（计算机软件与理论专业论文）mpls子网带宽管理系统的设计与多类型客户端实现.pdf

摘要 摘要 i n t e r n e t 近年来以前所未有的普及速度迅速在全球获得发展，逐渐成为 一种面向话音、视频、数据和多媒体应用等多种业务的综合媒体。然而，传 统i p 网络由于其尽力而为( b e s te f f o r t ) 机制无法提供针对特定业务的q o s 保证等问题变得日益尖锐。与传统的i p 路由机制相比，l 2 层的快速交换技 术( 如a t m ) 转发算法简单有效，具有一套完整的提供q o s 保证的机制。在将 i p 与a t m 进行优势互补的种种尝试中，多协议标签交换( m p l s ) 应运而生了。 这一方案采用类似a t m 的“标签交换( l a b e ls w i t c h i n g ) ”，并且不改变现有 l p 路由协议。m p l s 的出现对于网络发展具有革命性的意义。 在i n t e r n e t 中，由于数据包的发送过程必须经过发送端主机以及接收端 主机的网络所有协议层，甚至可能要经过中间某个网络的子网。这就涉及到 一个问题：如何在子网内的数据链路层上保证高优先级的数据帧获得高级别 的服务。某些链路层的技术已经可以较好的支持q o s 了，例如异步传输模式 a t m 。而其它更多的l a n 技术( 如以太网技术) 最初并非为支持q o s 而设计的。 以太网作为共享的广播媒介，在它的交换方式中，提供了一种类似于传统的 尽力而为的i p 服务。为此，i e t f 的i s s l l 小组定义了上层q o s 协议和服务 与以太网之类的数据链路层技术之间的映射关系，并且提出了子网带宽管理 ( s u b n e tb a n d w i d t hm a n a g e m e n t ，s b m ) 的方案，它适用于8 0 2 1l a n ，如 以太网、令牌环和f d d i 等。s b m 是数据链路层上的q o s ，它通过将高层q o s 映射到特定的数据链路层上实现在第二层上的快速交换。 本文首先介绍了m p l s 的基本原理、核心技术和工作流程，接着对m p l s 的两个非常重要的应用：流量工程和区分服务进行了深入的研究，提出了 m p l s 实现i p 流量工程的框架结构，以及m p l s 支持i p 服务质量和服务等级 保证的实现机制一一q o s l s p 技术。对m p l s 流量工程的其它方面，如管理手 段，q o s l s p 机制以及与其它q o s 协议的互通等方面也进行了研究和探讨。 最后，实现了m p l s 城域以太网带宽管理系统，用以在s d h 网络上提供电信级 的以太网服务。 关键词：多协议标签交换流量工程i p 服务质量服务等级 a b s t r a c t o v e rt h el a s tf e wy e a r s ，t h ei n t e r n e th a se v o l v e di n t oa n u b i q u i t o u s n e t w o r ka n d i n s p i r e d t h e d e v e l o p m e n t o fn e wv a r i e t y a p p l i c a t i o n s i n b u s i n e s sa n dc o n s u m e rm a r k e t st h e s en e wa p p l i c a t i o n si n c l u d ev o i c eo v e r i p , v i e d oo nd e m a n d ，d a t as u r v i c ea n dm u l t i m e d i a h o w e v e r ，t h et r a d i t i o n a li p n e t w o r ko n l y s u p p o r t b e s te f f o r tt r a n s f e rf o ra l ls e r v i c e d e s p i t e t h e i r s p e c i f i cr e q u i r e m e n t s c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lr o u t i n gm e c h a n i s m ，l a y e r2 s w i t c h ，s u c h a s a t m ，c a n t r a n s f e rd a t ai na h i g hs p e e d a n dm o r e e f f i c i e n t l y w a h t sm o r et h e ys u p p o r t a c o m p l e t ec o n t r o lo fq o s i no r d e rt ot o s u p p o r tq o s o n1 pn e t w o r k ，m p l si so n eo ft h eb e s ts o l