多协议标签交换

MPLS简介DATE：2011年10月20日多协议标签交换（MPLS）传统的路由器网络存在着两个致命的缺陷：1.业务的服务质量难以得到保证；2.网络的扩展性差。IETF在综合各厂家IP交换技术的签础上提出了标准的IP交换技术——多协议标签交换(MPLS)，从而解决了IP交换技术的标准化和各厂家IP交换设备的互操作问题。多协议标签交换1多协议标签交换（MPLS）2MPLS体系结构3MPLS组件4标签分发协议5MPLS的工作过程1多协议标签交换（MPLS）•MPLS工作组的主要目标是开发一个综合选路和交换的标准。•MPLS合并网络层选路和标签交换而形成一个单一的解决方案，它有如下的优点：1）改善选路的性能和成本。2）提高传统叠加模型选路的扩展性。3）引进和实施新业务时更具灵活性。•MPLS采用IP寻址、动态IP选路和另一个标签分发协议（LDP），LDP把等价转发类FEC映射成标签而后形成标签交换路径LSP。•MPLS体系结构具备运行在任何数据链路上而不仅仅是ATM上的能力。•MPLS技术另一个非常有用的功能就是虚拟专用网(VPN)服务功能。返回2MPLS体系结构1．概述MPLS网络的基本构成单元是标签交换路由器LSR(LabelSwitchingRouter)。主要运行MPLS控制协议和第三层路由协议负责与其他LSR交换路由信息来建立路由表实现FEC（转发等价类）和IP分组头的映射，建立FEC和标签之间的绑定分发标签绑定信息，建立和维护标签转发表。MPLS原理图LERLSRLSP接口接口由LSR构成的网络叫做MPLS域位于区域边缘的LSR称为边缘LSR（LER，LabeledEdgeRouter）主要完成连接MPLS域和非MPLS域以及不同MPLS域的功能，并实现对业务的分类、分发标签(作为出口LER)、剥去标签等。位于区域内部的LSR则称为核心LSR，核心LSR可以是支持MPLS的安全网关，也可以是由ATM交换机等升级而成的ATM-LSR，它提供标签交换（LabelSwapping）标签分发功能。•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数据报首部，决定相应的传送级别和标签交换路径（LSP）。2.MPLS的协议栈1)MPLS协议采用标签分发协议（LDP）、基于约束的LDP（CR-LDP）、资源预留协议（RSVP），资源预留协议扩展（RSVP-TE）。2)MPLS的协议栈分为两个层面：控制层面和数据层面。一个典型的MPLS网络结构如图所示：192.5.2.0192.6.1.1192.6.2.1LAN2192.4.2.0LAN1MPLS域路由器路由器LSRALSRBLSRCLSRD3.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，具有第三层转发和第二层交换的功能。它能运行传统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。2）标签在传统的路由器中，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）。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。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。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建议了两种标签分发方式：•上游请求方式——上游标签交换路由器LSR为某个FEC向下一跳LSR请求分配标签；•下游分配方式——不需要上游请求标签直接将标签绑定信息发送到上游。一个下游分配例子：上游下游目的网络K输入输出AKA输入输出KZZLSR1LSR2返回3MPLS组件1)标签交换路由器（第三层转发，第二层交换）2)标签边缘路由器（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）3)标签（Label）•标签Label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•标签格式依赖于分组封装所在的介质•标签的结构如图所示:20318标签长度为4个字节。标签值；保留用于试验；最底层标签；TTLLabelExpSTTL标签共有4个域：•Label：20比特，标签值字段，用于转发的指针•Exp：3比特，保留，用于试验，现在通常用做CoS（ClassofService）•S：1比特，栈底标识。MPLS支持标签的分层结构，即多重标签，S值为1时表明为最底层标签•TTL：8比特，和IP分组中的TTL（TimeToLive）意义相同。标签位于链路层包头和网络层分组之间，标签封装如下图所示:4）标签栈•标签栈是一个排序的标签集•在一个分组中添加，可以隐含地承载多于一个FEC的信息•一个标签栈使得MPLS支持分级选路并且汇聚多个LSP到一个单一的中继LSP上。标签EXPSTTL32比特2层头部MPLS头部IP头部数据5）标签分发协议（LDP）•标签分发协议LDP是MPLS的控制协议，用于在LSR之间交换FEC/标签绑定信息。6）标签交换路径（LSP）•标签交换路径LSP是一个从入口到出口的交换式路径，其功能是使具有一个特定的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。•标签交换路径LSP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。7）标签信息库（LIB）标签信息库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。