1、關(guān)于MPLS(多協(xié)議標(biāo)記交換技術(shù)) 南京郵電大學(xué) 張順頤10/15/2022關(guān)于MPLS(多協(xié)議標(biāo)記交換技術(shù)) 南京郵電大學(xué)10/1ATM技術(shù)的發(fā)展ATM技術(shù)（異步傳輸模式）在九十年代問世以后，發(fā)展很快。曾經(jīng)有人預(yù)料，這是下一世紀(jì)通信網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。因?yàn)锳TM技術(shù)質(zhì)量很好，傳輸容量大，當(dāng)時光通信技術(shù)在主干和骨干網(wǎng)絡(luò)上已經(jīng)完成，但是能夠完成大容量的交換和傳輸設(shè)備沒有趕上，對比而言，用于交換的技術(shù)中，最好的就是ATM。 10/15/2022ATM技術(shù)的發(fā)展ATM技術(shù)（異步傳輸模式）在九十年代問世以后ATM的發(fā)展勢頭受到IP技術(shù)的阻擋然而，ATM設(shè)備價格昂貴，難以大規(guī)模普及。其次，ATM設(shè)備采取信元

2、技術(shù)，格式固定；此外ATM與豐富多彩的上層的應(yīng)用結(jié)合得不太理想。IP技術(shù)在實(shí)用化以后，發(fā)展更快，有人認(rèn)為，這是取代現(xiàn)有通信傳輸技術(shù)的技術(shù)。IP技術(shù)的優(yōu)勢就是基于IP技術(shù)的因特網(wǎng)的應(yīng)用非常普及。但是IP技術(shù)的最大劣勢是服務(wù)質(zhì)量和管理。IP技術(shù)是盡力而為，其QoS不理想。 10/15/2022ATM的發(fā)展勢頭受到IP技術(shù)的阻擋然而，ATM設(shè)備價格昂貴，IP技術(shù)和ATM技術(shù)的融合 因此發(fā)生了兩種觀點(diǎn)的爭執(zhí)：在2000年前后，曾經(jīng)有人發(fā)出電信網(wǎng)即將被IP網(wǎng)絡(luò)取代的預(yù)言。但是幾年后，事實(shí)證明，電信網(wǎng)也可以兼容和接納IP技術(shù)。圖：ATM主干網(wǎng)絡(luò)及PVC（永久虛電路） 10/15/2022IP技術(shù)和ATM技

3、術(shù)的融合10/11/2022IP地址和ATM的地址IP網(wǎng)絡(luò)的地址，長度32位，分為A、B、C、D、E 5類：A類地址：首位0，B類地址：頭兩位10，C類地址：頭3位110，D類地址：頭4位1110，為組播地址；E類地址：頭5位11110，E類地址供今后使用； ATM地址是ISO制定的20位字節(jié)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)訪問點(diǎn)NSAP編碼。10/15/2022IP地址和ATM的地址IP網(wǎng)絡(luò)的地址，長度32位，分為A、B主干網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)主干網(wǎng)絡(luò)采用ATM交換機(jī)連接；接入網(wǎng)絡(luò)也采用ATM交換機(jī)作為網(wǎng)內(nèi)的交換方式，但是網(wǎng)絡(luò)之間，接入網(wǎng)絡(luò)與用戶網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間都是通過路由器連接的。因?yàn)槁酚善骶褪蔷W(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，是在網(wǎng)絡(luò)層上

4、進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的設(shè)備。骨干網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣炔煌?。主干網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群芨摺６尤刖W(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣认鄬偷秃芏?10/15/2022主干網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)主干網(wǎng)絡(luò)采用ATM交換機(jī)連接；10/11/ ATM主干網(wǎng)絡(luò)10/15/2022 ATM主干網(wǎng)絡(luò)10/11/2022 永久虛電路PVC成為路由器之間連接的骨干網(wǎng)絡(luò)10/15/2022 永久虛電路PVC成為路由匯接點(diǎn)為此，就需要設(shè)置匯接點(diǎn)PoP，用來緩沖兩者之間速度的差異。圖中PoP稱為匯接點(diǎn)（Point of Presence）。匯接點(diǎn)PoP中，有兩種路由器：接入路由器（access router），也稱為邊沿路由

