第三单元 网络交换
1、网络交换的基本概念
网络设备的数据平面（处理报文流）、控制平面（分布式算法）、管理平面（集中控制）
报文处理：路由查找、报文分类、执行动作、报文交换调度、达到输出端口
交换结构：基于时分交换、基于空分调度
基于共享总线的单处理器体系结构：系统使用实时OS，CPU既运行路由协议，也负责报文的转发处理。
基于共享总线的多处理器体系结构：报文转发由线卡的从处理器完成，减少了访问总线的次数。
基于交换结构的多处理器体系结构：交换结构比总线吞吐量更高。
集群路由器体系结构：提高可扩展性和交换处理能力
多核CPU的特点：既有普通CPU的灵活性，同时性能有较大提升，能够提供丰富的业务。（多任务并行处理、易编程灵活升级、多个独立内核运行互不影响）
ASIC芯片：为了满足网络带宽需求爆炸出现的高性能处理器，将IP转发MAC转发以硬件的形式固化下来，广泛应用于二层三层以太网交换机。
NP芯片：既有CPU的灵活性又有ASIC的高性能
2、第三层交换模型
IP流：网络中符合流规范和超时约束的IP报文集合
第三层交换：将报文进行流分类处理，并在IP报文的转发处理中引入面向连接的处理机制
Overlay叠加模型：具有层次式体系结构的特征、网络层和链路层有各自路由协议互相独立
Peer对等模型：基于集成型体系结构的特征、相邻节点平等交换数据、使用数据流概念，由边界路由器决定数据如何穿越。
3、IP over SDH
IP over SDH Protocol Stack：将IP报文直接映射到SDH帧的负荷区、链路层使用PPP协议实现SDH通路的数据传输。就是将以太信号封装在SDH线路中进行传输
SDH信号是一种以字节结构为基础的矩形块状帧结构，由9行和270×N列8 bit字节组成.整个帧结构主要分为三个部分:段开销、管理单元指针和信息净负荷。其中，在净区可以封装各种信息(如PPP帧、ATM信元等)或其混合体，而不管其具体信息结构是什么样的，所以说信息净具有透明性。因此，在SDH调整传输网上可以直接实现IP over SDH技术，也可以间接承载ATM业务。
4、IP over WDM
密集波分复用与光网络：DWDM目前主要使用C波段、光子网由OXC互联而成，光网由光子网互联而成
波长路由的基本方法：
严格路由：按固定的转发配置将波长从输入端口转发至输出端口
重安排路由：由于从不同光纤来的信号可能使用相同的波长，所以在输入端口和输出端口之间存在一个空分多路矩阵，可以重新安排对光纤的使用
严格无阻塞路由：如果出现波长冲突可以通过波长变换来解决，以避免出现阻塞现象
带低维空间交换的严格无阻塞路由：将一个大空分交换设备改成多个小的交换设备
冲突解决：光缓存、波长转换、偏转路由
域服务模型：光网络通过光通路的形式提供传输服务，端系统通过UNI使用标准化的信令请求光通路 信令协议有LDP和RSVP
统一服务模型：从控制平面角度看IP网络和光网络是一个整体。UNI和NNI与其他路由器之间的接口在信令和路由上是一致的。
5、多协议标记交换MPLS
基本概念：基于标记对换和数据流的原理，采用对等交换模型，通往同一个下一跳地点的报文可以用转发等价类的概念来划分，每个等价类走同一路径，用同一种转发策略来处理对应一个流。
MPLS的数据平面：带标记的报文按交换方式转发
MPLS的控制平面：使用现有的IP控制协议和用于交换的标记新协议
MPLS的四种不同形式的流：点到点、颠倒多点、多点到点、多点到多点
LSR：标签交换路由器
MPLS定义了粒度概念：最粗的力度可以将一个网络向另一个网络的流量汇聚成一个流送往边界路由器，最细的粒度允许区分相同两个主机之间不同应用的数据，使LSR可对它们采用不同的转发方法
MPLS的交换机制：LSP的建立（基于IGP建立IP地址的可达性、通过标号分配建立LSP）MPLS的报文转发：使用标记进行Hop by Hop的流量转发、对于收到的每一个报文，以它的标记在交换表中查出相应的输出端口，再用离去的标记代替报文中原来的标记，该从报文的哪个端口输出。
环路处理的三种方式：Loop Survival、Loop detection、Loop prevention
LDP（标记分配协议）：MPLS标记的指派由下行节点确定并通知上行节点，同时可以对LSR所允许的范围进行限定。在使用LDP进行标记分配时，下行节点执行分配规程、撤销规程，上行节点执行请求规程、不可用规程、释放规程和标记使用规程
LDP使用UDP实现发现机制，使用TCP实现其他传输机制
LDP对等体之间分配标记的数值范围称为标记空间、LSR为每个标记空间建立一个LDP会话
LDP四类消息：发现信息、会话信息、公告信息、通知信息
PEER发现：通过链路层直连发现所有的LSR
分配规程：无条件push、有条件PUSH、无条件PULL、有条件PULL
撤销规程：当RD决定取消某个标记的使用时，它要向所以的对等相邻节点发出标记撤销的报文
请求规程：不请求、按需请求、即时请求
不可用规程：如果Rd拒绝了Ru的标记分配请求，则Ru使用不可用规程来确定下一步动作：重试和不再重试。
释放规程：当Rd不再是Ru的下行节点时，Ru适应释放规程来进行反应：释放和不释放
标记使用规程：立即使用、无回路时使用
MPLS优点：MPLS独立与协议、建立固定带宽通道、支持基于策略的网络管理控制
6、OpenFlow
SDN的体系结构：控制层与数据层分离。
