面向IP的交换技术

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1、7 3 传统路由器的工作原理 7 3 1路由器的功能和硬件结构 路由器主要完成两个功能 寻找去往目的网络的最佳路径 由路由协议完成 转发分组 即对每一个经过路由器的分组都需要经过一系列 操作 包括转发决策 交换分组 输出链路的调度等 1 路由器的功能结构 1 端口 端口包括输入端口和输出端口 是物理链路和分组的出 入口 图7 7 端口的内部结构 端口具有如下功能 1 进行数据链路层的封装和解封装 2 路由查找 可以使用一般的硬件来实现 或者通过在每 块线卡上嵌入一个微处理器来完成 3 为了提供QoS 服务质量 端口要对收到的分组分成几个 预定义的服务级别 4 运行相关的数链层协议和其他协议 如

2、SLIP PPP PPTP等 5 参与对公共资源的仲裁 在路由器中 多个端口和其它一些电路合起来形成线卡 一块线卡一般支持4 8或16个端口 2 交换网络结构 交换网络结构在多个端口之间提供分组转发的通路 它 的物理结构主要有三种 共享总线 共享内存和空分交换开 关 3 路由处理器 路由处理器运行系统软件和各种路由协议 计算 维护 和更新路由表 它的部分功能既可以用软件实现 也可以用 硬件实现 2 路由器的交换结构 1 共享总线 图7 9 单总线单处理器结构 1 单总线单处理器结构 最初的路由器采用了传统计算机体系结构 包括共享中央 总线 中央CPU 内存及挂在共享总线上的多个网络物理端口 2

3、 单总线对称式多处理器结构 第二代路由器开始采用了简单的并行处理技术 即做到在 每个接口处都有一个独立的CPU 专门负责接收和发送本接口 的数据包 管理接收 发送队列 查询路由表 做出最终转发 决定等 主控CPU仅完成路由器配置管理等非实时功能 图7 10 单总线多处理器结构 3 多总线多CPU结构 第三代路由器至少包括第二代以上总线和第二代以上的 CPU 这种路由器的结构非常复杂 性能和功能也非常强大 典型之作Cisco7000系列 在Cisco7000中共有3类CPU和3条总 线 分别是接口CPU 交换控制CPU 路由CPU及控制总线 CxBUS 数据总线 DxBUS 系统总线 SxBUS

4、 多总线多CPU路由器结构 共享总线有一个共同的特征 共享总线在某一时刻只允许 一个端口发送数据 影响了吞吐量 总线带宽成为瓶颈 2 共享存储器 在共享存储器结构的路由器中 使用了大量的高速RAM 来存储输入数据 并可实现向输出端的转发 在这种体系结构 中 由于数据首先从输入端口存入共享存储器 再从共享存储 器传输到输出端口 因此它的交换带宽主要由存储器的带宽决 定 图7 12 共享存储器交换结构 3 空分交换开关结构 在空分交换开关结构路由器中 分组直接从输入端经过空分交 换开关流向输出端 空分交换开关结构具有高速特点的原因有二 一是从线卡到交换结构的连接是点对点的连接 具有很高的 速率 二

5、是能够多个通道同时进行数据交互 多个点的开关同时闭 合就能在多对端口之间同时进行数据传输 就目前来看 这种方案是高速新路由器的最佳方案 7 3 2 路由器的工作原理 2 路由表的查找原则 最长匹配查找是在路由表中查找与分组的目标地址具有最长匹 配位数的网络地址 用于CIDR 精确匹配在路由表中对于给定的分组目的地址按照固定的子网 掩码进行匹配 匹配的网络地址只有一个 用于分类编址 图7 15 路由器互连网络 表7 3 路由器A中的路由表举例 PCA到PCB 分组到达路由器A的端口1 提取目的IP地址 使用最长匹配原则查找路由表 得出目的网络应连接到端口2 将IP分组进行链路层封装 并从端口2转

