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MPLS (多协议标识交换)技术浅解

王朝other·作者佚名  2008-05-31
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1 概述

MPLS 技术是为了解决日益增长的大型网络所面临的一系列问题,而产生的新技术。MPLS的最大特点就是简化传输的一系列过程,从而大大的提高网络的传输效率。目前Mpls技术已经被众多网络厂商所接受,即将成为新的标准。简言之,MPLS之所以能高效率完成传输,是因为它对数据包处理时可以同时完成layer 2 和layer3 的功能。用固定长的标记来表示ip 包头部信息。

在传统的ip网络中,layer3 ip包包头包含着数据包的路由信息,路由器根据layer3 ip包头的信息来独立完成数据包的路由(hop by hop routing)如图1.1。而在Mpls网络中,将一个固定的长度的标识分配FEC( Fowarding Equivalence Classes)。这个标识将跟随着数据包传递到下一跳。在路由的过程中,具有MPLS功能的路由器(LSR)将不再分析IP数据包头的信息,而是根据由数据包所携带的标识来决定路由。

图1.1 传统的ip 网络路由图

2. MPLS 基础

在本章主要介绍MPLS的基础概念。

2.1MPLS术语:

1)标记交换路由器(LSR):根据预算交换表交换标记包的核心设备。这个设备可以是交换机也可以是路由器。

2)标记(LABLE):一个报头,LSR用它来传送包。报头格式取决于网络特性。在路由网络中,标记是一个分离的,32比特报头。在ATM网络中,此标记被置于虚通路标识器(VPI)/虚通道标识器(VCI)的信头中。在核心部分,LSRs只读取标记,而不是网络层包头。MPLS可伸缩性的一个要害是标记只在交换信息的两个设备之间有意义。标记的长度是固定的,用来标识特定的FEC标识符。通常情况下,根据网络层的目的地址将数据包分配给某个FEC。假如Ru和Rd 都是LSR(label switching router),假设数据包由Ru发送到Rd ,Ru将标记绑订L到特定的FEC f。在这样的情况下标记L 作为Ru的“出标记”代表FEC f,同时标记L 作为Rd的“入标记” 代表FEC f。

3)边界标记交换路由器(Edge LSR):边界设备完成初始的包处理和分类,并且应用第一个标记。这个设备可以是一个路由器,也可以是一个有路由功能的交换机。

4)标记交换路径(LSP):路径是由在两个端点的所有被指定的标记所决定。一个LSP可以是动态的,也可以是静态的。动态LSP是利用路由信息自动提供的;静态LSP是被明确指定的。

5)标记虚电路(LVC):一个“一跳下一跳”的连接在ATM传输层被建立用以实现一个LSP。不同于ATM虚电路的是,LVC不是端到端的被执行,也不浪费带宽。

6)标记分配协议(LDP):即通信标记和他们在LSRs间的意义。它在边界指定标记,核心设备根据路由协议(如:OSPF,IS-IS,EIGRP RIP or BGP)建立LSPs。

首先分隔实体将数据包映射到FEC“forwarding equivalence classes"然后将每一个FEC映射到下一跳。

所以根据有关的前面步骤,不同的数据包映射到相同的FEC是不被区分的。所有的数据包将属于特定的FEC,并且根据路径传送到特定的节点上。

传统的Ip Forwarding 中,一般的路由器会假如两个数据包具有相同的address prefix,认为它们属于同一个FEC。在传统的网络中,当数据包经过网络,每一跳后路由器都会重新检查数据包映射到特定的FEC的情况。

而在MPLS网络重,特定的数据包分配给FEC只进行一次。映射到FEC的数据包都被分配有一个固定长度数值的label.当数据传送到下一跳,这个固定长度的label将跟随到数据包一起发送.

因而在频繁的数据传送过程中, MPLS网络中的设备将不会分析数据包的layer信息.而是根据包上的标记决定下一跳.当数据包到达下一跳时,旧的标记将被新的标记所取代.

