多协议标签交换MPLS在服务质量QoS上的应用研究0毕业论文.doc

毕 业 论 文（设计）论文（设计）题目：多协议标签交换MPLS在服务质量QoS上的应用研究系 别： 专 业： 学 号： 姓 名： 指导教师： 时 间： 毕 业 论 文（设 计） 开 题 报 告系别:计算机与信息科学系 专业:网络工程学 号姓 名论文（设计）题目多协议标签交换MPLS在服务质量QoS上的应用研究命题来源教师命题 学生自主命题 教师课题选题意义: 本选题的目的是利用MPLS技术来提高网络数据传输的服务质量。近年来，随着Internet的高速发展，网络的普及率越来越高，互联网也在不断的改变我们的生活、工作和学习。人们对于网络的期望值也越来越高。人们不仅希望IP网络能够提供E-Mail、浏览网页等服务，还希望能够提供IP电话，网络电视，在线电影等实时服务。语音和视频这些实时业务对于服务质量的要求很高，如果长时间的延迟和丢包现象，会导致语音断断续续和视频的停顿。而传统的IP网络，它满足不了低延迟，低丢包率的要求。传统IP QoS使用Best-Effort service（尽力而为服务模型），在传统的多层交换网络中，它是不区分具体应用的数据流，只是尽最大的可能性来发送报文，因此它对重要应用的数据流不提供时延、可靠性等性能任何保证。MPLS QoS是部署QoS业务的重要组成部分，在实际的MPLS组网方案中往往通过差分服务模型来实施QoS。区分服务模型是一个多服务模型，它也可以满足不同的QoS需求，同时它的扩展性较好。MPLS能够为语音，视频数据流提供有带宽保证的低延时、低丢包率的服务，从而进一步改善和提高网络的服务质量，提高网络资源的利用率。研究综述: 在简单的IP路由中，路由器首先建立路由表，接着根据存储的IP路由表的前缀，查找出数据包的下一跳目的地。这个过程会产生延迟，抖动和丢包。普通的数据还可以接受，但实时业务需要有保证的QoS，需要低延迟，低抖动和低丢包的服务质量。采用基于IP网络的QoS，路由的最佳性能，就不可能实现。为了克服上述IP网络的缺陷，1996年，Ipsilon公司提出一种，使具有ATM交换机性能的设备执行路由器的功能的IP交换（IP Switching）技术，它是基于数据流驱动的。同年，Cisco提出基于拓扑驱动的标签交换（Tag Switching）技术。继Cisco之后，IBM提出ARIS(Aggregate Route-Based IP Switching)技术，他们称之为集中式基于路由的IP交换技术。1997年4月，在Cisco的大力促成下，成立了IETF MPLS工作组。近几年，MPLS得到了广泛的应用，网络服务提供商ISP正在大范围的加速部署MPLS网络。MPLS属于第三代网络架构，是新一代的IP高速骨干网络交换标准。MPLS未来的研究与发展将集中在以下几个方面：（1）MPLS VPN应用技术的深入研究。MPLS为VPN实现提供了一种简单、灵活、高效的隧道机制，在VPN的不同站点（site）之间建立LSP，用来传递VPN报文。国外大型电信运营商基本上都提供MPLS VPN服务。（2）MPLS技术在三网融合上的解决方案。随着我过互联网技术及其应用的发展，三网融合已成为比然趋势，也是下一代网络NGN的主要焦点之一。而三网融合关键技术就是MPLS。（3）采用MPLS技术提高网络利用率，达到电信级别的语音服务水平，构建宽带VoIP。（4）路由、传输交换技术与光纤传输网(OTN)的任何发展也是一种趋势，随着DWDM技术的进步，如何将MPLS与OTN、DWDM技术结合起来，实现交叉连接与标签交换的统一是一个重要的研究方向。（5）进一步完善与的无缝融合、的组播技术和的网络管理。（6）利用MPLS来实现纯IPv6的部署。现在的骨干网络从IPv4过渡到IPv6主要是使用双协议栈技术、隧道技术和网络地址转换/协议转换技术，上述技术只是暂时的过渡，而MPLS可以实现纯IPv6的部署。研究的目标和主要内容本文的主要目标旨在对于什么是MPLS和它是如何提供服务质量(QoS)深入了解。我们通过一个详细的理论学习和搭建实验室模拟环境，得出：MPLS QoS 提供比 IP QoS 更好的服务质量。在区分服务模型(DiffServ)和综合服务模型(IntServ)两种QoS机制基础上，提出将MPLS网络的标签交换与区分服务模型相结合的QoS实现方法。并给出了以下的详细知识。（1）服务质量QoS的流量调节功能。边缘路由器是负责区分不同的数据流和应用QoS的策略的。服务质量的策略是基于不同的调节功能的，比如说，分类功能，标记功能，流量监管，流量整形 。（2）基于MPLS网络的QoS与基于传统IP网络QoS的对比。MPLS QoS与传统IP QoS的不同在于，传统的IP QoS根据IP的优先级来判断业务的服务等级，实现查分服务；MPLS QoS则需要根据EXP的值来区分不同的数据流，实现查分服务，保证语音、视频数据流的低延迟、低丢包率，保证网络的高利用率。