6、发出去 PCA到PCC 分组到达路由器A的端口1 提取目的IP地址 查找路由表 有两条路由可选择 最小的路由作为最佳路由 将IP分组进行链路层封装 并从端口3转发出去 在路由器中采用缓存技术来提高路由查找速度 有以下 两种方法 路由缓存和转发引擎 n1 路由缓存 将路由器中央CPU的部分功能转移到接口卡上 每个接口卡有自己独立的CPU和存储器 接口卡将存 储自己最近一段时间用到的路由信息而不是整个路由 表 当数据包进入接口卡 首先在路由缓存中查找目 的IP路由信息 如果查到 则直接转发到输出端口上 如果在路由缓存中查找不到 则将目的IP分组头发 往中央路由表 并将反馈的结果在路由缓存中更新 后

7、续IP分组在接口卡上直接转发 2 转发引擎 将每个接口卡上的转发功能分离出来 形成专 门的转发引擎 Forwarding Engine 将多个转发引擎 并行连接到总线上 可以获得很高的吞吐量 图7 14 转发引擎的工作过程示例 工作过程 1 IP分组到达入端口后 提取出分组头 加上一个标签 含入端口号 2 含有标签的分组头经过交换结构分配到转发引擎FIFO 队列 该队列为所有转发引擎共享 3 转发引擎进行检错 检错无误后 进行路由查找 然 后产生一个新的标签 它包含与下一跳路由器相连端口的地址 信息 含出端口号 4 将变换后的分组头通过交换网络转发回原来的端口 标 签起的作用 5 IP分组被直

8、接转发到连接下一条路由器的输出端口 传统路由器面临的问题 n逐分组的路由转发 n路由表查找负担 影响转发速率和吞吐量 解决思路 n第一种是提高路由器处理及转发分组的 速度 即单节点解决方案 比如采用硬 件专用电路ASIC Application Specific Integrated Circuit 提高路由识别 路由 查找 路由计算和路由转发的速度 n第二种是提高分组在整个互联网的传递 速度 即全网的解决方案 IP与ATM结合的技术 一 产生背景 nIP成为互联网既成事实的标准 n传统IP具有局限性 实时性 带宽 QOS等 nATM的高速交换能力及可靠的QoS 思路 IP实现多业务汇聚和数据

9、封装 ATM负责提供端到端的QoS IP 与ATM结合的技术 IP over ATM n重叠模型 LANE IPOA MPOA 重叠模型特点 nIP运行于ATM层之上 n使用标准ATM信令建立端到端的VC连接 nATM层与IP层地址 路由机制分离 n需要ATM与IP的地址解析和协议映射 重叠模型协议栈 IPOA与NHRP 下一跳解析协议 端系统需要两 种地址 逻辑IP子网内 部直接建立端 到端ATM连接 需使用ARP 逻辑IP子网之 间必须经过路 由器找到IP下 一跳 也可使用 NHRP服务器 解析下一跳的 ATM地址 NHS之间使用 OSPF 重叠模型的优点是与标准的ATM网络及业务兼容 缺

10、点是IP的传输效率低 地址解析服务器太易成为网络瓶 颈 不能充分发挥ATM在QoS方面的优势 因而不适宜用来构 造大型骨干网 集成模型 IP交换 标记交换 MPLS 集成模型特点 nATM交换机直接运行IP路由协议 作为IP 的对等层设备 nATM网络使用IP地址 无需地址到解析 n不再使用ATM信令建立端到端的VC 集成模型的优点 综合了第三层路由的灵活性和第二层交 换的高效性 IP分组的传输效率高 可以充分发挥ATM面向连 接的全部优点 缺点 协议较为复杂 与标准ATM技术不兼容 目前 IP over ATM的主流是采用集成模型 它适合于组建大型 IP骨干网 7 4 2 IP与ATM结合的

11、驱动方式 IP与ATM结合的驱动方式有两种 数据流驱动和拓扑驱动 所谓驱动方式 就是何时以何种方式来建立虚连接 数据流驱动就是在数据流到来时 临时判定流的性质 如 有必要就建立ATM的虚连接来传送这一数据流 为此 要选定 VC 并将流的标识与VCI相关联 存在建立时延 分组失序等 连接需周期刷新 拓扑驱动就是将用控制协议预先生成和保持的IP路由映射 到ATM的虚连接VC 没有建立时延 不会产生失序 也不需要 周期刷新 7 5 多协议标记交换技术 MPLS MPLS的设计目标是针对目前网络面临的 速度 可伸缩性 scalability QoS管理 流量 工程等问题而设计的一个通用的解决方案 其

