转发分组。,核心思想：边缘的路由、核心的交换,3.5 交换路由技术,3.5.1 MPLS 1、发展史与意义-发展史,1996年Ipsilon公司推出IP交换技术，不久，Cisco公司就宣布了其标记交换技术 1996年10月召开了一个“BOF（专题讨论小组）”会议。紧接着，草拟筹备工作组章程的工作开始了。1997年初，终于有一个能被IETF（Internet Engineering Task Force, Internet工程任务组）接受的章程，工作组的第一次会议在1997年4月召开。 多协作标记交换工作组：为了标记交换的基本技术

33、标准化和在不同的链路层（FR、ATM以及局域网技术）上完成标记交换方面的工作，包括标记的封装、两台路由器之间的标记分配以及组播等内容。,3.5 交换路由技术,2001年1月，MPLS工作组提交并通过了8个RFC(Request For Comments )提案，基本完成了工作组最初的目标。 2001年2月，MPLS-TE(流量工程) MIB(管理信息库 )库为进一步的标准化做好准备 2001年3月，完成了在标记交换路径上的IP组播框架，为进一步的研究做好准备。 2001年6月，完成了LDP(标签分发协议)的故障容错机制，等待标准化 2001年8月，MPLS的故障恢复机制规范完成，进入深入研究。

34、 2001年12月，LDP端到端的标记交换路径认证规范完成。,1、MPLS发展史与意义-发展史,3.5 交换路由技术,目前，中国的骨干网带宽的利用率在10%以下，因而，如何吸引更多的用户使用网络资源，是运营商、服务商关心的话题。路由器制造商都看到MPLS的最佳用武之地是，把承载多种不同类型服务的网络集成为一个单一的网络。 网络运营商和服务商大多认为，用MPLS统一各种服务不失为一种长远的发展方向。,1、MPLS发展史与意义意义,(1) 提高网络使用率,3.5 交换路由技术,IPv4的地址非常缺乏。 IPv6 如果先在IPv4上实现MPLS，会减小IPv6的实现难度，因为MPLS把对数据包的转发

35、完全脱离开来。 IPv6对IPv4最主要是地址空间扩展；相应的路由算法没有什么改变；转发数据包的控制协议上也没有什么改变 因而，在一个把转发和控制都清楚分开的平台上，只需改变相应的控制协议，转发方面根本就不用改变。,1、MPLS发展史与意义意义,(2) 简化IPv6实施,3.5 交换路由技术,随着现在的光传输技术的发展，网络的带宽几乎是无限制地在增长，比如一根光纤上可以传到几个T这样的速度，则要求网络中的转发设备（即路由器设备）同样要适应传输技术的发展，要提高得非常快。基本的手段是利用硬件转发。 专门的转发和控制协议脱离的体系结构也更加方便了做硬件转发。因为只看一个包的标记的格式是固定的，也非

36、常容易在硬件中实现，这种趋势是MPLS在非常高速的网络中也有他的一些好处之一。 因此，MPLS的实现简化了IPv6的一些新功能。,1、MPLS发展史与意义意义,(2) 简化IPv6实施,3.5 交换路由技术,MPLS的出现，给了新的厂商、新的产品很多机会，让它们有了新的生存空间。 传统的IP网络的割据战已经结束，在新出现的战场上，正好适合起点高的厂商在其中扮演角色。 传统厂商如果不是从硬件平台上有改变，在这么宽的网络处理速度上，根本就来不及处理高速转发。因此，在宽带的前提条件下，必须有新的硬件平台，这就是新厂商的机会。,1、MPLS发展史与意义意义,(3) 为新厂商带来商机,3.5 交换路由技

37、术,MPLS可以为运营商或大企业带来好处： 功能上的独立性：只简单执行转发功能，无须检查包的全内容。 性能的优化：简化了IP路由的操作，高效地利用了网络的资源。 资源的控制：可能实现流量工程自动化。 网络的演进：正在演进到一个强大的骨干网络中。 支持面向连接的QoS保证，解决了传统IP骨干网络的服务质量保证的问题。 可以提供IP VPN业务。 简化IPv6实施。,1、MPLS发展史与意义意义,3.5 交换路由技术,基于MPLS的思想框架，MPLS的优势主要体现在以下几点： （1）将传统的基于IP分组中头端信息进行IP的路由转发的机制淘汰下来，在一种公共转发算法(标志交换)上提供了多种路由方案(