在MPLS前传的算法中,

一旦数据包进入网络后,入路由器将数据包分配给特定的FEC。 一切决定数据传送只是决定于标识。例如;不同数据包到达不同路由器端口可能会被分配到不FEC。在传统的网络的数据前传中,决定数据前传信息只能是数据包头信息。一个数据进入网络后特定的路由器可以被标识为不同的标记,并不需要同样的数据包进入到不同的路由器。由此前传是可以由入路由器轻松设置。在传统的网络中的前方向传不能由入路由器决定。

可以想象在网络中,决定到数据包到FEC的映射变得越来越复杂。对于路由器没有任何影响只是前传已经标识的数据包。

有时,我们希望数据根据特定的路由传递,而不是根据特定的动态路由算法决定数据如何传递。要完成此项功能,既需要数据包携带路由信息(“源路由”)。在MPLS网络中,标记可以被用来代表路由,所以在并不需要数据包携带特定的路由信息。

一些路由器分析数据包的报头信息,并不只决定数据包的下一跳,而是根据数据包所携带“优先级”或者“服务类别”。它们可以应用于不同的服务质量。

在mpls网络中并不完全答应优先级和服务质量。在这种情况里,可以由将标记和FEC结合表示数据优先级和服务质量。

MPLS代表多协议标记交换,多协议因为他可以应用于多协议中。

标记

标记是固定长度的标识用来指定FEC.标记。标记通常用来表示分配给数据包的FEC.

通常的情况下,将数据包分配给特定FEC是基于网络层的地址。然而,标记却不将地址进行编码。假如Ru和Rd是lsr

并且要将数据包由Ru发送到Rd。若数据包是FEC F的成员,Ru便将标记L标识数据包。在标识数据包的前提条件是数据包是FEC F的成员。由此Ru和Rd完成了标记L 和FEC绑订并且将数据将Ru发送到Rd.我们称标记L是Ru的出标记用来代表FEC F,标记L是Rd的入标记用来代表FEC F.

2.2 upstream 和downstream LSR

假设数据包从Ru发送到Rd,在这种情况下我们指定Ru 为upstream LSR,Rd为downstream LSR。

第二讲

2.3标记的分配与分布

在MPLS网络中,将标记L绑订到特定FEC F是由Downstream LSR决定的。同时Downstream LSR 会将绑订的信息通知Upstream LSR。因此标记是被Downstream分配的,并且标记绑订的方向是由Downstream到Upstream。若LSR是根据此机制而设计的,那么标记就必须保证在某个数值范围内。

2.4标记分布协议(LDP)

标记分布协议是指一个LSR将自身标记和FEC的绑订信息通知其他的LSR的过程,由此机制交换不同的标记和FEC绑订信息。我们称交换标记和FEC的绑订信息的两个LSR互为分配等同体。我们称两个分配等同体之间是“标记分布的临近”。

标记分布协议是包括两个标记分配等同体之间学习其他的LSR的一系列过程。在实际的MPLS网络中我们并不假定只有一种标记分布协议,事实上不同的标记分布协议已经被标准化。

2.5 Unsolicited Downstream 与 Downstream-on-Demand

在MPLS网络结构中答应一个LSR明确发出请求给下一跳的FEC,将标记绑订到那个FEC。我们称这样的情况为“downstream-on-demand”标记分布。

同样在MPLS网络结构中LSR也会发出不明确的请求的信息。我们称这样的情况为“unsolicited downstream”标记分布。在实际情况中,MPLS网络设备可能支持“unsolicited downstream”标记分布技术,也可能支持“downstream-on-demand”标记分布技术,还可能同时支持这两种技术。到底采用那种技术,还是要取决于它们在实际中的应用。在这里值的一提是,这些技术的使用是需要upstream LSR 和downstream LSR这两个标记分布等同体,对这些技术同时的支持。

2.6 标记保持模式

在MPLS网络中尽管LSR Rd 不是LSR Ru的下一跳,Ru也可能收到来自Rd将标记绑订到特定FEC的信息。这时 Ru会跟踪这个标记绑订,或是丢弃这个标记绑订的能力。

若Rd是Ru的下一跳后,Ru会使用这个标记绑订。假如Rd在Ru丢弃标记绑订后,而成为Ru的下一跳,新的标记绑订需要重新申请。在MPLS网络中“自由的标记保持模式”会一直保持标记绑订而不管路由是否被重新被更新过。“保守的标记保持模式”会根据路由的变化迅速对标记绑订做出相应的调整。

