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網絡的飛速發展使網絡阻塞問題日益嚴重,ATM提供了高效硬件交換,但Internet上更多的IP業務使人們把目光投向IP智能路由和ATM交換技術的緊密結合,本文闡述了IP交換技術的基本概念、交換類型,并重點講述了多協議標簽交換(MPLS)的工作原理。
  一、網絡需要交換
  80年代初,LAN被廣泛應用于企業網和校園網,隨著用戶的劇增和信息量的驟長,網絡管理員就開始面臨網絡阻塞的問題。怎樣減少網絡堵塞、優化網絡結構且擴大網絡吞吐量,網絡分段是當時的第一選擇。利用網橋連接各段形成一個網絡,同時,隔離各段信息傳輸,提高網絡性能。80年代中期,互聯網絡成為應用焦點,利用路由器通過WAN連接不同類型的局域網。路由器的過渡和防火墻功能使控制廣播域變得更容易,從而達到抑制廣播風暴和增強安全性的目的。路由器能夠智能地確定最佳傳輸路徑,并支持冗余連接,提高網絡性能和可靠性,但是路由器的端口價格及延遲是較嚴重的問題。
  隨著客戶機/服務器分布式數據處理的不斷應用,傳統網絡瓶頸問題日益嚴重。網絡堵塞造成不確定的響應時間,高故障率,影響業務的正常運行。
  LAN交換機的低成本,易用性使其成為當今解決網絡工作組瓶頸的主要途徑。LAN交換機劃分網段,使每段具有專網帶寬。交換機僅根據幀MAC地址進行轉發,因此它延時小,僅是高速路由器的1/10。簡單、低價、高效的以太網交換機每個端口提供了專用10Mbps帶寬,為向快速以太網、千兆以太網、FDDI、ATM等高速網絡過渡鋪平了道路。
  LAN交換提供了新的帶寬,擴展了網絡的功能,隨之也帶來了一些新的問題。它與傳統網橋一樣易出現廣播風暴及安全性問題。雖然交換網僅是等待出現廣播風暴,利用VLAN可以避免,但是VLAN的實現需路由器,因此,快速路由器技術在交換領域內引起了廣泛的興趣。首先是Ipsilon公司提IP交換(IP Switching),將一個IP路由處理器捆綁在一個ATM交換機上,去除交換機所有的ATM論壇信令和路由協議,這樣的一個結構我們可稱之為IP交換機了。緊隨其后,Cisco公司發布標簽交換(tab switching)、IBM公司提出聚合的基于路由的IP交換ARIS)、3COM發布FastIP,所有這些以及其它一些利用2層交換來提高IP選路性能的技術和解決方案,被統稱IP交換。
  二、IP交換技術
  1 基本概念
  所胃IP交換,就是利用第二層交換作為傳送IP分組通過一個網絡的主要轉發機制的一組協議和機制。IP交換利用交換的高帶寬和低延遲優勢盡可能快地傳送一個分組通過網絡;旧险f,IP交換技術是利用IP的智能化路由選擇功能來控制ATM的交換過程,即根據通訊流的特性來決定是進行路由選擇還是進行交換。所以識別數據的特征是IP交換技術的基本功能。準確地說,一個數據流就是一個從特定源機到特定目標機發送的IP數據包序列,它們使用相同的協議類型(如UDPTCP)、服務類型和其它一些特性。用戶可以自己定義IP交換機如何判斷收到多少這樣的數據包才算是一個數據流。
  2 IP交換類型
  建立一條直通路徑的標準和置于直通路徑上的業務流的分類標準依賴于IP交換解決方案和協議的類型,一般而言,有兩種IP交換解決方案:流驅動和拓撲驅動。
 。1)流驅動的解決方案
  該方案在一個特定IP流上操作,此IP流定義為具有相同源IP地址、目的IP地址和端口號的一個分組序列。流的前幾個分組被路由通過網絡,然后IP交換機基于IP流的特性(如業務流類別、端口號、源/目的IP地址、到達速率等)觸發一個重定過程的啟動,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。
  流驅動的IP交換的基本功能特性是:
  *特定IP流的出現可以觸發一條直通路徑的建立,流被定義為應用到應用或主機到主機的業務流。一個流由共享公共IP分組頭信息,如源和目的IP地址及TCPUDP端口號的一個分組序列所標志。
  *放置于一條直通路徑上的每個流的重定向過程獨立完成。重定向過程的范圍可以限于一對鄰接IP交換機,或者是網絡入口到出口間端到端的。
  *IP交換系統中實現的直通路徑決定于和策略,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,即如果不刷新,將會超時。
  *流驅動的解決方案帶來的問題是一些額外開銷,包括在每個流的基礎上,由網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將要被交換的流分配連接資源(如標簽、緩沖區)。
  流驅動的IP交換在可能有大量單獨IP流的一個大網的核心也許不會很好的運作。離開核心部分,源端和目的端共享相同位置的概率更高,特別是位于一個校園或企業內部網的單個主機對可以有一個或多個應用從交換中受益。
 。2)拓撲驅動的解決方案
  拓撲驅動的IP交換基于運行一個IP交換機里的IP路由實體中的路由協議(如OSPF、BGP)所維護的IP網絡拓撲結構。與反映一個目的網絡的目的IP前綴相關的新標簽(VPI/VCI)被產生和分發至路由區域的其他IP交換機。所有指定到一個特定目的網絡的業務流遵循一條基于些新VPI/VCI標簽的交換路徑。
