常用网络协议原理大全MPLS原理#.docx
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常用网络协议原理大全MPLS原理#
MPLS原理
第一章MPLS引论
1.1引言
随着因特网的迅猛发展，传统路由器因其固有的局限，已成为制约发展的瓶颈。
异步传递模式ATM作为宽带综合业务数字网B-ISDN的最终解决方案，已被国际电信联盟ITU-T所接受。
各发达国家都已实行了试验网计划和商用业务计划。
90年代中期以来，因特网的骨干网和高速局域网大都采用ATM来实现的。
IPoverATM已成为跨电信产业和计算机产业的多年持久的热点。
先后有重叠模式的CIPOA、LANE和多协议的MPOA，集成模式的IP交换机和标记交换机等多项技术出现。
多协议标记交换MPLS在综合前述技术的基础上，提出了更好的IPoverATM的解决方案。
因特网项目组IETF先后发布一系列关于MPLS的建议草案，并于1999年3月的会议正式颁布其中几个主要的草案，申请RFC号码，并已获得批准。
97年吉位线速路由交换机的商品化，给ATM带来冲击性的影响。
在局域网上，因其明显的性能价格比优势已在取代ATM。
在因特网骨干网上也在逐步取代ATM。
EverythingoverIP和IPovereverything已作为通信体制革命的重要论点，出现在多种刊物上。
并有如下预言，以ATM为基础的B-ISDN将走向消亡。
为此应对通信网发展的状况，作出较为全面的分析和评估，树立客观公正的认识，并引导出正确的结论和行动准则。
吉位线速路由交换机对ATM发展的影响不能低估，应给予充分重视，这是市场需求驱动引起的冲击，主要表现在性能价格比上。
吉位线速路由交换机和传统路由器相比有以下三点改进和提高：
依靠微电子技术和光技术的进步，极大地提高了线速，达到Gbit/S，甚至可达到Tbit/S。
从而成百倍地提高了处理数据分组的能力，由传统路由器最高为几个MP/S提高到GP/S的水平。
缓解了传统路由存在的瓶颈问题。
改变了控制结构，将路由选择功能和数据分组的转发功能分开；前者由CPU完成，后者由专用集成电路ASIC实现，简化和提高了转发能力。
引入空分交换器（Crossbarswitch）。
将输入数据分组经过交换机构，直通到输出队列，消除了因存储转发引起的交换时延。
吉位线速路由交换机和ATM相比，其优势表现在以下方面。
_性能价格比优势，在传送相同性能的IP分组时，吉位线速路由交换机单个端口的价格远低于ATM。
这是因为ATM要满足不同业务不同网络连接成无缝大网的要求，因而技术复杂，且长期以来有些标准未能及时制订，未能大规模得到应用，成本居高不下。
许多性能、功能的优势未能体现。
ATM需将IP分组重新封装为ATM信元，增加了内部开销。
约占整个数据的24%左右，相比之下，IP分组的内部开销约占2.3%，有明显的效率优势。
综上所述，吉位线速路由交换机是标志IP网有重大进展的一项技术。
已经形成对ATM技术的严重冲击。
但吉位线速路由交换机没有从根本上解决传统路由网上存在的任何一个问题，只是用速率的提高来掩盖和缓解这些问题。
随着终端数量的增加和速率的提高，这些问题仍将呈现出来。
MPLS源自IPoverATM的需要。
早期工作在网络层集中于IP（IPv4IPv6）协议，其核心技术同样适用于其它网络层协议（如IPX、Appletalk、Dcnet、CLWP等）。
在链路层MPLS没有限制用于某一特定的链路层，但主要工作仍集中在ATM上。
随着IP网的发展，尤其在吉位线速路由交换机上，希望由IP/SDH/OPTICS模式直接发展成为IP/OPTICS（DWDM）时，MPLS是必须应用和发展的技术。
因为从IP到光的密集波分复用DWDM，从层次的概念看，中间有一链路层，即用于传输、交换和转发的一层。
现有适用于IP分组在链路层传送的技术，只有同步传递模式STM的SDH，和异步传递模式ATM的信元两类。
