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1、现代通信网络Modern Telecommunication Network,Lecture 5IP Routing Procotol:OSPF/BGP北邮软件学院：陈候武电话：,IP路由表设计原理,路径：H1-R1-R2-R4-H2设计需要考虑到问题：路由器（Routers）的路由表如何获取？为什么选择这条路径？假设R2与R4的连接断掉，如何通知R1？在Internet中，是否每个路由器都必须了解其它路由器的情况？,IP网络 路由选择【解决方案:回答前面3个问题】,核心路由器与核心体系结构,ARPANET主干网,ARPANET主干网,选路模式 核心网关:构成核心系统，集中管理,提供到所有目的
2、地的路由。外围网关:为外出数据报提供默认路由,发往某核心网关;将核心网关传入的数据报投递到直连的物理网络。,Internet的对等主干结构-契机：NSFNET的引入,问题：【两主干网】间多重接入，造成选路困难。具有非法目的地址的数据报形成选路回路,选路模式：各主干网内部按核心结构方式进行选路 各核心网关拥有对另一部分的默认路由。,目前的Internet结构,Internet的对等主干结构 存在的问题,说明:（1）AS自治的主要内容是选路自治,AS可自由地选择路由算法；（2）AS必须严格界定，并被赋予全局唯一的自治系统号(NIC分配)；（3）主干网络本身也构成一个AS:(教育网【AS4538】)
3、。,主干网(AS),解决方案：使用 AS 自治域结构,CERNET【中国教育网-AS：4538】,（1）AS内部：IGP，比如RIP、OSPF、IS-IS等；（2）AS之间：EGP，最常用的是BGP;（3）EGP通常是一种可达性协议。,Internet:AS路由管理模式:,IP How to routingIP网络怎样选路,Intra-AS and Inter-AS routing,Gateways:perform inter-AS routing amongst themselvesperform intra-AS routers with other routers in their AS
4、,inter-AS,intra-AS routing in gateway A.c,network layer,link layer,physical layer,a,b,a,C,A,B,d,Intra-AS and Inter-AS routing,Host h2,Hosth1,Intra-AS routingwithin AS A,Intra-AS routingwithin AS B,Internet:OSPF,IS-IS,RIP,Internet:BGP,IP路由表 关键问题,Router 选路：2个关键问题,路径存在性路径最优性,路径存在性 机制,路由表的两个普遍特点：路由表中不包含
5、到达所有目的地的路由 路由表中存在默认路由要求：单个路由器为连接关系所做的贡献是局部的 所有路由器组成的系统是完备的问题：如何确保各个路由器维护信息的一致性？答案：不同路由器更新路由表的信息是一致的，使得它们对网络拓扑结构有着一致性的认识。,N1,R1,因特网,目的网络 下一跳 N1 直接 N2 R2 默认 R1,R0路由表,N2,R2,路由表选路原理：,只要目的网络不是 N1 和 N2，就一律选择默认路由把数据报先间接交付路由器 R1，让 R1 再转发给下一个路由器,R0,OSPF Open Shortest Path First 工作原理,Intra AS Routing,内部网关协议 O
6、SPF 基本特点,1.OSPF 协议的基本特点“开放”表明 OSPF 协议不是受某一家厂商控制，而是公开发表的。“最短路径优先”是因为使用了 Dijkstra 提出的最短路径算法SPFOSPF 只是一个协议的名字，它并不表示其他的路由选择协议不是“最短路径优先”。是分布式的链路状态协议。,OSPF：三个要点,向本自治系统中所有路由器发送信息，这里使用的方法是【洪泛法（Flooding）】发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态，但这只是路由器所知道的部分信息。“链路状态”就是说明本路由器都和哪些路由器相邻，以及该链路的“度量”(metric)。只有当链路状态【发生变化】时，路由器才用
7、洪泛法向所有路由器发送此信息。,链路状态数据库-LSD,LSD-link-state database由于各路由器之间频繁地交换链路状态信息，因此所有的路由器最终都能建立一个链路状态数据库。这个数据库实际上就是【全网的拓扑结构图】，它在全网范围内是一致的（这称为链路状态数据库的同步）：【全网 AS使用OSPF的内部】OSPF 的链路状态数据库能较快地进行更新，使各个路由器能及时更新其路由表。OSPF 的更新过程【收敛】得快是其重要优点,OSPF 的区域(area),为了使 OSPF 能够用于规模很大的网络，OSPF 将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫作区域。每一个区域都有一个 32 位
