MPLS的研究發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)綜述

2019-11-04 10:58:29

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供稿：網(wǎng)友

一、概述

近年來(lái)，隨著WWW的巨大成功和日益普及，Internet在全球范圍內(nèi)呈爆炸性增長(zhǎng)，Internet上的主要業(yè)務(wù)由傳統(tǒng)的文件傳送、電子郵件和遠(yuǎn)程登錄等轉(zhuǎn)向多媒體應(yīng)用豐富的WWW。網(wǎng)上信息流的持續(xù)增加，由多層路由器構(gòu)成的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)趨向飽和，多媒體通信的迅猛發(fā)展（如網(wǎng)絡(luò)電話、電子商務(wù)、視頻會(huì)議等），要求網(wǎng)絡(luò)能提供具有不同QOS等級(jí)的綜合業(yè)務(wù)（如時(shí)延、帶寬、分組丟失率的保證），由于Internet采用面向無(wú)鏈接的ip協(xié)議，只能提供盡力而為（best－effort）服務(wù)，因此無(wú)法提供QOS保證。當(dāng)現(xiàn)有Internet規(guī)模擴(kuò)充到一定限度后，將在許多方面（帶寬、路由、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性、QOS）面臨挑戰(zhàn)。

ATM技術(shù)的出現(xiàn)為解決Internet困境帶來(lái)了契機(jī)，IETF制定了經(jīng)典的IPOA（Classic IP overATM），ATM論壇制定了局域網(wǎng)仿真和MPOA（MultiPRotocol over ATM），有的已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)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(yōu)點(diǎn)是減少了ATM與IP的相互限制，有利于它們獨(dú)立地發(fā)展并向未來(lái)的B-ISDN過(guò)渡；但缺點(diǎn)是IP技術(shù)和ATM技術(shù)不能有效地結(jié)合，無(wú)論是分組的封裝效率、建鏈的時(shí)延、對(duì)組播的支持以及對(duì)QOS的支持都不理想。

近幾年的發(fā)展已清楚表明IP將是下一個(gè)世紀(jì)網(wǎng)絡(luò)的主宰。因此，如何使ATM技術(shù)融入IP，如何將路由和交換結(jié)合起來(lái)，如何解決IP無(wú)連接和ATM面向連接的矛盾，以支持規(guī)模日益增長(zhǎng)的Internet和多媒體業(yè)務(wù)，成為目前研究的熱點(diǎn)。眾多廠商和學(xué)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。

二、MPLS的總體框架

1997年，由多家公司聯(lián)合向IETF提交了MPLS（多協(xié)議標(biāo)記交換：Multiprotocol Label Switching）框架及體系結(jié)構(gòu)兩個(gè)草案文檔，它以Cisco公司的Tag交換為基礎(chǔ)而又綜合各家之長(zhǎng)。MPLS中引入了非常多的新概念和術(shù)語(yǔ)，其中比較要害的有：①Label（標(biāo)記）：用于表示FEC的固定長(zhǎng)度的標(biāo)識(shí)符，僅具有局部意義；②LSR（標(biāo)記交換路由器）：支持第三層前傳的MPLS節(jié)點(diǎn)；③FEC（等效前傳類）：以相同方式（如：通過(guò)同一條路徑，受到LSR相同的前傳處理）進(jìn)行前傳的一組IP分組；④Label Stack（標(biāo)記堆棧）：一組有序的標(biāo)記，不同位置的標(biāo)記代表著不同的層次；⑤LSP（標(biāo)記交換路徑）：一個(gè)特定的FEC在同一層次上經(jīng)過(guò)LSRS所形成的路徑；③LDR（標(biāo)記分發(fā)協(xié)議）：一個(gè) LSR通知其它LSRS關(guān)于標(biāo)記／FEC綁定信息的一系列過(guò)程。

