多協議標記交換技術

2019-11-03 10:14:24

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供稿：網友

多協議標記交換技術（李惠敏） MPLS（多協議標記交換）技術目前尚處于研究開發階段，正在由IETF MPLS工作組進行標準化工作，但普遍認為MPLS是未來公用骨干網上利用ATM傳送ip的一種最適用的技術方案。MPLS既具有ATM的高速性能、QoS性能、流量控制性能，又具有IP的靈活性和可擴充性。 1IP與ATM技術的結合由于Internet只能提供盡力而為的服務，因此無法提供QOS（服務質量）的保證。隨著因特網用戶數量呈指數性增長和多媒體業務的涌現，因特網將面臨種種考驗，如帶寬、快速傳輸、網絡的擴展性、路由、QoS等，這就要求傳統的、基于網絡層（L3）的路由器必須改善其轉發速度慢、時延大、時延抖動大、實時傳輸性能差的特性?；跀祿溌穼樱↙2）實現交換的ATM技術為解決因特網的這些問題帶來契機，因為ATM技術具有高帶寬、快速、高性能和對QoS支持等等特性。那么如何將ATM技術與IP技術兩者互相融合，如何實現將L3路由轉發轉化為L2交換，如何解決ATM面向連接與IP無連接的矛盾，近幾年始終處于研究的熱點。眾多廠商和學者提出了多種實現IP與ATM技術相結合的方案，從IP協議與ATM協議的關系劃分，IP與ATM技術的結合存在兩種模式：重疊模式和集成模式。兩種模型的基本差別在于地址解析過程和ATM虛連接的建立過程不同，重疊模型分為地址解析和建立連接兩個標準化過程，需要定義IP和ATM兩套地址結構及選路協議，需要進行IP地址、ATM地址兩類地址的映射。集成模型則是綜合地解決這兩個問題，它把第三層的選路功能和第二層的轉發功能融合在同一系統中實現，直接將目的地IP4址和VPI/VCI值進行映射，網絡只需要標識出IP這一種地址。轉發使用ATM交換結構，但ATM交換結構受IP的選路控制，從而兼具IP選路的靈活性、強壯性和ATM交換的高速度、高帶寬的優點。已經確定的或正在研究推廣的方案，屬于重疊模式的有：（1）IETF RFC（Request For Comment）1577及 RFC2225：傳統的 IP Over ATM；（2）ATM Forum（ATM論壇）af－lane一0021.000：局域網仿真（LANE）（版本LANEv1.0和 LANEV2.0）；（3）ATM Forum af－mpoa－0087.000：ATM上的多協議（MultiPRotocol Over ATM，MPOA）。屬于集成模式的有：（1）IP交換 RFC1953：Ipsilon流管理協議（IFMP）； RFC 1954：通用交換管理協議（GSMP）。（2）標記（Tag）交換標記分配協議（TDP）。（3）多協議標記（Label）交換（MPLS）。（4）I一PNNI集成型PNNI（PNNI一專用網絡節點接口）。前三種由IETF（因特網工程任務組）研究推廣，I－PNNI由ATM論壇研究。本文將對MPLS技術的基本原理做些介紹。 2 MPLS的基本模型結構2.1 MPLS概述傳統的路由器數據包的轉發效率不能滿足實際需要，雖然通過高效率的路由選擇算法和優化的數據結構以及采用高速處理器、內存等措施也可以解決一些問題，但都不如采用MPLS的解決方案。 MPLS不像傳統的 IP Over ATM那樣把所有數據包都放在L2層進行交換，而是通過流分類決策對輸入數據流區別對待：對于持續時間長、數據量大的長流（如FTP）放在L2層建立直通交換；對于持續時間短、數據量少的短流（如DNS查詢）認為不值得為其建立直通連接而放在L3層轉發。 