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现代交换原理课程设计
课程设计报告
课程设计题目:
MPLS交换过程演示分析
学号:
学生姓名:
专业:
班级:
指导教师:
2015年月日
目录
绪论3
一.MPLS概念3
1.1什么是MPLS技术3
1.2几个基本概念4
二.MPLS原理4
2.1基本原理4
2.2MPLS网络的组成5
2.3MPLS的体系结构5
三.MPLS的工作过程6
四.MPLS信息传送演示8
4.1建立连接:
8
4.2数据传输:
8
4.3拆除连接:
10
五.MPLS技术的特点10
六.MPLS技术的发展方向11
6.1MPLS技术在传输网中的发展11
6.2MPLS在无线移动通信网中的发展11
七.MPLS技术的应用12
7.1基于MPLS的VPN12
7.2基于MPLS的流量工程13
八.MPLS技术的优势13
九.当前MPLS技术存在的问题14
9.1对标签合并功能的支持14
9.2环路问题15
9.3MPLS实施区分服务15
9.4ATM交换机对于CR-LDP的支持15
9.5CR-LDP与RSVP扩展信号的互通问题15
十.环路处理16
参考文献:
16
试验心得17
MPLS交换过程演示分析
绪论
摘要:
本文主要介绍了多协议标签交换(MPLS)技术的基本概念、工作原理、
工作过程、特点、应用以及存在的问题。
关键词:
MPLSATMIP服务质量标签交换路由器标签边缘路由器
近年来,随着Internet网络通信的迅猛发展,通信业务从没有服务质量(QoS)要求的低速数据传送业务向音频、视频、多媒体等对QoS有严格要求的交互性宽带业务方向发展,迫切需要一个高带宽、业务发展受限少的宽带网络传输交换技术。
传统的Internet采用“尽力而为(best-effort)”的无连接的分组交换IP技术,对时延、抖动等都没有要求,其无法保证用户QoS的缺点,制约了IP技术在宽带网络中的进一步发展。
IETF于20世纪90年代中期提出的多协议标签交换技术(MPLS,Multi-ProtocolLabelSwitching)是用于IP主干网的高效技术,实现了高速交换能力和灵活路由能力的高效融合,在Internet这样的无连接网络中创建面向连接型业务的通路,被公认是当前最有发展前景的网络解决方案。
一.MPLS概念
1.1什么是MPLS技术
多协议标签交换(MPLS:
Multi-ProtocolLabelSwitching)技术是一种开放的通信网上利用标签引导数据高速、高效传输的新技术。
它的价值在于能够在一个无连接的网络中引入连接模式的特性。
其主要优点是减少了网络复杂性,兼容现有各种主流网络技术,能降低50%网络成本,在提供IP业务时能确保QoS和安全性,具有流量工程能力。
此外,MPLS能解决VPN扩展问题和维护成本问题。
1.2几个基本概念
(1)转发等价类(ForwardingEquivalenceClass,FEC)。
FEC是一系列具有某些共性的第3层数据包集合,在转发的过程中将以相同的方式处理这些数据。
其共性包括:
地址前缀(AddressPrefix)、主机地址(HostAddress)等。
FEC只具有本地意义,LSR根据第3层数据包所属的FEC对其进行分类转发。
(2)标签(Label)。
标签是长度固定为20比特的短小指示符,用来标示一条数据转发路径。
当一个不带标签的信息分组进入MPLS网络时,由LER对此分组头上的目的地址进行分析,并根据QoS要求,将该分组划归某个FEC,同时在这个分组加上与这个FEC类别相应的标签。
标签使该信息分组在经过以后的各个中间节点时,只对这个短标签进行一个很简单的运算,检索出对应的转发路由,因此大大加快了转发速度;同时还按照信息的类别,保证了QoS的要求。
