（计算机应用技术专业论文）基于mpls二层vpn技术的研究与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着计算机通信网络在世界范围内的迅猛发展，专用网络己经成 为网络中一个极为重要的部分，而v p n ( 虚拟专用网络) 则是一种新兴 的业务，由于它能够使用现有的公共网络为企业或特定的用户建立 虚拟的专用网络，节省用户的组网与维护成本，因此这种技术正在 受到越来越密切的关注。新型的v p n 技术不断涌现，特别是m p l s ( 多协议标签交换) 技术的出现，使整个i n t e r n e t 的体系结构都发 生了变化。采用m p l s 实现v p n 的技术方案不仅改善了传统i p 网络、 帧中继和a t m 网络的缺陷，还具备了信息传输安全性、实时性、宽 频带、方便性和较低建设成本的优点，能很好地适应客户对v p n 业 务的需求。全球各大网络设备厂商都纷纷投入到m p l s 的研究中，虽 然基于m p l s 的三层v p n 已经开始应用，但是对基于m p l s 二层v p n 来说，成熟的产品并不是很多。 本论文根据这种状况，在路由器上研究和实现了基于m p l s 二层 v p n 。论文首先介绍了v p n 和m p l s 技术的基本原理，分析了m p l sl 3 v p n 和m p l sl 2v p n 两种技术的优缺点；随后从控制平台和数据平 台两个方面详细分析了基于m p l s 二层v p n 的实现原理：最后分三个 模块详细描述了m p l sl 2v p n 的实现过程。 作者在此项目中所做的工作如下： 1 m p l sl 2v p n 方案的总体设计、详细设计。 2 全程参与l d p 协议的方案设计、详细设计、编码、测试。 3 m p l s 数据转发平台和网络服务平台的方案设计、测试。 4 与m p l s 各模块负责人一起完成集成测试。 目前，与m p l sl 2v p n 相关的模块已经调试完毕，通过了n 测 试和m p 公司专家组的验收，0 评审正在进行当中。正式的产品预计 将于0 5 年6 月推入市场。 关键词：虚拟专用网络；多协议标签交换；标签分发协议；虚连接 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n t0 ft e le c o r n m u r l ic a t i o nf t e t w o r ka l l o v e rt h ew ( 3 r l d ，t h e1 3 r i v a t et i e t w o r kh a sb e c o m et h ee x t r e m e l y i m p o r t a n to n e v p n ，ab u r g e o n i n gs e r v ic e ，i sb e c o m i n gm o r ea n d m o t ep o p u l a rb e c o a l s ei tc s , r tm a k eu s eo ft h ec o l n m o r ll i e tv o r kt 0 e s t a b l is hv i r t u a lt i e t w o r k sf o i e t i t e r p r is e sa n ds p e c i a lc l i e n t s ， a n ds 8 v et h ec o s to fn e t w o r kc o r l s t r l j c t i n ga n dm a i l 3 t a i n ir i gf o r u s e t s a tt h es a 1 l l et i t i l e ，a 1 1k i n d so fv p nt e c h n o l o g i e ser f i e i g e i ne l l d le s s l y e s p e c i a l l y ，t h ee m e r g e n c eo fm p l st e ( 3 h n 0 1 0 9 y r n a k e st h ea r c h i t e c t h r eo fir l t e f r l e tc h a n g eg r e a t l y 。t h et e c h l 2 0 1 0 9 yo fv p nb a s e do i l m p l sn o to n l ym e n dt h e1 i m i t a t i o n so f - f p ， f r8 , 1 1 da t m ，b u tt 3 , l s 0h a sa d v a n t a g e0 fs e c u l - i t y ， r e a l tir i l e p e r f o r m a r l c e 。