MPLS技术优势及存在问题详解

　　一、当今的Internet网络

　　随着Internet的不断增长，各种新兴业务以及迎合其需求的专有网络也在不断发展，但是原先针对不同业务、同时处理多种网络连接的运营方式已经束缚了企业的发展，它们希望通过一个单一、灵活的接入设备来提供多种混合业务，并在将来执行统一的接入协议，如IP，然而，不同的业务(如语音、数据和多媒体应用等)对网络传输质量的要求差别很大，如果ISP依旧基于传统路由器发展大规模的IP网络，相关问题(如路由器转发部件的软件操作，构造高速路由器组件的开销，传统路由寻径机制在传输时难以预计的网络性能，网络无法提供针对特定业务的QoS等)将变得日益尖锐。

　　相对于IP路由技术，基于ATM和帧中继的快速交换技术可利用多种转发算法(其本质就是标签交换算法)。由于这些转发算法简单有效，因而被直接固化到交换机硬件内部。与传统的IP路由机制相比，L2层的快速交换技术具有很高的性能价格比。

　　为解决上述IP网络存在的问题，每个ISP都渴望寻求一种能够结合快速交换技术和IP路由技术中各自优势的网络解决方案，由此标签交换技术应运而生。标签交换技术就是致力把L2层交换技术的最优属性(通常由ATM或帧中继具体实现)，与L2层路由技术的最优属性(由IP具体实现)紧密结合起来，其中多协议标签交换(MPLS)是目前标准最统一、最具发展前景的标签交换技术。MPLS由Internet工程任务小组(IETF)制定，始于1997年初，它被设计成为能够符合大规模电信级网络所必须遵循的各种属性。其目标是实现在大规模IP网内，通过ATM和帧中继等多种媒介实现保证QoS的快速交换，因而MPLS的出现对于网络发展将具有革命性的意义。

　　二、MPLS技术中的关键概念

　　由于MPLS技术可适用于任何网络层协议，故称为多协议(multiprotocol)，目前主要是致力于传输IP业务。同时，多协议也表明MPLS技术的应用并不局限于某一特定的链路层媒介，即采用MPLS技术，网络层的数据包可以基于多种物理媒介进行传送，如ATM、帧中继、租赁专线/PPP等。在MPLS网络中的关键元素是标签交换路由器(LSR)，它具备了理解和参与IP路由与L2层交换的能力。MPLS要求LSR参与IP路由，其转发机制与传统逐跳路由判决机制的区别很大。结合上述多种传输技术，通过一种单一的操作模式，MPLS可以避免在L2层与L3层之间因相互操作而产生的相关问题，同时确保两种机制独立运行。LSR通过L3层的标准路由协议(如OSPF)进行寻径操作。从而获得整个网络的拓扑结构，由此获悉的路由信息将用来对特定IP报文分配相应的标签(Label)。从端到端的角度上来看，标签用于确定端点之间IP报文的传输路径，这种路径被称为标签交换路径(LSP)。LSP是通过MPLS的核心协议标签分配协议(LDP)在LSR对等体(Peer)之间建立的，其本质上与交换技术定义的VC连接十分相似。在传输IP报文时，MPLS标签边缘路由器(LER)通过特定判决机制，对报文进行标签封装，随后将携带特定标签的报文转发到网络内部升级后的交换机(如ATM-LSR或LSR)，它们在接收到相应IP报文后通过内部的标签信息库(LIB)进行标签查询与交换并沿着LSP转发报文。

　　三、MPLS的技术优势

　　MPLS在解决网络的扩展性、实施流量工程、同时支持多种要求特定QoS保障的IP业务等诸多方面具备得天独厚的技术优势。下文将详细分析MPD的技术特点。

　　1.扩展性

　　目前多数网络基于IPoverATM/帧中继的重叠模型组网方式。无论是对于路由协议的影响,还是对管理大量虚电路时所造成的负担而言，都存在很大的局限性。由于MPLS技术采用的标签分配协议仅在相邻的LSR对等体之间进行通信，每台LSR均可根据网络层的拓朴建立相应的LSP，因而有效解决了重叠模型中因全网状连接所带来的N2条逻辑链路的扩展问题。

　　2.利用单一的转发机制同时支持多种业务

　　MPLS利用短小且长度固定(4字节)的标签，采用精确匹配的寻径方式取代了传统路由器的最长匹配寻径方式。相比较而言。标签的编码结构远比IP报头封装机制简单，因此MPk技术可以通过升级现有网络设备，很容易地构建高速交换的LSR。

