多協議標記交換（MPLS）技術研究

2019-11-03 10:14:12

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多協議標記交換（MPLS）技術研究<1>（王俊芳、妥艷君）摘要主要介紹了多協議標記交換（MPLS）技術的基本概念、網絡構成和工作原理，在此基礎上，提出了實現MPLS交換機路由器的關鍵技術。關鍵詞標記轉發等效類標記分發協議（LDP）多協議標記交換（MPLS）隨著互連網在全球范圍內的日益普及，特別是多媒體ip業務對傳輸信道的要求越來越寬，服務質量要求越來越高，用寬帶ATM網絡承載IP業務成為重要的技術發展方向。目前雖然存在多種ATM網絡承載IP業務技術方案（如CIPOA、MPOA等），但MPLS技術被公認為是最有發展前途的一種。多協議標記交換的最大特點是：同時可以支持多協議，也就是說它不僅可以支持多種上層網絡協議，包括IP、IPX等，而且可以運行于不同底層的網絡之上。1．MPLS的基本概念現有互連網是由路由器加專線構成的，IP數據包在所經過的每個路由器節點都要進行目的IP地址的最大匹配和選路，因此要求每個節點的路由器功能及能力都很強。但隨著目前線路速率和通信業務量的增長，負責尋路和轉發功能的路由器已成為網絡的瓶頸。為了解決傳統路由器轉發速度低這一問題，業界采取了一系列提高路由器轉發速度的措施，如采用效率更高的算法和數據結構、速度更高的處理器以及一些專用集成電路等，但這些措施增加了每個節點的成本，因而使得建網費用較高，而多協議標記交換提供了更好的解決方案，它把整個網絡的節點設備分為兩類：即標記邊線路由器（LER）和標記交換路由器（LSR），由LER構成MPLS網的接入部分，LSR構成MPLS網的核心部分。LER發起或終止標記交換通道（LSP）連接并完成傳統IP數據包轉發和標記轉發功能。人口 LER完成IP包的分類、尋路、轉發表和LSP表的生成、FEC（轉發等效類）至標記的映射。出口LER終止LSP，并根據彈出的標記轉發剩余的包。LSR只是根據交換表完成轉發功能。這樣所有復雜功能都在LER內完成，LSR只完成高速轉發功能。其優點是網絡簡單、易于擴展、建網費用低。1.1 MPLS的封裝為了能夠在數據包中攜帶標記棧信息，需要在封裝中引入標記棧字段。MPLS為底層的鍵路規定了不同的填充裝格式。在MPLS專用的環境中，也就是在以太網和點到點這樣的鏈路上，采用了“shim”封裝。shim位于第三層協議和第二層協議頭之間，與兩層協議無關，因而被稱為通用MPLS封裝。通用MPLS封裝包括標記棧、TTL和CoS（分類、排隊、規劃）等字段。1.2 MPLS的層次化結構層次化結構對于提高網絡的可擴展性是非常重要的。對于MPLS而言，要實現層次化結構，有三項工作必須完成：一是標記分發協議必須能夠透過其它節點傳遞標記信息；二是必須在數據包中傳遞標記棧信息，也就是說數據包必須同時攜帶多層標記信息；三是必須讓LSR知道何時可使用分層標記，也就是必須配置路徑的兩個端節點，以便它們能夠完成“換層”的處理。第一項和第三項工作都由標記分發協議（LDP）完成。2 MPLS的網絡構成 MPLS網絡由標記邊線路由器（LER）和標記交換路由器（LSR）組成。通過標記分發協議（LDP）在節點間完成標記信息的分發。在LER之間、LSR之間、LER與LSR之間依次需要運行路由協議（如OSPF、BGP等），它們通過路由協議來獲取網絡拓撲信息，并根據這些信息決定數據包的下一跳（在第三層轉發時）或交換路徑如何建立（在第二層轉發）。一個路由城內可以同時包含MPLS節點和非MPLS節點，標記信息只在MPLS的相鄰節點間傳遞。MPLS的兩個節點間若有非MPLS的ATM或幀中繼交換機，則以PVP或PVC將兩個MPLS節點連通。