8、的区域标识符（用点分十进制表示）。区域也不能太大，在一个区域内的路由器最好不超过 200 个。,Scalability:Introducing Hierarchy Through Areas,Divide network into regionsBackbone(area 0)and non-backbone areasEach area has its own link-state databaseAdvertise only path distances at area boundaries,OSPF 划分为两种不同的区域,区域,区域,主干区域,至其他自治系统,R9,R7,R6,R5,R4
9、,R3,R2,R1,网 8,网 6,网 3,网 2,网 1,网 7,区域,网 4,网 5,R8,OSPF-划分区域,划分区域的好处就是将利用洪泛法交换链路状态信息的范围局限于每一个区域而不是整个的自治系统，这就减少了整个网络上的通信量。在一个区域内部的路由器只知道本区域的完整网络拓扑，而不知道其他区域的网络拓扑的情况。OSPF 使用层次结构的区域划分。在上层的区域叫作主干区域(backbone area)。主干区域的标识符规定为。主干区域的作用是用来连通其他在下层的区域。,OSPF-主干路由器【Backbone】,区域,区域,主干区域,至其他自治系统,R9,R7,R6,R5,R4,R3,R2,
10、R1,网 8,网 6,网 3,网 2,网 1,网 7,区域,网 4,网 5,R8,OSPF-区域边界路由器,区域,区域,主干区域,至其他自治系统,R9,R7,R6,R5,R4,R3,R2,R1,网 8,网 6,网 3,网 2,网 1,网 7,区域,网 4,网 5,R8,OSPF 直接用 IP 数据报传送,OSPF 不用 UDP 而是直接用 IP 数据报传送。OSPF 构成的数据报很短。这样做可减少路由信息的通信量。数据报很短的另一好处是可以不必将长的数据报分片传送。分片传送的数据报只要丢失一个，就无法组装成原来的数据报，而整个数据报就必须重传。,OSPF 的其他特点,OSPF 对不同的链路可根
11、据 IP 分组的不同服务类型 TOS 而设置成不同的代价。因此，OSPF 对于不同类型的业务可计算出不同的路由。如果到同一个目的网络有多条相同代价的路径，那么可以将通信量分配给这几条路径。这叫作多路径间的负载平衡。所有在 OSPF 路由器之间交换的分组都具有鉴别的功能。支持可变长度的子网划分和无分类编址 CIDR。每一个链路状态都带上一个 32 位的序号，序号越大状态就越新。,IP 数据报,OSPF 分组,IP数据报首部,OSPF 分组,OSPF 分组首部,类型 1 至类型 5 的 OSPF 分组,24 字节,0,8,16,31,版 本,路 由 器 标 识 符,类 型,分 组 长 度,检 验
12、和,鉴 别,位,鉴 别,区 域 标 识 符,鉴 别 类 型,OSPF 的五种分组类型,类型1:问候(Hello)分组。类型2:数据库描述(Database Description)分组。类型3:链路状态请求(Link State Request)分组。类型4:链路状态更新(Link State Update)分组，用洪泛法对全网更新链路状态。类型5:链路状态确认(Link State Acknowledgment)分组。,OSPF的基本操作,确定可达性,OSPF 使用的是可靠的【洪泛法】,更新报文,t,ACK报文,R,R,R,R,t1t2t3t4,OSPF 的其他特点,OSPF 还规定每隔一段
13、时间，如 30 分钟，要刷新一次数据库中的链路状态。由于一个路由器的链路状态只涉及到与相邻路由器的连通状态，因而与整个互联网的规模并无直接关系。因此当互联网规模很大时，OSPF 协议要比距离向量协议 RIP 好得多。OSPF 没有“坏消息传播得慢”的问题，据统计，其响应网络变化的时间小于 100 ms。,OSPF 举例：,选路说明,2台省干核心设备M320和GSR12416作为BGP RR（路由反射器）省干采取BGP模式,BGP的Cummunity属性可以间接标识IP地址，具有灵活、统一、方便、立体表达的优点.城域网出口向下采用了OSPF路由协议，和各BAS及SR设备建立OSPF区域关系，区域
14、划分灵活，管理简单。出口两个路由器的缺省路由由省干两个路由器的IBGP邻居关系学习过来 其他的NE80及下挂的S8500和NE80E之间运行OSPF协议，由于路由器比较少，都运行在AREA0就可以了,BGP Border Gateway Protocol 工作原理,Inter AS Routing,外部网关协议 BGP,BGP 是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议。BGP 较新版本是 2006 年 1 月发表的 BGP-4（BGP 第 4 个版本），即 RFC 4271 4278。可以将 BGP-4 简写为 BGP。,BGP 使用的环境却不同,因特网的规模太大，使得自治系统之间路由选择
15、非常困难。对于自治系统之间的路由选择，要寻找最佳路由是很不现实的。当一条路径通过几个不同 AS 时，要想对这样的路径计算出有意义的代价是不太可能的。比较合理的做法是在 AS 之间交换“可达性”信息。自治系统之间的路由选择必须考虑有关策略。因此，边界网关协议 BGP 只能是力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由（不能兜圈子），而并非要寻找一条最佳路由。,BGP 发言人-(BGP speaker),每一个自治系统的管理员要选择至少一个路由器作为该自治系统的“BGP 发言人”。一般说来，两个 BGP 发言人都是通过一个共享网络连接在一起的，而 BGP 发言人往往就是 BGP 边界路由器，但也可以