（3）MPLS的体系结构。包括标签交换路由器(LSRs)，IP和MPLS网络的协议，标签分发协议(LDP)，标签分发，标签交换路径(LSPs)及其模式。（4）在MPLS网络上通过差分服务(Diff-Serv)实施QoS。为实时业务提供QoS保证，MPLS和Diff-Serv是如何结合起来。（5） 实验室环境实施MPLS和IP路由的比较。首先要建立一个网络拓扑模型，分别配置IP网络路由和MPLS网络路由。然后，统计两个不同网络的网络流量，分析他们的实验数据。拟采用的研究方法a）查找并阅读相关资料，了解基本的内容,利用需求分析文档，对整个网络有个初步的架构。b）根据已有的资料并采用网络分层思想建立适当的网络拓扑图。c）下载一个集成PAGENT（思科自己出的流量产生器）的IOS，产生实验所需要的流量类型。d）利用GNS3网络模拟器完成整个网络拓扑的搭建与基本配置。e) 利用“pkt-seq-drop-stats,show delay-stats,show jitter-stats”命令获取相应的IP和MPLS网络的丢包，延迟和抖动的统计信息。研究工作的进度安排2010年11月28号11月29号 与指导老师沟通交流，完成毕业论文选题。2010年12月16号12月19号 搜集资料，查阅文献，完成开题报告。l2010年12月23号 1月15号 完成文献综述l2011年 1月16号 1月20号 定出实验用的网络拓扑l2011年 1月20号 2月10号 整理相关资料并完成概要和详细设计l2011年 2月10号 2月15号 进行网络配置工作并进行网络连通性测试l2011年 2月15号 2月20号 后期的网络测试和网络流量的统计l2011年 2月20号 3月10号 总结毕业设计的整个过程，完成毕业设计论文初稿2011年 4月 1号 4月20 号 修改毕业论文定稿，打印装订，参加答辩参考文献目录（作者、书名或论文题目、出版社或刊号、出版年月日或出版期号）1 Ghein，L.D.MPLS技术构架M.北京：人民邮电出版社,20082 Ivan Pepelnjack,Jim Guichard.MPLS和VPN体系结构 CCIP版M.北京:人民邮电出版社,20033 Vivek Alwayn.高级MPLS设计与实施M.刘兴初译. 北京:人民邮电出版社,20034 Wendell Odom美. CCNP ROUTE (642-902)认证考试指南M.王兆文译.北京:人民邮电出版社,20105 David Hucaby美. CCNP SWITCH (642-813)认证考试指南M.王兆文译.北京:人民邮电出版社,20106 Wallace美. CCNP TSHOOT (642-832)认证考试指南M.夏俊杰译.北京:人民邮电出版社,20107 Doyle，J美. TCP/IP路由技术（第一卷）（第二版）M.夏俊杰译.北京:人民邮电出版社,20078 Doyle，J美. TCP/IP路由技术（第二卷）M.夏俊杰译.北京:人民邮电出版社,20099 周问安.异构/融合网络的QoS管理与控制技术M.北京：电子工业出版社，200910 郭春柱.网络工程师考试案例动手实验营M.北京：清华大学出版社,2008.1211 Diane Teare, Catherine Paquet美.CCNP学习指南：组建可扩展的Cisco互联网络(BSCI)M.陈宇, 袁国忠译.北京:人民邮电出版社，200712 王静华.基于MPLS的流量工程与QoS的研究J.西北工业大学，2005年指导教师意见该生的选题拟研究PLS的工作性能及其对服务质量的支持，并实验比较基于MPLS网络的QoS与基于IP网络的QoS的性能。技术上比较新颖，难度适中，也有实用价值，工作量符合要求，同意开题。 签名： 年 月 日教研室主任意见同意指导教师意见，同意开题。 签名： 年 月 日目录摘要1关键词11 服务质量（QoS）11.1 服务质量QoS的定义11.2 在网络传输中，如果没有QoS保证，将会出现以下问题21.3 服务质量是通过流量调节功能来实现的22 MPLS22.1 MPLS的定义22.2 MPLS基本工作原理33 MPLS 体系结构43.1 IP和MPLS网络的协议43.1.1 传统IP网络的协议43.1.2 MPLS网络的协议53.2标签分发协议(LDP)53.3 标签交换路径(LSPs)63.4 标签交换路由器(LSRs)63.5 MPLS模式64 在MPLS网络上通过差分服务(Diff-Serv)实施QoS74.1 E-LSPs 和 L-LSPs 的带宽预留74.2 在差分服务上的LSRs的标签转发74.3 为提供QoS的实时流量 MPLS 和 Diff-Serv 两者融合85 实施85.1 网络图95.2 传统的IP网络路由95.3 基于MPLS的网络105.4 基于IP网络流量的统计115.5 基于MPLS网络流量的统计126 实验结果127 结论13参考文献13Abstract14Key words14致谢14附录15多协议标签交换MPLS在服务质量QoS上的应用研究网络工程专业 指导教师 摘要多协议标签交换（MPLS）是一种可用于改善计算机通信网络性能的技术。