第六章MPLS与帧中继和ATM的结合

MPLS与ATM和帧中继的结合•ATM是一种目前应用比较广泛的基于信元的交换技术。在ATM交换网络中，根据信元头部的虚拟通道标识（VPI）和虚拟通路标识（VCI）对信元进行交换。•MPLS作为一种具有普适性的技术，提供了对下层网络为ATM的支持。6.1ATM和标签交换•虽然都属于分组交换，但ATM交换与传统的IP转发不同。•传统的IP转发中，路由器读取IP包头部中的目的地址信息，将目的地址与路由表中的地址前缀进行最长匹配运算，以最佳匹配结果来做出转发决定。这种匹配运算不是定长的部分匹配算法，算法复杂程度因地址前缀的不同而不同。通常，IP转发运算由软件或专用芯片完成。•在ATM交换中，ATM交换网络对信元转发方向的选择完全根据信元携带的VPI/VCI值决定，进行的是针对定长的完全匹配运算。定长匹配算法相对比较简单，通常由硬件完成，因此ATM交换的效率比较高。一、概述•MPLS采用的也是以定长匹配算法来提高传统IP转发的效率，某种程度上来说与ATM交换非常相似。•如果直接在ATM网络上运用MPLS，VPI/VCI就成了相对意义上的标签，现有的ATM交换机只需要做较少的改动就可以支持MPLS（主要是对MPLS信令的扩展）。•以ATM交换机作为标签交换路由器的应用。这些ATM交换机运行网络层的路由选择协议，而其数据转发就根据这些路由选择协议的路由选择结果，不需要ATM专用的路由选择或寻址方式。这类ATM交换机称为ATM_LSR。•通常ATM_LSR使用下游按需标签分配方式，特别是对于不支持VC合并的ATM交换机。•由标签交换控制部件（LabelSwitchingControlComponent）控制的ATM接口称为LC-ATM即标签交换控制的ATM接口。这类接口上传输的包为加上标签的包，其标签栈顶部的标签在VPI/VCI域中。•ATM_LSR之间通过标签分发协议LDP来协商决定标签使用部分还是全部VPI/VCI域。•一个ATM_LSR通常具有若干个LC-ATM接口，这些接口之间以标签方式传输数据包，而标签分配过程则通过ATM_LSR之间的非标签接口进行。当然ATM_LSR为了和其他标签交换路由器或非标签交换路由器连接，也可以具有一般的非标签或标签传输接口（如一般的ATM接口或基于帧的标签接口）。•通常LC-ATM接口同时支持直接的和基于帧的标签接口相连。•MPLS架构的规定相当灵活，但由于硬件和ATM标准的约束，ATM_LSR具有一定的特殊性，在于：–由于标签交换过程基于信元头中特定的域（VCI或VPI/VCI），所以标签的位置和长度就受到了限制。–一般的ATM_LSR不支持多点到点或点到多点（树形）的VC连接，即大多数ATM_LSR不支持VC合并。–由于受到ATM信元格式的限制，ATM_LSR通常不支持IP路由器对IP包头所进行的TTL递减操作功能。二、ATM_LSR•ATM交换机通过ATM接口互连在一起，构成一个ATM交换网络，具有ATM_SAR（分割及拼接子层）接口的路由器通过ATM交换机的ATM接口接入ATM交换网络，整个ATM交换网络是一个子网，如下图所示：•路由器之间通过由人工配置或专用网络节点接口（PNNI）协议建立的永久虚电路（PVC）或交换虚电路（SVC）连接。•在这种网络拓扑结构中，路由器只是边缘设备，用于将各个子网接入由ATM交换机构成的ATM交换网络。ATM交换网络ATM交换机PVCR2R1ATMSAR接口ATMSAR接口用ATM交换网连接具有ATMSAR接口的路由器网络协议结构IP报文LICHCS_PDUTATMHATMHATMHIP报文LLC帧AAL5CS_PDU信元IPLLCAAL5ATM物理层IPLLCAAL5ATM物理层ATM物理层ATM物理层ATM物理层ATM物理层路由器路由器ATM交换机ATM交换机报文格式转换•由于ATM接口具有广域网范围的传输距离和高速传输速率，很适合作为IP骨干路由器的接口。