u t i o n sm p l su s e sa m e c h a n i s ml i k ea t m ，al a b e l t ot r a n s f e r p a c k e t i t c a np r o v i d et i l e q o s c o n t r o lo ni pn e t w o r kw i t h o u tc h a n g i n gt h ee x i s t i o n gr o u t i n gm e c h a n i s m a p a c k e tw i l lp a s sa l l t h ep r o t o c o ls t a c kw h e nt r a n s f e r e da c r o s st h ei n t e r n e t f r o mo n eh o s tt o a n o t h e rh o s t i t m a ye v e np a s s s o m eo t h e rk i n do f s u b n e t w o r k s t h e r ei sap r o b l e m ：h o wt og u a r a n t e eap a c k e tw i t hah i g h e r p r i o r i t yc a l lb et r e a t e dp r i o r i t l y s o m ed a t al i n kt e c h n o l o g i e sa l r e a d ys u p p o r t q o s ，s u c ha sa t m ，w h i l eo t h e r sd o n t ，s u c ha se t h e r n e tl a n ，s o i e t fd e f i n e d am e c h a n i s mt om a pt h eh i g hl e v e lq o st y p et od a t al i n kt e c h o n o g y a sw e l l a saf r a m e w o r kc a l l e ds b m ( s u b n e tb a n d w i d t hm a n a g e m e n t ) i tc a n b eu s e d i ne t h e r n e t ，t o k e nr i n ga n df d d tt os u p p o r tq o sc o n t r 0 1 i nt h i st h e s i s ，w ef i r s ti n t r o d u c et h eb a s i cm e c h a n i s mo fm p l s ，i t sc o r e t e c h n o l o g i e s a n dw o r k f l o w , a n d m a k ea d e e p r e s e r c ho nt h et w o a p p l i c a t i o n so fm p l s ：m p l st ea n dm p l sd e f f e r e n t i a t e s e r v i c e o nt h i s b a s i s ，w ep r o p o s e af r a m e w o r ku s i n gm p l st o i m p l e m e n t i p q o s ： q o s l s p a tl a s t ，w ed e s i g na n di m p l e m e n t am p l ss u b n e t w o r kl n a n a g e rf o r e t h e r n e t a n dt e s ti nt h el a b o r a t o r ye n v i r o n m e n t t h et e s t i n gr e s u l tp r o v e dt h a t i ti se m c i e n t k e y w o r d s ： m p l st r a f f i ce n g i n e e r i n gq o ss l a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 垂旦旦日期：2 净j l 月厝日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：重璺目导师签名： 日期：2 6 。卢年z 月日 绪论 1 1 什么是m p l s 第1 章绪论 1 9 9 7 年，以c i s c o 公司为主的几家公司( 包括i p s i i o n 、i b m 、c a s c a d e ) 提 出了多协议标签交换( m u l t i p r o t o c o ll a b l es w it c h ，m p l s ) 技术。m p l s 技术 产生的初衷就是为了综合利用网络核心的交换技术和网络边缘的i p 路由技术各 自的优点。