多协议标记交换(MPLS)
多协议标记交换（MPLS)
MPLS简介
MPLS网络结构
MPLS工作过程
MPLS体系结构
MPLS的流控和QoS
MPLS的应用
MPLS的软件结构
MPLS是什么？
MPLS－多协议标签交换
MPLS是采用集成模型，将第三层IP技术与第二层的硬件交换技术结合在一起，并且使用一个定长的标签作为分组在MPLS网络中传输时所需处理的唯一标志。 MPLS并不是一种业务或者应用，而是一种将标签交换转发和网络层路由技术集于一身的标准化的路由与交换技术平台 。
兼具了IP的灵活性、可扩展性与ATM等硬件交换技术的高速性能、QOS性能、流量控制性能
2、MPLS的MP和LS
MPLS 的多协议即指其向上可支持IPv4/IPV6 /IPX/Apple talk,向下支持 /SDH/DWDM (MPLS协议栈)－层技术
MPLS的标签交换是指所交换的内容是标签,其实质是IP包在核心路由之间交换标签,而在边缘路由器和普通路由器之间交换IP包
MPLS
ＭＰＬＳ是属于第三层交换的技术,它独立于链路层,在内部引入基于标记的机制并建立面向连接的,而不是与连接无关的ＩＰ技术,从而提高分组的转发效率和路由器的性能价格比。
ＭＰＬＳ中,属于同一个通信进程的不同分组都被映射成为同一个数据流,称转发等价类ＦＥＣ,并为不同的流加上不同的标记。
标记是一种本地有效的、具有固定长度(３２位)的数值,它具有更为丰富的层次概念,ＭＰＬＳ采用了堆栈(ｓｔａｃｋ)的数据结构对标记进行管理(先进后出ＦＩＬＯ ）。
MPLS的应用价值
MPLS Multiprotocol Label Switch 多协议标签交换就是在这种背景下产生的一种技术它吸收了ATM VPI/VCI 交换一些思想无缝地集成了IP 路由技术的灵活性和2 层交换的简捷性；
在面向无连接的IP 网络中增加了MPLS 这种面向连接的属性通过采用MPLS 建立“虚连接”的方法为IP 网增加了一些管理和运营的手段；
随着网络技术的迅速发展MPLS 应用也逐步转向MPLS 流量工程和MPLS VPN 等，在IP 网中MPLS 流量工程技术成为一种主要的管理网络流量减少拥塞一定程度上保证IP 网络的QoS 的重要工具；
在解决企业互连提供各种新业务方面MPLS VPN 也越来越被运营商看好成为在IP 网络运营商提供增值业务的重要手段
MPLS 概念图示
LSR
LER
LSR
LER
MPLS
IP Packet
IP Packet with label
第三层路由
第三层路由
第二层交换
IPOA技术及其发展
IPOA 是ATM和IP发展的必然
IP的发展方向是使用硬件交换来提高服务质量,ATM的发展方向是提高其应用的灵活性,简化设备
IPOA的发展历程:CIPOA(RFC1577经典IPOA)/LANE (局域网仿真)/MPOA( ATM上的多协议传输)/IP Switching /CSR(信元交换路由器技术)/ARIS(集成IP交换技术)/Tag Switching(标签交换技术)/MPLS(多协议标签交换技术)
IPOA技术的两种模型:
重叠模型(基于ATM地址的ATM路由协议和信令协议对IP分组进行路由选择与转发.如CIPOA/MPOA/LANE等)
集成模型(使用非ATM路由协议和信令协议对IP分组进行路由选择与转发.如IP Switching/Tag Switching/MPLS等)
MPLS所涉及的重要概念
边缘路由器(LER)和核心路由器(LSR)
转发等价类（FEC)
标记栈（Lable Stack)
标记交换路径（LSP)
上游LSR和下游LSR
标记信息库（LIB)
标记分发协议（LDP)
标记分发对等实体（LDP peers)
标记合并（merge)
TLV(Type Length Value)
MPLS协议中的主要可选项
标记交换发起方式：数据驱动和控制驱动
环路控制方式：环路减轻/环路防止
标记映射分发方式：上游标记分发/下游标记分发
标记分发控制方式：独立/有序
标记分发协议类型：独立/附加
LSP保持方式：软/硬状态
MPLS技术的宗旨
为了综合利用网络核心的交换技术和网络边缘IP技术各自的优点，MPLS的宗旨是要集成标签切换转发的高性能和网络层路由的灵活性和可扩展性。
