多協議標志交換基本原理

2019-11-03 10:23:25

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供稿：網友

華中科技大學董濤

　　摘要：就當前網絡發展趨勢，闡述了多協議標志交換（MPLS）技術的起因，原理及其優勢。

　　關鍵詞 ip ATM Routing 路由 Switching 交換 MPLS 多協議標志交換 LSR 標志交換路由器 LSP 標志交換路由

MPLS的特點

　　傳統的IP數據轉發是基于逐跳式的，每個轉發數據的路由器都要根據IP包頭的目的地址查找路由表來獲得下一跳的出口，這是個繁瑣又效率低下的工作，主要的原因是兩個：1、有些路由的查詢必須對路由表進行多次查找，這就是所謂的遞歸搜索；2、由于路由匹配遵循最長匹配原則，所以迫使幾乎所有的路由器的交換引擎必須用軟件來實現，用軟件實現的交換引擎和ATM交換機上用硬件來實現的交換引擎在效率上無法相抗衡。

　　MPLS技術的提出主要是為了更好地將IP與ATM的高速交換技術結合起來，發揮兩者的優勢，充分利用目前ATM網絡的各種資源，實現IP分組的快速轉發交換；對傳統的IP動態路由進行一些擴展，基于控制的動態路由（Constraint-Based Routing）實現IP業務流量控制、虛擬專網應用（BGP/MPLS VPN）及IP級的服務質量(IP Cos)。

　　多協議標志交換（MPLS）技術與其它技術相比具有三個特點：

　　(1) MPLS交換與傳統IP路由不同，它是基于一種顯式的路由交換（explicit routing），源地址路由方式。（2）MPLS中所使用的標志（label）沒有固定的格式，隨著下層媒體的變化而變化，對于ATM媒體，標志是ATM的VCI/VPI，對于幀中繼為DLCI，對于X.25為LCN。（3）MPLS的路由控制管理是一種面向網絡拓撲的實現，網絡拓撲驅動（topo-driven），只有當整個網絡拓撲發生變化時，MPLS的路由轉發表才會發生變化，而不且隨網絡中某個應用服務、某臺工作站的改變而變化。

　　在基于ATM的MPLS交換技術中，“標簽包裝”的原型與ATM交換機轉發信元非常相似；從另一角度看，在一個標志交換的環境中，ATM交換機將更像是一臺快速的路由器。MPLS的典型方法是，為第3層路由表中的路由前綴分配一個特定含義的標簽。這種拓撲驅動（topology-driven）的標志分配技術有別于其它基于流驅動(flow-driven)的分配技術，在MPLS中所分配的標簽僅隨路由前綴的變化而變化，其變化頻率相對會低得多。顯然，因為這種技術實現獨立于數據流，而采用目的地地址，因此具有很強的可擴展性。在某種程度上，標志交換有些類似于幀中繼采用數據鏈路連接標志符（DLCI）來執行高速的交換功能。當被標志的分組最終到達標志網絡的出口時，就被移去標志，分組由傳統的第3層路由進行轉發。

MPLS協議和功能

（2）標志交換轉發部件

　　標志與分組的綁定有若干種方式。對一些網絡可以將標志嵌入到鏈路層的頭端（ATM VCI/VPI，和幀中繼的DLCI）。有時也可以將它嵌入至位于數據鏈路頭端和數據鏈路協議數據單元（PDU）之間的小標志頭端（如，位于第二層頭端與第三層數據負載之間），稱為“Shim”。這種標志信息能夠在鏈路層進行承載，“shim”結構可以用于Ethernet, IEEE802.3, 或點對點（PPP）鏈路上，其中一個是為單目廣播（Unicast），另一個是為多目廣播（Multicast）。

　　在MPLS骨干網絡邊緣，邊界LSR對進來的無標志分組（正常情況下）按其IP頭端進行歸類劃分（Classification）及轉發判決，這樣IP分組在邊界LSR被打上相應的標志，并被傳送至到達目的地地址的下一跳。在后續的交換過程中，由LSR所產生的固定長度的標志替代IP分組頭端，大大簡化了以后的節點處理操作。后續節點使用這個標志進行轉發判決。一般情況下，標志的值在每個LSR中交換后改變，這就是標志轉發。

