【大话传送网-学习笔记】IP

1.IP与MSTP

2.二层交换

2.1 底层直连——物理层

2.2 二层交换——交换机

2.3 二层交换——VLAN

3.三层路由

3.1 IP地址

3.2 子网

3.3 网关

3.4 路由

3.5 动态路由协议

4.IP与MPLS

4.1 MPLS

4.2 MPLS网络

5.VPN

5.1 概念

5.2 MPLS VPN

随着无线数据业务的快速发展，电话网和计算机网逐渐融合，分组传送网的原型是IP网，是数据网设备二层交换、三层路由技术发展来的，IP数据网用于解决不同地点的计算机（主机）互相通信的问题。

1.IP与MSTP

计算机网络是一个有着巨大的用户群体的另一个通信“王国”，这个“王国”被IP技术统治，其业务靠宽带接入网接入，依托IP数据网承载。移动电话网是E1的天下，移动网业务接入之后靠MSTP网承载。IP数据网基本是和MSTP网平行的，除了都需要依靠OTN系统承载之外，两者的联系并不多。

MSTP向IP发展的必然原因在于以下三点：

①从带宽数据角度，一个基站的话音业务用两个E1基本足够，而数据业务的单基站带宽从0发展到超过100M，这两个业务的数量级不在一个层次上，两种业务要承载于一个网络上时，技术的选择一定倾向于业务量大的一方

②从技术特点角度，SDH为话音业务而生，IP为数据业务而生，两者的技术特点完全不同。SDH的刚性带宽，发送的是固定频率的帧，IP发的是数据包（Packet，也叫分组），数据量大就多发，数据量小就少发，对于突发性很强的数据业务来说，可以实现带宽的统计复用（把公共信道的时隙实行“按需分配”，动态地分配信道时隙），提高带宽利用率。

③从设备集成度来看，SDH的常见数据接口板一般是两口GE或者8口FE，这还是核心汇聚层设备；而分组的接入层设备单板就是8口GE，汇聚层可以达到24口、48口GE等，可见，在承载数据业务的前提下，分组传送网基本可以“秒杀”MSTP。

2.二层交换

关于计算机网络互联，ISO定义了OSI（开放系统互联）7层参考模型，其中应用、表示、会话上三层属于资源子网，物理、链路、网络下三层属于通信子网，传输层是资源子网和通信子网之间的桥梁。通信的连接与之类似，上面的连接都是逻辑的，最后都得下到物理层。

站在OSI模型的角度看，MSTP和OTN虽然分了很多层，对应于OSI层级来讲，全都属于物理层，没有地址的概念，1条E1也好，10G也好，到了一个站点设备并不负责去分析你应该走哪条路，路径都是网管给配置好的，设备不会思考，只管执行命令，MSTP和OTN的不同层级只是传送的颗粒大小有所区别。

2.1 底层直连——物理层

“只要物理连接没问题，物理层就完成任务了”

举例：

①假如只有A和B两台主机需要通信，只需要通过网线将两个主机的网卡连接在一起就可以，中间不需经过交换机、路由器等设备。主机A和B的通信不依赖地址，就是顺着网线把信号传到对端的网卡上。这里说的是不依赖地址，而不是没有地址，每一层该有的地址都会有，不依赖地址的意思是说，不管地址是什么，数据都会到达对方那里，而如果到了对端你的地址写错了，对端也是不理你的，这也就是物理层通了，但上层没通。

②如果A和B的通信再加入主机C和D，A、B、C、D一共4台主机要互相通信，我们也可以将A、B、C、D通过集线器（Hub）连接到一起，相当于4台主机共享一条总线，彼此间时分复用，这时网络还是工作在物理层。由于大家都连在同一条线上，A如果说话，B、C、D全部都能听到，也就是大家处于同一个广播域，而如果两台主机同时说话，信号就会发生撞车，这种情况叫作大家处于同一个冲突域。

集线器的特点：所有端口处于同一个冲突域和广播域。

2.2 二层交换——交换机

二层交换是根据MAC地址（物理地址）转发的。

MAC地址：每一个主机的网卡和网络设备的接口在出厂时都预先分配了一个MAC地址，是一个独一无二的标识，一般情况下不会更改。MAC地址共48bit，为了读写方便通常用12个十六进制数字来表示，比如00-EO-FC-00-00-06，其中前24位由国际标准组织IEEE分配给设备厂商，后24位由厂商自己定义。