(3)标签分发协议(LabelDistributionProtocol,LDP)。
LDP是一种基于TCP的控制协议,主要用来完成LSR之间、LSR和LER之间的路由信息的传递。
LDP规定了标签分发过程中的各种消息及相关的各种处理进程,其根本目的是建立标签交换路径(LabelSwitchedPath,LSP)。
二.MPLS原理
2.1基本原理
MPLS的基本原理是以一个类似于路由器的设备来控制ATM的硬件交换机。
MPLS是属于第三层交换技术,引入了基于标记的机制,它把路由和转发分开,由标签来规定一个分组通过网络的路径。
MPLS网络由核心部分的标签交换路由器(LSR)、边缘部分交换路由器(LER)组成。
LSR的作用可以看作是ATM交换机与传统路由器的结合,由控制单元和交换单元组成,LSR就是实现了MPLS功能的ATM交换机;LER的作用是分析IP包头,用于决定相应的传送级别和标签交换路径(LSP),于是该系统既具备ATM交换机高速交换功能,又能支持强大的路由功能。
也就是将第二层的ATM交换机换成LSR,LER可以是具有MPLS功能的ATM交换机,也可以是具有MPLS功能的路由器。
2.2MPLS网络的组成
MPLS网络由3部分组成:
(1)标记边缘路由器(LER):
LER是位于MPLS网络边缘的第三层路由设备,是将标记加到进来的数据包上,又在包出去的时候将标记取消,并能够提供增值的第三层服务,如安全性、网络流量计算和QoS分类等。
(2)标记交换路由器(LSR):
位于一个多协议标签交换(MPLS)网络的中间。
它为转换这个标签用于路由分组负责。
当一个LSR接收到一个分组,它使用这个包含在这个分组头部的标签做为一个索引来决定在标签交换通道(LSP)中的下一跳,和一个来自查寻表分组相应的标签。
旧的标签然后被从这个头部移除,和在这个分组被路由转发之前被替换为新的标签。
(3)标签分发协议(LDP):
是MPLS体系中的一种主要协议。
在MPLS网络中,两个标签交换路由器(LSR)必须用在它们之间或通过它们转发流量的标签上达成一致。
2.3MPLS的体系结构
在MPLS的体系结构中:
控制平面之间是基于无连接服务,利用现有IP网络实现。
转发平面也称为数据平面,是面向连接的,可以使用ATM、帧中继等二层网络实现。
MPLS使用短而定长的标签(label)封装分组,在数据平面实现快速转发。
在控制平面,MPLS拥有IP网络强大灵活的路由功能,可以满足各种新应用对网络的要求。
对于核心LSR,在转发平面只需要进行标签分组的转发。
对于LER,在转发平面不仅需要进行标签分组的转发,也需要进行IP分组的转发。
前者使用标签转发表LFIB,后者使用传统转发表FIB。
三.MPLS的工作过程
(1)使用现有的路由协议,如OSPF,IGRP等,建立到终点网络的连接,LDP完成标记到终点的映射;
(2)输入端标记边缘路由器接收到分组,完成第三层功能,并给分组贴上标记;
如图3所示。
图3
(3)标记交换机对带有标记的分组进行交换,如图4;
图4
(4)在输出端的MPLS边缘路由器中去掉标记,并将分组传送给终端用户,如图5。
图5
四.MPLS信息传送演示
MPLS交换技术采用面向连接的工作方式,信息传送要经过以下三个阶段:
4.1建立连接:
对于MPLS来说,建立连接就是形成标记交换路径LSP的过程
(1)连接建立的驱动方式
拓扑驱动、请求驱动、数据驱动(不同方式对分组转发的影响)
(2)标记分配与分发
标记分发:
上游标记分发和下游标记分发
下游标记分发:
下游自主标记分发、下游按需标记分发
(3)连接建立过程
4.2数据传输:
数据传输就是数据分组沿LSP进行转发的过程
(1)入口路由器的处理过程
数据分组到LSP的映射、将数据分组封装成标记分组、将标记分组从相应端口转发出去
(2)核心路由器的处理过程
依据标记进行转发
(3)出口路由器的处理过程