38、如基于目的的显式路由等)； （2）将ATM技术与IP技术灵活地结合起来，从控制平面看具有MPLS功能的ATM交换机则更像是一台路由器。 （3）使用MPLS使各种IP的业务应用成为可能，如：基于IP的VPN，IP级业务服务质量保证，骨干网络流量控制。,1、MPLS发展史与意义技术优势,3.5 交换路由技术,MPLS（Multi-Protocol Label Switching）即多协议标记交换。 MPLS属于第三代网络架构，是新一代的IP高速骨干网络交换标准，由IETF（Internet Engineering Task Force，因特网工程任务组）所提出，由Cisco、ASCEND、3Com

39、等网络设备大厂所主导。 MPLS是集成式的IP Over ATM技术，即在Frame Relay及ATM Switch上结合路由功能，数据包通过虚拟电路来传送，只须在OSI第二层（数据链结层）执行硬件式交换（取代第三层（网络层）软件式routing），它整合了IP选径与第二层标记交换为单一的系统，因此可以解决Internet路由的问题，使数据包传送的延迟时间减短，增加网络传输的速度，更适合多媒体信息的传送。 因此，MPLS最大技术特色为可以指定数据包传送的先后顺序。MPLS使用标记交换，网络路由器只需要判别标记后即可进行转送处理。,2、MPLS的概念,-MPLS定义,3.5 交换路由技术,MP

40、LS的运作原理是提供每个IP数据包一个标记，并由此决定数据包的路径以及优先级。 与MPLS兼容的路由器（Router），在将数据包转送到其路径前，仅读取数据包标记，无须读取每个数据包的IP地址以及标头（因此网络速度便会加快），然后将所传送的数据包置于Frame Relay或ATM的虚拟电路上，并迅速将数据包传送至终点的路由器，进而减少数据包的延迟，同时由Frame Relay及ATM交换器所提供的QoS（Quality of Service）对所传送的数据包加以分级，因而大幅提升网络服务品质提供更多样化的服务。,2、MPLS的概念,-MPLS定义,3.5 交换路由技术,MPLS是一种标记（la

41、bel）机制的包交换技术，通过简单的2层交换来集成IP Routing 的控制。对IPOA（IP Over ATM）的改进是MPLS产生的源动力。 目前MPLS还没有成为最后正式的标准，在MPLS成为标准的过程中，许多公司都推出了自己的标记技术，比如CISCO公司的Tag交换技术。,2、MPLS的概念,-MPLS定义,3.5 交换路由技术,(1) FEC（Forwarding Equivalence Class,转发等价类） MPLS实际上是一种分类转发的技术，它将具有相同转发处理方式（目的地相同、使用的转发路径相同、具有相同的服务等级等）的分组归为一类，这种类别就称为转发等价类。 属于相同转

42、发等价类的分组在MPLS网络中将获得完全相同的处理。在LDP（Label Distribution Protocol）过程中，各种等价类对应于不同的标记，在MPLS网络中，各个节点将通过分组的标记来识别分组所属的转发等价类。,2、MPLS的概念,-MPLS中涉及的基本概念,3.5 交换路由技术,(2) 多协议标记交换 -多协议 MPLS位于传统的第二层和第三层协议之间，其上层协议与下层协议可以是当前网络中的各种协议。如：IPX，APPLETALK等。 -标记 一个长度固定，只具有本地意思的标志。它用于唯一地表示一分组所属的FEC，决定标记分组的转发方式。 -交换 通过FEC的划分与标记的分配，