MPLS并不是一种业务或应用，而是一种将标签交换转发和网络层路由技术集于一身的标准化的路由与交换技术平台。
MPLS将帮助运营商提供更好的IP服务，MPLS将会带来更多的带宽控制、吞吐量保证和虚拟专用网功能性。
MPLS的优势
MPLS在网络中的分组转发是基于定长标签（20个bit），由此简化了转发机制，使得转发路由器容量很容易扩展到太比特级；
充分采用原有的IP路由，在此基础上加以改进，保证了MPLS网络路由具有灵活性的特点；
可以采用ATM的高效传输交换方式，抛弃复杂的ATM信令，无缝地将IP技术的优点融合到ATM的高效硬件转发中；
MPLS网络的数据传输和路由计算分开，是一种面向连接的传输技术，能够提供有效的 QoS保证；
MPLS不但支持多种网络层技术，而且可以同时支持、FR、ATM、PPP、SDH、DWDM等，保证了多种网络的互连互通；
MPLS支持大规模层次化的网络拓扑结构，具有良好的网络扩展性；
MPLS的优势
MPLS的标签合并机制支持不同数据流的合并传输；
MPLS支持流量工程、CoS、Qos和大规模的虚拟专用网；
在MPLS网中可以直接使用显式路由，这使得流量工程的应用变得简单；
MPLS能够以逐跳路由方式或显式路由的方式提供面向连接的业务，此使得MPLS适用于动态隧道技术，并保证数据传输的QoS需求；
MPLS技术进一步促进了网络功能的划分，它将复杂的事物处理推到网络的边缘去完成，核心网只负责完成传送功能；此有利于在一个大的网络中维护IP协议的扩展性；
MPLS的标准化进程十分迅速，这是它能迅速普及成功的关键；
与ATM相比，MPLS标准能更快地被接受是因为它是以软件为主，运行在各种不同的网络上，而ATM网则需要极大的软、硬件投资。
MPLS所存在的问题
由于MPLS要支持多协议，另外在MPLS标准的制定过程中，其控制协议也还面临着对LDP与RSVP两种方式的取舍问题，这些问题若解决不好，将带来复杂的互联互通问题。
在出现合适的用户终端设备以前，真正的端到端的QoS支持尚难以实现，目前只能支持Diff-serv的CoS业务。
VC-merge还有待进一步研究，解决其带来的信元交织问题将消耗更多的缓冲资源，这将不可避免地带来对现有ATM设备的硬件升级投资。
当MPLS应用于ATM交换机时，由于ATM交换机VC、VP数量的限制，目前只能支持两级标记栈，该问题正在研究中。
MPLS RFCs(1)
* [rfc3031]MPLS Architecture
[rfc3034]Use of Label Switching on Frame Relay Networks Specification
[rfc3035]MPLS using LDP and ATM VC Switching
[rfc3063 ]MPLS Loop Prevention Mechanism
[rfc3353 ]Overview of IP Multicast in a Multi-Protocol Label Switching (MPLS) Environment
MPLS RFCs(2)
[rfc3429]Assignment of the 'OAM Alert Label' for Multiprotocol Label Switching Architecture (MPLS) Operation and Maintenance (OAM) Functions
[rfc3443 ]Time To Live (TTL) Processing in Multi-Protocol Label Switching (MPLS) Networks
MPLS 的标记封装
第二层
封装
（链路
层技术）
MPLS封装
第三层
封装
ATM
VCI/VPI
FR
DLCI
PPP
Ethernet
Shim Lable
IP Packet
MPLS的标签结构
标记
EXP
S
TTL
0
20
23
24
31
Shim
Data
IP头
MPLS头
二层头
MPLS的包
MPLS 包头的位置界于二层和三层之间俗称 层;
MPLS 可以承载的报文通常是IP包;
当然也可以改进直接承载以太包ATM 的AAL5 包甚至ATM 信元等;
