多协议标签交换

多协议标签交换(MPLS)近年来,Internet网络通信迅猛发展,通信业务从没有服务质量(QoS)要求的低速数据传送业务向音频、视频、多媒体等对QoS有严格要求的交互性宽带业务方向发展,迫切需要一个高带宽、业务发展受限少的宽带网络传输交换技术。传统的Internet采用“尽力而为(best-effort)”的无连接的分组交换IP技术,对时延、抖动等没有要求,其无法保证用户QoS的缺点制约了IP技术在宽带网络中的进一步发展。IETF于20世纪90年代中期提出的多协议标签交换技术(MPLS,Multi-ProtocolLabelSwitching)是用于IP主干网的高效技术,实现了高速交换能力和灵活路由能力的高效融合,在Internet这样的无连接网络中创建面向连接型业务的通路,被公认是当前最有发展前景的网络解决方案。1MPLS基本原理（1）MPLS的起源多协议标签交换(MPLS)最初是为了提高转发速度而提出的。与传统IP路由方式相比，它在数据转发时，只在网络边缘分析IP报文头，而不用在每一跳都分析IP报文头，从而节约了处理时间。MPLS起源于IPv4（InternetProtocolversion4），其核心技术可扩展到多种网络协议，包括IPX（InternetPacketExchange）、Appletalk、DECnet、CLNP（ConnectionlessNetworkProtocol）等。“MPLS”中的“Multiprotocol”指的就是支持多种网络协议。（2）MPLS的基本概念多协议标签交换（MPLS）是一种用于快速数据包交换和路由的体系，它为网络数据流量提供了目标、路由、转发和交换等能力。更特殊的是，它具有管理各种不同形式通信流的机制。而且它提供了一种方式，将IP地址映射为简单的具有固定长度的标签，用于不同的包转发和包交换技术。MPLS是一种高效的网间路由技术。它以一种简便的“标签”互换算法来取代传统的“最长地址匹配”转发方式,将第2层交换能力和第3层路由技术完美地结合起来,在无连接的网络中引入连接模式的特性,在异构网络互联环境下利用标签引导数据高速、高效传输。其中“多协议”是指MPLS可以支持第3层上的多种协议,如IPv4、IPv6、IPX、Appletalk、DECnet、CLNP等,同时MPLS也可以支持第2层上的多种协议,如路由器、ATM交换、帧中继交换等。它可以支持任何能够在网络层实体间传送网络层分组的第2层媒体,而并非针对任何一种链路层技术。这样,MPLS能够适应于多种承载网络,各种不同的网络传输技术可统一在同一MPLS平台上,保护了现有网络的投资和资源,促进了网络的互联和融合。“标签交换”是MPLS的核心技术,是把网络层的信息与标签捆绑,用标签进行多层分组交换的技术。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。MPLS对一个连接请求实现一次路由、多次交换,故加快了数据分组转发的速度,减少了时延和抖动,增加了网络的吞吐能力。MPLS主要设计来解决网路问题，如网路速度、可扩展性、服务质量（QoS）管理以及流量工程，同时也为下一代IP中枢网络解决宽带管理及服务请求等问题。（3）MPLS的特点MPLS的特点是可以运行在任一网络：ATM、FR等，目前主要解决支持IPv4和IPv6协议，逐步扩展到其它协议•利用现有成熟的路由协议，简化了网络设计过程、保证了网络的可靠性；•改善了传统IP网络中的N2问题，增强了扩展性；•采用集成模型，将路由、寻址、控制放在一起，简化控制过程、避免技术地址解析的复杂性；•能够支持各种传输层协议与链路层协议，是一种标准的解决方案，保证互联互通；2．MPLS中的关键技术在MPLS中，数据传输发生在标签交换路径（LSP）上。LSP是每一个沿着从源端到终端的路径上的结点的标签序列。现今使用着一些标签分发协议，如标签分发协议（LDP）、RSVP或者建于路由协议之上的一些协议，如边界网关协议（BGP）及OSPF。因为固定长度标签被插入每一个包或信元的开始处，并且可被硬件用来在两个链接间快速交换包，所以使数据的快速交换成为可能。(1)转发等价类(ForwardingEquivalenceClass,FEC)。FEC是一系列具有某些共性的第3层数据包集合,在转发的过程中将以相同的方式处理这些数据。其共性包括:地址前缀(AddressPrefix)、主机地址(HostAddress)等。FEC只具有本地意义,LSR根据第3层数据包所属的FEC对其进行分类转发。(2)标签(Label)。标签是长度固定为20比特的短小指示符,用来标示一条数据转发路径。当一个不带标签的信息分组进入MPLS网络时,由LER对此分组头上的目的地址进行分析,并根据QoS要求,将该分组划归某个FEC,同时在这个分组加上与这个FEC类别相应的标签。标签使该信息分组在经过以后的各个中间节点时,只对这个短标签进行一个很简单的运算,检索出对应的转发路由,因此大大加快了转发速度;同时还按照信息的类别,保证了QoS的要求。(3)标签分发协议(LabelDistributionProtocol,LDP)。