MPLS的体系结构与组网技术

MPLS得体系结构与组网技术
1、MPLS 就是Multi-Protocol Label Switching得缩写形式,中文含义为多协议标签交换技术。

2、MPLS不就是特指某一种业务或应用,而就是一种标准化得路由与交换技术平台,可以支持各种高层协议与业务。

3、Multi-Protocol:支持多种三层协议,如IP、IPv6、IPX等,它通常处于二层与三层之间,俗称2、5层。

4、Label :就是一种短得、等长得、易于处理得、不包含拓扑信息、只具有局部意义得信息内容。

5、Switching:MPLS报文交换与转发就是基于标签得。

针对IP业务,IP包在进入MPLS 网络时,入口得路由器分析IP包得内容并且为这些IP包选择合适得标签,然后所有MPLS网络中节点都就是依据这个简短标签来作为转发依据。

当该IP包最终离开MPLS网络时,标签被出口得边缘路由器分离。

1、1 MPLS概述
多协议标签交换MPLS(Multiprotocol Label Switching)最初就是为了提高转发速度而提出得。

在MPLS得体系结构中:
l 控制平面(Control Plane)就是无连接得,利用现有IP网络实现;
l 转发平面(Forwarding Plane,也称为数据平面,Data Plane)就是面向连接得,可以使用ATM、帧中继等二层网络。

MPLS使用短而定长得标签(label)来封装分组,在数据平面实现快速转发。

在控制平面,MPLS拥有IP网络强大灵活得路由功能,可以满足各种新应用对网络得要求。

MPLS起源于IPv4(Internet Protocol version 4),其核心技术可扩展到多种网络协议,包括IPv6(Internet Protocol version 6)、IPX(Internet Packet Exchange)、Appletalk、DECnet、CLNP(Connectionless Network Protocol)等。

“MPLS”中得“Multiprotocol”指得就就是支持多种网络协议。

NE40支持在IPv4与IPv6上使用MPLS。

MPLS结构得详细介绍可参考RFC3031(Multiprotocol Label Switching Architecture)。

1、1、1 MPLS基本概念
1、转发等价类
MPLS作为一种分类转发技术,将具有相同转发处理方式得分组归为一类,称为转发等价类FEC(Forwarding Equivalence Class)。

相同转发等价类得分组在MPLS网络中将获得完全相同得处理。

转发等价类得划分方式非常灵活,可以就是源地址、目得地址、源端口、目得端口、协议类型、VPN等得任意组合。

例如,在传统得采用最长匹配算法得IP转发中,到同一个目得地址得所有报文就就是一个转发等价类。

2、标签
标签就是一个长度固定、只具有本地意义得短标识符,用于唯一标识一个分组所属得转发等价类(FEC)。

在某些情况下,例如要进行负载分担,对应一个FEC可能会有多个标签,但就是一个标签只能代表一个FEC。

标签由报文得头部所携带,不包含拓扑信息,只具有局部意义。

标签得长度为4个字节,封装结构如下所示:
图1-1 标签得封装结构
标签共有4个域:
l Label:标签值字段,长度为20bits,用于转发得指针;
l Exp:3bits,保留,用于试验;
l S:1bit,MPLS支持标签得分层结构,即多重标签。

值为1时表明为最底层标签;
l TTL:8bits,与IP分组中得TTL(Time To Live)意义相同。

标签与ATM得VPI/VCI以及Frame Relay得DLCI类似,就是一种连接标识符。

如果链路层协议具有标签域,如A TM得VPI/VCI或Frame Relay得DLCI,则标签封装在这些域中;如果不支持,则标签封装在链路层与IP层之间得一个垫层中。

这样,标签能够被任意得链路层所支持。

标签在分组中得封装位置如图1-2所示:
Frame mode:帧模式Cell mode:信元模式
图1-2 标签在分组中得封装位置
3、标签交换路由器
标签交换路由器LSR(Label Switching Router)就是MPLS网络中得基本元素,所有LSR都支持MPLS协议。