其最初设计目标是将第二层的交换速度引入到第三层。基于标签的交 换方式允许路由器在作转发决定的时候仅仅以简单的标签为基础，而不是基于目 标l p 地址作复杂的路由查找。现在，m p l s 更成为流量工程( t r a f f i ce n g i n e e r j n g ) 和虚拟专用网( v i r t u a lp r i v a t en e t w o r k ，v p n ) 的重要解决方案，并且日益成为 扩大i p 网络规模的重要标准。 1 2m p l s 产生的技术背景 互联网( i n t e r n e t ) 是“网络的网络”，它通过t c p i p 踟议把许多不同的 i pi c m pr i po s p f i 网络层 i a r pr a r p 图1 1t c p i p 分层模型 物理网络互联起来，向用户提供统一的信息服务。i n t e r n e t 的基本方法是在低 层网络技术与高层应用程序之间增加一个中问层软件，从而抽象和屏蔽硬件细 节，向用户提供网络服务。这个中间层软件就是t c p i p ，它的分层模型如图( 卜1 ) 所示 t c p ( 传输控制协议) 位于传输层，用于提供端到端的通信。i p ( i n t e r n e t p r o t o c 0 1 ) 位于网络层，主要功能包括无连接数据报传送、数据报寻路以及差错 处理3 部分。i p 协议的主要作用是用i p 数据报和i p 地址包容物理网络技术的 多样性，并通过i p 层向上层提供统一的服务，是i n t e r n e t 的关键所在。 绪论 i n t e r n e 用路由器将不同的物理网络连接成一个更大的、统一的互联网络。 每一个单个的信息分组都带有一个标识( 标识目的网络的标签) ，而路由器维护 一个目的网络表，该表是一个存放已知的网络地址信息的数据结构。路由器接收 到分组时，就在目的网络表中搜索与该分组目的网络标签相匹配的表项。一旦找 到匹配，路由器就可以将这个分组转发输出到一个适合的网络端口上，然后等待 处理下一个分组对每一个分组都会执行同样的过程。即使对大量具有相同目的 地的分组连续到达路由器，仍然以单个分组的方式进行处理。 事实上，当初设计i n t e r n e 时，主要是为了在网络上传输少量的数据，这 种网络正好适合于f t p 和t e l n e t 等对传输数据量要求低的应用。为了满足这种 应用，一个简单的基于软件的路由平台，再配上到骨干网的网络接口就足够了。 但是自从i n t e r n e 引入商用领域以来，其网络规模、用户数量以及业务量 呈指数增长，已经远远超过了当初其设计者的想象。在过去几年中，i n t e r n e 变成了一个巨大的包容一切的网络，并且激发了很多用于商业和消费的新应用。 这些新的应用也驱使对骨干网更高的带宽要求。电信运营公司利润中来自 i n t e r n e 业务( 特别是i p 业务) 的部分所占的比重也越来越大。与此同时，网络 中业务量的流向也发生了根本性的变化。以前通信主要在局域网内进行，本地流 量占8 0 ，而广域流量只占2 0 ：随着i n t e r n e 在世界各地的普遍发展，通信将 主要在世界范围进行，因此广域流量所占的比例将越来越大。目前本地流量与广 域流量约各占5 0 ，将来广域流量将占8 0 。在i n t e r n e 网络规模迅速扩展的同 时，网络上开放的业务种类也在不断增加。在传统的非实时型的数据通信方式的 基础上，网络业务正逐步向实时性要求很强的电话通信、传真通信和多媒体通信 等方面发展。目前在i n t e r n e t 上已开通的实时型通信业务有i p 电话、l p 传真、 网上直播、可视电话和会议电视等。而今后几年内象网上点播电视( v o d ) 这样的 宽带通信业务也将加入到i n t e r n e 中。这些新的应用和服务所要求的高速率和 高带宽对多层路由器构成的骨干网形成了巨大的压力，路由器寻路速度低、核心 骨干网带宽资源不足以及服务质量得不到保证等问题都己经摆在人们的面前。 其次，不同应用和服务对于骨干网不同质量的传输要求也构成了另外一个问 题。i n t e r n e 是一个无连接的基于分组转发的网络，这就必然形成一个不确定 的网络，所有的数据都一视同仁，尽力而为的转发。面对各种业务要求，区分服 务和传输质量保证也必须得到支持。 于是m p l s 技术应运而生，它综合了a t m 和i p 的优点，在提供i p 的灵活性 的同时，兼具a t m 的优点，可以在i p 网中提供电信级的控制能力。和i p 一样， m p l s 可以屏蔽下层的不同的网络技术，支持多种协议。目前m p l s o v e ra t m 、m p l s 绪论 o v e rs o n e t s d h 、i po v e rw d m 和千兆以太网等技术成为宽带i n t e r n e t 的主要 网络技术。 1 3m p l s 的技术优势及特点 1 扩展性 m p l s 支持大规模层次化的网络拓扑结构，具有良好的网络扩展性。