通过配置MPLS，数据包的交换是以标签为基础，而不是以目标地址为基础进行路由交换。MPLS支持不同的特性，比如QoS，流量工程和VPN等不同的功能。本文主要研究MPLS的工作性能及其对服务质量的支持。 当有实时业务传输的网络，QoS是必需的。实验表明：基于MPLS网络的QoS比基于IP网络的QoS提供了更好的性能。关键词多协议标签交换；服务质量；标签；差分服务引言技术发展与日俱增，企业不断采用新的技术来提升自己的网络和服务。企业需要采用单一的，可以提供广泛服务范围的网络基础设施来降低他们的网络成本。因此，为了减少成本，公司要使用一个单一的网络来传输数据，语音和视频，而不是三个不同的网络。新的网络基础设施时按照这些要求来设计的。数据，语音和视频是不同类型的应用。当一个普通的数据发送跨越任何网络时，它不需要任何服务保证。如果实时业务发生在同一网络，那么与普通数据发送相比，它不允许长时间的延迟。该服务所要求的延迟保证，是被称为“服务质量”（QoS）的一种。多协议标签交换（MPLS）可以用来在网络中支持QoS的实时业务。1 服务质量（QoS）1.1 服务质量QoS的定义对任何一种传统的网络业务，提供可靠的服务和资源保证的能力，被称为服务质量。QoS可以提供不同类型的服务水平来满足不同的应用需求。它可以应付如延迟，抖动，丢包率等网络问题。为了处理不同的网络流量类型，会建立不同的网络类型。因特网或IP网络被认为是一个融合了每种数据类型（即传统的数据，语音和视频流等）的网络。通常QoS提供以下两种服务模型（服务模型，是指一组端到端的QoS功能）：其中，有一种，不需要任何服务保证或者优先级的流量传输，叫做Best-Effort service（尽力而为服务模型）。Best-Effort服务模型是一个单一的服务模型，也是最简单的服务模型。在Best-Effort服务模型里，网络尽最大的可能性来发送报文。但对时延、可靠性等性能不提供任何保证。它在网络没有拥塞的情况下，给关键的数据资源提供最好的服务，如果在网络拥塞发生时，关键的数据资源也像普通包一样发生拥塞。Differentiated service（区分服务模型，简称DiffServ），DiffServ是一种可以提供多种服务类别的服务模型，它可以满足不同的QoS需求。1.2 在网络传输中，如果没有QoS保证，将会出现以下问题 在尽力而为的网络中会有各种各样的问题。当业务流量处于尽力而为的服务模型下，数据包没有被区别对待，也不提供任何服务保证，导致了网络丢包率的增加。 当数据包在网络设备中驻留比预期的更长时间，这样的延迟会导致数据包，诸如语音和视频实时应用方面的修改，这是不正常的。 网络流量的另一个问题是抖动。当数据包从源地址到目的地址的产生不同延时，会产生抖动。这在不同的数据包延迟的变化称为抖动。抖动影响了语音和视频流的质量。 通过互联网发送数据时，源头会对数据包排好序，并通过不同的路径到达目的地。可是每一条路径都会有不一样的延时变化，这样会导致数据包传输顺序出错。因此，需要这样一种机制，能使数据包能按序重组。 重组的数据包需要进行检查，错误校正。接受到的数据包应该检查它包含的内容与原先传过来的是否一致或者是否在传输过程中损坏。1.3 服务质量是通过流量调节功能来实现的当在网络中实施QoS的时候，它在网络边界扮演着一个重要的角色。在网络内部，数据包是基于每一个流量来转发的，但是如果QoS也是基于每一个流量来转发，那就不具有技术的伸缩性，因为有成千上万个数据流要传送，网络不可能为QoS提供独立的数据流传送。边缘路由器是负责区分不同的数据流和应用QoS的策略的。服务质量的策略是基于不同的调节功能的，比如说，分类功能啊，标记功能啊，流量监管啊，流量整形啊。2 MPLS2.1 MPLS的定义MPLS(Multi-Protocol Label Switching)即多协议标签交换，多协议标签交换是一种在开放的通信网上利用标签引导数据高速、高效传输的新技术，在通信网络里，它具有快速收敛性和可扩展性。与传统IP路由方式相比，它在数据转发时，只在网络边缘分析IP报文头，而不用在每一跳都分析IP报文头，节约了处理时间。它的价值在于提供IP业务时确保QoS和安全性，流量工程是MPLS的应用之一，它为提高网络操作的效率和可靠性给予了支持，还优化了网络资源的利用率。2.2 MPLS基本工作原理 MPLS的网络结构，如下图所示：图2-1 MPLS网络结构图MPLS网络的基本构成单元是LSR，由LSR构成的网络称为MPLS域（MPLS Domain）。