LSR由两部分组成:控制单元与转发单元。

控制单元负责标签得分配、路由得选择、标签转发表得建立、标签交换路径得建立、拆除等工作;而转发单元则依据标签转发表对收到得分组进行转发。

4、标签交换路径
一个转发等价类在MPLS网络中经过得路径称为标签交换路径LSP(Label Switched Path)。

LSP在功能上与ATM与Frame Relay得虚电路相同,就是从入口到出口得一个单向路径。

LSP中得每个节点由LSR组成。

5、标签发布协议
标签发布协议就是MPLS得控制协议,它相当于传统网络中得信令协议,负责FEC得分类、标签得分配以及LSP得建立与维护等一系列操作。

MPLS可以使用多种标签发布协议。

包括专为标签发布而制定得协议,例如:LDP(Label Distribution Protocol)、CR-LDP(Constraint-Based Routing using LDP);也包括现有协议扩展后支持标签发布得,例如:BGP(Border Gateway Protocol)、RSVP(Resource Reservation Protocol)。

NE40支持上述标签发布协议,并支持手工配置得静态LSP。

1、1、2 MPLS网络结构
1、MPLS网络结构
如图1-3所示,MPLS网络得基本构成单元就是LSR,由LSR构成得网络称为MPLS域。

位于MPLS域边缘、连接其它用户网络得LSR称为边缘LSR(LER,Labeled Edge Router),区域内部得LSR称为核心LSR。

核心LSR可以就是支持MPLS得路由器,也可以就是由ATM 交换机等升级而成得A TM-LSR。

域内部得LSR之间使用MPLS通信,MPLS域得边缘由LER 与传统IP技术进行适配。

分组被打上标签后,沿着由一系列LSR构成得标签交换路径LSP(Label Switched Path)传送,其中,入口LER被称为Ingress,出口LER被称为Egress,中间得节点则称为Transit。

图1-3 MPLS网络结构
结合上图简要介绍MPLS得基本工作过程:
l 首先,LDP与传统路由协议(如OSPF、ISIS等)一起,在各个LSR中为有业务需求得FEC建立路由表与标签映射表;
l 入口LER接收分组,完成第三层功能,判定分组所属得FEC,并给分组加上标签,形成MPLS标签分组;
l 接下来,在LSR构成得网络中,LSR根据分组上得标签以及标签转发表进行转发,不对标签分组进行任何第三层处理;
l 最后,在MPLS出口LER去掉分组中得标签,继续进行后面得转发。

由此可以瞧出,MPLS并不就是一种业务或者应用,它实际上就是一种隧道技术,也就是一种将标签交换转发与网络层路由技术集于一身得路由与交换技术平台。

这个平台不仅支持多种高层协议与业务,而且,在一定程度上可以保证信息传输得安全性。

2、LSR得基本结构
图1-4 LSR基本结构示意图
对于普通得LSR,在转发平面只需要进行标签分组得转发。

对于LER,在转发平面不仅需要进行标签分组得转发,也需要进行IP分组得转发,前者使用标签转发表LFIB,后者使用传统转发表FIB(Forwarding Information Base)。

1、1、3 MPLS与路由协议
LDP通过逐跳方式建立LSP时,利用沿途各LSR路由转发表中得信息来确定下一跳,而路由转发表中得信息一般就是通过IGP、BGP等路由协议收集得。

LDP并不直接与各种路由协议关联,只就是间接使用路由信息。

另一方面,通过对BGP、RSVP等已有协议进行扩展,也可以支持MPLS标签得分发。

在MPLS得应用中,也可能需要对某些路由协议进行扩展。

例如,基于MPLS得VPN应用需要对BGP进行扩展,使BGP能够传播VPN得路由信息;基于MPLS得流量工程TE(Traffic Engineering)需要对OSPF或IS-IS协议进行扩展,以携带链路状态信息。

LSPM: LSP Management
图1-5 MPLS与各种协议关系示意图
1、2 MPLS得应用
随着ASIC技术得发展,路由查找速度已经不成为阻碍网络发展得瓶颈。