MPLS的節點識別網絡的拓撲結構，以標簽形式把L3的路由信息映射到L2交換中，它是具有路由功能的交換機、MPLS以FEC（前向等價類）為單位進行L2交換，所謂FEC是在網絡中的各個節點都以相同處理方式進行傳輸的一系列IP分組。 MPLS通過簡化核心設備的實際轉發功能，在內部稱面向連接的機制引入到無連接的IP協議中，為每個路由建立一條標記交換路徑（LSP）。在MPLS網絡中，只在進入網絡時（在LER標記邊緣路由器）對FEC的每個分組進行一次分類處理，并分配相應的標記，在網絡的中間節點不再重復，后續的節點只需分析標記含義，沿著由標記確定的路徑轉發數據包即可，從而簡化了轉發過程，提高了性能和可擴展性。 MPLS并不是針對某一種特定網絡層的技術，它可以運行在X.25、ATM、幀中繼、SDH等多種網絡，使得不同網絡的傳輸技術統一在同一個MPLS平臺上。MPLS目前主要解決支持IPv4和IPv6協議，以后逐步擴展到支持多種其他協議。2.2基本模型結構多協議標記交換技術首先將在ATM骨干網上引入，它由標記邊緣路由器（LER）和標記交換路由器（LSR）兩部分組成。LER和LSR利用通用域內路由協議（如OSPF）進行路由處理。在網絡邊緣處引人用于確定服務質量、區分業務和用戶管理的功能，而在網絡主干主要解決性能和容量問題。（1）LER LER位于ATM骨干網的邊線并作為 MPLS網絡的入口／出口路由器，用來連接到本MPLS網絡內部的一個LSR和其他網絡節點。其它網絡節點可以是非 MPLS的也可以是另一 MPLS網絡節點。LER執行全部 L3功能和由運行LDP（標記分配協議）產生的基于LIB（標記信息庫）的標記捆綁功能。入口點LER負責分析每個輸入數據包的IP包頭。以便進行FEC分類（即找到對應的前向等價類）。對于值得建立L2直通交換的數據流，生成固定長度的相應標記粘貼在其IP包頭上，以供LSR實現標記交換功能；出口點LER對接收到的帶有標記的IP包去除其標記后放在L3層發送至目的地。（2）LSR LSR與MPLS網絡的其它LSR或LER連接，執行基于LIB的標記交換。LSR類似通用IP交換機，具有L3轉發分組和L2交換分組的能力。LSR通過標記分配協議（LDP）實現標記分配和發布，它也能執行一個特殊控制協議與相鄰的LSR協調FEC和標記捆綁信息。基于ATM的標記交換路由器稱為ATM－LSR，它包括標記交換控制的ATM接口（LC－ATM）和ATM交換結構。用LC－ATM接口互連的一組ATM－LSR可構成MPLS域，信元在LC－ATM接口之間轉發。用做LSR的ATM交換機必須具有標記交換的控制功能，包括參與選路協議（如OSPF）和支持標記分配協議（LDP）以實現標記的分配、捆綁、分發和保持等功能。但是不要求具有ITU－T和ATM論壇制定的ATM控制面的功能。標記交換即轉發分組的過程是由LSR接收到帶有標記的數據包后，使用該標記做索弓間標記信息庫LIB查找到與它匹配的相關新標記，以查找到的信息替換多協議標記交換信頭中的標記并將數據包置于出口轉發到下一個LSR或LER。 3標記及真分配方式 MPLS中使用的標記是具有一定語義、代表數據傳輸路徑和屬性的固定長度數組，主要用來在網絡中引導數據分組沿著路徑轉發。一個標記只在正處于通信狀態的一對LSR之間起作用。標記的格式與分組封裝所處的介質有關，如在ATM中使用VCI、VPI／VCI、VCID（用做隧道的SVC、 PVC）作為標記，在幀中繼中使用DLCI作為標記。對于無內在標記結構的封裝介質。采用薄片（shim）式標記格式。薄片可靈活地封裝到不同位置，如放在L2層頭或L3層頭、甚至可在L2與L3層頭之間。