举例：

同样是A、B、C、D这4台主机通信，如果把集线器换成二层交换机，A、B、C、D分别连接到交换机的1~4号端口下，这时4台主机就组成了一个小的二层局域网，虽然从外观上看交换机和集线器几乎一模一样，但是主机间通信的机制完全不同，具体如下图所示。

上图过程当中，交换机得到了A和D的两个MAC地址，下一次发往A和D的数据将直接发到所对应的端口，不再广播寻找。每个主机发送给交换机的帧里都有源MAC地址，相当于自报家门，交换机根据源MAC地址建立MAC地址表这个过程叫作学习，经过了如此这般若干个回合之后，交换机对于各个端口和主机的对应关系已经熟记于心，形成了MAC地址和端口的对应表，也就是完整的MAC地址表。

交换机的特点：所有端口处于同一个广播域（A说话，BCD都能听到），同时实现了冲突域的隔离（ABC同时说话时，交换机会逐个缓存，避免冲突）。

2.3 二层交换——VLAN

二层交换是一个局域网的技术，我们通过二层交换机，可以组建校园网、办公网等小型网络，如果一个交换机的接口数量不够，或者各个办公室之间距离稍有点远，可以采用交换机级联的方式组网，交换机下面再下挂交换机。由于交换机所有端口都处于同一个广播域，级联组网的数量越大，广播越麻烦。此时可以采取某种技术，将一个局域网的广播域的范围缩小，这就是VLAN。

定义：虚拟局域网（VLAN，Virtual Local Area Network），是一种将局域网从逻辑上划分成一个个更小的局域网，VLAN之间在二层上是隔离的，从而实现虚拟工作组的数据交换技术。从物理上来说，所有的主机下挂在一个交换机下，逻辑上通过VLAN划分，相当于将一个交换机分成若干个逻辑上独立的交换机，各个部门的主机之间隔离开，不会收到其他VLAN的广播。

从定义上可以看出，VLAN之间在二层之间是隔离的，当VLAN之间有通信需求时，就要用到更高层面的互通——三层路由。

3.三层路由

不同LAN、VLAN之间的互通需要三层路由器来实现，路由器之间发送的是IP数据报，三层网络通过IP地址实现寻址功能。

3.1 IP地址

定义：IP地址是IP提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址（和物理地址对应），一台主机的IP地址随着其所处的位置不同而更改，我们每换一个办公地点或者酒店就会被分配一个新的IP地址，就像通信地址会随着我们所处城市的改变而变化。

特点：一个IP地址可以包含多台主机，比如一个A类地址110.0.0.0就包含了从110.0.0.1至110.255.255.254共1600多万台主机，在路由器的路由表中只要一行就可以表达，而MAC地址和主机是一对一的关系，无法去合并表示，有1600万台主机通过二层交换机组网，交换机的MAC地址表就要有1600万行。

组成结构：IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个“8位二进制数”，也就是4个字节，为了读写方便，IP地址通常转换为“点分十进制”表示成（a.b.c.d）的形式，其中，a、b、c、d都是0~255之间的十进制整数，比如192.168.0.1。
InternetNIC在全球范围内统一分配IP地址，将IP地址空间划分为A、B、C、D、E共5类，其中A、B、C是基本类，D、E类作为多播和保留使用，如下图所示。

每类地址的网络号和主机号的位数不同，网络号的位数决定了该类网络的数量，主机号的位数决定了该类网络容纳主机的个数，就像手机号一样，手机号的位数就决定了最大用户数量。

InternetNIC规定一部分IP地址用于局域网使用，也就是私网IP，不在公网中使用，分别是：10.0.0.0~10.255.255.255、172.16.0.0~172.31.255.255、192.168.0.0~192.168.255.255。

3.2 子网

定义：子网是将IP地址中的主机号部分再划出一些作为子网号，这样一个IP地址又可以划分成多个子网来使用，比如一个256的C类地址可以分成4个64台主机的子网，也可以分成8个32台主机的子网，这样IP地址的使用效率大大提高。