这在MPLSVPN 中有详述,可以承载MPLS 的二层协议，也可以是PPP 、以太网、ATM 和帧中继等
MPLS的网络结构
组成MPLS网络的路由器逻辑上可分为边缘路由器LER和LSR核心路由器
LER是MPLS网络同其他网络的边缘设备，它提供流量分类和标签的映射（作为Ingress）、标签的移除功能;
LSR 是MPLS网络的核心交换机，它提供标签交换（Label Swapping）标签分发功能
MPLS的概述
MPLS 可以看做是一种面向连接的技术。
通过MPLS 信令或手工配置的方法建立好MPLS 标记交换连接(Label Switched Path )简称LSP 以后，在标记交换路径的入口把需要通过这个标记交换路径的报文打上MPLS 标签，中间路由器在收到MPLS 报文以后直接根据MPLS 报头的标签进行转发，而不用再通过IP 报文头的IP 地址查找。
在MPLS 标记交换路径的出口或倒数第二跳弹出MPLS 包头还回原来的IP 包，在VPN 的时候可能是以太网报文或ATM 报文等。
MPLS网络结构
MPLS的功能结构
MPLS的操作过程
(１)标记分配协议ＬＤＰ利用域内路由协议(ＯＳＰＦ、ＩＧＲＰ等)所建立的路由为相邻的路由器分配标记,从而建立起标记交换路径ＬＳＰ
(２)分组数据进入边缘路由器ＬＥＲ并确定分组数据所需的第三层服务,如ＱｏＳ、带宽管理等,ＬＥＲ为每一分组数据加上标记并转发。
(３)ＬＳＲ根据收到的分组数据上的标记直接进行转发,并对标记进行处理,包括弹出、替代等。
(４)出口处的ＬＥＲ去掉分组数据的标记,分析分组数据头,将其转发至最终的目的地。
MPLS操作
1a. 路由协议 (. OSPF, IS-IS) 得到网络路由表
1b. 核心信令（LDP/RSVP）建立到
目的网络的标签映射
2. 入口边缘路由器接受到
IP包，并将IP包加上标签
IP
IP
10
4. 出口边缘路由器剥离标签，继续转发数据包
IP
交换标签，完 成转发
IP
20
IP
40
几种标记分发协议
标准的标记分发协议(LDP)
( , 02/2001)
RSVP信令协议的扩展
(IETF. ,03/1999)
基于约束参数的LDP协议
(-LDP ,03/1999)
标记分发协议(LDP)的功能
MPLS的信令与控制协议
发布<label,FEC>映射
传递路由信息
建立与维护标记交换路径
LDP 的基本规程
发现阶段
会话建立与维护
标记交换路径建立与维护
会话的撤消
LDP的发现机制
基本发现机制,用于发现通过链路层直接相连的LSR.
扩展发现机制,用于发现不通过链路层直接相连的LSR.
此两种不同发现机制的区别
扩展RSVP对RSVP的改进
在基本RSVP规范的基础上增加许多功能，以支持显式路由的建立和管理；
使RSVP的信令过程发生在流量中继的输入和输出点之间，而非主机之间；
扩展的RSVP实现一组新的状态集，可应用于一组共享同路径与网络资源的业务流。相对RSVP为每一业务流建立一套状态的方式，节省了网络核心路由器的RSVP信息量，有利于网络的可扩展性；
RSVP的转发状态是分布式的，与MPLS标记的分发方式是相同的；
扩展RSVP作为一种软状态技术，在其扩展方案中采用了一些扩展技术，提高了可扩展性、时延性能、减低开销、减少信息量；
扩展RSVP建立的路由可在一对LSR之间实现多个或多组业务流的资源预留，而非象传统的RSVP，是针对所有的业务流的资源预留
扩展RSVP建立的路由将不是面向目的地的路由，而是基于各种约束条件的显式路由；
CR-LDP的简介
CR-LDP采用的是显式路由来支持QoS，在建立过程中明确地指定LSP所经过的全部或部分节点；
为不同的LSP制定不同的优先级，路由的选择将受到各种业务要求的限制，而非Best Effort式的路由；
可以通过TLV与消息的扩展来实现一些性能；
CR-LDP可以实现的性能
严格路由与松散路由
业务量QoS参数支持能力
路由锁定（Pinning)能力
通过建立与保持优先级机制，提供CR-LSP的替代能力
差错处理能力
标记交换路径标记（LSP-ID)
资源分级
CR-LDP与扩展RSVP的比较
RSVP只能使用属于下游按需方式的标记分配.分发与映射机制,功能多样性不如 CR-LDP,但其成熟完善,对于实现组播有利.