5、器（border router），這類路由器用來與用戶的設(shè)備相連接，因此數(shù)量大，速度低。主干路由器（backbone router）或核心路由器（core router），一般一個匯接點(diǎn)PoP中使用一個，速度很高。10/15/2022匯接點(diǎn)為此，就需要設(shè)置匯接點(diǎn)PoP，用來緩沖兩者之間速度的差主干網(wǎng)絡(luò)匯接點(diǎn)PoP之間連接通過主干的ATM交換機(jī)。這樣的好處是，因?yàn)锳TM是面向連接的，但是是虛連接。其間的電路是永久虛電路PVC。這樣，避免了每一次使用虛電路時都要建立虛電路，使用完畢，再釋放虛電路。于是，建立在ATM基礎(chǔ)之上的主干電路網(wǎng)絡(luò)就如同為IP層提供了一個直通的信道。這種方式稱為“覆蓋模型”。

6、具體的技術(shù)有：ATM上的傳統(tǒng)IP規(guī)范IPOA（Classical IP Over ATM），局域網(wǎng)仿真LANE（LAN Emulation），ATM上的多協(xié)議規(guī)范 MPOA（Multiprotocal Over ATM）。10/15/2022主干網(wǎng)絡(luò)匯接點(diǎn)PoP之間連接通過主干的ATM交換機(jī)。這樣的好兩種地址的矛盾問題在于，主干網(wǎng)絡(luò)上的主干路由器必須有兩種地址：一是為了與網(wǎng)絡(luò)上的其它IP設(shè)備通信的IP地址，另一種是與ATM設(shè)備通信的ATM地址。10/15/2022兩種地址的矛盾問題在于，主干網(wǎng)絡(luò)上的主干路由器必須有兩種地址IP數(shù)據(jù)包在主干網(wǎng)絡(luò)中的傳輸當(dāng)IP數(shù)據(jù)包通過主干路由器進(jìn)入或者離開主干網(wǎng)

7、絡(luò)時，主干路由器就需要進(jìn)行地址的適配。以IP數(shù)據(jù)包進(jìn)入主干網(wǎng)絡(luò)為例，此時主干路由器需要完成以下工作：1、 拆分?jǐn)?shù)據(jù)包，提出其中的目的地址，查找路由表，確定下一跳路由器的地址，由于主干網(wǎng)絡(luò)是全連接，下一跳的路由器地址即網(wǎng)絡(luò)中出口路由器地址；10/15/2022IP數(shù)據(jù)包在主干網(wǎng)絡(luò)中的傳輸當(dāng)IP數(shù)據(jù)包通過主干路由器進(jìn)入或IP數(shù)據(jù)包在主干網(wǎng)絡(luò)中的傳輸2、 由于ATM層是IP層下面的傳輸通道，也就是相當(dāng)于IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層，所以，需要從ATM設(shè)備連接的主干網(wǎng)絡(luò)確定出口路由器的ATM地址。因?yàn)橹挥写_定ATM設(shè)備的地址以后，才能完成傳輸IP包的工作；3、入口處的路由器將所得到的出口路由器的ATM地址與I

8、P數(shù)據(jù)包同時送往ATM主干網(wǎng)絡(luò)； 10/15/2022IP數(shù)據(jù)包在主干網(wǎng)絡(luò)中的傳輸10/11/2022然后，由ATM主干網(wǎng)絡(luò)完成以下工作： 然后，由ATM主干網(wǎng)絡(luò)完成以下工作1、 確定通向目的ATM設(shè)備的虛通路的虛通路標(biāo)識符VCI。由于ATM主干網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)建立了一個ATM到VCI的影射表，這個表是靜態(tài)的（因?yàn)槭褂玫氖怯谰锰撾娐罚?、 虛通路的發(fā)送端，即入口路由器將數(shù)據(jù)報(bào)分割，形成ATM需要的53字節(jié)的ATM信元，以便在ATM網(wǎng)絡(luò)中傳輸；在ATM信元到達(dá)出口路由器后，再將ATM信元還原成原來的IP數(shù)據(jù)報(bào)；10/15/2022然后，由ATM主干網(wǎng)絡(luò)完成以下工作： 然后，由問題的產(chǎn)生：由此可見，在

9、網(wǎng)絡(luò)中的傳輸過程是比較復(fù)雜的，網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度由于拆分和重組數(shù)據(jù)報(bào)而大受影響，傳輸?shù)男室埠艿?。（因?yàn)锳TM傳輸格式是固定的，而IP數(shù)據(jù)報(bào)的長短是隨意的。多次拆分影響速度，包的長度不同，影響效率。IP是無連接的，而ATM是面向連接的；IP的QoS是盡量保證，而ATM是保證質(zhì)量的。）10/15/2022問題的產(chǎn)生：由此可見，在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸過程是比較復(fù)雜的，網(wǎng)絡(luò)的ATM網(wǎng)絡(luò)發(fā)展受到阻礙的原因：這種傳輸模式還帶來另外一個所謂NN即N問題（實(shí)際上是N（N1）問題）：即每增加一個主干路由器必須同時建立該主干路由器到其它各個主干路由器的永久虛電路，這樣，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性大大增加；分組轉(zhuǎn)換時增加的ATM信元的5個字

