内容正文:
课题
第7章
7.5最新计算机网络技术介绍
授课人
课型
新课
课 时
2课时
教学目标
通过本节的学习,学生了解最新计算机网络技术
教学重点
1路由器集群技术
2 网络新命脉IPV6技术
3第三代互联网技术——网格
教学难点
1路由器集群技术
2 网络新命脉IPV6技术
3第三代互联网技术——网格
教学方法
以课堂讲授为主,对本节难点进行讨论
教学手段和教具
微机
板
书
设
计
课
后
记
教学过程
教师活动
学生活动
组织教学
复习提问、导入新课
讲授新课
7.5.1路由器集群技术
代表下一代网络技术的重要标志就是核心路由技术,而下一代核心路由器的发展趋势将是什么呢?可以看到,Cisco、H3C、Juniper等路由厂商,将目光转向了路由集群技术。
1.核心路由器的四大发展趋势
高性能核心路由器代表着互联网的发展方向,也最能体现出设备厂商的技术水平。回顾核心路由器的发展历程,分析目前主流路由产品的功能特征,可以看出目前核心路由器的技术发展趋势主要有以下几个方面:
(1)容量越来越高,端口类型增多:主要表现为槽位数的提高和线卡高密度化。首先端口能力从2.5G提升到10G,再从10G提升到40G。另外,接口类型也逐步增多,10GE、PRR和CWDM等端口都有相应的市场。
(2)安全可靠性大幅提高:在网络发展初期,由于流量较小,网络攻击也没有现在这么频繁,路由器设备的安全问题主要体现在其自身的安全可靠性上,包括重要部件的冗余、网络设备的电气特性等。随着网络的不断发展和多业务需求的增加,网络安全保障对路由器的安全可靠性提出了更高的要求,包括对网络攻击的防范和感知。
(3)系统架构逐步完善:从第一代单总线单CPU发展到第二代单总线主从CPU、之后经历了第三代单总线对称式多CPU和第四代多总线多 CPU,到目前的第五代共享内存式和第六代交叉开关体系。而在交换结构方面,高端路由器主要采用共享内存结构,T比特大容量路由器多数采用多级交换结构,以实现未来扩展到大容量无阻塞交换。
(4)提升服务质量QoS:运营级的IP网络必须能够承载多种业务,同时保证端到端的QoS。对于无连接的IP网络来说,实现服务质量保障一直是个棘手的问题。近年来,IP网络的服务质量保障问题已经得到运营商的极大重视,设备厂商也为此提出了不同的解决方案。目前,保障服务质量的技术手段主要有如下几种:对流量进行整形、重排;解决头阻塞问题;实现交换结构的无阻塞交换等。
2.核心路由催生集群技术
路由器集群,又叫路由器矩阵或多机框互联(Multi-Chassis),简单来说,就是将多台路由器互联起来,形成一套逻辑上一体的路由器系统。集群技术的产生,主要有两个直接的原因:首先,单机容量逐步发展到极限;其次,超级节点的产生使得网络结构越趋复杂,运维管理难度加大。
(1)单机容量到达极限
近年来,路由器技术发展很快,容量有了大幅度的提升,具体表现为槽位数量的增多、每槽交换能力的提升以及板卡端口密度的不断提高。设备厂商每年推出的新路由器,都是朝着这个方向发展。例如Cisco的GSR 12000系列,从最初的GSR 12404,到目前的GSR 12816,转发容量大幅度提高,端口能力也从2.5G提升到了10G。目前最高速率的端口40G(OC768)也已经面市。随着路由器在网络中地位的不断提高,路由器的发展也达到了前所未有的高峰。Cisco推出的CRS-1 16插槽路由器单机,以及Juniper的T640,容量都达到了640Gbps,是目前市面上比较高端的单机路由器。
对于核心层路由器来说,除了具备快速转发的能力、高安全稳定性之外,更重要的是,容量足够大、可扩展强。然而,互联网流量的发展都是远远超过设备容量更新的速度。互联网流量每12个月增长1倍,而路由器的容量每18个月才增长1倍。对于单台路由器来说,其扩展是有一定限制的,需考虑光器件的发展成熟度,以及电源、散热、机房承重等方面,而且也无法超越流量增长的摩尔定律。目前单台路由器的开发技术已经逐步发展到极限,路由器的发展需寻求一个新的出路。
(2)网络结构越趋复杂
