北方交通大学 吕宇航 曹晏波
摘要 网络的飞速发展使网络阻塞问题日益严重，ATM提供了高效硬件交换，但Internet上更多的IP业务使人们把目光投向IP智能路由和ATM交换技术的紧密结合，本文阐述了IP交换技术的基本概念、交换类型，并重点讲述了多协议标签交换（MPLS）的工作原理。
一、网络需要交换
80年代初，LAN被广泛应用于企业网和校园网，随着用户的剧增和信息量的骤长，网络管理员就开始面临网络阻塞的问题。怎样减少网络堵塞、优化网络结构且扩大网络吞吐量，网络分段是当时的第一选择。利用网桥连接各段形成一个网络，同时，隔离各段信息传输，提高网络性能。80年代中期，互联网络成为应用焦点，利用路由器通过WAN连接不同类型的局域网。路由器的过渡和防火墙功能使控制广播域变得更容易，从而达到抑制广播风暴和增强安全性的目的。路由器能够智能地确定最佳传输路径，并支持冗余连接，提高网络性能和可靠性，但是路由器的端口价格及延迟是较严重的问题。
随着客户机/服务器分布式数据处理的不断应用，传统网络瓶颈问题日益严重。网络堵塞造成不确定的响应时间，高故障率，影响业务的正常运行。
LAN交换机的低成本，易用性使其成为当今解决网络工作组瓶颈的主要途径。LAN交换机划分网段，使每段具有专网带宽。交换机仅根据帧MAC地址进行转发，因此它延时小，仅是高速路由器的1/10。简单、低价、高效的以太网交换机每个端口提供了专用10Mbps带宽，为向快速以太网、千兆以太网、FDDI、ATM等高速网络过渡铺平了道路。
LAN交换提供了新的带宽，扩展了网络的功能，随之也带来了一些新的问题。它与传统网桥一样易出现广播风暴及安全性问题。虽然交换网仅是等待出现广播风暴，利用VLAN可以避免，但是VLAN的实现需路由器，因此，快速路由器技术在交换领域内引起了广泛的兴趣。首先是Ipsilon公司提IP交换（IP Switching），将一个IP路由处理器捆绑在一个ATM交换机上，去除交换机所有的ATM论坛信令和路由协议，这样的一个结构我们可称之为IP交换机了。紧随其后，Cisco公司发布标签交换（tab switching）、IBM公司提出“聚合的基于路由的IP交换”（ARIS）、3COM发布FastIP，所有这些以及其它一些利用2层交换来提高IP选路性能的技术和解决方案，被统称IP交换。
二、IP交换技术
1 基本概念
所胃IP交换，就是利用第二层交换作为传送IP分组通过一个网络的主要转发机制的一组协议和机制。IP交换利用交换的高带宽和低延迟优势尽可能快地传送一个分组通过网络。基本上说，IP交换技术是利用IP的智能化路由选择功能来控制ATM的交换过程，即根据通讯流的特性来决定是进行路由选择还是进行交换。所以识别数据的特征是IP交换技术的基本功能。准确地说，一个数据流就是一个从特定源机到特定目标机发送的IP数据包序列，它们使用相同的协议类型（如UDP或TCP）、服务类型和其它一些特性。用户可以自己定义IP交换机如何判断收到多少这样的数据包才算是一个数据流。
2 IP交换类型
建立一条直通路径的标准和置于直通路径上的业务流的分类标准依赖于IP交换解决方案和协议的类型，一般而言，有两种IP交换解决方案：流驱动和拓扑驱动。
（1）流驱动的解决方案
该方案在一个特定IP流上操作，此IP流定义为具有相同源IP地址、目的IP地址和端口号的一个分组序列。流的前几个分组被路由通过网络，然后IP交换机基于IP流的特性（如业务流类别、端口号、源/目的IP地址、到达速率等）触发一个重定过程的启动，建立一条直通路径并将IP流重定向到直通路径，流中剩余的分组在直通路径上被交换。
流驱动的IP交换的基本功能特性是：
*特定IP流的出现可以触发一条直通路径的建立，流被定义为应用到应用或主机到主机的业务流。一个流由共享公共IP分组头信息，如源和目的IP地址及TCP或UDP端口号的一个分组序列所标志。
*放置于一条直通路径上的每个流的重定向过程独立完成。重定向过程的范围可以限于一对邻接IP交换机，或者是网络入口到出口间端到端的。
*IP交换系统中实现的直通路径决定于和策略，一些流可能没有资格被交换。
*如果一条直通路径不存在或突然消失，分组可以被路由至目的地。
*直通路径是软状态，即如果不刷新，将会超时。
*流驱动的解决方案带来的问题是一些额外开销，包括在每个流的基础上，由网中组件参与的交换和处理重定向或流建立的消息，而且交换单元必须为每个将要被交换的流分配连接资源（如标签、缓冲区）。
流驱动的IP交换在可能有大量单独IP流的一个大网的核心也许不会很好的运作。离开核心部分，源端和目的端共享相同位置的概率更高，特别是位于一个校园或企业内部网的单个主机对可以有一个或多个应用从交换中受益。
（2）拓扑驱动的解决方案
拓扑驱动的IP交换基于运行一个IP交换机里的IP路由实体中的路由协议（如OSPF、BGP）所维护的IP网络拓扑结构。与反映一个目的网络的目的IP前缀相关的新标签（VPI/VCI）被产生和分发至路由区域的其他IP交换机。所有指定到一个特定目的网络的业务流遵循一条基于些新VPI/VCI标签的交换路径。
