MPLS的体系结构与组网技术

MPLS的体系结构与组网技术1、MPLS 是Multi-Protocol Label Switching的缩写形式，中文含义为多协议标签交换技术。2、MPLS不是特指某一种业务或应用，而是一种标准化的路由与交换技术平台，可以支持各种高层协议与业务。3、Multi-Protocol：支持多种三层协议，如IP、IPv6、IPX等，它通常处于二层和三层之间，俗称2.5层。4、Label ：是一种短的、等长的、易于处理的、不包含拓扑信息、只具有局部意义的信息内容。5、Switching：MPLS报文交换和转发是基于标签的。针对IP业务，IP包在进入MPLS网络时，入口的路由器分析IP包的内容并且为这些IP包选择合适的标签，然后所有MPLS网络中节点都是依据这个简短标签来作为转发依据。当该IP包最终离开MPLS网络时，标签被出口的边缘路由器分离。1.1 MPLS概述多协议标签交换MPLS（Multiprotocol Label Switching）最初是为了提高转发速度而提出的。在MPLS的体系结构中：l 控制平面（Control Plane）是无连接的，利用现有IP网络实现；l 转发平面（Forwarding Plane，也称为数据平面，Data Plane）是面向连接的，可以使用ATM、帧中继等二层网络。MPLS使用短而定长的标签（label）来封装分组，在数据平面实现快速转发。在控制平面，MPLS拥有IP网络强大灵活的路由功能，可以满足各种新应用对网络的要求。MPLS起源于IPv4（Internet Protocol version 4），其核心技术可扩展到多种网络协议，包括IPv6（Internet Protocol version 6）、IPX（Internet Packet Exchange）、Appletalk、DECnet、CLNP（Connectionless Network Protocol）等。“MPLS”中的“Multiprotocol”指的就是支持多种网络协议。NE40支持在IPv4和IPv6上使用MPLS。MPLS结构的详细介绍可参考RFC3031（Multiprotocol Label Switching Architecture）。1.1.1 MPLS基本概念1. 转发等价类MPLS作为一种分类转发技术，将具有相同转发处理方式的分组归为一类，称为转发等价类FEC（Forwarding Equivalence Class）。相同转发等价类的分组在MPLS网络中将获得完全相同的处理。转发等价类的划分方式非常灵活，可以是源地址、目的地址、源端口、目的端口、协议类型、VPN等的任意组合。例如，在传统的采用最长匹配算法的IP转发中，到同一个目的地址的所有报文就是一个转发等价类。2. 标签标签是一个长度固定、只具有本地意义的短标识符，用于唯一标识一个分组所属的转发等价类（FEC）。在某些情况下，例如要进行负载分担，对应一个FEC可能会有多个标签，但是一个标签只能代表一个FEC。标签由报文的头部所携带，不包含拓扑信息，只具有局部意义。标签的长度为4个字节，封装结构如下所示：图1-1 标签的封装结构标签共有4个域：l Label：标签值字段，长度为20bits，用于转发的指针；l Exp：3bits，保留，用于试验；l S：1bit，MPLS支持标签的分层结构，即多重标签。值为1时表明为最底层标签；l TTL：8bits，和IP分组中的TTL（Time To Live）意义相同。标签与ATM的VPI/VCI以及Frame Relay的DLCI类似，是一种连接标识符。如果链路层协议具有标签域，如ATM的VPI/VCI或Frame Relay的DLCI，则标签封装在这些域中；如果不支持，则标签封装在链路层和IP层之间的一个垫层中。这样，标签能够被任意的链路层所支持。标签在分组中的封装位置如图1-2所示：Frame mode：帧模式 Cell mode：信元模式图1-2 标签在分组中的封装位置3. 标签交换路由器标签交换路由器LSR（Label Switching Router）是MPLS网络中的基本元素，所有LSR都支持MPLS协议。