第11章计算机网络.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,人民邮电出版社,高等学校21世纪教材,计,算,机,网,络,教,程,第,11,章,结,束,语,第11章 因特网的演进,11.1,概述,多媒体信息不仅对传送时延一般都要求较短，而且对时延抖动(即时延的偏差)也有较严格的限制,。现在的,IP,协议并不能满足这一要求。多媒体信息容许(实际上是人的眼睛和耳朵容许),在传输过程中出现少量的差错,，这样就不必也不能使用,TCP,协议(否则因重传造成的时延会太大)。,退出,对如何改造现有因特网这一问题，目前有着多种不同的见解。,一种极端的意见认为，因特网主干网已大量使用光纤技术其带宽增长的速率非常快，平均每6至9个月就翻一番。这称为,吉尔德,(,Gilder),定律，比著名的,穆尔定律,(,Moores law),给出的速率还要快。,这种观点认为只要采用光纤技术，特别是密集波分复用,DWDM，,就可以极大地提高网络的带宽，因而不会发生网络的拥塞和分组的丢失，因此将来在因特网上传送多媒体信息是不成问题的。,另一种极端的看法认为必须从根本上改造因特网，使得在因特网上传送多媒体信息之前就要预留足够的带宽，即从主叫到被叫的整个路径上的每一段链路的带宽都要预留。,这就要求对网络进行多方面的改造，从根本上改造因特网需要付出的代价是很大的。,关于多媒体信息在因特网上传送的问题：1）多媒体信息的信息量往往很大,例如，要传送不压缩的彩色电视信号，则数据率超过了250,M bit/s,（2）,在传输多媒体信息时，对时延和时延抖动均有较高的要求,数据的实时性，分组是等时的(,isochronous,),但因特网本身是非等时的,11.2 因特网的多媒体体系结构,在因特网上进行多媒体通信，要一些新的协议,实时传输协议（,RTP）：,将经压缩的多媒体数据进行封装后在,UDP,上传送。,实时传输控制协议（,RTCP）：,服务质量的监视与反馈，媒体间的同步，多播组成员的标识,H.323：,局域网和企业网的多媒体通信标准。运行在无,QoS,保证的分组网络上。是一个协议族。包括系统和构件的描述，呼叫模型，呼叫信令过程，控制报文，复用，话音编解码器，视频编解码器等。,该协议非常复杂。,11.2.1 实时传输协议,RTP,RTP,为实时应用提供端到端的传输，但不提供任何服务质量的保证。需要发送的多媒体数据块经过压缩编码处理后，先送给,RTP,封装成为,RTP,分组，,RTP,分组再装入,UDP,用户数据报，然后再向下递交给,IP,层。,从应用开发者的角度看，,RTP,应当是应用层的一部分。在应用的发送端，必须编写用,RTP,封装分组的程序代码，然后将,RTP,分组交给,UDP,插口接口。,然而,RTP,的名称又隐含地表示它是一个传输层协议，这样划分也是可以的，因为,RTP,封装了多媒体应用的数据块，并且由于,RTP,向多媒体应用程序提供了服务（如时间戳和序号），因此也可以将,RTP,看成是在,UDP,之上的一个传输层的子层。,RTP,分组只包含,RTP,数据，而控制是由,RTCP,协议提供。,RTP,在102565535之间选择一个未使用的偶数,UDP,端口号，而在同一次会话中的,RTCP,则使用下一个奇数,UDP,端口号。端口号5004和5005则分别是,RTP,和,RTCP,的默认端口号。,在,RTP,分组的首部中，前12字节是必须的，而12字节后的是可选的。下面介绍各个字段：,（,1）载荷类型(,payload type)：7,比特，例如,律,PCM（0），GSM（3），A,律,PCM（8），G.722(9)，G.728(15);JPEG(26)，MPEG1(32)，MPEG2(33),等,（2）序号：16比特，,（3）时间戳：32比特，反映了,RTP,分组中的数据的第一个字节的采样时刻。在,RTP,协议中没有规定时间戳的粒度(,granularity)，,这取决于载荷类型。例如，对于8,kHz,采样的话音信号，若每隔20,ms,构成一个数据块，则一个数据块中包含160个样本(0.028000=160)。因此发送端每发送一个,RTP,分组，其时间戳的值就增加160。,（,4）同步源标识符：32比特，,SSRC(Synchronous,SouRCeidentifier),是一个数，用来标志,RTP,流(,stream),的来源。,SSRC,与,IP,地址无关。