　　传统上ISP总是通过专门化的网络把多种业务划分开，以适应各种特定业务的需求。随着Internet的发展，业界一致认为应该建设一个可同时提供多种混合业务且基于分组的网络。虽然传统的电信业务和更多的数据业务可以被集中到同一个IP网络中，但是众多企业仍不断寻求更先进更专业化的业务以适应它们特定的要求。针对于此，ISP必须能够基于多种因素动态地调整网络需求，这些因素包括：特定业务流的带宽分配和传输性能(QoS/CoS)等。显然目前的IP网还远不能实现这一目标，而MPLS的一大优势就是可以在网络内部通过单一的标签交换机制同时支持多种IP混合业务。并可以在现有的IP网络中实施该技术。这种方式不仅节约了网络基础设施，而且易于网络管理与维护，从而为ISP节省了大量的运营成本。

　　3.边缘节点功能与网络内部节点功能分离

　　MPLS在网络边缘节点之间构建端到端的服务，其目的主要是分离网络中各节点的功能。通过在边缘节点实施特定规范，可使其具备基于QoS的选路功能，而网络内部节点主要用于保证数据的有效传输。ISP与用户依照服务等级协定(SLA)来确立网络边缘节点的实施规范，其中包括边缘节点传输、标志拥塞、丢弃报文等流量调节操作。

　　4.标签合并(LabelMerge)

　　标签合并是指：如果来自MPLS域内不同边缘入节点(IngressLSR)且携带不同入标签值的多条业务流，均被网络内的某个节点LSRn所接收，并且从该LSRn开始直到MPLS域内边缘出节点(EgressLSR)为止，它们的标签交换路径是完全相同的。那么就在节点LSRn处将上述不同的业务流映射到同一个出标签，并沿同一条LSP转发到边缘出口节点。标签合并是MPLS的一项重要功能，它有两个明显的优点：大量节省转发标签的使用数量，减少LSR对于每个标签的控制负担。

　　标签合并功能对于L2层的传输有着深远的影响，对于ATM或帧中继链路而言，MPLS的顶层标签是直接存放在相应的信元头中的VPI/VCI或帧头中的DLCI字段内。其标签资源十分有限。对于ISP而言，为了在提高网络利用率的同时，尽量减少网络运行成本，需要在同一个ATM/帧中继骨干网上既支持传统的ATM/帧中继业务又要运行MPLS，这就要求LSR的特定端口必须同时具备MPLS功能和标准的L2层转发功能，二者使用同一端口内不同的标签空间，相互独立运行。此种方式意味着在同一网络内存在两种转发方式却共用同一有限的端口资源。因而，若此LSR处于一个很大的网络中，标签合并的功能就显得尤为重要。

　　5、显式路由

　　显式路由技术(ER)与IP协议中定义的源路由技术十分相似，但又存在着重大区别。源路由技术要求在网络中传输的每一个IP报文部要携带用于明确标识整条路径的IP地址，其传输开销太大，使得网络负载难以承受，因而难以得到实际应用。而MPLS仅在建立特定ISP时，才要求在标签分配信令中携带明确的标签交换路径信息，而非具体针对到每个IP传输报文，因此MPLS中的显式路由技术得到了广泛的实际应用。事实上，显式路由以及下文将要描述的流量工程和QoS路由功能是MPLS作为下一代Internet宽带技术最为显著的技术优势。

　　6.多种标签映射方法

　　通常，LSP的建立基于标准的IP路由协议，如OSPF。此外MPLS为边缘标签交换路由器的标签映射方式提供了多种算法，充分显式了其技术上的灵活性，其中包括：

　　◆服务类别。它与基于目的地址前缀的判别方式相似，允许不同的标签在网络中接受不同的QoS。

　　◆应用流。在查看报文源和目的地址时，同时检查其他L3层或L4层的信息，这种方式可为路径选取提供更精细的粒度。

　　◆多点广播。通过使用独立多点广播协议(PIM)，MPLS技术能够使ATM交换机直接支持PIM并完全集成到IP的环境(甚至VPN)中文持IP多点广播服务。

　　◆显式路由。通过显式路由，网络管理员可以在各节点问的主干线上平衡负载，即通过第3层路由器(LSR)取代传统的手工配置口层PVC方式，轻松实现对Internet的流量规划。