位于MPLS域边缘、连接其它用户网络的LSR称为边缘LSR，即LER（Label Edge Router），区域内部的LSR称为核心LSR。核心LSR可以是支持MPLS的路由器，也可以是由ATM交换机等升级而成的ATM-LSR。域内部的LSR之间使用MPLS通信，MPLS域的边缘由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构成的标签交换路径LSP传送，其中，入节点LER被称为Ingress，出节点LER被称为Egress，中间的节点则称为Transit。结合上图简要介绍MPLS的基本工作过程：1.LDP和传统路由协议（如OSPF、ISIS等）一起，在各个LSR中为有业务需求的FEC建立路由表和标签映射表；2.入节点Ingress接收分组，完成第三层功能，判定分组所属的FEC，并给分组加上标签，形成MPLS标签分组，转发到中间节点Transit；3.中间节点根据分组上的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；4.在出节点Egress去掉分组中的标签，继续进行后面的转发。3 MPLS 体系结构尽管MPLS网络具有其他功能，MPLS网络架构非常类似于传统的IP网络架构。MPLS是一种互联网协议的扩展，它为网络提供许多应用，比如说流量工程，虚拟专用网，而且它也支持一体化的IP路由，第二层交换。此前MPLS只能标记IPv4数据包，当一个数据包被标记，它无法区分他们是IPv4的数据包，还是IPv6数据包，但在Cisco IOS IPv6数据包中，也可以贴上标签。在MPLS的体系结构，主要有控制平面和数据平面的两个部分组成。控制平面：控制平面是MPLS架构的一个典型的组件，它负责相邻节点之间的交流以及控制标签的路由信息交换。控制平面由标签交换路径（LSP）组成，而这些都是由LSP标记的数据包。为有效通过网络传输数据，设立了动态的LSP，在控制平面的监督。路由协议和信令协议是两个控制平面的主要组成部分。控制平面交换路由信息，并且它的路由协议，如开放最短路径优先（OSPF），路由信息协议（RIP），增强型内部网关路由协议（EIGRP）和中间系统到中间系统（ISIS）。控制平面通过交流标签，如MPLS标签分配协议（LDP）和边界网关协议（BGP）的标签交换协议。数据平面：数据平面转发引擎，它是由路由协议以及标签交换协议而定。数据平面采用标签转发信息库（LFIB）表来存储信息的标签。使用此LFIB数据平面转发数据包。3.1 IP和MPLS网络的协议3.1.1 传统IP网络的协议IP网络中使用传统的IP路由协议，在IP路由器，内部网关路由协议（IGP）告诉路由器如何到达目的地IP，传统的IP路由网络很多都是使用IGP协议。比如，RIP协议：路由信息协议（RIP），由于其诸多限制，使用比较少。OSPF协议：开放最短路径优先，是被广泛使用的协议。 IS IS协议：中间系统到中间系统路由协议，与OSPF的非常相似， 在相同的自治系统，路由器将使用相同的内部网关路由协议，但是，对于不同自治系统的路由器之间进行通信，将使用边界网关路由协议（BGP）。在传统的IP网络，路由协议生成的路由表，其中包括了IP前缀。包转发是基于在IP网络中的IP目的址，IP也被称为转发的协议。还有一些其他常见的协议在路由器中使用，最常见的是传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）3.1.2 MPLS网络的协议正如在传统的IP网络，IP路由协议是用来转发数据包，但在MPLS网络中，标签交换路由器（LSRs）使用标签作为转发机制来转发数据包，而数据传输就在整个所谓“标签交换路径”（LSPs）中运行，这是整个网络由标签分布格局网络。LSP就像一个IP前缀，它存储在路由器转发表中，搭建的LSP根据IP目的地前缀，一跳一跳路由。在MPLS网络中，最常见的标签分配协议如下：标签分配协议（LDP）资源预留协议（RSVP）基于约束的标签分发协议（CD-LDP）LDP作为标签分配协议，它支持MPLS的一跳一跳路由。标签封装和MPLS网络中数据包的转发是通过进行数据包标签的申请实现的。在分组交换中，一个标签之间的第2层和3层报头，这也被称为通用的标签封装，而在异步传输模式（ATM），标签应用在以数据包为核心的虚拟通道标识符（VCI）/虚拟路径标识符（VPI）上。基于分组交换的MPLS和基于交换的MPLS，是MPLS的两种常见模式。边缘LSR的是基于分组，因为它有完整的3层包处理能力。LSRs缺乏3层报头的处理能力，而基于交换的MPLS通过使用2层交换来转发数据包。3.2标签分发协议(LDP)在MPLS网络中，数据包是通过LSP和标签交换路由器（LSRs）执行交换操作来交换报文的。标签是需要分发到所有相邻的LSR。标签分配协议（LDP）的开发是为了分发在整个网络上的标签。