第六章 MPLS 技术

1. 第六章 MPLS技术 • 6.1 MPLS简介 • 6.2 MPLS技术 • 6.3 MPLS应用

2. 6.1 MPLS简介 • 多协议标记交换（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）技术，是一种在开放的通信网上利用标记引导数据高速、高效传输的新技术。 • MPLS技术是未来最具竞争力的通信网络技术。

3. 6.1.1 MPLS发展 • 互连网的迅猛增长对当前基于IP的干线网提出了挑战，表现在：①新的应用层出不穷，如语音传送、视频服务、多媒体信息传输等。②目前的IP路由技术采取基于目的地址的最优数据传输通路查找法，而不考虑所要传送数据的其他性能要求；③网络规模迅速增长，但现有的IP路由技术及组网方式不适应网络的扩展和许多增值服务的提供。

4. 各种IP与ATM融合的技术，如LANE，IPOA，MPOA，ARIS，TAG，SWITCH等都只能解决局部的问题，这些技术虽然利用了ATM高速交换的特性，但要么没有充分利用ATM的QoS特性，要么过于复杂和标准不完善。 各种IP与ATM融合的技术，如LANE，IPOA，MPOA，ARIS，TAG，SWITCH等都只能解决局部的问题，这些技术虽然利用了ATM高速交换的特性，但要么没有充分利用ATM的QoS特性，要么过于复杂和标准不完善。 • 目前数据传输的承载技术具有多样性的特点，如ATM、FR、PPP和SDH等。

5. 虚拟专用网（Virtual Private Network，VPN）是提供新一代电信业务的基石，但是当前的网络技术在实现VPN扩展性、安全性、管理性方面都有很大的、先天的缺陷，急需加以改造以适应VPN市场增长的需求。 • MPLS技术是网络时代发展最迅速的技术，并且已经成为宽带骨干网中的一个根本性的重要技术。

6. LSR就是实现了MPLS功能的ATM交换机。LER可以是具有MPLS功能的ATM交换机，也可以是具有MPLS功能的路由器。LSR就是实现了MPLS功能的ATM交换机。LER可以是具有MPLS功能的ATM交换机，也可以是具有MPLS功能的路由器。 • 6.1.2 MPLS标准 • 近年来，MPLS越来越引起人们的关注。在IP与ATM结合的模型中，人们普遍认为MPLS是将ATM与IP两种技术相结合的一种较好的广域网解决方案。

7. MPLS标准草案主要分四部分：第一部分描述了MPLS的总体情况和术语；第二部分是标准草案的主体，重点描述了MPLS的标记格式、标记分配的属性、标记分配协议的概念、标记编码及路由选择机制和环路控制等内容；第三部分主要论述MPLS的某些应用；第四部分重点描述LDP。MPLS标准草案主要分四部分：第一部分描述了MPLS的总体情况和术语；第二部分是标准草案的主体，重点描述了MPLS的标记格式、标记分配的属性、标记分配协议的概念、标记编码及路由选择机制和环路控制等内容；第三部分主要论述MPLS的某些应用；第四部分重点描述LDP。

8. 6.1.3 MPLS特点 • MPLS的灵活性表现在：LSP的建立由网络边缘的LER负责，保持传统因特网“核心简单，边缘复杂”的设计原则。 • MPLS属于集成模型，它基于标记交换机制，在ATM层上直接承载IP业务，与重叠模型相比，提高了业务的性能和网络的效率。

9. MPLS具有以下几个显著特点： • （1）与7号信令网络相同，每个交换机都具有第三层智能，可以重新进行选路连接。 • （2）MPLS使用标记作为标识，通过路由表寻找下一跳，适用于高速中继，如STM-4，STM-16和STM-64。

10. （3）MPLS使用（Classless Inter Domain Routing，CIDR）的机制，不需要32位IP地址。 • （4）MPLS采用VC融合（VC merge）的机制，同一终点的多个VC可以汇集成为一个VC，从而节省了VCI的资源。 • （5）ATM交换机与IP相结合，无需复杂的地址解析。

11. MPLS采用标记交换的机理，是一种基于拓扑的选路机制。MPLS交换操作一般分为4个步骤：MPLS采用标记交换的机理，是一种基于拓扑的选路机制。MPLS交换操作一般分为4个步骤： • （1）使用现有的选路协议，如OSPF、IGRP等，建立到终点网络的连接，LDP完成标记到终点网络的映射； • （2）输入端标记边缘路由器接收到分组，完成第三层功能，并给分组贴上标记；