,（5）参与源标识符：选项，最多可有15个。,CSRC(Contributing,SouRCe,identifier),也是一个32比特的数，但它是用来标志来源于不同地点的,RTP,流。在多播环境中，可以用中间站将多个发往同一个地点的,RTP,流混合成一个流。在目的站再根据,CSRC,的数值将不同的,RTP,流分开。,（,6）参与源数：4比特,（7）版本：2比特 当前是2,（8）填充,P：1,比特，在某些特殊情况下需要对应用数据块加密，这往往要求每以各数据块有确定的长度。否则就要进行填充，将,P,置为1。在数据部分的最后一个字节用来表示所填充的字节数。,（9）扩展,X：1,比特，当,M=1,时，则表示在此,RTP,首部后面还有扩展首部。,（10）标记,M：1,比特，为“1时，表,RTP,分组有特殊意义。例如，在传送视频流时用来表示每一帧的开始。,11.2.2 实时传输控制协议,RTCP,RTCP,协议的主要功能是：,服务质量的监视与反馈、媒体间的同步，以及多播组中成员的 标识。,RTCP,有五种分组类型，它们使用同样的格式：,结束分组,BYE,表示关闭一个数据流。,特定应用分组,APP,使应用程序能够定义新的分组类型。,接收端报告分组,RR,用来使接收端周期性地向所有的点用多播方式进行报告。,发送,RR,分组有两个目的：,（1）可以使所有的接收端和发送端了解当前网络的状态；（2）可以使所有发送,RTCP,分组的站点自适应地调整自己发送,RTCP,分组的速率（通信量的5%）,发送端报告分组,SR,用来使发送端周期性地向所有接收端用多播方式进行报告。,源点描述分组,SDES,给出会话中参加者的描述，它包含参加者的规范名（电子邮件地址的字符串）。,11.2.3 实时流式协议,RTSP,RTSP,以,C/S,方式工作，是一个多媒体播放控制协议，用来使用户在播放从网上下载的实时数据时能够进行控制，如：暂停/继续，后退，前进等。,要实现控制还要有专门的媒体播放器和媒体服务器。,媒体播放器的主要功能：解压缩、消除时延抖动、纠正差错以及具有良好的用户界面。,媒体服务器支持流式音频和视频的传送。,RTSP,是一种带外协议，而多媒体流是使用,RTP,在带内传送的。可见,RTSP,信道有点像,FTP,的控制信道。,RTSP,的语法和操作与,HTTP,协议的相似。,RTSP,控制分组可以在,TCP/UDP,上传送。,11.3,IP,电话,11.3.1,IP,电话概述,IP,电话（,Internet Phone）,又称为,VoIP,(Voice over IP)：,由专门的设备或软件将呼叫方的话音信号采样并数字化，压缩，打包，经过,IP,网络传输到对方，对方的专门设备或软件接收到话音包后，解压，还原成模拟信号送给话机。,1桌面方式（,desktop）,PC,多媒体方式，在桌面电脑上安装,VoIP,软件和硬件，在因特网上实现端对端的实时通话。（双方的软件和硬件应一样）目前，这种方式的通话效果比较差，但只付市话费和上网费，打国际长途成本低。,2,VoIP,网关方式,它是传统电话与,IP,电话的接口设备，完成用户话音信号采样并数字化，压缩，打包及其逆变换。,有两种类型的,VoIP,网关,1）路由器+话音板：局域网端口（连接本地网），广域网端口（连接广域网另一端的路由器，话音端口（连接电话或程控交换设备）。,2）单独的,VoIP,网关：局域网端口连接集线器；话音端口连电话或程控交换设备。,比较而言，1）如果直接连广域网则不经本网时延会少一些，弱点是有单点故障和模数转换负荷较重，配置复杂。2）设备安装灵活，且无单点故障。,IP,电话网关的作用：,（1）在电话呼叫阶段和呼叫释放阶段进行电话信令的转换。,（2）在通话期间进行话音编码的转换。,现在,IP,电话有两套标准：,ITU-T,定义的,H.323,协议,IETF,提出的会话发起协议,SIP(Session Initiation Protocol),11.3.2,H.323,协议,名称“基于分组的多媒体通信系统”。基于分组的网络包括因特网、局域网、企业网、城域网和广域网。,H.323,协议是因特网的端系统之间进行实时声音和视像会议的标准。,H.323,协议标准指明了4种构件，使用这些构件连网就可以进行点对点或一点对多点的多媒体通信。,（,1）,H.323,终端：,PC,机，或运行,H.323,程序的单个设备,（,2）网关：网关连接到两种不同的网络，使得,H.323,网络可以和非,H.323,网络（如公用电话网）进行通信。