多協(xié)議標(biāo)記交換技術(shù)

多協(xié)議標(biāo)記交換技術(shù)

MPLS（多協(xié)議標(biāo)記交換）技術(shù)目前尚處于研究開發(fā)階段，正在由IETFMPLS工作組進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工作，但普遍認(rèn)為MPLS是未來公用骨干網(wǎng)上利用ATM傳送IP的一種最適用的技術(shù)方案。MPLS既具有ATM的高速性能、QoS性能、流量控制性能，又具有IP的靈活性和可擴(kuò)充性。1IP與ATM技術(shù)的結(jié)合由于Internet只能提供盡力而為的服務(wù)，因此無法提供QOS（服務(wù)質(zhì)量）的保證。隨著因特網(wǎng)用戶數(shù)量呈指數(shù)性增長和多媒體業(yè)務(wù)的涌現(xiàn)，因特網(wǎng)將面臨種種考驗(yàn)，如帶寬、快速傳輸、網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性、路由、QoS等，這就要求傳統(tǒng)的、基于網(wǎng)絡(luò)層（L3）的路由器必須改善其轉(zhuǎn)發(fā)速度慢、時(shí)延大、時(shí)延抖動(dòng)大、實(shí)時(shí)傳輸性能差的特性。基于數(shù)據(jù)鏈路層（L2）實(shí)現(xiàn)交換的ATM技術(shù)為解決因特網(wǎng)的這些問題帶來契機(jī)，因?yàn)锳TM技術(shù)具有高帶寬、快速、高性能和對(duì)QoS支持等等特性。那么如何將ATM技術(shù)與IP技術(shù)兩者互相融合，如何實(shí)現(xiàn)將L3路由轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)化為L2交換，如何解決ATM面向連接與IP無連接的矛盾，近幾年始終處于研究的熱點(diǎn)。眾多廠商和學(xué)者提出了多種實(shí)現(xiàn)IP與ATM技術(shù)相結(jié)合的方案，從IP協(xié)議與ATM協(xié)議的關(guān)系劃分，IP與ATM技術(shù)的結(jié)合存在兩種模式：重疊模式和集成模式。兩種模型的基本差別在于地址解析過程和ATM虛連接的建立過不同，重疊模型分為地址解析和建立連接兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化過程，需要定義IP和ATM兩套地址結(jié)構(gòu)及選路協(xié)議，需要進(jìn)行IP地址、ATM地址兩類地址的映射。集成模型則是綜合地解決這兩個(gè)問題，它把第三層的選路功能和第二層的轉(zhuǎn)發(fā)功能融合在同一系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，直接將目的地IP4址和VPI/VCI值進(jìn)行映射，網(wǎng)絡(luò)只需要標(biāo)識(shí)出IP這一種地址。轉(zhuǎn)發(fā)使用ATM交換結(jié)構(gòu)，但ATM交換結(jié)構(gòu)受IP的選路控制，從而兼具IP選路的靈活性、強(qiáng)壯性和ATM交換的高速度、高帶寬的優(yōu)點(diǎn)。已經(jīng)確定的或正在研究推廣的方案，屬于重疊模式的有：（1）IETFRFC（RequestForComment）1577及RFC2225：傳統(tǒng)的IPOverATM；（2）ATMForum（ATM論壇）af－lane一0021.000：局域網(wǎng)仿真（LANE）（版本LANEv1.0和LANEV2.0）；（3）ATMForumaf－mpoa－0087.000：ATM上的多協(xié)議（MultiProtocolOverATM，MPOA）。屬于集成模式的有：（1）IP交換RFC1953：Ipsilon流管理協(xié)議（IFMP）；RFC1954：通用交換管理協(xié)議（GSMP）。（2）標(biāo)記（Tag）交換標(biāo)記分配協(xié)議（TDP）。（3）多協(xié)議標(biāo)記（Label）交換（MPLS）。（4）I一PNNI集成型PNNI（PNNI一專用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口）。前三種由IETF（因特網(wǎng)工程任務(wù)組）研究推廣，I－PNNI由ATM論壇研究。