MPLS技术优势及存在问题

MPLS技术优势及存在问题2007年7月29日16:15voip中国一、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