MPLS的体系结构与组网技术

1、MPLS 得体系结构与组网技术 1、MPLS 就是 Multi-Protocol Label Switching 得缩写形式 ,中文含义为多协议标签交换 技术。 2、MPLS 不就是特指某一种业务或应用,而就是一种标准化得路由与交换技术平台,可以 支持各种高层协议与业务。 3、Multi-Protocol: 支持多种三层协议 ,如 IP、 IPv6、IPX 等,它通常处于二层与三层之间 , 俗称 2、 5层。 4、Label : 就是一种短得、等长得、易于处理得、不包含拓扑信息、只具有局部意义得 信息内容。 5、Switching:MPLS报文交换与转发就是基于标签得。针对IP业务,IP包在进

2、入 MPLS 网络时 ,入口得路由器分析 IP 包得内容并且为这些 IP 包选择合适得标签 ,然后所有 MPLS 网 络中节点都就是依据这个简短标签来作为转发依据。 当该 IP 包最终离开 MPLS 网络时 ,标签 被出口得边缘路由器分离。 1、1 MPLS 概述 多协议标签交换 MPLS(Multiprotocol Label Switching) 最初就是为了提高转发速度而提 出得。 在 MPLS 得体系结构中 : I 控制平面(Control Plane)就是无连接得，利用现有IP网络实现； I转发平面(Forwarding Plane,也称为数据平面，Data Plane)就是面向连接

3、 得,可以使用 ATM 、帧中继等二层网络。 MPLS使用短而定长得标签(label)来封装分组，在数据平面实现快速转发。在控制平 面,MPLS拥有IP网络强大灵活得路由功能，可以满足各种新应用对网络得要求。 MPLS 起源于 IPv4(Internet Protocol version 4),其核心技术可扩展到多种网络协议,包括 IPv6(Internet Protocol version 6)、 IPX(Internet Packet Exchange)、 Appletalk 、 DECnet、 CLNP(Connectionless Network Protocol)等。“ MPLS ”

4、 中得Multiprotocol ”指得就就是支持 多种网络协议。 NE40 支持在 IPv4 与 IPv6 上使用 MPLS。 MPLS 结构得详细介绍可参考 RFC3031(Multiprotocol Label Switching Architecture) 。 1、1、 1 MPLS 基本概念 1、转发等价类 MPLS 作为一种分类转发技术 ,将具有相同转发处理方式得分组归为一类,称为转发等价 类FEC(Forwardi ng Equivale nee Class)。相同转发等价类得分组在 MPLS网络中将获得完全 相同得处理。 转发等价类得划分方式非常灵活,可以就是源地址、目得地址、

5、源端口、目得端口、协 议类型、 VPN 等得任意组合。例如 ,在传统得采用最长匹配算法得IP 转发中 ,到同一个目得 地址得所有报文就就是一个转发等价类。 2、标签 标签就是一个长度固定、只具有本地意义得短标识符,用于唯一标识一个分组所属得转 发等价类(FEC)。在某些情况下，例如要进行负载分担，对应一个FEC可能会有多个标签，但就 是一个标签只能代表一个 FEC。 标签由报文得头部所携带 ，不包含拓扑信息 ，只具有局部意义。标签得长度为 4 个字节 ， 封装结构如下所示 : 图 1-1 标签得封装结构 标签共有 4 个域 : l l l Label:标签值字段，长度为20bits,用于转发得

6、指针； Exp:3bits, 保留 ,用于试验 ; S:1bit,MPLS 支持标签得分层结构 ,即多重标签。 值为 1 时表明为最底层 标签 ; l TTL:8bits, 与 IP 分组中得 TTL(Time To Live) 意义相同。 标签与ATM得VPI/VCI以及Frame Relay得DLCI类似,就是一种连接标识符。如果链 路层协议具有标签域 ,如 ATM 得 VPI/VCI 或 Frame Relay 得 DLCI, 则标签封装在这些域中 如果不支持 ,则标签封装在链路层与 IP 层之间得一个垫层中。 这样 ,标签能够被任意得链路层 所支持。 标签在分组中得封装位置如图 1-2