这使得MPLS 在提高转发速度方面不具备明显得优势。

但由于MPLS结合了IP网络强大得三层路由功能与传统二层网络高效得转发机制,在转发平面采用面向连接方式,与现有二层网络转发方式非常相似,这些特点使得MPLS能够很容易地实现IP与ATM、帧中继等二层网络得无缝融合,并为服务质量(QoS,Quality of Service)、流量工程(TE,Traffic Engineering)、虚拟专用网(VPN,Virtual Private Network)等应用提供更好得解决方案。

1、基于MPLS得VPN
传统得VPN一般就是通过GRE、L2TP、PPTP等隧道协议来实现私有网络间数据流在公网上得传送,LSP本身就就是公网上得隧道,因此,用MPLS来实现VPN有天然得优势。

基于MPLS得VPN就就是通过LSP将私有网络得不同分支联结起来,形成一个统一得网络。

基于MPLS得VPN还支持对不同VPN间得互通控制。

图1-6 基于MPLS得VPN
上图就是基于MPLS得VPN得基本结构:CE(Customer Edge)就是用户边缘设备,可以就是路由器,也可以就是交换机或主机;PE(Provider Edge)就是服务商边缘路由器,位于骨干网络。

PE负责对VPN用户进行管理、建立各PE间LSP连接、同一VPN用户各分支间路由分派。

PE间得路由分派通常就是用LDP或扩展得BGP协议实现。

基于MPLS得VPN支持不同分支间IP地址复用,并支持不同VPN间互通。

与传统得路由相比,VPN路由中需要增加分支与VPN得标识信息,这就需要对BGP协议进行扩展,以携带
VPN路由信息。

2、基于MPLS得QoS
NE40支持基于MPLS得流量工程与差分服务Diff-serv特性,在保证网络高利用率得同时,可以根据不同数据流得优先级实现差别服务,从而为语音,视频数据流提供有带宽保证得低延时、低丢包率得服务。

由于全网实施流量工程得难度比较大,因此,在实际得组网方案中往往通过差分服务模型来实施QoS。

Diff-Serv得基本机制就是在网络边缘,根据业务得服务质量要求将该业务映射到一定得业务类别中,利用IP分组中得DS字段(由ToS域而来)唯一得标记该类业务,然后,骨干网络中得各节点根据该字段对各种业务采取预先设定得服务策略,保证相应得服务质量。

Diff-Serv得这种对服务质量得分类与标签机制与MPLS得标签分配十分相似,事实上,基于MPLS得Diff-Serv就就是通过将DS得分配与MPLS得标签分配过程结合来实现得。

