多協議標簽交換技術(1)

2019-11-04 11:46:49

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供稿：網友

　　——近十年來，傳統語音業務的年增長率只有5～10％，而以Internet為代表的數據業務的年增長率為20％～30％。數據通信業務量如此高速、持續增長的最直接動力來自于Internet業務量持續的指數增長。它給整個網絡的技術模式、整體架構乃至當今知識經濟的內涵帶來了深遠的影響。

——目前寬帶網絡的業務節點有兩類：ATM交換機與路由器。兩者都屬于分組模式，但是連接模式是不同的。ATM是面向連接的異步傳送模式；路由器是無連接模式。連接模式上的不同導致業務節點實現方式、組網形態、業務能力上的很大差異。骨干核心網是整個信息網絡結構的基礎，它必須具備高速的數據傳輸能力、良好的可擴展性及精確完善的服務質量保證等功能。隨著在公網和專網上基于ip的網絡和基于IP的業務量的快速增長，如何實現IP業務在ATM上的有效傳輸成為迫切需要解決的問題。目前，根據實際技術產品的發展，IP與ATM技術之爭終于達成了一個共識，即采用帶有MPLS（Multi-PRotocolLabelSwitching）功能的IP路由器和帶有MPLS功能的ATM交換機組建未來寬帶綜合業務通信網。

——IP數據包通過路由器進入ATM骨干網后，為避免在ATM網中形成過多的SVC（虛通道），可采用多協議標簽交換技術（MPLS）；采用帶MPLS功能的ATM交換機。為了使未來網絡可以支持各種協議類型的業務和能夠與其它任何專用網絡有效互聯，MPLS組網技術是實現IPoverATM的技術方案，MPLS把第2層交換與第3層路由和網絡業務組合在一起，從而可望減少復雜性和其它IPoverATM方案的成本。

1MPLS的基本原理

——旨在簡化路由器入口處對網絡層幀頭的分析過程和FEC（ForwardingEquivalenceClasses）分配功能的過程，改善選路的性能和成本。盡管MPLS面向多協議，然而它主要還是支持IP協議。在傳統IP轉發機制中，每個路由器首先分析包含在每個分組頭中的信息，然后解析分組頭、提取目的地址、查詢路由表、決定下一轉接點的地址、計算幀頭的校驗、遞減TTL、完成合適的出口鏈路層封裝，最后發送分組。這個過程可以被大大簡化或由MPD來取代。

——MPLS網絡采用標準分組處理方式對第三層的分組進行轉發、采用標簽交換對第二層分組進行交換。在MPLS中，從IP包到FEC的映射只在LSR（標簽交換路由器）入口處進行此操作，而且FEC被轉換成一個固定長度的標簽。標簽被粘貼在IP包頭上。入口路由器不是將FEC映射到下一節點的路由器，而是在分組上添加表示分組歸屬FEC的一個標簽。在下一節點的路由器上，因為分組已經與FEC關聯，所以沒有必要再檢查網絡層的幀頭。MPLS是通過：1）在分組上添加表示分組歸屬的FEC關聯標簽，2）使用標簽值轉發分組；3）檢索一個包含出口和新標簽的連接表并用新標簽替換舊標簽三步來完成標簽交換的。標簽是局部有效的且表達了分組轉發的全部行為。執行了標簽綁定的數據包按照標簽交換路徑（LSP）來轉發分組。通常LSP的建立使用如OSPF、BGP等常規的IP選路協議。另外MPLS可運行在任何鏈路層上，例如ATM、幀中繼或點到點（PPP）協議。

——圖1描述了在ATM上運行MPLS協議的結構。MPLS協議的要素有LDP（Labeldistributionprotocol）、LIB（LabelInformationBase）。LDP將在下面討論。LIB和FIB分別是標簽上包含標簽綁定信息和轉發信息的信息庫。

多協議標簽交換技術(1)（圖一）

——MPLS沒有采用ATM尋址、ATM選路的ATM協議，而采用了IP尋址、動態IP選路和標簽分發協議（LDP），其中LDP把FEC轉換成標簽而后形成LSP。通常。MPLS只涉及創建和分發FEC／標簽綁定信息，這樣就可以通過一個網絡的默認或非默認路徑更有效地轉發IP業務量。

2MPLS的核心技術和主要組件

——（1）標簽交換路由器

——標簽交換路由器（LSR）類似一個通用IP交換機，它具有第三層轉發分組和第二層交換分組的功能，它也能運行傳統IP選路協議并可執行一個非凡控制協議與相鄰的LSR協調FEC／標簽的綁定信息。

——ATM交換機可做為標簽交換節點，叫作ATM-LSR。由它作出轉發決定，并將標簽在ATM信元頭的VCI／VPI域中傳輸。為了支持標簽交換。ATM-LSR必須支持標簽交換的標簽分發協議（LDP）和網絡層選路協議的OSPF等諸如此類的控制和信令協議。不再需要ATM專用的選路和尋址功能。在兩個ATM-LSR之間，必須建立一個用于LDP控制信令的專用ATM虛連接（專用的VPI／VCI）。同樣，像在傳統的LSR中一樣，也可以將OSPF、RSVP、PIM等方法用于標簽分發。一個ATM-LSR可以在VPI、VCI或VPI／VCI域上執行標簽交換，這依靠于是否使用VC或VP的流歸并（streammerge）。兩個對等的ATM-LSR可以直接通過一個ATM鏈路相連，也可以從遠端通過一個ATM網絡連接ATM網絡連接ATM虛連接。在后一種情況下就不得不由ATM信令來傳輸標簽綁定信令信息。

