IP交換技術(shù)

2019-11-03 10:12:32

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供稿：網(wǎng)友

北方交通大學(xué) 呂宇航曹晏波　　摘要網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展使網(wǎng)絡(luò)阻塞問題日益嚴(yán)重，ATM提供了高效硬件交換，但I(xiàn)nternet上更多的ip業(yè)務(wù)使人們把目光投向IP智能路由和ATM交換技術(shù)的緊密結(jié)合，本文闡述了IP交換技術(shù)的基本概念、交換類型，并重點(diǎn)講述了多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS）的工作原理。

　　一、網(wǎng)絡(luò)需要交換

　　80年代初，LAN被廣泛應(yīng)用于企業(yè)網(wǎng)和校園網(wǎng)，隨著用戶的劇增和信息量的驟長，網(wǎng)絡(luò)管理員就開始面臨網(wǎng)絡(luò)阻塞的問題。怎樣減少網(wǎng)絡(luò)堵塞、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)且擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)吞吐量，網(wǎng)絡(luò)分段是當(dāng)時(shí)的第一選擇。利用網(wǎng)橋連接各段形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)，隔離各段信息傳輸，提高網(wǎng)絡(luò)性能。80年代中期，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)成為應(yīng)用焦點(diǎn)，利用路由器通過WAN連接不同類型的局域網(wǎng)。路由器的過渡和防火墻功能使控制廣播域變得更容易，從而達(dá)到抑制廣播風(fēng)暴和增強(qiáng)安全性的目的。路由器能夠智能地確定最佳傳輸路徑，并支持冗余連接，提高網(wǎng)絡(luò)性能和可靠性，但是路由器的端口價(jià)格及延遲是較嚴(yán)重的問題。

　　隨著客戶機(jī)/服務(wù)器分布式數(shù)據(jù)處理的不斷應(yīng)用，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)瓶頸問題日益嚴(yán)重。網(wǎng)絡(luò)堵塞造成不確定的響應(yīng)時(shí)間，高故障率，影響業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。

　　LAN交換機(jī)的低成本，易用性使其成為當(dāng)今解決網(wǎng)絡(luò)工作組瓶頸的主要途徑。LAN交換機(jī)劃分網(wǎng)段，使每段具有專網(wǎng)帶寬。交換機(jī)僅根據(jù)幀MAC地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，因此它延時(shí)小，僅是高速路由器的1/10。簡單、低價(jià)、高效的以太網(wǎng)交換機(jī)每個(gè)端口提供了專用10Mbps帶寬，為向快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)、FDDI、ATM等高速網(wǎng)絡(luò)過渡鋪平了道路。

　　LAN交換提供了新的帶寬，擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)的功能，隨之也帶來了一些新的問題。它與傳統(tǒng)網(wǎng)橋一樣易出現(xiàn)廣播風(fēng)暴及安全性問題。雖然交換網(wǎng)僅是等待出現(xiàn)廣播風(fēng)暴，利用VLAN可以避免，但是VLAN的實(shí)現(xiàn)需路由器，因此，快速路由器技術(shù)在交換領(lǐng)域內(nèi)引起了廣泛的興趣。首先是Ipsilon公司提IP交換（IP Switching），將一個(gè)IP路由處理器捆綁在一個(gè)ATM交換機(jī)上，去除交換機(jī)所有的ATM論壇信令和路由協(xié)議，這樣的一個(gè)結(jié)構(gòu)我們可稱之為IP交換機(jī)了。緊隨其后，Cisco公司發(fā)布標(biāo)簽交換（tab switching）、IBM公司提出“聚合的基于路由的IP交換”（ARIS）、3COM發(fā)布FastIP，所有這些以及其它一些利用2層交換來提高IP選路性能的技術(shù)和解決方案，被統(tǒng)稱IP交換。

　　二、IP交換技術(shù)

