MPLS技术及其应用

Internet核心网中的路由/转发技术的最新发展是多协议标签交换（MPLS）。MPLS将IP路由控制和第二层交换的简单性无缝地集成起来，是ATM与IP技术的有机结合，在不改变用户现有网络的情况下能提供高速、安全、多业务统一的网络平台，将在下一代网络中的选路、交换和分组转发中扮演非常重要的角色，满足网络用户的多种多样的需求。

一、MPLS技术概述

MPLS技术的全称是多协议标签交换技术，是在Cisco公司所提出来的TagSwitching技术基础上发展起来的，属于第三层交换技术，它引入了基于标签的机制，把选路和转发分开，由标签来规定一个分组通过网络的路径，数据传输通过标签交换路径（LSP）完成。

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，决定相应的传送级别和标签交换路径（LSP）。由于MPLS技术隔绝了标签分发机制与数据流的关系，因此，它的实现并不依赖于特定的数据链路层协议，可支持多种的物理和链路层技术（IP/ATM、以太网、PPP、帧中继、光传输等）。MPLS使用控制驱动模型初始化标签捆绑的分配及分发，用于建立标签交换路径（LSP），通过连接几个标签交换点来建立一条LSP。一条LSP是单向的，全双工业务需要两条LSP。

标签交换的工作流程如下：

（1）由LDP（标签分发协议）和传统路由协议（OSPF等）在LSR中建立路由表和标签映射表。

（2）在MPLS入口处的LER接收IP包，完成第三层功能，并给IP包加上标签；

（3）在MPLS出口处的LER将分组中的标签去掉后继续进行转发。

（4）LSR不再对分组进行第三层处理，只是根据分组上的标签通过交换单元进行转发。

二、MPLS技术的应用

MPLS因其具有面向连接和开放结构而得到广泛应用。现在，在大型ISP网络中，MPLS主要有流量工程、服务等级（CoS）、虚拟专网（VPN）三种应用

1．流量工程

随着网络资源需求的快速增长、IP应用需求的扩大以及市场竞争日趋激烈等，流量工程成为MPLS的一个主要应用。因为IP选路时遵循最短路径原则，所以在传统的IP网上实现流量工程十分困难。传统IP网络一旦为一个IP包选择了一条路径，则不管这条链路是否拥塞，IP包都会沿着这条路径传送，这样就会造成整个网络在某处资源过度利用，而另外一些地方网络资源闲置不用。

在MPLS中，流量工程能够将业务流从由IGP计算得到的最短路径转移到网络中可能的、无阻塞的物理路径上去，通过控制IP包在网络中所走过的路径，避免业务流向已经拥塞的节点，实现网络资源的合理利用。

MPLS的流量管理机制主要包括路径选择、负载均衡、路径备份、故障恢复、路径优先级及碰撞等。

MPLS非常适合于为大型ISP网络中的流量工程提供基础，其有以下原因：

（1）支持确定路径，可为每条LSP定义一条确定的物理路径。

（2）LSP统计参数可用于网络规划和分析，以确定瓶颈，掌握中继线的使用情况。

（3）基于约束的路由使LSP能满足特定的需求。

（4）不依赖于特定的数据链路层协议，可支持多种的物理和链路层技术（IP/ATM、以太网、PPP、帧中继、光传输等），能够运行在基于分组的网络之上。

 2．服务等级

MPLS的最重要的优势在于它能提供传统IP路由技术所不能支持的新业务，提供更高等级的基础服务和新的增值服务。Internet上传输的业务流包括传统的文件传输、对延迟敏感的话音及视频业务等不同应用。为满足客户需求，ISP不仅需要流量工程技术，也需要业务分级技术。 MPLS为处理不同类型业务提供了极大的灵活性，可为不同的客户提供不同业务。

MPLS的QoS是由LER和LSR共同实现的：在LER上对IP包进行分类，将IP包的业务类型映射到LSP的服务等级上；在LER和LSR上同时进行带宽管理和业务量控制，从而保证每种业务的服务质量得到满足，改变了传统IP网“尽力而为”的状况。一般采用两种方法实现基于MPLS的服务等级转发。