LDP和传统路由协议（如EIGRP 、OSPF、IS-IS等）一起，在各个LSR中为有业务需求的FEC建立路由表和标签映射表。MPLS的有效载荷：在MPLS网络中，中间路由器不具备MPLS有关的负载信息，因为他们并不需要知道数据包的有效载荷是怎么切换到相应的LSP。转发数据所需要的信息包在标签上。数据包的转发决策，是通过中间路由器查看标签，和MPLS相关的有效负载信息来实现的。在MPLS域中，在出口路由器上，所有数据包的标签都将被删除。因此，出口路由器必须知道有效载荷，因为他们转发载荷。转发等价类：我们认为具有相似特征的同一类数据包，他们具有相同的标签，而这个类，就被称为转发等价类。一个特定的标签交换路径（LSP），可用于多种转发（FEC）等价类。由同样的交换数据包构成FEC，会通过相同的路径转发。3.3 标签交换路径(LSPs)标签交换的工作过程可概括为以下3个步骤：（1）由LDP（标签分布协议）和传统路由协议（OSPF、IS-IS等）一起，在LSR中建立路由表和标签映射表；（2）位于MPLS域边缘、连接其它用户网络的LSR称为边缘LSR，即LER（Label Edge Router），它负责接收IP包，完成第三层功能，并给IP包加上标签；在MPLS出口的LER上，将分组中的标签去掉后继续进行转发；（3）LSR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。3.4 标签交换路由器(LSRs) 标签交换，是指在IP分组内通过给数据包提供标签(label)信息或标记(tag)，来实现网络层(3层)交换的一种交换方式。而可以支持MPLS数据链路上，接收和发送的数据包的路由器，它使用这个包含在这个分组头部的标签做为一个索引来决定在标签交换通道(LSP)中的下一跳，被称为标签交换路由器（LSR的）。 MPLS网络由三种标签交换类型的路由器（LSRs）组成。当一个LSR接收到一个分组。入口的LSR：非标记的数据包发送到入口边缘的LSR，它将被插入数据包的分组标签和他们的数据链路出口的LSR：在出口的LSR接收到标记的数据包，将会剥去从分组标签和他们的数据链路。在出口的LSR也是边缘路由器中间LSR：中间或核心路由器接收数据包的标记，并通过应用交换操作，他们交换的标签并切换到数据包的链接。 3.5 MPLS模式标签分配过程中，LSRs使用两种模式，如下所示：标签分配模式：在LSR的标签分配模式要求，在标签中绑定下一跳LSR的下游。每个LSR接收来自下游LSR，这种被称为DOD流。处于主动提供模式的LSR下游，相邻的LSR的标签互相分配给对方。标签保留模式：所有的LSR会收到绑定在远程的标签信息库（LIB），这个被称为“自由保留模式”。当拓扑发生变化时就会触发更新。如果一个LSR下降，这是一个新的转变，信息迅速更新LIB。在保守的标签保持模式，并不是所有的远程绑定都存储在标签信息库（LIB）。它仅存储关联到相邻的下一个，并且希望远程绑定的LSR上。4 在MPLS网络上通过差分服务(Diff-Serv)实施QoS由于全网实施流量工程的难度比较大，因此，在实际的组网方案中往往通过差分服务模型来实施QoS。Diff-Serv的基本机制是在网络边缘，根据业务的服务质量要求将该业务映射到一定的业务类别中，利用IP分组中的DS（Differentiated Service）字段（由ToS域而来）唯一的标记该类业务；然后，骨干网络中的各节点根据该字段对各种业务采取预先设定的服务策略，保证相应的服务质量。 Diff-Serv对服务质量的分类和标签机制与MPLS的标签分配十分相似，事实上，基于MPLS的Diff-Serv就是通过将DS的分配与MPLS的标签分配过程结合来实现的。4.1 E-LSPs 和 L-LSPs 的带宽预留区分服务（Diffserv）在MPLS的实现方式分为E-LSPs和L-LSPs。E-LSP是根据exp的三个bit来表示优先级，所以称为E-LSP，而L-LSP是根据label来决定优先级的，所以称为L-LSP。当LSPs通过LSRs建立的时候，LSPs会发出带宽预留的信号。LSRs使用这个作为许可通过控制。但并不是每一个LSPs都包含有带宽预留， L- LSP的带宽预留是用于区分服务是为某一特定调度类中指定资源的控制。E- LSP的带宽预留是LSR对全球资源使用某一调度类和许可控制。这些全球性的资源共享集体的调度类。4.2 在差分服务上的LSRs的标签转发DiffServ中LSR的标签转发不同于仅仅只有差分服务的路由器。在差分服务的LSRs上，标签转发分为不同的阶段。首先传入的数据包将被检查它是属于那种类型的聚合行为。PHB（Per-Hop-Behavior逐条行为）是由内置在数据包中EXP字段所决定的。