LSR由两部分组成：控制单元和转发单元。控制单元负责标签的分配、路由的选择、标签转发表的建立、标签交换路径的建立、拆除等工作；而转发单元则依据标签转发表对收到的分组进行转发。4. 标签交换路径一个转发等价类在MPLS网络中经过的路径称为标签交换路径LSP（Label Switched Path）。LSP在功能上与ATM和Frame Relay的虚电路相同，是从入口到出口的一个单向路径。LSP中的每个节点由LSR组成。5. 标签发布协议标签发布协议是MPLS的控制协议，它相当于传统网络中的信令协议，负责FEC的分类、标签的分配以及LSP的建立和维护等一系列操作。MPLS可以使用多种标签发布协议。包括专为标签发布而制定的协议，例如：LDP（Label Distribution Protocol）、CR-LDP（Constraint-Based Routing using LDP）；也包括现有协议扩展后支持标签发布的，例如：BGP（Border Gateway Protocol）、RSVP（Resource Reservation Protocol）。NE40支持上述标签发布协议，并支持手工配置的静态LSP。1.1.2 MPLS网络结构1. MPLS网络结构如图1-3所示，MPLS网络的基本构成单元是LSR，由LSR构成的网络称为MPLS域。位于MPLS域边缘、连接其它用户网络的LSR称为边缘LSR（LER，Labeled 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（Label Switched Path）传送，其中，入口LER被称为Ingress，出口LER被称为Egress，中间的节点则称为Transit。图1-3 MPLS网络结构结合上图简要介绍MPLS的基本工作过程：l 首先，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；l 入口LER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；l 接下来，在LSR构成的网络中，LSR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；l 最后，在MPLS出口LER去掉分组中的标签，继续进行后面的转发。由此可以看出，MPLS并不是一种业务或者应用，它实际上是一种隧道技术，也是一种将标签交换转发和网络层路由技术集于一身的路由与交换技术平台。这个平台不仅支持多种高层协议与业务，而且，在一定程度上可以保证信息传输的安全性。2. LSR的基本结构图1-4 LSR基本结构示意图对于普通的LSR，在转发平面只需要进行标签分组的转发。对于LER，在转发平面不仅需要进行标签分组的转发，也需要进行IP分组的转发，前者使用标签转发表LFIB，后者使用传统转发表FIB（Forwarding Information Base）。1.1.3 MPLS与路由协议LDP通过逐跳方式建立LSP时，利用沿途各LSR路由转发表中的信息来确定下一跳，而路由转发表中的信息一般是通过IGP、BGP等路由协议收集的。LDP并不直接和各种路由协议关联，只是间接使用路由信息。另一方面，通过对BGP、RSVP等已有协议进行扩展，也可以支持MPLS标签的分发。在MPLS的应用中，也可能需要对某些路由协议进行扩展。例如，基于MPLS的VPN应用需要对BGP进行扩展，使BGP能够传播VPN的路由信息；基于MPLS的流量工程TE（Traffic Engineering）需要对OSPF或IS-IS协议进行扩展，以携带链路状态信息。LSPM: LSP Management 图1-5 MPLS与各种协议关系示意图1.2 MPLS的应用随着ASIC技术的发展，路由查找速度已经不成为阻碍网络发展的瓶颈。这使得MPLS在提高转发速度方面不具备明显的优势。但由于MPLS结合了IP网络强大的三层路由功能和传统二层网络高效的转发机制，在转发平面采用面向连接方式，与现有二层网络转发方式非常相似，这些特点使得MPLS能够很容易地实现IP与ATM、帧中继等二层网络的无缝融合，并为服务质量（QoS，Quality of Service）、流量工程（TE，Traffic Engineering）、虚拟专用网（VPN，Virtual Private Network）等应用提供更好的解决方案。