　　在中間LSR中MPLS的轉發步驟如下：第一步：從分組中獲取一個標志；第二步：從LFIB中查找一條其進入標志等于分組標志的條目；第三步：將條目中的出口標志替代分組中的標志；第四步：將分組從條目中所指定的輸出端口送出。當中間LSR收到標志分組，該分組標志首先被提取出來，并做為索引在LSR中的轉發表中進行查尋檢索，一旦發現了與輸入標志匹配的條項，就提取出條項中的輸出標志重新加到分組，并將新組合的分組送到條項中指向下一跳的輸出接口（對于多目廣播要涉及到多個輸出端口）。標志轉發表可以在節點級（即每個節點一個表）或在接口級（每個接口一個表）來實現。

　　如果分組從MPLS的骨干網絡中出來，出口邊界LSR發現它們的轉發方向是一個無標志的接口，就簡單地移除分組中的標志。這種基于標志轉發的最重要的優勢在于對多種交換類型只需要唯一一種轉發算法，可以用硬件來實現非常高的轉發速度。

　　IP分組包在邊界路由器處被標志上一個“標簽”，并按照這種標簽在標志交換機中進行轉發。這些標簽的值在每一個跳級（Hop）只具有本地意義，進入分組上的標簽用來決定該分組的路徑并在下一個跳級被包裝上新的相應的標簽。在到達標志交換路徑的最后一個標志邊界路由器時（即下一跳級不支持標志交換），標簽就被剝除，分組被正常轉發。由于沿路轉發節點僅讀非常簡單的標簽，而不是在分組頭端上的IP地址信息細節來進行轉發判決，IP通過網絡的交換速度將大大增加，并且在同一個消息中的所有其它分組也會沿著相同的路徑通過網絡。

（3）標志交換控制部件

　　標志由標志交換路徑（LSP）的上游LSR（Upstream LSR）節點來附加至分組中，下游LSR（Downstream LSR）收到標志分組后判決處理，這由標志交換的控制部件來完成。它使用標志轉發表中的條項內容作為引導。標志交換控制部件除了基本的表的建立和維護外，還負責以一種連續的方式在LSR之間進行路由的分布及進行將這些信息生成為轉發表的操作。標志交換控制部件包括所有的傳統路由協議（如，OSPF，BGP，PIM等等）。這些路由協議為LSR提供了FEC與下一跳地址的映射。另外，LSR還必須：在標志與FEC之間建立綁定；將這些綁定向其它LSR分布；構建它自己的轉發表。

　　綁定技術有多種選擇，建立標志流的決定可以基于多個標準（如數據源地址）。數據驅動（data-driven）的標志綁定技術僅當有需求時才建立激活的標志綁定。當網絡拓撲和流量的變化時，綁定信息都需要重新分布。拓撲驅動（topo-driven）又稱為控制驅動 (control-driven) 綁定，是基于對路由處理和資源預留所產生的管理信息。盡管兩種方法目前都有使用，但新出現的MPLS標準應該基于控制驅動的模式。

　　標志信息的分布（Distribution）：標志交換轉發表中的條項內容最少應能提供輸出的端口信息和下一個新的標志，當然也可以包含更多的信息。例如，它可以為被交換的分組產生一種輸出隊列原則。輸入分組必須在轉發表中有唯一的條項與之對應。

　　每一個分配的標志必須與轉發表中的一個條項相關聯起來。這種綁定可以在本地LSR執行或在遠端LSR執行。目前MPLS版本使用下游綁定，這種情況下，本地關聯的標志用作進入分組標志，而遠端關聯標志用作輸出標志。另一種方式為上游綁定，與下游綁定相反，也是一種可行的方法。在MPLS技術中，轉發表又稱為標志轉發信息庫（LFIB），LFIB的每一個條目中包括輸入標志，輸出標志，輸入接口和輸出端口MAC地址，由輸入標志對條項進行檢索查找。