,（3）网闸(,gatekeeper)：,相当于整个,H.323,网络的大脑。所有的呼叫都要通过网闸，因为网闸提供地址转换、授权、带宽管理和计费功能。,（,4）多点控制单元,MCU(Multipoint Control Unit)：,MCU,支持三个或更多的,H.323,终端的音频或视频会议。,MCU,管理会议资源、确定使用的音频或视频编解码器。,网关、网闸和,MCU,在逻辑上是分开的构件，但它们可实现在一个物理设备中。在,H.323,标准中将,H.323,终端、网关和,MCU,都称为,H.323,端点(,end point)。,H.323,的,组成：,（1）音频编解码器：要求至少要支持,G.711(64kbit/s,的,PCM)。,建议支持如,G.722,G.723.1,G.728,和,G.729,等。,（2）视频编解码器：要求必须支持视频压缩标准,H.261,（3）H.255.0,注册信令：注册/接纳/状态（,RAS）,（4）H.255.0,呼叫信令：用来在两个,H.323,端点之间建立连接,（5）,H.245,控制信令：用来交换端到端的控制报文,（6）,RTP,和,RTCP,11.3.3 会话发起协议,SIP,H.323,过于复杂(736页)，不便于发展基本于,IP,的新业务，,IETF,在1999年制定了,SIP（128,页）。只涉及到,IP,电话所需的信令和有关服务质量的问题。,SIP,使用文本方式的,C/S,协议。,SIP,系统只有两种构件：,用户代理：发起呼叫,网络服务器：代理服务器，重定向服务器,代理服务器接受来自主叫用户的呼叫请求转发给被叫。,重定向服务器通过响应告诉客户下一跳代理服务器的地址。,11.3.4,IP,电话的通话质量,决定通话质量的两个主要因素：端到端的时延；话音分组的丢失率。这两者是相互关联的。,正常通话的端到端时延不应超过250,ms（,一般是5070,ms）,但,IP,电话的时延通常超过该值。,提高话音质量的关键技术：,1）话音压缩技术：话音的编码方法对时延有影响，话音信号的数据率应尽可能低。,ITU-T,的标准有两个：,G.729：8kbit/s,的,CS-ACELP(,共轭结构代数码激励线性预测声码器)，其话音质量与32,kbit,/s,的,ADPCM,相同。,G.723.1：5.3/6.3kbit/s,的为多媒体通信用的低速率声码器,今天的技术已经做到：每天平均每条话音中继线的通信量仅占1,k-2kbit/s,为64,kbit,/s,广域网带宽的3%（一路传统的话音要占64,kbit,/s），,这就是为什么,IP,电话省费用的原因。,2）静噪抑制技术：指检测到通话过程中的安静时段，在这些时段停发话音包。（全双工话音中，只有36%40%是活动态）大量的网络带宽节省（用于其他话音或数据传输）。,3）回声消除技术：在处理器中有特殊的软件代码监听回声信号，并将它从听话人的话音信号中消除。（10,ms,以上的时延就有感觉）,4）话音抖动处理技术：抖动是指话音分组传输时延的长短变化。,超过200,ms,的时延，就应采用半双工的通话方式；严重时会造成分组被丢弃，在接收方设缓冲池（大小有一个优化问题），,IP,分组到达后缓存。,5）话音优先技术,话音通信实时性要求高，当,WAN,的带宽低于512,kbit,/s,时，将话音分组的优先级定为最高；采用资源预留协议（,RSVP）,为话音通信保证带宽。,6）话音分组分段技术,长话音分组在某些情况下会影响话音的质量，例如，,WAN,的速率为64,kbit,/s,时，话音分组的长度不得超过256字节；512,kbit,/s,时，话音分组的长度不得超过2048字节,7）前向纠错技术,分两级：,Intra-Packet;Extra-Packet,两级,前者是在同一分组内加冗余数据，以便接收方纠错；,后者是在每个话音分组中存放后续分组的冗余数据，以便接收方从已经接收到的分组中恢复出错和丢失的话音分组。,11.4 改进“尽最大努力交付”的服务,11.4.1 使因特网提供服务质量,服务质量是服务性能的总效果，此效果决定了一个用户对服务的满意程度。,服务质量可用一些基本的性能指标来描述，包括可用性、错误率、响应时间、吞吐量、分组丢失率、连接建立时间、故障检测和恢复时间等。,要传送多媒体信息，网络必须具有一定的服务质量。以例说明应从哪些方面入手使因特网有一定的服务质量。