LEACH路由协议及改进

信息与通信学院MPLS技术（小论文）学号：S314080096专业：信息与通信工程学生姓名：曲艺卓任课教师：安澄全副教授2015年4月MPLS技术曲艺卓哈尔滨工程大学摘要：MPLS是一种实现标签交换的机制，它兼有基于二层交换的分组转发技术和第三层路由选择技术的优点。而MPLSVPN是一种基于MPLS技术的IPVPN，是在网络路由和交换设备上应用MPLS技术，简化核心路由器的路由选择方式，利用结合传统路由技术的标记交换实现的护虚拟专用网络(IPVPN)。MPLSVPN可以充分发挥骨干网的交换和路由选择能力，降低基础建设成本，满足用户网络应用以及提高管理的灵活性。这在构造企业内部网络上提供了巨大便利，同时也能更好的满足用户对信息传输实时性、安全性等方面的需求。关键词：MPLS技术；标签；IP交换1.引言随着网络技术的迅速发展和信息化程度不断的深化，各种网络应用越来越丰富，有越来越多的业务要在网络上运行。应用者需要基于应用的丰富业务，而管理者需要在基础设施上整合各种各样的传统业务和IP业务，不同的应用和业务类型往往有不同的使用者、安全级别，甚至这些应用中IP地址段都有重叠。传统的IP网络在提供比如电子邮件、聊天、WEB访问等基本业务的时候，可以实现任意点对点的服务，但这只是“尽力而为”的服务。在面对园区甚至城域网范围的VPN应用、安全内容传输、无线网络融合等应用时，传统IP网络并不能很好的保证性能和安全性。在这些需求的推动下，基于多协议标签交换（MultiprotocolLabelSwitching,MPLS）的IP网络正逐渐成为替代传统单一IP网络的新的应用平台。2MPLS原理2.1MPLS简介在上世纪90年代中期，当时路由器技术的发展远远滞后于网络的发展速度与规模，主要表现在转发效率低下，无法提供QOS保障。本质原因是所有的路由查找算法均使用最长匹配原则，必须使用软件查找；而IP的特点就是只关心过程，不注意结果。当时业界有这样一种议论：过于简单的IP技术无法承载网络的未来，基于IP技术的因特网必将在几年之后崩溃。随后ATM技术出现了，ATM技术以其完美的QoS保障与算法，企图完全取代IP技术。但ATM由于其无法解决终端使用的问题，且无法与IP很好的融合，在与IP的技术竞争中落败，逐步变成IP链路层，成为一种提供广域网的接入技术。1996年Ipsilon公司提出IPSwitching（IP交换）技术思想，其IPSwitching主要的观念是结合IP和ATM硬件，底层采用ATM硬件，上层采用IP协议，这样避免了使用ATM控制层的复杂操作。ATM技术虽然在市场上逐渐被淘汰，但技术上还是很成功的，首先它摒弃了繁琐的路由查找，改为简单快速的标签交换，转发效率高；其次它将具有全局意义的路由表改为只有本地意义的标签表。从另一方面讲，IP下的MPLS其实也算是对ATM技术的一种延伸。随后Cisco公司宣布了其标记交换技术，提出了TagSwitching（标签交换）的方法，TagSwitching技术为路由表中的每个目的地址分配一个短而定长的标签，并在网络中为这个目的地址建立一条标签转发通道。TagSwitching同IPSwitching相比，在技术上有较大差别，TagSwitching为出现在标记交换路由器路由表中的每个目的地址建立一条转发通道，而IPSwitching则由数据流来建立标签转发表项，它是信赖于控制驱动（有一个相当于ATM协议的控制平面），TagSwitching网络由TagEdgeRouters和TagSwitchingRouters组成。IP数据流被封装在标签中，下一跳的路由确定信赖标准路由算法（如OSPF、BGP等）。标记的绑定和分布采用标记分布协议（TagDistributionProtocol，TDP）。标签交换的构想是ATMSwitch或路由器放在骨干网络的核心部分（Core），成为标签交换路由器（TagSwitchRouter.TSR），路由器放在骨干网络的边缘部分成为边缘标签路由器（TagEdgeRouter），整个TagSwitch的观念在于使用标签（Tag）来进行交换，数据包进入标签交换（TagSwitch）网络后先打上标记，再根据标签在交换机或路由器的交换，把数据包传送出去，在出标签交换（TagSwitch）网络前再把标记剥掉，TagSwitching为MPLS的最终产生建立了坚实的基础。综上所述，MPLS最初是用来提高路由器的转发速度而提出的一个协议，但是由于其具备许多其他的优点，目前它的用途已不仅仅局限于此，还在流量工程（TrafficEngineering）、VPN、QOS等方面得到广泛的应用，从而日益成为大规模IP网络的重要标准。2.2MPLS基本概念MPLS（Multi-ProtocolLabelSwitching）即多协议标签交换，是一种可提供高性价比和多业务能力的交换技术，MPLS属于第三代网络架构，它解决了传统IP分组交换的局限性，是新一代的IP高速骨干网络交换标准。采用MPLS技术可以提供灵活的流量工程、虚拟专网等业务，同时，MPLS也是能够完成涉及多层网络集成控制与管理的技术。2.3MPLS一些常用的术语：（1）标签（Label）：是一个比较短的，定长的，通常只具有局部意义的标识，这些标签通常位于数据链路层的二层封装头和三层数据包之间，标签通过绑定过程同FEC相映射。（2）转发等价类（FEC）：ForwardingEquivalenceClass，是在转发过程中以等价的方式处理的一组数据分组，可以通过地址、隧道、COS等来标识创建FEC；通常在一台设备上，对一个FEC分配相同的标签。（3）标签交换路径（LSP）：一个FEC的数据流，在不同的节点被赋予确定的标签，数据转发按照这些标签进行。