b r o a d b a n d ，c o n v e n i e r i c ea n dl o wc 0 s t i tp e r f e c t l y m e e t st h e1 1 s e r sd e m a n do fv p ns e r v i c e s ag r e a tm a n y0 f c o m r t l l i t l i c a t i o f tc o r l 3 0 r a t i o t i sa i l0 v e rt h ew o r l da r ei m n l e r s e di n r e s e a r c h i n g t h ea p p l i c a t i o no fm p l s t h et e c h n o l o g yo fm p l s l 3v p nh a sb e e na p p l i e d ，b u tt h e r e8 r er t tm a n yg o o dm a tl i f e d e v i c e sw h ic ha r eh a s e d0 1 3 m p l sl 2v p ni nt h em a r k e t b a s e do nt h es t a t u s t h et h e s i sp r e s e n t sh o wt od e s ig na n d i m p l e m e n tt h et e c h n 0 1 0 9 yo fm p l sl 2v p ni nt o u t e r s f i i s t l y ， t h eb a s ict h e o r y0 fv p n8 , 1 3 dm p l sisi n t r o d u c e d ，a l l da d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so fm p l sl 3 、t p , 4a n dm p l sl 2v p na r ea n a l y z e d 。 s u b s e q u e n t l y ，t h ei m p l e m e n t a t i o nt h e o r y0 fm i l sl 2v p nis d i s c u s s e di nd e t a i l i n c l u d i n gt h ec o n t r 0 1p l a l l ea n dt h ed a t a p l a r t e f i n a l l y ，t h ed e s i g na n dt h ei m p l e m e n t a t i o i lo fm p l s l 2 v p na r ep r es e l l t e da t1 e n g t h w h i c hc o n s is ts0 ft h r e em o d ule s i nt h ep r o j e c t ，t h ew o r kc o m p l e t e db yt h ea u t h o ra r e 8 , s f 0 1 o w s ： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第，i ii 页 1 t h eo v e r a l la n dd e t a i le dd e s i g n0 fm p l sl 2v p ns c h e m e 2 t h eo v e r a l la n dd e t a i l e dd e s i g nc o d i n ga n dt e s to ft h e l d p p r o t o c 0 1 3 t h eo v e r a l l d e s i g n a n dt e s to ft h ed a t ap l a n ea n d t h e n s p 4 i n t e g r a t i o nt e s to fs y s t e mw i t h h is c o l l e a g u e s a t p r e s e n t ，m o d u l e st h a ta r er e l a t e dt om p l sl 2v p nh a v e b e e nt e s te d t h ep r o j e c th a sp a s s e dt h e a t e s t ，a n dh a sb e e n c h e c k e da n da c c e p t e db ys p e c i a l is ti nm pc o m m u n i c a t i o nc o l t d n o wt h e0t e s tis h a y i n g i nt h eh a n d t h em a t u r ep r o d u c tw i l l d o ss i h l yc o i l l e i n t ot h em s r k e t k e y w o r d s ：v p n ：m p l s ：l d p ：v c 亘直塞逗左堂亟主堑塞生兰堡适塞签! 夏 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 近年来，随着企业规模的不断扩大，每个企业分支结构也越来 越多，并且各分支的地理分布也更加广泛。如何为这些分支间提供 安全的、高性能、低投入的网络服务已经成为企业用户急需解决的 问题。