,设局域网上的两个主机,H1,和,H2,通过路由器,R1,和,R2,分别向远地的两个主机,H3,和,H4,发送数据。连接,R1,和,R2,的链路带宽是1.5,M bit/s。,现在考虑以下四种情况。,（1）一个1,M bit/s,的实时,音频数据和一个,FTP,文件数据,假定,H1,向,H3,传送实时音频数据，而,H2,向,H4,传送文件数据。发送的数据都在,R1,的输出队列中排队。若突然有一个很大的文件数据块来到,R1，,就会将输出队列占满。后面到达的实时音频分组会被丢弃，显然这是不合理的。,需要增加一种机制：给不同性质的分组打上不同的标记。使优先级高的可优先进入输出队列。,（,2）一个1,M bit/s,的实时音频数据和一个高优先级的,FTP,文件数据,仅根据分组自己的标记来确定其服务等级还不够合理。可见应当使路由器增加一种机制分类，即根据某些准则对输入分组进行分类，然后对不同类别的通信量给予不同的优先级。,（,3）一个数据率异常的实时音频数据和一个,FTP,文件数据,假定,H1,的数据率不正常地增大到1.5,M bit/s,或更,高，就会使,H2,的低优先级数据无法通过,R1。,因此，应当使路由器能够将某个数据流进行通信量的管制（,policing)，,使得这个数据流不要影响其他正常的数据流在网络中通过。,例如，可将,H1,的数据率限定为1,M bit/s。,为了合理地利用网络资源，应在路由器中再增加一种机制调度(,scheduling)。,用此功能给实时音频和文件传送分别分配1.0,M bit/s,和0.5,M bit/s,的带,宽。,（,4）,H1,和,H2都发送数据率为1,M bit/s,的实时音频数据,到达,R1,的总数据率是2,M bit/s，,已,超过了链路的带宽。若使两个主机平均共享带宽，则每个数据流将平均丢失25%的分组，因而变得没有必要用了。比较合理的做法是让一个数据流通过链路，而阻止另一个数据流的通过。这就需要另一种机制呼叫接纳(,call admission)。,一个数据流要预先声明它所需要的服务质量，然后或者被准许进入网络，或者被拒绝进入网络。,11.4.2 调度和管制机制,调度机制,“调度”就是排队的规则。,FIFO,的最大缺点就是不能区分时间敏感分组和一般数据分组，并且也不公平，因为这使得排在长分组后面的短分组要等很长的时间。,在,FIFO,的基础上增加按优先级排队，就能使优先级高的分组优先得到服务。,分组到达路由器后就由分类器对其进行优先级分类，然后按照类别进入相应的队列。调度器的作用是从队列中取走排在队首的分组，先高后低的原则。,简单地按优先级排队会带来一个问题，这就是在高优先级队列中总是有分组时，低优先级队列中的分组就长期得不到服务。,公平队列,FQ(Fair Queuing),是对每种类别的分组流设置一个队列，然后论流使每一个队列一次只能发送一个分组。但有不公平的地方：长分组得到的服务时间长，有没有区分分组的优先级。,加权,公平队列,WFQ(Weighted Fair Queuing)：,分组到达后就进行分类，送交到与其类别对应的队列。各个对列按顺序依次将对首的分组发送到链路。根据各类别的优先级的不同，每种队列分配到的服务时间也不同。,对每个队列,i,指派一个权重,w,i,，,于是队列得到的平均服务时间为,w,i,/(,w,j,)，,这里,w,j,是,对所有的非空队列的权重求和。若路由器的输出链路的数据率为,R，,则队列,i,将得到的有保证的数据率,R,i,为：,R,i,=R,w,i,/(,w,j,),管制机制,对一个数据流可根据以下三方面进行管制：,（1）平均速率：指在一定的时间间隔内通过的分组数。,时间间隔的选择说明了该指标的严格程度。例：每秒50个分组与每分3000个分组不是一回事。2）峰值速率：限制数据流在非常短的时间间隔内的流量。例：限定数据流的平均速率为每分钟3000个分组，但同时限定其峰值速率不超过每秒1000个分组。（受带宽的限制）,（,3）突发长度：网络限制在非常短的时间间隔内连续进入网络中的分组数。,通常对以上指标进行管制是使用漏桶管制器(,leaky bucket,policer,)。,它是一种抽象的机制。在漏桶中最多可装入,b,个令牌。只要楼桶中的令牌数小于,b,个，新的令牌就以每秒个,r,令牌的恒定速率加入到楼桶中。在任何时间间隔,t,内,准许进入网络的分组数：,rt,+b,控制令牌进入漏桶的速率,r,就可以对分组进入网络的速率进行管制。