MPLS的体系结构与组网技术

本文介绍了目前网络界研究热点的宽带网络技术MPLS（多协议标签交换）。重点阐述了MPLS的主要组件和核心技术。最后对ATM上的MPLS组网技术进行了介绍。

 MPLS 标签 LSR LDP LER 协议栈

1 引言

MPLS是一种将IP引入ATM或帧中继等通信网络上，利用标签引导数据高速、高效传输的新技术。随着Internet的不断发展，采用带有MPLS功能的IP路由器和带有MPLS功能的ATM交换机组建未来宽带综合业务通信网，是业界迫切需要解决的问题。MPLS的价值在于能够在一个无连接的网络中引入面向连接的机制，其优点是减少网络的复杂性，能够兼容现有的各种网络技术。MPLS综合利用网络核心的交换技术和网络边缘的IP路由技术，将路由移到网络边缘，网络核心作标签转发。即边缘的路由，核心的交换。MPLS是目前普遍看好的融合ATM与IP、解决IP无连接和ATM面向连接矛盾的下一代宽带骨干网络技术。

 2 MPLS的体系结构

2.1 MPLS的主要组件

 MPLS平台中引入了相当多的组件，下面是一些主要组件：

· 标签交换路由器（LSR）。LSR类似一个通用IP交换机，它是MPLS中负责第三层转发分组和第二层标签交换分组的设备。

 · 标签边缘路由器（LER）。LER是从一个MPLS域转发分组的传统路由器。它的作用是分析IP分组头，用于决定相应的传送级别和标签交换路径（LSP）。

 · 标签（Label）。标签是一个包含在每个分组中的短固定的数值，用于通过网络转发分组。一对LSR在标签的数值和意义上一致。

· 标签分发协议（LDP）。LDP是MPLS的控制协议，用于在LSR之间交换FEC/标签绑定信息。

· 标签交换路径（LSP）。LSP是指具有一个特定的FEC的分组，在传输经过的标签交换路由器集合构成的传输通路。它由MPLS节点建立，目的是采用一个标签交换转发机制转发一个特定的FEC分组。

 · 标签信息库（LIB）。LIB是保存在一个LSR（LER）中的连接表，在LSR中包含有FEC/标签绑定信息和关联端口以及媒体的封装信息。LIB通常包括下面内容：入、出口端口；入、出口标签；FEC标识符；下一跳LSR；出口链路层封装等。

 · 转发等价类（FEC）。MPLS采用FEC作为标签来处理IP分组。FEC在相同路径上转发，以相同方式处理并因此被一个LSR映射到一个单一标签的一组IP分组。

 · 流束（Stream）。属于同一个FEC的一组分组流，它们流经同一个节点，从相同的通道传输，并以相同方式转发到目的地，它们在MPLS里被称为“流束”。

2.2 MPLS的核心技术

1. 标签交换路由器

标签交换路由器类似一个通用IP交换机，它具有第三层转发分组和第二层交换分组的功能。它也能运行传统IP选路协议并可能执行一个特殊控制协议以与邻接LSR协调FEC/标签的绑定信息。一个LSR可以是一个传统的交换机（如ATM）扩充IP选路，或者升级为支持MPLS的一个传统路由器。LSR是MPLS系统中的核心部件，MPLS中LSR的选路过程如下：

·执行标准路由传播协议，以获得网络拓扑；·为每个FEC分配一个标签；

 ·执行LDP，并根据从其他节点获得的标签信息建立标签信息库（LIB）；

 ·后续分组获得LIB中相应的标签，并按照指定动作处理，沿相应的LSP传输。

2. 标签

在传统的路由器中，必定分析每个分组头，以确定下一站转发地点。但是在MPLS中，只需要在MPLS网络的入口端处理一个流束的所有分组，对属于同一个流束的分组将被用一个固定长度的字段加以编号。这一字段在MPLS里被称为标签（Label）。在LSR中，一个流束的FEC就映射到标签上。MPLS中的标签格式取决于分组封装所在的介质。如：

·ATM封装采用VPI/VCI作标签；

· 帧中继PDU采用DLCI作标签；

· 通用MPLS封装。对于那些没有内在标签结构的媒体封装，则采用通用MPLS封装格式，用一个特殊的数值在第二层与第三层头之间插入一个Shim标签头。Shim标签头由4字节构成，它包含一个20bit的标签数据值、一个3bit的COS（服务类别）数值、一个1bit的堆栈指示符和一个8bit的TTL（生存期）数值。