43、MPLS的标记在网络中进行交换，建立一条虚电路。,2、MPLS的概念,-MPLS中涉及的基本概念,20100324研究生,3.5 交换路由技术,(3) 标记栈 是一组标记的级联。 (4) 标记分组 包含了MPLS标记封装的分组。标记可以使用专用的封装格式，也可以利用现有的链路层封装如：ATM的VCI和VPI。 (5) 标记交换路由器(LSR) 支持MPLS协议的路由器，是MPLS网络中的基本元素。,2、MPLS的概念,-MPLS中涉及的基本概念,3.5 交换路由技术,(6) 标记交换路径（LSP） 使用MPLS协议建立起来的分组转发路径，由标记分组源LSR与目的LSR之间的一系列LSR以及它们

44、之间的链路构成，类似于ATM中的虚电路。 (7) 上游LSR与下游LSR 一个分组由一个路由器发往另一个路由器时，发送方的路由器为上游路由器，接收方为下游路由器。 (8) 标记信息库（LIB） 类似于路由表，包含各个标记所对应的各种转发信息。,2、MPLS的概念,-MPLS中涉及的基本概念,3.5 交换路由技术,(9) 标记分发协议（ Label Distribution Protocol ,LDP） 该协议是MPLS的控制协议，相当于传统网络的信令协议，负责FEC的分类，标记的分配，以及分配结果的传输及LSP的建立和维护等。 (10) 标记分发对等实体（LDP PEERS） 进行LDP的LS

45、R为标记分发时的对等实体。,2、MPLS的概念,-MPLS中涉及的基本概念,3.5 交换路由技术,(11) 标记合并 对于某一相同FEC的标记分组，将不同的入标记替换为相同的一个出标记继续转发的过程，减少标记资源的消耗。 (12) TLV（Type Length Value） MPLS消息中的子结构，类似于其它协议中各种消息内的对象。 (13) LER（Label Edge Router），边缘标记路由器。,2、MPLS的概念,-MPLS中涉及的基本概念,3.5 交换路由技术,传统的IP数据转发是基于逐跳式的，每个转发数据的路由器都要根据IP包头的目的地址查找路由表来获得下一跳的出口，这是个繁

46、琐又效率低下的工作，主要的原因是两个： （1）有些路由的查询必须对路由表进行多次查找，这就是所谓的递归搜索； （2）由于路由匹配遵循最长匹配原则，所以迫使几乎所有的路由器的交换引擎必须用软件来实现，用软件实现的交换引擎和ATM交换机上用硬件来实现的交换引擎在效率上无法相抗衡。,3、MPLS基本特点和工作原理-MPLS的特点,3.5 交换路由技术,MPLS技术的提出主要是为了更好地将IP与ATM的高速交换技术结合起来，发挥两者的优势，充分利用目前ATM网络的各种资源，实现IP分组的快速转发交换； 对传统的IP动态路由进行一些扩展，基于控制的动态路由（Constraint-Based Routin

47、g）实现IP业务流量控制、虚拟专网应用（BGP/MPLS VPN）及IP级的服务质量(IP QoS)。,3、MPLS基本特点和工作原理-MPLS的特点,3.5 交换路由技术,多协议标志交换（MPLS）技术与其它技术相比具有3个特点： (1) MPLS交换与传统IP路由不同，它是基于一种显式的路由交换（explicit routing），源地址路由方式。 (2) MPLS中所使用的标志（label）没有固定的格式，随着下层媒体的变化而变化，对于ATM媒体，标志是ATM的VCI/VPI(虚拟电路/路径标志)，对于帧中继为DLCI，对于X.25为LCN。,3、MPLS基本特点和工作原理-MPLS的特

48、点,（3）MPLS的路由控制管理是一种面向网络拓扑的实现，网络拓扑驱动（topo-driven），只有当整个网络拓扑发生变化时，MPLS的路由转发表才会发生变化，而不且随网络中某个应用服务、某台工作站的改变而变化。,3.5 交换路由技术,在基于ATM的MPLS交换技术中，“标签包装”的原型与ATM交换机转发信元非常相似；从另一角度看，在一个标志交换的环境中，ATM交换机将更像是一台快速的路由器。 MPLS的典型方法是，为第3层路由表中的路由前缀分配一个特定含义的标签。这种拓扑驱动（topology-driven）的标志分配技术有别于其它基于流驱动(flow-driven)的分配技术，在MPLS