LDP是一种基于TCP的控制协议,主要用来完成LSR之间、LSR和LER之间的路由信息的传递。LDP规定了标签分发过程中的各种消息及相关的各种处理进程,其根本目的是建立标签交换路径(LabelSwitchedPath,LSP)。3．MPLS的网络结构MPLS的网络结构图如图1所示:图1MPLS网络结构MPLS网络区域中的标签交换路由器可以分为2种:标签交换路由器(LabelSwitchingRouter,LSR)和标签边缘路由器(LabelEdgeRouter,LER)。LSR由控制单元和交换单元组成,位于MPLS网络中部,是运行MPLS的网络节点,运行MPLS控制协议和第3层路由协议,负责与其他路由器交换路由信息,建立标签信息库(LabelInformationBase，LIB),完成FEC与IP地址的映射,建立FEC和标签之间的绑定,分配绑定信息,建立和保持标签转发表等。LSR除了支持MPLS的标签交换以外,还支持传统的第3层转发,可以由各种路由器和交换机升级而成。LER位于网络的边缘,是拥有特殊功能的LSR,能连接MPLS域和非MPLS域,对业务进行分类,分配标签,去掉标签,确定业务类型,实现管理策略,接入控制等。当信息分组到达MPLS网络时,由边缘处的LER完成IP包与MPLS数据包的转换,即在入口处将IP包加上标签;再由网络内的LSR根据标签实现数据包的转发;在出口处,由LER去除标签,还原为IP包。这样,就在源和目的之间根据标签快速建立起一条LSP来传输数据。由于MPLS的转发机制与控制机制相互独立,所以整个网络路由信息的维护十分灵活。4．MPLS的通信过程首先,在LER与LSR之间建立LDP会话,以初始化LIB。根据现有的路由协议(如OSPF等),LDP使用路由表中的信息建立相邻设备的标签值,完成由路由到标签的映射表。在MPLS网络内部依据标签,建立起了一条数据转发的LSP。第二步,当有一个目的地址为12.20.0.9的用户IP分组到达入口LER1时,通过分析其IP包头,在LIB中查找相应的标签2和端口1,然后将分组与标签绑定,并从端口1进入MPLS网络。第三步,数据包到达LSR1时,直接将标签2换成18,从端口1送出,而不用再做任何第3层处理,这是MPLS技术高效传送数据的关键所在。第四步,同理,到达LSR2时,将标签18换成11,从端口1送出。第五步,到达LER2时,除去标签,还原出原IP包,送到目的地址为12.20.0.9的用户。5．MPLS技术的发展方向5.1MPLS技术在传输网中的发展GMPLS（通用多协议标签交换）对MPLS中的路由和信令协议做了适当增补后，可用于分组交换、TDM以及波长交换业务，它将IP智能（包括各种QoS）引入了所有类型的业务，简化业务配给，改进了保护和恢复方案，具备为网络各层提供一个基于IP的公共控制平面的能力。为了满足传输网的需求，GMPLS增加了控制通道用于节点间交换控制平面信息，增加了链路管理协议用于校验承载通道的有效性、自动提供业务和故障隔离，并增加了多链路绑定和嵌套LSP等新特性。GMPLS的优势在于能提供跨网络层次的流量工程、业务恢复和保护的集成以及快速业务部署。传输网络的带宽随着用户需求的提升而不断增加，越来越多的DWDM设备和光交换设备将被部署在核心网络，原有的SDH、IP和ATM设备将被迁移到网络边缘并向用户提供服务。由于GMPLS能向所有的传输层提供一个统一的、简单的解决方案，并能简化多个传输层面的集成工作，所以将成为ASTN控制层面的重要组成部分。5.2MPLS在无线移动通信网中的发展WMPLS（无线多协议标签交换）协议是MPLS协议在无线网络中的扩展，其原理和MPLS相同。在无线通信网络中（这里主要指无线接入网部分），WMPLS采用流控和差错控制机制，新增了可靠性和传输效率保证功能。该功能基于空中信道的实际情况，控制数据包的传输，保持约定的流量参数，降低误码率和丢包率。在无线通信网络和骨干网络的边界处，WMPLS引入一种翻译功能，移除WMPLS添加的额外包头和控制信息，并把标准格式的MPLS数据包发送至骨干网。目前,WMPLS能提供可靠的高速数据传输，保证业务的QoS并支持DiffServ和流量工程，必将成为无线通信网络支持实时流媒体业务的最优解决方案。作为通信网络的关键技术之一，MPLS相对于其他技术，在流量工程、QoS保证、VPN以及IP电信网等业务提供方面有着无以伦比的优势，逐渐成为高效的IP骨干网技术平台。通过增强MPLS自身的OAM能力，以及在MPLS管理能力基础上提供网络管理和业务管理软件，必将加快MPLS的应用进程，使具有MPLS能力的IP网络真正达到可管理、可运营。而Trainet、MPLS-TE以及MPLS-VPN等技术，在改善网络性能的同时提高了可扩展性。这些新技术无疑将推动MPLS网络向着更完善、更灵活、可用性更高的方向继续发展。参考文献:[1]冯径.多协议标记交换技术[M].北京:人民邮电出版社.2002[2]林维忠.多协议标签交换(MPLS)技术[J].2002[3]陈楠.多协议标签交换技术[J].有线电视技术.2002