1. 基于MPLS的VPN传统的VPN一般是通过GRE、L2TP、PPTP等隧道协议来实现私有网络间数据流在公网上的传送，LSP本身就是公网上的隧道，因此，用MPLS来实现VPN有天然的优势。基于MPLS的VPN就是通过LSP将私有网络的不同分支联结起来，形成一个统一的网络。基于MPLS的VPN还支持对不同VPN间的互通控制。图1-6 基于MPLS的VPN上图是基于MPLS的VPN的基本结构：CE（Customer Edge）是用户边缘设备，可以是路由器，也可以是交换机或主机；PE（Provider Edge）是服务商边缘路由器，位于骨干网络。PE负责对VPN用户进行管理、建立各PE间LSP连接、同一VPN用户各分支间路由分派。PE间的路由分派通常是用LDP或扩展的BGP协议实现。基于MPLS的VPN支持不同分支间IP地址复用，并支持不同VPN间互通。与传统的路由相比，VPN路由中需要增加分支和VPN的标识信息，这就需要对BGP协议进行扩展，以携带VPN路由信息。2. 基于MPLS的QoSNE40支持基于MPLS的流量工程和差分服务Diff-serv特性，在保证网络高利用率的同时，可以根据不同数据流的优先级实现差别服务，从而为语音，视频数据流提供有带宽保证的低延时、低丢包率的服务。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的这种对服务质量的分类和标签机制和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。本文介绍了目前网络界研究热点的宽带网络技术MPLS(多协议标签交换)。重点阐述了MPLS的主要组件和核心技术。最后对ATM上的MPLS组网技术进行了介绍。 MPLS 标签 LSR LDP LER 协议栈 1 引言 MPLS是一种将IP引入ATM或帧中继等通信网络上，利用标签引导数据高速、高效传输的新技术。随着Internet的不断发展，采用带有MPLS功能的IP路由器和带有MPLS功能的ATM交换机组建未来宽带综合业务通信网，是业界迫切需要解决的问题。MPLS的价值在于能够在一个无连接的网络中引入面向连接的机制，其优点是减少网络的复杂性，能够兼容现有的各种网络技术。MPLS综合利用网络核心的交换技术和网络边缘的IP路由技术，将路由移到网络边缘，网络核心作标签转发。即边缘的路由，核心的交换。MPLS是目前普遍看好的融合ATM与IP、解决IP无连接和ATM面向连接矛盾的下一代宽带骨干网络技术。 2 MPLS的体系结构 2.1 MPLS的主要组件 MPLS平台中引入了相当多的组件，下面是一些主要组件： 标签交换路由器(LSR)。LSR类似一个通用IP交换机，它是MPLS中负责第三层转发分组和第二层标签交换分组的设备。 标签边缘路由器(LER)。LER是从一个MPLS域转发分组的传统路由器。它的作用是分析IP分组头，用于决定相应的传送级别和标签交换路径(LSP)。 标签(Label)。标签是一个包含在每个分组中的短固定的数值，用于通过网络转发分组。一对LSR在标签的数值和意义上一致。 标签分发协议(LDP)。LDP是MPLS的控制协议，用于在LSR之间交换FEC/标签绑定信息。 标签交换路径(LSP)。LSP是指具有一个特定的FEC的分组，在传输经过的标签交换路由器集合构成的传输通路。它由MPLS节点建立，目的是采用一个标签交换转发机制转发一个特定的FEC分组。 标签信息库(LIB)。LIB是保存在一个LSR(LER)中的连接表，在LSR中包含有FEC/标签绑定信息和关联端口以及媒体的封装信息。LIB通常包括下面内容：入、出口端口;入、出口标签;FEC标识符;下一跳LSR;出口链路层封装等。 转发等价类(FEC)。MPLS采用FEC作为标签来处理IP分组。FEC在相同路径上转发，以相同方式处理并因此被一个LSR映射到一个单一标签的一组IP分组。 流束(Stream)。