　　MPLS體系結構既使用了本地控制（LSR無需等待接收到從鄰居發來的FEC綁定，就可以決定創建并廣播一個FEC的綁定信息），也使用了出口控制（LSR在分配一個標志并向它的上游廣播前必須等待從它的下游節點鄰居接收到綁定信息）。FEC與標志的綁定信息向鄰居進行廣播，來建立各自的轉發表。在轉發表中的信息也必須持續地跟蹤變化，這樣不會導致基于標志的交換出現錯誤。

標志信息分配的兩種方式：

　　在傳統路由協議上承載（piggybacking）——MPLS標志綁定信息符加在傳統的路由協議中進行分布，這只能由控制驅動的方案來支持。在正常的路由協議操作上承載，確保了轉發信息的一致性，避免使用其它附加協議。不足處在于，并非所有子網都使用路由，也并非所有路由協議容易對標志進行處理，因此這不是對標志分配比較完善的解決辦法。

　　使用標志分配協議（Lable Distributing PRotocol）——Cisco基于其標記交換（Tag switching）技術提出了標記分配協議（TDP），MPLS工作組以它為基礎又定義了一種新的標志綁定信息的分布，稱為標志分布協議（LDP）。LDP可以適用于控制驅動和數據驅動兩種方案。而LDP的缺點就是它增加了實現的復雜性（對新協議的支持），并且它仍需與相關的動態路由協議配合使用。

MPLS中LDP的定義還尚未完全，更為深入的研究還在進行中，目前已經有了LDP的V1.0版本。

（4）標志交換路由器（LSR）

　　MPLS的設備按其在MPLS路由網絡中所處的位置可分為邊界標志交換路由器（Edge Label Switching Routers）和中間標志交換路由器（Transit LSR）。邊界標志交換路由有進口／出口邊界交換路由器，進口邊界LSR負責在標志交換路徑（LSP）的起始處對正常分組封裝標志；出口邊界LSR在LSP的未端負責對標志分組剝除標志封裝還原為正常IP分組，向目的地傳送。而網絡中的其它LSR僅負責基于到達分組的標志進行快速準確的路由。

　　邊界LSR除對分組的標志進行符加或移除外，還負責對流量進行分類。標志的分配除了基于目的地地址外還有其它很多因素。邊界LSR判定流量是否為一個長持續流，采取管理政策和訪問控制，并在可能的情況下將普通業務流匯聚成較大的數據流。這些都是在IP與MPLS的邊界處所要具有的功能，因此邊界LSR的能力將會是整個標志交換環境能否成功的關鍵環節。對于服務提供者而言，這也是一個管理和控制點。邊界LSR應能具備以下能力：

　　線速（wirespeed）IP流分類能力：這可以允許這些產品在不降低轉發性能的情況下來分配服務質量（QoS）值及向IP流分配標志；擴展的VPN能力：利用MPLS來提供VPN服務，這要求能有多個轉發表運行，來區別不同的VPN用戶。

2. 3 MPLS和ATM協議關系

　　MPLS為公共的轉發算法，基于標志的交換技術，在與ATM技術的結合上，MPLS使用ATM的用戶平面（user plane），以ATM的VPI/VCI作為其標志；MPLS的控制功能部件，以網絡層的動態路由協議（如：IS-IS，OSPF，BGP，PIM）及標志分配協議（LDP）來替代ATM傳統的控制平面，完成對整個MPLS網絡的控制功能。

結束語

　　基于MPLS的思想框架，MPLS的優勢主要體現在以下幾點：將傳統的基于IP分組中頭端信息進行IP的路由轉發的機制淘汰下來；在一種公共轉發算法（標志交換）上提供了多種路由方案（如基于目的的顯式路由等）；將ATM技術與IP技術靈活地結合起來，從控制平面看具有MPLS功能的ATM交換機則更像是一臺路由器。使用MPLS使各種IP的業務應用成為可能，如：基于IP的VPN，IP級業務服務質量保證，骨干網絡流量控制。MPLS交換主要目的是為下一代的多用戶，多服務的Internet骨干網絡提供一種路由交換的技術基礎。各網絡廠商紛紛推出基于各自特點的MPLS的技術實現及設備，比較成功的有Cisco、Juniper、Lucent等廠家?？雌浒l展趨勢，MPLS必然會在不久的幾年內完成各種方面的標準制定，真正成為下一代Internet的路由技術主流。

摘自　通信市場

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