由于单台路由器的容量扩展性有限,因此,近年来不断提出了其他方案来缓解设备压力。主要有以下两种:①网络层次分布式,即部署多个网络层次,通过逐层汇聚,减轻设备压力。 ②节点内部署多台设备,即增加节点内设备数量,通过负载分担的方式减轻设备压力。
两者都是在单台路由器不能继续扩展的情况下,通过改变网络结构来适应流量的增长,主要差别在于网络分别在纵向和横向进行扩展。这两种方法都在一定程度上缓解了单台设备容量有限的局面,但随之而来的却是网络复杂度以及内部互联端口的增加。而网络结构的日趋复杂,也增加了运维部门的管理难度,同时也产生了多台路由器之间如何均衡流量的问题。超级节点就是这样诞生的,即一个城市同时存在多个网络层次,而每个网络层次都有多台设备,网络连接的复杂程度可想而知。因此,此方案只是目前路由器容量无法继续扩展的替代方案,是暂时性的,互联网网络流量的飞速增长,新兴应用的不断呈现,都在呼唤容量更高,更具扩展性路由器的出现。
3.集群技术的优势
集群技术通过集中化、一体化的控制管理,使集群系统各台路由器单机之间能够很好地协同工作,极大的扩展了路由器的容量,从而突破了单机在开发技术工艺上的限制。在成本方面,由于集群系统中各台路由器通过高速光背板互连,节省了额外的内部互联端口,大大减少了投资。更为重要的是,由于集群路由器对外仅体现为一台路由器,使得网络拓扑和路由策略变得简单和清晰,维护也更加方便快捷。
目前,支持路由器集群的主流厂家有Cisco和Juniper。
Cisco是通过CRS-1单机互联实现,目前可以支持CRS集群(4+2),即4个交换矩阵加2个用户机框,理论上可以扩展到CRS集群(8+72),容量高达92Tbps。CRS集群采用Benes交换结构。
Juniper的TXMatrix平台是通过T640单机互联实现,目前可以支持Tx(1+4),即1个交换矩阵加4个用户机框,采用Clos交换结构。Juniper的Tx路由器集群系统已经在全球多个运营商网络中使用,包括德国电信、英国BT等。
路由器集群技术是目前解决路由器容量瓶颈的最有效方式,是路由器发展史上一个极大的飞跃和改变,它打破了传统的路由器扩展模式,同时保留了网络结构的清晰度,便于运营管理。虽然目前路由器集群技术还没有大规模商用,各方面的稳定可靠性也有待经历市场严峻的考验,但它必将会是核心路由器未来的发展方向。
7.5.2 网络新命脉IPV6技术
当前,基于Internet的各种应用正在如火如荼地迅猛发展着,而与此热闹场面截然不同的是,Internet当前使用的 IP协议版本IPv4正因为各种自身的缺陷而举步维艰。在 IPv4面临的一系列问题中,IP地址即将耗尽无疑是最为严重的,有预测表明,以目前Internet发展速度计算,所有IPv4地址将在 2005~2010年间分配完毕。为了彻底解决IPv4存在的问题,IETF从1995年开始,着手研究开发下一代IP协议,即IPv6。IPv6具有长达128位的地址空间,可以彻底解决IPv4地址不足的问题,除此之外,IPv6还采用分级地址模式、高效IP包头、服务质量、主机地址自动配置、认证和加密等许多技术。
1.Ipv4尴尬的现状
Internet起源于1968年开始研究的ARPANET,当时的研究者们为了给ARPANET建立一个标准的网络通信协议而开发了IP协议。IP协议开发者当时认为ARPANET的网络个数不会超过数十个,因此他们将IP协议的地址长度设定为32个二进制数位,其中前8位标识网络,其余24位标识主机。然而随着 ARPANET日益膨胀,IP协议开发者认识到原先设想的网络个数已经无法满足实际需求,于是他们将32位IP地址分成了三类:A类,用于大型企业;B类,用于中型企业;C类,用于小型企业。A类、B类、C类地址可以标识的网络个数分别是128、16384、2097152,每个网络可容纳的主机个数分别是16777216、65536、256。虽然对IP地址进行分类大大增加了网络个数,但新的问题又出现了。由于一个C类网络仅能容纳256个主机,而个人计算机的普及使得许多企业网络中的主机个数都超出了256,因此,尽管这些企业的上网主机可能远远没有达到B类地址的最大主机容量65536,但InterNIC不得不为它们分配B类地址。这种情况的大量存在,一方面造成了IP地址资源的极大浪费,另一方面导致B类地址面临着即将被分配殆尽的危险。