属于同一个FEC的一组分组流，它们流经同一个节点，从相同的通道传输，并以相同方式转发到目的地，它们在MPLS里被称为“流束”。 2.2 MPLS的核心技术 1. 标签交换路由器 标签交换路由器类似一个通用IP交换机，它具有第三层转发分组和第二层交换分组的功能。它也能运行传统IP选路协议并可能执行一个特殊控制协议以与邻接LSR协调FEC/标签的绑定信息。一个LSR可以是一个传统的交换机(如ATM)扩充IP选路，或者升级为支持MPLS的一个传统路由器。LSR是MPLS系统中的核心部件，MPLS中LSR的选路过程如下： 执行标准路由传播协议，以获得网络拓扑;为每个FEC分配一个标签; 执行LDP，并根据从其他节点获得的标签信息建立标签信息库(LIB); 后续分组获得LIB中相应的标签，并按照指定动作处理，沿相应的LSP传输。 2. 标签 在传统的路由器中，必定分析每个分组头，以确定下一站转发地点。但是在MPLS中，只需要在MPLS网络的入口端处理一个流束的所有分组，对属于同一个流束的分组将被用一个固定长度的字段加以编号。这一字段在MPLS里被称为标签(Label)。在LSR中，一个流束的FEC就映射到标签上。MPLS中的标签格式取决于分组封装所在的介质。如： ATM封装采用VPI/VCI作标签; 帧中继PDU采用DLCI作标签; 通用MPLS封装。对于那些没有内在标签结构的媒体封装，则采用通用MPLS封装格式，用一个特殊的数值在第二层与第三层头之间插入一个Shim标签头。Shim标签头由4字节构成，它包含一个20bit的标签数据值、一个3bit的COS(服务类别)数值、一个1bit的堆栈指示符和一个8bit的TTL(生存期)数值。 3. 标签交换 标签交换利用分组中所携带的标签信息和标签路由器维护存储的转发信息库(LIB)来转发分组。由于标签交换不必像传统IP选路那样分析分组头中的变长部分，因而标签交换是一个快速和简单的转发过程。标签作为一个由交换机组件处理，用以确定对应的输出标签、必要的封装和端口号及其他数据信息处理操作。若一个分组包含一个标签栈，MPLS设备只处理栈中的顶部标签。 4. 标签分发 标签分发是分发FEC/标签绑定信息的过程，目的是为了形成一个LSP并且标签交换属于特定FEC的分组。标签分发是通过标签分发协议(LDP)来完成的，或通过现有的控制协议(如RSVP和BGP)来传输FEC/标签绑定信息。MPLS LDP是一个单独的控制协议。LDP具有标签指定、分配和撤消功能，与相邻的LSR协调FEC/标签的捆绑信息，完成入口到出口标签交换路径(LSP)的建立。LDP映射消息可以从任何本地LSR(独立的LSP控制)发起，或者从出口LSR发起，并从下行LSR流向上行LSR。一个特定数据流的到达、一个保留建立消息(RSVP)或选路更新消息都可以触发交换LDP消息，从而形成一个从入口到出口的LSP。 2.3 MPLS的协议栈 MPLS协议采用LDP/CR-LDP以及采用已有协议如资源预留协议(RSVP)或对已有协议扩展形成的协议如资源预留协议扩展(RSVP-TE)。RSVP/RSVP-TE、CR-LDP，结合QoS路由等，能够很好地支持综合服务(IntServ)、区分服务(DiffServ)和流量工程。 MPLS的协议栈分为两个层面：控制层面和数据层面。其中： LIB 标签信息库; LDP 标签分发协议; CR-LDP和RSVP-TE 是两个竞争性的支持MPLS流量工程的协议。RSPF由IEPF标准化，RSPF-TE是RSPF的扩展。同样CR-LDP由LDP扩展而得。二者都位于TCP层上。 UDP 用户数据报协议; TCP 传输控制协议; IP-FWD 基于IP寻址的下一跳分组转发; MPLS FWD 基于MPLS的标签和标签信息库查找的标签交换。 3 MPLS组网技术 3.1 ATM网络支持MPLS 尽管MPLS可以运行在多种类型的数据链路上，但是由于ATM的优越性，在ATM上运行MPLS是目前MPLS研究的热点。在ATM网络上支持MPLS有多种方案，下面讨论一种ATM上的MPLS组网技术。 在这种组网技术中，ATM交换机可作为标签交换节点，称作ATM-LSR。其中ATM- LSR通过AT