有时一个C类地址不够用，要用两个C类地址，就需要将两个C类地址合并代表这一个网络，要从网络号中挪出一部分作为主机号使用，即突破传统的束缚和界限，需要设备能够了解并认可这种做法，需要支持无类域间路由（CIDR，Classless Inter-Domain Routing）。

子网划分：在接入一个网络的时候，需要先设置子网掩码，网络设备通过子网掩码能够计算出IP地址中哪些位表示子网号，哪些位是主机号，从而将一个IP地址细分使用。

通过IP地址、子网掩码、VLAN将所有的主机划分成一个个网络或者子网，也就是局域网，无数个局域网组成了广域网。同一个局域网的主机处在一个封闭空间里，彼此都是内网主机，而其他网络的主机对于本网的主机来说就都是外网。

3.3 网关

在局域网内部，主机间通过二层交换的方式通信，而不同局域网的主机之间在二层是彼此绝缘的，利用二层交换永远联系不上外网主机，需要通过三层路由去实现。

定义：网关，顾名思义，就是网络关口，也就是内网和外网之间的那道门，是二层网络和三层网络之间的桥梁，所有要出入本网络的数据均由网关来转发，就像海关一样，里面和外面的世界我不管，但是要进来和出去的，就必须经过我这一道关口。

功能：如果一个主机需要和另外一台主机通信，通过IP地址发现目的主机和自己不在一个网段内，就会将数据包丢给网关。数据包的目的IP是目标主机的IP地址，而目的MAC地址是网关的MAC地址。如果主机并不知道网关的MAC地址，就要发送ARP请求，通过网关的IP地址获得网关的MAC地址。

路由器与网关：内网的主机要与外网的主机通信，首先得经过网关。对于某一个网络来说，路由器和它相连的那个接口就是这个网络通往外部的网关，路由器这个接口的IP地址就是这个网络的网关地址，也就是我们在上网之前都要配置的网关地址。路由器的各个接口连接的是一个个网络，是不同网络之间沟通信息的中转站。

3.4 路由

“发往外网的数据包到达了网关，从此就进入了一个IP的世界，规则也从二层交换变成了三层路由。”
路由表：交换机有MAC地址表，同样路由器也有一张IP地址对应出口的路由表，路由器根据这张路由表查找转发，每一次转发都离终点近一步，这样一步一步就到达了终点。路由表中有三种路由：静态路由、动态路由和缺省路由，对应三种建立路由表的方式。

①静态路由是靠管理员手工配置的，每个IP地址对应的出口都是一条一条地由网管敲上去的，对于路由器就是死命令，和MSTP的业务配置有些类似，如果网络结构发生变化，或者某条路断了走不通，静态路由是不会变通的，依然按照路由表去严格执行命令。如果需要改变路由条目，就需要网管上重新修改。

②动态路由是路由器根据路由协议来交换路由信息。路由器之间使用某种算法传递或者计算生成路由表，动态路由协议是智能的、自动的，在网络节点发生变化或链路故障时，路由协议会自动计算和更新拓扑结构，重新计算可用的路由，而不需要人工维护。

③缺省路由也是通过网管配置的，当目的IP地址在路由表中查不到时，路由器不知道数据包该往哪儿发的时候，就按缺省路由转发。

路由器查找路由顺序为：静态路由一动态路由一缺省路由。路由的过程就像我们在高速公路上行驶，在经过每一个岔路口（路由器）的时候，都会有一个指示牌（路由表），指引我们到正确的方向。其实路由器并不知道最终目的地具体在哪里，也不知道从起点到终点全程的路线怎么走，只要我们在每个岔路都知道选择正确的方向，就一定会一步一步地接近目的地。

通过“二层交换+三层路由”的方式，一个局域网可以只使用一个公网地址，而在局域网内部可以使用私网地址，可以节省大量的IP地址资源。数据包从内网到外网时，需要做一个私网到公网地址的转换（NAT，Network Address Translation，网络地址转换）。