弹出标记、用网络层地址查找路由表确定下一跳
4.3拆除连接:
拆除连接就是通信结束或发生故障异常时释放LSP的过程
连接的拆除也就是标记的取消。
标记取消的方式主要有两种:
(1)采用计时器方式
(2)通过LDP消息取消标记
五.MPLS技术的特点
(1)MPLS在网络中的分组转发是基于定长标签,由此简化了转发机制,使得转发路由器容量很容易扩展到以太比特级。
(2)采用ATM的高效传输交换方式,抛弃了复杂的ATM信令,无缝地将IP技术的优点融合到硬件转发中。
(3)充分采用原有的IP路由,在此基础上加以改进;保证了MPLS网络路由具有灵活性的特点。
(4)MPLS网络的数据传输和路由计算分开,是一种面向连接的传输技术,能够提供有效的QoS保证。
(5)MPLS不但支持多种网络层技术,而且是一种与链路层无关的技术,它同时支持X.25、帧中继、ATM、PPP、SDH、DWDM等,保证了多种网络的互联互通,使得各种不同的网络传输技术统一在一个MPLS平台上。
(6)MPLS支持大规模层次化的网络拓扑结构,具有良好的网络扩展性。
(7)MPLS的标签合并机制支持不同数据流的合并传输。
(8)MPLS支持流量工程、CoS、QoS和大规模的虚拟专用网。
六.MPLS技术的发展方向
6.1MPLS技术在传输网中的发展
GMPLS(通用多协议标签交换)对MPLS中的路由和信令协议做了适当增补后,可用于分组交换、TDM以及波长交换业务,它将IP智能(包括各种QoS)引入了所有类型的业务,简化业务配给,改进了保护和恢复方案,具备为网络各层提供一个基于IP的公共控制平面的能力。
为了满足传输网的需求,GMPLS增加了控制通道用于节点间交换控制平面信息,增加了链路管理协议用于校验承载通道的有效性、自动提供业务和故障隔离,并增加了多链路绑定和嵌套LSP等新特性。
GMPLS的优势在于能提供跨网络层次的流量工程、业务恢复和保护的集成以及快速业务部署。
传输网络的带宽随着用户需求的提升而不断增加,越来越多的DWDM设备和光交换设备将被部署在核心网络,原有的SDH、IP和ATM设备将被迁移到网络边缘并向用户提供服务。
由于GMPLS能向所有的传输层提供一个统一的、简单的解决方案,并能简化多个传输层面的集成工作,所以将成为ASTN控制层面的重要组成部分。
6.2MPLS在无线移动通信网中的发展
WMPLS(无线多协议标签交换)协议是MPLS协议在无线网络中的扩展,其原理和MPLS相同。
在无线通信网络中(这里主要指无线接入网部分),WMPLS采用流量控制和差错控制机制,新增了可靠性和传输效率保证功能。
该功能基于空中信道的实际情况,控制数据包的传输,保持约定的流量参数,降低误码率和丢包率。
在无线通信网络和骨干网络的边界处,WMPLS引入一种翻译功能,移除WMPLS添加的额外包头和控制信息,并把标准格式的MPLS数据包发送至骨干网。
目前,WMPLS能提供可靠的高速数据传输,保证业务的QoS并支持DiffServ和流量工程,必将成为无线通信网络支持实时流媒体业务的最优解决方案。
作为通信网络的关键技术之一,MPLS相对于其他技术,在流量工程、QoS保证、VPN以及IP电信网等业务提供方面有着无以伦比的优势,逐渐成为高效的IP骨干网技术平台。
通过增强MPLS自身的OAM能力,以及在MPLS管理能力基础上提供网络管理和业务管理软件,必将加快MPLS的应用进程,使具有MPLS能力的IP网络真正达到可管理、可运营。
而Trainet、MPLS-TE以及MPLS-VPN等技术,在改善网络性能的同时提高了可扩展性。
这些新技术无疑将推动MPLS网络向着更完善、更灵活、可用性更高的方向继续发展。
七.MPLS技术的应用
最初,MPLS技术结合了二层交换技术和三层路由技术,提高了路由查找速度。
但是,随着ASIC(Application-SpecificIntegratedCircuit,专用集成电路)技术的发展,路由查找速度已经不成为阻碍网络发展的瓶颈。
