MPLS架構下的移動IP技術

2019-11-03 09:06:57

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供稿：網友

徐凱　　紀紅　　樂光新

北京郵電大學電信工程學院

　　摘要本文介紹了多協議標記交換（MPLS）和移動ip技術的基本原理，并在此基礎上給出了工作在MPLS機制下的移動IP網絡組成模型，同時描述該模型的基本工作原理。最后分析了MPLS 架構下移動IP的技術優勢并對其應用前景進行了闡述。

　　關鍵詞多協議標記交換移動IP 流量工程

1 引言

　　多協議標記交換（MPLS）通過虛擬電路來傳送數據報，只需在第2層（數據鏈路層）執行硬件式交換（取代第3層即網絡層軟件式選路），是IP和ATM的完美結合，使數據包傳送的延遲時間減短，增加網絡傳輸的速度，更適合多媒體信息的傳送，并支持VPN和流量工程。因此MPLS越來越受到人們的重視。同時，人們已經不滿足于在固定的地方接入Internet，而移動IP技術可以實現人們在移動狀態下上網的夢想。因此，也成為下一代網絡的關鍵技術。那么如何結合MPLS和移動IP兩種技術的優點，并為下一代網絡提供支持，逐漸成為人們關注的焦點和研究熱點。

2 MPLS基本原理

　　MPLS是屬于第2.5層交換技術，引入了基于標記的機制，它把選路和轉發分開，由標簽來規定一個分組通過網絡的路徑。標簽作為IP報頭在網絡中的替代品而存在，在網絡內部MPLS在數據包所經過的路徑沿途通過交換標簽（而不是看IP 包頭）來實現轉發；當數據包要退出MPLS網絡時，數據包被解開封裝，繼續按照IP包的路由方式到達目的地。MPLS網絡包含一些基本的元素，在網絡邊緣的節點被稱作標簽邊緣路由器（LER），而網絡的核心節點就稱為標簽交換路由器（LSR）。LER節點在MPLS網絡中完成的是IP包的進入和退出過程，LSR節點在網絡中提供高速交換功能。在MPLS節點之間的路徑就是標簽交換路徑(LSP)。一條LSP可以看作是一條貫穿網絡的單向隧道。

3 移動IP的基本原理

　　移動代理（包括本地代理HA和外地代理FA）通過代理廣播消息廣播它們的存在。移動節點（MN）接收到這些代理廣播消息后，就知道它是在本地網絡還是在外地網絡。當MN檢測到它是在本地網絡，如果以前未發生移動，那么和正常節點一樣工作；如果它是從外地網絡回到本地網絡，MN就首先跟HA通過交換注冊請求和注冊應答信息進行注冊。當MN檢測到它已經移動到外地網絡后，它就在外地網絡中得到一個關照地址COA（Care-of-Address），這個關照地址可以從外地代理（FA）的廣播消息中得到，也可以由某個外部分配機制如DHCP（動態主機配置協議）得到。在外地網絡的MN就用它得到的關照地址通過注冊請求和注冊應答消息的交換向其HA注冊，在消息交換的過程中，可能要經過FA。

　　送給MN的數據包首先被其HA捕獲，然后通過隧道技術傳送到MN的關照地址（COA），在隧道的終點得到數據包（終點可能在FA，也可能在MN自身），但最終送給MN。對于MN發出的數據包，就根據標準IP路由機制送往目的地，不必經過HA。

4 MPLS架構下移動IP的基本原理

4.1 MPLS機制下MN的注冊過程

　　假設Ingress LSR至HA的LSP已經建立，移動節點（MN）由HA移動到外地網絡FA1，FA1廣播消息，MN接收到代理廣播消息后，得知自己在外地網絡，向FA1發送注冊請求消息，FA1收到注冊請求消息后，對其進行分析認證，通過后，FA1和MN交互注冊信息。FA1更新其路由信息，并在路由信息中增加MN的HA路由信息。而后，FA1根據更新后的路由信息把MN的注冊和請求信息送給HA。

　　HA得到MN的注冊信息和請求信息以及MN的關照地址（COA），查找其標記棧，并把MN的家鄉地址作為轉發等價類（FEC）；HA根據標記分發協議（LDP）為HA到FA1的路徑分發標記，并向FA1發送標記請求信息，把MN的關照地址（COA）作為轉發等價類（FEC）。FA1收到標記請求信息后，向HA返回標記匹配消息，HA收到標記匹配消息后更新其MN在標記中的注冊信息。HA通過LSP向FA1發送注冊回應信息，FA1收到注冊回應后，更新其標記棧，并增加FA1到HA的LSP信息，注冊成功，這樣就在HA到FA1之間建立起一條LSP。

