网络融合技术MPLS

2020/2/6关于MPLS(多协议标记交换技术)南京邮电大学张顺颐2020/2/6ATM技术的发展ATM技术（异步传输模式）在九十年代问世以后，发展很快。曾经有人预料，这是下一世纪通信网络的核心技术。因为ATM技术质量很好，传输容量大，当时光通信技术在主干和骨干网络上已经完成，但是能够完成大容量的交换和传输设备没有赶上，对比而言，用于交换的技术中，最好的就是ATM。2020/2/6ATM的发展势头受到IP技术的阻挡然而，ATM设备价格昂贵，难以大规模普及。其次，ATM设备采取信元技术，格式固定；此外ATM与丰富多彩的上层的应用结合得不太理想。IP技术在实用化以后，发展更快，有人认为，这是取代现有通信传输技术的技术。IP技术的优势就是基于IP技术的因特网的应用非常普及。但是IP技术的最大劣势是服务质量和管理。IP技术是尽力而为，其QoS不理想。2020/2/6IP技术和ATM技术的融合因此发生了两种观点的争执：在2000年前后，曾经有人发出电信网即将被IP网络取代的预言。但是几年后，事实证明，电信网也可以兼容和接纳IP技术。图：ATM主干网络及PVC（永久虚电路）2020/2/6IP地址和ATM的地址IP网络的地址，长度32位，分为A、B、C、D、E5类：A类地址：首位0，B类地址：头两位10，C类地址：头3位110，D类地址：头4位1110，为组播地址；E类地址：头5位11110，E类地址供今后使用；ATM地址是ISO制定的20位字节的网络服务访问点NSAP编码。2020/2/6主干网络和接入网络主干网络采用ATM交换机连接；接入网络也采用ATM交换机作为网内的交换方式，但是网络之间，接入网络与用户网络设备之间都是通过路由器连接的。因为路由器就是网络连接设备，是在网络层上进行数据交换的设备。骨干网络和接入网络的区别是网络内的数据传输的速度不同。主干网络内部数据传输的速度很高。而接入网络内数据传输的速度相对就低很多2020/2/6ATM主干网络2020/2/6永久虚电路PVC成为路由器之间连接的骨干网络2020/2/6汇接点为此，就需要设置汇接点PoP，用来缓冲两者之间速度的差异。图中PoP称为汇接点（PointofPresence）。汇接点PoP中，有两种路由器：接入路由器（accessrouter），也称为边沿路由器（borderrouter），这类路由器用来与用户的设备相连接，因此数量大，速度低。主干路由器（backbonerouter）或核心路由器（corerouter），一般一个汇接点PoP中使用一个，速度很高。2020/2/6主干网络汇接点PoP之间连接通过主干的ATM交换机。这样的好处是，因为ATM是面向连接的，但是是虚连接。其间的电路是永久虚电路PVC。这样，避免了每一次使用虚电路时都要建立虚电路，使用完毕，再释放虚电路。于是，建立在ATM基础之上的主干电路网络就如同为IP层提供了一个直通的信道。这种方式称为“覆盖模型”。具体的技术有：ATM上的传统IP规范IPOA（ClassicalIPOverATM），局域网仿真LANE（LANEmulation），ATM上的多协议规范MPOA（MultiprotocalOverATM）。2020/2/6两种地址的矛盾问题在于，主干网络上的主干路由器必须有两种地址：一是为了与网络上的其它IP设备通信的IP地址，另一种是与ATM设备通信的ATM地址。2020/2/6IP数据包在主干网络中的传输当IP数据包通过主干路由器进入或者离开主干网络时，主干路由器就需要进行地址的适配。以IP数据包进入主干网络为例，此时主干路由器需要完成以下工作：1、拆分数据包，提出其中的目的地址，查找路由表，确定下一跳路由器的地址，由于主干网络是全连接，下一跳的路由器地址即网络中出口路由器地址；2020/2/6IP数据包在主干网络中的传输2、由于ATM层是IP层下面的传输通道，也就是相当于IP网络的数据链路层，所以，需要从ATM设备连接的主干网络确定出口路由器的ATM地址。