根據不同的數據鏈路層有不同的shim格式，它支持標記堆棧（分層標記），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可以支持層次化操作。根據路由協議的信息進行標記分配和分發，通過使用LDP提供標準的MPLS信令機制執行分配和分發標記的工作。MPLS可支持兩種標記分配方式：一種是在上游節點沒有明顯請求時，就由下游節點分配標記，這稱為“非請求下游標記分配”方式。另一種是收到上游節點的明顯請求時，才由下游節點分配標記，這稱為“下游按需標記分配”方式?？梢允褂萌我庖环N分配方式也可以兩種方式兼用，如果在同一網絡中使用兩種分配方式時，相關的鄰接節點應協調確定采用哪種分配方式。標記保留采用保守的和自由的兩種方式。保守的標記保留方式只對真正用來轉發分組的標記才予以分配和保留，好處是節省標記保留空間，缺點是當選路方案變化時應變能力遲緩。自由的標記保留方式無論轉發分組時是否使用，LSR對收到的所有標記映射都予以保留，這種方式的優缺點與前者正好相反。對于使用ATM交換機的情況下，適合采用保守的標記保留方式。 4標記交換路徑（LSP）的建立 LSP是經過一個或多個LSR的通路。如果每個LSR通過LDP都與上游節點和下游節點生成標記及其捆綁信息，則在一個節點的ATM交換機建立起L2層直通交換，各個節點連成一串就構成了人口節點到出口節點的一條標記交換路徑LSP。由于每個節點有到同一目的地的多個上游節點，因而LSP通常是多點到一點的路徑。使用LSP可以傳送一定的FEC的各個分組。建立LSP可以采用獨立控制方式和按序受控方式進行。獨立控制方式，即任何節點可以在任何時刻為它所認識的流進行標記分發；按序受控方式，即一個流的標記分發從該流所屬的出口節點開始，這種標記分發方式使得標記與流的映射在整個網絡中保持完整一致。 MPLS使用LDP分發標記和捆綁信息的過程中，即為每個路由器建立一個LIB信息庫，同時在相應人口／出口LSR之間建立起LSP。LIB只對目前正在使用的標記進行登記，在LIB信息庫中包含著標記與相應的FEC之間的關聯關系（如入標記、出標記、人接口、出接口、FEC等）。無論何時當FIB（由IP選路的前向信息庫）發生變化，LSR均將重新協商標記前向等價類，匯集并更新LIB。標記分配協議提供出三類信息以便執行相應的操作：第一類稱為“發現類消息”用于發現在MPLS網絡中存在的標記交換路由器LSR；第二類稱為“鄰接類消息”用于建立和保持兩個標記分配協議對之間的鄰接點關系；第三類稱為“廣告類消息”用于處理發布和傳播新的標記映射、更改和撤消標記映射。 5相關技術措施5.1流的聚合對于具有相同路由的一群FEC，MPLS可以（不是必須）將同一標記分配給其多個FEC，使得多個流在某些節點匯聚成一個流，實現了流的聚合。這種標記分配可以節省標記的使用數量，同時也減少了用于標記分配的控制用業務流量。5.2 VC合并、VP合并當MPLS運行在基于幀的介質上時，實現流的聚合比較方便，只要在節點處將多個上游標記對應到同一個下游標記即可（所以也叫幀合并）。但是當MPLS運行在ATM上時，因為標記與ATM信頭中的VPI／VCI相對應，所以流的聚會就是要實現VPI／VCI合并。通常ATM不能支持多點到點和多點到多點的VC連接，即不支持VC合并，所以選用ATM做為標記交換路由器（ATM－LSR）時需采取一定的措施實現VC合并。 VC合并就是將多個輸入信元流的不同輸入VCI合并為同一輸出VCI。兩個輸入信元流的輸入VCI分別為50和70，而輸出VCI均為40。若直接進行VC合并可能會導致不同分組的信元產生交錯，以至接受端無法區分出各個分組。摘自《有線電視技術》

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