本文將對(duì)MPLS技術(shù)的基本原理做些介紹。2MPLS的基本模型結(jié)構(gòu)2.1MPLS概述傳統(tǒng)的路由器數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)效率不能滿足實(shí)際需要，雖然通過高效率的路由選擇算法和優(yōu)化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及采用高速處理器、內(nèi)存等措施也可以解決一些問題，但都不如采用MPLS的解決方案。MPLS不像傳統(tǒng)的IPOverATM那樣把所有數(shù)據(jù)包都放在L2層進(jìn)行交換，而是通過流分類決策對(duì)輸入數(shù)據(jù)流區(qū)別對(duì)待：對(duì)于持續(xù)時(shí)間長、數(shù)據(jù)量大的長流（如FTP）放在L2層建立直通交換；對(duì)于持續(xù)時(shí)間短、數(shù)據(jù)量少的短流（如DNS查詢）認(rèn)為不值得為其建立直通連接而放在L3層轉(zhuǎn)發(fā)。MPLS的節(jié)點(diǎn)識(shí)別網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以標(biāo)簽形式把L3的路由信息映射到L2交換中，它是具有路由功能的交換機(jī)、MPLS以FEC（前向等價(jià)類）為單位進(jìn)行L2交換，所謂FEC是在網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都以相同處理方式進(jìn)行傳輸?shù)囊幌盗蠭P分組。MPLS通過簡化核心設(shè)備的實(shí)際轉(zhuǎn)發(fā)功能，在內(nèi)部將面向連接的機(jī)制引入到無連接的IP協(xié)議中，為每個(gè)路由建立一條標(biāo)記交換路徑（LSP）。在MPLS網(wǎng)絡(luò)中，只在進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時(shí)（在LER標(biāo)記邊緣路由器）對(duì)FEC的每個(gè)分組進(jìn)行一次分類處理，并分配相應(yīng)的標(biāo)記，在網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn)不再重復(fù)，后續(xù)的節(jié)點(diǎn)只需分析標(biāo)記含義，沿著由標(biāo)記確定的路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包即可，從而簡化了轉(zhuǎn)發(fā)過程，提高了性能和可擴(kuò)展性。MPLS并不是針對(duì)某一種特定網(wǎng)絡(luò)層的技術(shù)，它可以運(yùn)行在X.25、ATM、幀中繼、SDH等多種網(wǎng)絡(luò)，使得不同網(wǎng)絡(luò)的傳輸技術(shù)統(tǒng)一在同一個(gè)MPLS平臺(tái)上。MPLS目前主要解決支持IPv4和IPv6協(xié)議，以后逐步擴(kuò)展到支持多種其他協(xié)議。2.2基本模型結(jié)構(gòu)多協(xié)議標(biāo)記交換技術(shù)首先將在ATM骨干網(wǎng)上引入，它由標(biāo)記邊緣路由器（LER）和標(biāo)記交換路由器（LSR）兩部分組成。LER和LSR利用通用域內(nèi)路由協(xié)議（如OSPF）進(jìn)行路由處理。在網(wǎng)絡(luò)邊緣處引人用于確定服務(wù)質(zhì)量、區(qū)分業(yè)務(wù)和用戶管理的功能，而在網(wǎng)絡(luò)主干主要解決性能和容量問題。（1）LERLER位于ATM骨干網(wǎng)的邊線并作為MPLS網(wǎng)絡(luò)的入口／出口路由器，用來連接到本MPLS網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的一個(gè)LSR和其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以是非MPLS的也可以是另一MPLS網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。LER執(zhí)行全部L3功能和由運(yùn)行LDP（標(biāo)記分配協(xié)議）產(chǎn)生的基于LIB（標(biāo)記信息庫）的標(biāo)記捆綁功能。