7、 所示 : Cell mode: 信元模式 Frame mode:帧模式 图 1-2 标签在分组中得封装位置 3、标签交换路由器 标签交换路由器 LSR(Label Switching Router)就是MPLS网络中得基本元素，所有LSR都 支持 MPLS 协议。 LSR 由两部分组成 :控制单元与转发单元。控制单元负责标签得分配、路由得选择、标 签转发表得建立、标签交换路径得建立、拆除等工作;而转发单元则依据标签转发表对收到 得分组进行转发。 4、标签交换路径 一个转发等价类在 MPLS 网络中经过得路径称为标签交换路径 LSP(Label Switched Path)。 LSP在功能上与

8、ATM与Frame Relay得虚电路相同，就是从入口到出口得一个单向路径。 LSP 中得每个节点由 LSR 组成。 5、标签发布协议 标签发布协议就是 MPLS 得控制协议 ,它相当于传统网络中得信令协议 ,负责 FEC 得分 类、标签得分配以及 LSP 得建立与维护等一系列操作。 MPLS 可以使用多种标签发布协议。包括专为标签发布而制定得协议,例如 :LDP(Label Distribution Protocol) 、 CR-LDP(Constraint-Based Routing using LDP); 也包括现有协议扩展后 支持标签发布得 ,例如 :BGP(Border Gatewa

9、y Protocol) 、RSVP(Resource Reservation Protocol) 。 NE40 支持上述标签发布协议 ,并支持手工配置得静态LSP。 1、1、2 MPLS 网络结构 1、 MPLS 网络结构 如图1-3所示,MPLS网络得基本构成单元就是LSR,由LSR构成得网络称为 MPLS域。 位于 MPLS 域边缘、连接其它用户网络得 LSR 称为边缘 LSR(LER,Labeled Edge Router), 区域内部得LSR称为核心LSR。核心LSR可以就是支持 MPLS得路由器，也可以就是由 ATM 交换机等升级而成得 ATM-LSR。域内部得LSR之间使用MPLS

10、通信,MPLS域得边缘由LER 与传统 IP 技术进行适配。 分组被打上标签后 ,沿着由一系列 LSR 构成得标签交换路径 LSP(Label Switched Path) 传 送,其中入口 LER被称为In gress，出口 LER被称为Egress，中间得节点则称为 Tran sit。 图 1-3 MPLS 网络结构 结合上图简要介绍 MPLS 得基本工作过程 : l首先丄DP与传统路由协议(如OSPF、ISIS等)一起,在各个LSR中为有 业务需求得 FEC 建立路由表与标签映射表 ; l 入口 LER 接收分组 ,完成第三层功能 ,判定分组所属得 FEC, 并给分组加 上标签 ,形成

11、MPLS 标签分组 ; l接下来 , 在 LSR 构成得网络中 ,LSR 根据分组上得标签以及标签转发表 进行转发 ,不对标签分组进行任何第三层处理; l最后 , 在 MPLS 出口 LER 去掉分组中得标签 , 继续进行后面得转发。 由此可以瞧出 ,MPLS 并不就是一种业务或者应用 ,它实际上就是一种隧道技术 ,也就是一 种将标签交换转发与网络层路由技术集于一身得路由与交换技术平台。 这个平台不仅支持多 种高层协议与业务 ,而且 ,在一定程度上可以保证信息传输得安全性。 2、LSR 得基本结构 图 1-4 LSR 基本结构示意图 对于普通得LSR,在转发平面只需要进行标签分组得转发。 对于