数据流所走的路径就是LSP。（4）标签分发协议（LDP）：LDP（LabelDistributionProtocol，标签分发协议）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、CR-LDP（Constraint-BasedRoutingusingLDP，基于约束路由的LDP）；也包括现有协议扩展后支持标签发布的，例如：BGP（BorderGatewayProtocol，边界网关协议）、RSVP（ResourceReservationProtocol，资源预留协议）。同时，还可以手工配置静态LSP。（5）标签交换路由器（LSR）：LabelSwitchingRouter，LSR是MPLS的网络的核心路由器，它提供标签交换和标签分发功能。（6）边缘标签交换路由器（LER）：LabelSwitchingEdgeRouter，在MPLS的网络边缘，进入到MPLS网络的流量由LER分为不同的FEC，并为这些FEC请求相应的标签。它提供流量分类和标签的映射、标签的移除功能。2.4MPLS的基本原理MPLS是一种第三层路由结合第二层属性的交换技术，引入了基于标签的机制，它把路由选择和数据转发分开，由标签来规定一个分组通过网络的路径。MPLS网络由核心部分的标签交换路由器（LSR）、边缘部分的标签边缘路由器（LER）组成。LSR的作用可以看作是ATM交换机与传统路由器的结合，由控制单元和交换单元组成；LER的作用是分析IP包头，用于决定相应的传送级别和标签交换路径（LSP）。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）LER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[1]。图2-1MPLS体系结构MPLS网络的体系架构如图2-1所示，其基本构成单元是LSR与LER。标签交换路由器LSR（LabelSwitchingRouter），由LSR构成的网络叫做MPLS域，位于区域边缘和其他用户网络相连的路由器成为LER（LabeledEdgeRouter）。核心LSR可以使支持MPLS的路由器，也可以是由ATM交换机等升级而成的ATM-LSR，分组被打标后，沿着由一系列LSR构成的标签交换路径LSP（LabelSwitchedPath）传送，其中入口LER叫Ingress，出口LER叫Egress。3MPLS关键技术3.1MPLS关键技术MPLS技术是ATM技术与IP技术结合的产物，充分利用了IP网络的路由特性和ATM网络的交换技术，综合了两者的优点。它吸收了ATM的VPI/VCI交换的一些优点，无缝地集成了IP路由技术的灵活性和二层交换的简捷性，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，IP网增加了一些管理和运营的手段。MPLS包头的位置界于二层和三层之间，俗称2.5层。MPLS可以承载的报文通常是ip包（当然也可以改进直接承载以太包、ATM的AAL5包、甚至ATM信元等）。承载MPLS的二层协议可以是PPP、以太、ATM和帧中继等。对于PPP或以太网二层装，但是对于ATM或帧中继，MPLS则直接分别采用VPI/VCI或DLCI做为转发的标签。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MPLS标记交换连接（LabelSwitchedPath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。3.2MPLS信令通常使用的建立MPLS标记交换路径的信令有LDP/CR-LDP、RSVP-TE、BGP扩展等，其中LDP/CR-LDP和RSVP-TE是用来建立标签连接通路，LDP的标签分配模式有DoD（DownstreamOnDemand下游按请求分配标签模式）和Du（DownstreamUnsolicited）下游未被请求标签分配模式）两种方式，LDP能够建立到某个目的路由其或目的子网的LSP，它的路由的每一跳是根据路由表确定的，也就是说LDP建立的LSP只有把需要转发的IP报文打包成MPLS，实际走的路由还是和原来的IP包走的路由是一样的。LDP建立的LSP没有平衡流量的功能，只能起到建立虚连接的作用。CR-LDP和RSVP-TE则能够携带带宽、部分明确路由、着色等约束参数，其中着色约束条件可以用来标识一个链路的性能，如是否支持Voip等、还是只支持Best-Effort业务，也可以用来做为地域的标识。CR-LDP或RSVP-TE要建立满足这些约束条件的LSP，必须通过流量工程的约束路由计算。从完成的功能来说，两者是一样的，两种协议都可以做各种扩展满足QoS的要求。从内部实现机制来看CR-LDP信令协议是基于TCP的，RSVP-TE是对原有的RSVP做扩展，是基于RawIP的。由于UDP的传输是不可靠的，RSVP-TE需要对LSP的状态定期刷新，存在一定的可扩展性问题。这两种协议在国际、国内标准认可方面大家都是比较偏向LDP/CR-LDP，它是ITUT认可的MPLS信令标准，也是中国国标中认定的MPLS信令标准。CR-LDP和RSVP-TE的争论还在继续，现在大多数设备厂家都同时支持CR-LDP和RSVP-TE，扩展BGP协议的各种扩展则可以为MPLSVPN建立跨AS域的外层承载隧道或者是VPN应用分配VPN的内层标签。3.3LDP的工作过程MPLS通过简单的核心机制来提供丰富的标签分配及相关处理功能。构成MPLS协议框架的主要元素有标签分配协议（LDP），标签映射表（LIB）和转发信息库（FIB），其中