MPLS是同时适用于SDH和ATM并可适用于未来发展的任一特定的链路层制式的技术。
MPLS还蕴含着支持网络管理、流量项目、QOS和COS等各项功能。
IP必须通过MPLS（当然也可采用其它相应的方式）才能直接在OPTICS上传送的。
事实上，MPLS已不是仅在IPoverATM上的一项应用技术，而是作为L3层和L2层之间的“垫层”的网络技术，作为一种体系结构在研究和发展。
当前可直接应用于ATM网和FR网。
进一步已成为正在研究和发展IPoverOPTICS的必不可少的首选技术被重视。
甚至有人提出MPLS是ATM真正的终结者。
无论如何，MPLS和ATM相互是不能取代的。
这是因为两者的功能定位是不相互复盖的。
ATM执行B-ISDN网四层参考模型的ATM信元层和AAL适配层，相当于ISO-OSI七层模型中的第二层链路层的功能。
而MPLS执行七层模型中第三层网络层第二层链路层之间的一个相对独立的垫层或夹心层的功能，不具备完整的链路层功能。
即MPLS要实现链路层实际转发功能时，必须依靠特定的链路层来完成，如通过ATM的信元层或帧中继的FR-SDH层。
MPLS功能的定位可参考图1-1：
图1.1MPLS与IP网、ATM网分层功能定位
从图1.1可知，MPLS垫层极大地简化和规约了L3和L2之间的转换协议。
相比之下，IP网的IP分组到特定的链路层之间，每一种都要有相应的多个中间协议；ATM网中在链路层中只有ATM的一种协议系列，但在网络层对每一种网络每一种业务都要有相应的多个互通协议。
MPLS垫层在IPoverOPTICS上也是必不可少的，从网络层的IP到物理层的OPTICS，要有一个链路层，经过MPLS垫层，当前可满足现有的FR-SDH或ATM链路层要求，将来也可适应任何一种新的链路层技术。
1.2数字通信网络技术发展概况
迄今为止，在数字通信领域发展了三种网络技术，即STM、IP和ATM。
1.2.1同步传递模式STM
STM是基于连接的电路网络技术，源于保证实时话音的传输交换需要而发展起来的。
从60年代初第一套PCM到90年代的SDH，经历了出生、成长到成熟的全过程。
其主要特性和发展状况如下：
STM网是基于连接的电路网，主要用于公共电话网，包含长途网和本地网。
另用于分组数据、帧中继网、DDN网和ISDN网等多种形式的数字数据的公用网和专用网。
STM网是现有通信网的主体，也是整个信息网络的基础网，是资源最丰富，数字数据业务量承载最大的网络。
STM网是由PDH两种数字体制（1544kbps和2048kbps）三种复用系列的传输和交换设备，以及SDH（SONET）的传输和数字复分交叉设备构成的网络。
是一种成熟的、标准化的技术体制。
能对规范化的性能功能要求，提供可靠的有保证的服务。
正在发展的各种增值网，如智能网，以及包含XDSL的各类接入网也是在STM网基础上构建的。
从技术发展的趋势看，在今后相当长的时间里，STM网仍能满足话音、视频和绝大多数计算机传输带宽的要求，一般预期可达到90%以上。
STM因为严格的数字逻辑等级的划分，最低B通路为64kbps。
传输是基于端到端的电路连接。
因而不适应迅速发展的IP网的高速可变速率突发业务的要求。
也不适应话音压缩编码技术的发展，如数字移动通信GSM现用的为13kbps，CDMA现用的为8kbps，并可进一步压缩到4kbps，这些在STM网上都不能直接传输交换。
1.2.2计算机互连网络IP网
IP是源于计算机网络互连需要的一种异构网互连通信协议。
能容纳和掩蔽不同网络硬件细节，使计算机独立于物理网络的具体连接进行工作。
它的主要特性和发展状况如下：
IP网是无连接的分组传送网。
用IP协议使不同种类、不同媒体、隶属于不同单位并且分布在全球的各类网络和主机，实现无缝连接。
IP协议是在开放系统互连模型的第三层网络层实现互连；使网络技术和低层的软硬件技术，可相应独立并行发展。