非传统网络区域路由(Classless InterDomain Routing, CIDR),是节省B类地址的一个紧急措施。CIDR的原理是为那些拥有数千个网络主机的企业分配一个由一系列连续的C类地址组成的地址块,而非一个B类地址。例如,假设某个企业网络有1500个主机,那么可能为该企业分配8个连续的C类地址,如:192.56.0.0至192.56.7.0,并将子网掩码定为255.255.248.0,即地址的前21位标识网络,剩余的11位标识主机。尽管通过采用CIDR,可以保护B类地址免遭无谓的消耗,但是依然无法从根本上解决IPv4面临的地址耗尽问题。
另一个延缓IPv4地址耗尽的方法是网络地址翻译(Network Address Translation, NAT),它是一种将无法在Internet上使用的保留IP地址翻译成可以在Internet上使用的合法IP地址的机制。NAT使企业不必再为无法得到足够的合法IP地址而发愁了,它们只要为内部网络主机分配保留IP地址,然后在内部网络与 Internet交接点设置NAT和一个由少量合法IP地址组成的IP地址池,就可以解决大量内部主机访问Internet的需求了。由于目前要想得到一个A类或B类地址十分困难,因此许多企业纷纷采用了NAT。然而,NAT也有其无法克服的弊端。首先,NAT会使网络吞吐量降低,由此影响网络的性能。其次,NAT必须对所有去往和来自Internet的IP数据报进行地址转换,但是大多数NAT无法将转换后的地址信息传递给IP数据报负载,这个缺陷将导致某些必须将地址信息嵌在IP数据报负载中的高层应用如FTP和 WINS注册等的失败。
2.IPv6的对策
IPv6采用了长度为128位的IP地址,彻底解决了IPv4地址不足的难题。128位的地址空间,足以使一个大企业将其所有的设备如计算机、打印机甚至寻呼机等联入Internet而不必担心IP地址不足。
IPv6的地址格式与IPv4不同。一个IPv6的IP地址由8个地址节组成,每节包含16个地址位,以4个十六进制数书写,节与节之间用冒号分隔,除了128位的地址空间,IPv6还为点对点通信设计了一种具有分级结构的地址,这种地址被称为可聚合全局单点广播地址(aggregatable global unicast address),其分级结构划分如图7-19所示。开头3个地址位是地址类型前缀,用于区别其它地址类型。其后的13位TLA ID、32位 NLA ID、16位SLA ID和64位主机接口ID,分别用于标识分级结构中自顶向底排列的TLA(Top Level Aggregator,顶级聚合体)、NLA(Next Level Aggregator,下级聚合体)、SLA(Site Level Aggregator,位置级聚合体)和主机接口。TLA是与长途服务供应商和电话公司相互连接的公共网络接入点,它从国际Internet注册机构如 IANA处获得地址。NLA通常是大型ISP,它从TLA处申请获得地址,并为SLA分配地址。SLA也可称为订户(subscriber),它可以是一个机构或一个小型 ISP。SLA负责为属于它的订户分配地址。SLA通常为其订户分配由连续地址组成的地址块,以便这些机构可以建立自己的地址分级结构以识别不同的子网。 分级结构的最底级是网络主机。
3.Ipv6中的地址配置
众所周知,手工配置主机IP地址是一件既费时又乏味的事情,而管理分配给主机的静态IP地址更是一项艰难的任务,尤其当主机IP地址需要经常改动的时候。在IPv4中,动态主机配置协议(Dynamic Host Configuration Protocol,DHCP)实现了主机IP地址及其相关配置的自动设置。一个DHCP服务器拥有一个IP地址池,主机从DHCP服务器租借IP地址并获得有关的配置信息(如缺省网关、DNS服务器等),由此达到自动设置主机IP地址的目的。IPv6继承了IPv4的这种自动配置服务,并将其称为全状态自动配置(stateful autoconfiguration)。