16、不是 BGP 边界路由器。,BGP 交换路由信息,一个 BGP 发言人与其他自治系统中的 BGP 发言人要交换路由信息，就要先建立 TCP 连接，然后在此连接上交换 BGP 报文以建立 BGP 会话(session)，利用 BGP 会话交换路由信息。使用 TCP 连接能提供可靠的服务，也简化了路由选择协议。使用 TCP 连接交换路由信息的两个 BGP 发言人，彼此成为对方的邻站或对等站。,BGP 发言人和自治系统 AS 的关系,BGP 发言人,BGP发言人,BGP 发言人,BGP 发言人,BGP发言人,AS1,AS3,AS2,AS5,AS4,AS：连通图举例,BGP 所交换的网络可达性的信息就
17、是要到达某个网络所要经过的一系列 AS。当 BGP 发言人互相交换了网络可达性的信息后，各 BGP 发言人就根据所采用的策略从收到的路由信息中找出到达各 AS 的较好路由。,BGP 发言人交换路径向量-【1】,主干网（AS1）,地区 ISP（AS2）,地区 ISP（AS3）,本地 ISP（AS6）N5,本地 ISP（AS7）N6，N7,自治系统 AS2 的 BGP 发言人通知主干网的 BGP 发言人：“要到达网络 N1,N2,N3 和 N4 可经过 AS2。”,BGP 发言人交换路径向量-【2】,主干网（AS1）,地区 ISP（AS2）,地区 ISP（AS3）,本地 ISP（AS4）N1，N2
18、,本地 ISP（AS5）N3，N4,主干网还可发出通知：“要到达网络 N5,N6 和 N7 可沿路径（AS1,AS3）。”,BGP：另一个例子,BGP 协议的特点-【1】,BGP 协议交换路由信息的结点数量级是自治系统数的量级，这要比这些自治系统中的网络数少很多。每一个自治系统中 BGP 发言人（或边界路由器）的数目是很少的。这样就使得自治系统之间的路由选择不致过分复杂。,BGP 协议的特点-【2】,BGP 支持 CIDR，因此 BGP 的路由表也就应当包括目的网络前缀、下一跳路由器，以及到达该目的网络所要经过的各个自治系统序列。在BGP 刚刚运行时，BGP 的邻站是交换整个的 BGP 路由表
19、。但以后只需要在发生变化时更新有变化的部分。这样做对节省网络带宽和减少路由器的处理开销方面都有好处。,BGP-4 共使用四种报文,(1)打开(OPEN)报文，用来与相邻的另一个BGP发言人建立关系。(2)更新(UPDATE)报文，用来发送某一路由的信息，以及列出要撤消的多条路由。(3)保活(KEEPALIVE)报文，用来确认打开报文和周期性地证实邻站关系。(4)通知(NOTIFICATION)报文，用来发送检测到的差错在 RFC 2918 中增加了 ROUTE-REFRESH 报文，用来请求对等端重新通告。,BGP 报文具有通用的首部,BGP 报文通用首部,字节 16 2 1,BGP 报文主体
20、部分,类 型,长 度,标 记,TCP首部,IP 首部,BGP 报文,TCP 报文,IP Router:Routing Process【路由处理过程】,【Forwarding/转发】和【Routing/路由选择】,【Forwarding/转发】就是路由器根据转发表将用户的 IP 数据报从合适的端口转发出去。【Routing/路由选择】则是按照分布式算法，根据从各相邻路由器得到的关于网络拓扑的变化情况，动态地改变所选择的路由。路由表是根据路由选择算法得出的转发表是从路由表得出的。在讨论路由选择的原理时，往往不去区分转发表和路由表的区别，,MPLSMulti-protocol Label Switc
21、hing【多协议标记】交换技术,What is MPLS?,Over the last few years,the Internet has evolved into a unique network and inspired the development of a variety of new applications in business and consumer markets.These new applications(voice and multimedia services)have driven the demand for increased and guaranteed
22、 bandwidth requirements in the backbone of the network.the demands placed on the network by these new applications and services,in terms of speed and bandwidth,have strained the resources of the existing Internet infrastructure.,MPLS Overview,Another challenge relates to the transport of bits and by
