多协议标记交换MPLS

多协议标记交换（MPLS南邮 通信工程系 叶 玲多协议标记交换（MPLS)lMPLS简介lMPLS网络结构lMPLS工作过程lMPLS体系结构lMPLS的流控和QoSlMPLS的应用lMPLS的软件结构MPLS是什么？lMPLS多协议标签交换lMPLS是采用集成模型，将第三层IP技术与第二层的硬件交换技术结合在一起，并且使用一个定长的标签作为分组在MPLS网络中传输时所需处理的唯一标志。MPLS并不是一种业务或者应用，而是一种将标签交换转发和网络层路由技术集于一身的标准化的路由与交换技术平台。l兼具了IP的灵活性、可扩展性与ATM等硬件交换技术的高速性能、QOS性能、流量控制性能 2、MPLS的MP和LSMPLS 的多协议即指其向上可支持IPv4/IPV6/IPX/Apple talk,向下支持X.25/FR/ATM/PPP/Eth/SDH/DWDM(MPLS协议栈)2.5层技术MPLS的标签交换是指所交换的内容是标签,其实质是IP包在核心路由之间交换标签,而在边缘路由器和普通路由器之间交换IP包MPLSl是属于第三层交换的技术,它独立于链路层,在内部引入基于标记的机制并建立面向连接的,而不是与连接无关的技术,从而提高分组的转发效率和路由器的性能价格比。l中,属于同一个通信进程的不同分组都被映射成为同一个数据流,称转发等价类,并为不同的流加上不同的标记。l标记是一种本地有效的、具有固定长度(位)的数值,它具有更为丰富的层次概念,采用了堆栈()的数据结构对标记进行管理(先进后出）。MPLS的应用价值lMPLS Multiprotocol Label Switch 多协议标签交换就是在这种背景下产生的一种技术它吸收了ATM VPI/VCI 交换一些思想无缝地集成了IP 路由技术的灵活性和2 层交换的简捷性；l在面向无连接的IP 网络中增加了MPLS 这种面向连接的属性通过采用MPLS 建立“虚连接”的方法为IP 网增加了一些管理和运营的手段；l随着网络技术的迅速发展MPLS 应用也逐步转向MPLS 流量工程和MPLS VPN 等，在IP 网中MPLS 流量工程技术成为一种主要的管理网络流量减少拥塞一定程度上保证IP 网络的QoS 的重要工具；l在解决企业互连提供各种新业务方面MPLS VPN 也越来越被运营商看好成为在IP 网络运营商提供增值业务的重要手段MPLS 概念图示MPLSIP PacketIP Packet with label第三层路由第三层路由第二层交换IPOA技术及其发展vIPOA 是ATM和IP发展的必然vIP的发展方向是使用硬件交换来提高服务质量,ATM的发展方向是提高其应用的灵活性,简化设备vIPOA的发展历程:CIPOA(RFC1577经典IPOA)/LANE(局域网仿真)/MPOA(ATM上的多协议传输)/IP Switching/CSR(信元交换路由器技术)/ARIS(集成IP交换技术)/Tag Switching(标签交换技术)/MPLS(多协议标签交换技术)vIPOA技术的两种模型:重叠模型(基于ATM地址的ATM路由协议和信令协议对IP分组进行路由选择与转发.如CIPOA/MPOA/LANE等)集成模型(使用非ATM路由协议和信令协议对IP分组进行路由选择与转发.如IP Switching/Tag Switching/MPLS等)MPLS所涉及的重要概念l边缘路由器(LER)和核心路由器(LSR)l转发等价类（FEC)l标记栈（Lable Stack)l标记交换路径（LSP)l上游LSR和下游LSRl标记信息库（LIB)l标记分发协议（LDP)l标记分发对等实体（LDP peers)l标记合并（merge)lTLV(Type Length Value)MPLS协议中的主要可选项标记交换发起方式：数据驱动和控制驱动环路控制方式：环路减轻/环路防止标记映射分发方式：上游标记分发/下游标记分发标记分发控制方式：独立/有序标记分发协议类型：独立/附加LSP保持方式：软/硬状态MPLS技术的宗旨为了综合利用网络核心的交换技术和网络边缘IP技术各自的优点，MPLS的宗旨是要集成标签切换转发的高性能和网络层路由的灵活性和可扩展性。MPLS并不是一种业务或应用，而是一种将标签交换转发和网络层路由技术集于一身的标准化的路由与交换技术平台。MPLS将帮助运营商提供更好的IP服务，MPLS将会带来更多的带宽控制、吞吐量保证和虚拟专用网功能性。