MPLS的研究發展及其關鍵技術綜述

2019-11-03 10:11:58

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MPLS的研究發展及其關鍵技術綜述（李珂、顧尚杰、諸鴻文）摘要：MPLS技術正在快速發展以提高Internet的轉發速度和可擴展性以及提供更好的服務能力。本文介紹MPLS的總體框架，論述了MPLS目前急需解決的關鍵技術及其最新研究進展情況。關鍵詞：ATM ip 多協議標記交換（MPLS） VC合并路由環一、概述近年來，隨著WWW的巨大成功和日益普及，Internet在全球范圍內呈爆炸性增長，Internet上的主要業務由傳統的文件傳送、電子郵件和遠程登錄等轉向多媒體應用豐富的WWW。網上信息流的持續增加，由多層路由器構成的傳統網絡趨向飽和，多媒體通信的迅猛發展（如網絡電話、電子商務、視頻會議等），要求網絡能提供具有不同QOS等級的綜合業務（如時延、帶寬、分組丟失率的保證），由于Internet采用面向無鏈接的IP協議，只能提供盡力而為（best－effort）服務，因此無法提供QOS保證。當現有Internet規模擴充到一定限度后，將在許多方面（帶寬、路由、網絡擴展性、QOS）面臨挑戰。 ATM技術的出現為解決Internet困境帶來了契機，IETF制定了經典的IPOA（Classic IP overATM），ATM論壇制定了局域網仿真和MPOA（MultiPRotocol over ATM），有的已經得到了廣泛的應用。但這些方案均不夠理想。由于在早期的方案中，所采用的是疊加式（Overlay）模型。其優點是減少了ATM與IP的相互限制，有利于它們獨立地發展并向未來的B-ISDN過渡；但缺點是IP技術和ATM技術不能有效地結合，無論是分組的封裝效率、建鏈的時延、對組播的支持以及對QOS的支持都不理想。近幾年的發展已清楚表明IP將是下一個世紀網絡的主宰。因此，如何使ATM技術融入IP，如何將路由和交換結合起來，如何解決IP無連接和ATM面向連接的矛盾，以支持規模日益增長的Internet和多媒體業務，成為目前研究的熱點。眾多廠商和學者提出了許多新方案、概念和名詞，如IP交換、CSR、Tag交換、ARIS、MPLS等。本文將簡要介紹MPSL技術的基本原理及其急需解決的關鍵技術。二、MPLS的總體框架 1997年，由多家公司聯合向IETF提交了MPLS（多協議標記交換：MultiprotocolLabelSwitching）框架及體系結構兩個草案文檔，它以Cisco公司的Tag交換為基礎而又綜合各家之長。MPLS中引入了非常多的新概念和術語，其中比較關鍵的有：①Label（標記）：用于表示FEC的固定長度的標識符，僅具有局部意義；②LSR（標記交換路由器）：支持第三層前傳的MPLS節點；③FEC（等效前傳類）：以相同方式（如：通過同一條路徑，受到LSR相同的前傳處理）進行前傳的一組IP分組；④Label Stack（標記堆棧）：一組有序的標記，不同位置的標記代表著不同的層次；⑤LSP（標記交換路徑）：一個特定的FEC在同一層次上經過LSRS所形成的路徑；③LDR（標記分發協議）：一個 LSR通知其它LSRS關于標記／FEC綁定信息的一系列過程。在面向無連接的網絡中，每個路由器通過分析分組頭來獨立地選擇下一跳；而分組頭中含有比需要用來判斷下一跳多得多的信息。選擇下一跳的工作可分兩部分：將分組分成FECs和為FEC選擇下一跳；在傳統IP前傳中，每個路由器對同一個FEC的每個分組都要進行分類和選擇下一跳；而在MPLS中，對于一分組，只是在它進入網絡時進行FEC分類，并分配一個相應的標記；網絡中的LSR則不再需要對網絡層頭進行分析，直接根據標記進行處理。有些傳統路由器在分析分組頭時，不但決定分組的下一跳，而且要決定分組的業務類型（COS：Class of Service），以給予不同的服務規則。MPLS可以（但不是必須）利用標記來支持COS，此時標記用來代表FEC和COS的結合。MPLS可以支持任何網絡層協議，但實際上，MPLS工作組僅考慮IP協議。來自路由協議的信息用于分配和分發標記。