12、LER,在转发平面不仅需 要进行标签分组得转发，也需要进行IP分组得转发，前者使用标签转发表 LFIB,后者使用传统 转发表 FIB(Forwarding Information Base) 。 1、 1、3 MPLS 与路由协议 LDP 通过逐跳方式建立 LSP 时,利用沿途各 LSR 路由转发表中得信息来确定下一跳,而 路由转发表中得信息一般就是通过IGP、BGP 等路由协议收集得。 LDP 并不直接与各种路 由协议关联 ,只就是间接使用路由信息。 另一方面 ,通过对 BGP、RSVP 等已有协议进行扩展 ,也可以支持 MPLS 标签得分发。 在 MPLS 得应用中 ,也可能需要对某些路由

13、协议进行扩展。例如 ,基于 MPLS 得 VPN 应 用需要对BGP进行扩展，使BGP能够传播VPN得路由信息；基于MPLS得流量工程TE(Traffic Engineering)需要对OSPF或IS-IS协议进行扩展，以携带链路状态信息。 LSPM: LSP Management 图 1-5 MPLS 与各种协议关系示意图 1、2 MPLS 得应用 随着 ASIC 技术得发展 ,路由查找速度已经不成为阻碍网络发展得瓶颈。这使得MPLS 在提高转发速度方面不具备明显得优势。 但由于MPLS结合了 IP网络强大得三层路由功能与传统二层网络高效得转发机制，在转 发平面采用面向连接方式 ,与现有二层

14、网络转发方式非常相似,这些特点使得 MPLS 能够很容 易地实现 IP 与 ATM 、帧中继等二层网络得无缝融合，并为服务质量 (QoS，Quality of Service) 、 流量工程 (TE，Traffic Engineering) 、虚拟专用网 (VPN，Virtual Private Network) 等应用提供更好 得解决方案。 1、 基于 MPLS 得 VPN 传统得VPN 般就是通过GRE、L2TP、PPTP等隧道协议来实现私有网络间数据流在 公网上得传送 ，LSP 本身就就是公网上得隧道 ，因此 ，用 MPLS 来实现 VPN 有天然得优势。 基于 MPLS 得 VPN 就

15、就是通过 LSP 将私有网络得不同分支联结起来，形成一个统一得 网络。基于 MPLS 得 VPN 还支持对不同 VPN 间得互通控制。 图 1-6 基于 MPLS 得 VPN 上图就是基于 MPLS得VPN得基本结构：CE(Customer Edge)就是用户边缘设备，可以就 是路由器，也可以就是交换机或主机 ;PE(Provider Edge)就是服务商边缘路由器 ，位于骨干网 络。 PE 负责对 VPN 用户进行管理、建立各 PE 间 LSP 连接、同一 VPN 用户各分支间路由 分派。PE间得路由分派通常就是用LDP或扩展得BGP协议实现。 基于 MPLS 得 VPN 支持不同分支间 I

16、P 地址复用 ，并支持不同 VPN 间互通。 与传统得路 由相比,VPN路由中需要增加分支与 VPN得标识信息，这就需要对BGP协议进行扩展，以携带 VPN 路由信息。 2、基于 MPLS 得 QoS NE40 支持基于 MPLS 得流量工程与差分服务 Diff-serv 特性 ,在保证网络高利用率得同 时 ,可以根据不同数据流得优先级实现差别服务,从而为语音 ,视频数据流提供有带宽保证得 低延时、低丢包率得服务。 由于全网实施流量工程得难度比较大,因此 ,在实际得组网方案中往往通过差分服务模型 来实施 QoS。 Diff-Serv 得基本机制就是在网络边缘 ,根据业务得服务质量要求将该业务映

17、射到一定得 业务类别中，利用IP分组中得DS字段(由ToS域而来)唯一得标记该类业务 然后，骨干网络中 得各节点根据该字段对各种业务采取预先设定得服务策略,保证相应得服务质量。 Diff-Serv 得这种对服务质量得分类与标签机制与 MPLS 得标签分配十分相似 ，事实上 ，基 于 MPLS 得 Diff-Serv 就就是通过将 DS 得分配与 MPLS 得标签分配过程结合来实现得。 本文介绍了目前网络界研究热点得宽带网络技术MPLS(多协议标签交换)。重点阐述了 MPLS 得主要组件与核心技术。最后对 ATM 上得 MPLS 组网技术进行了介绍。 MPLS 标签 LSR LDP LER 协议