,漏桶机制与加权公平队列相结合,可以控制队列中的最大时延。现假定有个,n,分组流输入到一个路由器，复用后从一条链路输出。每一个分组流使用漏桶机制进行管制，参数为,b,i,和,r,i,，i=1，2，n。,当分组流通过漏桶后等待,WFQ,服务时，一个分组所经受的最大时延是多少？,对分组流：假定漏桶已经装满了,b,i,个令牌,因此,b,i,个分组可以马上从路由器输出。但分组流得到的带宽是由前一公式给出。最后一个分组所经受的最大时延：,d,max,=b,i,/,R,i,11.4.3 综合服务,IntServ,与资源预留协议,RSVP,IETF,提出的综合服务模型，可以对单个应用会话保证,QoS,。,主要特点：,1）资源预留：端点向路由器提出完成数据传输必须保留的网络资源（带宽，缓冲区）。,2）呼叫建立：在每个会话开始前，有一个呼叫接纳的过程，数据流要经过的每个路由器都参加。,IntServ,定义了两类服务：,（1）有保证的服务：排队时延有一个严格的上限；,（2）受控负载的服务：比“尽最大努力”更加可靠服务,综合服务（,IntServ,）,的组成：,（1）资源预留协议（,RSVP：,ReSource reserVation,Protocol）：,完成需要定义的呼叫接纳控制功能和资源预留。,（2）接纳控制（,Admission Control）:,确定在端系统和路由器中是否有足够的本地资源来支持请求预留的资源。,（3）分类程序（,Classifier）:,对进入路由器的分组进行分类,（4）调度程序（,Scheduler）:,按不同的数据流及预留的资源来决定分组的发送顺序。,综合服务（,IntServ,）,是基于流的，状态相关的体系结构。“流”（,flow）,是有相同的源,IP,地址，源端口号，目的,IP,地址，目的端口号和协议标识符的一系列分组。,IntServ,/RSVP,所,基于的概念是端系统中与分组流有关的状态信息。各路由器中的预留信息只存储有限的时间（这称为软状态），因而各终点对这些预留信息必须进行定期更新。,RSVP,协议不是传输层协议而是网络层的控制协议。,RSVP,不携带应用数据。,IntServ,体系结构分为前后台两个部分。,前台部分：两功能块（分类器与分组转发，调度器）,后台部分：四个功能块（路有选择协议，,RSVP,协议，接纳控制，管理代理）和两个数据库,存在的主要问题：,（1）预留的状态信息与流的个数成正比。路由器需要很大的存储空间和处理开销。,（2）体系结构复杂。对路由器的要求高：上述四个部分一个也不能少。,（3）综合服务所定义的服务质量等级太少，不够灵活。,11.4.4 区分服务,DiffServ,区分服务的基本概念,正是由于综合服务（,IntServ,）,上述缺点，,IETF,提出了区分服务（,DiffServ,）,模型来满足应用的可扩展性，健壮性和简单性。,区分服务（,DiffServ,）,的要点如下：,（,1）力图不改变网络的基础结构，但在路由器中增加区分服务（,DS）,的功能,（2）在网络边界（边沿路由器）对单流根据不同服务等级进行分类，管制（,policing,不符合等级的分组丢弃整形），整形（调整分组的时延），聚合为不同的流聚集。这种流聚集信息在每个分组的标志域称为,DS,代码点（,DSCP），,它反映了服务类型和每跳行为（,PHB）。,它实际上是一种相对优先级机制，根据,DSCP,的不同服务类型，安排传输顺序。,每跳行为,PHB,DiffServ,定义了在转发分组时体现服务水平的每跳行为,PHB(Per-Hop Behavior)。,所谓的“行为”,就是指在转发分组时路由器对分组是怎样处理的。“行为”的例子可以是，“首先转发这个分组”或“最后丢弃这个分组”。“每跳”是强调这里所说的行为只涉及到本路由器转发的这一跳的行为，而下一个路由器再怎样处理与本路由器的处理无关。,DiffServ,已经定义了两种,PHB，,即迅速转发,PHB,和确保转发,PHB。,迅速转发,PHB：,指明离开一个路由器的通信量的数据率必须等于或大于某一数值。可构造通过,DS,域的一个低丢弃率、低时延、低时延抖动、确保带宽的端到端服务。,确保转发,PHB：,通信量分为四个等级，对每各等级又分三个丢弃优先级。,工作流程：,边沿路由器：分类器整形器及管制器标记器队列调度器,核心路由器：,DS,字节分类器队列管理及调度器,复杂的工作是由边沿路由器去完成的。,DiffServ,与,IntServ,的比较：,1）状态信息的数量正比于服务类别的数目而不是正比于分组流的数目，可扩展性好。