广域网MPLS技术详解

1、第9章、广域网L3交换和MPLS协议9.2 Tag Switching技术9.3 MPLS交换技术 9.1 路由器交换发展背景 9.4 IP OVER MPLS1第9章：重点与难点重点理解和掌握：1、广域网路由和交换思想2、MPLS协议的主要工作原理3、MPLS VPN技术和流量工程主要了解：1、广域网交换发展背景2、Tag Switching技术2LAN1LAN3ATMLAN2PVCPVCPVCPVCATM9.1.1 广域网IP交换发展背景90年中后期IP广域网通常是核心路由器，通过提速后ATM交换网的PVC连接，但ATM承载IP面临效率低的问题（ CIPOA、MPOA、LANE） 。9.1

2、 广域网交换发展背景 3FR网络LANATMSDHLAN2DDN网络路由器路由器路由器路由器BUnixWin9.1.2路由器技术的问题一般经过路由器IP包都要通过拆包/查看、确定路由、安全访问检查、流量处理、封装后再发送过程。4随着社会需求发展（用户增加）、应用需求发展（多媒体）和用户网络提速（高速以太网发展），此时，汇聚到互联网主干必须提速，需要高传输带宽，如从ATM155M、622M、出现以太网、1GSDH2.5G、10G扩展。线路提速后，因特网核心路由器（自治域间路由器、或大型自治域核心区域路由器）汇集了大量急剧增长的流量，通过核心路由器的路由转发，特别是广域网多路由器中继开始严重影响网

3、络吞吐能力；网络规模和高传输带宽（当时ATM155M、622M、出现SDH2.5G、以太网1G)，必须投资升级或开发新核心路由器技术，提高数据分组吞吐能力。5同时，当IP网络规模扩大后，作为IP传输主要支撑ATM网PVC也快速膨胀，面临有限管理问题，端到端的QoS问题，流量管理问题。在此背景下，广域网核心设备路由器的发展需要更高速率路由交换能力，怎样借鉴硬件的高速交换实现（固定长度/短头部），更适合的交换协议体系，以及和现有IP有效结合，各厂商提出各种解决方法，比较典型的有Cisco的Tag Switching, Cascade的IP Navigator, Bay的Routing Switch

4、。 69.2 Tag Switching技术核心TRS边缘TRS数据流路由信息和TDP报文核心TRS边缘TRS主干网络由核心路由器和边缘（汇聚层）路由器组成，通常不包含接入层和用户网络LAN核心TRS边缘TRS在相邻标记交换路由器TRS间按照通常路由协议（EIGRP、OSPF、GGP）交换路由信息，直致路由表收敛。7标记分配依靠标记分配协议TDP（Tag Distribution Protocol).每个TRS基本功能：基于标记的转发/交换；管理互连TRS的合法标记集。然后，每个标记交换路由器TRS为每条路径生成指定一个标记，标记是很短且长度固定的标号（方便硬件交换处理），每个标记可以标识一条

5、或多条路径聚集。8路由器通过标记来进行对输入路由器的分组完成路径寻址，而不用拆开IP报进行传统路由表寻址。即在主干网区域中，数据分组不是以IP地址转发处理的，而是用标记地址来转发。基于标记的转发/交换功能标记信息放在何处？通常标记套在第3层IP报分组前（插在第2层帧头后）的短地址。不同网络环境中，还可以添入IPv6的流标志域，或ATM信元的VPI/VCI域。9当带有标记的分组进入TRS后， TRS提取标记，并以标记为索引检查标记信息库，确定下一跳的转发信息（端口、标记、路由器物理地址）。Tag=111物理地址=i1TRS标记转发2345输入输出Tag=111Tag=555 端口=4 物理地址=

6、kTag=555物理地址=kTIB表标记交换：由于标记是定长的短比特嵌套头（数量有限），所以十分适合硬件交换实现，而不是查表转发，所以可以大大地提高核心路由器的速度。10边缘TRS标记交换网插入标记清除标记路由交换机实际在ATM和路由器上形成两种设备，是相对独立标记处理模块，市场上并没有成为统一的换代产品，但为以后MPLS发展奠定了基础。 标记交换是专门为广域网核心L3交换设计的，通常IP分组在进入骨干IP网的边缘TSR时插入标记，骨干IP网TRS进行标记交换，然后出骨干IP网边缘TSR去除 标记，按正常IP转发或按照局域网L3处理。 边缘TRSNetflow网11 MPLS（Mutiprot