在面向無(wú)連接的網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)路由器通過(guò)分析分組頭來(lái)獨(dú)立地選擇下一跳；而分組頭中含有比需要用來(lái)判定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(tǒng)IP前傳中，每個(gè)路由器對(duì)同一個(gè)FEC的每個(gè)分組都要進(jìn)行分類和選擇下一跳；而在MPLS中，對(duì)于一分組，只是在它進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時(shí)進(jìn)行FEC分類，并分配一個(gè)相應(yīng)的標(biāo)記；網(wǎng)絡(luò)中的LSR則不再需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)層頭進(jìn)行分析，直接根據(jù)標(biāo)記進(jìn)行處理。有些傳統(tǒng)路由器在分析分組頭時(shí)，不但決定分組的下一跳，而且要決定分組的業(yè)務(wù)類型（COS：Class of Service），以給予不同的服務(wù)規(guī)則。MPLS可以（但不是必須）利用標(biāo)記來(lái)支持COS，此時(shí)標(biāo)記用來(lái)代表FEC和COS的結(jié)合。MPLS可以支持任何網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，但實(shí)際上，MPLS工作組僅考慮IP協(xié)議。

來(lái)自路由協(xié)議的信息用于分配和分發(fā)標(biāo)記。一般來(lái)說(shuō)，由下游節(jié)點(diǎn)向上游節(jié)點(diǎn)分發(fā)標(biāo)記，連成一串的標(biāo)記就構(gòu)成了LSP。在單播中，LDP有兩種方式產(chǎn)進(jìn)行標(biāo)記的分發(fā)：獨(dú)立方式（Independent）和受控方式（Ordered）。在獨(dú)立方式中，任何節(jié)點(diǎn)可以在任何時(shí)候?yàn)槊恳粋€(gè)它熟悉的流進(jìn)行標(biāo)記分發(fā)；受控方式中，一個(gè)流的標(biāo)記分發(fā)從這個(gè)流所屬的出口節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，這樣可以保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)標(biāo)記與流的映射是完整一致的。

標(biāo)記分配由下游執(zhí)行，而下游節(jié)點(diǎn)由路由決定，也有兩種發(fā)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(biāo)記，并分發(fā)到鄰近的LSRS；后者則由上游LSR為一個(gè)流向下游LSR提出標(biāo)記分配請(qǐng)求，這在ATM網(wǎng)絡(luò)中很有用，因?yàn)锳TM不能進(jìn)行LSPs的合并。

不論是獨(dú)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(fā)標(biāo)記。在自由模式中，向所有鄰近的LSRS分發(fā)一個(gè)FEC的標(biāo)記，而不管自己是否是這些節(jié)點(diǎn)在此FEC上的下一跳。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)路由發(fā)生變化時(shí)，可以立即使用預(yù)先分發(fā)好的標(biāo)記，但這將消耗更多的標(biāo)記。保守模式只分發(fā)給下一跳是自己的那些節(jié)點(diǎn)，這樣可以節(jié)省標(biāo)記空間。

MPLS中一個(gè)要害部分就是可以將同一個(gè)標(biāo)記（或LSP）分配到多個(gè)流上。MPLS支持標(biāo)記的不同層次的顆粒化（granularity）。根據(jù)對(duì)共享標(biāo)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(wǎng)絡(luò)地址將共用同一個(gè)LSP，與自由方式配合使用，可以使標(biāo)記一次性完成分配；
●出口路由器（Egress Router）：有同一個(gè)出口路由器的所有IP地址共用相同的LSP，擴(kuò)展性最好；
●應(yīng)用流（application Flow）：擴(kuò)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(diǎn)到點(diǎn)的樹(shù)，多個(gè)流在某些節(jié)點(diǎn)上匯聚成一個(gè)流，這使得MPLS可以用O（n）數(shù)量級(jí)的標(biāo)記來(lái)進(jìn)行流量交換，極大地增加了擴(kuò)展性；但前提是LSRs必須支持流合并，這在ATM網(wǎng)絡(luò)中存在問(wèn)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(jù)不同的數(shù)據(jù)鏈路層將有不同的格式：例如在點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中，就封裝到PPP頭的后面；而在ATM網(wǎng)絡(luò)中，則將標(biāo)記映射到VPI／VCI中。Shim的格式支持標(biāo)記堆棧，進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)可以攜帶多個(gè)標(biāo)記；這些標(biāo)記采用先進(jìn)先出的難棧方式，這使得MPLS支持層次化操作。例如在域內(nèi)（intra-domain）用第一個(gè)標(biāo)記，而在域間（inter-domain）用第二個(gè)標(biāo)記；而且LSRs對(duì)于標(biāo)記的處理方式與標(biāo)記堆棧完全無(wú)關(guān)，它永遠(yuǎn)是對(duì)最上面一個(gè)標(biāo)記進(jìn)行操作。