Open Flow路由器的主要组成：端口是交换的源宿点、流表中的流表项是报文交换的依据，流表管道实现对报文进行多动作处理、Group面向多宿点或者更复杂的转发语义MeterTable由MeterEntries构成，MeterEntry定义了meters为流提供的各种Qos功能
Open Flow端口：
Open Flow Standard Port：用作输出输入的端口，可成组使用，具有计数器状态和配置
逻辑端口：不直接对于硬件端口的虚拟端口，可以是非Open Flow的方法定义的端口抽象
物理端口：支持Open Flow的交换机硬件接口
Open Flow Reserved Port：保留端口，用于指定一些通用转发动作。
Open Flow交换机：1、OpenFlow-only交换机（对于所有报文只使用基于Open Flow管道的Open Flow操作）2、Open Flow-hybrid交换机（同时支持Open Flow操作和各种传统以太的L2，L3交换操作，因此需要对报文进行分类处理，以转向适合的管道）
Processing pipeline：Open Flow交换机有一个处理管道至少要有一个流表，对报文的不同处理要求分散在各个流表中聚集齐了一并执行，不知道如何处理的直接丢弃；管道中各个步骤的处理必须是一致的。
OpenFLow的流实体
OpenFLow的匹配结构称为OpenFlow Extensible Match，简称OXMTLV
TableMiss：不是缺省项需要各个流表中的显示定义，如果没有定义table-miss表项，对没有发现匹配的报文的缺省处理是丢弃
如果定义了table-miss表项：1、OpenFlow Only交换机：转交SDN控制器 2、Open Flow Hybird交换机：转交常规处理 3、按需另外定义，转下一个流表或丢弃
FlowTable Modification：增加流表项、修改流表项
流表删除：1、删除流表项、2、流表项的删除可通过
FlowTable 同步：如果多个流表被定义为同步，则他们对流表项的修改会自动同步（单向、双向、定义哪些流表同步）
GroupTable：组表项（Group identifier、GroupType、Counters、ActionBuckets）
GroupType：必须的（Indirect、All）、可选的（Select、Fastfailover）
组表的Modification：表达对组的操作
Live nessMonitoring：如果端口存在于数据路径中，并OFPPS_LIVE标志设置在其端口状态。如果出现下列情况，则不能认为该端口是活动的（需要取消OFPPS_LIVE标志）1、Open Flow端口认为该端口不活动2、OFPPC_PORT_DOWN 3、OFPPS_LINK_DOWN
如果一个群体至少有一个桶是活的，那么这个群体就被认为是活的。
Meter Table：定义某个流的meter，它们可以单独使用以实现像限速这样简单的Qos操作，也可以与Per-Port queques组合来实现DiffS俄铝这样复杂的Qos 框架
流表项通过Action list调用meter的表项
Meter Modification：表达对Meter表项的操作
入口处理是数据包进入OpenFlow交换机时发生的主要处理，可能涉及一个或多个流表。
出口处理是在确定输出端口之后发生的处理，它发生在输出端口的上下文中，并且可能涉及零个或多个流表。
Action Set和Action List
每个报文在管道中会有一个actionset其缺省为空，其内容由逐个匹配的流表项中Clear-Actions、Write-Actions指令来修改，并在所有匹配检查完后执行
Action set中的每种类型的动作最多只能有一个，set field对于每个field也最多只能有一个，后出现的动作覆盖前面的动作
ActionList指令序列构成，并按要求序列执行，执行效果累积
如果ActionList中有output动作，则在当前状态拷贝该报文至指定的端口并在该端口启动出口处理
如果ActionList中有group动作则对该报文当前状态的拷贝按对应的group buckets处理，报文拷贝的修改对原报文没有影响
Actions：必须的、可选的
匹配和指令执行：必须的、可选的
Bundle：作为一个整体执行，是交换机的可选功能，与实现有关
Bundle对于控制器是原子的，看不到执行的中间状态
Scheduled Bundles要求时钟服务的支持
计数器分必备和可选两种
OpenFlow交换机协议
•控制器到交换机：消息由控制器启动，用于直接管理或检查交换机的状态
•异步消息：由交换机发起，用于更新网络事件的控制器并更改为交换机状态。
•对称消息：由交换机或控制器启动，无需征集即可发送。
OpenFlow交换机使用Connection URI (RFC 3986)来标识控制信道
双方均可发起连接，但通常是交换机
出于可靠性和负载均衡的要求，OpenFlow交换机可同时使用多个控制器
OpenFow信道可以由一个主信道和多个辅信道构成
SDN的优点
•多厂家环境的集中控制
•控制的集中与自动化可降低管理的复杂性
•对技术更新的适应性更强
•网络的可靠性和安全性增强
•网络控制的粒度更细
•用户体验改善