7、ocol Label Switching)是ATM IP交换和标记交换技术的进一步发展和完善，MPLS主要目的是面向IP广域骨干网，实现IP包高速转发和网络管理。 9.3 广域网MPLS技术 MPLS工作组到目前为止已经把在FR、ATM和PPP、及IEEE 802.3局域网上使用的标记实现了标准化，适用以多种L2链路环境，和多种网络层协议环境。12目前MPLS实现途径是两条： 2、MPLS功能的路由器和以太网交换机，即IP MPLS（发展重点）。IP MPLS通过交换解决路由器转发速度，改善缺乏QoS、流量管理和二层VPN的纯IP网性能，目前已经开始大规模在核心路由器和核心以太网交换机中推广应

8、用。1、MPLS功能的FR和ATM交换机：ATM MPLS（实际使用面有限制），通常已有的ATM交换机上对承载转发IP进行改善。13MPLS标记格式L2帧头标记实体IP报头32BitLabel20bCoSS3b1bTTL8bCoS :8种服务等级，S=0，MPLS域的最底层，否则=1，(对于分层的MPLS域而言）TTL：在MPLS域传递限制，防治循环。标记实际是一种新层次结构，即在IPL3和帧结构L2间定义一个新中间标准层，并一定范围中使用，以折中解决原来L2、L3问题。14标记交换路径LSP：一个特定的FEC所遵循的传递路径。MPLS主要概念：MPLS节点和域：运行MPLS协议节点；一些互连

9、MPLS节点集合，MPLS边界节点是MPLS域与域外连接的节点 。转发等价类FEC ：一系列以完全相同的方式传递的IP包标记交换路由器LSR：完成MPLS域内标记交换， 边界标记路由器LER：完成标记插入、交换和去除标记分配协议LDP：在LDP控制下，完成对标记进行操作（标记划分、赋值、分发、维护等），LDP结合路由协议对不同的FEC分配标记，并使LSR建立与路由表对应的标记信息库LIB。15R1R2R3R4R5LERLSRMPLS域LSPIPIPMPLS基本工作原理概念：如图各节点已建立了传统的路由信息和路由表，且源和目的地在域外。1、LDP根据路由表分配和发布标记信息，域中各LSR接收LD

10、P信息建立LIB，对以已经确定FEC分配相应的标记，而对单播路由的IP也对应一个标记，并在相邻LSR交互，建立统一的标记对应关系。L54L42L21162、当无连接IP包送到R1（LER），按传统路由规则生产一条路由（ R1R2R4R5)， R1把连接请求依次发往R2、R4、R5；当R5确认连接请求时，在R5生成标记L54，发到 R4； R4生成L42， 并建表（ L42、至R5端口、L54），发L42到 R2 ，R2生成L21，建表（ L21、至R4端口、L42），发L21到 R1；依次类推， R1建表（ L21 、R2端口 ）。当R1收到L21后表明R1到R5 LSP 生成。R1R2R3R

11、4R5LERLSRMPLS域LSPL54L42L21IPIPLSP173、R1在IP包贴上标记L21发往R2， R2根据（ L21、至R4端口、L42），把标记L21换成 L42发往R4，依次直至R5，R5 把标记删除后，IP传输通过MPLS域。R1R2R3R4R5LERLSRMPLS域LSPL54L42L21IPIP4、其后对FEC的IP沿同样的LSP传输。189.4 MPLS技术分析 VPN采用专用网络中的策略，在公共网络上提供行业（企业）的互连，其基本特性可以使整个行业（企业）网络享受到在专用网中可获得的相同安全性、优先级、可靠性和可管理性，它新一代电信业务的基石。9.4.1 MPLS

12、VPN实现 MPLS通过二层LSP建立VPN，一个MPLS VPN是一组策略的集合，这些策略控制着一组客户站点间的连接。这点类似于帧中继或ATM 第二层VPN，而不同于IP隧道方式(加密通道)， MPLS VPN采用路由隔离、地址隔离和信息隐藏等多种手段提供了抗攻击和标记欺骗的手段，完全能够提供与传统的ATM或帧中继VPN相类似的安全保证。19 和PVC模式不同，MPLS VPN客户不是通过逐一创建许多PVC组成的复杂的虚拟网来管理路由选择，而是采用集中管理和配置方式，大大简化并加快了业务创建、配置、管理过程，所以MPLS VPN模式随着客户的不断增加可以达到很高的可伸缩性，使同一个网络实现数