三、MPLS的要害技術(shù)

1.VC合并（VC Merging）

MPLS通過(guò)對(duì)標(biāo)記不同粗細(xì)程度的分類和流合并兩種方法將網(wǎng)絡(luò)的連接數(shù)從0（n2）降到0（n），從而極大地增加網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。當(dāng)MPLS運(yùn)行在基于幀的媒質(zhì)上時(shí)，流合并很簡(jiǎn)單，所要做的僅僅是要求節(jié)點(diǎn)將多個(gè)上游標(biāo)記對(duì)應(yīng)到同一個(gè)下游標(biāo)記，這也稱為幀合并。但是在ATM上就會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。在ATM中，MPLS的標(biāo)記對(duì)應(yīng)于ATM信元中的VPI／VCI域，因此流合并意味著VPI／VCI合并。但是標(biāo)準(zhǔn)的ATM交換機(jī)不支持VC合并。假如直接將不同的VC合并成同一個(gè)出口 VC，不同分組的信元就會(huì)交錯(cuò)在一起，而且接收方?jīng)]有辦法能分辨出來(lái)。一種可行的方法是用VP而不是VC來(lái)進(jìn)行流合并，通過(guò)對(duì)每個(gè)VP分配不同的VC空間來(lái)解決信元交錯(cuò)問(wèn)題；但這樣將極大地降低VPI／VCI的利用率，而且需要機(jī)制來(lái)進(jìn)行VC空間的分配。

VC合并要求ATM交換機(jī)對(duì)不同人口 VC進(jìn)來(lái)的分組先進(jìn)行串行化，這就要求ATM交換機(jī)中有額外的緩存。對(duì)此MPLS工作組在1999年9月指定的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)它的性能。研究結(jié)果表明，這種方案十分可行。

2.路由環(huán)（Loop）的防止與檢測(cè)

由于LSP的建立基于路由信息，因此LSP有可能也形成環(huán)路。在傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)中，IP通過(guò)TTL域來(lái)減輕進(jìn)入路由環(huán)的分組對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(jī)制，防上路由環(huán)產(chǎn)生，或者（并且）保留一些網(wǎng)絡(luò)資源可以用于路由環(huán)所產(chǎn)生的消耗。”有兩種方法來(lái)處理路由環(huán)：檢測(cè)和防止。對(duì)于檢測(cè)方式，答應(yīng)路由環(huán)存在，但MPLS將會(huì)檢測(cè)到它并進(jìn)行刪除或棄用；對(duì)于防止方式，MPLS將提供機(jī)制來(lái)杜絕路由環(huán)的生成。

可以通過(guò)在MPLS消息中加入路徑矢量域來(lái)檢測(cè)路由環(huán)。路徑矢量域中包含了前傳某個(gè)流的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)域時(shí)，就檢查自己的標(biāo)識(shí)符是否已經(jīng)在路徑矢量域中：假如已經(jīng)有了，則表明產(chǎn)生了回路；假如沒(méi)有，則將自己的標(biāo)識(shí)符加到路徑矢量域中并前傳MPLS消息。