接着发送出口PHB的目的地，流量条件是影响LSRs的另一个因素，如果满足当时的PHB的条件和发送的转发数据包携带有被认为是出口PHB的目的地，如果流量条件不是在LSR的执行，那么即将出口的PHB将与即将传入PHB相同通过使用传入标签映射到交换标签。交换标签包括标签类型，支持不同的PHB，传入的PHB目的地和出口的PHB目的地。另一阶段，将转发区分服务的信息到下游。它是关于怎么传输区分服务的属性信息的数据包到下游LSRs。区分服务的信息可以在，传输的数据包或携带区分服务编码的标签的IP头信息的传输的数据包，传输。在IP报头它是通过复制DSCP到DS字段的。4.3 为提供QoS的实时流量 MPLS 和 Diff-Serv 两者融合核心网络需要一种可以提供数据，语音和视频服务的网络类型。MPLS和DiffServ结合是现在解决网络问题的一种方案，它提供更好的QoS服务质量，增强了网络性能。在基于MPLS的DiffServ中，应用改进后的RSVP预留资源，实现端到端的服务。源端发送的分组到达骨干网之前通过RSVP实现资源预留，到达骨干边缘路由器时，将分组的资源预留信息转换为DS域中表示服务等级的字段后在骨干网中转发。到达骨干网出口路由器，继续转为应用RSVP预留，直至目的端。MPLS提供的标签服务特性与DiffServ模型可以比较容易的实现互通。MPLS标签结构中有3比特的EXP域可以为DiffServ模型对分组的标记过程提供支持。但是分组DS编码点（DSCP）长度为6比特，可以提供最多64种转发方式，但是3比特的EXP域只能携带8种不同值。因此基于MPLS的DiffServ服务的实现关键在如何将IP分组头中的DS编码点（DSCP）映射到分组的标签中，使得标签边界路由器(LSR)能确定适当的转发方式。5 实施为了测试MPLS的工作情况，我们在模拟器下建立了一种真实的实验环境和搭建了两种不同的场景。通过上面的理论研究，我们已经阐明了MPLS的优点。在实验环境下，我们一种场景是搭建传统的IP路由，另一种场景是配置MPLS网络。得到的结果表明，配置MPLS的网络比配置传统IP路由的网络具有更好的性能。在两个场景里，我们都要配置上QoS。通常，当一个普通的数据在网络上传输的时候，它不需要任何服务保证。相对于语音和视频等敏感流量来说，延迟，抖动和丢包等因素的性能退化对普通数据并没有多大影响。普通数据丢包的时候，它可以通过传输协议重传。当实时业务传输的时候，它对于延迟，抖动，和丢包等因素要求更为严格。长时间的延迟，抖动和丢包将会丢失重要的信息，导致不能够重传。因此这些类型的应用需要一些服务保证。为此，在需要敏感的应用的网络上，我们需要配置QoS提供必要的保护。5.1 网络图图5-1 实验拓扑图5.2 传统的IP网络路由上述网络分为两个部分。路由器P1，P2，M1，M2，M3，M4和M5组成了网络的核心部分，核心网络上配置了OSPF路由协议，这些路由器结点都在区域0上。网络的第二部分由两个站点构成，一个是通过路由器S1与核心路由器P1相连，另一个是通过路由器S2与核心路由器P2相连。这一部分的网络里，配置了EIGRP路由协议。为了能够进行全互联，两个网络都进行了路由重分发，即OSPF重分发进EIGRP，EIGRP重分发进OSPF。网络的连通性可以通过S1的环回接口向S2的环回接口发送PING包来测试。为了在两个站点之间更好的传输流量，我们需要在核心网络上配置服务质量。在路由器P1和P2的串口上配置QoS策略控制输出，另一面，在其上配置策略对入流量进行分类和标记。随着越来越多的网络需要提供服务质量支持，来满足在单一的网络基础设施里传输不同数据类型，如语音，视频，普通数据等。为了在单一的网络基础设施里传输这些流量类型，我们需要用到延迟是可以接受的服务。在这里，在这个实验环境中，我们搭建了一个使用传统路由协议的网络和一个使用MPLS的网络，并比较了它们之间的性能。在网络上配置好路由协议并检查其连通性后，对于普通的数据，是没有必要配置QoS的，而对于一些敏感流量，网络则全部需要配置QoS参数。下表显示在IP网络中的路由器配置不同的策略，流量被分为不同的类别，基于类别的流量将在其流动过程受到不同对待。这样分类的主要目的是区分出那种类别的流量可以流入网络内部。如果任何实时业务在网络上，它将会被给予最高优先级别，在网络上，它将会被最优先处理。下表就表明了，分类是如何完成的，在满足匹配条件的基础上，把入流量归到了一个特殊的类别。这种分类是在边缘网络和内部网络剩余的路由器上，根据数据包的附加行为完成的。一般来说，比较敏感的流量，由于QoS的原因，它们比普通的数据获得更多的利益。分类通常是根据流量类型来完成的，比如说，语音，视频和尽力而为的数据类型。在这个实验环境中，我们把网络流量分成5类。这仅是一个例子说明策略是如何工作的。我们把不同协议的流量分成不同的类别，并给予它们不一样的优先级。具有最高优先级的将会被首先对待，它能够获取到它需要的所有资源，而其他优先级的流量将被分别对待。