下一代互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)IP QoS(3)

2019-11-03 09:03:41

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供稿：網(wǎng)友

姜明

　　5.多協(xié)議標(biāo)簽交換MPLS

　　1997年，以Cisco公司為主的幾家公司（包括ipsilon、IBM、Cascade、Toshiba）提出了多協(xié)議標(biāo)簽交換（MultiPRotocol Lable Switch，MPLS）技術(shù)。MPLS技術(shù)產(chǎn)生的初衷就是為了綜合利用網(wǎng)絡(luò)核心的交換技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)邊緣的IP路由技術(shù)各自的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生的其最初設(shè)計(jì)目標(biāo)是將第二層的交換速度引入到第三層。基于標(biāo)簽的交換方式允許路由器在作轉(zhuǎn)發(fā)決定的時(shí)候僅僅以簡單的標(biāo)簽為基礎(chǔ)，而不是基于目標(biāo)IP地址作復(fù)雜的路由查找?，F(xiàn)在，MPLS更成為流量工程（Traffic Engeering）和虛擬專用網(wǎng)（Virtual Private Network，VPN）方案的重要解決手段，并且日益成為擴(kuò)大IP網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的重要標(biāo)準(zhǔn)。

　　MPLS中的常用的術(shù)語

　　標(biāo)簽（Label）：標(biāo)簽是一個(gè)包含在每個(gè)包中的短的具有固定長度的數(shù)值，用于通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)包。

　　標(biāo)簽邊緣路由器（Lable Edge Router，LER）：LER是MPLS網(wǎng)絡(luò)同其他網(wǎng)絡(luò)相連的邊緣設(shè)備，它提供流量分類和標(biāo)簽的映射（作為Ingress）、標(biāo)簽的移除功能。

　　標(biāo)簽交換路由器（Lable Switching Router，LSR）：LSR是MPLS網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備，提供標(biāo)簽交換、標(biāo)簽分發(fā)功能，具有第三層轉(zhuǎn)發(fā)分組和第二層交換分組的能力。

　　等價(jià)轉(zhuǎn)發(fā)類（Forwarding Equivalence Class，F(xiàn)EC）：FEC是在轉(zhuǎn)發(fā)過程中以等效的方式處理的一組數(shù)據(jù)包，例如目的地址前綴相同的數(shù)據(jù)包。FEC歸類的方法可以各不相同，粒度也可有差別。

　　標(biāo)簽交換路徑（Lable Switching Path，LSP）：MPLS實(shí)際上是一個(gè)面向連接的系統(tǒng)，標(biāo)簽的分配實(shí)際上就是一個(gè)建立連接的過程，也即建立了一條LSP。LSP可以是動(dòng)態(tài)的，也可以是靜態(tài)的，動(dòng)態(tài)LSP是通過路由信息自動(dòng)生成，靜態(tài)LSP是被明確提供的。

　　標(biāo)簽分配協(xié)議（Label Distribution Protocol，LDP）：LDP提供一套標(biāo)準(zhǔn)的信令機(jī)制用于有效地實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的分配與轉(zhuǎn)發(fā)功能。LDP基于原有的網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議OSPF、IS-IS、RIP、EIGRP或BGP等構(gòu)建標(biāo)簽信息庫，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在MPLS域邊緣節(jié)點(diǎn)（即入節(jié)點(diǎn)與出節(jié)點(diǎn)）之間建立LSP。LDP主要執(zhí)行以下4個(gè)操作：

　　發(fā)現(xiàn)(Discovery)：發(fā)布并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)中的LSR。

　　會(huì)晤(session)：建立和保持兩個(gè)對(duì)等LDP之間的會(huì)晤。

　　廣告( Advertisement)：執(zhí)行標(biāo)簽的分配和傳播( allocation and distribution)。

　　通知(Notification)：通告差錯(cuò)信息。

　　MPLS的基本原理

　　MPLS協(xié)議的關(guān)鍵是引入了標(biāo)簽（Label）的概念。一對(duì)LSR必須在標(biāo)簽的數(shù)值和意義上一致。例如，下行LSR會(huì)給上行LSR發(fā)送一個(gè)特定標(biāo)簽X．代表一個(gè)特定的稱作A的FEC。于是，一個(gè)標(biāo)簽只在一對(duì)正在通信的LSR之間起作用，并用來表示屬于一個(gè)從上行LSR流向下行LSR的特定FEC的分組。MPLS可以支持添加到現(xiàn)有的幀或分組結(jié)構(gòu)（如以太網(wǎng)、PPP）的標(biāo)簽，也可以利用包含在數(shù)據(jù)鏈路層（如幀中繼和ATM）中的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)。

　　標(biāo)簽的格式取決于分組封裝所在的介質(zhì)。例如，ATM封裝的分組（信元）采用VPI和／或VCI數(shù)值作為標(biāo)簽，而幀中繼PDU采用DLCI作為標(biāo)簽。對(duì)于那些沒有內(nèi)在標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的介質(zhì)封裝，則采用一個(gè)特殊的數(shù)值填充。圖7給出4字節(jié)填充標(biāo)簽的格式，它包含一個(gè)20bits的標(biāo)簽值、一個(gè)3bits的CoS值、一個(gè)1bit的堆棧標(biāo)識(shí)符和一個(gè)8bits的TTL值。此外．如果填充值被插入到一個(gè)PPP或以太網(wǎng)幀中，包含在各幀頭中的一個(gè)協(xié)議ID（或以太網(wǎng)類型）表示一個(gè)幀或者一個(gè) MPLS單播或組播幀。