一般來說，由下游節點向上游節點分發標記，連成一串的標記就構成了LSP。在單播中，LDP有兩種方式產進行標記的分發：獨立方式（Independent）和受控方式（Ordered）。在獨立方式中，任何節點可以在任何時候為每一個它認識的流進行標記分發；受控方式中，一個流的標記分發從這個流所屬的出口節點開始，這樣可以保證整個網絡內標記與流的映射是完整一致的。標記分配由下游執行，而下游節點由路由決定，也有兩種發配方式：下游（downstream）分配和下游按需（downstream－on－demand）分配。前者由下游分配標記，并分發到鄰近的LSRS；后者則由上游LSR為一個流向下游LSR提出標記分配請求，這在ATM網絡中很有用，因為ATM不能進行LSPs的合并。不論是獨立還是受控方式，可以采用自由模式（liberal mode）或保守模式（conservative mode）分發標記。在自由模式中，向所有鄰近的LSRS分發一個FEC的標記，而不管自己是否是這些節點在此FEC上的下一跳。這樣做的優點是當路由發生變化時，可以立即使用預先分發好的標記，但這將消耗更多的標記。保守模式只分發給下一跳是自己的那些節點，這樣可以節省標記空間。 MPLS中一個關鍵部分就是可以將同一個標記（或LSP）分配到多個流上。MPLS支持標記的不同層次的顆粒化（granularity）。根據對共享標記和最大程度獲得交換的好處之間的折中，可以選擇不同的顆粒化。常用的顆粒化有： ·IP地址前綴（IP Prefix）：具有相同的目的網絡地址將共用同一個LSP，與自由方式配合使用，可以使標記一次性完成分配； ·出口路由器（Egress Router）：有同一個出口路由器的所有IP地址共用相同的LSP，擴展性最好； ·應用流（application Flow）：擴展性最差，但保證了端到端的交換。因此，典型的LSP是一棵多點到點的樹，多個流在某些節點上匯聚成一個流，這使得MPLS可以用O（n）數量級的標記來進行流量交換，極大地增加了擴展性；但前提是LSRs必須支持流合并，這在ATM網絡中存在問題。 MPLS通用頭（shim）可以靈活地封裝到不同的位置，可以在第二層頭或第三層頭中，甚至可以在第二層與第三層頭之間，而且根據不同的數據鏈路層將有不同的格式：例如在點到點網絡中，就封裝到PPP頭的后面；而在ATM網絡中，則將標記映射到VPI／VCI中。Shim的格式支持標記堆棧，進入網絡的數據可以攜帶多個標記；這些標記采用先進先出的難棧方式，這使得MPLS支持層次化操作。例如在域內（intra-domain）用第一個標記，而在域間（inter-domain）用第二個標記；而且LSRs對于標記的處理方式與標記堆棧完全無關，它永遠是對最上面一個標記進行操作。三、MPLS的關鍵技術 1．VC合并（VC Merging） MPLS通過對標記不同粗細程度的分類和流合并兩種方法將網絡的連接數從0（n2）降到0（n），從而極大地增加網絡的可擴展性。當MPLS運行在基于幀的媒質上時，流合并很簡單，所要做的僅僅是要求節點將多個上游標記對應到同一個下游標記，這也稱為幀合并。但是在ATM上就會產生問題。在ATM中，MPLS的標記對應于ATM信元中的VPI／VCI域，因此流合并意味著VPI／VCI合并。但是標準的ATM交換機不支持VC合并。如果直接將不同的VC合并成同一個出口 VC，不同分組的信元就會交錯在一起，而且接收方沒有辦法能分辨出來。一種可行的方法是用VP而不是VC來進行流合并，通過對每個VP分配不同的VC空間來解決信元交錯問題；但這樣將極大地降低VPI／VCI的利用率，而且需要機制來進行VC空間的分配。 VC合并要求ATM交換機對不同人口 VC進來的分組先進行串行化，這就要求ATM交換機中有額外的緩存。對此MPLS工作組在1999年9月指定的標準中提出了一種解決方案，并初步研究了在輸出緩存采用FIFO時它的性能。研究結果表明，這種方案十分可行。 2．路由環（Loop）的防止與檢測由于LSP的建立基于路由信息，因此LSP有可能也形成環路。在傳統的IP網絡中，IP通過TTL域來減輕進入路由環的分組對整個網絡的影響。但是ATM和Frame Relay均不支持TTL。