IP网是当前发展最为迅速的网络。
由早期主要是计算机网络互连发展到能容纳话音通信和视频通信的综合信息网络。
在因特网上其设备每三年翻十倍，其数据业务量以每半年翻一倍的速度迅猛增长。
全球预计在2000年数据业务量要超过话音业务量。
IP网的发展早期依托于公用通信网和专线网（STM体制）建立骨干网，其数据速率为56Kbps——50Mbps。
随着数据业务量的增加，90年代起又依托ATM技术建立骨干网，其数据速率为155.52Mbps/622.08Mbps。
97年起因为吉位线速路由交换机商品化成功，IP网出现独立发展的势头，由吉位线速路由交换机和专线组成的骨干网（底层仍采用STM体制）线速为2.5Gbps。
国际电信联盟ITU-T已指定SG13为IP的主导研究组。
ITU的顾问向委员会TSAG和因特网的IETF起草了合作协议，协作进行IP研究。
IP网不是一个有确定形态统一制式的实际物理网络。
是依靠IP协议对各异构网络实现无缝连接的互连网络。
其关键设备是IP路由器或网关。
IP网是一个无保证的尽力传送的网络。
用户到用户的可靠数据传输是通过TCP协议来完成的。
IP协议不直接具有QOS和流量控制功能。
而IP分组的流量特性，根据实际监测统计结果是一个自相似的PARETO模型。
PARETO模型属重尾巴分布模型，其峰值和平均值相差很大，在几倍到十几倍之间，且不受统计时间尺度变化和接入用户数量多少的影响。
因而没有流量控制的IP网，必须在路由器上大幅度增加缓冲存储器和降低传输线上的有效带宽。
相比之下，STM中的话音流量是一个马尔可夫模型，最高速率和平均速率随着接入用户的增加而趋向一致；中继线群的传输带宽利用率一般在80%----90%；加上STM体制的内部开销约10%，所以总的可用数据率约在70%---80%。
IP分组的内部开销约为2.3%；但传输线的带宽利用率很低，虽然加上大容量的缓冲存储器（不可能无限）和允许一定的损失（由用户间通过TCP协议重传丢失的部分，但重传增加的无效数据率实际是降低利用率）；总的可用数据率，现尚无实际监测的结果，但从计算机仿真试验结果和TCP效率推算一级约在50%左右。
这就是说没有流量控制的IP传输，总的效率是相当低的。
IP网寻址是通过路由器来实现的；随着网络数目的增加，路由器寻址的效能将急剧降低，需要存储的有关数据的规模增长要求将难以负担，由数据业务增加和网络规模扩大引发的路由器寻址方式的缺陷已成为制约IP发展的瓶颈；转而寻求ATM技术的支援；现在虽有吉位线速路由交换机缓解了这类问题，但体制的缺陷依然存在。
1.2.3异步传递模式ATM
ATM是经ITU-T认可的未来BISDN网的最终解决方案，是一种独立于终端和业务的通用信息传输和交换的体制。
其主要的特性和发展状况如下：
ATM采用53个八位组的定长分组，即信元结构，作为各种信息传输和交换的基础结构和统一平台。
因而可对各类不同的业务（数据、话音、视频），不同的业务特征（比特率、服务质量QOS、突发和时延特性），在不同的媒体上传送。
并能同时在同一媒体提供多种业务的应用。
ATM具有可伸缩性，传输速率可从Mbit/S到Gbit/S。
能灵活地有效地支持已知和未知的新业务的特性要求；如对带宽展宽和降低等，此时不需要修改ATM网络或降低ATM网效率。
因而给网络的未来发展安全提供了可靠保证。
ATM能有效地利用资源，能被所有业务使用，并能达到最佳的统计共享资源状态。
能对所有用户动态地实现按需分配（带宽、优先级别、时延等）。
ATM是一种通用网络。
既适用于公用网，也是适应于专用网或局域网。
只需要一种网络结构就能适应各种需要。
因而在设计、控制、生产、管理和维护各方面，总的系统成本可望降低，从而对用户、营运商和制造商都能受益。
ATM是由技术需求驱动的，寄予了过高的期望，作为未来网络的统一平台，要将STM体制的电路网和IP体制的分组网融合为以ATM为核心的BISDN网。