入口點(diǎn)LER負(fù)責(zé)分析每個(gè)輸入數(shù)據(jù)包的IP包頭。以便進(jìn)行FEC分類（即找到對(duì)應(yīng)的前向等價(jià)類）。對(duì)于值得建立L2直通交換的數(shù)據(jù)流，生成固定長度的相應(yīng)標(biāo)記粘貼在其IP包頭上，以供LSR實(shí)現(xiàn)標(biāo)記交換功能；出口點(diǎn)LER對(duì)接收到的帶有標(biāo)記的IP包去除其標(biāo)記后放在L3層發(fā)送至目的地。（2）LSRLSR與MPLS網(wǎng)絡(luò)的其它LSR或LER連接，執(zhí)行基于LIB的標(biāo)記交換。LSR類似通用IP交換機(jī)，具有L3轉(zhuǎn)發(fā)分組和L2交換分組的能力。LSR通過標(biāo)記分配協(xié)議（LDP）實(shí)現(xiàn)標(biāo)記分配和發(fā)布，它也能執(zhí)行一個(gè)特殊控制協(xié)議與相鄰的LSR協(xié)調(diào)FEC和標(biāo)記捆綁信息?；贏TM的標(biāo)記交換路由器稱為ATM－LSR，它包括標(biāo)記交換控制的ATM接口（LC－ATM）和ATM交換結(jié)構(gòu)。用LC－ATM接口互連的一組ATM－LSR可構(gòu)成MPLS域，信元在LC－ATM接口之間轉(zhuǎn)發(fā)。用做LSR的ATM交換機(jī)必須具有標(biāo)記交換的控制功能，包括參與選路協(xié)議（如OSPF）和支持標(biāo)記分配協(xié)議（LDP）以實(shí)現(xiàn)標(biāo)記的分配、捆綁、分發(fā)和保持等功能。但是不要求具有ITU－T和ATM論壇制定的ATM控制面的功能。標(biāo)記交換即轉(zhuǎn)發(fā)分組的過程是由LSR接收到帶有標(biāo)記的數(shù)據(jù)包后，使用該標(biāo)記做索弓間標(biāo)記信息庫LIB查找到與它匹配的相關(guān)新標(biāo)記，以查找到的信息替換多協(xié)議標(biāo)記交換信頭中的標(biāo)記并將數(shù)據(jù)包置于出口轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)LSR或LER。

3標(biāo)記及真分配方式MPLS中使用的標(biāo)記是具有一定語義、代表數(shù)據(jù)傳輸路徑和屬性的固定長度數(shù)組，主要用來在網(wǎng)絡(luò)中引導(dǎo)數(shù)據(jù)分組沿著路徑轉(zhuǎn)發(fā)。一個(gè)標(biāo)記只在正處于通信狀態(tài)的一對(duì)LSR之間起作用。標(biāo)記的格式與分組封裝所處的介質(zhì)有關(guān)，如在ATM中使用VCI、VPI／VCI、VCID（用做隧道的SVC(交換虛電路)、PVC（永久虛電路）作為標(biāo)記，在幀中繼中使用DLCI作為標(biāo)記。對(duì)于無內(nèi)在標(biāo)記結(jié)構(gòu)的封裝介質(zhì)。采用薄片（shim）式標(biāo)記格式。薄片可靈活地封裝到不同位置，如放在L2層頭或L3層頭、甚至可在L2與L3層頭之間。根據(jù)不同的數(shù)據(jù)鏈路層有不同的shim格式，它支持標(biāo)記堆棧（分層標(biāo)記），進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)可以攜帶多個(gè)標(biāo)記，這些標(biāo)記采用先進(jìn)先出的難棧方式，這使得MPLS可以支持層次化操作。根據(jù)路由協(xié)議的信息進(jìn)行標(biāo)記分配和分發(fā)，通過使用LDP提供標(biāo)準(zhǔn)的MPLS信令機(jī)制執(zhí)行分配和分發(fā)標(biāo)記的工作。MPLS可支持兩種標(biāo)記分配方式：一種是在上游節(jié)點(diǎn)沒有明顯請(qǐng)求時(shí)，就由下游節(jié)點(diǎn)分配標(biāo)記，這稱為“非請(qǐng)求下游標(biāo)記分配”方式。另一種是收到上游節(jié)點(diǎn)的明顯請(qǐng)求時(shí)，才由下游節(jié)點(diǎn)分配標(biāo)記，這稱為“下游按需標(biāo)記分配”方式。