3 MPLS工作原理建立MPLS通信網的目的就是為連接到該網的用戶建立一條交換路徑，MPLS支持四種交換路徑：點到點、多點到點、點到多點和多點到多點。建立交換路徑涉及標記分配和標記分發兩方面的內容。3.1標記分配標記分配分為上游分配、下游分配和按需下游分配三種。LDP只規定了其中兩種：下游分配和下游按需分配。下游分配模式是由下游節點發起標記的分配和分發過程，而下游按虎分配模式則是由上游節點發起申請，由下游節點完成標記的分配和分發。在ATM環境下通常使用下游按需分配模式。不論何種分配模式，都存在如何啟動其分配的問題。也就是標記分配的驅動力問題。MPLS使用了三種標記分配的驅動力：拓撲驅動、基于申請的控制驅動和業務流驅動。拓撲驅動是指依靠路由協議控制信息來驅動標記的分配，進而完成交換路徑的建立。因為標記是預分配的，路徑是預建立的，所以在數據到達時可以以及快的速度轉發。使用抗撲驅動的技術有標簽交換、ARIS等。基于申請的控制驅動是指由基于申請的控制信息驅動標記的分配過程，這種驅動方式與拓撲驅動一樣具有路徑預建立的優點，但比拓撲驅動耗費更多的標記資源，這種方式非常適用于有特殊質量需求的業務。基于申請的控制業務流有RSVP。業務流驅動的優點是可以避免不必要的標記資源的占用，但因為業務流驅動是業務流到達時臨時建立交換路徑和進行標記分配，所以部分數據包的轉發速度會比較低，同時它還要求交換機有較高的處理能力（建立路徑的同時還需處理數據轉發）。CSR和Ipsilon使用的是業務流驅動的方式。3.2標記分發 MPLS使用了兩種標記分發方式，即用控制消息攜帶和使用專用標記分發協議。雖然使用專用標記分發協議會使路由的分發和標記的分發分離，但是因為使用控制消息存在諸如無法協商標記的可用范圍、無法處理無效的標記分配等問題。因此建議采用專用標記分發協議（LDP）。（1）標記分發過程 LDP用四類消息完成標記的分發過程，它包括發現消息、會活消息、公布消息、通知消息。標記分發協議的運行也可以分為三個階段： ·發現階段：在這個階段里，LSR可以自動發現它的LDP對等，而無需進行人工配置。LDP將發現機制分為兩種：一是基本發現機制，用來發現本地的LDP對等；二是擴展的發現機制，用來發現遠地的LDP對等。基本發現機制通過在LDP鍵路上周期性地發送“Hello”包來通知相鄰節點本地對等關系。這個“Hello”按UDP發送，目的協議地址為所有路由器的組括組地址，UDP端口號為公認的LDP發現端口號。“Hello”包的接收方會將這個對等關系標識為鏈路層可達。擴展的發現機制則由LSR周期性地發送特定IP地址的“Hello”包。“Hello”按UDP發送，目的協議地址為特定的IP地址，UDP端口號為公認的LDP發現端口號。“Hello”包的接收方會將這個對等關系標識為網絡局可達。 ·會話建立階段：在兩個LSR交互發現“Hello”包后，就會啟動LDP會話建立階段。會話建立階段又劃分為兩個子階段——建立傳輸層連接和初始會活。建立傳輸層連接就是在兩個LSR之間建立TCP連接，而初始會話就是通過交互LDP初始化消息來協商會活的參數，包括LDP協議版本、標記分發的方法、定時器值、標記的范圍（當底層使用ATM網絡時是VPI／VCI范圍，當底層使用幀中繼網絡時則是DLCI范圍）等。 ·會話的維持和刪除：LDP通過監測會話傳輸連接上 LDP PDU的接收情況來判定會話連接是否完整。一個LSR為每個會活保持一個“保持存活”定時器，當從該會活上接收到一個LDP PDU時，“保持存活”定時器會刷新。如果“保持存活”定時器到時，則LSR認為該傳輸連接中斷，該對等失效，并由此關閉傳輸層連接，從而終止這個對等會話。

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