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第七章第三层交换交换的基本功能：线速转发业务流，将输入端口与输出端口对应起来。交换技术本地转发：根据分组中携带的信息确定输出端口（目的地址、源路由向量、连接标签等）；通路控制：为转发而建立和维护相关控制信息（地址学习、生成树、广播和发现、链路状态选路、显示信令）。路由的基本功能：路由处理，转发业务流。第三层交换：利用交换技术加速网络层（IP）分组转发的机制和协议。分类：报文到报文：每一个报文都经过第三层的路由处理；能够适应网络拓扑变化；只应用于基于帧的网络。流交换：第一个报文经过第三层路由，后续报文直接交换；路由处理开销小、可应用于帧和信元结构的网络；但对网络拓扑变化适应慢。与第三层交换技术有密切联系的相关技术：虚拟局域网VLAN、下一跳地址解析协议NHRP、资源预留RSVP、IP组播等。基本概念第七章第三层交换7.1报文到报文处理方法传统路由器功能齐全，但中转速度慢。改进策略——削减支持的协议（只对IP）；只完成路由和交换；使用ASIC实现更多的功能。路由式交换机功能有限，速度快。特性：限制处理的协议（IP、以太网）；仅支持个别路由协议（RIP、OSPF）；监听ARP，建立IP到MAC的映射表；用ASIC降低路由代价、提高路由性能为目标。业务流分类器业务流控制器队列管理器交换/路由/流管理管理控制策略内存管理RMON输入端口输出端口交换式路由器（现代Internet路由器）高效率线速路由与控制。特性：只针对IP；将尽可能多的功能构造到硬件（查表、匹配计算等）；报文不退回到慢速通道处理（即便是处理失败）；路由表足够大。难题与挑战：网络功能的增加和更新速度远大于硬件设计和更新速度。第七章第三层交换路由器结构：单机集中式总线结构单机分布式总线结构单机分布式交换结构多机互连集群结构CPUMemoryNICNICNICBUSMemoryCPUNICNICMemoryCPUNICNICMemoryCPUNICNIC单机集中式总线结构单机分布式总线结构单机分布式交换结构多机互连集群结构第七章第三层交换7.2流交换方法特点：路由一次、随后交换，在源和目的之间建立交换捷径或直通路径。端系统驱动的流交换不更改网络的交换设施，只增加端系统的软件。网络中心式的流交换网络中的骨干交换节点增加路由映射功能，协同操作，建立捷径。7.2.1驱动方式NHC：NHRP的客户端，向NHS登记和发起NHRP请求，保存NHS返回的IP地址到链路层地址的映射。NHS：NHRP的服务器，维护一个IP地址到链路层地址的映射表，响应NHRP请求。每个子网中至少有一个NHS。NBMA网络：X.25、FR、ATM。用途：当通信终端处于非广播域网络时，由源端来决定合适的下一跳IP地址和链路层地址地址，使得同一非广播多接入网络NBMA的端系统能够建立直通路径。NHC-ANHC-BIP子网1子网2子网3IP子网4NHS1NHS2NHS4路由器1路由器4NHS3第七章第三层交换7.2.2NHRP注册注册IP路由NHRP请求IP路由NHRP响应第七章第三层交换7.2.3Fast-IP7.2.4NetFlowA和B－MAC封装NHRP响应A和B－MAC封装NHRP响应NFFC：NetFlow特征卡，保存IP到MAC的映射表；RSM：IP路由转发模块；SE：交换引擎。RSMNFFCSE7.3多协议标记交换MPLS7.3.1标记交换的概念第七章第三层交换标记交换：在分组进入网络时，将其划分某个FEC，用该FEC的编码对分组“标记”；随后的各跳中，不再进行网络层报头解析，只根据“标记”查表、转发。IP网络中标记交换的特点是面向无连接业务。选择下一跳1)将以相同方式转发的分组划分为“转发等效类FEC”；2)将每个转发等效类映射到一个下一跳（输出端口）。MPLS的优点：•当网络拓扑变化时，与传统的IP路由方式比，MPLS能够提供更快和更可预测的保护能力和恢复能力，即MPLS保护。