  拓撲驅動的IP交換的基本功能特性是:
  *直通路徑基于目的網絡的存在而建立,用僅在拓撲結構發生變化后才重建。
  *所有通向一個目的地的業務流均被交換。
  *入口IP交換機接收一個新的每一目的(per-destination)標簽(VPI/VCI)。執行常規的IP轉發,但不是將分組定向到下一跳IP地址,而是由入口IP交換機添加新標簽并將分組置于一條直通路徑上。
  *在每個中間交換組件上,分組(或信元)被交換標簽。
  *出口IP交換機從交換路徑上接收分組,去掉標簽,接著使用常規第三層過程轉發分組。
  *如果一條直通路徑突然消失,分組可以被路由至目的地。
  *拓撲驅動的直通路以路徑保持其連接直到拓撲結構發生變化。
  與流驅動方法相比,拓撲驅動提供了一些在性能和可擴展性方面的增強,當然也帶來一定的花費。拓撲驅動的IP交換,不論業務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務流(如路由協議更新)而不是數據業務流的結果,交換機資源被消耗。
  這些IP交換方案:有的基于硬件的ATM交換技術為端到端的主機和應用業務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議來提高業務流的吞吐量,都是采用一個簡單的標簽交換方式,并意識到將選路和交換綜合起來的巨大優勢。在此基礎上,IETF成立了多協議標簽交換(MPLS)工作組,其主要目標就是開發一個綜合的選路和交換標準。
  三、多協議標簽交換(MPLS
  MPLS網絡采用標準發組處理方式對第三層的分組進行轉發,采用標簽交換對第二層分組進行交換。每個MPLS設備運行一個單一的IP路由協議,交換路由表更新信息并維護一個拓撲結構和一個地址空間。標簽表示路徑和業務的屬性,在入口的邊緣、流入的數據包被處理加上標簽,位于核心的設備僅僅讀這些標簽,賦于適當的業務,然后根據標簽轉發這些數據包,對這些數據包的分析、分類和過濾只發生一次,是在進入邊緣設備時,經過出口的邊緣設備時,標簽被移去,數據包轉發到最終目的地。
  以下是一些MPLS的術語
  *標簽交換路由器(LSR):核心設備,根據已計算好的交換表,交換被加上標簽的數據包,這個設備可為交換機或路由器。
  *標簽邊緣路由器(LER):邊緣設備進行數據包初始的處理分類,加上第一個標簽,這個設備可以是一臺路由器,一臺具有路由功能的交換機。
  *標簽交換路徑(LSP):點到點的路徑是根據被分配的所有標簽決定的。一個LSP可是動態的也可以是靜態的,動態LSP是通過路由信息自動生成,靜態LSP是被明確提供的。
  *標簽分發協議(LDP):在LSR中進行標簽的交流及信息的傳遞,它在邊緣及核心設備分發標簽,基于路由協議OSPF、IS-IS、RIP、EIGRPBGP,建立標簽交換路徑。
  1 一個數據包進行LER時,它會被處理,決定需要哪種第三層的業務,例如QoS和帶寬管理;诼酚珊筒呗缘男枨,LER有選擇地放入一個標簽到數據包頭中,然后轉發。MPLS標簽類似于中心設備中預先計算好的交換表,并含有第三層信息,允許每個交換機自動將每個數據包賦下正確的IP服務。
  2 位于網絡核心的LSR讀每數據包的標簽,并根據交換表替換一個新的,這個動作將會在所有中心設備中重復。網絡可自動生成路由表,因為路由器或ATM交換機可參與內部網關協議(如OSPF/ISIS)信息交換。LDP使用路由表中的信息去建立相鄰設備的標簽值,這個標準創建了LSP,領先設置了與最終目的地之間的對應關系,不象ATM永久虛電路,需要人工設置VPI/VCI,MPLS的標簽是自動分配的。
  3 在出口邊緣的LER,除去標簽,讀數據包頭,將其轉發到最終目的地。
  對于新加的IP商業服務,MPLS最顯著的益處在于能夠分配標簽,這有非常特殊的意義,不同的標簽可以區分路由信息,應用類型和業務級別。MPLS減少了數據轉發分析IP包頭的時間,因為它使用了標簽交換的機制,標簽只受本地局限,因此,用盡標簽的可能性幾乎沒有,這種特性是實施IP增值服務的基礎,如QoS、VPN流量工程。其次,MPLS能夠在IP層上實現對第二層協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網絡也能根據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量。
  四、結束語
  事實上,所有的IP交換解決方案,包括MPLS,都是簡單的將IP業務流映射到ATM虛連接上,這些解決方案,將IP路由和ATM交換技術緊密結合,即實現了路由器的智能,又利用了ATM交換機的高效硬件交換。ATMIP技術各自具有優勢,ATM是多業務網絡的基礎,它可提供安全性,不同用戶的QOS以及優越的流量管理機制;IP是一個傳統的面向非連接的技術,網絡具有很好的擴展性并且獨立于任何介質,ATMIP的完美結合可以比任一項單獨技術更優越。

 

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