10、節(jié)降低了效率（常稱之為“信元稅”）；同時維持兩種體系結(jié)構(gòu)和地址體系是非常困難的事情。這樣使得ATM的發(fā)展遇到很大的困難。10/15/2022ATM網(wǎng)絡(luò)發(fā)展受到阻礙的原因：這種傳輸模式還帶來另外一個所謂MPLS技術(shù)的產(chǎn)生：MPLS是解決這一困難問題的一個方案。IETF（互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組）在1997年成立MPLS工作組。目標(biāo)是開發(fā)出一種將第三層的路由選擇功能和面向連接的第二層的交換功能綜合在一起的新的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，以便使得IP和ATM技術(shù)結(jié)合得更好一些。這就是多協(xié)議標(biāo)記交換MPLS。在這之前，類似的技術(shù)有：CISCO公司的TAG Switch（標(biāo)記交換），Ipsilon公司的IP交換等。10/15/2

11、022MPLS技術(shù)的產(chǎn)生：MPLS是解決這一困難問題的一個方案。I技術(shù)發(fā)展的前景：目前這方面的技術(shù)發(fā)展是：1、 MPLS技術(shù)仍然受到重視。這是因?yàn)橛捎诟咚俾酚善鞯陌l(fā)展，其轉(zhuǎn)發(fā)IP的速率可以與ATM媲美，ATM設(shè)備在速度方面的優(yōu)勢逐步在減少和消失；2、 全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展有了新的局面。不用ATM的高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)正在嘗試，并且取得了成功，。QoS的質(zhì)量也逼近電信的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，故ATM已經(jīng)不再發(fā)展，雖然尚未被淘汰，但是已經(jīng)開始退出骨干網(wǎng)絡(luò)；10/15/2022技術(shù)發(fā)展的前景：目前這方面的技術(shù)發(fā)展是：10/11/2022技術(shù)發(fā)展的前景：3、 MPLS的特殊功能，仍然適用目前的網(wǎng)絡(luò)實(shí)際，比如：支持面向連接的服

12、務(wù)質(zhì)量；支持流量工程，平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載；有效地支持虛擬專用網(wǎng)VPN；支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議； 10/15/2022技術(shù)發(fā)展的前景：3、 MPLS的特殊功能，仍然適用目前的網(wǎng)MPLS的工作原理： 傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)中，分組每到達(dá)一個路由器，路由器每接收一個分組，都必須拆開主干IP包，檢查其中的目的地址，然后查找路由表，按照“最長前綴匹配”的原則找到下一跳的IP地址。由于每個IP目的地址的前綴的長度不是相等的，也就是前綴的長度是不確定的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)很大時，查找規(guī)模很大的路由表就比較費(fèi)時，甚至于一旦出現(xiàn)突發(fā)性的通信量時，會引起時延大大增加、服務(wù)質(zhì)量下降、甚至分組的丟失。圖：MPLS的工作原理10/15/2022MPL

13、S的工作原理： 傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)中，分組每到達(dá)一個路由器 MPLS的工作原理 LSR 10/15/2022 MPLS的工作原MPLS的工作原理：MPLS的出發(fā)點(diǎn)，就是舍去“通過長度可變的IP地址前綴來查找轉(zhuǎn)發(fā)器中下一跳地址的辦法”，而是使用一個很簡單的“轉(zhuǎn)發(fā)算法”，給分組打上固定長度的“分組標(biāo)記”，在轉(zhuǎn)發(fā)分組時，用硬件進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。這就省去了分組每到達(dá)一個路由器都需要拆包、到第三層用軟件查找路由表這一過程。所以轉(zhuǎn)發(fā)效率大大提高。給分組打上“標(biāo)記”，用硬件技術(shù)給分組轉(zhuǎn)發(fā)，這就是“標(biāo)記交換”。 10/15/2022MPLS的工作原理：MPLS的出發(fā)點(diǎn)，就是舍去“通過長度可變MPLS的工作原理：這一交換不

