基于MPLS的数据通信网络设计.docx
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基于MPLS的数据通信网络设计
哈尔滨商业大学毕业设计（论文）
基于MPLS的哈尔滨商业大学
校园数据通信网络设计
学生姓名张海军
指导教师张立志
专业电子信息工程
学院计算机与信息工程
2006年6月16日
GraduationProject（Thesis）
HarbinUniversityofCommerce
TheDesignoftheDataCommunicationNetworkforCampusofHarbinUniversity
ofCommercebasedonMPLS
Student
ZhangHaijun
Supervisor
ZhangLizhi
Specialty
ElectronicInformationEngineering
School
ComputerandInformationEngineering
2006-06-16
毕业设计（论文）任务书
姓名：
张海军
学院：
计算机与信息工程
班级：
02-2
专业：
电子信息工程
毕业设计（论文）题目：
基于MPLS的哈尔滨商业大学校园数据通信网络设计
立题目的和意义：
MPLS将帮助运营商提供更好的IP服务。
像AT＆T、Level3、MCIWorldCom和UUNET已经开始布署和营销他们的MPLS网络了。
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。
在MPLS的网络内，甚至象IP语音这样的包语音服务也会得到改进，因为等待时间缩短了，拥塞控制加强了。
总而言之，所有这一切的结果都是为了让用户从服务提供商享受到更好的服务。
本课题研究MPLS数据通信网络的设计，给出具体的网络配置，对实际工程组网有很好的借鉴意义。
技术要求与工作计划：
要求：
本课题主要设计基于MPLS的哈尔滨商业大学校园数据通信网，采用的是以华为的QuidwayS8016路由器为硬件设备，利用多协议标签交换（MPLS）和最短路径优化（OSPF）来完成整个校园网络的组建。
计划：
主要分析MPLS原理及其相对于传统的基于IP转发的优点；
MPLS网络拓扑图的规划及其工作过程中数据的传送方式；
MPLS中的各种配置命令，并对网络上的各节点进行了具体配置；
最后对网络上容易出现的一些故障进行了分析和给出解决的思路。
时间安排：
2006.03.01～2006.03.15:
调研分析，查阅相关的资料，了解国内外相关技术和产品的发展过程和现状，熟悉MPLS网络协议。
2006.03.16～2006.03.31:
确定设计思路，写开题报告。
2006.04.01～2006.05.15:
确定具体的设计方案，进行节点配置。
2006.05.16～2006.05.31:
进行系统调试和分析。
2006.06.01～2006.06.25:
撰写规范论文，进行答辩准备及答辩完成后的论文整理与装订。
指导教师要求：
MPLS是一项利用绑定在IP包中的标记（或叫标签）通过网络进行数据包转发的技术，是基于标记的IP路由选择方法。
利用MPLS建立一个具有更好性能更高稳定性的灵活和易于扩展的网络构架。
要求网络功能完整，设计合理，配置正确，保质保量按时完成设计任务。
（签字）年月日
教研室主任意见：
（签字）年月日
院长意见：
（签字）年月日
毕业设计（论文）审阅评语
一、指导教师评语：
指导教师签字：
年月日
毕业设计（论文）审阅评语
二、评阅人评语：
评阅人签字：
年月日
毕业设计（论文）答辩评语及成绩
三、答辩委员会评语：
四、毕业设计（论文）成绩：
专业答辩组负责人签字：
年月日
五、答辩委员会主任单位：
（签章）
答辩委员会主任职称：
答辩委员会主任签字：
年月日
摘要
多协议标签交换（Multi-protocollabelswitching,MPLS）是近年來在因特网上发展相当快速的一项技术。
此技术的目标旨在能增加现有因特网上封包交换的速度，使得网络大小及容量易于扩充，並可提供不同的服务等级（ClassofService）能力等,非常适合作为下一代因特网骨干。
此设计基于华为设备构建一个MPLS数据通信网络，模拟覆盖哈尔滨商业大学四个校区和图书馆。
给出了整个网络的具体配置，正确配置了MPLS信令、各节点互连的标记交换路径（LSP）。
此网络系统安全可靠，有效的提高了网络资源的使用率，改善了整体网络的效能。
关键词：
多协议标签交换；服务等级；信令；标记交换路径
Abstract
Multi-ProtocolLabelSwitching（MPLS）isanewtechniquewhichisexpectedtoprovideahigherbandwidthcapacitywithQoS-guaranteedservicesandafasterpacketforwardingmechanismthanthetraditionalstore-and-forwardroutingmechanismthatisstillbeingusedcurrentlyoverdatanetworks.Asaresult,MPLStechnologycanmakethenetworkroutingmoreefficiently.