m p l s 简 化了a t m 与i p 的集成技术，推动了它们的统一，从而起到平衡用户在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。另外，m p l s 网络中标签栈的使用将庞大的路由表变得很小，极大地改善了 路由扩展能力。 2 利用简单的转发机制同时支持多种业务 m p l s 利用短小且长度固定( 4 字节) 的标签，采用精确匹配的寻径方式取代了 传统路由器的最长匹配寻径方式，由此简化了转发机制。相比较而言，标签的编 码结构远比i p 报头封装机制简单，因此可以通过升级现有网络设备，很容易地 构建高速交换的l s r 。 随着i n t e r n e t 的发展，业界一致认为应该建设一个可同时提供多种混合业 务且基于分组的网络，i s p ( i n t e r n e ts e r v i c ep r o v i d e r ) 必须能够基于多种因素 动态地调整网络需求，这些因素包括：特定业务流的带宽分配和传送性能 ( q o s c o s ) 等。显然目前的i p 网还远不能实现这一目标，而m p l s 的一大优势就 是可以在网络内部通过单一的标签交换机制同时支持多种i p 混合业务，并可以 在现有的i p 网络中实施该技术。这种方式不仅节约了网络基础设施，而且易于 网络管理与维护，从而为i s p 节省了大量的运营成本。 3 支持多种协议 m p l s 不但支持多种网络层技术，而且是一种与链路层无关的技术，能支持 帧中继、a t m 、p p p 、s d h 、d w d m 等，最大限度地兼顾了原有的各种技术，保护了 现有投资和网络资源，促进了网络互连互通和网络的融合，使得各种不同的网络 传输技术统一在同一个m p l s 平台上。 4 分离转发和路由 与a t m 类似，m p l s 被设计成将分组转发和控制( 路由) 独立开来，但同时抛弃 了复杂的a t m 信令，充分保留了原有i p 路由的灵活性，无缝地将i p 技术的优点 融合到a t m 的高效硬件转发中。m p l s 能够以无连接方式或显式路由的方式提供 面向连接的业务，这使得m p l s 适用于动态隧道技术，并保障数据传输业务的q o s 需求。而隧道技术是目前支持v p n 业务的有效手段，q o s 的保障是i p 网上实现 语音、实时多媒体信息传输的基础。 5 边缘节点功能与核心节点功能分离 m p l s 技术进一步促进了网络功能的划分，它将复杂的事务处理推到网络边缘 去完成，核心网只负责完成数据的有效传送。m p l s 通过在边缘节点实施特定规 范而具备基于q o s 的选路功能，运营商与用户依照服务等级协定( s l a ，s e r v i c e l e v e r a g ea g r e e m e n t ) 来确立网络边缘节点的实施规范，其中包括边缘节点传输、 标志拥塞、丢弃报文等流量调节操作。 6 显式路由和流量工程 在i po v e ra t m 帧中继重叠模型的网络内，网管人员只能通过手工配置 p v c ( p e r m a n e n tv i r t u a lc o n n e c t i o n ) 以实现流量工程。此外由于网络中出现故 障节点的不确定性，技术人员很难在网络中配置出与i p 可恢复性机制相似的备 份p v c 。而对于以路由器为核心的网络，只能依靠改变路由的度量权值平衡链路 负载。随着当今网络规模和复杂性的不断增加，基于度量权值的流量控制变得越 来越复杂，以至于难以实现对整个网络带宽的全面综合的利用，因而无法有效实 施流量工程。 m p l s 技术可通过特殊的显式路由技术( e r ) ，在m p l s 入口节点l e r ( l a b e le d g e r o u t e r ) 上计算出网络内对应不同业务流的所有可行的标签交换路径( l s p ，l a b e l s w i t c hp a t h ) ，并通过标签分配信令( l d p ，l a b e ld is t r i b u t i o np r o t o c 0 1 ) 在输 入边缘节点( i n g r e s sl e r ) 和输出边缘节点( e g r e s sl e r ) 之间建立相应的l s p 。 由于网络内部节点直接参与了特定l s p 的计算与选取，因而大大缓解了网管人员 的负担，并且使用m p l s 技术能够及时发现网络故障节点，加快创建l s p 备份路 径以及恢复原有路径的速度。针对于此，业界人士一致认为m p l s 技术是当前能 够实施网络流量工程的最佳方案。 1 3 本文的主要工作 本文作者期望通过对m p l s 体系结构的研究，探讨m p l s 在i p 网络中进行流 量工程的可行性以及实现方式，在本文的最后，作者参与了实习单位的m p l s 子 网带宽管理器的设计与研发。 该系统主要完成m p l s 控制平面的功能，支持显示路由，控制标签的分发， 下发到网元设备，建立l s p ，并且为不同的l s p 指定不同的q o s 参数，最后形成 o o s l s p ，达到流量工程的目的。从具体实现上证明了m p l s 用于i p 网络流量工 程的可行性。 