MPLS的优势MPLS在网络中的分组转发是基于定长标签（20个bit），由此简化了转发机制，使得转发路由器容量很容易扩展到太比特级；充分采用原有的IP路由，在此基础上加以改进，保证了MPLS网络路由具有灵活性的特点；可以采用ATM的高效传输交换方式，抛弃复杂的ATM信令，无缝地将IP技术的优点融合到ATM的高效硬件转发中；MPLS网络的数据传输和路由计算分开，是一种面向连接的传输技术，能够提供有效的 QoS保证；MPLS不但支持多种网络层技术，而且可以同时支持X.25、FR、ATM、PPP、SDH、DWDM等，保证了多种网络的互连互通；MPLS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；MPLS的优势MPLS的标签合并机制支持不同数据流的合并传输；MPLS支持流量工程、CoS、Qos和大规模的虚拟专用网；在MPLS网中可以直接使用显式路由，这使得流量工程的应用变得简单；MPLS能够以逐跳路由方式或显式路由的方式提供面向连接的业务，此使得MPLS适用于动态隧道技术，并保证数据传输的QoS需求；MPLS技术进一步促进了网络功能的划分，它将复杂的事物处理推到网络的边缘去完成，核心网只负责完成传送功能；此有利于在一个大的网络中维护IP协议的扩展性；MPLS的标准化进程十分迅速，这是它能迅速普及成功的关键；与ATM相比，MPLS标准能更快地被接受是因为它是以软件为主，运行在各种不同的网络上，而ATM网则需要极大的软、硬件投资。MPLS所存在的问题由于MPLS要支持多协议，另外在MPLS标准的制定过程中，其控制协议也还面临着对LDP与RSVP两种方式的取舍问题，这些问题若解决不好，将带来复杂的互联互通问题。在出现合适的用户终端设备以前，真正的端到端的QoS支持尚难以实现，目前只能支持Diff-serv的CoS业务。VC-merge还有待进一步研究，解决其带来的信元交织问题将消耗更多的缓冲资源，这将不可避免地带来对现有ATM设备的硬件升级投资。当MPLS应用于ATM交换机时，由于ATM交换机VC、VP数量的限制，目前只能支持两级标记栈，该问题正在研究中。MPLS RFCs(1)l*rfc3031MPLS Architecture lrfc3034Use of Label Switching on Frame Relay Networks Specification lrfc3035MPLS using LDP and ATM VC Switching lrfc3063 MPLS Loop Prevention Mechanism lrfc3353 Overview of IP Multicast in a Multi-Protocol Label Switching(MPLS)EnvironmentMPLS RFCs(2)lrfc3429Assignment of the OAM Alert Label for Multiprotocol Label Switching Architecture(MPLS)Operation and Maintenance(OAM)Functionslrfc3443 Time To Live(TTL)Processing in Multi-Protocol Label Switching(MPLS)Networks MPLS 的标记封装第二层封装（链路层技术）MPLS封装第三层封装ATMVCI/VPIFRDLCIPPPEthernetShim LableIP PacketMPLS的标签结构标记EXPSTTL020232431ShimDataIP头MPLS头二层头MPLS的包lMPLS 包头的位置界于二层和三层之间俗称2.5 层;lMPLS 可以承载的报文通常是IP包;l当然也可以改进直接承载以太包ATM 的AAL5 包甚至ATM 信元等;l这在MPLSVPN 中有详述,可以承载MPLS 的二层协议，也可以是PPP、以太网、ATM 和帧中继等 MPLS的网络结构l组成MPLS网络的路由器逻辑上可分为边缘路由器LER和LSR核心路由器LER是MPLS网络同其他网络的边缘设备，它提供流量分类和标签的映射（作为Ingress）、标签的移除功能;LSR 是MPLS网络的核心交换机，它提供标签交换（Label Swapping）标签分发功能 MPLS的概述MPLS 可以看做是一种面向连接的技术。通过MPLS 信令或手工配置的方法建立好MPLS 标记交换连接(Label Switched Path)简称LSP 以后，在标记交换路径的入口把需要通过这个标记交换路径的报文打上MPLS 标签，中间路由器在收到MPLS 报文以后直接根据MPLS 报头的标签进行转发，而不用再通过IP 报文头的IP 地址查找。在MPLS 标记交换路径的出口或倒数第二跳弹出MPLS 包头还回原来的IP 包，在VPN 的时候可能是以太网报文或ATM 报文等。