23、tes over the backbone to provide differentiated classes of service to users.Class of service(CoS)and QoS issues must be addressed to in order to support the diverse requirements of the wide range of network users.As the demand for higher speed and the ability to support higher-bandwidth transmission
24、 rates emerged,devices with capabilities to【switch】at the Level-2(data link)and the Level-3(network layer)in hardware had to be deployed.IP网络需要使用这样的设备：以硬件的功能进行：在数据链路层(第2层)交换在网络层(第3层)交换【不是选路】,MPLS Overview(2),Layer-3 switching devices helped alleviate the bottleneck in Layer-3 routing by moving the【r
25、oute lookup】for Layer-3 forwarding to【high-speed switching hardware】.在第3层实现交换 将以路由表搜索后的结果进行路由转发，改变为以”硬件高速功能进行交换”Routing protocols today are based on algorithms designed to obtain the shortest path in the network-do not take into account additional metrics(such as delay,jitter,and traffic congestion)
26、,which can further diminish network performance.Traffic engineering is a challenge for network managers.Solution:MPLS will play an important role in the routing,switching,and forwarding of packets through the next-generation network in order to meet the service demands of the network users.VCS-virtu
27、al circuit switching！,Best of Both Worlds:PS and CS,Multiprotocol label switching(MPLS)MPLS+IP form a middle ground that combines the best of IP and the best of virtual circuit switching technologiesATM and Frame Relay cannot easily come to the middle so IP has!,The Problem We have?,We cant get ther
28、e from here using traditional technologies:ATM or Frame Relay virtual circuitsIP tunnelingEncryptionNetwork address translationWhy?Functionality trade-offsComplexityCostService degradation,The Solution:MPLS,A new paradigm that delivers the best of both worlds:Privacy and QoS of ATM and Frame RelayFl
29、exibility and scalability of IPFoundation for IP business services:Flexible grouping of users and value-added servicesLow-cost managed IP services:Scalabilitysmall to large private networks,MPLS:New Industry Standard for Carrier Networks,What is it?Multiprotocol Label SwitchingEmerging IETF industry