8）转发等价类（FEC）MPLS采用FEC作为标签来处理IP分组，转发等价类在相同路径上被转发，以相同方式处理并被一个LSR映射到一个单一标签的一组IP分组。一个FEC可以被定义为将分组映射到一个特定径流的一个操作符。9）流束（Stream）•流束Stream属于同一个FEC的一组分组流，它们流经相同节点，并以相同方式转发到目的地，它们在MPLS里被称为“流束”。•一个流束包含一个或多个流（flow）。•在MPLS体系结构中一个流束由一个流束成员描述符（SMD）标识。10）流束合并流束合并是一些小流束合并进一个单一的大流束，例如ATM的VP合并和VC合并。4标签分发协议LDP•标签交换路径LSP实质上是一个MPLS隧道，而隧道建立过程则是通过标记分发协议来实现的。•标记分发协议LDP是LSR将它所做的标记/FEC绑定通知到另一个LSR，使用标记分发协议交换标记/FEC绑定信息的两个LSR被称为对应于相应绑定信息的标记分发对等实体。•目前主要研究三种标记分发协议：基本的标签分发协议（LDP）、基于约束的LDP（CR-LDP）和流量工程扩展RSVP（RSVP-TE）。1．MPLS标签分发MPLS标签分发方式中涉及的概念主要有：1）本地绑定（映射）和远程绑定2）上游绑定和下游绑定3）按需提供方式和主动提供方式4）有序方式和独立方式等标签交换进程的发起方式有：1）数据驱动2）拓扑驱动的方式1）本地绑定和远程绑定•本地绑定是由标签交换路由器（LSR）自己决定的FEC，标签之间的绑定关系。•远程绑定是LSR根据其相邻节点（上游或下游）发来的标签绑定消息来决定的FEC，标签之间的绑定关系•本地绑定标签选择的决定权在本地LSR，远程绑定标签选择的决定权在相邻的LSR，远程绑定的LSR只是跟从相邻LSR的绑定选择。2）上游绑定和下游绑定•上游绑定是指LSR的输入端口采用的是远程绑定，而输出端口采用的是本地绑定。•下游绑定是指LSR的输入端口采用本地绑定，输出端口采用远程绑定。下游标签绑定的示意图：上游下游LSR1LSR2LSR3标签请求消息〈FEC〉标签请求消息〈FEC〉标签映射消息〈FEC，L1〉标签映射消息〈FEC，L2〉3）按需提供方式和主动提供方式•按需提供方式是指LSR在收到标记请求消息后才开始决定本地的标签绑定。•主动提供方式则不受此限制，例如在路由协议收敛后，只要有了稳定的路由表，则LSR可以直接根据路由表对FEC分发标签，无需等到相邻LSR向自己发标签请求消息后才建立绑定关系。4）有序方式和独立的方式•有序方式是指相邻的LSR向本地LSR发出标签映射消息后，本地LSR才建立FEC和标签的绑定。•独立方式则是LSR无需收到标签映射消息，LSR独立建立标签绑定并向相邻的LSR发送标签映射消息。5）数据驱动与拓扑驱动•数据驱动是指LSR在有数据发送时，才建立LSP。•拓扑驱动是指LSR根据路由表中的内容建立LSP，而不管是否有实际的数据传送。2．LSP通道的建立过程以下游按需有序方式为例说明LSP通道的建立过程上游下游标签请求（1）（2）（3）标签映射LSR1LSR2LSR3LSR4(4)(5)(6)(1)(2)(3)(4)(5)(6)连接建立时序：标签映射标签映射标签请求标签请求输出端口输入端口输出端口输入端口输出端口输入端口3．LDP（标签分发协议）格式•协议版本号当前为1。•PDU长度，不包括版本和PDU长度字段本身。•LDP标识字段唯一识别由PDU请求的发送LSR的标签空间。前4字节对分配给LSR的IP地址进行编码，后2字节表示LSR中的标签。版本PDU长度LDP标识（6字节）LDP信息015LDP信息具有如下格式：•U是一个未知信息位，在收到一条未知信息时，如果U为0，将返回一条信息给信息的发出端；如果U为1，这条未知信息将被忽略。U信息类型信息长度信息标识参数011631•信息类型：Notification、Hello、Initialization、KeepAlive、Address、AddressWithdraw、LabelRequest、LabelWithdraw、LabelRelease和UnknownMessage。•信息长度(16比特)表示信息标识和参数的长度。•信息标识(32比特)用于识别信息。•参数包含命令参数和可选参数。返回5MPLS的工作过程MPLS的工作流程可以分为几个方面：•1.网络的边缘行为•2.网络的中心行为•3.如何建立标记交换路径1.网络的边缘行为•当IP数据包到达一个LER（标记边缘路由器）时，MPLS第一次应用标记。首先，LER要分析IP包头的信息，并且按照它的目的地址和业务等级加以区分。在LER中，MPLS使用了FEC(转发等价类)的概念来将输入的数据流映射到一条LSP（标记交换路径）上。简单地说，FEC（转发等价类）就是定义了一组沿着同一条路径、有相同处理过程的数据包。这就意味着所有FEC相同的包都可以映射到同一个标记中。•对于每一个FEC，LER都建立一条独立的LSP穿过网络，到达目的地。数据包分配到一个FEC后，LER就可以根据标记信息库(LIB)来为其生成一个标记。标记信息库将每一个FEC都映射到LSP下一跳的标记上。如果下一跳的链路是ATM，则MPLS将使用ATMVCC里的VCI作为标记。转发数据包时，LER检查标记信息库中的FEC，然后将数据包用LSP的标记封装，从标记信息库所规定的下一个接口发送出去。2．网络的中心行为•当一个带有标记的包到达LSR(标记交换路由器)的时候，LSR提取入局标记，同时以它作为索引在标记信息库中查找。当LSR找到相关信息后，取出出局的标记，并由出局标记代替入局标签，从标记信息库中所描述的下一跳接口送出数据包。最后，数据包到达了MPLS域的另一端，在这一点，LER剥去封装的标记，仍然按照IP包的路由方式将数据包继续传送到目的地。3．如何建立标记交换路径•建立LSP的方式主要有两种：（2）显式路由（1）“HopbyHop”（逐跳法