[Tecaffe]下一代Internet宽带网络技术----MPLS

网上资源,  电脑与网络 Lee 发表于 2006/12/5 15:10:39 　 Internet的网络规模和用户数量迅猛发展，如何进一步扩展网上运行的业务种类和提高网络的服务质量是目前人们最关心的问题。由于IP协议是无连接协议，Internet网络中没有服务质量的概念，不能保证有足够的吞吐量和符合要求的传送时延，只是尽最大的努力(Best-effort)来满足用户的需要，所以如不采取新的方法改善目前的网络环境就无法大规模发展新业务。 　　在现有的网络技术中，从支持QoS的角度来看，ATM作为继IP之后迅速发展起来的种快速分组交换技术具有得天独厚的技术优势。因此ATM曾一度被认为是一种处处适用的技术，人们最终将建立通过网络核心便可到达另一个桌面终端的纯ATM网络。但是，实践证明这种想法是错误的。首先，纯ATM网络的实现过于复杂，导致应用价格高，难于为大众所接受。其次，在网络发展的同时相应的业务开发没有跟上，导致目前ATM的发展举步维艰。第三，虽然ATM交换机作为网络的骨干节点已经被广泛使用，但ATM信元到桌面的业务发展却十分缓慢。 　　??由于IP技术和ATM技术在各自的发展领域中都遇到了实际困难，彼此都需要借助对方以求得进一步发展，所以这两种技术的结合有着必然性。多协议标签交换（MPLS）技术就是为了综合利用网络核心的交换技术和网络边缘的IP路由技术各自的优点而产生的。 　　一、MPLS的产生背景??目前IP与ATM相结合的解决方案归纳起来可以分为重叠模型和集成模型两类。 　　1、重叠模型??重叠模型的技术特点是：IP的路由功能仍由IP路由器来实现，需要地址解析协议（ARP）实现媒体接入控制（MAC）地址与ATM地址的映射或IP地址与ATM地址的映射。重叠模型采用ATM论坛或ITU- T的信令标准，并与标准的ATM网络及业务相兼容。其最大特点是在ATM网中不论是UNI信令还是NNI信令均不改变。重叠模型的实现方式主要有：IETF推荐的传统模型（CIPOA）、ATM论坛推荐的局域网仿真（LANE）和ATM上多协议（MPOA）技术。 　　重叠模型由于自身机制所限，无法摆脱服务器进行地址解析时所造成的传输瓶颈，并且网络扩展性很差，不适于在广域网中应用。实际上，重叠模型最大的问题还在于对两个分立网站进行管理的复杂性。随着为Internet核心网专门设计的高性能骨干网路由器的出现，以及ISP对ATM所提供的性能的要求不断增长，人们已意识到不应该再采用两套分立设备来实现结构复杂的重叠模型，相应地业界的研究方向也从“如何实现IP与ATM技术的相互操作”转向“怎样有效集成传统的第2层与第3层的最优属性”，并随后推出了集成模型。 　　2、集成模型??集成模型的技术特点是：将ATM层看成IP层的对等层，将IP层的路由功能与第2层交换功能结合起来，使IP网络获得ATM的选路功能。ATM端点只需使用IP地址进行标识，而不再需要地址解析协议，在ATM网络内使用现有的网络层路由协议来为IP报文选择路由。与重叠模型相比，ATM使用的信令发生了重大改变，即网络中UNI与NNI之间的信令已不再是ATM论坛或ITU-T定义的传统信令，而是一套专有的控制信令，其目的在于能够快速建立连接，以满足对无连接IP业务快速切换的要求。 　　在MPLS技术方案提出之前已有的各种集成模型解决方案所采取的基本方法都是从IP路由器获取控制信息，将其与ATM交换机的转发性能和标签交换方式相结合，从而构建成一个高速而经济的多层交换路由器。但是，各种方案彼此不能互通，而且仅适用于以ATM作为第2层的传输链路，不能工作在其他多种媒体（如帧中继、点对点协议、以太网）中，这与Internet基于分组的发展方向相矛盾。 　　为了解决上述问题，需要有一种可运行于任何链路层技术上的被多厂商共同遵循的标准。IETF在1997年初成立了MPLS工作组，利用集成模型中现有的技术的主要思想与优势，制定出一个统一的、完善的第3层交换技术标准。 　　MPLS明确规定了一整套协议和操作过程，最终在IP网内通过ATM和帧中继实现快速交换。MPLS中的关键概念是用标签来识别和标记IP报文，并把标签封装后的报文转发到已升级改善过的交换机或路由器，由它们在网络内部继续交换标签，转发报文。因而，IP0报文标签的产生和分配是建立在通过现有的IP路由协议获得网络路由信息的基础上的。虽然MPLS技术从概念上讲可以支持多种协议，但其最初的工作重点主要放在IPv4与ATM/帧中继相结合的技术上。 　　二、MPLS的网络构成??MPLS网络由标签边缘路由器（LER）和标签交换路由器（LSR）组成。在LSR内，MPLS控制模块以IP功能为中心，转发模块基于标签交换算法，并通过标签分配协议（LDP）在节点间完成标签信息以及相关信令的发送。请注意，LDP信令以及标签绑定信息只在MPLS相邻节点间传递。