下表显示了在网络上配置的QoS策略表1 IP 网络策略类匹配条件差分服务代码点优先级临界RTP467互动EIGRP,OSPF,ICMP265网页HTTP,SATP183默认类Any00下表显示了在第二级别路由器上配置的整形策略。在第二级别的边缘路由器上，整形后的数据包，将会被分类和标记，分类后的数据包，然后根据策略的规定，在需要的接口流出或者流入数据包。表2 IP 网络策略类匹配条件带宽 %平均速率Prec7Precedence 750240000/120000Prec5Precedence 535160000/80000Prec3Precedence 31560000/30000默认类Precedence 0-800000/4000005.3 基于MPLS的网络上面显示的网络，首先配置IP路由，然后再在核心网络启用MPLS来进行测试。为了提供对流量的服务保证，在核心路由器上配置了QoS策略。在这以后，为了证明MPLS比传统IP路由能更好的工作，在同一个网络配置了MPLS进行了改进。然后，在必要的接口上启用QoS，以此证明MPLS的QoS比IP路由QoS具有更好的性能。基于MPLS网络的路由器策略配置如下所示。在边缘路由器上配置了流量类型。表3 MPLS 网络策略类匹配条件MPLS EXP临界Precedence 75互动Precedence 5246网页Precedence 3138默认类Precedence 000在没有启用MPLS的传统网络，QoS参数是通过IP优先级和DSCP为来获得的。当在启用MPLS的网络中，数据包会打上MPLS的标签。当一个数据包穿越启用MPLS网络的时候，从源到目的地的数据包的不同标签会被移除，它会基于MPLS的标签转发出去。路由器检查数据包的下一跳标签后直接转发出去，而不用去检查IP地址。问题是，路由器是如何读取附加在IP数据包上的，MPLS报头上的QoS的参数呢？正如我们在对MPLS的标签和它的结构的详细讨论，它由32位实验位组成。当在入局IP数据包附加上标签的时候，它会转换成标签数据包，IP优先级位被映射到MPLS报头的实验位。当一个IP数据包转换成MPLS标签，然后QoS参数会被复制到新的标签数据包。在MPLS的实验位指定了MPLS数据包的QoS的行为。表4 MPLS 网络策略类匹配条件带宽 %MPLS-AF1EXP 560上表显示的是在核心路由器上配置的策略映射。当流量在边缘路由器上被分类和做标记，它通过核心路由器转发到目的地址，核心路由器必须向标记的数据包提供所要求的QoS。在边缘路由器上，语音流量被分成CRITICAL类和分配MPLS EXP 5。在核心网络，在路由器上配置上述的策略，提供最大带宽给语音流量和提供60%链接带宽给携带EXP 5 的数据包。5.4 基于IP网络流量的统计S2是一个PAGENT路由器，PAGENT路由器是指思科路由器的IOS中包含自动生成流量的命令。在网络里，S2路由器被当成是可以生成流量来检查网络性能。当网络处于全互联的连接模式，然后配置“TGN Start”命令，流量生成器开始生成通过网络的流量，当使用“TGN Stop”命令停止生成流量。通过使用“pkt-seq-drop-stats, show delay-stats, show jitter-stats”命令可以获得下面的统计数字。表5 IP 网络统计发送接收丢包丢包6886880最少最大平均延迟0.0175850.0484950.017951抖动0.0000020.0306350.0003425.5 基于MPLS网络流量的统计表6 MPLS 网络统计发送接收丢包丢包7537530最少最大平均延迟0.0176920.0227940.017928抖动0.00000050.0049310.000222以上两个表，是基于需要QoS服务的网络，参数进行的比较。从设计好的网络的价值标准可以看出，在网络的延迟和抖动的情况下，可以看出，MPLS网络具有更少的延迟和抖动。该网络是建立在一个实验室环境下，这不是很大型的网络。这只是为了证明MPLS的性能。如果在这个更小级别的网络MPLS比IP路由网络能提供更好的性能，那么在更大级别的网络，与配置了MPLS的网络相比，IP路由会有更大的延迟和其他的性能退化。考虑到网络的可扩展性，从我们实施的网络可以看得出，IP网络在级别较小的网络可以正常工作，但是在较大的网络它工作的就不是很好，而配置了MPLS的大型网络，性能上则没有很大的下降。6 实验结果我们在实验室实施了两种不同的情况，展示了MPLS和IP路由的性能。从设计方案取得的结果概括如下。在IP路由的情况下，个别的路由器建立大型的路由表，使得路由速度变的较慢。在MPLS的交换过程中，路由表被CEF表所取代，这使得交换过程比IP路由更快。因为，IP路由是基于路由表的IP前缀。在MPLS中的数据包转发是基于标签的取代了IP前缀，从而降低了路由器的处理开销。