MPLS网络结构MPLS的功能结构MPLS的操作过程()标记分配协议利用域内路由协议(、等)所建立的路由为相邻的路由器分配标记,从而建立起标记交换路径()分组数据进入边缘路由器并确定分组数据所需的第三层服务,如、带宽管理等,为每一分组数据加上标记并转发。()根据收到的分组数据上的标记直接进行转发,并对标记进行处理,包括弹出、替代等。()出口处的去掉分组数据的标记,分析分组数据头,将其转发至最终的目的地。1a.路由协议路由协议(e.g.OSPF,IS-IS)得到网络路由表得到网络路由表1b.核心信令（核心信令（LDP/RSVP）建立到）建立到 目的网络的标签映射目的网络的标签映射2.入口边缘路由器接受到入口边缘路由器接受到 IP包，并将包，并将IP包加上标签包加上标签IPIP104.出口边缘路由出口边缘路由器剥离标签，继器剥离标签，继续转发数据包续转发数据包IPMPLS操作3.LSR交换标签，完交换标签，完 成转发成转发IP20IP40几种标记分发协议标准的标记分发协议(LDP)(IETF.LDP draft-ietf-mpls-ldp-11.txt,02/2001)RSVP信令协议的扩展(IETF.draft-ietf-mpls-rsvp-lsp-tunnel-02.txt,03/1999)基于约束参数的LDP协议 (IETF.CR-LDP draft-ietf-mpls-cr-ldp-03.txt,03/1999)标记分发协议(LDP)的功能 MPLS的信令与控制协议发布映射传递路由信息建立与维护标记交换路径LDP 的基本规程发现阶段会话建立与维护标记交换路径建立与维护会话的撤消LDP的发现机制基本发现机制,用于发现通过链路层直接相连的LSR.扩展发现机制,用于发现不通过链路层直接相连的LSR.此两种不同发现机制的区别扩展RSVP对RSVP的改进l在基本RSVP规范的基础上增加许多功能，以支持显式路由的建立和管理；l使RSVP的信令过程发生在流量中继的输入和输出点之间，而非主机之间；l扩展的RSVP实现一组新的状态集，可应用于一组共享同路径与网络资源的业务流。相对RSVP为每一业务流建立一套状态的方式，节省了网络核心路由器的RSVP信息量，有利于网络的可扩展性；lRSVP的转发状态是分布式的，与MPLS标记的分发方式是相同的；l扩展RSVP作为一种软状态技术，在其扩展方案中采用了一些扩展技术，提高了可扩展性、时延性能、减低开销、减少信息量；l扩展RSVP建立的路由可在一对LSR之间实现多个或多组业务流的资源预留，而非象传统的RSVP，是针对所有的业务流的资源预留l扩展RSVP建立的路由将不是面向目的地的路由，而是基于各种约束条件的显式路由；CR-LDP的简介lCR-LDP采用的是显式路由来支持QoS，在建立过程中明确地指定LSP所经过的全部或部分节点；l为不同的LSP制定不同的优先级，路由的选择将受到各种业务要求的限制，而非Best Effort式的路由；l可以通过TLV与消息的扩展来实现一些性能；CR-LDP可以实现的性能l严格路由与松散路由l业务量QoS参数支持能力l路由锁定（Pinning)能力l通过建立与保持优先级机制，提供CR-LSP的替代能力l差错处理能力l标记交换路径标记（LSP-ID)l资源分级CR-LDP与扩展RSVP的比较RSVP只能使用属于下游按需方式的标记分配.分发与映射机制,功能多样性不如 CR-LDP,但其成熟完善,对于实现组播有利.扩展RSVP消息用IP传输,不具备可靠性和流控,LSP的刷新需30秒,清除需90秒,此3090秒的时延对骨干网是不可忍受的.如果两种信令机制并存,则违反了集成模型的初衷.且使网络控制复杂,规划难度加大,运营成本增加.与扩展RSVP不同,CR-LDP独立于传输层协议,在信令消息传输机制的选择上,也有很大的灵活性.如可使用TCP,也可使用UDP.CR-LDP是由源端发起的协议。在和ATM技术的结合上,同属连接性技术的 CR-LDP具有更大的优势.MPLS的两种路由机制逐跳路由实现简单,已经有OSPF,IS-IS等路由协议可供使用可以利用现有设备中的路由功能没有流量工程能力是MPLS基本的路由机制(用于尽力而为的业务)显式(Explicit)路由由LSP的入节点或出节点决定,不受动态路由算法的影响可以实现许多灵活的功能,在路由的计算中将可以引入各种约束条件路由只由少数节点完成,运营商可以方便地指定统一的路由策略和进行整体的业务量规划.有关MPLS的两种路由机制的说明lMPLS网络中的路由首先由第三层路由协议决定,这一路由随后被映射到第二层路径上lMPLS虽然使用了逐跳路由方式,但是对于IP包的处理并不是逐跳进行的.MPLS只是在建立标记交换路径和标记转发表的过程中使用的是逐跳方式.l显式路由方式只是在建立LSP的过程上与逐跳路由方式有所不同,当LSP 建立成功之后,在对分组的转发操作上,二者没有任何不同.