　　1 基本概念

　　所胃IP交換，就是利用第二層交換作為傳送IP分組通過一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主要轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的一組協(xié)議和機(jī)制。IP交換利用交換的高帶寬和低延遲優(yōu)勢盡可能快地傳送一個(gè)分組通過網(wǎng)絡(luò)。基本上說，IP交換技術(shù)是利用IP的智能化路由選擇功能來控制ATM的交換過程，即根據(jù)通訊流的特性來決定是進(jìn)行路由選擇還是進(jìn)行交換。所以識(shí)別數(shù)據(jù)的特征是IP交換技術(shù)的基本功能。準(zhǔn)確地說，一個(gè)數(shù)據(jù)流就是一個(gè)從特定源機(jī)到特定目標(biāo)機(jī)發(fā)送的IP數(shù)據(jù)包序列，它們使用相同的協(xié)議類型（如UDP或TCP）、服務(wù)類型和其它一些特性。用戶可以自己定義IP交換機(jī)如何判斷收到多少這樣的數(shù)據(jù)包才算是一個(gè)數(shù)據(jù)流。

　　2 IP交換類型

　　建立一條直通路徑的標(biāo)準(zhǔn)和置于直通路徑上的業(yè)務(wù)流的分類標(biāo)準(zhǔn)依賴于IP交換解決方案和協(xié)議的類型，一般而言，有兩種IP交換解決方案：流驅(qū)動(dòng)和拓?fù)潋?qū)動(dòng)。

　　（1）流驅(qū)動(dòng)的解決方案

　　該方案在一個(gè)特定IP流上操作，此IP流定義為具有相同源IP地址、目的IP地址和端口號(hào)的一個(gè)分組序列。流的前幾個(gè)分組被路由通過網(wǎng)絡(luò)，然后IP交換機(jī)基于IP流的特性（如業(yè)務(wù)流類別、端口號(hào)、源/目的IP地址、到達(dá)速率等）觸發(fā)一個(gè)重定過程的啟動(dòng)，建立一條直通路徑并將IP流重定向到直通路徑，流中剩余的分組在直通路徑上被交換。

　　流驅(qū)動(dòng)的IP交換的基本功能特性是：

　　*特定IP流的出現(xiàn)可以觸發(fā)一條直通路徑的建立，流被定義為應(yīng)用到應(yīng)用或主機(jī)到主機(jī)的業(yè)務(wù)流。一個(gè)流由共享公共IP分組頭信息，如源和目的IP地址及TCP或UDP端口號(hào)的一個(gè)分組序列所標(biāo)志。

　　*放置于一條直通路徑上的每個(gè)流的重定向過程獨(dú)立完成。重定向過程的范圍可以限于一對鄰接IP交換機(jī)，或者是網(wǎng)絡(luò)入口到出口間端到端的。

　　*IP交換系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的直通路徑?jīng)Q定于和策略，一些流可能沒有資格被交換。

　　*如果一條直通路徑不存在或突然消失，分組可以被路由至目的地。

　　*直通路徑是軟狀態(tài)，即如果不刷新，將會(huì)超時(shí)。

　　*流驅(qū)動(dòng)的解決方案帶來的問題是一些額外開銷，包括在每個(gè)流的基礎(chǔ)上，由網(wǎng)中組件參與的交換和處理重定向或流建立的消息，而且交換單元必須為每個(gè)將要被交換的流分配連接資源（如標(biāo)簽、緩沖區(qū)）。

　　流驅(qū)動(dòng)的IP交換在可能有大量單獨(dú)IP流的一個(gè)大網(wǎng)的核心也許不會(huì)很好的運(yùn)作。離開核心部分，源端和目的端共享相同位置的概率更高，特別是位于一個(gè)校園或企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)的單個(gè)主機(jī)對可以有一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用從交換中受益。

　　（2）拓?fù)潋?qū)動(dòng)的解決方案

　　拓?fù)潋?qū)動(dòng)的IP交換基于運(yùn)行一個(gè)IP交換機(jī)里的IP路由實(shí)體中的路由協(xié)議（如OSPF、BGP）所維護(hù)的IP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與反映一個(gè)目的網(wǎng)絡(luò)的目的IP前綴相關(guān)的新標(biāo)簽（VPI/VCI）被產(chǎn)生和分發(fā)至路由區(qū)域的其他IP交換機(jī)。所有指定到一個(gè)特定目的網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流遵循一條基于些新VPI/VCI標(biāo)簽的交換路徑。