3.5 动态路由协议

动态路由协议分类（①②③）：

①按照使用区域的不同，分为内部网关协议（IGP，Interior Gateway Protocol）和外部网关协议（EGP，Exterior Gateway Protocol），也叫域内和域间路由协议。其中的 “域”指自治域（AS，Autonomous System），自治域是在单一技术管理体系下的多个路由器的集合。自治域就是可以由同一个管理者去管理的多个路由器。在一个自治域内使用IGP，比如RIP、IS-IS、OSPF，而不同自治域之间，联通和移动的网络要互通，就要使用EGP去传递路由。

②按照算法不同可以分为距离矢量协议（Distance Vector）和链路状态路由协议（Link State）。对于距离矢量协议来说，距离多少是评判路由器路由好坏的唯一标准，这个“距离”是指数据包到达目的地经过了多少个路由器，也就是跳数，如果是路由器的直连网络，跳数就是1，每经过一台路由器，跳数就加1。但有时候只靠距离是不足以反映网络真实情况的，马路有宽有窄，有的畅通，有的拥堵，距离最近的路并不一定能够最快到达，网络也是一样，如果需要根据路况信息去选择最优的路径，就需要使用链路状态协议。

③路由协议还分为公有协议和私有协议，RIP、OSPF、IS-IS等就是公有协议，大家都可以用；而像IGRP、EIGRP这种是思科的私有协议，只有在思科的设备上才能用。

RIP协议：①路由器先在自己的路由表里写上自己“邻居”的名字，并注明距离为1。②路由器“邻居”之间继续交流各自收集到的信息，收到自己路由表中没有的路由就会添加到路由表中。如此一番之后，大家都知道了到达每个网络的出口、下一跳、距离，就形成了完整的路由表。③路由器隔一段时间会重新发送一次路由更新，大家收到了就知道该路由正常，但如果某个路由在规定的时间内仍然没有更新，路由器就认为该路由已经失效，要是再过一会仍然没收到，就将该条路由从路由表中删除。

OSPF协议：①每个路由器通过Hello机制认识了自己的左邻右舍。②将自己的“邻居”的信息形成链路状态广播（LSA，里面能看出发这个信息的路由器有哪些“邻居”以及对应的链路Cost值）之后泛洪（将某个接口收到的数据流从除该接口之外的所有接口发送）出去。收到信息的路由器再继续泛洪，让LSA传到每一个路由器。所有的路由器都收到了其他路由器的所有的LSA后，形成了链路状态数据库（LSDB，Link State DataBase）。整张网络的所有路由器的连接关系就呈现出来了。③用SPF算法计算最短路径，路由表就形成了

BGP协议：上面的两个IGP完成了一个自治域（AS）内设备路由的建立，AS之间依靠EGP传递路由，而BGP（边界网关协议）是目前唯一使用的EGP。EGP是协议类型，BGP是具体的协议名称。BGP有两种连接关系：一种是IBGP，就是同一个AS内的BGP。另一种是EBGP，是不同AS之间的BGP。IBGP就像是中国的外交官之间的关系，而EBGP就像是中国和外国外交官之间的关系。

4.IP与MPLS

IP是一张面向无连接的网，是一张尽力而为的网络。但对于“电信级”业务，要的不是尽力而为，要的是必须保证。传送网以强大的保护倒换作为保障，业务恢复的时间小于50ms。而IP网一条链路断了，可能要几秒甚至几分钟去重新计算路由，所以需要一个办法，让无连接的IP网变成有连接，以便实现维护管理、保护倒换等传送网所要求的一系列功能，提高可靠性，实现这一步质变的技术基础就是MPLS。

4.1 MPLS

原理：例如100个人过来问路，他们的目的地是同一个地方，都是去东大街，就没有必要给每个人都说一遍东大街怎么走，只要给第一个人指路之后，告诉后面的人，全部跟着第一个人走就好了。对于数据包的路由，我们同样可以只对第一个数据包进行路由选择，后面的相同目的地的数据包都贴上相同的标签，按照第一次路由的结果进行转发，这就是MPLS。

对于MPLS网络来说，到相同的目的地的数据包被分发相同的标签，走相同的路径，这样就在IP网中打通一条虚拟的“路”（隧道），也就是将IP网从无连接变成了有连接的网络

IP数据包在进入MPLS网络中就被披上了另外一层外衣（标签），在穿过整个MPLS网络时，每一个设备不再依靠IP地址路由，而是通过这个标签一步步到达出口，到了出口处脱下外衣，该怎么走还怎么走。