•支持流量工程（TrafficEngineering）、虚拟私有网VPNs、第二层传输服务、多层覆盖网络等应用。标记交换IPv6IPv4IPXAppleTalk……EthernetFDDIATMFRSDHADSL……第七章第三层交换7.3.2标记交换的功能组件转发部件：1）从分组中抽取标记；2）在转发信息库FIB中检索匹配的信息；3）根据对应数据记录的出口信息进行转发。控制部件：1）捆绑标记和转发等效类；2）发布捆绑信息给其他标记交换路由器；3）根据捆绑和发布结果以及路由协议构造FIB。FIB：入口标记出口标记地址前缀输出端口控制部件完成标记交换路径LSP的建立过程，类似于路由器的路由算法工作过程；而转发部件类似于路由器的选路转发工作过程。链路层PIC标签网络层PCI数据标记/标签：Label(20bits)Exp(3bits)S(1bit)TTL(8bits）第七章第三层交换转发等效类FEC的映射：MPLS在边缘路由器上完成分组到FEC的映射。映射过程既是对流的分类处理过程，也是划分业务流传输粒度的过程。标记栈/分层交换：标记分组可以承载多个标记，通过一个后进先出的栈组织起来。LSR总是遵循最顶层的标记优先处理的步骤。第七章第三层交换7.3.3标记交换路径LSP点到点交换路径：用于发布单播数据传输业务。多点到点交换路径：多个入口对应一个出口，适用于尽力而为的数据传输业务。点到多点交换路径：用于发布组播数据传输业务。多点到多点交换路径：用于基于共享树的组播数据传输业务。路由选择逐跳路由：与IP路由方式相同，每个LSR独立选路。显式路由：一个LSR在一条LSP中明确指明后续的全部或者部分LSR，需要在标记分配时由LSR指定。显式路由的主要用途：在策略路由、流量工程中优化流量分布等。第七章第三层交换显式标记交换路径LSP建立MPLS中显式路径的建立也就是标记分配的过程，也就是路由器内特定标签L与某个转发等效类F绑定，形成转发信息库FIB的过程。标记＝9；前缀＝128.80.0.0/16标记＝4；前缀＝128.80.0.0/16step3：入口＝x；出口＝4；前缀：128.80.0.0/16标记分配的方式下游自主分配：下游LSR根据自己的状态，进行L与F的绑定，并将绑定消息通知给上游的LSR。在LSR接入网络时，与其它LSR交互控制信息来触发捆绑的建立和释放。下游按需分配：下游LSR收到上游LSR的分配请求后，进行L与F的捆绑。当业务流到达时，才触发捆绑进程。捆绑更新快，占用标记较少，但对LSR的处理速度要求高。128.80.0.0/16step1：入口＝9；出口＝x；前缀：128.80.0.0/16step2：入口＝4；出口＝9；前缀：128.80.0.0/16转发信息库FIB条目生成方式独立控制：每个LSR独自确定对当前特定的FEC使用的标记号L。有序控制：LSR等待下游通知出口的标记号，串行建立FIB条目。标记分配驱动方式拓扑驱动：依靠路由协议控制信息流驱动标记分配，建立交换路径。请求控制驱动：由请求控制业务发起标记分配，如RSVP。业务流驱动：在业务流到达时，临时发起分配，建立交换路径。第七章第三层交换标记发布标记捆绑后可通过两种方法传递给相关的LSR。•由路由消息携带：可简化系统操作。•标记发布协议LDP：专用的标记发布协议LDP。标记发布协议LDP消息：1）发现消息，用于声明和维护标记交换MPLS网络中一个标记交换路由器LSR的存在；2）会话消息，用于建立、维护和终止标记发布协议LDP中对等实体间的会话；3）公布消息，用于生成、改变和删除转发等效类FEC与标记交换路径LSP的捆绑关系；4）通知消息，用于信息提示和错误通知。标记交换协议LDP的运行1）发现阶段：一是基本发现机制，通过UDP周期性地发送“Hello”通知邻节点建立对等关系；二是扩展发现机制，周期地发送特定IP地址的“Hello”包建立联系。2）会话建立阶段。