1 4 论文结构 文章总体上分为三大部分。第一部分简单介绍了m p l s 的一些基本概念和体 系结构，这部分为文中的第二章：第二部分主要介绍m p l $ 在流量工程方面的应用 和原理。这部分包括第三章；第三部分是作者参与的m p l s 子网带宽管理系统研发 设计与实现，这部分包括第四章，第五章。 第二章：该章介绍了m p l s 的技术原理，对m p l s 基本概念，网络体系结构进 行了介绍，并对m p l s 的一些核心技术进行了研究，包括标签的生成，发布以及 交换机制。 第三章：该章研究了将m p l s 用于网络流量工程方面的问题，提出了m p l s 实 现i p 流量工程的框架结构，以及m p l s 支持i p 服务质量和服务等级保汪的实现 机制q o s l s p 技术。 第四章：介绍了作者参与的m p l s 子网带宽管理系统的的功能以及体系结构， 验证了以q o s l s p 实现i pq o s 是可行的。 第五章：描述作者具体实现的多类型用户接口。在多用户接口中，充分运用 了面向对象和m v c 等多种设计模式，以达到稳定性，可扩展性和安全性。 m p l s 的技术原理 2 1 m p l s 的基本概念 第2 章m p l s 的技术原理 标签( l a b e l ) 是一个包含在每个分组中的短的，定长的，非结构化的，只 具有局部意义的标识符，l s r 用它来转发分组，一对互相通信的l s r 必须在 标签的数值和意义上达成一致。 标签交换路由器( l s r ，l a b e ls w i t c hr o u t e r ) ：具有标签交换能力的路由 器或a t m 交换机，它具备了理解和参与i p 路由与l 2 层交换的能力，是m p l s 的基本构成单元。在m p l s 网络中，无论边缘节点还是核心节点都是i s r 。 标签边缘路由器( l e r ，l a b e le d g er o u t e r ) ：m p l s 网络的边缘l s r 设各， 进行数据包初始的处理分类，加上第一个标签，这个设备可以是路由器或具 有路由功能的交换机，包括入口l e r ( i n g r e s sl e r ) 弄1 3 出口l e r ( e g r e s sl e r ) 。 标签交换路径( l s p ，l a b e ls w i t c h e dp a t h ) ：根据被分配的所有标签确定 的端到端的传输路径。l s p 可以是动态的也可以是静态的，动态l s p 通过路 由信息自动生成，静态l s p 是被显示提供的。 转发等价类( 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 ) ：是在转发过程中通 过相同转发策略转发的一组数据分组。f e c 的分类有多种，粒度也可以有所 差别，可以根据目的地址前缀，也可以根据业务质量( q o s ) 要求来划分。 f e c 只具有本地意义，也就是说，在一个l s r 中属于同个f e e 的两个包， 在下一个l s r 中可能属于不同的f e c 。f e c 和标签一一对应。 标签分发协议( l d p ，l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c 0 1 ) ：是m p l s 的一种信 令协议，负责在l s r 对等体之间进行标签分配、绑定、发布、回收及建立l s p 状态。 标签信息库( l i b ，l a b e li n f o r m a t i o nb a s e ) ：每个l s r 都要建立一张表 去指定如何转发分组包，这张表就被称为标签信息库，包括了f e c 到l a b e l 的绑定。 2 2m p l s 网络体系结构 m p l s 是一种第三层路由结合第二层属性的交换技术，引入了基于标签的机 制，它把路由选择和数据转发分丌，由标签来决定一个分组通过网络的路径。m p l s 网络由核心部分的标签交换路由器( l s r ) 、边缘部分的标签边缘路由器( l e r ) m p l s 的技术原理 组成。l s r 的作用可以看作是a t m 交换机与传统路由器的结合，由控制单元和交 换单元组成；l e r 的作用是分析i p 包头，用于决定相应的传送级别和标签交换 路径( l s p ) 。在l s r 内，m p l s 控制模块以i p 功能为中心，转发模块基于标签 交换算法，并通过标签分配协议( l d p ) 在节点间完成标签信息以及相关信令的 发送。值得注意的是，l d p 信令以及标签绑定信息只在m p l s 相邻节点问传递。 l s r 之问或l s r 与l e r 之间依然需要运行标准的路由协议，并由此获得拓扑信息。 通过这些信息l s r 可以明确选取报文的下一跳并可最终建立特定的标签交换路 径( l s p ) 。m p l s 使用控制驱动模型，即基于拓扑驱动方式对用于建立l s p 的标 签绑定信息的分配及转发进行初始化。l s p 属于单向传输路径，因而全双工业务 需要两条l s p ，每条l s p 负责一个方向上的业务。 