这使得MPLS在提高转发速度方面不具备明显的优势。
但由于MPLS结合了IP网络强大的三层路由功能和传统二层网络高效的转发机制,在转发平面采用面向连接方式,与现有二层网络转发方式非常相似,这些特点使得MPLS能够很容易地实现IP与ATM、帧中继等二层网络的无缝融合,并为QoS(QualityofService,服务质量)、TE、VPN等应用提供更好的解决方案。
7.1基于MPLS的VPN
传统的VPN一般是通过GRE、L2TP、PPTP等隧道协议来实现私有网络间数据流在公网上的传送,LSP本身就是公网上的隧道,因此,用MPLS来实现VPN有天然的优势。
基于MPLS的VPN就是通过LSP将私有网络的不同分支连接起来,形成一个统一的网络。
基于MPLS的VPN还支持对不同VPN间的互通控制。
图6基于MPLS的VPN
图6是基于MPLS的VPN的基本结构:
CE(CustomerEdge,用户边缘设备)可以是路由器,也可以是交换机或主机;PE(ProviderEdge,服务商边缘路由器)位于骨干网络。
PE负责对VPN用户进行管理、建立各PE间LSP连接、同一VPN用户各分支间路由分派。
PE间的路由分派通常是用LDP或扩展的BGP协议实现。
基于MPLS的VPN支持不同分支间IP地址复用,并支持不同VPN间互通。
与传统的路由相比,VPN路由中需要增加分支和VPN的标识信息,这就需要对BGP协议进行扩展,以携带VPN路由信息。
基于MPLS的VPN具有以下特点:
PE负责对VPN用户进行管理、建立各PE间LSP连接、同一VPN用户各分支间路由分派。
PE间的路由分派通常是用LDP或扩展的BGP实现。
支持不同分支间复用和IP地址同VPN间互通。
减化了寻路步骤,提高了设备性能,加快了报文转发。
7.基于MPLS的流量工程
基于MPLS的TE和差分服务Diff-serv特性,在保证网络高利用率的同时,可以根据不同数据流的优先级实现差别服务,从而为语音、视频等数据流提供有带宽保证的低延时、低丢包率的服务。
由于全网实施流量工程的难度比较大,因此,在实际的组网方案中往往通过差分服务模型来实施QoS。
Diff-Serv的基本机制是在网络边缘,根据业务的服务质量要求将该业务映射到一定的业务类别中,利用IP分组中的DS字段(由ToS域而来)唯一的标记该类业务,然后,骨干网络中的各节点根据该字段对各种业务采取预先设定的服务策略,保证相应的服务质量。
Diff-Serv的这种对服务质量的分类和MPLS的标签分配机制十分相似,事实上,基于MPLS的Diff-Serv就是通过将DS的分配与MPLS的标签分配过程结合来实现的。
八.MPLS技术的优势
(1)由于MPLS将路由与分组转发从IP网中分隔开来,这使得在MPLS网中可以通过修正转发方法来推动路由技术的演进;新的路由技术可以在不间断网络运行的情况下直接应用到网络中,而不必改动现有路由器上的转发技术,这是以前的各种网络技术不易做到的;
(2)在MPLS网中可以直接使用显式路由,这使得流量工程的应用变得简单,增强了IP网络流控和自愈恢复能力,为支持更多的新业务提供了保障;同时MPLS在保证连接可靠性的条件下取消了专线连接的要求,使得各种新业务可以在基于MPLS的IP网上实现;
(3)MPLS在定长标签的严格匹配下简化了转发过程,而且这个转发的硬件基础是便宜、成熟的ATM交换技术,这大大减少了设备制造商的研发投资,加快了MPLS设备的面市时间和产品的成熟稳定性;
(4)MPLS简化了ATM与IP的集成技术,推动了它们的统一,从而起到平衡用户在ATM和IP网上的巨大投资,消除了现有网络的限制,由此减少了网络维护成本和扩展性问题;
(5)MPLS技术进一步促进了网络功能的划分,它将复杂的事务处理推到网络边缘去完成,核心网只负责完成传送功能;这有利于在一个大的网络中维护IP协议的扩展性;