Thispaperistobuildsuponecommunicationnetworkbasedonhuaweiequipments.anditimitatesthefourcampusesofHarbinUniversityofCommerce.ItpresentsthewholenetworkspecificconfigurationandCorrectlyconfiguresthesignalingofMPLSbesidestheLSPofconnectionofallnodes。
Finally,thenetworksystem’sutilizationcanbeimproved,andthetotalnetworkefficiencycanbemaximizedwithrunningsafetlyandcredibilitly.
Keywords:
Multi-protocollabelswitching;Classofservice;Signaling;LSP
1绪论
1.1课题研究的背景及意义
1.1.1课题背景
当前，随着Internet的普及和发展，基于MPLS组网技术越来越引起了人们的广泛关注，MPLS数据通信网是一种基于MPLS（MultiprotocolLabelSwitching，多协议标记交换）技术的IP网络，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IP网络（IP），可用来构造宽带的Intranet、Extranet，满足多种灵活的业务需求。
它必将成为未来网络安全研究和Internet应用的一个重要方向。
MPLS数据通信能够利用公用骨干网络广泛而强大的传输能力，降低校园网或企业内部网络建设成本，极大地提高用户网络运营和管理的灵活性，同时能够满足用户对信息传输安全性、实时性、宽频带、方便性的需要，因此多用于大中型网络建设。
1.1.2课题来源
MPLS是基于标记的IP路由选择方法，这些标记可以被用来代表逐跳式或者显式路由，并指明服务质量（QoS）、虚拟专网以及影响一种特定类型的流量（或一个特殊用户的流量）在网络上的传输方式等各类信息。
MPLS采用简化了的技术，来完成第三层和第二层的转换。
它可以提供每个IP数据包一个标记，将之与IP数据包封装于新的MPLS数据包，由此决定IP数据包的传输路径以及优先顺序，而与MPLS兼容的路由器会在将IP数据包按相应路径转发之前仅读取该MPLS数据包的包头标记，无须再去读取每个IP数据包中的IP地址位等信息，因此数据包的交换转发速度大大加快。
1.1.3课题研究的意义
MPLS的一个重要应用是OSPF/MPLS。
OSPF/MPLS的网络结构，主要由PE（ProviderEdgeDevice，运营商边缘设备）、P（ProvideDevice，运营商设备）和CE（CustomerEdgeDevice，用户边缘设备）3种设备组成。
目前，在基于IP的网络中，MPLS的优点如下：
（1）降低了成本。
MPLS简化了ATM与IP的集成技术，使L2和L3技术有效地结合起来，降低了成本，保护了用户的前期投资。
（2）提高了资源利用率。
由于在网内使用标签交换，用户各个点的局域网可以使用重复的IP地址，提高了IP资源利用率。
（3）提高了网络速度。
由于使用标签交换，缩短了每一跳过程中地址搜索的时间，减少了数据在网络传输中的时间，提高了网络速度。
（4）提高了灵活性和可扩展性。
由于MPLS使用的是AnyToAny的连接，提高了网络的灵活性和可扩展性。
（5）方便用户。
.MPLS技术将被更广泛地应用在各个运营商的网络当中，这会对企业用户建立全球的MPLS数据通信网络带来极大的便利。
（6）安全性高。
采用MPLS作为通道机制实现透明报文传输，MPLS的LSP具有与帧中继和ATMVCC（VirtualChannelConnection，虚通道连接）类似的高可靠安全性。
（7）业务综合能力强。
网络能够提供数据、语音、视频相融合的能力。
（8）MPLS的QoS保证。