虚拟专用网( v p n ) 就是在这种背景下提来的，它利用公用 网络基础设施为企业用户提供专用网级别的网络互联服务，对用户 来说它显得灵活高效，经济合理，安全方便且技术先进，因此其市 场前景普遍看好，已经称为i t 业界一个新的热点。 目前，各种v p n 技术不断涌现，层出不穷，己经得到广泛应用。 但是，传统v p n 在实现v p n 扩展性、安全性、管理和维护、o o s 保证和流量工程等方面存在着明显的先天不足，无法充分地满足客 户需要。其突出的问题是管理和维护不够灵活，如果客户采用不同 的接入技术( p p p ，a t m ，帧中继。e t h e r n e t 等) ，则运营商需要分别 提供不同的核心网络来提供v p n 业务，这对人力和物力造成了很大 的浪费。因此，急需对其进行改造、升级，采用一种a 1 1 i n o i l e 的承 载技术。 为了解决以上一些问题，基于多协议标签交换( m p l s ) 的v p n 应运而生。它不仅改善了传统i p 网络、帧中继和a t m 网络的缺陷， 还具备了信息传输安全性、实时性、宽频带、方便性和较低建设成 本的优点，能很好地适应客户对v p n 业务的需求。从网络层次上看， 它可分为基于m p l s 的二层v p n ( m p l sl 2v p n ) 和基于m p l s 的 三层v f n ( m p l sl 3v p n ) 。 然而，由于m p l sl 3v p n 的实现机制问题，其网络的运营管理 和维护，以及运营商边界路由器( p e ) 需要存储大量客户路由信息 引发的网络扩展性问题等，导致了m p l s l 3v p n 的网络部署难度和 成本、运营成本都相对更高。相反，m p l sl 2v p n 一出现就以其优 越的性能成为v p n 技术的新亮点。m p l sl 2v p n 不但能有效地克服 现有v p n 网络的性能缺陷，充分满足电信运营商的业务需求，而且 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 具备对现有网络设备的兼容性和向下一代v p n 网络演进的先进性。 目前，因特网工程任务组( i e t f ，i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 和各 大通信设备厂商都积极投入到m p l sl 2v p n 标准的制定和研究中， 已经提出了一些相关的草案，主要有m a r t i n i 和k o m p e l l a 两种草案。 但是由于标准r f c 还没有制定，在市场上成熟的产品还不是很多。 可以预见，随着其技术的迅速成熟和标准的确定，m p l sl 2v p n 技 术必将成为未来v p n 技术的主流。 1 2 研究内容 本文主要对基于m p l s 二层v p n 的实现原理进行了深入研究和 分析，并最终在高端路由器和高端路由交换机上实现了该协议。论 文的主要内容有： ( 1 ) 分析了v p n 与m p l s 协议的基本原理，在此基础上深入研 究了基于m p l s 二层v p n 的实现原理。 ( 2 ) 阐述了设计和实现m p l sl 2v p n 的总体方案，分别对三 个模块的实现进行了介绍，三个模块分别为：m p l s 数据平面、m p l s 控制平面、网络服务平台。 ( 3 ) 对m p l s l 2v p n 进行了一致性测试和基本功能测试，提出 了后续工作中需要改进和优化的方向。 1 3 论文的组织结构 本论文按如下的方式组织： 第一章是绪论，橛述课题的研究背景与内容。 第二章简述了v p n 的概念、技术原理、分类及关键技术。 第三章介绍了m p l s 协议的基本原理和主要应用，分析和对比 了基于m p l s 的两种v p n 技术。 第四章分析了基于m p l s 二层v p n 技术的原理。 第五章介绍了基于m p l s 二层v p n 的总体设计。 第六章详细地介绍了基于m p l s 二层v p n 的具体实现过程，并 对m p l sl 2v p n 进行了致性测试和基本功能测试。 最后对论文的工作进行总结，并提出存在的问题和改进的方向。 亘直窑遁盔堂堡主堑塞生堂焦鲨塞筮兰戛 第2 章v p n 技术简述 2 1v p n 的产生与定义 目前，随着企业不断的发展壮大和国际化，每家企业的分支机 构不仅越来越多，而且各分支的地理分布更加广泛。已经从本地开 始延伸到跨地区、跨城市甚至是跨国家。以前各分支机构间的互访 采用的常规方法是租用专线，这样的连接方式一则需要支付昂贵的 通信费用，再则缺乏灵活性。不能很好地适应企业地理位置的改变。 如果仅通过公用的因特网( i n t e r n e t ) 是很难保证其安全性的，因为 因特网是一个全球性和开放性的，基于t c p i p 技术的、不可管理的 国际互联网络，基于因特网的商务活动就面临信息威胁和安全隐患。 如果采用传统的租用专线，虽然在安全方面有足够的保证，但是仍 不能从根本上解决企业用户所面临的实际困难。在这样的背景下， 一种基于公用网络的、动态的、安全的连接解决方案就成为了时代 之需，v p n 技术就是这样的一种连接技术。