2. 9标记的堆栈

在前面的内容里,我们探讨的只是单个的标记的操作。但是实际的应用中携带标记的数据包总是包含若干个标记。MPLS将这样的标记包组织成“先进后出”堆栈。

2.10 NHLFE ( The Next Hop Label Forwarding Entry)

NHLFE ( The Next Hop Label Forwarding Entry)是用来向前传递标识包的实体。它包含如下信息:

1. 标识包的下一跳

2. 在标识堆栈中执行的操作如下:

a) 用一个新的标识代替堆栈顶部的标识。

b) 弹出堆栈中的标识。

c) 用一个新的标识代替堆栈顶部的标识,并将这个新的标识压入这个堆栈。

d) 数据链路层使用这种封装来传送数据包。

e) 在传送数据包时使用这种方法对堆栈编码。

值得一体是,数据包的“下一跳”可能是LSR本身自己。在这种情况,LSR需要将堆栈顶部的标识弹出,然后将数据包“发送”给自己。

2.11 Incoming Label Map (ILM)

“Incoming Label Map”(ILM)是将入标识与NHLFE一一对应。这种机制只是在数据包传送时使用。假如LIM将某一个标识映射到包含多个对象的NHLFE,在数据包发送前必须选择一个对象与之对应。在选择特定的对象与之映射的内容,已经超出了本文档的范围。

2.12 FEC-to-NHLFE Map (FTN)

“FEC-to-NHLFE”(FTN)是将FEC与NHLFE一一对应。这种机制只是在传送未标识的数据包时才使用。假如LIM将某一个标识映射到包含多个对象的NHLFE,在数据包发送前必须选择一个特定的对象与之对应。在选择特定的对象与之映射的内容,已经超出了本文档的范围。

2.13 标识交换

标识交换是使用如下的过程来传送数据包。在传送标识的数据包时,LSR首先检查堆栈顶部的标识,使用LIM将标识映射到NHLFE。根据NHLFE的信息,LSR会决定将数据包传送到那儿。

若传送未标识的数据包时,LSR首先分析数据包中网络层的信息来决定数据的FEC。将FTN映射到NHLFE。根据NHLFE的信息,LSR会决定将数据包传送到那儿。

LSp的下一跳

LSP的下一跳是由NHLFH的实体选择的,主要目的是为了传送数据包。在这里值得一提的是lsp的下一跳与路由协议中的下一跳是有区别的,路由协议中的下一跳是由路由算

标记的范围

LSR Rd可能会将标记L1绑订到FEC F,并且将这种绑订信息分布等同体Ru1.Rd也可能标记L2绑订到FEC F,并且将这种绑订信息分布到等同体Ru2.标记L1和L2是否相同,是决定于自身的结构。但是Rd必须被告之,标记L是由Ru1和Ru2发送的。

当Ru1和Ru2都作为Rd等同体时,并且只有Ru1和Ru2都通过点对点接口与Rd连接。LSR会会针对每个接口规定标记的范围。在一般的情况下标记的分配都时针对每个平台的。假如LSR Rd通过两个点到点的接口连接LSR Ru ,那么Rd 可能会将标记L到FEC F1分配给Ru,或者将标记L到FEC F2分配给Rd。并且当Ru通过两个特定的接口,将数据包发送Rd。此时FEC F1和FEC F2不相同的。

标记交换路径(LSP),LSP ingress LSP egress

标记交换路径是指某个数据包经过一系列的路由器有如下特性。

1 路由器R1 LSP ingress是指将特定的标记压入数据包的堆栈,其深度位于堆栈的m.