定义：多协议标签交换（MPLS，Multi-Protocol Label Switching），是一种用标签交换代替路由，实现数据包快速转发的技术体系，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。

4.2 MPLS网络

MPLS网络组成如下图所示，在MPLS边缘的路由器（LER）将IP地址映射为简单的、具有固定长度的标签，将标签添加到二层和三层帧格式之间，在MPLS网络的内部标签交换路由器（LSR）使用标签快速交换代替路由。

其中主要包括①FEC②LSP③LER④LSR：

①FEC：转发等价类（Forwarding Equivalence Class）。如果入口路由器收到的数据包目的IP相同，都是到达同一子网的，则这些数据包就属于同一类，叫作转发等价类，原理中的100个人就属于同一个转发等价类。

②LSP：标签交换路径，一个FEC在MPLS网络中走过的路径，即原理中100个人同时走过的路。

③LER：标签边缘路由器。LER连接MPLS域和非MPLS域，实现FEC划分，IP包进来为之分发标签，离开时为其剥去标签露出IP头。

④LSR：标签交换路由器（Label Switching Router）。MPLS区域内部的路由器，负责标签交换和标签分发。LSR和IP路由器的功能一样，IP路由器看IP地址，LSR看标签。

5.VPN

实际应用中，运营商的传送网要承载无线、宽带、大客户专线等业务，可能在一个站点下面同时下挂了某大客户CE路由器、移动基站（NodeB）、宽带接入网OLT等设备，这些业务都从此站点要去往中心局。

我们需要将同一条隧道承载的业务彼此隔离开，让基站和企业用户之间彼此感受不到对方的存在，这就需要用到VPN（虚拟专用网）技术，如下图所示。

5.1 概念

VPN是一种逻辑上的专用网络，但本身却不是一个独立的物理网络。VPN就是在利用公共网络建立虚拟私有网，是用某种技术在公网上面建立一条条的虚拟连接，将公司的各个分部连接起来。VPN用户与其他用户视而不见，也就是逻辑上的隔离。

5.2 MPLS VPN

MPLS VPN，顾名思义就是用MPLS技术去实现VPN，是VPN的一种实现方式。

运营商网络内部的设备分为两种：P（运营商核心路由器）和PE（运营商边缘路由器）。这里说的P和PE是VPN对不同位置和功能定位的设备的叫法，一般情况下，P和MPLS里的LSR对应，PE和MPLS里的LER对应。P和PE是从运营商设备和用户设备之间关系的角度出发，而LER和LSR是从标签的分配、交换的角度出发，两者强调的重点不同。CE是用户边缘设备，也就是用户自己的设备中和运营商相连的那个。一个PE下的一个VPN用户可能有一个或多个CE，这些CE就称之为一个Site（站点）。

VPN网元举例：比如A公司北京有两台路由器，上海有三台路由器，想通过运营商去开通一个VPN，将这5台路由器连接起来。这5台路由器都连接运营商设备，那它们就都是CE，北京的两台连接到运营商的一台路由器上，运营商的这个设备就是PE。上海同样也有一个PE和三个CE连接，A公司北京这两台CE叫作一个Site，上海那三台CE也是一个Site，而A公司的业务从北京到上海途经的运营商设备，除了这两个PE，其他设备就是P了，如下图所示。

如果还有一个B公司，同样也有北京和上海分公司，这A、B两个公司在北京和上海的CE都接入的是相同的PE设备，那网络需要通过私网标签实现A、B公司的业务隔离。

VPN业务隔离：用户数据包虽然在MPLS网络同一隧道中传送，但是在网络和用户CE连接处为每个VPN都分配不同的私网标签，PE认得这个标签，也就达到了隔离的效果，如下图所示。

数据传输过程中，内层标签只由PE设备进行处理，P设备并不理会它的存在。两个数据包经过同样一个路径从北京到上海，彼此擦肩而过，世间最远的距离莫过如此，这也就是VPN要达到的效果：隔离。
MPLS VPN根据实现层次可以分为L2VPN和L3VPN，具体是L2VPN还是L3VPN，这取决于业务的需求。L2VPN的网络对于用户就相当于一个交换机，L3VPN相当于一个路由器。