在IP路由，在每个源和目的地址，IGP使用最短路径来转发数据包。在MPLS环境中欧能够，最短路径技术被删除，取代它的是在每个源和目的地址所有路径之间负载均衡。可以判断，MPLS负载均衡 去除了网络拥塞的因素。实践证明，服务质量与MPLS相融合比服务质量与IP相融合，工作的更好。由于延迟，抖动和丢包会导致性能的降低，有MPLS的网络则比没有MPLS的网络性能降低的更少。7 结论本研究的理论部分，有助于了解MPLS和它的功能。本研究对MPLS网络中的QoS作为研究的重点。在网络上传输实时业务的时候，有保证的服务质量是必需的。相对于服务质量方面的数据传输，延迟和抖动等方面的可靠性来说，MPLS网络的QoS比IP网络的QoS提供了更好的性能。为了验证这种说法，我们进行了MPLS和IP路由的实际比较。我们建立了一个由9个路由器组成的网络，在其上配置了QoS。然后，我们通过下令收集了其上的延迟，抖动和丢包。然后，重新配置MPLS的QoS网络，再次收集基于MPLS网络的延迟，抖动和丢包。同时从网络收集的统计数据显示，基于MPLS的网络优于简单的IP路由网络。数据包在IP路由的网络中，面临更长的延迟。而抖动，带宽和可靠性等因素，在MPLS QoS的网络上，得到了明显的改善。参考文献：1 Ghein，L.D.MPLS技术构架M.北京：人民邮电出版社,20082 Ivan Pepelnjack,Jim Guichard.MPLS和VPN体系结构 CCIP版M.北京:人民邮电出版社,20033 Vivek Alwayn.高级MPLS设计与实施M.刘兴初译. 北京:人民邮电出版社,20034 Wendell Odom美. CCNP ROUTE (642-902)认证考试指南M.王兆文译.北京:人民邮电出版社,20105 David Hucaby美. CCNP SWITCH (642-813)认证考试指南M.王兆文译.北京:人民邮电出版社,20106 Wallace美. CCNP TSHOOT (642-832)认证考试指南M.夏俊杰译.北京:人民邮电出版社,20107 Doyle，J美. TCP/IP路由技术（第一卷）（第二版）M.夏俊杰译.北京:人民邮电出版社,20078 Doyle，J美. TCP/IP路由技术（第二卷）M.夏俊杰译.北京:人民邮电出版社,20099 周问安.异构/融合网络的QoS管理与控制技术M.北京：电子工业出版社，200910 郭春柱.网络工程师考试案例动手实验营M.北京：清华大学出版社,2008.1211 Diane Teare, Catherine Paquet美.CCNP学习指南：组建可扩展的Cisco互联网络(BSCI)M.陈宇, 袁国忠译.北京:人民邮电出版社，200712 王静华.基于MPLS的流量工程与QoS的研究J.西北工业大学，2005年Multi-Protocol Label Switching To Support Quality of Service NeedsMajor：Network Engineering Lai bin Supervisor:YANH yu-fengAbstract Multi-Protocol Label Switching (MPLS) is a technique that can be used to improve the performance of a computer communication network.By use of MPLS, data packets can be switched on the basis of labels rather than routed on the basis of destination address. MPLS supports different features like QoS, traffic engineering and VPNs etc. This thesis evaluates the the work performance of MPLS and its support for Quality of Service. QoS is required in the network when real time traffic is transported. Obtained by the lab experiments: the MPLS-based network provide a better performance of QoS than the IP-based network .Key words MPLS；QoS；Lable；Diff-Serv致谢本学位论文是在我的导师杨云峰老师的孜孜不倦的指导下完成的，他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我，在这次毕业