12、主要的设计目标和技术路线如下 1 提供一种通用的标记封装方法 使得 它可以支持各种网络层协议 主要是IP协议 同时又能够在现存的各种分组网络上实现 2 在骨干网上采用定长标记交换取代传统的路由转发 以解 决目前Internet的路由器瓶颈问题 并采用多层交换技术保持 与传统路由技术的兼容性 3 在骨干网中引入QoS以及流量工程等技术 以解决目前 Internet服务质量无法保证的问题 使得IP技术可以真正成为可 靠的面向运营的综合业务服务网 MPLS网络结构 组成MPLS网络的设备分为两类 位于网络核心的LSR和位于网络边缘的LER 构成MPLS网络的其它核心成分包括标记封装结构以及相 关的信

13、令协议 如IP路由协议和标记分配协议等 通过上述核 心技术 MPLS将面向连接的网络服务引入到了IP骨干网中 MPLS属于多层交换技术 它主要由两部分组成 控制面和 数据面 其主要特点是 1 控制面 负责交换第三层的路由信息和分配标记 它的 主要内容包括 采用标准的IP路由协议 例如OSPF IS IS Intermedia System to Intermedia System 和BGP等交换路由信 息 创建和维护路由表FIB Forwarding Information Base 采用 新定义的LDP协议 或已有的BGP RSVP等交换 创建并维护 标记转发表LIB Label Infor

14、mation Base 和LSP 在MPLS中 不 再使用ATM的控制信令 采用拓扑驱动建立LSP 2 数据面 负责基于LIB进行分组转发 其主要特点是采 纳ATM的固定长标记交换技术进行分组转发 从而极大地简化 了核心网络分组转发的处理过程 提高了传输效率 LER数据 面还需具备传统的IP转发模块 1 转发等价类 FEC FEC代表了有相同服务需求的分组 的子集 对于子集中所有的分组 路由器采用同样的处理方式 转发 在MPLS中 当分组进入网络时 为一个分组指定一个特定 的FEC只在MPLS网的入口做一次 FEC一般根据给定的分组集 合的业务需求或是简单的地址前缀来确定 每一个LSR都要创

15、建一张表来说明分组如何进行转发 该表被称为标记信息库 LIB Label Information Base 表中包含了FEC到标记间的绑定关 系 MPLS的一些基本概念 FEC的分类操作 2 标记 标记是一个短小 定长且只有局部意义的连接标识 符 它对应于一个转发等价类FEC Forwarding Equivalence Class 对应一个FEC可能有多个标记 但是一个标记只能表示一个FEC Shim字段 薄片 n标记 20bit 可以分配1048576个标记 其 中0 15作为特殊用途 n服务等级CoS 3bit 可以表示8个级别的服 务质量保证 n标记堆栈指示S 1bit 用在多个标记字

16、段中 S 1表示该标记为栈底 S 0表示该标记非 栈底 只有一个标记时S 1 n生存时间TTL 8bit 与IP头中的TTL作用一 样 主要用作环路控制 限制数据分组在MPLS 域中的生存时间 每经LSR转发一次 TTL值减 一 当TTL 0时 丢弃此数据分组 图12 13 MPLS中的标记封装方式 MPLS核心网之所以基于标记而不是直接使用FEC进行交 换 主要的原因在于 1 FEC长度可变 甚至是一个策略描述 基于它难以实 现硬件高速交换 2 FEC是从网络层或更高层得到的 而MPLS的目标之一 是支持不同的网络层协议 直接使用FEC不利于实现一个独立 于网络层的核心交换网 3 FEC 标记策略也增强了MPLS作为一种骨干网技术在 路由和流量工程方面的灵活性和可伸缩性 3 标记边缘路由器 LER 它位于接入网和MPLS网的边 界的LSR中 入口LER 对IP分组进行FEC分类 加标记 决定相应的服务 级别 发起LSP的建立请求 在建立LSP后将业务流转发到 MPLS网上 出口LER 执行标记的删除 并将除去标记后的IP分组转发至 相应的目的地 通常LER都提供多个端口以连接不同的网