3網絡融合技術MPLS課件

關于MPLS

(多協(xié)議標記交換技術)

南京郵電大學張順頤

7/22/2023ATM技術的發(fā)展ATM技術（異步傳輸模式）在九十年代問世以后，發(fā)展很快。曾經有人預料，這是下一世紀通信網絡的核心技術。因為ATM技術質量很好，傳輸容量大，當時光通信技術在主干和骨干網絡上已經完成，但是能夠完成大容量的交換和傳輸設備沒有趕上，對比而言，用于交換的技術中，最好的就是ATM。

7/22/2023ATM的發(fā)展勢頭受到IP技術的阻擋然而，ATM設備價格昂貴，難以大規(guī)模普及。其次，ATM設備采取信元技術，格式固定；此外ATM與豐富多彩的上層的應用結合得不太理想。IP技術在實用化以后，發(fā)展更快，有人認為，這是取代現有通信傳輸技術的技術。IP技術的優(yōu)勢就是基于IP技術的因特網的應用非常普及。但是IP技術的最大劣勢是服務質量和管理。IP技術是盡力而為，其QoS不理想。

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IP技術和ATM技術的融合

因此發(fā)生了兩種觀點的爭執(zhí)：在2000年前后，曾經有人發(fā)出電信網即將被IP網絡取代的預言。但是幾年后，事實證明，電信網也可以兼容和接納IP技術。圖：ATM主干網絡及PVC（永久虛電路）

7/22/2023IP地址和ATM的地址IP網絡的地址，長度32位，分為A、B、C、D、E5類：A類地址：首位0，B類地址：頭兩位10，C類地址：頭3位110，D類地址：頭4位1110，為組播地址；E類地址：頭5位11110，E類地址供今后使用；

ATM地址是ISO制定的20位字節(jié)的網絡服務訪問點NSAP編碼。7/22/2023主干網絡和接入網絡主干網絡采用ATM交換機連接；接入網絡也采用ATM交換機作為網內的交換方式，但是網絡之間，接入網絡與用戶網絡設備之間都是通過路由器連接的。因為路由器就是網絡連接設備，是在網絡層上進行數據交換的設備。骨干網絡和接入網絡的區(qū)別是網絡內的數據傳輸的速度不同。主干網絡內部數據傳輸的速度很高。而接入網絡內數據傳輸的速度相對就低很多

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ATM主干網絡7/22/2023永久虛電路PVC成為路由器之間連接的骨干網絡7/22/2023匯接點為此，就需要設置匯接點PoP，用來緩沖兩者之間速度的差異。圖中PoP稱為匯接點（PointofPresence）。匯接點PoP中，有兩種路由器：接入路由器（accessrouter），也稱為邊沿路由器（borderrouter），這類路由器用來與用戶的設備相連接，因此數量大，速度低。主干路由器（backbonerouter）或核心路由器（corerouter），一般一個匯接點PoP中使用一個，速度很高。7/22/2023主干網絡匯接點PoP之間連接通過主干的ATM交換機。這樣的好處是，因為ATM是面向連接的，但是是虛連接。其間的電路是永久虛電路PVC。這樣，避免了每一次使用虛電路時都要建立虛電路，使用完畢，再釋放虛電路。于是，建立在ATM基礎之上的主干電路網絡就如同為IP層提供了一個直通的信道。這種方式稱為“覆蓋模型”。具體的技術有：ATM上的傳統(tǒng)IP規(guī)范IPOA（ClassicalIPOverATM），局域網仿真LANE（LANEmulation），ATM上的多協(xié)議規(guī)范MPOA（MultiprotocalOverATM）。7/22/2023兩種地址的矛盾問題在于，主干網絡上的主干路由器必須有兩種地址：一是為了與網絡上的其它IP設備通信的IP地址，另一種是與ATM設備通信的ATM地址。7/22/2023IP數據包在主干網絡中的傳輸當IP數據包通過主干路由器進入或者離開主干網絡時，主干路由器就需要進行地址的適配。以IP數據包進入主干網絡為例，此時主干路由器需要完成以下工作：1、