3. 标签交换

标签交换利用分组中所携带的标签信息和标签路由器维护存储的转发信息库（LIB）来转发分组。由于标签交换不必像传统IP选路那样分析分组头中的变长部分，因而标签交换是一个快速和简单的转发过程。标签作为一个由交换机组件处理，用以确定对应的输出标签、必要的封装和端口号及其他数据信息处理操作。若一个分组包含一个标签栈，MPLS设备只处理栈中的顶部标签。

4. 标签分发

标签分发是分发FEC/标签绑定信息的过程，目的是为了形成一个LSP并且标签交换属于特定FEC的分组。标签分发是通过标签分发协议（LDP）来完成的，或通过现有的控制协议（如RSVP和BGP）来传输FEC/标签绑定信息。MPLS LDP是一个单独的控制协议。LDP具有标签指定、分配和撤消功能，与相邻的LSR协调FEC/标签的捆绑信息，完成入口到出口标签交换路径（LSP）的建立。LDP映射消息可以从任何本地LSR（独立的LSP控制）发起，或者从出口LSR发起，并从下行LSR流向上行LSR。一个特定数据流的到达、一个保留建立消息（RSVP）或选路更新消息都可以触发交换LDP消息，从而形成一个从入口到出口的LSP。

2.3 MPLS的协议栈

MPLS协议采用LDP/CR-LDP以及采用已有协议如资源预留协议（RSVP）或对已有协议扩展形成的协议如资源预留协议扩展（RSVP-TE）。RSVP/RSVP-TE、CR-LDP，结合QoS路由等，能够很好地支持综合服务（IntServ）、区分服务（DiffServ）和流量工程。

MPLS的协议栈分为两个层面：控制层面和数据层面。其中：

· LIB 标签信息库；

· LDP 标签分发协议；

· CR-LDP和RSVP-TE 是两个竞争性的支持MPLS流量工程的协议。RSPF由IEPF标准化，RSPF-TE是RSPF的扩展。同样CR-LDP由LDP扩展而得。二者都位于TCP层上。

· UDP 用户数据报协议；

 ·TCP 传输控制协议；

 · IP-FWD 基于IP寻址的下一跳分组转发；

 · MPLS FWD 基于MPLS的标签和标签信息库查找的标签交换。

3 MPLS组网技术

3.1 ATM网络支持MPLS

尽管MPLS可以运行在多种类型的数据链路上，但是由于ATM的优越性，在ATM上运行MPLS是目前MPLS研究的热点。在ATM网络上支持MPLS有多种方案，下面讨论一种ATM上的MPLS组网技术。

在这种组网技术中，ATM交换机可作为标签交换节点，称作ATM-LSR。其中ATM- LSR通过ATM交换机与其他每个ATM-LSR通信。分组由ATM-LSR作出转发。为支持标签交换，ATM-LSR必须支持标签交换的标签分发协议（LDP）和其他IP层协议，如OSPF等控制和信令协议，而不是采用ATM寻址、ATM选路、ATM协议。ATM-LSR将标签加在ATM信元头的VCI/VPI域中，因此VC承载的信息包括控制业务信息、LDP消息和每个束流的LSP等。

该方案是将ATM骨干网络中一组ATM交换机升级为具有MPLS功能的ATM-LSR或直接在ATM核心网络中安装一组核心MPLS LSR。从选路邻接的角度来看，边缘路由器只是简单地与最近的核心LSR保持对等关系。这种技术考虑了现行ATM网络的大量交换机可能无法完全升级为MPLS LSR以及经济等其他因素，同时它也是目前IP/ATM叠加模型过渡到MPLS的最佳途径。

3.2 MPLS的核心网络

MPLS由标签交换路由器（LSR）、标签边缘路由器（LER）和标签分发协议（LDP）组成。MPLS使用现有路由协议（如OSPF、EIGRP）建立目的网络的可达性，同时使用新的控制协议（如LDP）以在网络交换机间共享标签信息（1b）。在WAN边缘的入口部分，标签边缘路由器接收报文，完成第三层功能，并为报文打上标签（Label）。在WAN内部，报文由标签路由器处理，并按一种新的交换机制进行处理，它作用于标签而非地址。传送报文穿过网络到达另一边。随后，出口的标签边缘路由器移去标签，并将报文传给其目的网络。

MPLS具有承载于不同网络上并支持不同网络业务的能力。MPLS改善了传统IP路由选路的性能，增加网络的吞吐能力，减少网络时延和时延抖动，同时有助于简化复杂的网络结构，能使网络的总成本下降50%。MPLS吸引网络界注意的还有它的多项应用：VPN、IP多播、业务量工程、改善QoS等。所以MPLS被业界认为是最有前途的宽带网络解决方案，具有广阔的应用和开发前景。