•用带有ATM接口的IP骨干路由器构成的IP主干网如下图所示：RAR1R3R4R2RBATM接口网络拓扑结构IPLLCAAL5ATM物理层IPLLCAAL5ATM物理层IPLLCAAL5ATM物理层IPLLCAAL5ATM物理层IPLLCAAL5ATM物理层IPLLCAAL5ATM物理层协议结构IPMPLSLLCAAL5ATM物理层MPLSLLCAAL5ATM物理层IPIPMPLSLLCAAL5ATM物理层MPLSLLCAAL5ATM物理层MPLSLLCAAL5ATM物理层MPLSLLCAAL5ATM物理层RAR1R3RBMPLS协议结构IPLLCAAL5ATM物理层IPLLCAAL5ATM物理层ATM物理层ATM物理层ATM物理层ATM物理层ATM_LSR协议结构ATM_LSR结构•一个ATM_LSR由四部分构成：–路由控制部分：通过和相邻ATM_LSR交换路由信息，生成路由表。–标签交换控制部分：完成标签的分配、分发和转发表的建立。–标签交换控制ATM接口：对携带标签的报文（ATM信元）直接进行交换。–ATM交换硬件：负责信元交换和标签替换。路由控制部分标签交换控制部分ATM交换硬件LC-ATMLC-ATMLC-ATMLC-ATMOSPF、RIPLDP、RSVPATM_LSR结构M保留保留最小VPI最大VPI最小VCI最大VCIATM_LSR标签空间定义2Byte2Byte00保留ATM标签（0201H）V长度VPIVCIATM_LSR使用的标签格式111416输入接口n输入标签VCI/VPI/VPI+VCI输出接口m输出标签VCI/VPI/VPI+VCI转发表格式•通过特定的VPI或VCI字段值，LC-ATM可以区分出是携带标签的报文（直接交换的ATM信元），还是需要高层处理的没有携带标签的报文（不能直接转发的ATM信元）。•这里不能直接转发的ATM信元是指用来组成LDP消息、路由协议消息的ATM信元，这些ATM信元必须在LC-ATM重新装配成AAL5帧格式，再送交高层进行处理。•如果一个ATM_LSR的所有接口都是LC-ATM，那么它就属于非边缘ATM_LSR（核心ATM_LSR）。•如果ATM_LSR的若干接口属于LC-ATM，但存在其他类型的网络接口，那么它就属于边缘ATM_LSR。•其他网络通过边缘ATM_LSR接入由ATM_LSR构成的MPLS域（ATM_LSR域），边缘ATM_LSR就作为ATM_LSR域的入口或出口节点。三、ATM的标签交换控制•ATM交换机通过标签控制部件支持标签交换，标签控制包括标签分配、发布以及维护过程。•标签绑定信息可以通过多种方式传递，主要是使用LDP。•标签控制部件只使用从网络层路由选择协议（如OSPF,RIP等）直接得到的信息。•在某些情况下，标签绑定信息可能通过其他协议发布，如RSVP、BGP等（此时，ATM交换机应该支持这些协议）。•标签交换是通过将标签值与转发等价类FEC相关联，从而使用标签及其互换实现数据包的转发。•在ATM_LSR应用中，标签值携带在VPI/VCI域或VCI域中。•ATM_LSR之间还需要一个连接来传送非标签的IP包，用于传送LDP或路由选择协议包。四、ATM_LSR域LSP建立过程•目前讨论的LSP建立过程只涉及两种ATM_LSR连接方式：–直接连接方式：相邻两个ATM_LSR直接通过LC-ATM相连，中间不经过任何ATM交换机。VPI、VCI及其组合均可作为标签分配。–通过ATM虚通道相连：相邻两个ATM_LSR可以通过一个ATM交换网互连，ATM_LSR接入ATM交换网的接口都是LC-ATM。VPI用来识别ATM交换网在两个ATM_LSR之间建立的虚通道，所以只能用ATM信元的VCI作为信元的标签。五、VC合并•在根据目的IP地址确定FEC的应用中，多个不通发送者到同一接收者的多条LSP可以在一些中间节点合并，这种合并可以节省有限的标签资源，也减少了转发表中的记录项，从而提高LSR的转发速率。•在ATM_LSR中VC的合并并不容易实现。