v p n 的成功引入可以从 根本上满足用户的低通信费和高灵活性的双重需求，更重要的是它 可以提供与专用线路相媲美的通信安全保障。 v p n ( v i r t u a l p r i v a t en e t w o r k ) 中文名为“虚拟专用网”，指的是 在现有的公用网络上采用相关技术为一组用户或一些点实现的一种 专用通讯网络。 v p n 具有三层含义： ( 1 ) 它是虚拟的网，即没有固定的物理连接，网络只有用户需要 时才建立； ( 2 ) 它是利用公众网络设施构成的专用网，用于构建v p n 的公 共网络包括因特网、帧中继、a t m 等： ( 3 ) 它是利用v p n 技术能够在一种不可信、不安全的网络上为 两个单独实体之间建立一条安全的、私有的专用信道，像企业现有 的私有网络一样，提供安全性、o o s 可靠性和可管理性等服务，使 得企业网络几乎可以无限延伸到地球的任何一个角落，从而以安全、 耍塑窑婆盔堂塑主堑基圭堂丝垫塞釜堡基 低廉的网络互联模式为包罗万象的应用服务提供发展的舞台。 2 2 v p n 的分类 基于不同的角度和出发点，对v p n 的分类也多种多样。v p n 一般按以下几个分类标准进行划分。 ( 1 )按v p n 发起和维护的方式分成两类：c p e b a s e dv p n 和 n e t w o r k - b a s e dv p n 。 c p e ( c u s t o m e rp r e m i s e se q u i p m e n t ) 一b a s e dv p n 主要是指 v p n 由企业用户自己的c p e 设备创建和维护，网络运营商仅仅为用 户提供一个透明的传输网络。而不参与到用户v p n 的运营中。用户 只需将各节点的c p e 接入到公共i p 网络上即可创建自己的v p n 。 p p t p ( 点到点隧道协议) 和i p s e cv p n 就是属于这种类型的v p n 。这 种类型v p n 的好处是用户可以奁接控制v p n ，与运营商独立。但缺 点是v p n 成本很高，q o s 也难以保证。 n e t w o r k b a s e dv p n 是由网络运营商为企业用户创建、维护和 管理的v p n 。v p n 的整个操作是作为一个运营商的外包资源实现在 网络上，而不是在客户端设备上。这种方式的v p n 降低了客户的投 入，增加了运营商的收入，同时又具有较好的网络拓展性、可管理 性，因而赢得了越来越多客户和运营商的青睐。基于m p l s 的v p n 就属于n e t w o r k b a s e dv p n 传统的基于a t m f rv p n 也属于这种 类型的v p n 。 ( 2 ) 按协议实现类型分成两类：第二层隧道协议和第三层隧道 协议。 根据o s i 网络模型，v p n 可以在第二层建立，也可以在第三层 建立。这两种类型v p n 的区别主要在于用户数据在网络协议的第几 层被封装。p p t p ( 点到点隧道协议) 、l 2 f ( 第二层转发协议) 、l 2 t p ( 第 二层隧道协议) 和m p l s ( 多协议标签交换) 都属于第二层隧道协议。 g r e ( 通用路由封装协议) 和i p s e c 都属于第三层隧道协议。 这两种隧道协议本身并不冲突，一般来说分别使用，但合理地 运用两层协议，将具有更好的安全性。例如m p l s 与i p s e c 协议的配 合使用能形成更安全，更强的v p n 网络。 二 西南交通大学硕士研究生学位论文 ，第5 页 ( 3 )按v p n 的服务类型可分为三类：a c c e s sv p n ，i n t r a n e tv p n 和e x t r a n e tv p n 。 a c c e s sv p n 又称远程访问虚拟专网，是企业员工或小分支机 构通过公网远程访问企业网络的v p n 方式。这种方式非常适合于企 业内部员工移动和远程办公的需要。a c c e s sv p n 可以是专线按入方 式，也可以是拨号接入方式。 i n t e r n e tv p n 称为内联网v p n ，是企业的总部和分支机构间 通过公网构建的v p n 。这是一种网络到网络以对等的方式连接起来 所组成的v p n ，其最大特点就是为各分支结构提供了整个网络的访 问权限。 e x t r a n e tv p n 称为企业扩展虚拟网，是企业网与相关合作伙 伴的企业网之间互连所采用的v p n 技术。e x t r a n e tv p n 通过使用一 个专用连接的共享基础设施。将客户、供应商、合作伙伴或兴趣群 体连接到企业内部网。由于是不同公司网络间的相互通信，所以要 更多地考虑设备的互连、地址的协调、安全策略的协商等问题。公 司的网络管理员还应该设置特定的访问控制表a c l ( a c c e s sc o n t r o l l i s t ) ，根据访问者的身份、网络地址等参数来确定相应的访问权限、 开放部分资源而非全部资源给外联网的用户。 2 3v p n 的关键技术 v p n 最重要的任务就是实现在公网上私有数据的安全传输。要 完成该任务涉及到了很多重要的技术，主要采用了四项技术：隧道 技术、加解密技术、密钥管理技术、身份验证技术。 2 3 1 隧道技术 隧道技术是v p n 的底层支撑技术。