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一种新的多层交换技术——标签交换

2/14/2005来源:交换设备人气:9630

一种新的多层交换技术——标签交换 关键词:多层交换技术,标签交换技术,标签交换网络 【摘要】本文介绍了多层交换技术的主要代表——标签交换技术,简述了其基本概 念、体系结构和网络构成,并概括了标签交换技术的优良特性,对将来的发展作出 了分析与展望。 在过去的二十几年中,交换技术和路由技术都得到了充分的发展。但随着网络 流量的高速发展,交换机面对众多业务表现出不足,路由器的处理速度低下等问题 也日益暴露出来。新问题的出现总会带来新技术的不断涌现,在这种情况下,多种 多层交换技术被提出,并且在最近得到了迅猛地发展。这些多层交换技术经过最近 的演变,以其中的标签交换技术较为突出,Cisco公司作为标签交换技术的提出者, 已将该技术提交Internet IETF,的多协议标签交换技术(MPLS)工作组,拟作为 工业标准。目前,IETF正在致力于制定MPLS的RFC标准。 一、多层交换技术 目前的多层交换技术种类繁多,除了Ciso公司的标签交换技术之外,有代表性 的还有:Nokia/ipsilon的IP交换(IP Switching),IBM的ARIS(Aggregate Route -Based IP Switching),Ascend/Cascade/Lucent的IP导航器(IP Navigator), 以及东芝(Toshiba)的CSR(Cell Switching Router)。这些多层交换技术有其 共性,同时在技术实现上也有着很大的差别。 1.多层交换技术的共同点 多层交换技术旨在将IP路由技术和ATM交换技术融合在一起,实现两者间的优劣 互补。其基本实现方法均是将IP路由器的软件路由能力与ATM标记交换的转发性能相 结合,设计高速多层交换机。对于多层交换机的控制部分,多层交换技术采用标准 的路由协议(如:OSPF,IS-IS和BGP-4)和各自的标记绑定机制;对于多层交换 机的转发部分,多层交换技术采用传统的ATM硬件交换和标记交换技术(Label swa pping)来转发信元。 2.多层交换技术的不同点 根据标记绑定(Label Binding)时机的不同,多层交换可分为两类:数据驱动 方式和控制驱动方式。Nokia/Ipsilon的IP交换和东芝的CSR采用数据驱动方式。本 文的标签交换,IBM的ARIS和Ascend/Cascade/Lucent的IP导航器采用后者。 (1)数据驱动方式 对于数据驱动方式,是在数据分组到达时创建标记绑定。当数据流(有共同源 地址,目的地址和TCP(或UDP)端口号的一系列分组)中的第一个分组到达多层交 换机时,多层交换机或者直接创建标记绑定,或者等待数据流中的后继分组。等待 后继分组到来后再创建标记绑定可以减少分配和发布标记所带来的负载。采用数据 驱动方式的优点是只有在数据流到达时才创建标记绑定,但同时也带来一些限制: 这要求交换机必须有高性能的分组分类能力,从而能够高速地识别数据流。另一方 面,采用数据驱动方式使标记绑定工作量正比于所到达的数据流,这样大量的短数 据流会增加交换机的负担。 (2)控制驱动方式 控制驱动方式,是在路由控制信息到达时创建标记绑定。由于在数据分组到达 之前标记的分配和发布工作就已完成,这使得交换机可以立即进行标记交换,减少 分组转发带来的延时。对于控制驱动方式,只有当拓扑结构发生变化或控制流量信 息到达时才建立采用标记交换的路径,这样,标记的分配和发送工作量要少于数据 驱动方式。另一方面,控制驱动方式的扩展性要优于数据驱动方式。MPLS采用控制 驱动方式。 二、标签交换 标签从概念上来讲是一种短小、定长、具有局部意义的标识符,由分组(或信 元)来携带,用来简化网络内部的路由选择步骤。从意义上讲,标签与多层交换中 的标记一样。标签的封装与具体的物理网络有关,例如:对于ATM,是将标签放在A TM信元头的VPI/VCI域,占16位;对于IPv6,是将标签放在数据流标号域,占28位。 对于高性能分组转发或信元转发而言,标签交换技术是一种创新性的新技术, 它不但融合了数据链路层的交换性能和流量管理功能,还融合了网络层路由的扩展 性和灵活性,可用来进一步扩展Internet和企业内部网。标签交换技术类似于邮电 局采用邮政编码对信件转发的方案:在邮政编码末出现之前,邮电局工作人员必须 查阅整个地址才能对信件进行转发,采用统一的邮政编码可以立即对信进行转发。 当然,标签交换并不是抛弃网络层转发。这是因为:标签交换本身依赖于传统 的路由协议;给从未加过标签的分组添加标签需要网络层转发;当标签交换将一系 列路由聚合到一个标签中时,这些路由并不会向同一个站转发,这时就需要网络层 转发。