12. （3）标记交换机对带有标记的分组进行交换；（3）标记交换机对带有标记的分组进行交换； • （4）在输出端的MPLS边缘路由器中去掉标记，并将分组传送给终端用户。

13. 6.2 MPLS技术 • 6.2.1 MPLS体系结构 • 一、MPLS体系结构 • MPLS是一种出现在OSI2.5层的连接机制，其体系结构如图6.2所示。

14. 图6.2　MPLS体系

15. （1）对一个流指定标记的语义。 • （2）转发方法。 • （3）标记分配方法。

16. 二、MPLS组件 • MPLS核心组件分为转发机制和控制机制两大类型，转发机制相对简单和固定，它主要由标记匹配算法组成，为此，每个支持MPLS的路由器，要有相应的标记信息库（Label Information Base，LIB）。 •  基本路由处理 •  标记（label） • MPLS封装

17. 1．对于路由器核心网的改进 • 对于路由器核心网的改进有以下几方面。 • 简化转发过程 • 支持显式路由（explicit routing） • 支持流量工程（traffic engineering） • QoS路由选择 • 将IP分组映射成转发等价类 • 单一转发方案支持多级服务

18. 2．对于ATM或其他交换式核心网的改进 • 在IP Over ATM环境下，以往互联路由器的方法有3种：一是在n个附接ATM交换机的路由器之间覆盖全连接的n2个虚电路（VC）；二是在路由器之间建立部分VC连接；三是有部分VC连接，再使用NHRP帮助建立短期的请求式SVC。 • 减少跨越大规模云状网络的路由问题：MPLS减少了使用NHRP建立短期请求SVC来穿越ATM网络的需求。

19. 6.2.2 MPLS工作原理 • 标记交换就是根据入分组中的“标记”检索交换机内部的转发信息库，使用转发信息库给定的出口信息完成该分组的转发。所谓“标记”就是一个短且长度固定的数字，数字本身与网络层地址（如IP地址）并无直接联系，且只具有本地意义，如图6.3所示。

21. 标记交换对于熟悉电信网络的人而言其实并不神秘。数据通信网络从传统的X.25网络到新兴的帧中继、ATM网络，所采用的交换技术都可称之为“标记交换”技术。标记交换对于熟悉电信网络的人而言其实并不神秘。数据通信网络从传统的X.25网络到新兴的帧中继、ATM网络，所采用的交换技术都可称之为“标记交换”技术。 • 标记交换的最大特点便是面向无连接的业务。前面已经提到，面向无连接业务是标记交换有别于通信网络的一个很重要的特点。

22. 标记交换还是一种支持多协议的技术。它不仅可以支持多种上层网络协议，包括IP、IPX、AppleTalk等，而且可以运行于不同底层网络之上，如图6.4所示。 标记交换还是一种支持多协议的技术。它不仅可以支持多种上层网络协议，包括IP、IPX、AppleTalk等，而且可以运行于不同底层网络之上，如图6.4所示。

24. 一、标记交换中的几个基本概念 • 标记交换路由器（LSR）：具有标记交换能力的路由器，它是标记交换的基本构成单元。 • 标记交换路径（LSP）：允许包以标记交换的方式从一个LSR转发到另一个LSR的一条路径。 • 转发等效类（FEC）：以相同方法转发的一组网络层数据包。

25. 数据流（stream）：沿着同一路径、属于同一FEC的一组包被视为一个数据流。数据流（stream）：沿着同一路径、属于同一FEC的一组包被视为一个数据流。 • 业务流（flow）：一个应用到应用的数据流称为业务流。 • 上游（upstream）和下游（downstream）：“上游”和“下游”是根据数据流的流向而定的。

26. 转发信息库（FIB）：FIB用于存放下一跳的相关信息。转发信息库（FIB）：FIB用于存放下一跳的相关信息。 • 流分类：在业务流进入LSR时首先需要进行分类，也就是将业务流划分为不同的FEC。 • 标记交换的封装：前面曾经提到，标记交换是一种支持多协议的技术，它可以在多种链路协议上运行。

27. 二、标记交换的功能组件 • 标记交换机由两种部件组成；转发部件和控制部件。转发部件根据分组中携带的标记信息和LSR中保存的FIB完成分组的转发。 • 控制部件主要通过在LSR间运行路由协议（如OSPF、BGP等）来获取路由信息，并利用LDP获得相应的标记信息，然后根据所有这些相关信息构造FIB。