——（2）標簽

——標簽是一個包含在每個分組中的短固定長度的數值，用于通過網絡轉發分組。一對LSR必須在標簽的數值和意義上一致。例如，下行LSR會給上行LSR發送一個特定標簽X，代表一個特定的稱作A的FEC。于是，一個標簽只在一對正在通信的LSR之間起作用，并用來表示屬于一個從上行LSR流向下行LSR的特定FEC的分組。MPLS可以支持添加到現有的幀或分組結構（如以太網、PPP）的標簽，也可以利用包含在數據鏈路層（如：幀中繼、ATM）中的標簽結構。

——標簽的格式取決于分組封裝所在的介質。例如，ATM封裝的分組（信元）采用VPI和／或VCI數值作為標簽，而幀中繼PDU采用DLCI作為標簽。對于那些沒有內在標簽結構的介質封裝，則采用一個非凡的數值填充。圖2給出4bytes填充標簽的格式，它包含一個20bits的標簽值、一個3bits的CoS值、一個1bit的堆棧標識符和一個8bits的TTL值。此外，假如填充值被插入到一個PPP或以太網幀中，包含在各幀頭中的一個協議ID（或以太網類型）表示一個幀或者一個MPLS單播或組播幀。

多協議標簽交換技術(1)（圖二）

——（3）標簽交換機制

——MPLS采用的第三個核心技術是轉發機制，即標簽交換。從典型的幀中繼和ATM的性能和容量來看。實現標簽交換是個快速和簡單的轉發過程。沒有必要像傳統IP選路那樣分析分組頭中的變長部分。標簽作為一個整體（也可能是標簽中附加的字段，如TTL和CoS）由交換機組件處理，即使一個分組包含一個多級的標簽棧，MPLS設備只負責處理棧中的頂部標簽。

——沿著一個LSP轉發分組的過程是：在LSP入口處，在分組上帖一個標簽，生產一個深度為M的標簽堆棧棧。在LSP上的中間MPLS節點接收和處理這個分組。只有堆棧的頂部標簽被處理，并與對應于下一節點的下行LSR的新標簽進行交換。出口LSP的LSR根據堆棧中的下一個標簽的內容作出轉發的決定。這意味著LSR出口只需要彈棧就可以得到棧中的下一個標簽。假如出口節點告訴僅次于最后一個LSR彈棧，就可以獲得一個更好的優化方案，稱作倒數第二跳彈棧。然后分組到達出口MPLS設備并攜帶用于轉發分組的已經在堆棧中頂部的標簽。這樣就節省了出口設備必須處理未必有用的標簽表查詢時間。

——（4）標簽分發

——MPLS的第四個核心技術是標簽分發：分發FEC／標簽綁定信息的過程，目的是為了形成一個標簽交換路徑（LSP）。有幾種模式可用來實現標簽分發，如下游請求的標簽分發模式。另外現有的IP協議，如RSVP和BGP也可用于標簽分發。即可通過一個標簽分發協議（LDP）來完成，或者在現有控制協議中傳輸FEC／標簽綁定信息。使用LDP作為MPLS的信令協議，提供標準的MPLS信令機制分配和分發標簽。MPLS使用LDP建立LIB信息庫，并在相應的出口／入口LSR之間建立LSP連接。LDP主要運行在可靠的TCP連接上（除非使用UDP）。LDP主要執行4個操作：

——*發現（Discovery）：發布并維護網絡中的LSR。

——*會晤（session）：建立和保持兩個對等LDP之間的會晤。

——*廣告（Advertisement）：執行標簽的分配和傳播（allocationanddistribution）

——*通知（Notification）：通告差錯信息。

——對下行LSR而言，基本的操作包括分配標簽和分發FEC／標簽綁定信息給相臨的上行LSR。在這種情況下，其中FEC對應一個由一個動態選路協議分發的地址前綴。LDP映射信息可以從任何本地LSR（獨立的LSP控制）發起，或者從出口LSR（排序的LSP控制）發起，井從下行LSR流向上行LSR。一個特定數據流的到達、一個資源建立信息（如RSVP）或選路更新信息都可以觸發交換LDP
信息。一旦一對LSR交換用于一個特定FEC的LDP信息，每個LSR關聯它們LIB中的入口標簽與一個對應的出口標簽，之后就形成了一個從入口到出口的LSP。其中，獨立的LSP控制是這樣一種情況：一個LSR綁定一個標簽到FEC并告知綜的LSR鄰居這一綁定信息；排序的LSP控制只發生在LSR綁定一個標簽到一個FEC的時候，排序的LSP控制用于建立一個非默認特性的路徑。有兩個非默認特性路徑的例子，一個是經過一個特定順序節點的路徑，另一個是必須沒有環路的路徑。MPLS體系結構具有支持獨立和排序的LSP控制的能力。

——建立MPLS的LSP，有三種方式：特定數據流的到達（流驅動）、資源預留協議（RSVP）或者選路表更新信息（拓撲驅動）。考慮到這一事實，可擴展性是最主要的要求之一以及MPLS是為特大型IP網絡而設計的，因而基于路由的方案是最有可能被普遍采用的。圖3表示在一對LSR之間路由表更新信息如何啟動FEC／標簽綁定信息的交換過程。當LSR＃2收到選路表更新信息時，觸發計算新路徑的過程，由此在路由表（FIB）中進行添加或修改，并且對于每個FEC（這種情況下為地址前綴）在入口端上分配一個標簽并放置在標簽信息庫（LIB）中。這個標簽和相關聯的FEC就與上行的LSR＃1通過LDP進行通信，而后LSR＃1將這一標簽放置在它的LIB中相應的出口端上。

多協議標簽交換技術(1)（圖三）