第8部分-多層次交換

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多層次交換1

1交換層次的多樣性網(wǎng)絡(luò)互連中間設(shè)備（按工作層次）物理層：轉(zhuǎn)發(fā)器或共享式集線器數(shù)據(jù)鏈路層：網(wǎng)橋（軟件轉(zhuǎn)發(fā)）和二層交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)層：路由器網(wǎng)絡(luò)層以上：網(wǎng)關(guān)各層次的互連設(shè)備可以用軟件或硬件方式實(shí)現(xiàn)。第N層互連設(shè)備若采用硬件實(shí)現(xiàn)，則稱為N層交換機(jī)。二層交換機(jī)、三層交換機(jī)、四層交換機(jī)2

2二層交換局域網(wǎng)的交換機(jī)根據(jù)MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)分組廣域網(wǎng)的幀中繼和ATM交換采用幀中繼/ATM連接標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)發(fā)分組3

3三層交換概念傳統(tǒng)路由器是在第三層進(jìn)行交換的這種交換僅僅是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)質(zhì)是使用軟件將分組從一個(gè)端口交換到另一個(gè)端口，且對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包都要進(jìn)行包頭處理、查找路由和轉(zhuǎn)發(fā)，因而轉(zhuǎn)發(fā)效率低三層交換=二層交換+第三層路由三層交換設(shè)備相當(dāng)于一個(gè)帶有第三層路由功能的第二層交換機(jī)僅僅在路由過程才進(jìn)行第三層處理，絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)通過第二層交換轉(zhuǎn)發(fā)，因此速度很快，接近二層交換的速度但價(jià)格又比相同功能的路由器的價(jià)格低很多4

4三層交換采用的技術(shù)逐包式交換技術(shù)（主要用于局域網(wǎng)，用于VLAN互連）在普通二層交換機(jī)中嵌入一個(gè)路由器模塊，以實(shí)現(xiàn)依據(jù)三層信息進(jìn)行分組的快速轉(zhuǎn)發(fā)采用專用集成電路ASIC芯片，按照IP地址與VLAN標(biāo)記之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由ASIC完成IP分組和VLAN標(biāo)記的更新或修改，將IP分組在三層交換機(jī)輸入/輸出端口之間直接轉(zhuǎn)發(fā)，速率可達(dá)到二層交換機(jī)的速度，克服了VLAN之間連接速率較慢的問題5

5逐包式交換過程收到一個(gè)幀后，并不由內(nèi)部路由模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)處理，而是僅由內(nèi)部路由模塊讀取其IP地址，并快速查找對(duì)應(yīng)的VLAN站點(diǎn)表，獲取對(duì)應(yīng)的輸出端口及MAC地址，然后將該幀直接從輸入端口轉(zhuǎn)發(fā)到輸出端口，并完成MAC地址和IP分組首部相關(guān)信息的修改。通信雙方并沒有通過路由器進(jìn)行“拆包”和“打包”的過程逐包式交換主要應(yīng)用于基于MAC幀的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，比如VLAN互連6

6基于流的第三層交換機(jī)的功能結(jié)構(gòu)7

7三層交換采用的技術(shù)流交換技術(shù)（主要用于廣域網(wǎng)，IP交換）流是指具有相同標(biāo)識(shí)（如源IP地址、源端口號(hào)和目的IP地址、目的端口號(hào)）和協(xié)議處理要求的一組彼此相關(guān)的分組8

8三層交換采用的技術(shù)流交換技術(shù)（主要用于廣域網(wǎng)，IP交換）三層交換路由器對(duì)于收到的第一個(gè)分組，按傳統(tǒng)路由器的工作方式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并分析IP分組首部，記錄收發(fā)IP地址、端口號(hào)、應(yīng)用層協(xié)議類型、服務(wù)質(zhì)量要求等信息，建立從發(fā)端到收端的轉(zhuǎn)發(fā)路徑分析后續(xù)IP分組與前面分組的關(guān)系，看是否屬于同一個(gè)流，同一個(gè)流的后續(xù)分組將按已經(jīng)建立的轉(zhuǎn)發(fā)路徑在第二層進(jìn)行交換（利用第三層IP包頭信息對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流進(jìn)行標(biāo)記，打通一條源IP到目的IP的第二層鏈路層通路）9

9流式IP交換技術(shù)Ipsilon公司提出的IP交換(IPSwitch)3Com公司的快速IPCisco提交給IETF的多協(xié)議標(biāo)記交換（MPLS）………………10

10MPLS基本原理MPLS是一種基于標(biāo)記(Label)的分組轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制標(biāo)記長(zhǎng)度短(4個(gè)字節(jié))且固定標(biāo)記不僅與IP目的網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)(與傳統(tǒng)IP轉(zhuǎn)發(fā)相同)，還可與其它的參數(shù)，例如QoS或者源地址等MPLS支持轉(zhuǎn)發(fā)除IP之外的其它協(xié)議11

11MPLS概念FEC：ForwardEquivalenceClass，轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)類IPa?5IPb?5IPc?15LER:LabelEdgeRouter，標(biāo)記邊緣路由器LER:LabelEdgeRouter，標(biāo)記邊緣路由器LSR:LabelSwitchingRouter，標(biāo)記交換路由器1535輸入端口輸入標(biāo)記輸出端口輸出標(biāo)記1523315223LFIB：LabelForwardingInformationBase標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)信息表LSP:LabelSwitchedPath,標(biāo)記交換路徑12