　　拓?fù)潋?qū)動(dòng)的IP交換的基本功能特性是：

　　*直通路徑基于目的網(wǎng)絡(luò)的存在而建立，用僅在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化后才重建。

　　*所有通向一個(gè)目的地的業(yè)務(wù)流均被交換。

　　*入口IP交換機(jī)接收一個(gè)新的每一目的（per-destination）標(biāo)簽（VPI/VCI）。執(zhí)行常規(guī)的IP轉(zhuǎn)發(fā)，但不是將分組定向到下一跳IP地址，而是由入口IP交換機(jī)添加新標(biāo)簽并將分組置于一條直通路徑上。

　　*在每個(gè)中間交換組件上，分組（或信元）被交換標(biāo)簽。

　　*出口IP交換機(jī)從交換路徑上接收分組，去掉標(biāo)簽，接著使用常規(guī)第三層過程轉(zhuǎn)發(fā)分組。

　　*如果一條直通路徑突然消失，分組可以被路由至目的地。

　　*拓?fù)潋?qū)動(dòng)的直通路以路徑保持其連接直到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

　　與流驅(qū)動(dòng)方法相比，拓?fù)潋?qū)動(dòng)提供了一些在性能和可擴(kuò)展性方面的增強(qiáng)，當(dāng)然也帶來一定的花費(fèi)。拓?fù)潋?qū)動(dòng)的IP交換，不論業(yè)務(wù)流在其上通過不通過，均建立直通路徑。這意味著由于控制業(yè)務(wù)流（如路由協(xié)議更新）而不是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流的結(jié)果，交換機(jī)資源被消耗。

　　這些IP交換方案：有的基于硬件的ATM交換技術(shù)為端到端的主機(jī)和應(yīng)用業(yè)務(wù)流提供改善的性能和更多的帶寬，有的基于路由器和選路協(xié)議來提高業(yè)務(wù)流的吞吐量，都是采用一個(gè)簡單的標(biāo)簽交換方式，并意識(shí)到將選路和交換綜合起來的巨大優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上，IETF成立了多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS）工作組，其主要目標(biāo)就是開發(fā)一個(gè)綜合的選路和交換標(biāo)準(zhǔn)。

　　三、多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS）

　　MPLS網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)發(fā)組處理方式對第三層的分組進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，采用標(biāo)簽交換對第二層分組進(jìn)行交換。每個(gè)MPLS設(shè)備運(yùn)行一個(gè)單一的IP路由協(xié)議，交換路由表更新信息并維護(hù)一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和一個(gè)地址空間。標(biāo)簽表示路徑和業(yè)務(wù)的屬性，在入口的邊緣、流入的數(shù)據(jù)包被處理加上標(biāo)簽，位于核心的設(shè)備僅僅讀這些標(biāo)簽，賦于適當(dāng)?shù)臉I(yè)務(wù)，然后根據(jù)標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)這些數(shù)據(jù)包，對這些數(shù)據(jù)包的分析、分類和過濾只發(fā)生一次，是在進(jìn)入邊緣設(shè)備時(shí)，經(jīng)過出口的邊緣設(shè)備時(shí)，標(biāo)簽被移去，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到最終目的地。

　　以下是一些MPLS的術(shù)語

　　*標(biāo)簽交換路由器（LSR）：核心設(shè)備，根據(jù)已計(jì)算好的交換表，交換被加上標(biāo)簽的數(shù)據(jù)包，這個(gè)設(shè)備可為交換機(jī)或路由器。

　　*標(biāo)簽邊緣路由器（LER）：邊緣設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)包初始的處理分類，加上第一個(gè)標(biāo)簽，這個(gè)設(shè)備可以是一臺(tái)路由器，一臺(tái)具有路由功能的交換機(jī)。