当前的v p n 具体实现大多采 用隧道技术。所谓隧道，实质上是一种封装，将一种协议( 协议a ) 封装在另一种协议( 协议b ) 中传输，从而实现协议a 对公用网络 的透明性。隧道技术涉及到了三种协议：乘客协议、隧道协议和承 载协议。乘客协议也称用户协议，是企业用户内部网络所使用的协 议；隧道协议是用于建立、维护和拆除隧道所要使用的协议，把乘 亟直銮适盔堂亟主堑塞生堂丝迨銮墓巨夏 客协议当作自己的数据来传输；承载协议是把隧道协议当作自己数 据来传送的协议。这三者见的关系如图2 - 1 所示。 通过隧道的建立，可以实现如下功能： 将数据流强制传输到特定的目的地： 隐藏私有的网络地址； 在i p 网上传输非i p 协议数据包； 提供数据安全支持： 协助完成用户认证、授权、计费( a a a ) 的管理。 根据隧道协议工作在o s i 网络模型层次，可以划分为第二层隧 道协议和第三层隧道协议。属于二层隧道协议的有：p p t p 、l 2 f 、 l 2 t p 、m p l s ；属于三层隧道协议的有：g r e 、i p s e c 。 2 3 2 相关安全技术 在隧道技术的基础上，也常常使用其他一些关键技术来保证v p n 的安全性。 第一、加解密技术。在v p n 中通过对传递的数据进行加密，可 以确保网络上未授权的用户无法读取该信息。大体上，加密技术可 以分为两类：对称加解密和非对称加解密技术。以d e s 为代表的对 称加密技术简单易用，处理效率比较高。以r s a 为代表的菲对称加 解密技术在密钥的管理方面更加优越，因为非对称技术可以公开加 密密钥，对加密密钥的更新也很容易。对不同的通信对象，只需对 自己的解密密钥保密即可；而对称技术要求通信前对密钥进行秘密 分配，密钥的更换困难，对不同的通信对象，对称技术需要产生和 保管不同的密钥。一般情况下，在v p n 中，在密钥的管理上采用非 对称技术，而对于需要保护的网络流采用高效率的对称技术。 第二、密钥管理技术。其主要任务是解决公用数据网上安全传递 耍直銮运盔堂亟主鲤塞生堂堡迨塞墓2 夏 密钥而不被窃取的问题。现行密钥管理技术又分为s k i p 与 i s a k m p o a k l e y 两种。s k i p 主要是利用d i x i e h e l l m a n 的演算法 则，在网络上传输密钥；在i s a k m p 中，双方都有两把密钥，分别 作公用、私用。 第三、身份验证技术。虚拟专用网用户访问网络资源前以及管 理员对虚拟专用网系统进行管理前，都需要进行身份验证。身份验 证技术最常用的是使用者名称与密码或卡片式认证等方式。 2 4 传统v p n 技术的缺点 传统的v p n 存在以下缺点： 第7 - 、q o s ( 服务质量) 较难保证。一般的隧道协议并没有为 v p n 提供相应的q o s 机制。用户的数据被封装，加密，相关的q o s 对运营商网络是不可见的，最终是网络本身不能保证v p n 数据的服 务质量。 第二、传输效率不高。有些隧道协议先要通过一系列的认证、 封装、加密，这增加了额外韵计算开销和网络带宽开销。如i p s c c 协议本身就很复杂，用i p s c c 协议对大量数据加密是一项繁重的计算 工作。 第三、扩展性不好。在网络规模扩大时，组网灵活性差。若一 个v p n 中的站点数量很多，而且这些站点之间要求全联通，那么隧 道数量会急剧增加从而带来管理和维护上的困难。 近几年来，出现了一种新型的v p n 技术一一基于m p l s 协议的 v p n 网络。它结合了i p 和a t m 各自的优点，能够实现q o s ，流量 工程，同时保证网络结构具有良好的可扩展性。 亘直銮壅盔堂堡主婴塞垡堂焦迨塞 ：筮苎基 第3 章b p l s 协议 随着因特网的网络规模和用户数量的迅猛发展，如何进一步扩展 网上的业务种类和提高网络的服务质量成为人们目前最为关心的问 题。由于i p 协议的无连接性导致i p 不能很好的解决上面的问题。而 基于面向连接技术的a t m 技术综合了分组交换和电路交换的优点， 具有高带宽、快速交换、服务质量可靠的优点，利用a t m 实现第二 层的交换传输已是共识。但是由于a t m 本身的复杂性，将i p 与a t m 技术相融合遇到了诸多困难而举步为艰。正是在这种情况下，m p l s 技术应运而生，完美地综合了a t m 和i p 路由技术各自的优点。 m p l s ( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g 多协议标签交换) 技术是 将第二层交换和第三层路由结合起来的一种l 2 l 3 集成数据传输技 术。m p l s 不但可以支持多种网络层协议( 目前主要应用于i p v 4 ) ， 而且可以兼容第二层上的多种链路层协议。因此，m p l s 是实现i p o v e ra t m 的一种理想手段，也被认为是下一代最具竞争力的核心网 络技术。 m p l s 的出现并非专门为了应用于v p n ，但是由其特有的性质 决定了它在新型v p n 方面的应用。接下来我们就m p l s 的基本概念、 原理及应用做具体的介绍。 3 1m p l s 的基本概念 m p l s 技术涉及的基本概念很多，这里将最主要的概念做相关 介绍。 ( 1 ) l a b e l ( 标签) 标签是一个包含在分组中的短的，定长的，只有本地意义的标 识符。某分组的标签代表它所属的转发等价类，用来在一对l s r ( 标 记交换路由器) 之间进行分组交换。标签可以封装到现有的数据链路 层分组中，格式取决于分组封装所在的介质。如在a t m 中采用 v p i v c i ，帧中继中采用d l c i ，而在以太网中，采用一个特殊的数 值m p l ss h i m 填充在帧头中。l s r 负责从自己的标签空间中取标记 耍直銮重盔堂塑主堑塞生堂焦迨塞簋2 基 值与f e c 进行绑定，分组所附的标签只在通信的一对l s r 之间起作 用，而不具有全局意义。图3 - 1 为标签封装的格式。 二层报头 m p l ss h i mm p l ss h i mi p 报头数据 ， 、 ，、 i标记 e x psm 图3 - 1 标签的封装格式 标记( 2 0 位) 标签值，数据报交抉的依据。 b x p ( 3 位) 是m p l s 服务类( c o sc l a s so fs e r v i c e ) 的 e x p e r i m e n t a l 字段，可以映射i p 报的t o s ( t y p e o fs e r v i c e ) 字段。 s ( 1 位) 是栈底位，表示m p l ss h i m 是否为最底层标签。 t t l ( 8 位) 是t i m e t o l i v e 字段，作用与i p 报中的t t l 字段 相同。 在二层帧头部与i p 报头之间不只可以加一层m p l ss h i m ，可以 多层，用于实现不同的应用，基于m p l s 的v p n 就是利用多层标签 实现的。 ( 2 ) l s r ( l a b e ls w i t c h i n gr o u t e r 标记交换路由器1 l s r 是支持m p l s 协议的路由器或交换机，是m p l s 网络中的 基本设备。主要作用就是对收到的标签分组进行转发。l s r 作为 m p l s 交换路由器它在必要时也可以转发原始的第三层分组。l s r 可 以是由一个传统的交换机( 如a t m 交换机) 扩充实现，或者升级一 个传统路由器支持m p l s 而实现。而处于m p l s 域边缘与非m p l s 域连接的l s r 称为标记交换边缘路由器( l e r ) ，相比较起来，l e r 比m p l s 域中间的其它l s r 行使的功能要复杂些，比如它要做对 标签进行分类、分发标签、回收标签和去掉标签等等工作。 ( 3 ) f e c ( f o r w a r d i n ge q u i v a l e n c ec l a s s 转发等价类) 转发等价类是m p l s 中最重要的一个概念。甚至可以说是m p l s 技术的基础。m p l s 实际上是一种分类转发的技术，它将具有相同转 发方式( 目的地相同、使用的转发路径相同、具有相同的服务等级等) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 的分组归为一类，这种类别称为转发等价类。每个转发等价类被指 定为一个或多个转发等价类单元。属于相同转发等价类单元的分组 在m p l s 网络中将获得完全相同的处理。 ( 4 ) l s p ( l a b e ls w i t c h e dp a t h 标签交换路径) l s p 是属于特定f e c 的分组所经过的处于同一层次的多个l s r 所形成的路径。l s p 是由标签报文源l s r 与目的l s r 之间的一系 列l s r 以及它们之间的链路构成的，是通过m p l s 的控制协议所建 立起来的。 ( 5 ) l d p ( l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c o l 标签分发协议) l d p 是m p l s 的控制协议，也是m p l s 的技术核心。它负责f e c 的分类、标签的分配以及分配结果的传输及l s p 的建立和维护等一 系列操作。l d p 实际上也是一个l s r 向其他l s r 发布标签f e c 映 射关系时所使用的一系列过程和消息。 ( 6 ) l i b ( l a b e li n f o r m a t i o nb a s e 标签信息库) l i b 也称为l f i b ( 标签转发信息库) ，作用类似与路由表，其 中包含各个标签所对应的各种转发信息：出口标签、出端口、出口 链路层信息等等。 ( 7 ) l a b e l s w a p ( 标签交换) 标签交换是指m p l s 技术中基本的转发操作，包括检查输入标 签以确定其输出标签、封装形式、输出端口和其它数据处理信息。 ( 8 ) l d p p e e r s ( 标签分发对等体) 两个l s r 通过l d p 协议进行l a b e l f e c 绑定信息交换，就它们 所交换的绑定信息来说，这两个l s r 称为标签分发对等体。 ( 9 ) u p s t r e a m ( 上游) 和d o w n s t r e a m ( 下游) 上游和下游是一个相对的概念，根据数据的流向而定的。