扩展RSVP消息用IP传输,不具备可靠性和流控,LSP的刷新需30秒,清除需90秒,此30—90秒的时延对骨干网是不可忍受的.
如果两种信令机制并存,则违反了集成模型的初衷.且使网络控制复杂,规划难度加大,运营成本增加.
与扩展RSVP不同,CR-LDP独立于传输层协议,在信令消息传输机制的选择上,也有很大的灵活性.如可使用TCP,也可使用-LDP是由源端发起的协议。
在和ATM技术的结合上,同属连接性技术的 CR-LDP具有更大的优势.
MPLS的两种路由机制
逐跳路由
实现简单,已经有OSPF,IS-IS等路由协议可供使用
可以利用现有设备中的路由功能
没有流量工程能力
是MPLS基本的路由机制(用于尽力而为的业务)
显式(Explicit)路由
由LSP的入节点或出节点决定,不受动态路由算法的影响
可以实现许多灵活的功能,在路由的计算中将可以引入各种约束条件
路由只由少数节点完成,运营商可以方便地指定统一的路由策略和进行整体的业务量规划.
有关MPLS的两种路由机制的说明
MPLS网络中的路由首先由第三层路由协议决定,这一路由随后被映射到第二层路径上
MPLS虽然使用了逐跳路由方式,但是对于IP包的处理并不是逐跳进行的.MPLS只是在建立标记交换路径和标记转发表的过程中使用的是逐跳方式.
显式路由方式只是在建立LSP的过程上与逐跳路由方式有所不同,当LSP 建立成功之后,在对分组的转发操作上,二者没有任何不同.在标记转发表中,也无法区分.
MPLS的路由循环控制
循环检测机制
循环防止机制
MPLS的隧道与层次化路由
逐跳路由隧道
显式路由隧道
LSP隧道
分层:LSP中的LSP隧道
标记分配对等实体与层次
明确对等实体
默认对等实体
MPLS的标记合并
基于CR-LDP的ATM的标记合并
基于扩展RSVP的标记合并
倒数第二跳弹出
倒数第二跳弹出的意义
使用倒数第二跳弹出的情况
LSP控制方式
独立LSP控制
有序LSP控制
采用有序LSP控制的两种情况:
1.要保持特定FEC中的业务流在具有某 些特性的路径传送
2.建立 LSP后识别相应的FEC
聚合
MPLS聚合的意义
聚合的三种方式:
聚合成一个FEC
聚合成FEC类
不进行聚合
MPLS over ATM的一种方案
ＭＰＬＳｏｖｅｒＡＴＭ最主要的一种方式就是ＳＩＮ(Ｓｈｉｐｓｉｎｔｈｅｎｉｇｈｔ)模式,概括地说,ＳＩＮ模式就是ＭＰＬＳ与已有的第２层交换协议(如ＡＴＭ信令)并存于同一网络,即在同一网络中运行ＭＰＬＳ和ＡＴＭ的控制与选路软件。
ＳＩＮ模式具有以下优点:
(１)ＡＴＭ硬件中原已嵌入的业务流管理功能可以得到充分利用;
(２)ＭＰＬＳ与ＡＴＭ集成于同一网络,用单一平台提供多重业务；
(３)增加已有ＡＴＭ网络的利用率,保护ＡＴＭ基础设施的投资。
ＳＩＮ模式的技术关键
(１)ＶＰＩ／ＶＣＩ空间分隔:ＭＰＬＳ和ＡＴＭ运行于同一平台上,因此如何合理分配２８位的ＶＰＩ／ＶＣＩ空间是一个关键。ＭＰＬＳ在初始化阶段利用ＬＤＰ协议申请ＶＰＩ／ＶＣＩ空间;ＡＴＭ则利用ＩＬＭＩ(ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＬｏｃａｌＭａｎａｇｅｍｅｎｔＩｎｔｅｒｆａｃｅ)隧道进行申请。