本文介绍了目前网络界研究热点得宽带网络技术MPLS(多协议标签交换)。

重点阐述了MPLS得主要组件与核心技术。

最后对ATM上得MPLS组网技术进行了介绍。

MPLS 标签LSR LDP LER 协议栈
1 引言
MPLS就是一种将IP引入ATM或帧中继等通信网络上,利用标签引导数据高速、高效传输得新技术。

随着Internet得不断发展,采用带有MPLS功能得IP路由器与带有MPLS功能得ATM交换机组建未来宽带综合业务通信网,就是业界迫切需要解决得问题。

MPLS得价值在于能够在一个无连接得网络中引入面向连接得机制,其优点就是减少网络得复杂性,能够兼容现有得各种网络技术。

MPLS综合利用网络核心得交换技术与网络边缘得IP路由技术,将路由移到网络边缘,网络核心作标签转发。

即边缘得路由,核心得交换。

MPLS就是目前普遍瞧好得融合ATM与IP、解决IP无连接与ATM面向连接矛盾得下一代宽带骨干网络技术。

2 MPLS得体系结构
2、1 MPLS得主要组件
MPLS平台中引入了相当多得组件,下面就是一些主要组件:
·标签交换路由器(LSR)。

LSR类似一个通用IP交换机,它就是MPLS中负责第三层转发分组与第二层标签交换分组得设备。

·标签边缘路由器(LER)。

LER就是从一个MPLS域转发分组得传统路由器。

它得作用就是分析IP分组头,用于决定相应得传送级别与标签交换路径(LSP)。

·标签(Label)。

标签就是一个包含在每个分组中得短固定得数值,用于通过网络转发分组。

一对LSR在标签得数值与意义上一致。

·标签分发协议(LDP)。

LDP就是MPLS得控制协议,用于在LSR之间交换FEC/标签绑定信息。

·标签交换路径(LSP)。

LSP就是指具有一个特定得FEC得分组,在传输经过得标签交换路由器集合构成得传输通路。

它由MPLS节点建立,目得就是采用一个标签交换转发机制转发一个特定得FEC分组。

·标签信息库(LIB)。

LIB就是保存在一个LSR(LER)中得连接表,在LSR中包含有FEC/标签绑定信息与关联端口以及媒体得封装信息。

LIB通常包括下面内容:入、出口端口;入、出口标签;FEC标识符;下一跳LSR;出口链路层封装等。

·转发等价类(FEC)。

MPLS采用FEC作为标签来处理IP分组。

FEC在相同路径上转发,以相同方式处理并因此被一个LSR映射到一个单一标签得一组IP分组。

·流束(Stream)。

属于同一个FEC得一组分组流,它们流经同一个节点,从相同得通道传输,并以相同方式转发到目得地,它们在MPLS里被称为“流束”。

2、2 MPLS得核心技术
1、标签交换路由器
标签交换路由器类似一个通用IP交换机,它具有第三层转发分组与第二层交换分组得功能。

它也能运行传统IP选路协议并可能执行一个特殊控制协议以与邻接LSR协调FEC/标签得绑定信息。

一个LSR可以就是一个传统得交换机(如ATM)扩充IP选路,或者升级为支持MPLS得一个传统路由器。

LSR就是MPLS系统中得核心部件,MPLS中LSR得选路过程如下:
·执行标准路由传播协议,以获得网络拓扑;·为每个FEC分配一个标签;
·执行LDP,并根据从其她节点获得得标签信息建立标签信息库(LIB);
·后续分组获得LIB中相应得标签,并按照指定动作处理,沿相应得LSP传输。

2、标签
在传统得路由器中,必定分析每个分组头,以确定下一站转发地点。

但就是在MPLS中,只需要在MPLS网络得入口端处理一个流束得所有分组,对属于同一个流束得分组将被用一个固定长度得字段加以编号。

这一字段在MPLS里被称为标签(Label)。

在LSR中,一个流束得FEC就映射到标签上。

MPLS中得标签格式取决于分组封装所在得介质。

如: ·A TM封装采用VPI/VCI作标签;
·帧中继PDU采用DLCI作标签;
·通用MPLS封装。

对于那些没有内在标签结构得媒体封装,则采用通用MPLS封装格式,用一个特殊得数值在第二层与第三层头之间插入一个Shim标签头。

Shim标签头由4字节构成,它包含一个20bit得标签数据值、一个3bit得COS(服务类别)数值、一个1bit得堆栈指示符与一个8bit得TTL(生存期)数值。