LSR之间或ISR与LER之间依然需要运行标准的路由协议，并由此来获了拓扑信息。通过这些信息LSR可以明确选取报文的下一跳并可最终建立特定的标签交换路径（LSP）。MPLS使用控制驱动模型，即基于拓扑驱动方式对用于建立LSP的标签绑定信息的分配及转发进行初始化。LSP属于单向传输路径，因而全双工业务需要两条LSP，每条LSP负责一个方向上的业务。 　　三、MPLS的工作原理??MPLS协议规定，IP报文仅在MPLS网络边缘节点（入口LSR），通过路由表查询并分配相应的转发等价类（FEC），同时采用固定长度的标签对该FEC进行描述与编码，并将此标签附加到IP报头的前面，即意味着该报砂信息不再用于网络中后续标签交换路由器的索引操作。相应的处于LSP中的标签交换路由器，利用报文携带的标签信息库（LIB）中进行索引，确定相应的下一跳，在LSR出端口用新的标签替换头原有标签。这样携带新标签的报文便沿着LSP向目的地转发。MPLS协议规定标签只具有本地意义，其具体的编码与封装规则可参见MPLS的标签封装草案。标签封装草案遵照逐跳前传（Hop by Hop）机制，详尽地描述了报文的转发行为，包括选择报文的下一跳，在LSR内完成标签的分配、转发与替换操作。在通常情况下，LSP的建立基于标准的IP路由协议，如开放最短路径优先协议（OSPF）。此外MPLS可为边缘标签交换路由器的标签映射方式提供多种算法，充分展现了其路由技术上的灵活性。 　　四、MPLS的核心技术----LDP??MPLS可通过下述一套简单的核心机制来提供丰富的标签分配及相关处理功能。构成MPLS协议框架的主要元素有LDP，LIB和转发信息库（FIB），其中LIB和FIB分别为存储标签绑定信息和相应的标签转发信息的数据库。为了能够在MPLS域内明确定义、分配标签，同时使用网络内各元素充分理解其签含义，MPLS网络需要一套完整的信令协议，即LDP。LDP提供一套标准的信令机制用于有效地实现标签的分配与转发功能。LDP基于原有的网络层路由协议构建标签信息库，并根据网络拓扑结构，在MPLS域边缘节点（即入节点与出节点）之间建立LSP。LDP信令位于TCP/UDP之上，它通过TCP层保证信令消息可靠传输，同时基于UDP传送发现消息。LDP信令传输使用的TCP和UDP知名端口号均为646。相邻的LSR之间必须建立一条非MPLS连接链路作为信令通道，用于传送LDP信令报文。对于ATM链路，默认的信令通道是VPI=0，VCI=32；对于帧中继链路，默认的信令通道是DLCI=15。 　　五、MPLS技术的特点与优点??综上所述，MPLS技术具有如下特点： 　　(1)基于单一的转发机制，可在同一网内同时支持多种业务类型的转发；(2)通过短小固定的标签，采用精确匹配寻径方式取代传统路由器的最长匹配寻径方式。 　　(3)通过集成链路层（ATM、帧中继）与网络层路由技术，解决了Internet扩展、保证IP QoS传输的问题；(4)利用显式路由功能同时通过带有QoS参数的信令协议建立受限标签交换路径（CR-LSP），因而能够有效地实施面向全国的流量工程。 　　六、对于MPLS技术的展望当前，对于MPLS在Internet核心网中的作用存在许多错误概念，主要表现为下述两方面。 　　(1)一些业界人士认为MPLS的开发目的是为使ATM交换机过渡到高性能的Internet骨干网路由器提供标准，这可能是在90年代中期提出的多层交换解决方案的设计初衷之一。但是，由于半导体技术的最新发展使得IP路由查询引擎的运行速率与MPLS或ATM VPI，VCI的查询速率基本相同，因而提高分组转发性能并不是MPLS工作组成立的主要目的。 　　(2)还有人认为MPLS设计的目的是为了避免传统的IP最长匹配寻径方式或是避免第3层路由操作。但是由于多方面的原因（如：网络边缘节点需要进行FEC/标签映射；传输节点需要动态路由拓扑信息以及在LDP对等体之间互通Hello消息；防火墙壁和ISP边缘处需要过滤报文操作、网络中主机的通信方式，等等），LSR均无法脱离网络层路由协议，因而MPLS工作组认为Internet永远需要传统的第3层路由。 　　事实上，MPLS最重要的优势以及设计初衷在于：它能够为ISP提供现有传统IP路由技术所不能支持的要求保证QoS的业务。通过MPLS技术，ISP可以提供各种新兴的增值业务，有效实施流量工程和计费管理措施，扩展和完善更高等级的基础服务。 　　MPLS技术仅仅经历了三年时间就已发展成为被业界推崇的下一代Internet宽带网络技术，这与它强大的技术优势（能够同时支持多种保证IP QoS的应用，有效实施流量工程）是分不开的。虽然，目前MPLS技术在QoS标签分配信令、解决VC合并、传输分类业务等许多方面还存在相当大的难点，需要进一步完善，但其发展方兴未艾．

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