十多年来的实践，因为ATM的技术复杂性，以及各项标准制订迟缓。
未能得到大规模的应用，因而成本居高不下；同时最重要的在实现端到端的业务上未能达到预期的目标。
当前在话音的端到端业务上尚无法取代STM体制，而在IP的高速数据分组业务上，又被新出现的吉位线速路由交换机所替代。
因而对ATM的发展前景提出了疑问。
可以这样认为ATM作为BISDN的核心，要成为统一现有各种体制的网络技术平台，现在尚未成功，或许难以成功；但ATM在统计复用，流量控制，服务质量QOS和业务类别COS等方面先进技术是优于STM体制和IP体制的，现在展开的对纯ATM技术的研究表明，ATM在传输和多业务接入上有明显的技术优势，和系统综合的性能价格比优势。
有人预测ATM有望成为下一世纪传输系统的标准体制。
1.2.4简要分析
前述三个小节罗列三种体制的主要特性和发展状况。
三种体制都各有优缺点和重点服务对象，在当前都有不同程度的发展。
概括来讲，STM是一种成熟的标准化体制，能满足电话网和低速数据网的各项业务性能要求，能提供可靠的有保证的服务；同时在现阶段还给ATM和IP提供低层服务（链路层低层和物理层）。
IP是当前发展最为迅速的体制，本身尚在演变过程中；是源于计算机异构网络互连要求发展起来的一种体制，能最有效地满足互连网络的传送需求；在其上已传送无保证的话音和视频通信。
ATM是一项新技术，用于综合STM和IP的各项业务的统一网络技术平台，作为宽带综合业务数字网BISDN的最终解决方案；但ATM发展不快，在90年代作为链路层技术平台提供给IP网构建高速骨干网和局域网，速率为155.52/622.08Mbps；随着吉位线速路由交换机的出现，ATM在IP中的应用受阻；至今为止ATM仍无法替代STM中的端到端话音业务；ATM在当今最有应用前途的是在公众多媒体通信网上。
即有多业务接入的传输的网络上。
基于上述简要分析的现实，通信产业界存在下一步发展重点的选择问题，粗分有三类意见。
一．发展宽带/窄带混合系统。
综合应用STM、IP、ATM和Mobile等方面的成熟经验和技术，逐步演进。
这种选择的优点是稳健，但需要有相对强大的经济和技术实力，和冒产品推出比较迟缓的风险。
二．重点发展ATM。
加快VOAT的实现，优选IPoverATM技术方案（MPLS）挖掘纯ATM的潜力，大力降低成本。
ATM体制和其它体制相比仍有相当的技术优势，这种选择是技术优势的选择，要冒成本高和受技术政策影响的风险。
三．直接发展IPoverOPTICS，实现everythingoverIP。
这种意见是在计算机产业界比较流行，随着因特网的迅猛发展，IPPHONE的应用，IP越来越被广大最终用户所欢迎，IP技术更得到众多方面的关注、支持和大力投入。
这种选择有别于前二种选择是一种重大的方向性选择，即要以计算机互连网络的通信方式来构建整个信息网的基础网络，将现有的各类通信方式，如电话通信、视频通信等都改造成为适于计算机处理的IP分组方式。
但要实现IPoverOPTICS和everythingoverIP，必需得到相关技术的支持。
IPoverOPTICS在当前条件下必定是以下两种方式间的选择，即IP/SDH/OPTICS或IP/ATM/OPTICS。
现在尚没有第三种方式可用于IPoverOPTICS。
采用前一种方式就与第一种选择，即发展宽带/宽带混合系统相结合了。
采用后一种方式就与第二种选择，即重点发展ATM正在努力实现的目标之一相结合了。
EverythingoverIP在当前可见的是IPPHONE，从实际运行来看，IPPHONE只说明IP网可以进行话音通信；要将STM上所有话音通信全部移到IP网上来，并且具有同样的性能，达到同样的效果，不仅在技术是否容易实现，就是IPPHONE最吸引人的价格相对低廉是否能获得保证都难以预料。
在信息时代，迫切期待计算机和通信结合，现有三种网络技术，三种可选发展途径，是产业界关注发展的每个成员都必须面临的，并应作出相应选择的重要课题。