18、栈 1 引言 MPLS 就是一种将 IP 引入 ATM 或帧中继等通信网络上 ，利用标签引导数据高速、高效 传输得新技术。随着In ternet得不断发展，采用带有MPLS功能得IP路由器与带有 MPLS功 能得 ATM 交换机组建未来宽带综合业务通信网，就是业界迫切需要解决得问题。MPLS 得价 值在于能够在一个无连接得网络中引入面向连接得机制 ，其优点就是减少网络得复杂性 ，能够 兼容现有得各种网络技术。 MPLS 综合利用网络核心得交换技术与网络边缘得 IP 路由技术 ， 将路由移到网络边缘 ，网络核心作标签转发。即边缘得路由，核心得交换。 MPLS 就是目前普 遍瞧好得融合 ATM与I

19、P、解决IP无连接与ATM面向连接矛盾得下一代宽带骨干网络技术。 2 MPLS 得体系结构 2、1 MPLS 得主要组件 MPLS 平台中引入了相当多得组件 ，下面就是一些主要组件 : 标签交换路由器(LSR)。LSR类似一个通用IP交换机，它就是MPLS中负责第三层转 发分组与第二层标签交换分组得设备。 标签边缘路由器 (LER) 。 LER 就是从一个 MPLS 域转发分组得传统路由器。它得作 用就是分析 IP 分组头 ，用于决定相应得传送级别与标签交换路径 (LSP)。 标签(Label)。标签就是一个包含在每个分组中得短固定得数值，用于通过网络转发分 组。一对 LSR 在标签得数值与意

20、义上一致。 标签分发协议(LDP)。 LDP就是MPLS得控制协议，用于在LSR之间交换FEC/标签 绑定信息。 标签交换路径(LSP)。LSP就是指具有一个特定得 FEC得分组，在传输经过得标签交 换路由器集合构成得传输通路。它由 MPLS 节点建立 ，目得就是采用一个标签交换转发机制 转发一个特定得 FEC 分组。 标签信息库 (LIB) 。 LIB 就是保存在一个 LSR(LER) 中得连接表 ，在 LSR 中包含有 FEC/ 标签绑定信息与关联端口以及媒体得封装信息。 LIB 通常包括下面内容 :入、出口端口 ;入、 出口标签 ;FEC 标识符 ;下一跳 LSR; 出口链路层封装等。

21、转发等价类 (FEC)。 MPLS 采用 FEC 作为标签来处理 IP 分组。 FEC 在相同路径上转 发，以相同方式处理并因此被一个 LSR 映射到一个单一标签得一组 IP 分组。 流束(Stream)。属于同一个FEC得一组分组流，它们流经同一个节点，从相同得通道传 输，并以相同方式转发到目得地 ，它们在 MPLS 里被称为“流束” 。 2、2 MPLS 得核心技术 1、 标签交换路由器 标签交换路由器类似一个通用IP 交换机 ,它具有第三层转发分组与第二层交换分组得功 能。它也能运行传统 IP 选路协议并可能执行一个特殊控制协议以与邻接 LSR 协调 FEC/ 标 签得绑定信息。 一个

22、LSR 可以就是一个传统得交换机 （如 ATM） 扩充 IP 选路 ,或者升级为支持 MPLS 得一个传统路由器。 LSR 就是 MPLS 系统中得核心部件 ,MPLS 中 LSR 得选路过程如 下: 执行标准路由传播协议，以获得网络拓扑；为每个FEC分配一个标签； 执行LDP,并根据从其她节点获得得标签信息建立标签信息库（LIB）; 后续分组获得LIB中相应得标签，并按照指定动作处理，沿相应得LSP传输。 2、标签 在传统得路由器中 ,必定分析每个分组头 ,以确定下一站转发地点。但就是在 MPLS 中, 只需要在 MPLS 网络得入口端处理一个流束得所有分组,对属于同一个流束得分组将被用一