ARIS提出了一種擴(kuò)散算法（diffusion）來(lái)防止路由環(huán)。對(duì)于某個(gè)流，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的下一跳發(fā)生變化時(shí)，首先用diffusion算法來(lái)判定是否會(huì)產(chǎn)生路由環(huán)。在執(zhí)行完畢之前，仍沿用舊的路徑來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。MPLS工作組也在考慮其它擴(kuò)展性更好的機(jī)制。在1999年5月提出的Internet草案中提出了一種線程機(jī)制（Threads Mechanism）。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)（比如入口節(jié)點(diǎn)）想建立LSP或它的下一跳發(fā)生改變時(shí)，它向下游節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)thread，thread由唯一的顏色（color）、跳數(shù)（hop count）和TTL三部分組成。假如節(jié)點(diǎn)收到了由它先前發(fā)出的thread，則說(shuō)明有回路產(chǎn)生；假如它收到出口節(jié)點(diǎn)發(fā)回的確認(rèn)消息，則說(shuō)明不會(huì)形成回路。雖然線程機(jī)制功能強(qiáng)大，但操作過(guò)于復(fù)雜，而且節(jié)點(diǎn)必須保留經(jīng)過(guò)它的所有thread的信息。由于目前的LDP（標(biāo)記分配協(xié)議）有路由環(huán)的檢測(cè)功能，因此1999年6月提出的Internet草案中提出了一種簡(jiǎn)單的防止機(jī)制來(lái)配合LDP：其工作原理與數(shù)據(jù)流的流向和樹(shù)的類型無(wú)關(guān)，可以很好地支持組播。通過(guò)向樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)發(fā)送標(biāo)記合并消息（label splice message），并等待根節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)消息來(lái)判定是否存在環(huán)路。它沒(méi)有提供檢測(cè)控制消息的環(huán)路的方法，不過(guò)LDP已有相應(yīng)的解決辦法。MPLS工作組目前仍未決定究竟選哪種機(jī)制。

3.RSVP與MPLS

已有人提出通過(guò)直接路由將RSVP和MPLS結(jié)合起來(lái)，并可以用于流量工程（trafficengineering）。草案規(guī)定了如何對(duì)RSVP流進(jìn)行標(biāo)記的分配和綁定，并通過(guò)RSVP的消息（PATH和RESV消息）來(lái)傳送相應(yīng)信息。其中需要解決的問(wèn)題有：當(dāng)ATM不支持流合并時(shí)，要為每個(gè)發(fā)送方分配一個(gè)標(biāo)記，此時(shí)如何將一組標(biāo)記作為整個(gè)來(lái)進(jìn)行資源預(yù)留；如何在ATM中進(jìn)行TTL處理；如何在共享煤質(zhì)上進(jìn)行標(biāo)記分區(qū)等。

當(dāng)RSVP路徑因某種原因發(fā)生故障時(shí)，RSVP將采用普通的best－effort路由來(lái)前傳，而這與流量工程的目的相矛盾：因?yàn)楫?dāng)一部分流量采用預(yù)定的路徑時(shí)，另一部分流量卻采用動(dòng)態(tài)路由。而且，當(dāng)一條路徑的一部分采用預(yù)定的路徑，而其它部分采用動(dòng)態(tài)逐跳路由時(shí)，有可能出現(xiàn)永久路由環(huán)。

4.MPLS在共享媒質(zhì)中

現(xiàn)已提出兩種方案，一種是將shim頭放在MAC頭和網(wǎng)絡(luò)層頭之間，當(dāng)數(shù)據(jù)在共享媒質(zhì)中前傳時(shí)，不使用shim頭，而僅在共享媒質(zhì)的邊界路由器使用；另一種機(jī)制是通過(guò)重新定義目的MAC地址的語(yǔ)義，將標(biāo)記編碼到MAC頭中，這樣就不需要象第一種方案那樣要對(duì)幀進(jìn)行分段，而且網(wǎng)橋可以具有路由功能。但它的缺點(diǎn)是無(wú)法和現(xiàn)有的LAN互通。

四、結(jié)束語(yǔ)

除了以上提到的，MPLS工作組對(duì)一些方面的問(wèn)題還沒(méi)有充分涉及到。例如與其它許多已比較成熟的IP over ATM技術(shù)之間的互操作性等。總之，MPLS還是一項(xiàng)非常不成熟的技術(shù)，許多方面仍在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程，僅有草案。到目前為止，在1999年3月通過(guò)了RFC2547（提出了一種ISP如何利用MPLS和BGP在主干網(wǎng)上為企業(yè)提供VPN的方案）；1999年9月通過(guò)了RFC2682（提出一個(gè)實(shí)現(xiàn)VC合并的簡(jiǎn)單模型，并進(jìn)行了初步性能分析）、FRC2702（給出了在MPLS中提供流量治理的要求）。對(duì)許多要害問(wèn)題僅提出粗略的解決方案，也沒(méi)有任何性能上的測(cè)試和驗(yàn)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(yù)計(jì)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要到2000年才能制定出來(lái)。

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