MPLS技術(shù)研究及應(yīng)用

本文對MPLS技術(shù)進行了全面介紹，指出MPLS技術(shù)將發(fā)展成為運營商全國骨干網(wǎng)及各城域網(wǎng)的核心技術(shù)，同時簡要介紹了MPLS技術(shù)在中國鐵通IP骨干網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

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MPLS(多協(xié)議標簽交換)是一種可提供高性價比和多業(yè)務(wù)能力的交換技術(shù)， 它解決了傳統(tǒng)IP分組交換的局限性，在業(yè)界受到了廣泛的重視，并在中國網(wǎng)通、中國鐵通全國骨干網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中得到了實踐部署。采用MPLS技術(shù)可以提供靈活的流量工程、虛擬專網(wǎng)等業(yè)務(wù)，同時，MPLS也是能夠完成涉及多層網(wǎng)絡(luò)集成控制與管理的技術(shù)。

1.MPLS概述

1.1、MPLS的基本原理

MPLS是一種第三層路由結(jié)合第二層屬性的交換技術(shù)，引入了基于標簽的機制，它把路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分開，由標簽來規(guī)定一個分組通過網(wǎng)絡(luò)的路徑。MPLS網(wǎng)絡(luò)由核心部分的標簽交換路由器(LSR)、邊緣部分的標簽邊緣路由器(LER)組成。LSR的作用可以看作是ATM交換機與傳統(tǒng)路由器的結(jié)合，由控制單元和交換單元組成;LER的作用是分析IP包頭，用于決定相應(yīng)的傳送級別和標簽交換路徑(LSP)。標簽交換的工作過程可概括為以下3個步驟：

(1)由LDP(標簽分布協(xié)議)和傳統(tǒng)路由協(xié)議(OSPF、IS-IS等)一起，在LSR中建立路由表和標簽映射表;

(2)LER接收IP包，完成第三層功能，并給IP包加上標簽;在MPLS出口的LER上，將分組中的標簽去掉后繼續(xù)進行轉(zhuǎn)發(fā);

(3)LSR對分組不再進行任何第三層處理，只是依據(jù)分組上的標簽通過交換單元對其進行轉(zhuǎn)發(fā)。

整個操作過程如圖1：

圖1

IETF標準文檔中定義的MPLS包頭是插入在傳統(tǒng)的第二層數(shù)據(jù)鏈路層包頭和第三層IP包頭之間的一個32位的字段，如圖2所示：

圖2

Label字段：20位，標簽字段。

EXP：3位，實驗字段。

S字段：1位，堆棧(Stack)字段。

TTL字段：8位，生存時間字段。

1.2、MPLS信令方式

目前MPLS實現(xiàn)信令的方式可分為兩類，一類是LDP/CR-LDP(Label Dispatch Protocol， Constrain based Routing Label Dispatch Protocol)，源于ATM網(wǎng)絡(luò)的思想。CR-LDP和LDP是同一個協(xié)議，CR-LDP是LDP的擴展，它使用與LDP相同的消息和機制，如對等發(fā)現(xiàn)、會話建立和保持、標簽發(fā)布和錯誤處理。另外一類是RSVP，它基于傳統(tǒng)的IP路由協(xié)議。RSVP和LDP/CR-LDP是兩種不同的協(xié)議，它們在協(xié)議特性上存在不同，有不同的消息集和信令處理規(guī)程。從協(xié)議可靠性上來看，LDP/CR-LDP是基于TCP的，當(dāng)發(fā)生傳輸丟包時，利用TCP協(xié)議提供簡單的錯誤指示，實現(xiàn)快速響應(yīng)和恢復(fù)。而RSVP只是傳送IP包。由于缺乏可靠的傳輸機制，RSVP無法保證快速的失敗通知。從網(wǎng)絡(luò)可擴展性上看，LDP較RSVP更有優(yōu)勢，一般電信級網(wǎng)絡(luò)中尤其是ATM網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)采用MPLS/LDP。ITU-T傾向于在骨干網(wǎng)中采用CR-LDP。 目前所有支持MPLS功能的路由設(shè)置都同時支持CR-LDP和RSVP兩種MPLS的信令協(xié)議。

1.3、MPLS的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

MPLS網(wǎng)絡(luò)由標簽邊緣路由器(LER)和標簽交換路由器(LSR)組成。在LSR內(nèi)，MPLS控制模塊以IP功能為中心，轉(zhuǎn)發(fā)模塊基于標簽交換算法，并通過標簽分配協(xié)議(LDP)在節(jié)點間完成標簽信息以及相關(guān)信令的發(fā)送。值得注意的是，LDP信令以及標簽綁定信息只在MPLS相鄰節(jié)點間傳遞。LSR之間或ISR與LER之間依然需要運行標準的路由協(xié)議，并由此獲得拓撲信息。通過這些信息LSR可以明確選取報文的下一跳并可最終建立特定的標簽交換路徑(LSP)。MPLS使用控制驅(qū)動模型，即基于拓撲驅(qū)動方式對用于建立LSP的標簽綁定信息的分配及轉(zhuǎn)發(fā)進行初始化。LSP屬于單向傳輸路徑，因而全雙工業(yè)務(wù)需要兩條LSP，每條LSP負責(zé)一個方向上的業(yè)務(wù)。

1.4、MPLS的核心技術(shù)LDP

MPLS通過簡單的核心機制來提供豐富的標簽分配及相關(guān)處理功能。構(gòu)成MPLS協(xié)議框架的主要元素有標簽分配協(xié)議(LDP)，標簽映射表(LIB)和轉(zhuǎn)發(fā)信息庫(FIB)，其中LIB和FIB分別為存儲標簽綁定信息和相應(yīng)的標簽轉(zhuǎn)發(fā)信息的數(shù)據(jù)庫。為了能夠在MPLS域內(nèi)明確定義、分配標簽，同時使用網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各元素充分理解其標簽含義，LDP提供一套標準的信令機制用于有效地實現(xiàn)標簽的分配與轉(zhuǎn)發(fā)功能。LDP基于原有的網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議構(gòu)建標簽信息庫，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，在MPLS域邊緣節(jié)點(即入節(jié)點與出節(jié)點)之間建立LSP。LDP信令位于TCP/UDP之上，它通過TCP層保證信令消息可靠傳輸，同時基于UDP傳送發(fā)現(xiàn)消息。LDP信令傳輸使用的TCP和UDP知名端口號均為646。相鄰的LSR之間必須建立一條非MPLS連接鏈路作為信令通道，用于傳送LDP信令報文。

1.5、MPLS的主要技術(shù)特點

(1)流量工程

傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)一旦為一個IP包選擇了一條路徑，則不管這條鏈路是否擁塞，IP包都會沿著這條路徑傳送，這樣就會造成整個網(wǎng)絡(luò)在某處資源過度利用，而另外一些地方網(wǎng)絡(luò)資源閑置不用，MPLS可以控制IP包在網(wǎng)絡(luò)中所走過的路徑，這樣可以避免IP包在網(wǎng)絡(luò)中的盲目行為，避免業(yè)務(wù)流向已經(jīng)擁塞的節(jié)點，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的合理利用。

(2)負載均衡

MPLS可以使用兩條和多條LSP來承載同一個用戶的IP業(yè)務(wù)流，合理地將用戶業(yè)務(wù)流分攤在這些LSP之間。