标签交换的工作过程可概括为以下3 个步骤： 1 由l d p ( 标签分布协议) 和传统路由协议( o s p f 、i s i s 等) 一起，在l s r 中建立路由表和标签映射表； 2 l e r 接收i p 包，完成第三层功能，并给i p 包加上标签；在m p l s 出口的l e r 上，将分组中的标签去掉后继续进行转发i 3 l s r 对分组不再进行任何第三层处理，只是依据分组上的标签通过交换单元 对其进行转发。 i n g r e s sl e r l s r c o r el s r e g r e s sl e r 幽2 - 1m p l s 网络模型 竺! 至墼薹奎堡垩 m p i 。s 网络由边缘部分的1 e r ( 标签边缘路由器) 和核心部分的l s r ( 标签交换 路由器) 组成，如图( 2 - 1 ) 所示。其中l e r 是m p l s 网络同其它网络连接的边缘设 备，它提供流量分类和l a b e l f e e 绑定( 在i n g r e s sl e r 处) 、标签的剥赊( 在 e g r e s sl e r 处) 功能。而l s r 是m p l s 网络的核心设备，它通过标签信息库( l i b ) 执行标签交换( l a b e ls w a p p i n g ) ，具有第三层转发分组和第二层交换分组的功能 同时也通过运行特殊的控制协议将标签的绑定信息分发给相邻的l s r ，提供q o s 保证的业务。 2 3m p l s 的核心技术和主要组件 2 3 1 标签与标签栈 1 标签 标签是m p l s 的核心技术之一，标签的使用类似于a t m 交换中对于v p i 和v c i 的使用，用来提高数据分组的转发速率和性能。由于m p l s 是为了在任何第二 层协议上工作而设计的，m p l s 未强制规定一个具体的标签格式。实际上，标签 编码严格遵循两个相邻l s r 之间的相互约定，并且仅具有本地意义。 标签的格式取决于分组封装所在的介质。一个数据包通常有两种方式被打上标签 一种是利用数据链路层( 如a t m 、帧中继) 包头中的现有字段，例如，a t m 封装 的分组( 信元) 采用信元头的虚拟路径标识符虚拟信道标识符( v p i v c i ) 字段作为 标签；而帧中继p d u 采用帧头的d l c i 字段作为标签。另一种是对于那些没有内 在标签结构的介质( 如以太网、p p p ) 封装，则可以在数据链路层与i p 层之问插入 一个特殊的填充( m p l ss h i m ) 格式。图( 2 - 2 ) 给出了4 b y t e s 填充标签的格式。 图2 2m p l s 报头 m p l s 的技术原理 填充标签中的各字段定义及作用如下： l a b e l ：标签值，2 0 比特。 c o s ：服务等级( c l a s so fs e r v i c e ) ，类似i p 中的t o s ( t y p eo fs e r v i c e ，服 务类型) 字段。 s ：栈底标识符( b o t t o mo fs t a c k ) ，1 比特。 t t l ：生存周期( t i m et ol i v e ) ，8 比特。 m p l s 技术最显著的优点之一就在于能够分配标签，这有非常特殊的意义， 不同的标签可以区分路由信息、应用类型和业务级别。而且标签只受本地局限， 所以用尽标记的可能性几乎没有，这种特性是实施i p 增值服务的基础，如q o s ， v p n 和t r a f f i c e n g i n e e r i n g 。 2 标签栈 帧中继只有一级标签，即数据链路连接标识符( d l c i ) ；a t m 有两级标签，即 虚通路标识符( v p i ) 和虚通道标识符( v c o 。而m p l s 支持按先进后出( f i l o ) 组织 的标签堆栈，称为标签栈。每个标签中的栈底标志字段用于表示该标签是否在栈 底。标签栈顶部的标签值为有效标签，l s r 根据栈顶标签转发包。l s r 只根据 数据分组中的栈顶标签来转发数据分组，毫不顾及栈顶下是否还有标签，或者曾 经是否有标签在栈顶标签之上。如果一个数据分组有深度为m 的标签栈，则栈 底的标签称为1 级标签，其上为2 级标签，依此类推，栈顶为m 级标签，没有 标签化的数据分组可以认为有一个空标签栈( 深度为o 的标签栈) 。 m p l s 对数据分组标签栈的操作有三种： 压栈( p u s h ) ：包在进入某个m p l s 域时，向标签栈中压入一个标签，占据栈顶 位置，这时栈深度增l ； 替换( s w a p ) ：在这个m p l s 域内的l s r 只查看和替换栈顶的标签，对于栈中 其他的标签项则忽略； 弹栈( p o p ) ：包离开这个m p l s 域时，则执行出栈操作，弹出栈项的标签，标 签栈恢复原来进入m p l s 域之前的深度。这样，m p l s 就可以容易地实现网 络分层，标签栈的深度表示网络的层次：包通过t u n n e l 或某个低一层m p l s 网络的时候，标签栈的深度将增加；反之，包回到上层网络时，深度减小。