　　◆VPN。MPLS技术还可以用来支持在普通IP网络上实现多层重叠IP地址空间，即根据报文的目的地址以及VPN编码联合组建多个IP专用网。

　　7.流量工程

　　流量工程是指根据各种数据业务流量的特性选取传输路径的处理过程。流量工程用于平衡网络中的不同交换机、路由器以及链路之间的负载。ISP通过流量工程可以在保证网络运行高效、可靠的同时，对网络资源的利用率与流量特性加以优化，从而便于对网络实施有效的监测管理措施。在现今于用IPOverATM/帧中继重叠模型的网络内，网管人员只能通过手工配置PVC以实现流量工程，此外由于网络中出现故障节点的下确定性。技术人员很难在网络中配置出与IP可恢复性机制相似的备份PVC。而对于以路由器为核心的网络，只能依靠改变路由的度量权值平衡链路负载。随着当今网络规模和复杂性的不断增加，基于度量权值的流量控制变得越来越复杂，以至于难以实现对整个网络带宽的全面综合的利用，因而无法有效实施流量工程。

　　MPLS技术可通过特定的QoS路由算法，采用离线方式计算出网络内对应不同业务流的所有可行的标签交换路径，即将要求特定QoS的业务流直接映射到网络对应的物理拓扑上，并通过标签分配信令在输入边缘节点和输出边缘节点之间建立相应的LSP。由于网络内部节点直接参与了特定LSP的计算与选取，因而大大缓解了网管人员的负担，并且使用MPLS技术能够及时发现网络故障节点，加快创建LSP备份路径以及诙复原有路径的速度。针对于此，业界人士一致认为MPLS技术是当前能够实施网络流量工程的最佳方案。

　　8.QoS路由

　　随着网络的不断发展，新业务的不断引入，用户迫切需要ISP将保证特定QoS的业务引入到目前没有明确划分业务类型的IP网络中。由于网络实际传输带宽有限，当特定链路传输的业务流量超过有效带宽时，即使具备相同的输入和输出节点的业务流，由于对QoS的要求不同，也无法使用相同的路径。解决该问题的理想方法是根据特定的QoS要求，网络逐一为每个业务流建立特定的传输路径。但是因为不同用户对于QoS的要求千差万别，而当前的IP网络又没有QoS的概念，如果要求网络中的路由器或交换机根据特定算法预先为每年不同服务等级的业务流预留带宽是不现实的。

　　所谓QoS路由是指根据特定业务流要求的QoS，在网络中建立相应路径的方法。MPLS技术通过使用约束路由机制，根据用户的特定要求仅在边缘节点处计算特定的标签交换路径，随后利用显式路由技术以及支持QoS的标签交换分配信令(如CR-LDP)在网络内部构成此LSP的LSR之间传递相应的建路信息。

　　MPLS的QoS路由机制与流量工程十分相似，二者都需要利用显式路由技术建立特定LSP。其不同点是QoS路由机制对网络中业务流的区分粒度更为精细。

　　9.支持区分服务

　　IETF为解决日益突出的IPQoS保证问题，先后提出了两个基本模型：综合服务模型(Int-Serv)和区分服务模型(Diff-Serv)。实践表明区分服务模型将会是解决IPQoS保证问题的有效途径。业界目前正在致力于研究有效结合MPLS的标签交换技术以及区分服务模型的简单信令技术，以大幅度提高和改善当前IP网络的服务质量。

　　目前对应于支持MPLS区分服务的LSP存在两种类型：单一类别LSP和多类别LSP。若在特定LSP中转发的所有MPLS报文均属于同一种区分服务转发类别，则此LSP称为单一类别LSP，否则称为多类别LSP。

　　在单一类别LSP中待转发的报文共同使用节点内部对应此特定转发类别的综合资源，这些经标签封装后的报文不必利用其标签内的EXP域对特定转发类别进行标识，但可以在EXP字段内标识该报文的丢弃优先级。

　　对于多类别的LSP，报文携带的标签内部EXP字段不仅可以标识该报文的丢弃优先级，还可以指明此报文所属的区分服务类别，传输报文将利用MPLS报头内标识的区分服务类别信息获取节点内相应的资源。

　　四、当前MPLS技术存在的问题

　　MPLS技术发展十分迅速，仅仅经历三年时间，就已发展成为被业界推崇的一种Internet新兴技术，充分显示了其强大的技术优势。但是，目前MPLS技术在许多方面还存在相当大的难点，需要认真思考与探讨。