在标记转发表中,也无法区分.MPLS的路由循环控制循环检测机制循环防止机制MPLS的隧道与层次化路由逐跳路由隧道显式路由隧道LSP隧道分层:LSP中的LSP隧道标记分配对等实体与层次明确对等实体默认对等实体MPLS的标记合并l基于CR-LDP的ATM的标记合并l基于扩展RSVP的标记合并倒数第二跳弹出倒数第二跳弹出的意义使用倒数第二跳弹出的情况LSP控制方式独立LSP控制有序LSP控制采用有序LSP控制的两种情况:1.要保持特定FEC中的业务流在具有某 些特性的路径传送2.建立 LSP后识别相应的FEC聚合MPLS聚合的意义聚合的三种方式:聚合成一个FEC聚合成FEC类不进行聚合MPLS over ATM的一种方案l最主要的一种方式就是()模式,概括地说,模式就是与已有的第层交换协议(如信令)并存于同一网络,即在同一网络中运行和的控制与选路软件。l模式具有以下优点:l()硬件中原已嵌入的业务流管理功能可以得到充分利用;l()与集成于同一网络,用单一平台提供多重业务；l()增加已有网络的利用率,保护基础设施的投资。l()空间分隔:和运行于同一平台上,因此如何合理分配位的空间是一个关键。在初始化阶段利用协议申请空间;则利用()隧道进行申请。l()业务流量管理:包括带宽管理、排队与调度等,带宽管理是保证模式正常运行的一个重要方面,而排队和调度用来支持各种业务类别的优先级。利用显式路由技术进行业务流量管理。l()节点的处理能力:在每一个节点上,运行自己的信令和路由软件(或)并储存网络拓扑结构数据,同时也运行其信令()和路由(、等)软件并储存网络拓扑结构数据,这对每一节点的处理能力(、内存)提出了很高的要求。模式的技术关键MPLS的可选项在研究报告中简单讨论传输的可靠性l使用UDP还是TCP问题存在QoS的原因和解决方法存在QoS的原因:用户数量的增加造成网络资源不足,从而导致服务质量的下降现有的网络性能无法满足各种新型实时业务的各种具体服务质量要求 解决方法:流量工程(Traffic Engineering)QoS的直接实现MPLS的QoS机制Diff-serv将成为未来广域网中居统治地位的QoS技术。在局域网中应用可以根据需求选择所要使用的QoS技术，可以是Int-serv或Diff-serv,也可以是现有的网络所提供的QoS能力。MPLS与Int-serv的结合问题MPLS与Diff-serv的结合MPLS与Int-serv的结合问题lMPLS应用于边缘网络时，有可能需要对Int-serv模型进行支持；lMPLS可以使用扩展RSVP作为其控制协议，由于Int-serv模型的信令协议就是RSVP，所以用扩展RSVP可以直接实现各种Int-serv所规定的业务；lMPLS若要通过CR-LDP来实现，则就存在CR-LDP与Int-serv网络中RSVP的互通问题；MPLS与Diff-serv的结合MPLS与Diff-serv的结合有六种方案：1、模拟Diff-serv方案2、基本MPLS Diff-serv方案3、多路径方案4、L-LSP方法5、E-LSP方法6、扩展E-LSP方案我们所关心的问题及结论在研究报告中讨论MPLS与链路层协议的结合1999年9月ITU-T的SG13的IP专家组会议，对公用ATM网传送IP的MPLS技术方案提出了建议的草案I.ipatm。使用ATM交换机来实现MPLS(P192209)在帧中继上实现MPLS(P209221)MPLS VPNVPN与IP VPN隧道协议的构成（P223）现有IP隧道协议的比较(P227)利用公网拨号及接入网实现VPN(P228235)虚拟租用线（VLL)VPN虚拟专用路由网络VPRN(P236244)虚拟路由MPLS VPNBGP MPLS VPN总结l1、MPLS是商业IP网络关键技术，它允许服务提供商首次在单一网络上获得IP、ATM、FR的综合利润。因为MPLS提供IP的灵活连接和可扩展性，一级FR和ATM的私有性和QOS，它已经变成广泛被接受的标准了。作为结果，MPLS是进入新的网络世界的关键。l2、MPLS将帮助运营商提供更好的IP 服务，MPLS将会带来更多的带宽控制、吞吐量保证和虚拟专用网功能性 总结l3、MPLS提供了最简单的，最有利可图的方式把现有的收入同新出现的IP服务机遇平衡起来。具有竞争力的运营商能够安装基于MPLS 的IP+ATM基础结构以传送已产生收入的FR和租贷线服务。不具有MPLS 的ATM网络的服务提供商利用现有的投资，逐渐地迁移到IP服务上去。