14、是在第三層（在第三層拆包，用軟件分析第三層的IP首部，查找轉(zhuǎn)發(fā)表），而是在第二層給分組打上“標(biāo)記”，用硬件轉(zhuǎn)發(fā)。從而大大節(jié)省了轉(zhuǎn)發(fā)的時間，提高了QoS。這種“標(biāo)記交換”不僅可用于ATM，也可以使用多種鏈路層的協(xié)議，如IPX、DECnet、PPP以及以太網(wǎng)、幀中繼等。故稱之為“多協(xié)議標(biāo)記交換”。10/15/2022MPLS的工作原理：這一交換不是在第三層（在第三層拆包，用軟MPLS的使用： 使用MPLS技術(shù)時，由于是另外在第二層上打上“標(biāo)記”，所以在使用MPLS技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)中必須全部采用，而不是一部分采用。這時候支持MPLS技術(shù)的路由器稱為標(biāo)記交換路由器LSR（Label Switching Ro

15、uter）,LSR組成的網(wǎng)絡(luò)稱為MPLS域。10/15/2022MPLS的使用： 使用MPLS技術(shù)時，由于是另外在第二層上打 MPLS的工作原理 LSR10/15/2022 MPLS的工作原理 MPLS的使用：LSR同時具有標(biāo)記交換和路由選擇兩個功能。因?yàn)長SR雖然使用標(biāo)記交換功能對于分組進(jìn)行快速轉(zhuǎn)發(fā)，但是很顯然，在轉(zhuǎn)發(fā)之前LSR必須使用原來的路由轉(zhuǎn)發(fā)的功能來改造分組的標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)表。雖然在一個網(wǎng)絡(luò)的一次轉(zhuǎn)發(fā)中只需要構(gòu)造一次。10/15/2022MPLS的使用：LSR同時具有標(biāo)記交換和路由選擇兩個功能。因MPLS的工作過程： 1、MPLS域中各LSR使用專門的“標(biāo)記分配協(xié)議LDP”交換報(bào)文，找出與

16、特定的“標(biāo)記”相對應(yīng)的路徑，這一路徑稱之為“標(biāo)記交換路徑”。如圖中的ABCD,各個LSR根據(jù)這一路徑確定構(gòu)造適應(yīng)MPLS的分組轉(zhuǎn)發(fā)表。此過程與路由器的分組轉(zhuǎn)發(fā)表類似； 10/15/2022MPLS的工作過程： 1、MPLS域中各LSR使用專門的“標(biāo)MPLS的工作過程：2、 當(dāng)一個分組進(jìn)入到MPLS域時，由MPLS域的入口結(jié)點(diǎn)給分組打上標(biāo)記，按照標(biāo)記交換分組轉(zhuǎn)發(fā)表的規(guī)定，將分組轉(zhuǎn)發(fā)到下一個LSR。3、 所有的LSR都按照標(biāo)記進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。（有的資料中講，每轉(zhuǎn)發(fā)一次需要更換一次標(biāo)記，為什么？實(shí)際上在一個MPLS域中，確定一次即可。）4、 當(dāng)分組離開MPLS域時，MPLS出口節(jié)點(diǎn)將分組的標(biāo)記去除，還原到

17、原來的轉(zhuǎn)發(fā)方式。10/15/2022MPLS的工作過程：2、 當(dāng)一個分組進(jìn)入到MPLS域時，由轉(zhuǎn)發(fā)等價類FEC（Forwarding Equivalence Class）： FEC:路由器按照同樣的方式對待和成立的分組的集合。 所謂“同樣的方式對待”表示從同樣接口轉(zhuǎn)發(fā)到同樣的下一跳地址，并且具有同樣服務(wù)類別和合同樣丟棄優(yōu)先級。 10/15/2022轉(zhuǎn)發(fā)等價類FEC（Forwarding Equivalenc轉(zhuǎn)發(fā)等價類FEC（Forwarding Equivalence Class）： FEC使用的例子：目的IP地址與某一特定IP地址的前綴匹配的分組（相當(dāng)于普通的路由器）；所有源地址與目的地址都

18、相同的分組；具有某種服務(wù)質(zhì)量需求的分組；FEC的分組由網(wǎng)絡(luò)管理員控制，比較靈活。FEC與標(biāo)記時一一對應(yīng)。10/15/2022轉(zhuǎn)發(fā)等價類FEC（Forwarding Equivalenc轉(zhuǎn)發(fā)等價類FEC（Forwarding Equivalence Class）：FEC用于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡的例子（流量工程，或稱通訊量工程） 圖：主機(jī)H1和H2分別向主機(jī)H3和H4發(fā)送大量數(shù)據(jù)。路由器A和C是必經(jīng)的，其中A-B-C為最短路徑。所以傳統(tǒng)的路由選擇協(xié)議必然給定A-B-C路由，這樣將導(dǎo)致這一最短路徑過載。10/15/2022轉(zhuǎn)發(fā)等價類FEC（Forwarding Equivalenc傳統(tǒng)路由選擇協(xié)議使最短路徑過載主機(jī)H1和H2分別