拆分數據包，提出其中的目的地址，查找路由表，確定下一跳路由器的地址，由于主干網絡是全連接，下一跳的路由器地址即網絡中出口路由器地址；7/22/2023IP數據包在主干網絡中的傳輸2、

由于ATM層是IP層下面的傳輸通道，也就是相當于IP網絡的數據鏈路層，所以，需要從ATM設備連接的主干網絡確定出口路由器的ATM地址。因為只有確定ATM設備的地址以后，才能完成傳輸IP包的工作；3、入口處的路由器將所得到的出口路由器的ATM地址與IP數據包同時送往ATM主干網絡；

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然后，由ATM主干網絡完成以下工作：

然后，由ATM主干網絡完成以下工作1、

確定通向目的ATM設備的虛通路的虛通路標識符VCI。由于ATM主干網絡中已經建立了一個ATM到VCI的影射表，這個表是靜態(tài)的（因為使用的是永久虛電路）；2、

虛通路的發(fā)送端，即入口路由器將數據報分割，形成ATM需要的53字節(jié)的ATM信元，以便在ATM網絡中傳輸；在ATM信元到達出口路由器后，再將ATM信元還原成原來的IP數據報；7/22/2023問題的產生：由此可見，在網絡中的傳輸過程是比較復雜的，網絡的傳輸速度由于拆分和重組數據報而大受影響，傳輸的效率也很低。（因為ATM傳輸格式是固定的，而IP數據報的長短是隨意的。多次拆分影響速度，包的長度不同，影響效率。IP是無連接的，而ATM是面向連接的；IP的QoS是盡量保證，而ATM是保證質量的。）7/22/2023ATM網絡發(fā)展受到阻礙的原因：這種傳輸模式還帶來另外一個所謂N×N即N2問題（實際上是N×（N－1）問題）：即每增加一個主干路由器必須同時建立該主干路由器到其它各個主干路由器的永久虛電路，這樣，網絡復雜性大大增加；分組轉換時增加的ATM信元的5個字節(jié)降低了效率（常稱之為“信元稅”）；同時維持兩種體系結構和地址體系是非常困難的事情。這樣使得ATM的發(fā)展遇到很大的困難。7/22/2023MPLS技術的產生：MPLS是解決這一困難問題的一個方案。IETF（互聯網工程任務組）在1997年成立MPLS工作組。目標是開發(fā)出一種將第三層的路由選擇功能和面向連接的第二層的交換功能綜合在一起的新的協(xié)議標準，以便使得IP和ATM技術結合得更好一些。這就是多協(xié)議標記交換MPLS。在這之前，類似的技術有：CISCO公司的TAGSwitch（標記交換），Ipsilon公司的IP交換等。7/22/2023技術發(fā)展的前景：目前這方面的技術發(fā)展是：1、

MPLS技術仍然受到重視。這是因為由于高速路由器的發(fā)展，其轉發(fā)IP的速率可以與ATM媲美，ATM設備在速度方面的優(yōu)勢逐步在減少和消失；2、

全IP網絡的發(fā)展有了新的局面。不用ATM的高速數據網絡正在嘗試，并且取得了成功，。QoS的質量也逼近電信的質量標準，故ATM已經不再發(fā)展，雖然尚未被淘汰，但是已經開始退出骨干網絡；7/22/2023技術發(fā)展的前景：3、

MPLS的特殊功能，仍然適用目前的網絡實際，比如：支持面向連接的服務質量；支持流量工程，平衡網絡負載；有效地支持虛擬專用網VPN；支持多種網絡協(xié)議；

7/22/2023MPLS的工作原理：

傳統(tǒng)的IP網絡中，分組每到達一個路由器，路由器每接收一個分組，都必須拆開主干IP包，檢查其中的目的地址，然后查找路由表，按照“最長前綴匹配”的原則找到下一跳的IP地址。由于每個IP目的地址的前綴的長度不是相等的，也就是前綴的長度是不確定的。當網絡很大時，查找規(guī)模很大的路由表就比較費時，甚至于一旦出現突發(fā)性的通信量時，會引起時延大大增加、服務質量下降、甚至分組的丟失。圖：MPLS的工作原理7/22/2023