除了全状态自动配置,IPv6还采用了一种被称为无状态自动配置(stateless autoconfiguration)的自动配置服务。在无状态自动配置过程中,主机首先通过将它的网卡MAC地址附加在链接本地地址前缀 1111111010之后,产生一个链接本地单点广播地址(IEEE已经将网卡MAC地址由48位改为了64位。如果主机采用的网卡的MAC地址依然是 48位,那么IPv6网卡驱动程序会根据IEEE的一个公式将48位MAC地址转换为64位MAC地址)。接着主机向该地址发出一个被称为邻居探测 (neighbor discovrey)的请求,以验证地址的唯一性。如果请求没有得到响应,则表明主机自我设置的链接本地单点广播地址是唯一的。否则,主机将使用一个随机产生的接口ID组成一个新的链接本地单点广播地址。然后,以该地址为源地址,主机向本地链接中所有路由器多点广播一个被称为路由器请求( router solicitation)的配置信息请求,路由器以一个包含一个可聚合全局单点广播地址前缀和其它相关配置信息的路由器公告响应该请求。主机用它从路由器得到的全局地址前缀加上自己的接口ID,自动配置全局地址,然后就可以与Internet中的其它主机通信了。
使用无状态自动配置,无需手动干预就能够改变网络中所有主机的IP地址。例如,当企业更换了联入Internet的ISP时,将从新ISP处得到一个新的可聚合全局地址前缀。ISP把这个地址前缀从它的路由器上传送到企业路由器上。由于企业路由器将周期性地向本地链接中的所有主机多点广播路由器公告,因 此企业网络中所有主机都将通过路由器公告收到新的地址前缀,此后,它们就会自动产生新的IP地址并覆盖旧的IP地址。
4.Ipv6中的安全协议
安全问题始终是与Internet相关的一个重要话题。由于在 IP协议设计之初没有考虑安全性,因而在早期的Internet上时常发生诸如企业或机构网络遭到攻击、机密数 据被窃取等不幸的事情。为了加强Internet的安全性,从 1995年开始,IETF着手研究制定了一套用于保护IP通信的IP安全(IP Security,IPSec)协议。IPSec是IPv6的一个组成部分,也是IPv4的一个可选扩展协议。
IPSec提供了两种安全机制:认证和加密。认证机制使 IP通信的数据接收方能够确认数据发送方的真实身份以及数据在传输过程中是否遭到改动。加密机制通过对数据进行编码来保证数据的机密性,以防数据在传输过程中被他人截获而失密。IPSec的认证包头(Authentication Header,AH)协议定义了认证的应用方法,封装安全负载(Encapsulating Security Payload,ESP)协议定义了加密和可选认证的应用方法。在实际进行IP通信时,可以根据安全需求同时使用这两种协议或选择使用其中的一种。AH和 ESP都可以提供认证服务,不过,AH提供的认证服务要强于ESP。
在一个特定的IP通信中使用AH或ESP时,协议将与一组安全信息和服务发生关联,称为安全关联(Security Association,SA)。 SA可以包含认证算法、加密算法、用于认证和加密的密钥。IPSec使用一种密钥分配和交换协议如Internet安全关联和密钥管理协议(Internet Security Association and Key Management Protocol,ISAKMP)来创建和维护SA。SA是一个单向的逻辑连接,也就是说,两个主机之间的认证通信将使用两个SA,分别用于通信的发送方和接收方。
IPSec定义了两种类型的SA:传输模式SA和隧道模式SA。传输模式SA是在IP包头(以及任何可选的扩展包头)之后和任何高层协议(如TCP或 UDP)包头之前插入AH或ESP包头,隧道模式SA是将整个原始的IP数据报放入一个新的IP数据报中。在采用隧道模式SA时,每一个IP数据报都有两个IP包头:外部IP包头和内部IP包头。外部IP包头指定将对IP数据报进行IPSec处理的目的地址,内部IP包头指定原始IP数据报最终的目的地址。传输模式SA只能用于两个主机之间的IP通信,而隧道模式SA既可以用于两个主机之间的IP通信,还可以用于两个安全网关之间或一个主机与一个安全网关之间的IP通信。安全网关可以是路由器、防火墙或VPN设备。
