一種新的多層交換技術——標簽交換

2019-11-03 10:11:14

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一種新的多層交換技術——標簽交換關鍵詞：多層交換技術，標簽交換技術，標簽交換網絡【摘要】本文介紹了多層交換技術的主要代表——標簽交換技術，簡述了其基本概念、體系結構和網絡構成，并概括了標簽交換技術的優良特性，對將來的發展作出了分析與展望。在過去的二十幾年中，交換技術和路由技術都得到了充分的發展。但隨著網絡流量的高速發展，交換機面對眾多業務表現出不足，路由器的處理速度低下等問題也日益暴露出來。新問題的出現總會帶來新技術的不斷涌現，在這種情況下，多種多層交換技術被提出，并且在最近得到了迅猛地發展。這些多層交換技術經過最近的演變，以其中的標簽交換技術較為突出，Cisco公司作為標簽交換技術的提出者，已將該技術提交Internet IETF，的多協議標簽交換技術（MPLS）工作組，擬作為工業標準。目前，IETF正在致力于制定MPLS的RFC標準。一、多層交換技術目前的多層交換技術種類繁多，除了Ciso公司的標簽交換技術之外，有代表性的還有：Nokia/ipsilon的IP交換（IP Switching），IBM的ARIS（Aggregate Route－Based IP Switching），Ascend/Cascade/Lucent的IP導航器（IP Navigator），以及東芝（Toshiba）的CSR（Cell Switching Router）。這些多層交換技術有其共性，同時在技術實現上也有著很大的差別。 1．多層交換技術的共同點多層交換技術旨在將IP路由技術和ATM交換技術融合在一起，實現兩者間的優劣互補。其基本實現方法均是將IP路由器的軟件路由能力與ATM標記交換的轉發性能相結合，設計高速多層交換機。對于多層交換機的控制部分，多層交換技術采用標準的路由協議（如：OSPF，IS－IS和BGP－4）和各自的標記綁定機制；對于多層交換機的轉發部分，多層交換技術采用傳統的ATM硬件交換和標記交換技術（Label swapping）來轉發信元。 2．多層交換技術的不同點根據標記綁定（Label Binding）時機的不同，多層交換可分為兩類：數據驅動方式和控制驅動方式。Nokia/Ipsilon的IP交換和東芝的CSR采用數據驅動方式。本文的標簽交換，IBM的ARIS和Ascend/Cascade/Lucent的IP導航器采用后者。（1）數據驅動方式對于數據驅動方式，是在數據分組到達時創建標記綁定。當數據流（有共同源地址，目的地址和TCP（或UDP）端口號的一系列分組）中的第一個分組到達多層交換機時，多層交換機或者直接創建標記綁定，或者等待數據流中的后繼分組。等待后繼分組到來后再創建標記綁定可以減少分配和發布標記所帶來的負載。采用數據驅動方式的優點是只有在數據流到達時才創建標記綁定，但同時也帶來一些限制：這要求交換機必須有高性能的分組分類能力，從而能夠高速地識別數據流。另一方面，采用數據驅動方式使標記綁定工作量正比于所到達的數據流，這樣大量的短數據流會增加交換機的負擔。（2）控制驅動方式控制驅動方式，是在路由控制信息到達時創建標記綁定。由于在數據分組到達之前標記的分配和發布工作就已完成，這使得交換機可以立即進行標記交換，減少分組轉發帶來的延時。對于控制驅動方式，只有當拓撲結構發生變化或控制流量信息到達時才建立采用標記交換的路徑，這樣，標記的分配和發送工作量要少于數據驅動方式。另一方面，控制驅動方式的擴展性要優于數據驅動方式。MPLS采用控制驅動方式。二、標簽交換標簽從概念上來講是一種短小、定長、具有局部意義的標識符，由分組（或信元）來攜帶，用來簡化網絡內部的路由選擇步驟。從意義上講，標簽與多層交換中的標記一樣。標簽的封裝與具體的物理網絡有關，例如：對于ATM，是將標簽放在ATM信元頭的VPI/VCI域，占16位；對于IPv6，是將標簽放在數據流標號域，占28位。對于高性能分組轉發或信元轉發而言，標簽交換技術是一種創新性的新技術，它不但融合了數據鏈路層的交換性能和流量管理功能，還融合了網絡層路由的擴展性和靈活性，可用來進一步擴展Internet和企業內部網。標簽交換技術類似于郵電局采用郵政編碼對信件轉發的方案：在郵政編碼末出現之前，郵電局工作人員必須查閱整個地址才能對信件進行轉發，采用統一的郵政編碼可以立即對信進行轉發。當然，標簽交換并不是拋棄網絡層轉發。這是因為：標簽交換本身依賴于傳統的路由協議；給從未加過標簽的分組添加標簽需要網絡層轉發；當標簽交換將一系列路由聚合到一個標簽中時，這些路由并不會向同一個站轉發，這時就需要網絡層轉發。然而大多數情況下，分組轉發只需要標簽交換就可以了，不需要網絡層交換。