　　傳統(tǒng)的路由器是通過逐步查找路由/轉(zhuǎn)發(fā)表來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的（hop by hop路由方式），由于路由查找基本上是通過CPU來完成的，所以轉(zhuǎn)發(fā)速率受到很大的限制，這種轉(zhuǎn)發(fā)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足目前互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要，尤其是一些高帶寬和對(duì)時(shí)延敏感的多媒體業(yè)務(wù)大量進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)后。而MPLS的一個(gè)根本目的就是解決轉(zhuǎn)發(fā)速率問題。其方法就是依據(jù)標(biāo)簽這個(gè)短小、定長、非結(jié)構(gòu)化并只具有局部意義的標(biāo)識(shí)來轉(zhuǎn)發(fā)分組。由于標(biāo)簽的這些特點(diǎn)，所以標(biāo)簽的查找可以采用數(shù)組來實(shí)現(xiàn)，無論是用硬件還是用軟件來實(shí)現(xiàn)都不難。

　　當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)入MPLS網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它首先在LER處被分配一個(gè)標(biāo)簽。報(bào)文沿著LSP進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，路徑中的每個(gè)LSR僅僅根據(jù)標(biāo)簽內(nèi)容來做出轉(zhuǎn)發(fā)決定。在每一跳中，LSR剝離現(xiàn)有的標(biāo)簽，將一個(gè)新的標(biāo)簽應(yīng)用于該報(bào)文，并告訴下一跳如何轉(zhuǎn)發(fā)該報(bào)文。

　　具體而言，每個(gè)進(jìn)入MPLS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包被歸類為一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)類（Forwarding Equivalence Class, FEC），該等價(jià)類以一個(gè)標(biāo)簽來標(biāo)識(shí)，因此，報(bào)文中的標(biāo)簽內(nèi)容也就表示了該報(bào)文所分配的FEC。傳統(tǒng)的路由器在進(jìn)行包轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，各個(gè)路由器是獨(dú)立地作出轉(zhuǎn)發(fā)決定的，也就是說，每個(gè)路由器都將查看包頭的目的地址，而在MPLS中，只是在報(bào)文進(jìn)入MPLS網(wǎng)絡(luò)的LER時(shí)查看包的目的地址，在其它路由器并不查看包的目的地址，而僅僅根據(jù)其標(biāo)簽內(nèi)容來作出轉(zhuǎn)發(fā)決定。在數(shù)據(jù)包進(jìn)入到LSR時(shí)，入域標(biāo)簽映射（Incoming Label Map, ILM）機(jī)制將入域包的標(biāo)簽內(nèi)容與一組下一跳標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)入口（The Next Hop Label Forwarding Entry，NHLFE）相映射。LSR查看該NHLFE，決定向哪個(gè)接口轉(zhuǎn)發(fā)該包，并對(duì)包的標(biāo)簽棧執(zhí)行一個(gè)操作，然后將新的標(biāo)簽壓入標(biāo)簽棧，轉(zhuǎn)發(fā)所得到的結(jié)果。

　　MPLS在流量工程中的應(yīng)用

　　流量工程（Traffic Engineering，TE）的主要目的就是在促進(jìn)有效、可靠的網(wǎng)絡(luò)操作的同時(shí)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的利用率和流量的性能。一般來說，它包含了技術(shù)的應(yīng)用、測量的科學(xué)準(zhǔn)則、模型化、特征化（Characterization）和因特網(wǎng)流量的控制，以及如何將這些知識(shí)和技術(shù)應(yīng)用到實(shí)踐中來獲取一些特定的性能指標(biāo)。由于網(wǎng)絡(luò)資源的昂貴和因特網(wǎng)激烈的商業(yè)競爭的天性，流量工程已經(jīng)成為大型自治系統(tǒng)（Autonomous System，AS）中一個(gè)不可缺少的功能。

　　MPLS的最初設(shè)計(jì)目標(biāo)是將第二層的交換速度引入到第三層，隨著第三層交換速度的大大提高，這一最初目標(biāo)已經(jīng)不復(fù)存在了，而現(xiàn)在MPLS的最主要功能就是流量工程，即在多條可能的轉(zhuǎn)發(fā)路徑中進(jìn)行負(fù)載平衡。

　　流量工程是指為業(yè)務(wù)流選擇路徑的處理過程，以在網(wǎng)絡(luò)中不同的鏈路、路由器和交換機(jī)之間平衡業(yè)務(wù)流負(fù)載。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在多條并行或可選的路徑時(shí)，流量工程就顯得非常重要了。流量工程的主要目的是提供有效可靠的網(wǎng)絡(luò)操作，同時(shí)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的利用和業(yè)務(wù)流性能。流量工程的目標(biāo)是在一給定節(jié)點(diǎn)與另一節(jié)點(diǎn)之間計(jì)算一條路徑（源路由），該路徑不違反它的約束（例如帶寬/管理要求），并且從一些數(shù)量指標(biāo)看來是最優(yōu)的。一旦路徑被計(jì)算后，流量工程將負(fù)責(zé)在該路徑上建立和維護(hù)轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。