（1）业务在流经特定的LSP时，根据MPLS报头中承载的优先级位在每个LSR的输出接口处排队。

（2）在一对边缘LSR间提供多条LSP，每条LSP可通过流量工程提供不同的性能和带宽保证，如入口LSR可将一条LSP设置为高优先权，将另一条LSP设置为中等优先权。

3．虚拟专网

为给客户提供一个可行的VPN服务，ISP要解决数据保密及VPN内专用IP地址重复使用问题。由于MPLS的转发是基于标签的值，并不依赖于分组报头内所包含的目的地址，因此有效地解决了这两个问题。

（1）MPLS的标签堆栈机制使其具有灵活的隧道功能用于构建VPN，通常采用两级标签结构，高一级标签用于指明数据流的路径，低一级的标签用于作为VPN的专网标识，指明数据流所属的VPN。

（2）通过一组LSP为VPN内不同站点之间提供链接，通过带有标签的路由协议更新或标签分配协议分发路由信息。

（3）MPLS的VPN识别器机制支持具有重迭专用地址空间的多个VPN。

（4）每个入口LSR根据包的目的地址和VPN关系信息将业务分配到相应的LSP中。

三、基于MPLS方式组建VPN

基于MPLS方式组建VPN网络时，所需设备是路由器，可以利用网络上已有的路由器升级，也可以新建，在全网各路由器配置MPLS， 各接入点的路由器配置成MPLS VPN PE( 边 界) Router, 其余路由器配置成MPLS VPN P( 核 心) Router 。全网路由器运行内部网关协议IS-IS及MPLS LDP协议。PE Router 之间运行MP-BGP协议，并且建立Full-mesh的BGP连接。各VPN用户的路由设备CE连到网络接入点PE Router。用户与PE Router 之间运行EBGP（或RIP2、OSPF）协议。VPN 用户的地址空间由用户确定，可采用私有保留地址。

MPLS VPN 限制VPN 路由信息仅在VPN内部传播，具体过程如下。

（1）在PE路由器上有两种互相隔离的路由表。一种是包含所有P和PE路由器路由的普通路由表；一种是与它相连的VPN的路由表，即VRF。每个VPN对应一个VRF。

（2）PE路由器将VPN用户地址（多为私有地址）转换成VPN-V4的地址，其中包含RD,SOO等新增属性，存储在相应VRF中。

（3）同一VPN两端的PE通过RSVP-Tunnel或LDP建立LSP(Label Switch Path),并用MP-iBGP交换此VPN的路由

（4）当PE接到本地VPN用户的Packet时候,此PE在相应的VRF中查找相应路由,找到下一跳,此下一跳应为将目的VPN用户地址通过MP-iBGP广播给它的那台PE。

（5）本地PE路由器通过先前建立的LSP将此Packet转发到异地PE路由器。

（6）异地PE路由器再在其相应的VRF中找到需要从哪个用户端口转发到目的地。

基于MPLS 的VPN具有以下优势。

（1） MPLS VPN 提供一个可快速部署实施增值IP业务的平台，包括内部网、外部网、 话音、多媒体及网络商务。

（2） MPLS VPN 通过限制VPN 路由信息的传播仅在VPN成员内部，可提供与第二层VPN 相同的私密性及安全性。

（3） MPLS VPNs 提供与用户内部网的无缝集成。

（4） MPLS VPNs扩展性好，每个服务提供商可以设定数十万VPN， 每个VPN 可有数千个现场。

（5） MPLS VPNs 提供IP 业务类别，支持VPN 内部多级别业务，VPN 间的优先级， 灵活的服务级别选定。

（6） MPLS VPNs 提供方便的VPN成员管理及新VPN创建功能以利于业务的快速实施。

（7） MPLS VPNs 提供可伸缩的any-to-any 连接以扩展内部网及外部网从而盖多业务。

（8） MPLS的流量管理功能可以保证网络资源得到合理利用；保证用户申请的服务质量得到满足。