可以使用任意一種分配方式也可以兩種方式兼用，如果在同一網(wǎng)絡(luò)中使用兩種分配方式時(shí)，相關(guān)的鄰接節(jié)點(diǎn)應(yīng)協(xié)調(diào)確定采用哪種分配方式。標(biāo)記保留采用保守的和自由的兩種方式。保守的標(biāo)記保留方式只對(duì)真正用來轉(zhuǎn)發(fā)分組的標(biāo)記才予以分配和保留，好處是節(jié)省標(biāo)記保留空間，缺點(diǎn)是當(dāng)選路方案變化時(shí)應(yīng)變能力遲緩。自由的標(biāo)記保留方式無論轉(zhuǎn)發(fā)分組時(shí)是否使用，LSR對(duì)收到的所有標(biāo)記映射都予以保留，這種方式的優(yōu)缺點(diǎn)與前者正好相反。對(duì)于使用ATM交換機(jī)的情況下，適合采用保守的標(biāo)記保留方式。4標(biāo)記交換路徑（LSP）的建立LSP是經(jīng)過一個(gè)或多個(gè)LSR的通路。如果每個(gè)LSR通過LDP都與上游節(jié)點(diǎn)和下游節(jié)點(diǎn)生成標(biāo)記及其捆綁信息，則在一個(gè)節(jié)點(diǎn)的ATM交換機(jī)建立起L2層直通交換，各個(gè)節(jié)點(diǎn)連成一串就構(gòu)成了入口節(jié)點(diǎn)到出口節(jié)點(diǎn)的一條標(biāo)記交換路徑LSP。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)有到同一目的地的多個(gè)上游節(jié)點(diǎn)，因而LSP通常是多點(diǎn)到一點(diǎn)的路徑。使用LSP可以傳送一定的FEC的各個(gè)分組。建立LSP可以采用獨(dú)立控制方式和按序受控方式進(jìn)行。獨(dú)立控制方式，即任何節(jié)點(diǎn)可以在任何時(shí)刻為它所認(rèn)識(shí)的流進(jìn)行標(biāo)記分發(fā)；按序受控方式，即一個(gè)流的標(biāo)記分發(fā)從該流所屬的出口節(jié)點(diǎn)開始，這種標(biāo)記分發(fā)方式使得標(biāo)記與流的映射在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中保持完整一致。MPLS使用LDP分發(fā)標(biāo)記和捆綁信息的過程中，即為每個(gè)路由器建立一個(gè)LIB信息庫，同時(shí)在相應(yīng)入口／出口LSR之間建立起LSP。LIB只對(duì)目前正在使用的標(biāo)記進(jìn)行登記，在LIB信息庫中包含著標(biāo)記與相應(yīng)的FEC之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系（如入標(biāo)記、出標(biāo)記、入接口、出接口、FEC等）。無論何時(shí)當(dāng)FIB（由IP選路的前向信息庫）發(fā)生變化，LSR均將重新協(xié)商標(biāo)記前向等價(jià)類，匯集并更新LIB。標(biāo)記分配協(xié)議提供出三類信息以便執(zhí)行相應(yīng)的操作：第一類稱為“發(fā)現(xiàn)類消息”用于發(fā)現(xiàn)在MPLS網(wǎng)絡(luò)中存在的標(biāo)記交換路由器LSR；第二類稱為“鄰接類消息”用于建立和保持兩個(gè)標(biāo)記分配協(xié)議對(duì)之間的鄰接點(diǎn)關(guān)系；第三類稱為“廣告類消息”用于處理發(fā)布和傳播新的標(biāo)記映射、更改和撤消標(biāo)記映射。

5相關(guān)技術(shù)措施5.1流的聚合對(duì)于具有相同路由的一群FEC，MPLS可以（不是必須）將同一標(biāo)記分配給其多個(gè)FEC，使得多個(gè)流在某些節(jié)點(diǎn)匯聚成一個(gè)流，實(shí)現(xiàn)了流的聚合。這種標(biāo)記分配可以節(jié)省標(biāo)記的使用數(shù)量，同時(shí)也減少了用于標(biāo)記分配的控制用業(yè)務(wù)流量。5.2VC合并、VP合并當(dāng)MPLS運(yùn)行在基于幀的介質(zhì)上時(shí)，實(shí)現(xiàn)流的聚合比較方便，只要在節(jié)點(diǎn)處將多個(gè)上游標(biāo)記對(duì)應(yīng)到同一個(gè)下游標(biāo)記即可（所以也叫幀合并）。但是當(dāng)MPLS運(yùn)行在AT