12MPLS交換過程只有邊緣標(biāo)記交換路由器(LER)執(zhí)行路由查找，給分組分配標(biāo)記其它標(biāo)記交換路由器(LSR)僅基于標(biāo)記來交換分組L=5L=310.1.1.110.1.1.1Routinglookupandlabelassignment10.1.0.0/16?L=5LabelswappingL=5?L=3LabelremovalandroutinglookupL=3入口LERLSR出口LER10.1.0.0/1613

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142、MPLS標(biāo)簽(SHIM頭標(biāo))15

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16LSR：轉(zhuǎn)發(fā)標(biāo)記分組，執(zhí)行標(biāo)記交換(LabelSwapping)LER（標(biāo)記邊緣路由器）：標(biāo)記IP分組，并且將其轉(zhuǎn)發(fā)到MPLS域，或者去除分組中的標(biāo)記，將其轉(zhuǎn)發(fā)到MPLS域外MPLSDomainLERLSR10.1.1.1L=3L=5L=43L=3120.1.1.110.1.1.120.1.1.13、標(biāo)記交換路由器LSR17

17標(biāo)記分發(fā)標(biāo)記具有局部意義標(biāo)記分發(fā)在相鄰節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行，一般是由下游LSR給上游LSR分配標(biāo)記和FEC的綁定關(guān)系分組轉(zhuǎn)發(fā)方向上游LSR下游LSRLabel<->FEC18

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20比較MPLS虛電路交換基于標(biāo)記的交換，標(biāo)記具有局部意義基于VCI的交換，VCI具有局部意義通過標(biāo)記分發(fā)協(xié)議來創(chuàng)建標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)信息表，本質(zhì)上是一種無連接的分組交換機(jī)制通過專門的連接建立過程來創(chuàng)建轉(zhuǎn)發(fā)分組所需的VC表，本質(zhì)上是一種面向連接的分組交換機(jī)制支持多個(gè)目的端相同的分組流的聚合(labelmerging)，使得它們共享一個(gè)標(biāo)記，分組在出口LER去除標(biāo)記后通過網(wǎng)絡(luò)層目的地址繼續(xù)向前轉(zhuǎn)發(fā)由于在目的端通過VCI來標(biāo)識(shí)分組，無法將多條具有不同端點(diǎn)的獨(dú)立路徑聚合到同一個(gè)VCI上MPLS頭標(biāo)中可能存在多個(gè)標(biāo)記，采用標(biāo)記棧的方式組織分組頭標(biāo)中只有一個(gè)VCI21

21四層交換第四層交換的簡(jiǎn)單的定義是：交換機(jī)不僅依據(jù)MAC地址和IP地址選擇路由，而且要依據(jù)第四層特定應(yīng)用的端口號(hào)來進(jìn)行，以增加網(wǎng)絡(luò)的靈活性，改善服務(wù)性能。在TCP/IP中，根據(jù)端口號(hào)可以確定一個(gè)端到端通信業(yè)務(wù)的類型，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類型，交換機(jī)可以為分組提供不同的服務(wù)質(zhì)量。22

22端口的分配在第4層中，TCP和UDP分組頭包含端口號(hào)，它們可以惟一區(qū)分每個(gè)分組屬于哪些應(yīng)用協(xié)議(例如HTTP、SMTP、FTP等)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)利用這種信息可以區(qū)分所收到的IP分組類型，并把它交給合適的高層軟件，或指導(dǎo)分組轉(zhuǎn)發(fā)和排隊(duì)。通常端口號(hào)和設(shè)備IP地址的組合稱作"套接字socket"。端口的分配遵循約定的規(guī)律，1和255之間的端口號(hào)被保留，它們稱為"熟知"端口。也就是說，在所有主機(jī)TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)中，這些端口的用途是相同的。除“熟知”端口外，標(biāo)準(zhǔn)UNIX服務(wù)分配在256～1024端口范圍。這樣，用戶應(yīng)用進(jìn)程一般在1024以上分配端口號(hào)。已分配端口號(hào)的最新清單可以在RFC1700上找到。TCP/UDP端口號(hào)提供的附加信息可以為網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)所利用，這是第四層交換的基礎(chǔ)。23

23工作過程第四層交換通常經(jīng)過以下三個(gè)步驟：(1)由IP分組的業(yè)務(wù)類型字段識(shí)別不同的應(yīng)用數(shù)據(jù)流。(2)為不同的應(yīng)用數(shù)據(jù)流提供優(yōu)先級(jí)排隊(duì)和調(diào)度。(3)為應(yīng)用數(shù)據(jù)流建立捷徑或快速轉(zhuǎn)發(fā)。采用第四層交換機(jī)制可以使網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵業(yè)務(wù)獲得有保證的服務(wù)質(zhì)量，有利于實(shí)現(xiàn)基于IP的QoS。24

24四層交換25

25MPLS網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)MPLS網(wǎng)絡(luò)由邊緣路由器和標(biāo)簽交換路由器組成，邊緣路由器完成業(yè)務(wù)流分類和相應(yīng)標(biāo)簽的映射，中間路由器完成業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)和鏈路段間的標(biāo)簽切換。26

26ATM通過手工建立傳輸通路（ATMVC），然后用戶間才能傳輸信息；通訊點(diǎn)間的關(guān)系固定27

27MPLS則通過協(xié)議動(dòng)態(tài)建立傳輸通路；通訊點(diǎn)間的關(guān)系是隨機(jī)的28