23、个固定长度得字段加以编号。这一字段在MPLS里被称为标签（Label）。在LSR中，一个流束 得 FEC 就映射到标签上。 MPLS 中得标签格式取决于分组封装所在得介质。如 : ATM封装采用VPI/VCI作标签； 帧中继PDU采用DLCI作标签； 通用 MPLS 封装。 对于那些没有内在标签结构得媒体封装 ，则采用通用 MPLS 封装格 式,用一个特殊得数值在第二层与第三层头之间插入一个Shim标签头。Shim标签头由4字 节构成，它包含一个20bit得标签数据值、一个3bit得COS（服务类别）数值、一个1bit得堆栈 指示符与一个 8bit 得 TTL（ 生存期 ）数值。 3、标签交换

24、 标签交换利用分组中所携带得标签信息与标签路由器维护存储得转发信息库（LIB）来转 发分组。由于标签交换不必像传统IP选路那样分析分组头中得变长部分，因而标签交换就是 一个快速与简单得转发过程。标签作为一个由交换机组件处理，用以确定对应得输出标签、 必要得封装与端口号及其她数据信息处理操作。若一个分组包含一个标签栈，MPLS 设备只 处理栈中得顶部标签。 4、标签分发 标签分发就是分发FEC/标签绑定信息得过程，目得就是为了形成一个 LSP并且标签交换 属于特定 FEC 得分组。标签分发就是通过标签分发协议 （LDP） 来完成得 ，或通过现有得控制 协议（如RSVP与BGP）来传输FEC/标签

25、绑定信息。 MPLS LDP就是一个单独得控制协议。 LDP具有标签指定、分配与撤消功能，与相邻得LSR协调FEC/标签得捆绑信息，完成入口到 出口标签交换路径（LSP）得建立。LDP映射消息可以从任何本地 LSR（独立得LSP控制）发起, 或者从出口 LSR发起，并从下行LSR流向上行LSR。一个特定数据流得到达、一个保留建立 消息（RSVP）或选路更新消息都可以触发交换LDP消息，从而形成一个从入口到出口得LSP。 2、 3 MPLS 得协议栈 MPLS协议采用LDP/CR-LDP以及采用已有协议如资源预留协议 （RSVP）或对已有协议 扩展形成得协议如资源预留协议扩展 （RSVP-TE）

26、。 RSVP/RSVP-TE、CR-LDP,结合QoS路由 等,能够很好地支持综合服务（IntServ）、区分服务（DiffServ）与流量工程。 MPLS 得协议栈分为两个层面 :控制层面与数据层面。其中 : LIB 标签信息库 ； LDP 标签分发协议 ； CR-LDP 与 RSVP-TE 就是两个竞争性得支持 MPLS 流量工程得协议。 RSPF 由 IEPF 标准化 ，RSPF-TE 就是 RSPF 得扩展。同样 CR-LDP 由 LDP 扩展而得。二者都位于 TCP 层上。 UDP用户数据报协议； TCP传输控制协议； IP-FWD 基于 IP 寻址得下一跳分组转发 ； MPLS FWD 基于 MPLS 得标签与标签信息库查找得标签交换。 3 MPLS 组网技术 3、1 ATM 网络支持 MPLS 尽管 MPLS 可以运行在多种类型得数据链路上 ,但就是由于 ATM 得优越性 ,在 ATM 上运 行 MPLS 就是目前 MPLS 研究得热点。在 ATM 网络上支持 MPLS 有多种方案 ,下面讨论一 种 ATM 上得 MPLS 组网技术。 在这种组网技术中 ,ATM 交换机可作为标签交换节点 ,称作 ATM-LSR 。其中