無論是對分組還是對信元，標簽交換均給協議幀添加標簽，為了敘述上的方便，我們只以分組為例進行描述。三、標簽交換的體系結構標簽交換包含兩種組成部件：轉發部件和控制部件。轉發部件采用由分組所攜帶的標簽信息來轉發分組；控制部件負責維持正確的標簽發送信息。 1．轉發部件轉發部件是建立在標記交換機制之上的。當標簽交換機收到攜帶標簽的分組后，交換機以標簽為索引來查找標簽信息庫TIB（Tag InformationBase）。TIB中的每一表項由人口標簽和一個或多個子標簽組成。子標簽包括出口標簽、出口接口和出口連接信息。如果交換機在TIB中找到一個表項，該表項的人口標簽與分組所攜帶的標簽相同，則用該表項中的出口標簽取代分組所攜帶的標簽，并且用表項中的出口連接信息取代分組中的連接信息（如MAC地址）。標簽交換采用定長、短小的標簽作為索引，它極大地簡化了轉發過程，使轉發過程可以直接由硬件來完成。相對子網絡層所采用的最長匹配方法，其轉發性能大大提高。另一方面，對于標簽交換而言，單播和組播采用同樣的轉發算法，只不過單播對應一個子表項，而組播對應多個子表項。也正是轉發程序的簡單性，使路由控制功能對轉發程序的影響比較小，當添加新的路由控制功能時不必重新優化轉發程序（通過修改硬件或軟件）。 2．控制部件控制組件是負責創建標簽綁定，并負責在標簽交換網絡內部發布標簽綁定信息。為了在傳統路由功能基礎之上支持標簽交換功能，相應的就要增加新的模塊。下面描述了一些主要模塊：（1）目的驅使路由在傳統路由中，路由器根據分組的目的地址對分組進行轉發，轉發信息存貯在轉發信息表中FIB（Forwaring Information Base）。為了支持目的驅使路由，標簽交換機首先采用標準的路由協議（如：OSPF，BGP）建立FIB，然后在FIB基礎之上通過給路由表項添加標簽來建立自己的TIB，最后根據TIB和FIB來轉發分組。（2）路由信息分層每一個由一個機構管理的網絡和路由器的集合稱為一個自治系統，在自治系統內部路由由內部協議來實現（如OSPF），跨越自治系統的路由由外部路由協議來實現（如BGP）。然而在自治系統內的所有路由器中不但需要內部路由，而且需要外部路由。標簽交換減少了內部和外部路由信息，只在自治系統邊界需要外部路由信息，在自治系統內部只需要內部路由信息。事實上，內部路由信息要遠遠少于外部路由信息。（3）組播傳送組播路由程序負責構造生成樹，組播轉發程序負責沿著所構造的生成樹對組播分組進行轉發。標簽交換為了支持組播轉發功能，將標簽與生成樹綁定，根據該綁定對分組進行轉發。四、標簽交換網絡構成為了便于敘述，我們把采用標簽交換技術的網絡稱為標簽交換網絡。標簽交換網絡由主要由三個主要部分構成：標簽邊緣路由器、標簽交換機和標簽發布協議。其中標準的路由協議和標簽發布協議是標簽邊線路由器與標簽交換機溝通的橋梁。 1．標簽邊緣路由器（Tag Edge Routers）位于標簽交換網絡的邊界，它主要是完成傳統網絡層業務，并負責給分組（或信元，以后不再贅述）添加和解除標簽。 2．標簽交換機（Tag Switches）指網絡內部的ATM交換機或路由器。標簽交換機根據標簽對攜帶標簽的分組進行交換轉發，同時標簽交換機也支持傳統的第三層交換和第二層交換，它是標簽交換網絡的核心部分。 3．標簽發布協議TDP 與標準的網絡協議相結合，TDP在標簽交換網絡中分配和發布標簽信息。TDP是在傳輸控制協議（TCP）之上進行傳送。五、標簽交換對分組的處理過程（1）標簽邊線路由器和標簽交換機采用標準的路由協議，如OSPF，IS一IS，EIGRP。這些協議可以保證與非標簽交換路由器之間的互連，進行傳統的路由交換。（2）標簽交換采用標準路由協議產生路由表，在路由表的基礎之上通過TDP分配發布標簽信息。標簽交換機收到TDP信息后建立以標簽為索引的轉發數據庫。（3）當標簽邊線路由器收到穿過標簽交換網絡的分組時，它首先按傳統的路由方法完成網絡層的業務，并從路由表中為分組選擇合適的路由，然后給分組分配標簽對分組進行轉發。（4）當標簽交換機收到攜帶標簽的分組后，交換機只需依靠標簽對分組進行轉發，不需要執行傳統的網絡層處理過程。（5）當分組由標簽邊線路由器轉發到外部非標簽交換網絡時，路由器首先把標簽去掉，然后再將分組轉發到其它網絡。六、標簽交換所具有的優良特性 1．為IP+ATM提供了良好的方案 IP是非連接的，具有簡單性，可擴展性和靈活性等特點。ATM是面向連接的，在保證業務質量（QoS）方面得天獨厚，并且支持各種業務，速度較快。為了融合二者間的優勢，一些 ISP網絡采用了重疊式IP Over ATM方案。由于該方案需要兩種不同的體系結構，這無疑在網絡維護和管理上增加了復雜度。