　　當MN由FA1移動到FA2時，MN除了重復上面的注冊過程外，還要向前一級FA即FA1注冊信息，以確保傳向FA1的數據包仍能到達MN，并建立HA至FA2的新的LSP，但Ingress LSR至HA的LSP仍舊保持不變。

4.2 數據報的傳送過程

　　由SN（Source Node）通過LSP向MN傳送數據報時，首先被HA撲獲，HA通過分析數據報的標記，并查找自己的標記棧，確定數據報轉發的出口。如果MN仍然在家鄉網絡，則出口標記為空，數據報被送往IP層，通過IP層的路由協議向MN傳送數據分組。如果MN在外地網絡FA1，數據報則通過HA到FA1的LSP傳送分組到FA1，FA1收到數據報后把其送往IP層，按IP層的路由協議轉發至MN。如果MN向SN發送數據，則可以按傳統的MPLS的標記分發協議（LDP）在FA和Ingress LSR之間建立一條動態LSP，用于數據的轉發，而不需要HA的轉交。

5 MPLS與移動IP結合的優點

　　· 有效地解決移動IP三角路由問題：由于傳統的移動IP技術存在三角路由問題，數據傳輸delay =SN至HA的網絡線路delay+HA的節點處理delay+ HA至FA1的網絡線路delay+FA1的節點處理delay+FA1至MN的無線網絡線路delay；移動IP在MPLS機制下，無論是HA節點處理時延還是整個傳輸過程的時延，都比傳統的移動IP時延明顯減小。因此，提高了數據傳輸速率，在一定程度上解決了三角路由問題，但是我們應當看到這種解決辦法并沒有從本質上解決三角路由問題，而僅僅是一種程度上的改善，研究新的路由算法仍然是下一步工作的重點。

　　· 高移動性和高速交換特性的結合：MPLS交換比按傳統的IP路由協議傳輸分組速度明顯提高；傳輸時延和數據包處理時間明顯降低；并且HA到FA建立了一條LSP，數據報頭過長問題得到解決。MPLS架構下的移動IP技術集成了移動IP的高移動性和MPLS高速交換特性，允許這些技術協調工作在將來的核心網中，并為MPLS提供移動性支持。

　　· 提高了網絡的安全性和支持QoS：HA和FA都具有LER的功能，在同一個MPLS域中。這種機制使隧道技術中不再需要IP-in-IP方式傳送數據包，取而代之的是MPLS交換方式通過LSP傳送數據包（從Ingress LER 到HA再到FA）。整個傳輸過程都是在MPLS交換層進行，并且HA的處理過程也不涉及IP層的路由協議，從而提高了數據包的傳輸速率和移動IP的可擴展性，為網絡的QoS提供了保障，并且網絡的安全性能得到提高。

　　· 支持移動狀態下的VPN和流量工程：由于MPLS技術對VPN和流量工程都有很好的支持，因此，MPLS與移動IP的結合，對移動狀態下VPN和流量工程解決帶來了希望。

6 結論

　　隨著無線通信的發展，MPLS和移動IP技術的結合越來越受到人們的重視。但是MPLS和移動IP都是近年來發展較為迅速的技術，各種標準還不完善，目前該領域的研究還不是很深入，大多處于實驗階段，并且相應的數學模型的建立還較困難。還有許多理論問題需要進一步地深入探討，如實施MPLS流量工程時與TCP等高層協議相互影響的問題；服務質量QoS、安全性以及區分服務的問題；移動狀態下MPLS如何支持VPN等等。

參考文獻

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[5] Network Working Group Internet Draft, Integration of Mobile IP and MPLS . IETF draft-zhong-mobile-ip-mpls-01.txt, July 2000

　　徐凱，博士研究生，主要從事無線移動通信網絡的研究。

　　紀紅，博士，北京郵電大學電信工程學院副教授，研究方向為移動通信網絡性能分析。

　　樂光新，北京郵電大學電信工程學院教授，博士生導師，研究領域為數字通信系統、通信網絡、移動通信。

----《中國數據通信》