28. 转发部件则要完成一个操作流程：从分组中抽取标记，在FIB中检索匹配的信息条目，根据条目中的出口信息进行转发。 转发部件则要完成一个操作流程：从分组中抽取标记，在FIB中检索匹配的信息条目，根据条目中的出口信息进行转发。 • 1．标记交换中的转发部件 • 下面我们用一个实例来说明转发部件的工作流程。在图6.7中，当RTB收到一个携带标记“4”、目的地址为192.16.1.1的IP分组时，转发部件将:

30. ①从分组中抽出标记“4”；②将该标记作为FIB的查询索引，检索该分组所对应的条目；③用条目中的出口标记“9”和链路层信息替换分组中原来的标记“4”和链路层信息；④将分组从条目中指示的输出接口“0”发送出去，如果条目中指定了输出队列，则将其放置到相应队列中。一个接口可能有多个输出队列，分别对应不同的服务质量。①从分组中抽出标记“4”；②将该标记作为FIB的查询索引，检索该分组所对应的条目；③用条目中的出口标记“9”和链路层信息替换分组中原来的标记“4”和链路层信息；④将分组从条目中指示的输出接口“0”发送出去，如果条目中指定了输出队列，则将其放置到相应队列中。一个接口可能有多个输出队列，分别对应不同的服务质量。

31. 图6.7还示出了另一类LSR的工作流程，那就是边缘LSR，也就是本例中的RTA和RTC。 图6.7还示出了另一类LSR的工作流程，那就是边缘LSR，也就是本例中的RTA和RTC。

32. 2．FIB的配置 • FIB可以是一个LSR配置一个，也可以是LSR的每个接口各配置一个。LSR使用一个统一的FIB可以减少FIB的维护开销，但是很显然，在这样的FIB中没有保留分组的入接口信息，也就是说，从不同接口输入的、属于不同FEC的分组不能使用相同的标记，这就增加了标记的使用率，使标记可用空间相对缩小。

33. 3．标记交换的转发方式 • 传统的路由针对不同业务特性（如单播、组播和特定业务类型的单播）提供不同的转发方式。

34. 三、控制部件 • 在标记交换中控制部件的主要功能是：在LSR之间发布路由信息及标记分配信息，将路由信息和标记捆绑信息转换为FIB的信息，构造和维护FIB，以供转发部件使用。 • 标记交换中的控制部件与路由器中的控制部件有很多相似之处。

35. 1．标记分配的本地和远地 • 控制部件一个很主要的功能就是为FEC捆绑标记，标记的来源有两个，一个是由本地分配，一个是由远地分配。本地分配就是需要生成捆绑的LSR自行从它的空闲标记库中选择一个；远地分配就是从其他LSR接收一个标记捆绑信息。

36. 2．上游和下游标记分配 • 下游节点标记分配由下游节点根据本节点的使用状况为FEC分配入口标记，然后通过LDP将所分配的标记通知上游节点。 • 在标记分配逐段完成之后，RTB的FIB中输出标记和输入标记都已填入，这时RTB可以实现标记交换，而无需再进行目的地址匹配和路由。

37. 3种分配方式相辅相成，前面我们曾经介绍过节点的FIB有两种管理方式，一种称为单接口FIB，一种称为单节点FIB。 3种分配方式相辅相成，前面我们曾经介绍过节点的FIB有两种管理方式，一种称为单接口FIB，一种称为单节点FIB。 • 3．标记的释放 • 每个LSR都拥有一个空闲标记库，其中存放着可用的标记。在控制部件需要生成一个新的捆绑时，会从这个库中取出一个标记；当控制部件释放一个捆绑时，会将捆绑中使用的标记返还给空闲标记库。

38. 4．标记捆绑的驱动 • 标记交换中的标记分配与ATM网络中VPI/VCI的分配有着不同的驱动源。 • 数据驱动标记捆绑可以在一个流的第一个数据分组到达时就启动捆绑进程，也可以在该流的若干个分组到达后再启动捆绑进程，所等待的分组的个数取决于判定长流的门限。

39. 数据驱动标记捆绑是在出现应用需求时才生成捆绑，它是一种按需生成捆绑的方式。 数据驱动标记捆绑是在出现应用需求时才生成捆绑，它是一种按需生成捆绑的方式。 • 与控制驱动相比，数据驱动标记捆绑也存在很多缺点。首先，由于数据业务流的变动性较大，数据驱动的标记捆绑的更新速度也相应地比较快，所以数据驱动会占用更多的网络资源来传递标记捆绑信息。其次，因为控制驱动在业务流出现之前已经建立了标记捆绑，所以数据分组可以始终以标记交换的方式转发。