49、中所分配的标签仅随路由前缀的变化而变化，其变化频率相对会低得多。 显然，因为这种技术实现独立于数据流，而采用目的地地址，因此具有很强的可扩展性。在某种程度上，标志交换有些类似于帧中继采用数据链路连接标志符（DLCI）来执行高速的交换功能。 当被标志的分组最终到达标志网络的出口时，就被移去标志，分组由传统的第3层路由进行转发。,3、MPLS基本特点和工作原理-MPLS的特点,3.5 交换路由技术,（1）标志交换转发部件 标志与分组的绑定有若干种方式。对一些网络可以将标志嵌入到链路层的头端（ATM VCI/VPI，和帧中继的DLCI）。有时也可以将它嵌入至位于数据链路头端和数据链路协议数据单元（P

50、DU）之间的小标志头端（如，位于第二层头端与第三层数据负载之间），称为“Shim”。这种标志信息能够在链路层进行承载，“shim”结构可以用于Ethernet, IEEE802.3, 或点对点（PPP）链路上，其中一个是为单目广播（Unicast），另一个是为多目广播（Multicast）。,3、MPLS基本特点和工作原理-MPLS的基本原理,3.5 交换路由技术,在MPLS骨干网络边缘，边界LSR对进来的无标志分组（正常情况下）按其IP头端进行归类划分（Classification）及转发判决，这样IP分组在边界LSR被打上相应的标志，并被传送至到达目的地地址的下一跳。 在后续的交换过程中，

51、由LSR所产生的固定长度的标志替代IP分组头端，大大简化了以后的节点处理操作。 后续节点使用这个标志进行转发判决。一般情况下，标志的值在每个LSR中交换后改变，这就是标志转发。,3、MPLS基本特点和工作原理-MPLS的基本原理,3.5 交换路由技术,在中间LSR中MPLS的转发步骤如下： 第1步：从分组中获取一个标志； 第2步：从LFIB中查找一条其进入标志等于分组标志的条目； 第3步：将条目中的出口标志替代分组中的标志； 第4步：将分组从条目中所指定的输出端口送出。 当中间LSR收到标志分组，该分组标志首先被提取出来，并做为索引在LSR中的转发表中进行查寻检索，一旦发现了与输入标志匹配的条

52、项，就提取出条项中的输出标志重新加到分组，并将新组合的分组送到条项中指向下一跳的输出接口（对于多目广播要涉及到多个输出端口）。 标志转发表可以在节点级（即每个节点一个表）或在接口级（每个接口一个表）来实现。,3、MPLS基本特点和工作原理-MPLS的基本原理,3.5 交换路由技术,如果分组从MPLS的骨干网络中出来，出口边界LSR发现它们的转发方向是一个无标志的接口，就简单地移除分组中的标志。这种基于标志转发的最重要的优势在于对多种交换类型只需要唯一一种转发算法，可以用硬件来实现非常高的转发速度。 IP分组包在边界路由器处被标志上一个“标签”，并按照这种标签在标志交换机中进行转发。这些标签的值

53、在每一个跳级（Hop）只具有本地意义，进入分组上的标签用来决定该分组的路径并在下一个跳级被包装上新的相应的标签。在到达标志交换路径的最后一个标志边界路由器时（即下一跳级不支持标志交换），标签就被剥除，分组被正常转发。由于沿路转发节点仅读非常简单的标签，而不是在分组头端上的IP地址信息细节来进行转发判决，IP通过网络的交换速度将大大增加，并且在同一个消息中的所有其它分组也会沿着相同的路径通过网络。,3、MPLS基本特点和工作原理-MPLS的基本原理,3.5 交换路由技术,（2）标志交换控制部件 标志由标志交换路径（LSP）的上游LSR（Upstream LSR）节点来附加至分组中，下游LSR（D