1.3多协议标记交换MPLS结构
MPLS的基本目标是集成标记调换转发技术和网络层选路技术。
其核心是标记的语义、基于标记的转发方法和标记的分配方法。
为了实现这一新技术的应用，IETF工作组负责有关的标准化。
先后提出了多个标准草案，其中主要标准草案已申请RFC号码，并获得批准，于1999年三月在正式会议上颁布。
MPLS使用的术语
转发等价类FEC一组可用同一方式处理的IP分组，即同一路径，同一转发处理。
标记LLabel一个短而定长的标识符，用以标记传输段落上的FEC，局部有效。
标记交换路径LSP在对等层面上，通过一个或多个LSRS的一条路径，和对应一个已有一组IP分组所映射的特定FECF。
标记交换路由器LSR具有MPLS节点功能的处理设备，并具有转发纯L3层IP分组的能力。
MPLS域一个运行MPLS协议的节点的邻接集合，相应于一个自治系统或一个LSR管理域。
MPLS节点MPLSnode一个运行MPLS协议的节点，节点能被MPLS控制协议发现、邻接和对话；执行一个或多个路由协议，具有标记调换转发功能；建议具有纯L3层IP分组的处理能力。
MPLS边缘节点MLPSedgenodeMPLS节点，连接MPLS域和一个域外节点，域外点可不运行MPLS。
MPLS输入节点MPLSIngressMPLS边缘节点，用以处理输入到MPLS域的IP分组流量。
MPLS输出节点MPLSEgressMPLS边缘节点，用以处理MPLS域输出的IP分组流量。
1.3.1对MPLS的要求
在MPLS规范制订过程中，对MPLS提出以下主要的性能功能和使用要求：
使用链路层的通用技术；简化转发，提高性能，实现高速低费用。
网络层能与现有的互连技术和路由技术兼容；并能独立于主要路由协议进行工作；在MPLS中使用的路由协议，应基于分布式计算；具有检测和防止环路生成的能力。
MPLS转发必须支持与特定标记相关的广泛的转发功能。
如能支持用户数据的“聚集转发”；即被转发的数据流作为一个单位，用一个数据流标识，占用一条路径；而这个数据流是由多个用户数据流聚集成的。
MPLS必须提供多层次的聚集支持，即支持从单个端到端的用户数据流到聚集所有通过特定交换机或路由器的数据流为一个数据流。
MPLS必须提供运行维护管理设备，最低限度应达到现有IP网所提供的。
MPLS支持某些后向兼容时，现有网络的管理和诊断工具应能继续使用；MPLS不支持这些工具时，则必须提供具有等价功能的设备。
MPLS核心技术必须支持单点流和多点流。
MPLS核心规范，必须清楚说明MPLS在分层网络中是如何工作的。
MPLS在定义期间必须考虑和分析伸缩性，必须寻找强伸缩性的解决方案。
MPLS核心技术必须具有使域内交换处理的最高有效流量为O（n）流的能力。
注意在某些情况下使用O（n2）流或VC也是可以的。
MPLS协议标准必须支持多路径链路和转发。
MPLS必须和IETF的“集成业务模型”兼容，包括RVSP。
MPLS交换机必须能够与非MPLS交换机共存于同一交换网，MPLS交换机不应在非MPLS交换机强加额外的配置。
MPLS必须同时提供拓扑驱动和流量/请求驱动的两种标记分配方法。
上述对MPLS规范的要求，基本上表述了整个MPLS框架结构的风貌。
1.3.2MPLS基本工作方式
1.3.2.1标记调换转发过程
在常规路由器网，一个IP分组是沿路由器逐跳传送的。
每一个路由器都要独立读出IP分组组头，分析目的地址，运行路由算法，选择下一跳路由器。
事实上IP分组组头所包含的信息远多于简单选择下一跳所需的信息。
选择下一跳可概括为二种功能的组合；第一种功能是将所有需转发的IP分组，按转发方向规约为转发等价物的集合FECS，（ForwardingEquivalenceclasses）；第二种功能将每一个特定的FEC映射到下一跳。