然而大多数情况下,分组转发只需要标签交换就可以了,不需要网络层交换。 无论是对分组还是对信元,标签交换均给协议帧添加标签,为了叙述上的方便, 我们只以分组为例进行描述。 三、标签交换的体系结构 标签交换包含两种组成部件:转发部件和控制部件。转发部件采用由分组所携 带的标签信息来转发分组;控制部件负责维持正确的标签发送信息。 1.转发部件 转发部件是建立在标记交换机制之上的。当标签交换机收到携带标签的分组后, 交换机以标签为索引来查找标签信息库TIB(Tag InformationBase)。TIB中的每 一表项由人口标签和一个或多个子标签组成。子标签包括出口标签、出口接口和出 口连接信息。如果交换机在TIB中找到一个表项,该表项的人口标签与分组所携带的 标签相同,则用该表项中的出口标签取代分组所携带的标签,并且用表项中的出口 连接信息取代分组中的连接信息(如MAC地址)。 标签交换采用定长、短小的标签作为索引,它极大地简化了转发过程,使转发 过程可以直接由硬件来完成。相对子网络层所采用的最长匹配方法,其转发性能大 大提高。另一方面,对于标签交换而言,单播和组播采用同样的转发算法,只不过 单播对应一个子表项,而组播对应多个子表项。也正是转发程序的简单性,使路由 控制功能对转发程序的影响比较小,当添加新的路由控制功能时不必重新优化转发 程序(通过修改硬件或软件)。 2.控制部件 控制组件是负责创建标签绑定,并负责在标签交换网络内部发布标签绑定信息。 为了在传统路由功能基础之上支持标签交换功能,相应的就要增加新的模块。下面 描述了一些主要模块: (1)目的驱使路由 在传统路由中,路由器根据分组的目的地址对分组进行转发,转发信息存贮在 转发信息表中FIB(Forwaring Information Base)。为了支持目的驱使路由,标签 交换机首先采用标准的路由协议(如:OSPF,BGP)建立FIB,然后在FIB基础之上通 过给路由表项添加标签来建立自己的TIB,最后根据TIB和FIB来转发分组。 (2)路由信息分层 每一个由一个机构管理的网络和路由器的集合称为一个自治系统,在自治系统 内部路由由内部协议来实现(如OSPF),跨越自治系统的路由由外部路由协议来实 现(如BGP)。然而在自治系统内的所有路由器中不但需要内部路由,而且需要外部 路由。标签交换减少了内部和外部路由信息,只在自治系统边界需要外部路由信息, 在自治系统内部只需要内部路由信息。事实上,内部路由信息要远远少于外部路由 信息。 (3)组播传送 组播路由程序负责构造生成树,组播转发程序负责沿着所构造的生成树对组播 分组进行转发。标签交换为了支持组播转发功能,将标签与生成树绑定,根据该绑 定对分组进行转发。 四、标签交换网络构成 为了便于叙述,我们把采用标签交换技术的网络称为标签交换网络。标签交换 网络由主要由三个主要部分构成:标签边缘路由器、标签交换机和标签发布协议。 其中标准的路由协议和标签发布协议是标签边线路由器与标签交换机沟通的桥梁。 1.标签边缘路由器(Tag Edge Routers) 位于标签交换网络的边界,它主要是完成传统网络层业务,并负责给分组(或 信元,以后不再赘述)添加和解除标签。 2.标签交换机(Tag Switches) 指网络内部的ATM交换机或路由器。标签交换机根据标签对携带标签的分组进行 交换转发,同时标签交换机也支持传统的第三层交换和第二层交换,它是标签交换 网络的核心部分。 3.标签发布协议TDP 与标准的网络协议相结合,TDP在标签交换网络中分配和发布标签信息。TDP是 在传输控制协议(TCP)之上进行传送。 五、标签交换对分组的处理过程 (1)标签边线路由器和标签交换机采用标准的路由协议,如OSPF,IS一IS, EIGRP。这些协议可以保证与非标签交换路由器之间的互连,进行传统的路由交换。 (2)标签交换采用标准路由协议产生路由表,在路由表的基础之上通过TDP分 配发布标签信息。标签交换机收到TDP信息后建立以标签为索引的转发数据库。 (3)当标签边线路由器收到穿过标签交换网络的分组时,它首先按传统的路由 方法完成网络层的业务,并从路由表中为分组选择合适的路由,然后给分组分配标 签对分组进行转发。 (4)当标签交换机收到携带标签的分组后,交换机只需依靠标签对分组进行转 发,不需要执行传统的网络层处理过程。 (5)当分组由标签边线路由器转发到外部非标签交换网络时,路由器首先把标 签去掉,然后再将分组转发到其它网络。 六、标签交换所具有的优良特性 1.为IP+ATM提供了良好的方案 IP是非连接的,具有简单性,可扩展性和灵活性等特点。ATM是面向连接的,在 保证业务质量(QoS)方面得天独厚,并且支持各种业务,速度较快。为了融合二者 间的优势,一些 ISP网络采用了重叠式IP Over ATM方案。由于该方案需要两种不同 的体系结构,这无疑在网络维护和管理上增加了复杂度。