当一 个分组由路由器r 1 发往另一个路由器r 2 时，对于该分组来说，发 送方的路由器r 1 就称为上游( u p s t r e a m ) 路由器，接收方的路由器r 2 称为下游( d o w n s t r e a m ) 路由器。 3 2m p l s 的体系结构 对用户而言，m p l s 网络中节点的基本功能就是完成数据报文的 ：亘直銮望鑫兰亟主堑塞生堂焦迨塞 一整! ! 亟 标记转发。l s r 要完成数据报文的标记转发，必须运行路由协议建 立网络拓扑，根据网络拓扑运行标签分发协议建立标签交换路径， 将进入网络的分组沿标签交换路径按照标记交换算法进行转发处 理。 根据功能性质来看， m p l s 节点的体系结构被分成为两个独立 的部件；转发部件( 又称数据层面) 和控制部件( 控制层面) 。两个 部件协同工作，实现m p l s 技术的基本功能，图3 - 2 描述了m p l s 节点的基本体系结构。 入i p 分组 控 带q 皿 面 i p 路由协议 i p 路由表 标签分配协议 弹出标簦进行第 三层查找 入标记分组 i p 转发表 标签转发表 数据平面 其他路由器交换 路由信息 与其他路由器交换 标签绑定信息 出i p 分组 出标记 图3 - 2 m p l s 节点的基本体系结构 m p l s 控制平面运行路由协议同其它节点交换路由信息，计算 出i p 路由表；对路由表按照转发等价类进行划分，标签分发协议根 据划分结果同其它节点进行标签分发，为各个转发等价类分配标签， 形成标签转发信息表。 i p 路由表被下发到数据平面，形成转发信息表，用于i p 分组 的转发处理和标记分组弹出所有标签后的转发处理；标签转发表用 亘直銮鎏态堂亟圭婴塞生堂垡鲨塞墨! 兰垂 于标记分组的转发处理和i p 分组加上标签后的转发处理。下面分别 介绍m p l s 的控制平面和数据平面。 3 2 1m p l s 数据平面 数据平面的主要功能是根据分组头部附加的标签值进行分组的 转发。数据平面使用m p l s 节点维护的标签转发信息表来转发标记 分组。标签转发信息表由控制平面的标签分配协议生成和维护。 标签转发信息表由一系列的表项组成。每个表项包含一个入标 签和一个或更多的子条目，标签转发信息表按照入标签索引。每个 子条目有一个出标签，出接口等信息组成。图3 - 3 就是利用标签转发 表进行分组转发的过程。 脯 标i p 地址出稿出标 塌入标i p j 色址 出端出靠凡端 标i p 地址出端出标 口 签前镊 口签口签苗缀口签 口 签莆舞口签 o1 2 8 8 9l2 822 81 2 8 8 9 12 712 71 2 8 8 92 、毫j 尘4 毒么。 ；i i r b 9 2 5 ，叫鲫1 1 f 2 81 2 8 ，2 5 蝻l 面 2 7 1 2 8 8 9 2 5 数据 嵋i c 2 i1 2 8 8 9 ，2 5 4 i 蝴i 图3 - 3m p l s 交换过程 在图3 - 3 中，当数据分组到达边缘路由l e r 时，l e r 根据分组 目的地址的前缀1 2 8 8 9 查找自己标签转发表，发现有对应的出口标 签，随后就在原来报文的上加对应的标签2 8 ，通过端口1 发送出去； l s r l 收到这个分组之后，根据标签2 8 查找标签转发表，然后用标 签2 7 取代2 8 ，从端口1 转发出去；l s r 2 收到分组之后，根据标签 2 7 查找标签转发表，发现出标签为空，将标签2 7 从分组中弹出，将 i p 报文发给发送到目的地。 酉直銮适盔堂亟主堑塞生堂垡迨塞：箜! 苎亟 3 2 2 m p l s 控制平面 控制平面是m p l s 结构的核心部件，主要负责在一组互联的 l s r 之间创建和维护标签转发信息表。它与其它节点的控制部件共 同协作，持续并正确地交换标签与f e c 的绑定信息，同时在本地建 立转发表。l s p 的建立、拆除、重新建立都是由控制平面完成的。 根据m p l s 不同的应用，控制平面采用不同的标签分配协议。 l d p 是m p l s 基本的标签分发协议，要实现的m p l sl 2v p n 就是扩 展l d p 实现的；c r - l d p ( 限制路由的l d p ) 以及r s v p t e ( 扩展的 资源预留协议) 主要用于流量工程：基于m p l s 的三层v p n 可以通 过扩展b g p 协议而实现。 3 3 m p l s 的主要应用 m p l s 的应用还要回到它的特点上来。m p l s 是处于第二层和第 三层之间的技术，充分发挥了第二层的交换、流量管理上的优势； 同时，它还兼具有第三层路由、寻径灵活的优势。因此，m p l s 的主 要的应用就是围绕着这两个特点来实现的。 3 3 1ip 与a t m 的集成 一直以来，如何存a t m 上承载i p 业务是困扰人们很长时间的 问题。采用m p l s 技术，利用l d p 协议，自主分发v p i v c i 标签， 将a t m 设备升级为a t ml s r ，成功地解决了a t m 和i p 之间的衔接 问题。 m p l s 简化了a i m 与i p 的集成技术，推动了它们的统一，从而 平衡用户了在a t m 和i p 网上的巨大投资，消除了现有网络的限制， 由此减少了网络维护成本和扩展性问题。 