因为只有确定ATM设备的地址以后，才能完成传输IP包的工作；3、入口处的路由器将所得到的出口路由器的ATM地址与IP数据包同时送往ATM主干网络；2020/2/6然后，由ATM主干网络完成以下工作：然后，由ATM主干网络完成以下工作1、确定通向目的ATM设备的虚通路的虚通路标识符VCI。由于ATM主干网络中已经建立了一个ATM到VCI的影射表，这个表是静态的（因为使用的是永久虚电路）；2、虚通路的发送端，即入口路由器将数据报分割，形成ATM需要的53字节的ATM信元，以便在ATM网络中传输；在ATM信元到达出口路由器后，再将ATM信元还原成原来的IP数据报；2020/2/6问题的产生：由此可见，在网络中的传输过程是比较复杂的，网络的传输速度由于拆分和重组数据报而大受影响，传输的效率也很低。（因为ATM传输格式是固定的，而IP数据报的长短是随意的。多次拆分影响速度，包的长度不同，影响效率。IP是无连接的，而ATM是面向连接的；IP的QoS是尽量保证，而ATM是保证质量的。）2020/2/6ATM网络发展受到阻碍的原因：这种传输模式还带来另外一个所谓N×N即N²问题（实际上是N×（N－1）问题）：即每增加一个主干路由器必须同时建立该主干路由器到其它各个主干路由器的永久虚电路，这样，网络复杂性大大增加；分组转换时增加的ATM信元的5个字节降低了效率（常称之为“信元税”）；同时维持两种体系结构和地址体系是非常困难的事情。这样使得ATM的发展遇到很大的困难。2020/2/6MPLS技术的产生：MPLS是解决这一困难问题的一个方案。IETF（互联网工程任务组）在1997年成立MPLS工作组。目标是开发出一种将第三层的路由选择功能和面向连接的第二层的交换功能综合在一起的新的协议标准，以便使得IP和ATM技术结合得更好一些。这就是多协议标记交换MPLS。在这之前，类似的技术有：CISCO公司的TAGSwitch（标记交换），Ipsilon公司的IP交换等。2020/2/6技术发展的前景：目前这方面的技术发展是：1、MPLS技术仍然受到重视。这是因为由于高速路由器的发展，其转发IP的速率可以与ATM媲美，ATM设备在速度方面的优势逐步在减少和消失；2、全IP网络的发展有了新的局面。不用ATM的高速数据网络正在尝试，并且取得了成功，。QoS的质量也逼近电信的质量标准，故ATM已经不再发展，虽然尚未被淘汰，但是已经开始退出骨干网络；2020/2/6技术发展的前景：3、MPLS的特殊功能，仍然适用目前的网络实际，比如：支持面向连接的服务质量；支持流量工程，平衡网络负载；有效地支持虚拟专用网VPN；支持多种网络协议；2020/2/6MPLS的工作原理：传统的IP网络中，分组每到达一个路由器，路由器每接收一个分组，都必须拆开主干IP包，检查其中的目的地址，然后查找路由表，按照“最长前缀匹配”的原则找到下一跳的IP地址。由于每个IP目的地址的前缀的长度不是相等的，也就是前缀的长度是不确定的。当网络很大时，查找规模很大的路由表就比较费时，甚至于一旦出现突发性的通信量时，会引起时延大大增加、服务质量下降、甚至分组的丢失。图：MPLS的工作原理2020/2/6MPLS的工作原理LSR2020/2/6MPLS的工作原理：MPLS的出发点，就是舍去“通过长度可变的IP地址前缀来查找转发器中下一跳地址的办法”，而是使用一个很简单的“转发算法”，给分组打上固定长度的“分组标记”，在转发分组时，用硬件进行转发。这就省去了分组每到达一个路由器都需要拆包、到第三层用软件查找路由表这一过程。所以转发效率大大提高。给分组打上“标记”，用硬件技术给分组转发，这就是“标记交换”。2020/2/6MPLS的工作原理：这一交换不是在第三层（在第三层拆包，用软件分析第三层的IP首部，查找转发表），而是在第二层给分组打上“标记”，用硬件转发。