2 数据包由i到n依次发送。

3在数据发

4对于i(1

2.15不正确的入标识

下面让我们设想一下,假如一个LSR根据入标识接收到标识包,但是这个标识包却未绑订任何信息。这时LSR会试图认为这个标识刚刚被卸掉,并且将它作为未标识的IP数据包。但是在这样处理中,会导致环路的生成。

第三讲

2.16 LSP的控制:有序(ordered )与独立(Independent)

大部分的FEC是由动态的路由算法根据地址的前缀分配的。建立这样的FEC可以通过如下两种方法来完成:有序(ordered)或者独立(Independent)。

在独立的LSP控制中,每个LSR会独立地决定将标识绑订到某个FEC并将这种绑订信息分配到标识分配的等同体。在传统的IP网络中采用这种控制方法;每一个节点会独立根据路由算法决定如何处理数据包。

在有序的LSP控制中,LSR会将标识绑订到egressLSR的FEC,并且在这时LSR已经从下一跳收到了绑订到这个FEC的标识。在网络中要想保证数据的流量根据一些特性只从特定的路径穿越,决必须使用有序的控制。

在MPLS网络中,有序的控制和独立控制可以被同时使用。总而言之在MPLS网络中使用那种控制方法,要根据的情况来决定。无论使用那种控制方法都不会影响到标识分布的机制。

2.17路由选择

路由选择是指为特定的FEC选择LSR的过程。MPLS网络中支持两种不同的路由选择方法:1 hop by hop 路由方法 2 eXPlicit 路由方法

在hop by hop 路由方法中,每一个节点会独立为FEC选择下一跳的路由。这是现今IP网络中采用的路由机制。

在explicit 路由方法中,每一个节点并不独立为FEC选择下一跳的路由,而是使用入LSR和出LSR根据LSP一次选定几个LSR作为路由。假如LSR根据LSP一次指定全部的路由信息,我们称这样的路由方法为“strictly”explicit路由方法。假如LSR根据LSP一次只指定部分的路由信息,我们称这样的路由方法为“loosely”explicit 路由方法。在explicit路由方法中需要一次性指定分配这条路由的全部标记,但是它不需要根据IP层的信息来如何决定路由的选定。这样的路由的机制,就会使得explicit 路由方法比交换ip 路由信息的路由方法有更高的效率。

2.18最大存活时间(TTL)

在传统的IP网络中,在每个数据包的头部会携带”Time To Live”(TTL)的数值。当数据包穿越路由器会将TTL数值减一。若数据包未到达目的地,而TTL数值已经减为0。这时网络便会丢弃这个数据包。TTL机制会可以有效地防止由错误而导致的环路和路由算法慢收敛。但有时TTL还会被用于其他的功能,例如“traceroute”功能。

在MPLS网络里,TTL的操作是取决于MPLS网络“shim”头部所携带的标识值或者在L2层所携带的标识值。假如标识值被编码到位于数据链路层和网络层之间的SHIM里。首先shim从网络层的TTL编码段得到TTL的初始值,每经过LSR一跳便会TTL的值减一,并将这值复制到网络层的TTL编码段,得到更新后TTL值。

假如标记值被编码到数据链路层,标识包会被在第二层交换和传递,但是在数据链路层(如 ATM)并没有TTL字段。这时在每经过一个LSR后就不能将TTL减一。我们称这样的由一系列LSR组成的LSP segment 为“non-TTL LSP segment”。

有时在一些非凡情况TTL会被终止的。例如当某一个标识包到达non-TTL LSP segment后,在标识包中的TTL值会被丢弃。

2.19环路的控制

在前面的章节已经提到,在non-TTL LSP segment里并没有定义TTL,所以就不能使用TTL机制防止环路的生成。因此在防止环路的问题上,会依靠于LSR的硬件设备。让我们设想一下,假如一个ATM交换设备通过使用VPI/VCI技术来完成MPLS的功能,并在这个ATM交换设备能为进入这个交换机所有信元提供一个相当大的缓冲,这时这个缓冲就会缓解由环路所产生的负面效应。如若不能提供这个缓冲便不能缓解由环路所产生的负面效应。

2.20 标记的编码

为了将标记与数据包一同发送出去,我们需要将存放标记的堆栈进行编码。在MPLS网络中,一般的设备会支持几种不同的编码技术。但在具体使用那种编码技术还需要具体实际应用。

2.21 将ATM交换机作为LSRS

MPLS工作机理有些相似ATM的“label swapping”机制。ATM交换机使用入端口和入VPI/VCI作为在“cross-connect”索引,从而得到出端口和出VPI/VCI。由此传统的交换机可以将标记直接编码到数据包的字段中,便可以通过对该传统交换机升级到LSR。 如下是将标记编码到ATM信元的三种方法。