拓扑驱动的IP交换的基本功能特性是：
*直通路径基于目的网络的存在而建立，用仅在拓扑结构发生变化后才重建。
*所有通向一个目的地的业务流均被交换。
*入口IP交换机接收一个新的每一目的（per-destination）标签（VPI/VCI）。执行常规的IP转发，但不是将分组定向到下一跳IP地址，而是由入口IP交换机添加新标签并将分组置于一条直通路径上。
*在每个中间交换组件上，分组（或信元）被交换标签。
*出口IP交换机从交换路径上接收分组，去掉标签，接着使用常规第三层过程转发分组。
*如果一条直通路径突然消失，分组可以被路由至目的地。
*拓扑驱动的直通路以路径保持其连接直到拓扑结构发生变化。
与流驱动方法相比，拓扑驱动提供了一些在性能和可扩展性方面的增强，当然也带来一定的花费。拓扑驱动的IP交换，不论业务流在其上通过不通过，均建立直通路径。这意味着由于控制业务流（如路由协议更新）而不是数据业务流的结果，交换机资源被消耗。
这些IP交换方案：有的基于硬件的ATM交换技术为端到端的主机和应用业务流提供改善的性能和更多的带宽，有的基于路由器和选路协议来提高业务流的吞吐量，都是采用一个简单的标签交换方式，并意识到将选路和交换综合起来的巨大优势。在此基础上，IETF成立了多协议标签交换（MPLS）工作组，其主要目标就是开发一个综合的选路和交换标准。
三、多协议标签交换（MPLS）
MPLS网络采用标准发组处理方式对第三层的分组进行转发，采用标签交换对第二层分组进行交换。每个MPLS设备运行一个单一的IP路由协议，交换路由表更新信息并维护一个拓扑结构和一个地址空间。标签表示路径和业务的属性，在入口的边缘、流入的数据包被处理加上标签，位于核心的设备仅仅读这些标签，赋于适当的业务，然后根据标签转发这些数据包，对这些数据包的分析、分类和过滤只发生一次，是在进入边缘设备时，经过出口的边缘设备时，标签被移去，数据包转发到最终目的地。
以下是一些MPLS的术语
*标签交换路由器（LSR）：核心设备，根据已计算好的交换表，交换被加上标签的数据包，这个设备可为交换机或路由器。
*标签边缘路由器（LER）：边缘设备进行数据包初始的处理分类，加上第一个标签，这个设备可以是一台路由器，一台具有路由功能的交换机。
*标签交换路径（LSP）：点到点的路径是根据被分配的所有标签决定的。一个LSP可是动态的也可以是静态的，动态LSP是通过路由信息自动生成，静态LSP是被明确提供的。
*标签分发协议（LDP）：在LSR中进行标签的交流及信息的传递，它在边缘及核心设备分发标签，基于路由协议OSPF、IS-IS、RIP、EIGRP或BGP，建立标签交换路径。
1 一个数据包进行LER时，它会被处理，决定需要哪种第三层的业务，例如QoS和带宽管理。基于路由和策略的需求，LER有选择地放入一个标签到数据包头中，然后转发。MPLS标签类似于中心设备中预先计算好的交换表，并含有第三层信息，允许每个交换机自动将每个数据包赋下正确的IP服务。
2 位于网络核心的LSR读每数据包的标签，并根据交换表替换一个新的，这个动作将会在所有中心设备中重复。网络可自动生成路由表，因为路由器或ATM交换机可参与内部网关协议（如OSPF/ISIS）信息交换。LDP使用路由表中的信息去建立相邻设备的标签值，这个标准创建了LSP，领先设置了与最终目的地之间的对应关系，不象ATM永久虚电路，需要人工设置VPI/VCI，MPLS的标签是自动分配的。
3 在出口边缘的LER，除去标签，读数据包头，将其转发到最终目的地。
对于新加的IP商业服务，MPLS最显著的益处在于能够分配标签，这有非常特殊的意义，不同的标签可以区分路由信息，应用类型和业务级别。MPLS减少了数据转发分析IP包头的时间，因为它使用了标签交换的机制，标签只受本地局限，因此，用尽标签的可能性几乎没有，这种特性是实施IP增值服务的基础，如QoS、VPN流量工程。其次，MPLS能够在IP层上实现对第二层协议的路由管理和各种配置的一体化的管理。另外，由于即使目的地址相同，MPLS网络也能根据其不同的输入端口改变路由，因此能够保证可靠性和控制通信质量。
四、结束语
事实上，所有的IP交换解决方案，包括MPLS，都是简单的将IP业务流映射到ATM虚连接上，这些解决方案，将IP路由和ATM交换技术紧密结合，即实现了路由器的智能，又利用了ATM交换机的高效硬件交换。ATM和IP技术各自具有优势，ATM是多业务网络的基础，它可提供安全性，不同用户的QOS以及优越的流量管理机制；IP是一个传统的面向非连接的技术，网络具有很好的扩展性并且独立于任何介质，ATM与IP的完美结合可以比任一项单独技术更优越。
摘自《邮电商情》
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