,2）复杂的操作（分类，管制，整形，聚合等）在边沿路由器，核心路由器进行是行为聚集分类，实现容易。,3）不使用,RSVP,信令,4）服务类别定义灵活，能适应新的服务类别。,11.5 多协议标记交换（,MPLS）,11.5.1 MPLS,的产生背景,面向连接的,ATM,技术在传送实时数据时能够保证服务质量，但,ATM,网络未能取代现有的电信网和计算机网络。基于,IP,的因特网与各种应用已经结合得很好。因此，,ATM,网络必须与,IO,网络相结合才有出路。,覆盖模型（,Overlay Model）:,把,ATM,看成数据链路层并在其上运行,IP,协议的方式.具体实现时有四种方案：,（1）局域网仿真（,LANE：LAN Emulation）,（2）ATM,上的传统,IP（CIPOA:Classical IP Over ATM）,（3）,下一跳解析协议(,NHRP：Next Hop Resolution Protocol),（4）ATM,上的多协议（,MPOA：,MultiProtocol,Over ATM）,边沿路由器同时有两种地址:,IP,地址和,ATM,地址20字节),优点:使用标准的,ATM,论坛/,ITU-T,的信令,与标准的,ATM,网络及业务兼容,对将来通信网向,B-ISDN,方向发展比较有利.,缺点:1)不能很好协调,IP,和,ATM,网络的巨大差异(,IP,是无连接,尽最大努力服务;,ATM,面向连接能保证,QOS);,2)存在所谓”,N,2”,问题:,网络有,N,个边沿路由器时需要,N(N-1)/2,条,PVC,消耗大量的网络资源;每个路由器内部有(,N-1),个路由对等实体,路由协议的计算量会呈指数形式增加;同时大量需要传送的路由信息将使路由器过载,大大降低了路由器的性能,3)传送,IP,数据报的效率较低(信元税:,cell tax),综合模型（,Integrated Model）,ATM,层看做是,IP,层的对等层，,ATM,端点（边沿路由器）只使用,IP,地址来标识，在,ATM,网络内使用现有的网络层协议（例如,IGRP，OSPF,等）来为,IP,数据报选择路由，在建立连接时也使用非标准的,ATM,信令协议。增加了交换机的复杂性，使,ATM,交换机看起来更像一个多协议的路由器。,11.5.2,MPLS,IETF,在1997年成立了,MPLS,工作组，旨在开发出一中将第三层的路由功能和与面向连接的第二层的交换功能综合在一起的新的协议标准，以便使,IP,和,ATM,结合得更好些。在综合了许多公司的技术，例如,Cisco,的标记交换（,TAG Switching），,Ipsion,的,IP,交换（,IP Switching）,等，从1997年底开始陆续发布了,MPLS,的草案。,1,MPLS,网络的构成,MPLS,网络：网络中的路由器都支持,MPLS,技术,标记交换路由器（,LSR：Label Switching Router）：,支持,MPLS,核心,LSR：,处理分组上的标记，并对分组进行快速转发,标记边沿路由器（,LER：Label Edge Router）：,对进入的分组进行快速分类，然后打上适当的标记。,2,MPLS,的基本概念,1）标记的含义,标记是用来简化用户数据传送的一个固定长度的数字。标记只具有本地意义，更确切地讲，标记只在两个相邻路由器之间有意义，但相邻路由器并不一定是要在物理连接，以虚连接相连的两个路由器也可称为相邻。,转发等价类（,FEC：Forwarding Equivalence Class）：,用来标识一组以相同方法转发的分组。同常一个,FEC,对应一个标记，但有时也会对应多个标记（在不支持合并的路由器处）。,MPLS,在边沿一次完成到,FEC,的映射。,映射的判据可以有多种量度：主机地址，,CIDR,前缀，,BGP,下一跳,这个,FEC,映射判据量度被称为业务流粒度。以下是几种粒度：,（,A）,单播,PQ：,相同源,IP,地址和目的,IP,地址，生命期，,IP,协议，,TCP/UDP,源和目的端口号,PQT：,上述，加上相同的,IP,头中的服务类型字段,HP（,主机对）：相同的源,IP,地址和目的,IP,地址,NP（,网络对）：相同的源和目的地址前缀（地址可变长）,DP（,目的网络）：相同的,IP,目的网络地址前缀（地址可变长）,（,B）,多播,SST（,特定源的树）：相同的源地址和多播组地址,2）标记交换路径（,LSP）,允许分组以标记交换的方式从一个,LSR,转发到另一个,LSR,的一条路径。