用户可以根据自己不同的业务需求，通过在CE侧的配置，来赋予不同的QoS等级。
通过这种QoS技术，既保证了网络的服务质量，又降低了用户的费用[1]。
1.2MPLS发展的动态
中国铁通IP骨干网全面采用MPLS技术进行构架，它采用了Cisco公司的12000系列及7000系列的高端路由器组建。
通过在全国各大城市部署专用MPLSVPN路由器（PE），中国铁通IP骨干网可在全国范围内提供MPLSVPN业务。
这种结构可提供方便的演进策略，使铁通可以根据自己的计划及客户的需求逐步引入VPN业务。
将来更多的MPLSVPN功能会要求更新的软件版本，采用专用VPN路由器后，这些软件的更新都不会影响其它路由器。
采用MPLSVPN的网络，所有PE路由器运行IBGP以交换VPN信息，包括VPN-IP地址、路由目标（RT）、下一跳和标记，这就要求所有PE间的全网状IBGP连接，这就存在N2问题不便管理，通过路由反射（RRs）技术可满足这个要求。
中国铁通IP骨干网采用专用VPN-RR，这种方式可带来以下优势[2]：
（1）只有PE需要与VPN-RR对应，这样可使VPN-RR有更好的扩展性。
（2）骨干网的拓扑变化不会影响VPN-RR，同时VPN内部需求的变化也不会影响骨干网中的RR。
1.3本文的工作
本论文主要设计一个模拟覆盖哈尔滨商业大学的MPLS数据通信网络，并对网络系统进行规划和配置。
数据传输过程中采用开放式最短路径优先协议（OSPF）和MPLS相结合的方式进行数据传输。
具体工作如下：
（1）规划并设计网络拓扑图；
（2）根据网络所规划的功能，对网络中各个结点的路由器进行具体的配置；
（3）对路由器配置进行系统检查，排除故障。
2
MPLS基本原理
2.1MPLS概述
MPLS（MultiprotocolLabelSwitching）是多协议标签交换的简称，它用短而定长的标签来封装分组。
MPLS从各种链路层（如PPP、ATM、帧中继、以太网等）得到链路层服务，又为网络层提供面向连接的服务。
MPLS能从IP路由协议和控制协议中得到支持，同时还支持基于策略的约束路由，路由功能强大、灵活，可以满足各种新应用对网络的要求。
这种技术早期起源于IPv4（InternetProtocolversion4），但其核心技术可扩展到多种网络协议，包括IPv6（InternetProtocolversion6）、IPX（InternetPacketExchange）、CLNP（ConnectionlessNetworkProtocol）等。
MPLS最初是为提高路由器转发速度而提出的，但是由于其固有的优点，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。
2.1.1转发等价类（FEC）
FEC（ForwardingEquivalentClass）是MPLS中的一个重要概念。
MPLS实际上是一种分类转发技术，它将具有相同转发处理方式（目的地相同、使用转发路径相同、具有相同的服务等级等）的分组归为一类，称为转发等价类。
属于相同转发等价类的分组在MPLS网络中将获得完全相同的处理。
2.1.2标签
标签是一个长度固定、只具有本地意义的短标识符，用于唯一标识一个分组所属的转发等价类（FEC）。
在某些情况下，例如要进行负载分担时，对应一个FEC可能会有多个标签，但是一个标签只能代表一个FEC。
标签分配和分发：
在MPLS体系中,下游LSR（LabelSwitchRouter）决定标签与FEC的绑定关系，并通知上游LSR。
即标签由下游指定，分配的标签按照从下游到上游的方向分发。
标签分发方式:
MPLS使用的标签分发方式有两种：
下游自主标签分发（DownstreamUnsolicited，DU）：
对于一个特定的FEC，LSR无须从上游获得标签请求消息即进行标签的分配与分发；下游按需标签分发（Downstream-on-Demand，DoD）：
对于一个特定的FEC，LSR获得标签请求消息之后才进行标签分配与分发。
具有标签分发邻接关系的上游LSR和下游LSR必须对使用哪种标签分发方式达成一致。
标签保持方式:
标签保持方式分为两种分别为自由标签保持方式和保守标签保持方式。
举例说明：
假设存在两台LSR，分别是路由器Ru和Rd。
对于一个特定FEC，如果Ru收到了来自Rd的标签绑定，当Rd不是Ru的下一跳时，如果Ru保存该绑定，则认为Ru使用的是自由标签保持方式；如果Ru丢弃该绑定，则认为Ru使用的是保守标签保持方式。
当要求LSR能够迅速适应路由变化时，可使用自由标签保持方式；当要求LSR中保存较少的标签数量时，可使用保守标签保持方式[2]。
2.2MPLS包头结构
通常MPLS包头的结构如图2-1所示包含20比特的标签3个比特的EXP现在通常用做CoS1个比特的S用于标识这个MPLS标签是否是最低层的标签和8个比特的TTL-TimeToLive。
图2-1MPLS包头结构
（1）标签―Label值传送标签实际值。
当接收到一个标签数据包时，可以查出栈顶部的标签值，并且系统知道：
A、数据包将被转发的下一跳；B、在转发之前标签栈上可能执行的操作，如返回到标签进栈顶入口同时将一个标签压出栈；或返回到标签进栈顶入口然后将一个或多个标签推进栈。
（2）Exp―试用，预留以备试用。
（3）S―栈底。
标签栈中最后进入的标签位置，该值为0，提供所有其它标签入栈。
（4）TTL―生存期字段（TimetoLive），用来对生存期值进行编码。
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信元等这在MPLSVPN中有详述可以承载MPLS的二层协议可以是PPP以太网ATM和帧中继等对于PPP或以太网二层封装MPLS包头结构如上图所示但是对于ATM或帧中继MPLS则直接采用分别采用VPI/VCI或DLCI做为转发的标签具体结构如图2-2所示：
PPP报头
MPLS包头
三层IP包或其它
PPP（POS）
以太网包头
MPLS包头
三层IP包或其它
帧模式
ATM分组
Flags
DLCI
DLCI
DATA
FCS
Flags
帧中继
GFC
VPI
VCI
PTI
CLP
HEC
DATA
ATM包
图2-2MPLS包头的位置
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（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。
在VPN的时候可能是以太网报文或ATM报文等[3]。
2.3MPLS信令
目前MPLS实现信令的方式可分为两类：
一类是LDP／CR-LDP；另外一类是RSVP。
（1）CR-LDP：
基于路由受限标签分发协议（CR-LDP：
Constraint-BasedLabelDistributionProtocol），源于ATM网络的思想。
CR-LDP和LDP是同一个协议，CR-LDP是LDP的扩展，它使用与LDP相同的消息和机制，如对等发现、会话建立和保持、标签发布和错误处理。
（2）RSVP（资源预留协议）：
它基于传统的IP路由协议。
RSVP和LDP／CR-LDP是两种不同的协议，它们在协议特性上存在不同，有不同的消息集和信令处理规程。
从协议可靠性上来看，LDP／CR-LDP是基于TCP的，当发生传输丢包时，利用TCP协议提供简单的错误指示，实现快速响应和恢复。
而RSVP只是传送IP包。
由于缺乏可靠的传输机制，RSVP无法保证快速的失败通知。
在资源申请建立的过程中，ＲＳＶＰ请求首先被传送到两个本地模块——接纳控制模块和策略控制模块，然后由接纳控制模块决定该节点是否有足够的资源可以满足该ＲＳＶＰ请求，由策略控制模块决定用户是否有权限申请这类服务。
如果通过了这两个模块的检测，ＲＳＶＰ请求的ＱｏＳ参数就会输入到包分类器中，再由链路层接口（如包调度器）来获得申请的服务质量。
如果任一模块的检测没有通过，那么提出该ＲＳＶＰ请求的应用程序将会收到一个错误的返回消息。
从网络可扩展性上看，LDP较RSVP更有优势，一般电信级网络中尤其是ATM网络中，应采用MPLS／LDP。
ITU-T倾向于在骨干网中采用CR-LDP。