　　1.对标签合并功能的支持

　　标签合并能够有效解决网络标签资源有限的问题，并且便于网络实施流量工程，其代价是LSR对LIB的维护将更加复杂。如果LSR支持标签合并功能，则意味着该节点必须支持多点到点的传输能力，目前改造后的ATM-LSR或帧中继-LSR设备均不支持多点到点的传输方式，并且节点容易在出端口产生信元交织。为解决上述问题，必须要对现有的ATM-LSR或帧中继-LSR进行硬件改造，其实现难度很大，成本高并且难以与传统ATM/帧中继业务相兼容。

　　此外，对于QoS路由而言，要求网络为特定的业务流分配特定的LSP，因而不能采用标签合并传输方式。标签合并功能的使用环境以及节点相应的处理操作还有待于IETFMPLS工作组的进一步解决。

　　2.环路(Loop)问题

　　在网络层IP报文通过TTL超时机制来丢弃报文。但在L2层由于ATM/帧中继硬件并不提供TTL功能。因而没有办法来直接丢弃产生环路的报文，由于环路的存在，网络拥塞程度不断加剧，它不仅使报文无法到达正确的信宿，甚至有可能导致网络被迫丢弃用于更新路由信息的报文，致使路由寻径变得更加不稳定，延长了环路分组在网络中的驻留时间。

　　目前MPD解决环路问题的主要方法是使用环路检测机制。该机制允许环路在网络中产生，但当网络检测到环路存在时，要求节点立即关闭环路。IETF当前提出了基于穿线法(Thread)的环路检测机制，由于其算法实现复杂且下完善，因而仍然需要开发更好的环路检测算法以消除环路问题。

　　3.MPLS实施区分服务

　　MPLS与分类业务的技术优势相结合是当今Internet的发展趋势，但是由于ATM采用硬件交换的方式，现有方案仅利用CLP/DE字段标识特定的分类业务，致使目前ATM/帧中继链路与分类业务类型(PSC)的对应关系很不明确，这将给MPLS实施分类业务来带很大的困难，这一问题需要尽早解决。

　　4.ATM交换机对于CR-LDP的支持

　　传统的ATM交换机采用了5种服务类别标准用以支持特定的QoS服务，而受限的标签分配协议(CR-LDP)则以令牌筒参数标识用户要求的流量特性，因而两种QoS参数的精确映射将是CR-LSP有效支持保证特定IPQoS服务的关键。由此可见，经过改造后的ATM-LSR对于不同的流量参数、权重取值、业务频率等众多CR-LDP受限参数如何在设备内部分配相应的队列及节点资源，用以保证数据的有效传输将是CR-LDP首要解决的问题。

　　5.CR-LDP与RSVP扩展信号的互通问题

　　采用RSVP扩展信令与CR-LDP都可以建立支持特定IPQoS服务的LSP以及实施面向全网的流量工程，但是它们彼此在信令体系结构之间的差别极大。虽然业界普遍看好CR-LDP，但是为了MPLS技术的蓬勃发展以及满足ISP的实际需要，解决两种信令之间的互通问题是十分必要的。理想的信令互通模型解决方案的出台将会把MPLS技术引入一个更为广泛的应用领域。

　　6.流量工程的有效实施

　　流量工程是MPLS最主要的技术优势之一，但是ISP在建立支持特定QoS的LSP时，往往忽略了对于特定LSP出现故障时的快速检测、快速通知、快速恢复/重新选取路由，建立备份路径等相应的配套措施。特定LSP的各种维护措施(如提供OAM信元)将是MPLS工作组近期的主要研究方向。

　　五、结语

　　MPLS作为Internet下一代宽带网络核心技术，可以为ISP提供多种大规模IP宽带网络阶必需的功能，例如可预见性、扩展性、可管理胜等。综上所述，通过MPLS可以建设一个先进的宽带网络，它有效地结合了L2层快速交换与L3层灵活路由的技术优势，同时确保了ISP对网络原有设备的投资，是目前有效实施网络流量工程。同时支持多种要求特定IPQoS保证的最佳解决方案。

　　MPLS像其他宽带技术一样，会不断发展。然而其发展道路将会非常曲折，其中相关的QoS标签分配信令、QoS判决机制、流量工程等标准必须要适应瞬息万变的Internet宽带需求，才能最终形成一套统一完善的宽带技术标准。