30、 standardBased on Ciscos tag switching How does it work?Forwards packets based on labels Packets are switched,not routedLabels represent destination and service attributes(CoS,PrivacyVPNs,traffic engineering)Multiple mechanisms for assigning and distribution labels(Tag Distribution Protocol,Label Di
31、stribution Protocol,Resource Reservation Protocol,Border Gateway Protocol Version 4),Why MPLS in the Internet?,Integrate best of Layer 2 and Layer 3Keep up with growthReduce operations costsIncrease reliabilityCreate foundation for new revenue from advanced IP services,MPLS Terminology,Label Switch
32、Router(LSR)=Router=ATM Switch+LSC,Label Distribution Protocol(LDP),ATM Edge LSR,Edge functions,Core Functions,Label Edge Router=LER,Label Header-Packet Media,Can be used over Ethernet,802.3,or PPP linksContains everything needed at forwarding timeOne word per label,Label=20 bitsExperimental=Class of
33、 Service,3 bitsS=Bottom of Stack,1 bitTTL=Time to Live,8 bits,Label Switched Path,Label Distribution Protocol(LDP),ATM Edge LSR,Edge Functions,Core Functions,LSP,PE1,PE10,MPLS Operation-1,CE,CE,PE,PE,1.Existing routing protocols(e.g.,OSPF,IS-IS,BGP)establish reachability to destination networks.,CE-
34、Custom Edge Router PE-Provider Edge Router,1.Existing routing protocols(e.g.,OSPF,IS-IS)establish reachability to destination networks.,MPLS Operation-【2】,2.Label Distribution Protocol(LDP)establishes label-to-destination network mappings.,1.Existing routing protocols(e.g.,OSPF,IS-IS)establish reach
35、ability to destination networks.,2.Label Distribution Protocol(LDP)establishes label-to-destination network mappings.,MPLS Operation【3】,3.Ingress Edge LSR receives packet,performs Layer 3 value-added services,and“labels”packets.,1.Existing routing protocols(e.g.,OSPF,IS-IS)establish reachability to
36、destination networks.,2.Label Distribution Protocol(LDP)establishes label-to-destination network mappings.,3.Ingress Edge LSR receives packet,performs Layer 3 value-added services,and“labels”packets.,4.LSR switches packets using label swapping.,MPLS Operation【4】,1.Existing routing protocols(e.g.,OSP
37、F,IS-IS)establish reachability to destination networks.,2.Label Distribution Protocol(LDP)establishes label-to-destination network mappings.,3.Ingress Edge LSR receives packet,performs Layer 3 value-added services,and“labels”packets.,MPLS Operation-【5】,4.LSR switches packets using label swapping.,5.