各 层之间不需要协商，从而使业务的组合简单实用。标签栈的另一个作用体现 在业务快速恢复上，采用标签栈和隧道概念，我们可以用一条旁路隧道来承 载业务量均衡隧道，从而提供各用路径。 竺! 兰! 墼苎奎堡矍 2 3 2 标签交换路由器 标签交换路由器( l s r ) 是m p l s 的转发单元，执行具体的数据转发操作。在 传统的路由器中，是通过用数据包的目的地址最长匹配转发路由表中的路由项 来决定转发的，并且每个节点都要重复该项工作。但在m p l s 网络中，l s r 只 需根据数据包中携带的标签和标签信息库( l i b ) 来决定转发。 l s r 就是具有m p l s 能力的路由器，它具有第三层转发分组和第二层交换 分组的功能。它能运行传统i p 选路协议并可执行一个特殊控制协议与相邻的l s r 协调f e c l a b e l 的绑定信息。 2 3 3 标签交换机制 i v l p l s 的数据转发机制是m p l s 的核心技术之一。一个m p l s 网络采用标准分 组处理方式对第3 层的分组进行转发，采用标记交换对第2 层分组进行交换。它 基于对等模型，即每一个m p l s 设备运行一个单一的i p 选路协议，交换选路表更 新信息并维护一个拓扑结构和一个地址空间。它把转发等价类( f e c ) 映射成标记。 为了在被称为标记交换路由器( l s r ) 的m p l s 设备间分配和发布f e c l a b e l 绑定消 息，制定了一个标记发布协议( l d p ) 。一旦l d p 完成它的任务，从m p l s 域的入口 节点到出口节点就建立了一条标记交换路径( l s p ) ，通过这条l s p 转发一个特定 的f e c 分组。当分组进入m p l s 域时，入口处的l e r 检查分组头的多个字段来确 定分组属于哪个f e c 。如果存在一个f e c l a b e l 关联，入口节点就给分组贴上一 个对应的标记然后转发到合适的出口。分组经标记交换通过网络到达m p l s 域的 出口l e r ，然后去除标记并处理第3 层分组。由于第3 层处理被推移到边缘( 入 口) 并只处理一次，因此提高了性能。而在中间节点l s r 的处理则比较简单，主 要是将分组中固定长度的标记与l s r 连接表中的一个对应项目进行匹配，然后交 换标记，这通常是由基于硬件的高性能交换机来完成。 转发分组的过程。在入口节点上，l s r 把这个分组映射到某一个转发等价类 ( f e e ) ，并在分组上贴上与这个f e e 对应的标记，产生一个深度为m 的标记栈。 然后把这个分组发送到与这个f e e 对应的l s p 上。沿着l s p 的中问m p l s 节点接 收和处理这个分组。只有栈中项部标记被处理，并与对应于下一跳l s r 的新标记 进行交换，继续沿着这个l s p 转发给下一跳l s r 。l s p 出口的l s r 根据栈中下一 个标记的内容作出转发的决定( 如果m = 1 ，即只有一个标记，则将根据网络层 消息头的内容作出转发的决定) 。这意味着出口l s r 只需要弹出栈就可以得到栈 中的下一个标记，然后根据这个标记的内容处理。这样就完成了一个分组在这个 h j i p l s 网络的转发过程。 0 m p l s 的技术原理 值得注意的是在入口节点把有特别q o s 要求的分组映射到一个特别的f e c ， 贴上特别的标记，然后沿着特别l s p 转发的方法可以支持各种q o s 业务要求。而 且，我们还可以对这个转发过程进行优化。注意到在l s p 出口的l s r 处只是把接 收到的分组的标记弹出栈，然后根据栈中下一个标记进行转发，我们可以得到以 下一个结论：一旦倒数第二跳的l s r 决定了把分组转发给最后一个节点，这个标 记不起任何作用，也就没有必要再贴在这个分组上了，而可以在倒数第二跳的 l s r 处将标记弹出栈。这样做的好处是：如果采取通常的在出口弹出栈的方式， l s r 必须先根据栈顶的标记进行查找，确定这个l s r 为出口，然后将标记弹出栈， 再根据下一个标记( 或消息头) 进行标记查找( 或地址查找) 并转发。这就需要两次 标记查找( 或一次标记查找和一次地址查找) 。而如果采取倒数第二跳弹出栈的方 式，倒数第二跳的l s r 在进行了通常的标记查找之后，就可以把标记弹出栈。在 出口出不再需要第一次的标记查找了，只需要根据栈顶的情况进行一次查找即 可。这样可以使得在每一个节点，查找的动作只进行一次，简化了代码的编写， 并且统一了转发操作的时间 2 3 4 路由选择机制 路由选择( r o u t es e l e c t i o n ) 机制是指为特定f e c 选择l s p 的方法。m p i s 支持两种路由选择方式建立l s p ：逐跳路由( h o p b y h o pr o u t i n g ) 和显式路由 ( e r ，g x p li c itr o u t i n g ) 。 逐跳路由 逐跳路由是目前i p 网中的传统路由选择机制，每个l s r 独立地为给定的f e c 选择下一跳路由。