圖8 MPLS體系結(jié)構(gòu)

　　6.子網(wǎng)帶寬管理SBM

　　由于數(shù)據(jù)包的發(fā)送過程必須經(jīng)過發(fā)送端主機(jī)以及接收端主機(jī)的所有OSI協(xié)議層，甚至可能要經(jīng)過中間某個(gè)網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)。這就涉及到一個(gè)問題：如何在子網(wǎng)內(nèi)，即在數(shù)據(jù)鏈路層上保證高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)幀獲得高級(jí)別的服務(wù)。某些鏈路層的技術(shù)已經(jīng)可以支持QoS了，例如異步傳輸模式ATM。而其它更多的LAN技術(shù)（如以太網(wǎng)技術(shù)）最初并非為支持QoS設(shè)計(jì)的。以太網(wǎng)作為共享的廣播媒介，在它的交換方式中，提供了一種類似與傳統(tǒng)的盡力而為的IP服務(wù)。為此，IETF的ISSLL小組定義了上層QoS協(xié)議和服務(wù)與以太網(wǎng)之類的數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)之間的映射關(guān)系，并且提出了子網(wǎng)帶寬管理（Subnet Bandwidth Management，SBM）的方案，它適用于802.1 LAN，如以太網(wǎng)、令牌環(huán)和FDDI等。SBM是數(shù)據(jù)鏈路層上的QoS，它通過將高層QoS映射到特定的數(shù)據(jù)鏈路層上實(shí)現(xiàn)在第二層上的快速交換。

　　SBM也是一個(gè)信令協(xié)議，它允許網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和交換機(jī)之間在SBM框架內(nèi)進(jìn)行通信和協(xié)調(diào)，并實(shí)現(xiàn)向高層QoS的映射。在SBM體系結(jié)構(gòu)中，要求所有的數(shù)據(jù)幀必須通過至少一個(gè)SBM交換機(jī)。SBM的主要構(gòu)件有三個(gè)部分：

　　請(qǐng)求模塊（Request Module, RM）：請(qǐng)求模塊駐留在每個(gè)端系統(tǒng)中而不駐留在任何交換機(jī)中。請(qǐng)求模塊根據(jù)管理員所定義的策略，將高層的QoS協(xié)議參數(shù)映射到第二層的優(yōu)先級(jí)別。

　　帶寬分配器（Bandwidth Allocator, BA）：帶寬分配器保存子網(wǎng)內(nèi)資源的分配狀態(tài)，并且根據(jù)可用資源的情況以及管理員所定義的策略來執(zhí)行接入控制。

　　通信協(xié)議（Communication Protocols, CP）：通信協(xié)議用于在SBM系統(tǒng)中，各個(gè)不同的組件之間進(jìn)行通信。SBM體系結(jié)構(gòu)提供了RM-to-BA以及BA-to-BA的信令機(jī)制來請(qǐng)求資源、改變或刪除分配資源。

　　SBM有兩種形式的體系結(jié)構(gòu)：集中式結(jié)構(gòu)和分布式結(jié)構(gòu)，它取決于BA所處的位置，如圖9和圖10所示。不管在哪種形式的結(jié)構(gòu)中，RM都必須在需要請(qǐng)求資源的端系統(tǒng)中。APP表示需要使用RM的應(yīng)用，它可以是用戶應(yīng)用程序，也可以是高層協(xié)議（如RSVP）。

　　在集中式結(jié)構(gòu)中，只有單個(gè)的BA來實(shí)現(xiàn)整個(gè)子網(wǎng)的帶寬管理與分配，每個(gè)端系統(tǒng)中包含一個(gè)RM，而網(wǎng)橋和交換機(jī)中則不需要RM。當(dāng)端系統(tǒng)需要請(qǐng)求資源時(shí)，則由它的RM首先向BA發(fā)出請(qǐng)求通信。在這種結(jié)構(gòu)中，BA需要知道整個(gè)子網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　在分布式結(jié)構(gòu)中，子網(wǎng)內(nèi)所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中都需要實(shí)現(xiàn)BM功能，所有的端系統(tǒng)中仍然需要實(shí)現(xiàn)RM。在這種結(jié)構(gòu)中，每個(gè)BA需要知道與它連接的本地網(wǎng)段（一個(gè)子網(wǎng)可能包括多個(gè)網(wǎng)段）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　關(guān)于作者

　　姜明，計(jì)算機(jī)專業(yè)博士研究生。主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)QoS。非常高興能夠與廣大同行就IP QoS及IPv6協(xié)議方面的相關(guān)問題進(jìn)行切磋，歡迎大家對(duì)本文多提寶貴意見，我的Email是：jiangmingcc@163.com。

　　
摘自　賽迪網(wǎng)

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