(6)MPLS网络中标签堆栈的使用将庞大的路由表变得很小,极大地改善了路由扩展能力;
(7)MPLS可用于多种链路层技术,做到对下层与上层的多协议,最大限度地兼顾了原有的各种技术,保护了现有投资和网络资源,促进了网络互连互通和网络的融合;
(8)MPLS能够以无连接方式或显式路由的方式提供面向连接的业务;这使得MPLS适用于
动态遂道技术,并保障数据传输业务的QoS需求,而遂道技术是目前支持VPN业务的有效手段,QoS的保障是IP网上实现语音、实时多媒体信息传输的基础。
(9)作为综合平台,在语音方面,VoIPonMPLS实验十分成功;在数据方面,它先天就能承载IP业务;在视频方面,它已能承载多媒体应用。
(10)与ATM相比,MPLS标准能更快地被接受是因为它是以软件为主,运行在各种不同的网络上,而ATM网则需要极大的软、硬件投资。
九.当前MPLS技术存在的问题
MPLS技术发展十分迅速,仅仅经历三年时间,就已发展成为被业界推崇的一种Internet新兴技术,充分显示了其强大的技术优势。
但是,目前MPLS技术在许多方面还存在相当大的难点,需要认真思考与探讨。
9.1对标签合并功能的支持
标签合并能够有效解决网络标签资源有限的问题,并且便于网络实施流量工程,其代价是LSR对LIB的维护将更加复杂。
如果LSR支持标签合并功能,则意味着该节点必须支持多点到点的传输能力,目前改造后的ATM-LSR或帧中继-LSR设备均不支持多点到点的传输方式,并且节点容易在出端口产生信元交织。
为解决上述问题,必须要对现有的ATM-LSR或帧中继-LSR进行硬件改造,其实现难度很大,成本高并且难以与传统ATM/帧中继业务相兼容。
此外,对于QoS路由而言,要求网络为特定的业务流分配特定的LSP,因而不能采用标签合并传输方式。
标签合并功能的使用环境以及节点相应的处理操作还有待于IETFMPLS工作组的进一步解决。
9.2环路问题
在网络层IP报文通过TTL超时机制来丢弃报文。
但在L2层由于ATM/帧中继硬件并不提供TTL功能。
因而没有办法来直接丢弃产生环路的报文,由于环路的存在,网络拥塞程度不断加剧,它不仅使报文无法到达正确的信宿,甚至有可能导致网络被迫丢弃用于更新路由信息的报文,致使路由寻径变得更加不稳定,延长了环路分组在网络中的驻留时间。
目前MPD解决环路问题的主要方法是使用环路检测机制。
该机制允许环路在网络中产生,但当网络检测到环路存在时,要求节点立即关闭环路。
IETF当前提出了基于穿线法(Thread)的环路检测机制,由于其算法实现复杂且下完善,因而仍然需要开发更好的环路检测算法以消除环路问题。
9.3MPLS实施区分服务
MPLS与分类业务的技术优势相结合是当今Internet的发展趋势,但是由于ATM采用硬件交换的方式,现有方案仅利用CLP/DE字段标识特定的分类业务,致使目前ATM/帧中继链路与分类业务类型(PSC)的对应关系很不明确,这将给MPLS实施分类业务来带很大的困难,这一问题需要尽早解决。
9.4ATM交换机对于CR-LDP的支持
传统的ATM交换机采用了5种服务类别标准用以支持特定的QoS服务,而受限的标签分配协议(CR-LDP)则以令牌筒参数标识用户要求的流量特性,因而两种QoS参数的精确映射将是CR-LSP有效支持保证特定IPQoS服务的关键。
由此可见,经过改造后的ATM-LSR对于不同的流量参数、权重取值、业务频率等众多CR-LDP受限参数如何在设备内部分配相应的队列及节点资源,用以保证数据的有效传输将是CR-LDP首要解决的问题。
9.5CR-LDP与RSVP扩展信号的互通问题
采用RSVP扩展信令与CR-LDP都可以建立支持特定IPQoS服务的LSP以及实施面向全网的流量工程,但是它们彼此在信令体系结构之间的差别极大。