　　*標(biāo)簽交換路徑（LSP）：點(diǎn)到點(diǎn)的路徑是根據(jù)被分配的所有標(biāo)簽決定的。一個(gè)LSP可是動(dòng)態(tài)的也可以是靜態(tài)的，動(dòng)態(tài)LSP是通過路由信息自動(dòng)生成，靜態(tài)LSP是被明確提供的。

　　*標(biāo)簽分發(fā)協(xié)議（LDP）：在LSR中進(jìn)行標(biāo)簽的交流及信息的傳遞，它在邊緣及核心設(shè)備分發(fā)標(biāo)簽，基于路由協(xié)議OSPF、IS-IS、RIP、EIGRP或BGP，建立標(biāo)簽交換路徑。

　　1 一個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行LER時(shí)，它會(huì)被處理，決定需要哪種第三層的業(yè)務(wù)，例如QoS和帶寬管理。基于路由和策略的需求，LER有選擇地放入一個(gè)標(biāo)簽到數(shù)據(jù)包頭中，然后轉(zhuǎn)發(fā)。MPLS標(biāo)簽類似于中心設(shè)備中預(yù)先計(jì)算好的交換表，并含有第三層信息，允許每個(gè)交換機(jī)自動(dòng)將每個(gè)數(shù)據(jù)包賦下正確的IP服務(wù)。

　　2 位于網(wǎng)絡(luò)核心的LSR讀每數(shù)據(jù)包的標(biāo)簽，并根據(jù)交換表替換一個(gè)新的，這個(gè)動(dòng)作將會(huì)在所有中心設(shè)備中重復(fù)。網(wǎng)絡(luò)可自動(dòng)生成路由表，因?yàn)槁酚善骰駻TM交換機(jī)可參與內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（如OSPF/ISIS）信息交換。LDP使用路由表中的信息去建立相鄰設(shè)備的標(biāo)簽值，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建了LSP，領(lǐng)先設(shè)置了與最終目的地之間的對應(yīng)關(guān)系，不象ATM永久虛電路，需要人工設(shè)置VPI/VCI，MPLS的標(biāo)簽是自動(dòng)分配的。

　　3 在出口邊緣的LER，除去標(biāo)簽，讀數(shù)據(jù)包頭，將其轉(zhuǎn)發(fā)到最終目的地。

　　對于新加的IP商業(yè)服務(wù)，MPLS最顯著的益處在于能夠分配標(biāo)簽，這有非常特殊的意義，不同的標(biāo)簽可以區(qū)分路由信息，應(yīng)用類型和業(yè)務(wù)級(jí)別。MPLS減少了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分析IP包頭的時(shí)間，因?yàn)樗褂昧藰?biāo)簽交換的機(jī)制，標(biāo)簽只受本地局限，因此，用盡標(biāo)簽的可能性幾乎沒有，這種特性是實(shí)施IP增值服務(wù)的基礎(chǔ)，如QoS、VPN流量工程。其次，MPLS能夠在IP層上實(shí)現(xiàn)對第二層協(xié)議的路由管理和各種配置的一體化的管理。另外，由于即使目的地址相同，MPLS網(wǎng)絡(luò)也能根據(jù)其不同的輸入端口改變路由，因此能夠保證可靠性和控制通信質(zhì)量。

　　四、結(jié)束語

　　事實(shí)上，所有的IP交換解決方案，包括MPLS，都是簡單的將IP業(yè)務(wù)流映射到ATM虛連接上，這些解決方案，將IP路由和ATM交換技術(shù)緊密結(jié)合，即實(shí)現(xiàn)了路由器的智能，又利用了ATM交換機(jī)的高效硬件交換。ATM和IP技術(shù)各自具有優(yōu)勢，ATM是多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，它可提供安全性，不同用戶的QOS以及優(yōu)越的流量管理機(jī)制；IP是一個(gè)傳統(tǒng)的面向非連接的技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)具有很好的擴(kuò)展性并且獨(dú)立于任何介質(zhì)，ATM與IP的完美結(jié)合可以比任一項(xiàng)單獨(dú)技術(shù)更優(yōu)越。

摘自《郵電商情》

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