做为IPv6的一个组成部分,IPSec是一个网络层协议。它只负责其下层的网络安全,并不负责其上层应用的安全,如Web、电子邮件和文件传输等。也就是说,验证一个Web会话,依然需要使用SSL协议。不过,TCP/IPv6协议簇中的协议可以从IPSec中受益,例如,用于IPv6的OSPF路由协议就去掉了用于IPv4的OSPF中的认证机制。
5.Ipv4向Ipv6的过渡。
尽管IPv6比IPv4具有明显的先进性,但是IETF认识到,要想在短时间内将Internet和各个企业网络中的所有系统全部从 IPv4升级到IPv6是不可能的,换言之,IPv6与IPv4系统在Internet中长期共存是不可避免的现实。为此,做为IPv6研究工作的一个部分,IETF制定了推动IPv4向IPv6过渡的方案,其中包括三个机制:兼容IPv4的IPv6地址、双IP协议栈和基于IPv4隧道的IPv6。
兼容IPv4的IPv6地址是一种特殊的IPv6单点广播地址,一个IPv6节点与一个 IPv4节点可以使用这种地址在IPv4网络中通信。这种地址是由96个0位加上32位IPv4地址组成的,例如,假设某节点的IPv4地址是 192.56.1.1,那么兼容IPv4的IPv6地址就是0:0:0:0:0:0:C038:101。
双IP协议栈是在一个系统(如一个主机或一个路由器)中同时使用IPv4和IPv6两个协议栈。这类系统既拥有 IPv4地址,也拥有IPv6地址,因而可以收发IPv4和IPv6两种IP数据报。
与双IP协议栈相比,基于IPv4隧道的IPv6是一种更为复杂的技术,它是将整个IPv6数据报封装在IPv4数据报中,由此实现在当前的IPv4网络(如Internet)中IPv6节点与IPv4节点之间的IP通信。基于IPv4隧道的IPv6实现过程分为三个步骤:封装、解封和隧道管理。封装,是指由隧道起始点创建一个IPv4包头,将IPv6数据报装入一个新的IPv4数据报中。解封,是指由隧道终结点移去IPv4包头,还原原始的IPv6数据报。隧道管理,是指由隧道起始点维护隧道的配置信息,如隧道支持的最大传输单元(MTU)的尺寸等。
IPv4隧道有四种方案:路由器对路由器、主机对路由器、主机对主机、路由器对主机。如图所示的使用IPv4路由基础设施传递IPv6数据报的网络中,可以根据两个主机之间特定的通信选用相应的隧道方案。例如:当主机2向主机4发送一个IPv6数据报时,路由器 A将把该IPv6数据报封装在一个目的地址为路由器B的IPv4数据报中。当路由器B收到该IPv4数据报后,就将它解封,取出其中的IPv6数据报并将其发往主机4。在这个隧道中,隧道终结点(路由器B)不是数据报的最终目的地址(主机4)。当隧道起始点(路由器A)建立隧道时,必须确定隧道终结点并从配置信息中找到隧道终结点的地址,因此这种类型的隧道被称为配置隧道(configured tunneling)。当主机7向主机1发送一个IPv6数据报时,主机7在它与路由器A之间建立一个主机对路由器隧道。因为路由器A不是该数据报的最终目的地址,所以这种主机对路由器隧道也是配置隧道。
当进行通信的两个主机都有兼容IPv4的IPv6地址时,数据发送方主机将建立一个主机对主机隧道。隧道起始点(数据发送方主机)确定数据接收方主机就是隧道终结点,并自动从其兼容IPv4的IPv6地址中抽取后32个地址位以确定隧道终结点的IPv4地址,这种类型的隧道被称为自动隧道(automated tunneling)。例如,当图中的主机 5向主机7发送数据时,将使用从主机5到主机7的自动隧道。自动隧道也可以应用于路由器对主机的隧道方案,例如,当主机4向主机5发送数据时,主机4将使用从路由器B到主机5的自动隧道。
双IP协议栈和基于IPv4的IPv6网络使IPv4网络能够以可控的速度向IPv6迁移。在开始向IPv6过渡之前,首先必须设置一个同时支持 IPv4和IPv6的新的DNS服务器。在该DNS服务器中,IPv6主机名称与地址的映射可以使用新的AAAA资源记录类型来建立,IPv4主机名称与地址的映射仍然使用A资源记录类型来建立。