54、ownstream LSR）收到标志分组后判决处理，这由标志交换的控制部件来完成。它使用标志转发表中的条项内容作为引导。标志交换控制部件除了基本的表的建立和维护外，还负责以一种连续的方式在LSR之间进行路由的分布及进行将这些信息生成为转发表的操作。标志交换控制部件包括所有的传统路由协议（如，OSPF，BGP，PIM等等）。这些路由协议为LSR提供了FEC与下一跳地址的映射。另外，LSR还必须：在标志与FEC之间建立绑定；将这些绑定向其它LSR分布；构建它自己的转发表。,3、MPLS基本特点和工作原理-MPLS的基本原理,3.5 交换路由技术,绑定技术有多种选择，建立标志流的决定可以基于多个标准

55、（如数据源地址）。数据驱动（data-driven）的标志绑定技术仅当有需求时才建立激活的标志绑定。当网络拓扑和流量的变化时，绑定信息都需要重新分布。拓扑驱动（topo-driven）又称为控制驱动 (control-driven) 绑定，是基于对路由处理和资源预留所产生的管理信息。尽管两种方法目前都有使用，但新出现的MPLS标准应该基于控制驱动的模式。 标志信息的分布（Distribution）：标志交换转发表中的条项内容最少应能提供输出的端口信息和下一个新的标志，当然也可以包含更多的信息。例如，它可以为被交换的分组产生一种输出队列原则。输入分组必须在转发表中有唯一的条项与之对应。,3、MP

56、LS基本特点和工作原理-MPLS的基本原理,3.5 交换路由技术,每一个分配的标志必须与转发表中的一个条项相关联起来。这种绑定可以在本地LSR执行或在远端LSR执行。目前MPLS版本使用下游绑定，这种情况下，本地关联的标志用作进入分组标志，而远端关联标志用作输出标志。另一种方式为上游绑定，与下游绑定相反，也是一种可行的方法。在MPLS技术中，转发表又称为标志转发信息库（LFIB），LFIB的每一个条目中包括输入标志，输出标志，输入接口和输出端口MAC地址，由输入标志对条项进行检索查找。,3、MPLS基本特点和工作原理-MPLS的基本原理,3.5 交换路由技术,MPLS体系结构既使用了本地控制（

57、LSR无需等待接收到从邻居发来的FEC绑定，就可以决定创建并广播一个FEC的绑定信息），也使用了出口控制（LSR在分配一个标志并向它的上游广播前必须等待从它的下游节点邻居接收到绑定信息）。FEC与标志的绑定信息向邻居进行广播，来建立各自的转发表。在转发表中的信息也必须持续地跟踪变化，这样不会导致基于标志的交换出现错误。,3、MPLS基本特点和工作原理-MPLS的基本原理,3.5 交换路由技术,标志信息分配的两种方式： 1）在传统路由协议上承载（piggybacking）-MPLS标志绑定信息符加在传统的路由协议中进行分布，这只能由控制驱动的方案来支持。在正常的路由协议操作上承载，确保了转发信息

58、的一致性，避免使用其它附加协议。不足处在于，并非所有子网都使用路由，也并非所有路由协议容易对标志进行处理，因此这不是对标志分配比较完善的解决办法。,3、MPLS基本特点和工作原理-MPLS的基本原理,3.5 交换路由技术,MPLS中LDP的定义还尚未完全，更为深入的研究还在进行中，目前已经有了LDP的V1.0版本。,3、MPLS基本特点和工作原理-MPLS的基本原理,2）使用标志分配协议（Lable Distributing Protocol）-Cisco基于其标记交换（Tag switching）技术提出了标记分配协议（TDP），MPLS工作组以它为基础又定义了一种新的标志绑定信息的分布，称为标志分布协议（LDP）。LDP可以适用于控制驱动和数据驱动两种方案。而LDP的缺点就是它增加了实现的复杂性（对新协议的支持），并且它仍需与相关的动态路由协议配合使用。,3.5 交换路由技术,（3）标志交换路由器（LSR） MPLS的设备按其在MPLS路由网络中所处的位置可分为边界标志交换路由器（Edge Label Switching Routers）和中间标志交换路由器（Transit LSR）。边界标志交换路由有进口出口边界交换路由器，进口边界LSR负责在标志交换路径（LSP）的起始处对正常分组封装标志；出口边界LSR在LSP的未端负责对标志分组剥除标志封装