因为合并后出口LSR无法根据相同的VPI/VCI来区分属于不同IP报文的ATM信元，从而导致装配过程无法进行。所以在ATM_LSR中通常不支持VC合并。•VC合并的方法：–将VPI作为标签，而将VCI用作区分不同发送者的标识符。这样将大大降低标签的分配空间。–ATM_LSR将属于同一IP报文的信元全部收齐后，再连续从输出接口转发出去，这样可以保证出口LSR连续接收到的一组ATM信元肯定属于同一IP报文，但这样增加了ATM信元的转发时延、可能导致QoS无法实现，同时也增加了对缓冲器的要求。六、TTL操作•一般的LSR每次转发MPLS报文，都对MPLS首部中TTL字段值减一，如果发现TTL字段值为0，表示该MPLS报文可能进入了环路，予以丢弃。•但ATM_LSR只根据ATM信元首部的VPI/VCI字段进行转发，ATM信元首部不涉及任何有关IP报文的TTL信息，因此对进入ATM_LSR域的MPLS报文的TTL操作只能在边缘LSR上进行。6.2帧中继和标签交换•帧中继网互连IP路由器的网络拓扑结构如下图所示：•两个路由器可以通过帧中继信令协议在帧中继网络中建立一条交换虚电路（SVC），或通过配置帧中继网络建立永久虚电路（PVC）。•建立的虚电路（VC）用数据链路连接标识符（DLCI）予以标识，帧中继网络中的帧中继交换机根据数据帧所携带的DLCI来转发数据帧，这个转发机制和MPLS的标签交换转发机制非常类似。一、帧中继LSRFRRBFRFRFRRA帧中继交换机帧中继交换网UNIUNI用帧中继网络互连IP路由器的拓扑结构路由器B帧中继交换机帧中继交换机帧中继交换机IPLLCLAPF(核心)物理层IPLLCLAPF(核心)物理层LAPF(核心)物理层LAPF(核心)物理层LAPF(核心)物理层LAPF(核心)物理层路由器A协议结构IP报文LICHLAPEHIP报文LLC帧帧中继数据帧报文格式转换•这种网络拓扑结构将帧中继交换网络作为核心设网络，路由器作为边缘设备，如果在路由器两两之间建立PVC，需要建立O（）条PVC。•另外，由于网络不是以路由器为核心的网络，其控制能力和灵活性很受限制，这些都对帧中继网络技术构建大型IP主干网络造成一定的困难。•和ATM交换网络一样，构建大型IP主干网络的路由器可以是具有帧中继接口的高速IP路由器。拓扑结构图如下图所示：•虽然这种由带帧中继接口的路由器构成的IP主干网络的拓扑结构和用帧中继网络互连IP路由器的拓扑结构非常类似，但从边缘路由器A传送报文到边缘路由器B的协议结构和报文格式转换都发生了重大变化。2nFR1RBFR2FR3FR4RA带帧中继接口的路由器构成的IP主干网络带帧中继接口的路由器•在上图中，所有接口都是帧中继接口的路由器称为核心路由器，而带有非帧中继接口的路由器称为边缘路由器，即便是核心路由器，也必须将从帧中继接口接收到的数据帧还原成IP报文，把IP报文提交网络层协议处理。•由于IP报文在每个带帧中继接口的路由器都要进行网络层相关操作（如报文过滤等），同时需要根据IP报文的目的IP地址对路由表目的IP地址进行最长匹配，从而确定下一跳路由器和转发路径，其处理IP报文的过程比较复杂，因此降低了带帧中继接口的路由器的IP报文的转发速率。IPLLCLAPF(核心)物理层IPLLCLAPF(核心)物理层IPLLCLAPF(核心)物理层IPLLCLAPF(核心)物理层IPLLCLAPF(核心)物理层IPLLCLAPF(核心)物理层路由器A路由器B带帧中继接口路由器带帧中继接口路由器由带帧中继接口的路由器构成的IP网络的协议结构•引进MPLS技术后，通过LSP的信令协议（如LDP、扩展RSVP）在边缘路由器A和B之间建立LSP，并利用标签交换转发机制从边缘路由器A把数据报文转发到边缘路由器B，通过LSP传输数据所涉及到的协议结构如下图所示：MPLSLLCLAPF(核心)物理层MPLSLLCLAPF(核心)物理层MPLSLLCLAPF(核心)物理层MPL