6.结 论
IPv6是一个建立可靠的、可管理的、安全和高效的IP网络的长期解决方案。尽管IPv6的实际应用之日还需耐心等待,不过,了解和研究IPv6的重要特性以及它针对目前 IP网络存在的问题而提供的解决方案,对于制定企业网络的长期发展计划,规划网络应用的未来发展方向,都是十分有益的。
7.5.3 第三代互联网技术——网格
1.网格简介
网络的出现,改变了人们使用计算机的方式,而Internet的出现,又改变了人们使用网络的方式。纵观互联网的发展历程,Internet技术和Web技术的主要成就是实现了计算机和网页的连通,提供收发邮件、浏览和下载网页信息等相关服务,它所关注的问题是如何使信息传输流量更大、传输速度更快、传输更加安全。而网格技术则关注如何有效安全地管理和共享连接到Internet上的各种资源,并提供相应的服务,网格所关注的问题无论从范围、程度还是本质上都已经与互联网所关心的互连问题有了很大的不同。网格在连通计算机和网页的基础上,还将各种信息资源,例如数据库、软件以及各种信息获取设备都连接成一个整体,整个网络如同一台巨大无比的计算机,向每个用户提供包括计算能力、数据存储能力以及各种应用工具等一体化的透明服务。它强调的是全面地共享资源、全面地应用服务。目前的技术还没有实现资源层面的全面共享,只是信息的传输,所以属于网络技术,而非网格技术。互联网新一次浪潮的实质,就是要将万维网(World Wide Web)升华为网格(Great Global Grid),即实现WWW到GGG的变革。
网格技术主要体现在计算上,有三大核心技术:第一,网格是一个超级计算机,最大力度地实现了资源共享,因此根据用户的需求,最合理地分配资源,充分调度资源成为网格的一大核心技术;第二,由于使用网络的用户数量及资源的数量非常多,所以必须使用一种特别的技术才能管理好这些共享资源,这是网格的又一大核心技术;第三,在网络使用中实现调度资源的网络安全是它的第三大核心技术。
网格是借鉴电力网的概念提出的,网格的最终目的是希望用户在使用网格计算能力解决问题时像使用电力一样方便,用户不用去考虑得到的服务来自于哪个地理位置,由什么样的计算设施提供。也就是说,网格给最终的使用者提供的是一种通用的计算能力。
2.网格核心技术
网格的关键技术,主要有如下几种:
(1)高性能调度技术
在网格系统中,大量的应用共享网格的各种资源,如何使得这些应用获得最大的性能,这就是调度所要解决的问题。网格调度技术比传统高性能计算中的调度技术更复杂,这主要是因为网格具有一些独有的特征,例如,网格资源的动态变化性、资源的类型异构性和多样性、调度器的局部管理性等。所以网格的调度需要建立随时间变化的性能预测模型,充分利用网格的动态信息来表示网格性能的波动。在网格调度中,还需要考虑移植性、扩展性、效率、可重复性以及网格调度和本地调度的结合等一系列问题。
(2)资源管理技术
资源管理的关键问题是为用户有效地分配资源。高效分配涉及到资源分配和调度两个问题,一般通过一个包含系统模型的调度模型来体现,而系统模型则是潜在资源的一个抽象,系统模型为分配器及时地提供所有节点上可见的资源信息,分配器获得信息后将资源合理地分配给任务,从而优化系统性能。
(3)网格安全技术
网格计算环境对安全的要求比 Internet的安全要求更为复杂。网格计算环境中的用户数量、资源数量都很大且动态可变,一个计算过程中的多个进程间存在不同的通信机制,资源支持不同的认证和授权机制且可以属于多个组织。正是由于这些网格独有的特征,使得它的安全要求性更高,具体包括支持在网格计算环境中主体之间的安全通信,防止主体假冒和数据泄密;支持跨虚拟组织的安全;支持网格计算环境中用户的单点登录,包括跨多个资源和地点的信任委托和信任转移等。
网格技术是继Internet技术和Web技术之后的第三代互联网技术,它能够最大限度的实现网络资源共享和调度,给计算机用户带来最好的上网服务。网格是对互联网技术的又一大进步,是第三代互联网大浪潮,让我们拭目以待它的到来吧。
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