与虚电路非常相似。,3）流，上游和下游,流（,Stream）：,沿着同一路径，属于同一,FEC,的一组分组。在不支持流合并的网络中，一个流将对应一个标记,上游Upstream）,和下游（,Downstream）：“,上游”和“下游”是根据“流（,Stream）”,的流向而定的。与电信中的双向通信的概念不同。,转发信息库（,FIB）：,用于存放下一跳的相关信息。每个输入标记对应一个信息条目，每个信息条目包含一个或多个子条目，每个子条目又由一个输出标记，一个输出端口，输出链路层信息及下一跳地址等组成。为了提高转发的效率，,FIB,的检索通常由硬件完成。,4）标记交换的封装,当标记交换的链路层是：,FDDI，,以太网，,PPP,必须加上额外的封装：,shim,格式,链路层头,shim,标记头 网络层头 网络层数据,shim,标记头：占32比特，其中标记占20比特，,COS（,服务等级）占4比特，生命期占8比特。,当标记交换的链路层是：幀中继,标记就是数据链路连接标识符（,DLCI）,当标记交换的链路层是：,ATM,网络,ATM,信元的封装不变，,MPLS,规定了3种对,ATM,信元头的编码：,ATM SVC,编码：标记是用,VPI,和,VCI,字段共同组成的一层标记；,ATM SVP,编码：标记是用,VPI,和,VCI,字段分别组成的二层标记,VPI,位于栈顶，,VCI,位于栈底,ATM SVP,多点编码：标记仍是用,VPI,和,VCI,字段分别组成的二层标记，但,VCI,只使用了原来的一部分字段，余下部分用来标识,LSP,的入口。,3,MPLS,的层次化结构,对于提高网络的可扩展性是非常重要的。,要实现,MPLS,的层次化结构，必须完成以下三项工作：,标记分配协议（,LDP）,必须能够分层传递标记（不只是在直接相连的,LSR,间传递，能透过其他,LSR,传递标记信息；,必须在分组中传递标记栈信息（分组同时携带多层标记信息）；,必须让,LSR,知道何时使用分层标记（必须配置路径的两个端结点，以便能完成“换层”的处理）。,第一项和第三项工作是由,LDP,完成的（后面介绍），第二项是在前面介绍的标记交换的封装已完成。,MPLS,的层次化结构技术只适合于以,MPLS,特定的硬件且采用通用,MPLS,封装的环境。在通用,MPLS,封装格式中，标记字段是由多个标记组成的标记栈，而不是,FR,的,DLCI，,或是,ATM,的,VPI/VCI。,每级标记对应一层的标记交换，这类似于,ATM,的,VP,级交换和,VC,级交换。可以说，从,FR,到,ATM,是由一级交换发展为二级交换，而从,ATM,到,MPLS，,则是从二级交换发展到多级交换。,MPLS,采用的是标记栈的方式，所谓栈和堆栈具有完全相同的特性：先进后出。若有一个分组要从,R1,到,R11，,因为两个结点间没有直达的物理连接，假定物理连接的结构如下页图所示，则在,R1,处需要压栈的标记有两级，,LSP1,的标记位于栈底。在,R2,只进行,LSP11,的标记交换，只有在,R5,和,R8,才进行,LSP1,的标记交换，而它们进行,LSP1,的标记交换之前需要先把,LSP11,和,LSP12,的标记弹出。,R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8,R9 R10,R11,X,X X X X X X,LSP11 LSP12 LSP13,LSP1,从栈操作的方式看，,MPLS,分层标记交换似乎与,ATM,很不相同。但如果我们想像,LSP1,是,ATM,的,VC,级连接，而,LSP11，LSP12，LSP13,是这条,VC,所借助的3条,VP,管道，两者的交换就完全相同了。,（本例中,LSP1,划分为几个,LSP,的原因：,LSP11，LSP12，LSP13,分属于不同域；它们分别支持不同的路由协议：每跳，显式路由）,4 交换路径的建立,1）交换路径的类型,MPLS,支持四种交换路径：点到点，多点到点；点到多点；多点到多点,两个因素决定使用哪种交换路径：交换机的能力；建立交换路径的目的。,点到点交换路径：连接入口结点和出口结点，可用于单播业务。连接数有,N,2,问题，可扩展性较差。,多点到点交换路径：将所有入口结点与一个出口结点相连，可扩展性较好。但存在路径合并，合并后的路径无法保证,QOS。