m p l s 之所以保留了这种传统的路由选择机制，是考虑到阱下 几个方面的原因： 还存在一些传统的网络需要这种路由选择机制： 安全过滤设备( 如防火墙) 需要第三层路由： m p l s 需要和非m p l s 的网络保持兼容。 显式路由 每个l s r 不能独立地选择下一跳，而是由一个l s r ( 通常是l s p 的入口节点) 决定l s p 。如果确定出整条l s p 则称为精确的( s t r ic t ) 显式选路，若只确定l s p 中的部分l s r s 则称为松散的( 1 0 0 s e ) 显式选路。而l s p 中的转发节点只需进行标 签交换，无须考虑路由。这样可以大大提高网络的转发效率，而且由于路由只由 少数节点完成，运营商可以方便地制定统一的路由策略和进行整体的业务量规 竺! 堑墼苎奎矍塞 划。沿着l s p 可以做资源预留以保证某数据流量的q o s ，这使得实施流量工程以 及区别服务都变得简单了。 2 3 5 m p l s 信令方式 m p l s 的第五个核心技术是信令机制一：标签分发协议( l a b e ld i s t r i b u t i o n p r o t o c 0 1 ) 。标签分发协议是l s r 之间发布标签到f e e 绑定的一系列过程。通过 标签分发协议来交换标签f e c 绑定信息的两个l s r 叫做“标签分发对等实体 ( p e e r ) ”。 目前m p l s 实现信令的方式可分为两类，一类是l d p c r l d p ( l a b e l d i s p a t c hp r o t o c o l ，c o n s t r a i nb a s e dr o u t i n gl a b e ld i s p a t c hp r o t o c 0 1 ) ，源于a t m 网络的思想。c r l d p 和l d p 是同一个协议，c r l d p 是l d p 的扩展，它使用 与l d p 相同的消息和机制，如对等发现、会话建立和保持、标签发布和错误处 理。另外一类是r s v p ，它基于传统的1 p 路出协议。r s v p 和l d p c r l d p 是 两种不同的协议，它们在协议特性上存在不同，有不同的消息集和信令处理规程。 从协议可靠性上来看，l d p c r l d p 是基于t c p 的，当发生传输丢包时，利用 t c p 协议提供简单的错误指示，实现快速响应和恢复。而r s v p 只是传送i p 包。 由于缺乏可靠的传输机制，r s v p 无法保证快速的失败通知。从网络可扩展性上 看，l d p 较r s v p 更有优势，一般电信级网络中尤其是a t m 网络中，应采用 m p l s l d p 。i t u t 倾向于在骨干网中采用c r l d p 。目前所有支持m p l s 功能 的路由设置都同时支持c r l d p 和r s v p 两种m p l s 的信令协议。 携带式控制消息协议( p i g g y b a c k i n go nc o n t r o lm e s s a g e s ) ：对现有的协议进行 增强、扩展以携带标签分发功能，例如r s v p 扩展协议。 2 3 ，5 1 标签的生成方式 控制驱动方式( c o n t r o l d r i y e nm e t h o d ) 1 拓扑驱动：使用通常的路由协议( 如0 s p f 和b g p ) ： 2请求驱动：使用基于请求的控制协议( 如r s v p ) 。 3 数据驱动方式( d a t a d r i v e nm e t b o d ) ，即基于流量的驱动方式，以接收到特定 流触发标签的分配和发布。 考虑到m p l s 是为大型i p 网络而设计的，可扩展性是最主要的要求之一，因 而基于拓扑驱动的方案是最有可能被普遍采用的。 2 3 5 2 标签的分配和发布模式 m f l s 的技术原理 同a t m 一样，m p l s 实际上是个面向连接的系统，标签的分配、分发实际 上就是一个连接( l s p ) 的建立过程。按照m p l s 规定，标签统一由下游 ( d o w n s t r e a m ) l s r 分配，并绑定标签到某特定的f e c ，然后沿“下游( d o w n s t r e a m ) 至上游( u p s t r e a m ) ”方向发布该绑定。但这种分配分发工程的启动者可以有所 不同，因而对应了以下两种分配和发布模式( l a b e la s s i g n m e n ta n d d is t r i b u t i o nm o d e ) ： 下游按需模式( d o w n s t r e a mo nd e m a n dm o d e ) ，即上游节点显式地提出分配 请求，由下游节点分配发布。 主动提供模式( o n s o i i c i t e dd o w d s t r e a mm o d e ) ，即允许l s r 分发标签绑定 给没有显式提出请求的l s r 。 i t u t 推荐采用下游按需模式，其主要理由有两点： 1 下游按需模式仅在响应标签请求消息的情况下才定