3 3 2 虚拟专用网( v p n ) m p l s 是利用隧道技术来实现v p n 的，主要应用于n e t w o r k b a s e dv p n ( 基于网络运营商的v p n ) 。根据实现的方式不同m p l s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 v p n 可以分为二层v p n 和三层v p n 两类，具体原理将在后续的章 节中介绍，这里主要介绍m p l sv p n 的应用现状。 当前业界几乎所有的主要的网络设备厂商和技术专家都参与了 m p l s 技术标准的制定工作，已经推出了部分支持m p l s 的设备。 c i s c o 公司出产的a t m 交换机或高端路由器7 0 支持m p l s 功能， 不断加强m p l s 的v p n 功能；j u n i p e r 公司整合了公司i n t e r n e t p r o c e s s o ri ia s i ci n t e r n e t 处理器及j u n o si n t e r n e t 系统软件服务 功能，为运营商提供了m p l sv p n 访问服务功能；阿尔卡特也生产 出一台集成了a t m 、i p 和m p l s 的高性能骨干路由交换机7 6 7 0 。此 外，各大运营商也积极推出m p l sv p n 增值业务。目前，网通提供 了覆盖全国的c n c n e t 骨干网、城域网上提供全程全网的、端到端的 m p l sv p n 业务。 3 3 3 服务质量保证q o s 随着各种实时业务与多媒体业务的引入，i p 协议薄弱的q o s 能 力日益成为制约因特网业务发展的障碍。m p l s 技术正是目前业界普 遍看好的解决i p 骨干网络中q o s 问题的基本技术。 m p l s 可以通过选择使用合适的控制部件，建立具有q o s 保障 能力的l s p 。通常使用r s v p 协议，也可以使用c r l d p 来建立起一 条满足特定带宽、时延等q o s 要求的l s p 。当分组沿l s p 传输时， 其q o s 要求就能够得到保障。m p l s 的l s p 还可以与区分服( d i f f s e r ) 技术相结合，用于在更大范围的网络中提供q o s 。 3 3 。4 流量工程( t e ) 流量工程是电信运营商的一个强有力的工具，运营商可以通过 它在网络中不同的链路、路由器和交换机之间平衡业务负荷，使所 有这些资源既不会过渡使用，也同时保证充分利用。 m p l s 不但可以实现传统的流量工程的目的，而且可以完成一 些扩展的流量工程的能力。m p l s 通过一些“限制”路由的标签分发 协议( 如c r l d p 或r s v p t e ) 动态的建立不同于最短路径的显式 酉壹窑逗本堂亟圭婴壅生堂焦堡塞篁! 戛 l s p ( e r l s p ) 。通过借助这种预先确定路径的隧道不仅能提供给用 户不同服务质量的业务，还能有效地调度网络中的流量。提高网络 的运行效率。实现流量工程。 3 3 。5 光网中的应用 g m p l s 是m p l s 向光传输领域扩展的产物。g m p l s 不仅作为 路由器同时也作为其他的传统设备( 如s o n e t ，a d m ) 和o x c 等新设 备的控制平面，从而为光纤网络提供了一个标准的公共控制平面。 g m p l s 应用的背景是i p 直接在波长上传输( i po v e rd w d m ) ，已经 成为近年来研究的热点，越来越多的人认为这种传输方式效率最高， 符合宽带网络发展的需求。 3 4 基于m p l s 的v p n 基于m p l s 的v p n 主要应用于基于网络运营商的v p n 。目前， n e t w o r k b a s e d v p n 的结构主要有两种模型：重叠模型( o v e r l a y m o d e l ) 和对等模型( p e e rm o d e l ) 。 在重叠模型中，运营商提供的骨干网和用户组建的虚拟专用网 不在同一个层次上；用户的边缘接入设备之间为点对点连接，对于 运营商的骨干网，它们之间传输的信息并被透明地处理。可以把骨 十网看作低层两而把用户网看作高层网，重叠模型的方式就相当于 在低层网上构建高层网。传统的基于a t m 和帧中继的v p n 就属于 重叠模型v p n 。 对等模型是与重叠模型完全不同豹模型。在这里，用户网与骨 干网不再是“高层”与“低层”的关系，它们之间是一种相对平等的 关系。目前主要是对等于网络层。运营商的边界路由器会收到用户 边缘路由器的路由信息，并参与用户路由信息的分发。 基于m p l s 的v p n 对上面两种类型的v p n 都支持，可以分为 基于m p l s 的二层v p n 和基于m p l s 的三层v p n 。二层m p l sv p n 属于重叠模型，而三层m p l sv p n 属于对等模型。 亘宣套亟盔堂亟堑塞生堂焦途塞：墓! 垒夏 3 4 1m p l sv p n 的优点 相对于传统的v p n ( 非m p l sv p n ) 来说，基于m p l s 的v p