,点到多点交换路径：用于发布多播数据，与多播协议建立的多播发布树相对应。,多点到多点交换路径：用来将多个源发出的多播业务流结合到一个多播发布树中。网络的可扩展性最好2）标记分配,建立交换路径有两个步骤：一是分配标记；二是发布标记,标记分配有三种方式：,LDP,只采用后两种方式,上游分配：上游结点为,FEC,分配一个出口标记，通知下游结点填入,FIB,入口标记项中。,下游分配：下游结点为,FEC,分配一个入口标记，通知上游结点填入,FIB,出口标记项中。,按需下游分配：先由上游结点提出分配标记请求，下游结点为,FEC,分配一个入口标记，通知上游结点填入,FIB,出口标记项中。,3）标记发布,使用,LDP，,会使路由的发布和标记的发布分离。,(,a),几个基本概念：,LDP,对等：两个用,LDP,相互交换标记到流的映出信息的,LSR,被认为存在,LDP,对等。,LDP,对等有两类：本地对等和远地对等。,本地对等：两个对等之间有直接的链路连接,远地对等：没有直接的链路连接。一种是显式对等（建立,LDP,连接）；另一种是隐式对等（没有,LDP,连接，透过低层的本地对等传递的）,LDP,会话：在,LDP,对等之间的交互被称为,LDP,会话。它是双向的，用一个,TCP,连接支持一个,LDP,会话。,标记空间：可使用的标记范围，相当于,ATM,中的,VPI/VCI,范围。,LDP,标识符：是一个用来标识,LSR,标记空间的长度为6字节的数。前4个字节是,LSR,的,IP,地址，后两个字节是该,LSR,中的标记空间。,(,b),标记发布过程：分为三个阶段发现阶段：,LDP,将发现机制分为两种，一是基本发现机制，用来发现本地的,LDP,对等；一是扩展的发现机制，用来发现远地的,LDP,对等。,基本发现机制：在,LDP,链路上周期地发送“,Hello”,分组来通知相邻结点本地对等关系。接收方会将此对等关系标识为链路可达。,扩展的发现机制：由,LSR,周期地发送特定,IP,地址的“,Hello”,分组。接收方会将此对等关系标识为网络可达,。,会话建立阶段：在两个,LSR,交互发现“,Hello”,分组后，就会启动会话建立阶段，它分为两个子阶段：建立传输层连接和初始会话。,建立传输层连接：在两个,LSR,之间建立,TCP,连接,初始会话：通过交互,LDP,初始化消息来协商会话的参数（,LDP,版本，标记发布的方法，定时器的值，标记的范围）,会话的维持和删除：一个,LSR,为每个会话保持一个“保持存活”定时器，当从该会话上接收到一个,LDP PDU,时，“保持存活”定时器会刷新。如果“保持存活”定时器回零，则认为该传输连接中断，该对等失效，并由此关闭传输连接，从而终止这个对等会话。,(,c),标记发布控制模式：分为独立的标记发布控制和有序的标记发布控制,独立的标记发布控制是指每个结点可在任何时候向其相邻结点发布标记映射信息。它可能会出现在一条,LSP,上的各个结点还未完成标记发布时，就开始传输数据。（可能被丢弃或以路由的方式传递）,有序的标记发布控制是指,LSR,只在两种情况下才发起标记映射的传输。,该标记映射已经拥有了到下一跳的标记映射；,该,LSR,是出口,LSR。,可以保证标记发布的完整性和一致性。,(,d),标记保持模式,保守的标记保持模式：,MPLS,将只记录下一跳所发布的标记信息。通常与下游按需分配方式一起使用。,（优点是节省存储空间）,自由的标记保持模式：,MPLS,将记录所有对等,LSR,发布的标记信息。,（优点是可以加快路由转换的速度）,(,e),实现层次化结构的两项工作,LDP,不仅可以在有直接链路连接的,LSR,之间建立会话，而且可在没有直接链路连接的,LSR,之间建立,LDP,会话，这种会话通过两个,LSR,之间的,LSP,来建立。如下图所示：,R1,和,R4,通过,LSP1,互联，,R1,和,R4,是一对,LDP,对等，值得注意的是,R1,和,R2,也是一对,LDP,对等，但是,R1-R2,对等层在,R1-R4,对等层之下。,R1 R2 R3 R4,X,X,LSP1,LDP,会话,因为,R1,和,R4,之间没有直接链路，所以,R1-R4,的,LDP,会话间的各种消息通过,LSP1,传输。,R1,会记录两个标记发布信息，一是,R2,同过,R1-R2,会话为,FEC,分配的标记，二是,R4,通过,R1-R4,会话为,FEC,分配的标记。,在该,FEC,的数据流到达,R1,时，,R1,首先将,R