標簽交換的出現在IP+ATM方案上表現出色：它可以使ATM交換機直接支持IP業務，無須不必要的重量就能實現二者的優劣互補。 2．容易擴展由于標簽交換僅涉及相鄰的兩個設備（路由器或交換機），標簽交換技術的引人可以采用一個平滑的過程。例如：當一對路由器采用標簽交換技術時，每一個路由器可以只給發向另一個路由器的分組添加標簽，對其它不采用標簽交換技術的路由器毫無影響。這樣當越來越多的路由器具有標簽交換功能后，標簽交換技術所表現出來的優勢也會越明顯。直到最后擴展到整個自治系統，形成統一的標簽交換網絡。 3. 支持虛擬專用網VPN 虛擬專用網可以極大地降低廣域網成本，提高網絡的靈活性。在幀中繼（FrameRelay）/ATM主干網中（或IP+ATM主干網，千兆路由器主干網），標簽交換通過給企業分配唯一的橋簽橋識符，提供了一種基于IP的虛擬專用網方案。這類似于郵政局的郵政編碼，通過給一個企業分配統一的郵政編碼，可以保證該公司的信件發往公司的所在地址。這種采用標簽交換技術的虛擬專用網可以提供端到端的IP業務質量參數，保證了良好的可擴展性。七、標簽交換技術的發展前景對于標簽交換技術的發展前景，我們從以下幾個方面分析：（1）相對于傳統的路由交換技術，標簽交換技術表現出強大的優勢，迎合了業務提供者和企業的需要。標簽交換直接在ATM交換基礎上支持IP業務，如：CoS，RSVP，IP VPN和組播，并且對信元留有信元接口。對于業務提供者而言，ISP一直在想在保持現有的網絡基礎設施條件下，能夠提供將來的業務承載能力。標簽交換技術的出現恰恰滿足了這些要求，它僅通過軟件的升級，就可以滿足日益增長的新業務。對于企業而言，標簽交換技術可以提供更高效的業務傳輸，采用標簽交換技術的路由器主干網，它可以保證QoS，較為優化地利用廣域網帶寬。（2）Nokia/Ipsilon的IP交換與Cisco的標簽交換相比較表現出不足。目前的多層交換技術花樣繁多，其中以Nokia/Ipsilon的IP交換較為突出。我們以Nokia/Ipsilon的IP交換為例進行比較：IP交換具有路由能力，以ATM速度對IP分組進行轉發，它對傳統的以路由器為核心的網絡結構提出了有力挑戰。但我們將Ipsilon的IP交換與Cisco的標簽交換比較一下就會發現前者的不足，IP交換路由功能弱，IP交換網絡擴展能力差，并且只適用于IP網，不支持IPX、NetBIOS、或SNA等網絡。其中最為重要的一點就是一旦來用IP交換技術，原有的網絡結構就必須作出相應修改，購買Ipsilon的交換設備，這是大多數ISP和企業所不情愿的。從另一個角度來看，IP交換最初由lpsilon提出，1998年的Ipsilon投身Nokia也從側面說明了IP交換的不足。（3）在傳統路由器市場上占有舉足輕重的Cisco公司，它的任何一種技術無疑都會對路由交換技術的發展產生一定影響。 Cisco公司占據全球路由器70%一80% 的市場份額，經過多年的經驗積累，其產品的可靠性以得到市場的認準。目前，Cisco公司的不少產品都具有標簽交換功能，如：Cisco7500/7200/7000系列路由器，Cisco LightStream1010 ATM交換機和12000吉位交換路由器（GSR）。尤其對于我們國家來說，為了改善目前的網絡狀況，ChinaNet（中國公用主干網）正在準備配置45個Cisco755路由器和6個12000GSR，國家多媒體主干網（National Multimedia Backbone）將要將要配置44 Cisco7507路由器和3個Cisco12008GSR。由此我們可以看出：事實上，在MPLS稱為既定標準之前，標簽交換技術已捷足先登了。（4）標簽交換技術正在逐步地與全球接軌 1998年5月，Cisco標簽交換技術與東芝公司的CSR技術進行了交互性測試，測試結果成功。 1998年6月，Cisco標簽交換技術與Alcatel的IP＠ATM進行了交互性測試，測試結果成功。這些無疑會加速IETF的MPLS標準化進程，同時也表明：標簽交換技術的實際運營情況良好。MPLS標準化出臺是遲早的問題，盡管最終定為標準的MPLS可能會與現在運營的標簽交換技術略有出入，不過Cisco公司承諾標簽交換將與最終的MPLS達成一致。并且我們也應該看到：MPLS的基本思路是采用標簽交換的機理，其橋準制定會在一定程度上考慮或遵循標簽交換技術規則。從上面的分析中，我們可以斷言：標簽交換技術是未來Internet網絡具有前途和生命力的主干網技術，在將來的路由交換設備中，以標簽交換技術為核心的產品必定成為主流產品之一。這里引用以太網發明者Bob Met－calfe的一句話來形容標簽交換技術的未來——“標簽交換不可避免”。

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