MPLS的體系結構與組網技術

2019-11-03 09:08:49

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包杰　高小能　涂鴻漸重慶郵電學院　　摘要本文介紹了目前網絡界研究熱點的寬帶網絡技術MPLS（多協議標簽交換）。重點闡述了MPLS的主要組件和核心技術。最后對ATM上的MPLS組網技術進行了介紹。

　　關鍵詞 MPLS 標簽 LSR LDP LER 協議棧

1 引言

　　MPLS是一種將ip引入ATM或幀中繼等通信網絡上，利用標簽引導數據高速、高效傳輸的新技術。隨著Internet的不斷發展，采用帶有MPLS功能的IP路由器和帶有MPLS功能的ATM交換機組建未來寬帶綜合業務通信網，是業界迫切需要解決的問題。MPLS的價值在于能夠在一個無連接的網絡中引入面向連接的機制，其優點是減少網絡的復雜性，能夠兼容現有的各種網絡技術。MPLS綜合利用網絡核心的交換技術和網絡邊緣的IP路由技術，將路由移到網絡邊緣，網絡核心作標簽轉發。即邊緣的路由，核心的交換。MPLS是目前普遍看好的融合ATM與IP、解決IP無連接和ATM面向連接矛盾的下一代寬帶骨干網絡技術。

2 MPLS的體系結構

2.1 MPLS的主要組件

　　MPLS平臺中引入了相當多的組件，下面是一些主要組件：

　　· 標簽交換路由器（LSR）。LSR類似一個通用IP交換機，它是MPLS中負責第三層轉發分組和第二層標簽交換分組的設備。

　　· 標簽邊緣路由器（LER）。LER是從一個MPLS域轉發分組的傳統路由器。它的作用是分析IP分組頭，用于決定相應的傳送級別和標簽交換路徑（LSP）。

　　· 標簽（Label）。標簽是一個包含在每個分組中的短固定的數值，用于通過網絡轉發分組。一對LSR在標簽的數值和意義上一致。

　　· 標簽分發協議（LDP）。LDP是MPLS的控制協議，用于在LSR之間交換FEC/標簽綁定信息。

　　· 標簽交換路徑（LSP）。LSP是指具有一個特定的FEC的分組，在傳輸經過的標簽交換路由器集合構成的傳輸通路。它由MPLS節點建立，目的是采用一個標簽交換轉發機制轉發一個特定的FEC分組。

　　· 標簽信息庫（LIB）。LIB是保存在一個LSR（LER）中的連接表，在LSR中包含有FEC/標簽綁定信息和關聯端口以及媒體的封裝信息。LIB通常包括下面內容：入、出口端口；入、出口標簽；FEC標識符；下一跳LSR；出口鏈路層封裝等。

　　· 轉發等價類（FEC）。MPLS采用FEC作為標簽來處理IP分組。FEC在相同路徑上轉發，以相同方式處理并因此被一個LSR映射到一個單一標簽的一組IP分組。

　　· 流束（Stream）。屬于同一個FEC的一組分組流，它們流經同一個節點，從相同的通道傳輸，并以相同方式轉發到目的地，它們在MPLS里被稱為“流束”。

2.2 MPLS的核心技術

　　1. 標簽交換路由器

　　標簽交換路由器類似一個通用IP交換機，它具有第三層轉發分組和第二層交換分組的功能。它也能運行傳統IP選路協議并可能執行一個特殊控制協議以與鄰接LSR協調FEC/標簽的綁定信息。一個LSR可以是一個傳統的交換機（如ATM）擴充IP選路，或者升級為支持MPLS的一個傳統路由器。LSR是MPLS系統中的核心部件，MPLS中LSR的選路過程如下：

　　·執行標準路由傳播協議，以獲得網絡拓撲；　　·為每個FEC分配一個標簽；

　　·執行LDP，并根據從其他節點獲得的標簽信息建立標簽信息庫（LIB）；

　　·后續分組獲得LIB中相應的標簽，并按照指定動作處理，沿相應的LSP傳輸。

　　2. 標簽

　　在傳統的路由器中，必定分析每個分組頭，以確定下一站轉發地點。但是在MPLS中，只需要在MPLS網絡的入口端處理一個流束的所有分組，對屬于同一個流束的分組將被用一個固定長度的字段加以編號。這一字段在MPLS里被稱為標簽（Label）。在LSR中，一個流束的FEC就映射到標簽上。MPLS中的標簽格式取決于分組封裝所在的介質。如：

　　·ATM封裝采用VPI/VCI作標簽；

　　· 幀中繼PDU采用DLCI作標簽；

　　· 通用MPLS封裝。對于那些沒有內在標簽結構的媒體封裝，則采用通用MPLS封裝格式，用一個特殊的數值在第二層與第三層頭之間插入一個Shim標簽頭。Shim標簽頭由4字節構成，它包含一個20bit的標簽數據值、一個3bit的COS（服務類別）數值、一個1bit的堆棧指示符和一個8bit的TTL（生存期）數值。