因此MPLS工作組提出：“必須要有某種機制，防上路由環產生，或者（并且）保留一些網絡資源可以用于路由環所產生的消耗。”有兩種方法來處理路由環：檢測和防止。對于檢測方式，允許路由環存在，但MPLS將會檢測到它并進行刪除或棄用；對于防止方式，MPLS將提供機制來杜絕路由環的生成。可以通過在MPLS消息中加入路徑矢量域來檢測路由環。路徑矢量域中包含了前傳某個流的每個節點的標識符。當某個節點收到這個域時，就檢查自己的標識符是否已經在路徑矢量域中：如果已經有了，則表明產生了回路；如果沒有，則將自己的標識符加到路徑矢量域中并前傳MPLS消息。 ARIS提出了一種擴散算法（diffusion）來防止路由環。對于某個流，當某個節點的下一跳發生變化時，首先用diffusion算法來判斷是否會產生路由環。在執行完畢之前，仍沿用舊的路徑來發送數據。MPLS工作組也在考慮其它擴展性更好的機制。在1999年5月提出的Internet草案中提出了一種線程機制（Threads Mechanism）。當一個節點（比如入口節點）想建立LSP或它的下一跳發生改變時，它向下游節點發送一個thread，thread由唯一的顏色（color）、跳數（hop count）和TTL三部分組成。如果節點收到了由它先前發出的thread，則說明有回路產生；如果它收到出口節點發回的確認消息，則說明不會形成回路。雖然線程機制功能強大，但操作過于復雜，而且節點必須保留經過它的所有thread的信息。由于目前的LDP（標記分配協議）有路由環的檢測功能，因此1999年6月提出的Internet草案中提出了一種簡單的防止機制來配合LDP：其工作原理與數據流的流向和樹的類型無關，可以很好地支持組播。通過向樹的根節點發送標記合并消息（label splice message），并等待根節點的確認消息來判斷是否存在環路。它沒有提供檢測控制消息的環路的方法，不過LDP已有相應的解決辦法。MPLS工作組目前仍未決定究竟選哪種機制。 3．RSVP與MPLS 已有人提出通過直接路由將RSVP和MPLS結合起來，并可以用于流量工程（trafficengineering）。草案規定了如何對RSVP流進行標記的分配和綁定，并通過RSVP的消息（PATH和RESV消息）來傳送相應信息。其中需要解決的問題有：當ATM不支持流合并時，要為每個發送方分配一個標記，此時如何將一組標記作為整個來進行資源預留；如何在ATM中進行TTL處理；如何在共享煤質上進行標記分區等。當RSVP路徑因某種原因發生故障時，RSVP將采用普通的best－effort路由來前傳，而這與流量工程的目的相矛盾：因為當一部分流量采用預定的路徑時，另一部分流量卻采用動態路由。而且，當一條路徑的一部分采用預定的路徑，而其它部分采用動態逐跳路由時，有可能出現永久路由環。 4·MPLS在共享媒質中現已提出兩種方案，一種是將shim頭放在MAC頭和網絡層頭之間，當數據在共享媒質中前傳時，不使用shim頭，而僅在共享媒質的邊界路由器使用；另一種機制是通過重新定義目的MAC地址的語義，將標記編碼到MAC頭中，這樣就不需要象第一種方案那樣要對幀進行分段，而且網橋可以具有路由功能。但它的缺點是無法和現有的LAN互通。四、結束語除了以上提到的，MPLS工作組對一些方面的問題還沒有充分涉及到。例如與其它許多已比較成熟的IP over ATM技術之間的互操作性等。總之，MPLS還是一項非常不成熟的技術，許多方面仍在進行標準化過程，僅有草案。到目前為止，在1999年3月通過了RFC2547（提出了一種ISP如何利用MPLS和BGP在主干網上為企業提供VPN的方案）；1999年9月通過了RFC2682（提出一個實現VC合并的簡單模型，并進行了初步性能分析）、FRC2702（給出了在MPLS中提供流量管理的要求）。對許多關鍵問題僅提出粗略的解決方案，也沒有任何性能上的測試和驗證；有些則還處于初步階段，如：組播、路由跟蹤（traceroute）、O&M、用于政策路由的直接路由以及安全性等方面。預計相應的標準要到2000年才能制定出來。

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