MPLS的工作原理

LSR

7/22/2023MPLS的工作原理：MPLS的出發(fā)點，就是舍去“通過長度可變的IP地址前綴來查找轉發(fā)器中下一跳地址的辦法”，而是使用一個很簡單的“轉發(fā)算法”，給分組打上固定長度的“分組標記”，在轉發(fā)分組時，用硬件進行轉發(fā)。這就省去了分組每到達一個路由器都需要拆包、到第三層用軟件查找路由表這一過程。所以轉發(fā)效率大大提高。給分組打上“標記”，用硬件技術給分組轉發(fā)，這就是“標記交換”。

7/22/2023MPLS的工作原理：這一交換不是在第三層（在第三層拆包，用軟件分析第三層的IP首部，查找轉發(fā)表），而是在第二層給分組打上“標記”，用硬件轉發(fā)。從而大大節(jié)省了轉發(fā)的時間，提高了QoS。這種“標記交換”不僅可用于ATM，也可以使用多種鏈路層的協(xié)議，如IPX、DECnet、PPP以及以太網、幀中繼等。故稱之為“多協(xié)議標記交換”。7/22/2023MPLS的使用：

使用MPLS技術時，由于是另外在第二層上打上“標記”，所以在使用MPLS技術的網絡中必須全部采用，而不是一部分采用。這時候支持MPLS技術的路由器稱為標記交換路由器LSR（LabelSwitchingRouter）,LSR組成的網絡稱為MPLS域。7/22/2023

MPLS的工作原理

LSR7/22/2023MPLS的使用：LSR同時具有標記交換和路由選擇兩個功能。因為LSR雖然使用標記交換功能對于分組進行快速轉發(fā)，但是很顯然，在轉發(fā)之前LSR必須使用原來的路由轉發(fā)的功能來改造分組的標記轉發(fā)表。雖然在一個網絡的一次轉發(fā)中只需要構造一次。7/22/2023MPLS的工作過程：

1、MPLS域中各LSR使用專門的“標記分配協(xié)議LDP”交換報文，找出與特定的“標記”相對應的路徑，這一路徑稱之為“標記交換路徑”。如圖中的A→B→C→D,各個LSR根據這一路徑確定構造適應MPLS的分組轉發(fā)表。此過程與路由器的分組轉發(fā)表類似；

7/22/2023MPLS的工作過程：2、

當一個分組進入到MPLS域時，由MPLS域的入口結點給分組打上標記，按照標記交換分組轉發(fā)表的規(guī)定，將分組轉發(fā)到下一個LSR。3、

所有的LSR都按照標記進行轉發(fā)。（有的資料中講，每轉發(fā)一次需要更換一次標記，為什么？實際上在一個MPLS域中，確定一次即可。）4、

當分組離開MPLS域時，MPLS出口節(jié)點將分組的標記去除，還原到原來的轉發(fā)方式。7/22/2023轉發(fā)等價類FEC（ForwardingEquivalenceClass）：

FEC:路由器按照同樣的方式對待和成立的分組的集合。所謂“同樣的方式對待”表示從同樣接口轉發(fā)到同樣的下一跳地址，并且具有同樣服務類別和合同樣丟棄優(yōu)先級。

7/22/2023轉發(fā)等價類FEC（ForwardingEquivalenceClass）：

FEC使用的例子：目的IP地址與某一特定IP地址的前綴匹配的分組（相當于普通的路由器）；所有源地址與目的地址都相同的分組；具有某種服務質量需求的分組；FEC的分組由網絡管理員控制，比較靈活。FEC與標記時一一對應。7/22/2023轉發(fā)等價類FEC（ForwardingEquivalenceClass）：FEC用于網絡負載平衡的例子－（流量工程，或稱通訊量工程）圖：主機H1和H2分別向主機H3和H4發(fā)送大量數據。路由器A和C是必經的，其中A-B-C為最短路徑。所以傳統(tǒng)的路由選擇協(xié)議必然給定A