目前所有支持MPLS功能的路由设置都同时支持CR-LDP和RSVP两种MPLS的信令协议[4]。
2.4LSP的建立
如图2-3所示，MPLS网络的基本构成单元是标签交换路由器LSR（LabelSwitchingRouter），由LSR构成的网络叫做MPLS域，位于区域边缘和其它用户网络相连的LSR称为边缘LSR（LER，LabeledEdgeRouter），位于区域内部的LSR则称为核心LSR。
核心LSR可以是支持MPLS的路由器，也可以是由ATM交换机等升级而成的ATM-LSR。
被标签的分组沿着由一系列LSR构成的标签交换路径LSP（LabelSwitchedPath）传送，其中入口LSR叫Ingress，出口LSR叫Egress。
图2-3MPLS网络的组成
2.4.1标签报文的转发
在Ingress，将进入网络的分组根据其特征划分成转发等价类FEC（ForwardingEquivalenceClass）。
一般根据IP地址前缀或者主机地址来划分FEC。
这些具有相同FEC分组在MPLS区域中将经过相同的路径（即LSP）。
LSR对到来的FEC分组分配一个短而定长的标签，然后从相应的接口转发出去。
在LSP沿途的LSR上都已建立了输入/输出标签的映射表（该表的元素叫下一跳标签转发条目，简称NHLFE，NextHopLabelForwardingEntry）。
对于接收到的标签分组，LSR只需根据标签从表中找到相应的NHLFE，并用新的标签来替换原来的标签，然后对标签分组进行转发，这个过程叫输入标签映射ILM（IncomingLabelMap）。
MPLS在网络入口处指定特定分组的FEC，后续路由器只需简单的转发即可，较常规的网络层转发而言要简单的多，从而提高了转发速度。
LSP的建立其实就是将FEC和标签进行绑定，并将这种绑定通告LSP上相邻LSR的过程。
这个过程是通过标签分发协议LDP（LabelDistributionProtocol）来实现的。
LDP规定了LSR间的消息交互过程和消息结构，以及路由选择方式。
LDP的工作过程
LSR通过周期性地发送Hello消息来发现LSR邻居，然后与新发现的相邻LSR间建立LDP会话。
通过LDP会话，相邻LSR间通告标签交换方式、标签空间、会话保持定时器值等信息。
LDP会话是TCP连接，需通过LDP消息来维护，如果在会话保持定时器值规定的时间内没有其它LDP消息，那么必须发送会话保持消息来维持LDP会话的存在。
图2-4为LDP标签分发示意图。
图2-4标签分发过程
在一条LSP上，沿数据传送的方向，相邻的LSR分别叫上游LSR和下游LSR。
如在图2-4中的LSP1上，LSRB为LSRC的上游LSR。
前面提到标签的分发过程有下游自主标签分发和下游按需标签分发两种模式,即DoD（downstream-on-demand）模式和DU（downstreamunsolicited）模式。
这两种模式的主要区别在于标签映射的发布是上游请求还是下游主动发布。
下面分别描述这两种模式的标签分发过程：
（1）DoD（downstream-on-demand）模式
上游LSR向下游LSR发送标签请求消息（包含FEC的描述信息），下游LSR
为此FEC分配标签，并将绑定的标签通过标签映射消息反馈给上游LSR。
下游LSR何时反馈标签映射消息，取决于该LSR采用独立标签控制方式还是有序标签控制方式。
采用有序标签控制方式时，只有收到它的下游返回的标签映射消息后，才向其上游发送标签映射消息；采用独立标签控制方式时，不管有没有收到它的下游返回的标签映射消息，都立即向其上游发送标签映射消息。
上游LSR一般是根据其路由表中的信息来选择下游LSR。
在图2-4中，LSP1沿途的LSR都采用有序标签控制方式，LSP2上的LSRF则采用独立标签控制方式。
（2）DU（downstreamunsolicited）模式
下游LSR在LDP会话建立成功，主动向其上游LSR发布标签映射消息。
上游LSR保存标
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