38、Egress LSR removes label and forwards standard IP packet to customer.,Router MPLS Example:Distributing Routing Information,Router MPLS Example:Forwarding Packets,Packets are forwarded on thebasis of IP address.,Router MPLS Example:Routing Information,Router MPLS Example:Assigning Labels,Router MPLS
39、Example:Forwarding Packets,LER,LER,LSR,MPLS Label Encapsulation【标签内嵌】,MPLS Encapsulation is specified over various media types.Top labels【顶层标签】may use existing formatLower label(s)【底层标签】use a new“shim”【垫片】label format.注意：Label encapsulation:【使用2层标签：内/外层】,Label Encapsulations,ATM Cell Header,PPP Head
40、er(Packet overSONET/Synchronous Digital Hierarchy),LAN MACLabel Header,MPLS案例分析：理论与实践华为：Seamless MPLS Networking,华为：无缝MPLS网络结构,Seamless MPLS networking refers to the formation of a unified IP/MPLS control plane for all the IP devices managed by operators,including access(fixed/mobile),convergence,an
41、d backbone devices.The formation of a unified IP/MPLS control plane：无缝MPLS网络结构-形成一个统一的IP/MPLS控制平面 运营商通过这个“统一的IP/MPLS控制平面”来管理所有的IP设备：包括：接入设备（固定/移动）汇聚设备 骨干网设备TR101-Technical Report DSL Forum TR-101,IP城域网：TR101网络结构-【水平结构】,IP城域网：TR101网络结构-【垂直结构】,分析：TR101网络结构,用户CPE Access LoopAccess Network：AN（Access Nod
42、e）DSLAM V 接口Ethernet Aggregation 华为：S8500华为：MA5200 功能：IP城域网核心层的BRAS（MA5200G）设备上进行认证、分配用户IP地址 BB Network Gateway Broad Band 华为：NE80E路由器Regional Broadband Network(城域网),TR101网络结构：问题举例【1】,The model defines the V interface between the access node（AN）and Ethernet convergence network/node To identify diffe
43、rent DSL ports for services and user access through the 2-layer TAG【2层标签】In a typical metro MPLS networking scenario,the VLAN must be configured in more nodes(AN,UPE,AGG,and PE)AN-Access NodeUPE-User-facing PEAGG-Aggregation NodePE-Provide Edge,TR101网络结构：问题举例【2】,According to Fixed-Mobile Convergence
44、(FMC)requirements,the AN must be accessed to the mobile bearer services to connect the base station and mobile gateway,including ATM,TDM,and the Ethernet.【移动业务】The function of the IP bearer network is more important due to service access density and the migration of telecom services.Users require gr
45、eater access reliability.,【华为】TR101网络结构：解决方案：Introduction of Seamless MPLS Networking Technologies,无缝MPLS网络结构原理：用MPLS 云-实现【端到端】控制,用MPLS云-实现端到端控制优点：,With Seamless MPLS architecture,the entire network uses unified IP/MPLS networking technology,with an end-to-end control plane.The V interface between t
46、he AN and Ethernet convergence is eliminated.【V接口被取消】All services can be transferred to the specified service processing points through the MPLS pipe at service access points.【SAP】所有业务可在业务接入点（SAP）通过MPLS管道传送到特定的业务处理点,Seamless MPLS route area-based deployment,Seamless MPLS route area-based,The entire
47、route domain of the Seamless MPLS is divided into three layers:the backbone node【骨干节点】metro convergence node【城域汇聚节点】AN node.【AN 接入节点】Serving【业务】as the ABR（Area Border Router）,the PE in the backbone network converges area routes and advertises them to other areas,网络结构比较：TR101与MPLS,网络结构比较：TR101与MPLS【2
48、】,In TR101 architecture,multiple nodes such as access nodes,metro UPE,metro PE-AGG,and the backbone PE must be configured to provide Ethernet private line services between the inter-metro DSLAMs.In addition,the VLAN planning is required.In seamless networking,only the access nodes【AN】on both sides a
49、re configured in the dynamic PWE3 mode to provide Ethernet private line services.PWE3-Pseudo-Wire Emulation Edge-to-Edge,网络业务-只需配置AN节点,Unified and Simplified Bearer Technology,With seamless networking technology,the access(fixed/mobile),convergence,and backbone devices connect through the unified IP
50、/MPLS control layer.In seamless networking,only the access nodes【AN】on both sides【收端/发端】are configured in the dynamic PWE3 mode to provide Ethernet private line services.,MPLS信令流程：(uni-directional：左 右),UPE-A to ABR-B：标签配置【Metro A】,Two-layer tunnel from the UPE-A to ABR-B：The external layer is the tu