从而大大节省了转发的时间，提高了QoS。这种“标记交换”不仅可用于ATM，也可以使用多种链路层的协议，如IPX、DECnet、PPP以及以太网、帧中继等。故称之为“多协议标记交换”。2020/2/6MPLS的使用：使用MPLS技术时，由于是另外在第二层上打上“标记”，所以在使用MPLS技术的网络中必须全部采用，而不是一部分采用。这时候支持MPLS技术的路由器称为标记交换路由器LSR（LabelSwitchingRouter）,LSR组成的网络称为MPLS域。2020/2/6MPLS的工作原理LSR2020/2/6MPLS的使用：LSR同时具有标记交换和路由选择两个功能。因为LSR虽然使用标记交换功能对于分组进行快速转发，但是很显然，在转发之前LSR必须使用原来的路由转发的功能来改造分组的标记转发表。虽然在一个网络的一次转发中只需要构造一次。2020/2/6MPLS的工作过程：1、MPLS域中各LSR使用专门的“标记分配协议LDP”交换报文，找出与特定的“标记”相对应的路径，这一路径称之为“标记交换路径”。如图中的A→B→C→D,各个LSR根据这一路径确定构造适应MPLS的分组转发表。此过程与路由器的分组转发表类似；2020/2/6MPLS的工作过程：2、当一个分组进入到MPLS域时，由MPLS域的入口结点给分组打上标记，按照标记交换分组转发表的规定，将分组转发到下一个LSR。3、所有的LSR都按照标记进行转发。（有的资料中讲，每转发一次需要更换一次标记，为什么？实际上在一个MPLS域中，确定一次即可。）4、当分组离开MPLS域时，MPLS出口节点将分组的标记去除，还原到原来的转发方式。2020/2/6转发等价类FEC（ForwardingEquivalenceClass）：FEC:路由器按照同样的方式对待和成立的分组的集合。所谓“同样的方式对待”表示从同样接口转发到同样的下一跳地址，并且具有同样服务类别和合同样丢弃优先级。2020/2/6转发等价类FEC（ForwardingEquivalenceClass）：FEC使用的例子：目的IP地址与某一特定IP地址的前缀匹配的分组（相当于普通的路由器）；所有源地址与目的地址都相同的分组；具有某种服务质量需求的分组；FEC的分组由网络管理员控制，比较灵活。FEC与标记时一一对应。2020/2/6转发等价类FEC（ForwardingEquivalenceClass）：FEC用于网络负载平衡的例子－（流量工程，或称通讯量工程）图：主机H1和H2分别向主机H3和H4发送大量数据。路由器A和C是必经的，其中A-B-C为最短路径。所以传统的路由选择协议必然给定A-B-C路由，这样将导致这一最短路径过载。2020/2/6传统路由选择协议使最短路径过载主机H1和H2分别向主机H3和H4发送大量数据。路由器A和C是必经的，其中A-B-C为最短路径。所以传统的路由选择协议必然给定A-B-C路由，这样将导致这一最短路径过载。2020/2/6转发等价类FEC（ForwardingEquivalenceClass）：但是在MPLS的情况下，入口节点可以设置两种转发等价类FEC，即：1、源地址H1、目的地址H3的分组，取H1-A-B-C-H3路由，和2、源地址H2、目的地址H4的分组，取H2-A-D-E-C-H3路由。这两个路由就是转发等价类，使得网络的负载较为平衡。此为流量过程或通信量工程。2020/2/6利用FEC使通信量分散2020/2/6标记栈和标记对换：MPLS的一个重要功能就是构成标记栈（labelstack）。标记交换路由器LSR在转发分组时进行标记对换。在一个LSR域中网络在本域中传送的分组，换上本域的LSR命名的标记，进入其它LSR域时，换另外的标记。图：MPLS的标记和标记栈图：MPLS的标记栈的使用2020/2/6MPLS的标记和标记栈