虽然业界普遍看好CR-LDP,但是为了MPLS技术的蓬勃发展以及满足ISP的实际需要,解决两种信令之间的互通问题是十分必要的。
理想的信令互通模型解决方案的出台将会把MPLS技术引入一个更为广泛的应用领域。
十.环路处理
MPLS使用基于分布式计算的传统IP路由协议,在网络拓扑结构变化的瞬间,由这些协议计算得到的路由可能会瞬时产生环路。
分组进入有环路的LSP传送时可能会导致两个基本问题:
(1)分组无法递交到正确的目的地址
(2)拥塞。
发生环路后。
即使采用TTL减和环路分组丢弃的方式分组仍可能在环路中存活很长时间,并占用大量的网络资源。
这对其他没有产生环路的数据分组的正确传输有很大影响。
产生环路数据包造成的拥塞可能导致非环路数据包延迟加长或丢弃,严重时导致网络瘫痪。
在MPLS网络中有很多机制防止环路形成,在环路处理的方法上,一般要考虑使用该方法后环路可能发生的数量以及使用该方法对路由计算收敛性的影响。
减少环路的发生意味着路由收敛时间更长。
MPLS网络的第二层环路处置有很多种方法,主要可以划分为三类:
1.环路幸存这种方法通过诸如限制环路所能使用的网络资源的大小来最小化环路对网络服务性能的影响。
2.环路检测允许环路的发生,但在随后的检测中发现环路时就删除它们。
3.环路防止避免在第二层转发路径时发生环路。
试验心得
俗话说得好:
“实践出真知!
”通过一周的课程设计,使我们对现代交换原理这门课程有了一个更深刻的了解。
原本只是学得依稀懵懵懂懂,经过了一周课程设计下来就突然间恍然大悟了过来。
这次课程设计我做的是交换过程演示分析。
一开始接触到这个课题是不怎么懂的,在查找了一些资料及按照示例做了一遍之后就基本掌握了。
一个完整的课程设计做下来,我发现我以前学的是那么的少,了解的软件、硬件设备更是皮毛,很多高级功能的设备我甚至都没有听过,更谈不上如何使用。
有了这一次的经历,我了解到自己很多方面的缺陷,经验也很不足,这为我今后的学习树立了一个方向。
我得不断完善自己的不足之处,尽量是自己懂得更多,以便以后遇到同等项目能都得心应手,更快、更好、更有效地完成它。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练,它是我们迈向社会,从事职业工作前一个必不少的过程。
“千里之行,始于足下”,通过这次课程设计,我深深体会到这句千古名言的真正含义。
我今天认真的进行课程设计,学会脚踏实地迈开这一步,就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。
同时在本次课程设计中,我的各方面能力都有所提高。
这其中就涉及独立思考、独立完成任务、互相合作,同时还有综合知识能力、学以致用等。
另外花了这么长时间完成这次课程设计还收获了成功的喜悦。
在此感谢我们的谌老师!
谌老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我们工作、学习中的榜样;循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我们无尽的启迪。
这次课程设计中重要细节都离不开老师的细心指导。
同时也感谢同学们的帮助!
由于本人的设计能力有限,在设计过程中难免有一些不到位之处,恳请老师多多指教,我十分乐意接受你的批评与指正,谢谢!
参考文献:
[1]冯径.多协议标记交换技术[M].北京:
人民邮电出版社,2002
[2]敖志刚.现代高速交换局域网及其应用[M].北京:
国防工业出版社,2001
[3]林维忠.多协议标签交换(MPLS)技术[J].电视技术,2002
[4]陈楠.多协议标签交换技术[J].有线电视技术,2002
[5]申普兵主编,李荣,王大力编.宽带网络技术.
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