标签交换的出现在IP+ATM 方案上表现出色:它可以使ATM交换机直接支持IP业务,无须不必要的重量就能实现 二者的优劣互补。 2.容易扩展 由于标签交换仅涉及相邻的两个设备(路由器或交换机),标签交换技术的引 人可以采用一个平滑的过程。例如:当一对路由器采用标签交换技术时,每一个路 由器可以只给发向另一个路由器的分组添加标签,对其它不采用标签交换技术的路 由器毫无影响。这样当越来越多的路由器具有标签交换功能后,标签交换技术所表 现出来的优势也会越明显。直到最后扩展到整个自治系统,形成统一的标签交换网 络。 3. 支持虚拟专用网VPN 虚拟专用网可以极大地降低广域网成本,提高网络的灵活性。在帧中继(Frame Relay)/ATM主干网中(或IP+ATM主干网,千兆路由器主干网),标签交换通过给企 业分配唯一的桥签桥识符,提供了一种基于IP的虚拟专用网方案。这类似于邮政局 的邮政编码,通过给一个企业分配统一的邮政编码,可以保证该公司的信件发往公 司的所在地址。这种采用标签交换技术的虚拟专用网可以提供端到端的IP业务质量 参数,保证了良好的可扩展性。 七、标签交换技术的发展前景 对于标签交换技术的发展前景,我们从以下几个方面分析: (1)相对于传统的路由交换技术,标签交换技术表现出强大的优势,迎合了业 务提供者和企业的需要。 标签交换直接在ATM交换基础上支持IP业务,如:CoS,RSVP,IP VPN和组播, 并且对信元留有信元接口。对于业务提供者而言,ISP一直在想在保持现有的网络基 础设施条件下,能够提供将来的业务承载能力。标签交换技术的出现恰恰满足了这 些要求,它仅通过软件的升级,就可以满足日益增长的新业务。对于企业而言,标 签交换技术可以提供更高效的业务传输,采用标签交换技术的路由器主干网,它可 以保证QoS,较为优化地利用广域网带宽。 (2)Nokia/Ipsilon的IP交换与Cisco的标签交换相比较表现出不足。 目前的多层交换技术花样繁多,其中以Nokia/Ipsilon的IP交换较为突出。我们 以Nokia/Ipsilon的IP交换为例进行比较:IP交换具有路由能力,以ATM速度对IP分 组进行转发,它对传统的以路由器为核心的网络结构提出了有力挑战。但我们将Ips ilon的IP交换与Cisco的标签交换比较一下就会发现前者的不足,IP交换路由功能弱, IP交换网络扩展能力差,并且只适用于IP网,不支持IPX、NetBIOS、或SNA等网络。 其中最为重要的一点就是一旦来用IP交换技术,原有的网络结构就必须作出相应修 改,购买Ipsilon的交换设备,这是大多数ISP和企业所不情愿的。从另一个角度来 看,IP交换最初由lpsilon提出,1998年的Ipsilon投身Nokia也从侧面说明了IP交换 的不足。 (3)在传统路由器市场上占有举足轻重的Cisco公司,它的任何一种技术无疑 都会对路由交换技术的发展产生一定影响。 Cisco公司占据全球路由器70%一80% 的市场份额,经过多年的经验积累,其产 品的可靠性以得到市场的认准。目前,Cisco公司的不少产品都具有标签交换功能, 如:Cisco7500/7200/7000系列路由器,Cisco LightStream1010 ATM交换机和12000 吉位交换路由器(GSR)。尤其对于我们国家来说,为了改善目前的网络状况,Chi naNet(中国公用主干网)正在准备配置45个Cisco755路由器和6个12000GSR,国家 多媒体主干网(National Multimedia Backbone)将要将要配置44 Cisco7507路由 器和3个Cisco12008GSR。由此我们可以看出:事实上,在MPLS称为既定标准之前, 标签交换技术已捷足先登了。 (4)标签交换技术正在逐步地与全球接轨 1998年5月,Cisco标签交换技术与东芝公司的CSR技术进行了交互性测试,测试 结果成功。 1998年6月,Cisco标签交换技术与Alcatel的IP@ATM进行了交互性测试, 测试结果成功。这些无疑会加速IETF的MPLS标准化进程,同时也表明:标签交换技 术的实际运营情况良好。MPLS标准化出台是迟早的问题,尽管最终定为标准的MPLS 可能会与现在运营的标签交换技术略有出入,不过Cisco公司承诺标签交换将与最终 的MPLS达成一致。并且我们也应该看到:MPLS的基本思路是采用标签交换的机理, 其桥准制定会在一定程度上考虑或遵循标签交换技术规则。 从上面的分析中,我们可以断言:标签交换技术是未来Internet网络具有前途 和生命力的主干网技术,在将来的路由交换设备中,以标签交换技术为核心的产品 必定成为主流产品之一。这里引用以太网发明者Bob Met-calfe的一句话来形容标 签交换技术的未来——“标签交换不可避免”。