　　3. 標簽交換

　　標簽交換利用分組中所攜帶的標簽信息和標簽路由器維護存儲的轉發信息庫（LIB）來轉發分組。由于標簽交換不必像傳統IP選路那樣分析分組頭中的變長部分，因而標簽交換是一個快速和簡單的轉發過程。標簽作為一個由交換機組件處理，用以確定對應的輸出標簽、必要的封裝和端口號及其他數據信息處理操作。若一個分組包含一個標簽棧，MPLS設備只處理棧中的頂部標簽。

　　4. 標簽分發

　　標簽分發是分發FEC/標簽綁定信息的過程，目的是為了形成一個LSP并且標簽交換屬于特定FEC的分組。標簽分發是通過標簽分發協議（LDP）來完成的，或通過現有的控制協議（如RSVP和BGP）來傳輸FEC/標簽綁定信息。MPLS LDP是一個單獨的控制協議。LDP具有標簽指定、分配和撤消功能，與相鄰的LSR協調FEC/標簽的捆綁信息，完成入口到出口標簽交換路徑（LSP）的建立。LDP映射消息可以從任何本地LSR（獨立的LSP控制）發起，或者從出口LSR發起，并從下行LSR流向上行LSR。一個特定數據流的到達、一個保留建立消息（RSVP）或選路更新消息都可以觸發交換LDP消息，從而形成一個從入口到出口的LSP。

2.3 MPLS的協議棧

　　MPLS協議采用LDP/CR-LDP以及采用已有協議如資源預留協議（RSVP）或對已有協議擴展形成的協議如資源預留協議擴展（RSVP-TE）。RSVP/RSVP-TE、CR-LDP，結合QoS路由等，能夠很好地支持綜合服務（IntServ）、區分服務（DiffServ）和流量工程。

　　MPLS的協議棧分為兩個層面：控制層面和數據層面。其中：

　　· LIB 標簽信息庫；

　　· LDP 標簽分發協議；

　　· CR-LDP和RSVP-TE 是兩個競爭性的支持MPLS流量工程的協議。RSPF由IEPF標準化，RSPF-TE是RSPF的擴展。同樣CR-LDP由LDP擴展而得。二者都位于TCP層上。

　　· UDP 用戶數據報協議；

　　·TCP 傳輸控制協議；

　　· IP-FWD 基于IP尋址的下一跳分組轉發；

　　· MPLS FWD 基于MPLS的標簽和標簽信息庫查找的標簽交換。

3 MPLS組網技術

3.1 ATM網絡支持MPLS

　　盡管MPLS可以運行在多種類型的數據鏈路上，但是由于ATM的優越性，在ATM上運行MPLS是目前MPLS研究的熱點。在ATM網絡上支持MPLS有多種方案，下面討論一種ATM上的MPLS組網技術。

　　在這種組網技術中，ATM交換機可作為標簽交換節點，稱作ATM-LSR。其中ATM-LSR通過ATM交換機與其他每個ATM-LSR通信。分組由ATM-LSR作出轉發。為支持標簽交換，ATM-LSR必須支持標簽交換的標簽分發協議（LDP）和其他IP層協議，如OSPF等控制和信令協議，而不是采用ATM尋址、ATM選路、ATM協議。ATM-LSR將標簽加在ATM信元頭的VCI/VPI域中，因此VC承載的信息包括控制業務信息、LDP消息和每個束流的LSP等。

　　該方案是將ATM骨干網絡中一組ATM交換機升級為具有MPLS功能的ATM-LSR或直接在ATM核心網絡中安裝一組核心MPLS LSR。從選路鄰接的角度來看，邊緣路由器只是簡單地與最近的核心LSR保持對等關系。這種技術考慮了現行ATM網絡的大量交換機可能無法完全升級為MPLS LSR以及經濟等其他因素，同時它也是目前IP/ATM疊加模型過渡到MPLS的最佳途徑。

3.2 MPLS的核心網絡

　　MPLS由標簽交換路由器（LSR）、標簽邊緣路由器（LER）和標簽分發協議（LDP）組成?！　PLS使用現有路由協議（如OSPF、EIGRP）建立目的網絡的可達性，同時使用新的控制協議（如LDP）以在網絡交換機間共享標簽信息（1b）。在WAN邊緣的入口部分，標簽邊緣路由器接收報文，完成第三層功能，并為報文打上標簽（Label）。在WAN內部，報文由標簽路由器處理，并按一種新的交換機制進行處理，它作用于標簽而非地址。傳送報文穿過網絡到達另一邊。隨后，出口的標簽邊緣路由器移去標簽，并將報文傳給其目的網絡。

　　MPLS具有承載于不同網絡上并支持不同網絡業務的能力。MPLS改善了傳統IP路由選路的性能，增加網絡的吞吐能力，減少網絡時延和時延抖動，同時有助于簡化復雜的網絡結構，能使網絡的總成本下降50%。MPLS吸引網絡界注意的還有它的多項應用：VPN、IP多播、業務量工程、改善QoS等。所以MPLS被業界認為是最有前途的寬帶網絡解決方案，具有廣闊的應用和開發前景。

----《中國數據通信》