1SVC编码

将堆栈顶部的标识编码到VPI/VCI字段。这样的机制可以被用在任何网络。使用这种编码技术,每个LSP可以被认为一个ATM SVC,而标识分布协议成为ATM“信令”协议。使用这种编码技术ATM-LSR不用在标识堆栈中,执行“Push”和“POP”操作。

2SVP编码

将堆栈顶部的标识编码到VPI字段,假如这个VCI可以被使用并且将堆栈中第二个标识编码到这个VCI字段。这样的编码方法比第一中编码性能要优越,在这样的编码技术中可以答应使用ATM “VP-SWITCHING”。使用这种编码技术,LSP可以被认为SVPs。尽管这种编码技术优于第一种编码技术,在实际应用中这种编码技术并不适用所有网络环境(例如ATM的Virtual Path)。

3 SVP多点编码

将堆栈顶部的标识编码到VPI字段,将堆栈中第二个标识编码到某些VCI字段,并且将其他的VCI作为LSP的入标识。假如采用这种编码技术,可以使得传统的ATM VP交换机具有将多个携带不同VCI值的数据包对应到同一个VP,即实现multipoint-to-point Vps功能。

2.22隧道技术

在网络应用中,路由器Ru有时会将数据包发送到与其不相临的路由器Rd。由这样的实际使用,产生了隧道技术。隧道技术是指将网络层的目的地址包装到数据包中,由此在彼此不相临的路由器之间生成一个“隧道”,在这里我们称由隧道处理的数据包为隧道数据包。

1 hop-by-hop Routed 隧道

Hop-by-hop Routed 隧道是指隧道数据包通过hop-by-hop传送的方式。并指定Ru 为Hop-by-hop Routed隧道的“传送点”, Rd为Hop-by-hop Routed隧道的“接收点”。

2 Explicitly Routed 隧道

Explicitly Routed隧道是指隧道数据包通过特定的路径传送的方式。并指定Ru 为Explicitly Routed隧道的“传送点”, Rd为Explicitly Routed隧道的“接收点”。

3 LSP隧道

LSP隧道技术作为前两种隧道技术很好的补充,它使用的是标记交换而不是网络层的信息来完成隧道数据包的封装。LSP隧道可能会由〈R1,…Rn〉LSR组成。我们称R1为LSP隧道的“传送点”,Rn为LSP隧道的“接收点”。在LSP隧道中是由LSP隧道传送的数据包组成FEC,并且每个LSP隧道中的LSR将标记分布给这个FEC。首先LSP隧道的“传送点”将标记压入堆栈中,然后将这个标识的数据包传送到LSP隧道的下一跳。最后由LSP隧道中LSR将标记从堆栈中弹出。在LSP隧道中“接收点”并不能决定从隧道接收的数据包。

三 MPLS 的优点

MPLS的最大的优点便是它是标准化的交换技术。目前已被众多的网络厂商所接收。现在MPLS已经被众多的厂商看作下一代的网络交换技术,目前Bay和Fore 等产商已经推出了基于MPLS网络产品。MPLS较传统的网络产品有以下的优点:

a) 所支持的Explicit 路由技术

Explicit 路由技术是MPLS 网络技术的要害部分。Explicit 路由技较传统的IP的Source 路由技术有更高的效率。同时Explicit 路由技术还提供还其他的附加技术如前面所提到隧道技术,可以轻松承载各种业务如IPX。

b) 更好地支持虚拟专网(VPN)

目前所提出VPN解决方案,大部分都是基于在租用线路上使用加密算法来保证其安全和可靠性。而MPLS可以轻松地将不同业务分隔开来(即便在MPLS网络内部),从而能轻松地构筑VPN。

c) 多种协议和多连接的支持。

在MPLS网络中,标记交换并不指定由特定的网络层来完成。如在MPLS网络可以支持IP和IPX两中网络协议。

d) 域内路由

MPLS标记交换为将MPLS网络视为内部域,将传统的网络分隔开来。可以将传统接入MPLS边缘设备(类似于MPOA的应用)。从而大大的提高网络的可升级性。

·许多公司只有内部的IP地址。IPV4规定网络的地址必须唯一。MPLS 技术可以将内部的IP地址,在MPLS域封装成唯一标识数据包。

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