MPLS规定每个特定的IP分组映射到特定的FEC，只在IP分组进入MPLS域时分配一次；FEC是基于IP分组的目的地址划分的，并在进入MPLS域输入节点Ingress到MPLS域输出节点Egress之间建立一条与特定FEC相映射的标记交换路径LSP；沿LSP的两个相邻的标记交换路由器LSR，及其连接的链路上，FEC被编码为一个短而定长的标记L；标记与IP分组一起传送，携带标记的IP分组，称标记分组；在后续的每一跳路由器上，不再需要对IP分组组头进行读出分析处理，只使用标记分组的标记作为指针，指向一个新的标记和到达下一跳的一个输出端口，标记分组用新标记替代旧标记成为新标记分组，由指定输出端口传送到下一跳。
上述标记调换转发过程同FR网中按DLCI和ATM中按VPI/VCI的转发过程，在实质上是一致的。
其区别是FR网中DLCI只是链路的标志在ATM中VPI/VCI只是信元的标志，而在MPLS中的FEC是远比链路和信元要复杂得多的概念；FEC是对数据流、链路、端口等各种独立的对象进行集中提升抽象了的概念。
MPLS转发是按标记实现的，因而可以用交换机来进行转发；通常情况下交换机不能直接用来转发IP分组，因为交换机不能或不具有合适的速度来读出分析处理IP分组的组头。
IP
LA
IP
L1
IP
L2
IP
L4
IP
IP
IP
B）IP分组转发过程
C）自动路由表生成过程
图1.2MPLS运行示意图
1.3.2.2MPLS运行
MPLS在MPLS域上运行；MPLS同时可在各个MPLS域间运行，并允许在MPLS与非MPLS混合的网络上运行。
MPLS域的配置如图1.2A）所示，靠近用户并与域外节点互相连接的是边缘节点即边缘标记交换路由器ELSR，具有复杂的处理功能，不与域外节点相连的处于网络内部的是内部节点即内部标记交换路由ILSR执行尽可能简单的标记调换转发功能。
MPLS运行可分为自动路由表生成和IP分组传送执行两个阶段，在实际运行时这两个阶段是交叉进行的。
第一阶段自动路由表生成
第一步建立MPLS域上各节点之间的拓扑路由。
其方式与常规路由网的自治系统相同。
在域内运行OSPF路由协议（也可同时运行其它的路由协议），使域内各节点都具有全域的拓扑结构信息；在管理层的参预下，可在全域均匀分配流量，优化网络传输性能。
在域间主要运行BGP协议，对邻域和主干核心网络提供和获取可达信息。
第二步运行标记分配协议LDP，使MPLS域内节点间建立邻接关系，按可达目的地址分类划分转发等价类FECS，创建LSP，沿LSP对FEC分配标记L，在各LSR上生成转发路由表。
第三步对路由表进行维护和更新。
第二阶段在MPLS域上传送IP分组
第一步IP分组进入MPLS域的边缘节点，ELSR读出IP分组组头，查找相应的FECF及其所映射的LSP，加上标记，成为标记分组，向指定的端口输出。
第二步在MPLS域内的下一跳ILSR，从输入端口接收到标记分组用标记作为指针，查找转发路由表，取出新标记，标记分组用新标记替代旧标记，新的标记分组由指定的输出端口发送给下一跳。
在到达MPLSEgress的前一跳，即倒数第二跳时的操作；对标记分组不进行标记调换的操作，只作旧标记的弹出，然后用空的标记分组传送。
因为在Egress已是目的地址的输出端口，不再需要对标记分组按标记转发，而是直接读出IP分组组头，将IP分组传送到最终目的地址。
这种处理方式，是保证MPLS全程所有LSR对需处理的分组只作一次观察处理，也便于转发功能的分级处理。
第三步MPLS域的EgressLSR接收到空的标记分组后，读出IP分组的组头，按最终目的地址，将IP分组从指定的端口输出。
参照图1.2举例说明如下，终端I连接ELSRA，终端II连接ELSRB，由A→B有一LSP，由I→II的IP分组被映射进特定FECBA；并沿LSP的标记分配为AFECBR1=LA
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