(２)业务流量管理:包括带宽管理、排队与调度等,带宽管理是保证ＳＩＮ模式正常运行的一个重要方面,而排队和调度用来支持各种业务类别的优先级。ＭＰＬＳ利用显式路由技术进行业务流量管理。
(３)节点的处理能力:在每一个ＳＩＮ节点上,ＡＴＭ运行自己的信令和路由软件(ＩＩＳＰ或ＰＮＮＩ)并储存网络拓扑结构数据,同时ＭＰＬＳ也运行其信令(ＬＤＰ)和路由(ＲＩＰ、ＯＳＰＦ、ＢＧＰ等)软件并储存网络拓扑结构数据,这对每一ＳＩＮ节点的处理能力(ＣＰＵ、内存)提出了很高的要求。
MPLS的可选项
在研究报告中简单讨论
传输的可靠性
使用UDP还是TCP问题
存在QoS的原因和解决方法
存在QoS的原因:
用户数量的增加造成网络资源不足,从而导致服务质量的下降
现有的网络性能无法满足各种新型实时业务的各种具体服务质量要求
解决方法:
流量工程(Traffic Engineering)
QoS的直接实现
MPLS的QoS机制
Diff-serv将成为未来广域网中居统治地位的QoS技术。在局域网中应用可以根据需求选择所要使用的QoS技术，可以是Int-serv或Diff-serv,也可以是现有的网络所提供的QoS能力。
MPLS与Int-serv的结合问题
MPLS与Diff-serv的结合
MPLS与Int-serv的结合问题
MPLS应用于边缘网络时，有可能需要对Int-serv模型进行支持；
MPLS可以使用扩展RSVP作为其控制协议，由于Int-serv模型的信令协议就是RSVP，所以用扩展RSVP可以直接实现各种Int-serv所规定的业务；
MPLS若要通过CR-LDP来实现，则就存在CR-LDP与Int-serv网络中RSVP的互通问题；
MPLS与Diff-serv的结合
MPLS与Diff-serv的结合有六种方案：
1、模拟Diff-serv方案
2、基本MPLS Diff-serv方案
3、多路径方案
4、L-LSP方法
5、E-LSP方法
6、扩展E-LSP方案
我们所关心的问题及结论
在研究报告中讨论
MPLS与链路层协议的结合
1999年9月ITU-T的SG13的IP专家组会议，对公用ATM网传送IP的MPLS技术方案提出了建议的草案。
使用ATM交换机来实现MPLS(P192—209)
在帧中继上实现MPLS(P209—221)
MPLS VPN
VPN与IP VPN
隧道协议的构成（P223）
现有IP隧道协议的比较(P227)
利用公网拨号及接入网实现VPN(P228—235)
虚拟租用线（VLL)VPN
虚拟专用路由网络VPRN(P236—244)
虚拟路由MPLS VPN
BGP MPLS VPN
总结
1、MPLS是商业IP网络关键技术，它允许服务提供商首次在单一网络上获得IP、ATM、FR的综合利润。因为MPLS提供IP的灵活连接和可扩展性，一级FR和ATM的私有性和QOS，它已经变成广泛被接受的标准了。作为结果，MPLS是进入新的网络世界的关键。
2、MPLS将帮助运营商提供更好的IP 服务，MPLS将会带来更多的带宽控制、吞吐量保证和虚拟专用网功能性
总结
3、MPLS提供了最简单的，最有利可图的方式把现有的收入同新出现的IP服务机遇平衡起来。具有竞争力的运营商能够安装基于MPLS 的IP+ATM基础结构以传送已产生收入的FR和租贷线服务。不具有MPLS 的ATM网络的服务提供商利用现有的投资，逐渐地迁移到IP服务上去。