13、万个VPN。 MPLS VPN客户可以选择自己的地址计划，这些地址计划可能会与其它客户或服务提供商的计划重叠，但数据只会被发送到该客户的VPN内的站点上，从客户的角度而言，MPLS VPN模式一个重要有利条件是，在很多情况下，相对于PVC模式，路由选择可以得到大大简化。20 LER根据进入MPLS网络的IP包报头参数（源地址、目的地址、TOS值和端口号等）进行处理、分类，区分应用类型或业务级别，确定它需要的QoS和流量（带宽），并根据路由选择和策略的要求给IP包报头贴上标记。9.4.2 MPLS的QoS和流量工程 LSR标记交换表预先配置含有第三层信息并与所建立的标记相对应，使每一个LSR能够

14、自动给每个数据包对应正确的IP业务类型。这种方案可以区分业务类型，使用不同的策略机制为数据包分配标记，将尽力而为的业务与关键应用区分开来。21 MPLS中通过对路由的管理，对于不同业务类型但同一目的地的IP包，可建立不同的转发路径，以达到其对传输质量的要求。同样通过对特殊路由的管理，还能有效的解决网络中的负载均衡和拥塞问题，如当网络中出现拥塞时，MPLS可实时的建立新的转发路由来分担其流量，以缓解网络拥塞。 MPLS将会利用基于限制的路由选择来确定流量工程策略。在这种环境中，只需指定网络的不同点之间预计流动的负载量（一个流量矩阵），路由选择系统将会计算出传送该负载的最佳路径，并因此确定显式路径

15、，实现端到端的带宽管理。22标记是适合硬件处理的定长特殊报头，核心MPLS路由器/交换机根据标记处理路由交换、QoS、网络管理，而不是IP报头。把三层流量映射到面向连接的2.5层传输技术，实现高速转发。9.4.3 MPLS技术特点与ATM PVC需要人工逐段配置VPI/VCI不同，标记交换通道LSP是自动分配生成的，可以是动态的也可以是静态的。将第三层的智能、灵活和可扩展性与第二层交换的硬件化处理、流量控制和质量保证等优点结合，23标记只在本地LSR间有意义，独立于IP地址，这对IP业务非常重要，使MPLS网络独立于用户网络，并具有很大网络规模、高可扩展性和可管理性。MPLS第二层VPN，高安

16、全性，且采用集中管理和配置方式（VLAN的VPN? ） 。 MPLS QoS实现不同业务（如相同源和目的）的不同质量传输。MPLS可在核心网络范围内实现负载均衡的流量工程，有效的解决网络中的负载均衡和拥塞问题。249.4.2 IP Over MPLS实现目前MPLS基本是作为ATM或纯IP网的修补技术出现的，不是基于标记体系的全新设计和实现。QoS标签分配信令、解决VC合并、传输分类业务等方面还需要进一步完善。目前MPLS实现的途径是两条： MPLS功能的路由器和以太网交换机，即IP MPLS； MPLS功能的FR和ATM交换机，即ATM MPLS。ATM MPLS在QoS和流量管理上的优势下

17、充分发挥广域骨干承载和转发IP能力；而IP MPLS通过交换解决路由器转发速度，改善缺乏QoS、流量管理和二层VPN的纯IP网性能。MPLS毕竟是全新的技术，尽管国内外主要运营商已开始大规模运用，并取得了较满意的效果。259.4.3 IP Over MPLS问题MPLS是宽带IP网络技术重大进展，并作为IETF的新标准，受业界推崇，未来宽带IP网络的方向。目前路由器硬件交换可达几百万包/S转发速率，大大超过传统10-20万包/S转发速率。MPLS基本也是“路由一次，随后交换”，是作为ATM或纯IP网的修补技术（路由加速技术）出现的，不是基于标记体系的全新设计和实现。QoS标签分配信令、解决VC

18、合并、传输分类业务等方面还需要进一步完善。ATM MPLS和IP MPLS网络，分别采用基于约束路由标记分发协议CRLDP，资源预留协议RSVP，显然将会带来严重的互操作性问题。26关于未来流路由的发展（Lawrence.G.Roberts，Anagran 公司）复杂：在不同层次（接入、汇聚、核心）采用不同的L3标志交互体系。昂贵：每个装置功能复杂、昂贵受限：服务公平性（P2P消耗），利用率（视频、声音和数据），划分优先级实现难。目前IP路由问题？什么业务流/流：同一种业务（如视频、话音），并具有相同的源、目的地的bit流。基于流的路由？27 Lawrence.G.Roberts：早期路由器设计：由于存储器、计算资源水平底/昂贵，才没有对IP转发作区分，但没有反对做业务流处理。 流路由