40. 6.2.3 转发等价类（FEC） • FEC是标记交换路由器（LSR）根据某些策略对数据流进行分类的结果，通常可以把具有某些相同属性（如具有相同目的地址前缀）的分组映射到某个FEC，映射的目的是为了标记分组。

41. 对于一指定LSR，属于同一FEC的分组一定具有相同的转发路径（即相同的入口和出口），但并不意味着在同一LSR上具有相同转发路径（相同的入口和出口）的分组一定属于同一FEC，因为多个不同的FEC完全可以具有相同的转发路径。 对于一指定LSR，属于同一FEC的分组一定具有相同的转发路径（即相同的入口和出口），但并不意味着在同一LSR上具有相同转发路径（相同的入口和出口）的分组一定属于同一FEC，因为多个不同的FEC完全可以具有相同的转发路径。 • 每个FEC由一个或多个FEC单元来描述。

42. 一、FEC的静态映射方法 • 目前常用的静态映射方法是： • ①IP地址前缀。提供一个含有一个或多个IP地址前缀的集合，符合其中一个或多个IP地址前缀的包被映射成相同的FEC； • ②主机地址。以一个32bit的IP地址作为FEC单元。

43. 二、FEC的动态映射方法 • 动态流量分类的方法，在一定程度上考虑了分类流量的动态特性，如流量的速率分布、分组大小分布以及分组之间的时间间隔分布等，但是仍需要进行相关参数的学习和阈值选择，不能动态地根据系统中流量的变化情况而自适应地进行流分类工作。

44. 可以采用如下的速率测量方法：当有分组经过时，记录其分组到达时间和分组大小，并以最细的流量粒度，即（主机＋端口）粒度来统计所有分组流的最近一分钟内的分组到达情况，并以每秒为单位，计算各个流的最大瞬时速率作为此流参加聚类的速率值，并以此值来判别是否进行MPLS标记转发。 可以采用如下的速率测量方法：当有分组经过时，记录其分组到达时间和分组大小，并以最细的流量粒度，即（主机＋端口）粒度来统计所有分组流的最近一分钟内的分组到达情况，并以每秒为单位，计算各个流的最大瞬时速率作为此流参加聚类的速率值，并以此值来判别是否进行MPLS标记转发。

45. 三、FEC的标识 • 不论是静态分类还是动态分类，把分组映射到某个FEC是通过让该分组携带相应的标记实现的。标记类似于ATM中的VPI/VCI，其长度是固定的（总长为32bit）。—个具体的标记值就代表了一类FEC的语义。通常情况下，一个标记只能代表一类FEC，而一类FEC可以对应于多个标记。

46. 四、流的合并与聚合 • 在计算机网络中，常将一个端到端应用的数据、视频或音频流称为flow（流），它是网络中区分不同流的最小粒度。 • 合并的概念是指在标记交换路由器中，将来自不同输入接口的数据分组，以同一标记从同一输出接口发送出去，并且一旦分组被发送出去后，“分组来自不同的源”这一信息便丢失了。

47. 通常英语将合并或聚合后的流称为stream，它是MPLS进行数据转发操作的对象，它可以根据网络的规模、处理能力和应用会话的性质划分成不同的粒度。 通常英语将合并或聚合后的流称为stream，它是MPLS进行数据转发操作的对象，它可以根据网络的规模、处理能力和应用会话的性质划分成不同的粒度。 • 1．点到点的交换路径 • 点到点的交换路径可以用来连接所有入口节点和出口节点，传送单播通信量（unicast traffic），在这种情况下，—个入口节点到每个出口节点均采用点到点连接。

48. 2．多点到点的交换路径 • 多点到点的交换路径将所有的入口节点连接到一个出口节点上。在这种交换路径的一个给定的中间节点上，来自若干个上游链路的第二层数据单元被合并成一个下游链路的标记。

49. 3．点到多点的交换路径 • 点到多点交换路径常被用于分发多播通信量（multicast traffic），这个交换路径树反映了由多播路由协议决定的多播分发树。 • 4．多点到多点的交换路径 • 多点到多点的交换路径可以将来自多个信源的多播通信量组合成一个多播分发树，其优点在于它能共享多个信源。

50. 在ATM媒介上的操作不能是简单的直接转发，因为数据分组在ATM交换机中先被封装成ATM适配层协议数据单元，称为AAL5 PDU，然后AAL5 PDU再被分段，形成53个字节的ATM信元，每个信元带有相同的VPI/VCI值，按顺序发送。 • 有两种方法来解决这个问题，具体涉及到VC和VP的合并。