首先，在两个LSR之间建立TCP连接；然后，交互LDP初始化信息来协商会话参数（版本号、标记发布方式、定时器值、标签范围等）。3）会话维持和删除。LSR为每个会话维持一个定时器，收到一个该会话的PDU则刷新定时器；否则，超时则认为传输中断或对等失效，关闭运输层连接，终止会话。标记保持模式（标记信息的保存方法）•保守保持模式：只记录下一跳LSR发布的标记信息。•自由保持模式：记录所有对等LSR发布的标记信息。交换环路控制•减轻环路影响：利用TTL将循环的分组在一定时间内丢弃。•检测环路：在路径变化时，沿新路经向目的地发送环路检测控制包。•防止环路：在标记发布的捆绑和请求消息中加入路径向量。第七章第三层交换7.3.4MPLS对区分服务的支持增加了区分服务的LSR要在原有标记基础上，引入区分服务路由器的功能，即根据区分服务信息确定PHB，进而决定分组优先级队列和丢弃概率。区分服务信息包括：服务分类和丢弃概率。利用在LSR上建立标记到服务类的映射表，服务分类可由分组标记得到。利用MPLS标记中的Exp来指定所对应的PHB，从而确定调度和丢弃策略。区分服务标记交换路由器的转发模式输入PHB确定；输出PHB确定；标记转发；区分服务编码封装。第七章第三层交换7.3.5MPLS应用于流量工程流量工程主要是指对运行网络的性能优化过程，其中的一项中心任务就是对带宽资源进行有效管理，即拥塞的最小化。对于资源不足导致的拥塞，通常有：速率控制、窗口控制、队列管理等技术；对于资源分配的不合理导致的拥塞，可以用流量工程来解决。基于最短路径算法的内部网关路由协议是造成网络中自治系统发生拥塞的主要原因，利用MPLS的显式路由来进行负载均衡是一种直接、有效的解决方法。约束路由路由计算中如果考虑比网络拓扑更多的因素，就可以找到轻负载（可能较长）的路径，使得网络流量分布得更均匀。•在线约束路由：可以随时为标记交换路径进行路由选择计算。•离线约束路由：在离线的服务周期为标记交换路径进行路由选择计算。增强链路状态的IGP为建立满足约束的标记交换路径，内部路由协议除了传递链路状态信息外，还必须传递链路属性（保留带宽、优先级、亲密度、适应性等）。基于MPLS的流量工程首先，设置每天链路的最大保留带宽；然后，设置每条LSP需要的带宽，约束路由能够自动避免在一条链路上分配太多的LSP。其次，在多路经的源和目的对之间配置多条LSP，设定负载比例来实现流量分流。目标：1）为每个接纳的QoS业务请求找到满足要求的可行路径。2）优化资源利用率，平衡网络负载，将网络QoS接纳能力最大化。QoS路由是指：根据网络上可利用的资源和流（Flow）的QoS需求决定流的传输路径的机制。其研究内容：一是不断更新信息；二是利用信息选择合适的可行路径。第八章QoS路由和多径路由8.1QoS路由8.1.1网络模型与QoS度量有权图模型有向图G=(V,E)中，令eᆮE具有一组(w1,w2,…,wk)属性，则称G为有权图，(w1,w2,…,wk)为e的权，属性=带宽、延时、费用等。QoS度量对图G中的路径P=(v1,v2,…,vs)，设ei,i+1的第j个属性为wji,i+1,整个路径P的第j个属性为wjp，有：•若，则属性j为可加性度量，如延时、抖动、跳数等。•若，则属性j为可乘性度量，如分组丢失率。•若，则属性j为最小性度量，如路径瓶颈带宽。111,sijiijpww111,sijiijpwwjiisijpww1,1,,2,1min不同类型的QoS度量，其计算代价也不同。多重最小性度量组合可以在多项式时间求解，而多重可加性度量组合通常不能在多项式时间求解。第八章QoS路由和多径路由8.1.2QoS路由面对的问题IETF提出的QoS路由结构也分为两层：域内QoS路由和域间QoS路由。状态信息：本地状态：节点和直接链路所具有的状态信息。全局状态：网络中各个节点本地状态的组合。聚集状态：层次结构中底层压缩聚集后的全局状态信息。交互状态信息交互可以按周期方式、触发方式、触发周期结合方式。路由方式与QoS计算源路由：对大型网络需维护的全局状态开