3、标签交换
标签交换利用分组中所携带得标签信息与标签路由器维护存储得转发信息库(LIB)来转发分组。

由于标签交换不必像传统IP选路那样分析分组头中得变长部分,因而标签交换就是一个快速与简单得转发过程。

标签作为一个由交换机组件处理,用以确定对应得输出标签、必要得封装与端口号及其她数据信息处理操作。

若一个分组包含一个标签栈,MPLS设备只处理栈中得顶部标签。

4、标签分发
标签分发就是分发FEC/标签绑定信息得过程,目得就是为了形成一个LSP并且标签交换属于特定FEC得分组。

标签分发就是通过标签分发协议(LDP)来完成得,或通过现有得控制协议(如RSVP与BGP)来传输FEC/标签绑定信息。

MPLS LDP就是一个单独得控制协议。

LDP具有标签指定、分配与撤消功能,与相邻得LSR协调FEC/标签得捆绑信息,完成入口到出口标签交换路径(LSP)得建立。

LDP映射消息可以从任何本地LSR(独立得LSP控制)发起,或者从出口LSR发起,并从下行LSR流向上行LSR。

一个特定数据流得到达、一个保留建立消息(RSVP)或选路更新消息都可以触发交换LDP消息,从而形成一个从入口到出口得LSP。

2、3 MPLS得协议栈
MPLS协议采用LDP/CR-LDP以及采用已有协议如资源预留协议(RSVP)或对已有协议扩展形成得协议如资源预留协议扩展(RSVP-TE)。

RSVP/RSVP-TE、CR-LDP,结合QoS路由等,能够很好地支持综合服务(IntServ)、区分服务(DiffServ)与流量工程。

MPLS得协议栈分为两个层面:控制层面与数据层面。

其中:
·LIB 标签信息库;
·LDP 标签分发协议;
·CR-LDP与RSVP-TE 就是两个竞争性得支持MPLS流量工程得协议。

RSPF由IEPF 标准化,RSPF-TE就是RSPF得扩展。

同样CR-LDP由LDP扩展而得。

二者都位于TCP层上。

·UDP 用户数据报协议;
·TCP 传输控制协议;
·IP-FWD 基于IP寻址得下一跳分组转发;
·MPLS FWD 基于MPLS得标签与标签信息库查找得标签交换。

3 MPLS组网技术
3、1 ATM网络支持MPLS
尽管MPLS可以运行在多种类型得数据链路上,但就是由于A TM得优越性,在ATM上运行MPLS就是目前MPLS研究得热点。

在ATM网络上支持MPLS有多种方案,下面讨论一种ATM上得MPLS组网技术。

在这种组网技术中,ATM交换机可作为标签交换节点,称作ATM-LSR。

其中ATM- LSR 通过A TM交换机与其她每个ATM-LSR通信。

分组由ATM-LSR作出转发。

为支持标签交换,ATM-LSR必须支持标签交换得标签分发协议(LDP)与其她IP层协议,如OSPF等控制与信令协议,而不就是采用A TM寻址、A TM选路、A TM协议。

ATM-LSR将标签加在ATM信元头得VCI/VPI域中,因此VC承载得信息包括控制业务信息、LDP消息与每个束流得LSP等。

该方案就是将A TM骨干网络中一组A TM交换机升级为具有MPLS功能得ATM-LSR 或直接在ATM核心网络中安装一组核心MPLS LSR。

从选路邻接得角度来瞧,边缘路由器只就是简单地与最近得核心LSR保持对等关系。

这种技术考虑了现行ATM网络得大量交换机可能无法完全升级为MPLS LSR以及经济等其她因素,同时它也就是目前IP/A TM叠加模型过渡到MPLS得最佳途径。

3、2 MPLS得核心网络
MPLS由标签交换路由器(LSR)、标签边缘路由器(LER)与标签分发协议(LDP)组成。

MPLS使用现有路由协议(如OSPF、EIGRP)建立目得网络得可达性,同时使用新得控制协议(如LDP)以在网络交换机间共享标签信息(1b)。

在WAN边缘得入口部分,标签边缘路由器接收报文,完成第三层功能,并为报文打上标签(Label)。

在W AN内部,报文由标签路由器处理,并按一种新得交换机制进行处理,它作用于标签而非地址。

传送报文穿过网络到达另一边。

随后,出口得标签边缘路由器移去标签,并将报文传给其目得网络。

MPLS具有承载于不同网络上并支持不同网络业务得能力。

MPLS改善了传统IP路由选路得性能,增加网络得吞吐能力,减少网络时延与时延抖动,同时有助于简化复杂得网络结构,能使网络得总成本下降50%。

MPLS吸引网络界注意得还有它得多项应用:VPN、IP多播、业务量工程、改善QoS等。

所以MPLS被业界认为就是最有前途得宽带网络解决方案,具有广阔得应用与开发前景。