百科解释
MPSL概述 MPSL概述 MPLS（Multi-Protocol Label Switching）即多协议标记交换。 MPLS属于第三代网络架构，是新一代的IP高速骨干网络交换标准，由IETF（Internet Engineering Task Force，因特网工程任务组）所提出，由Cisco、ASCEND、3Com等网络设备大厂所主导。 MPLS是集成式的IP Over ATM技术，即在Frame Relay及ATM Switch上结合路由功能，数据包通过虚拟电路来传送，只须在OSI第二层（数据链结层）执行硬件式交换（取代第三层（网络层）软件式routing），它整合了IP选径与第二层标记交换为单一的系统，因此可以解决Internet路由的问题，使数据包传送的延迟时间减短，增加网络传输的速度，更适合多媒体讯息的传送。因此，MPLS最大技术特色为可以指定数据包传送的先后顺序。MPLS使用标记交换（Label Switching），网络路由器只需要判别标记后即可进行转送处理。 MPLS的运作原理是提供每个IP数据包一个标记，并由此决定数据包的路径以及优先级。与MPLS兼容的路由器（Router），在将数据包转送到其路径前，仅读取数据包标记，无须读取每个数据包的IP地址以及标头（因此网络速度便会加快），然后将所传送的数据包置于Frame Relay或ATM的虚拟电路上，并迅速将数据包传送至终点的路由器，进而减少数据包的延迟，同时由Frame Relay及ATM交换器所提供的QoS（Quality of Service）对所传送的数据包加以分级，因而大幅提升网络服务品质提供更多样化的服务。 MPLS发展简史 IP交换技术 由于多种原因，包括更为完整的技术规则说明、更高的时间效率以及有效的市场运作方式，IP交换技术经Ipsilon公司在1996年推出。IP交换技术能使具有ATM 交换机性能的设备执行路由器的功能。当时Ipsilon公司将他们的IP交换技术做成很多Internet RFC文档，这使Ipsilon公司将自己的技术标榜为“开放的”。另外，通过对简单交换控制协议（GSMP）的具体定义，能够通过一个外加的扩展控制器将任何的>ATM 交换机转变为“IP交换机”。 标签交换（Tag Switching） 就在Ipsilon宣布他们的IP交换不久，Cisco公司就宣布了其标记交换技术，不过当时的叫法是“标签交换（Tag Switching）”。标签交换技术和IP交换以及CSR相比，在技术上差别很大。例如，在交换机上，它并不以数据流量来设置前向表，并且不同于ATM 网络的是，对于很多的连接层技术来说，它提供了详尽具体的说明。和Ipsilon公司相同的是，Cisco公司也做了描述的技术的RFC。但是，Cisco公司准备通过IETF将他们的技术最终实现标准化。正是为了实现这一目标，他们起草了大量的Internet 文件用来说明标签交换技术的各个方面。正是通过Cisco的不断努力，最终才有了我们现在所知道的MPLS工作组，并且现在MPLS成为标记交换的通用术语。 IBM的ARIS 也是在Cisco公司宣布他们的标签交换技术，并努力在IETF中使之成为标准化不久，IBM公司起草了一些文档来描述另外一种新的标记交换技术，他们称之为集中式基于路由的IP交换技术（ARIS）。和其他几种标记交换技术相比，ARIS与Cisco公司的标签交换技术更为相近。两者都是采用控制流量而不是采用数据流量来设置前向表，但是，ARIS在一些方面与标签交换也有明显的不同。许多ARIS的思想也进入到了MPLS标准之中。 MPLS工作组 在Cisco宣布他们的标签交换技术的同时，他们也宣称将要使之标准化。在他们提出了一系列有关标签交换的Internet草案以后不久，在1996年10月份召开了一个BOF会议。当时Cisco、IBM、Toshiba均参加了这次会议。BOF会议成了IETF历史上一次比较重要的会议。 由于已经有多个公司生产出现非常相似的产品来解决当时网络中出现的新问题，因此将这一技术标准化成为当时会议的一个主要议题。尽管当时还有人在怀疑这些技术能否解决网络中的新问题（例如，有人认为快速路由器将会使这个问题变得更为混乱），但是，毋庸置疑的是，如果没有一个标准化工作组，将会出现更多的互不兼容的标记交换产品，从而使市场变得更为混乱。于是草拟筹备工作组章程的工作开始了，到1997年初，终于有了一个能被IETF接受的章程，工作组的第一次会议在1997年4月份召开。 MPLS的意义 提高网络使用率 目前，中国的骨干网带宽的利用率在10%以下，因而，如何吸引更多的用户使用网络资源，是运营商、服务商关心的话题。路由器制造商都看到MPLS的最佳用武之地是，把承载多种不同类型服务的网络集成为一个单一的网络。网络运营商和服务商大多认为，用MPLS统一各种服务不失为一种长远的发展方向。 简化IPv6实施 现在，IPv4的地址非常缺乏，该到实施IPv6的时候了。如果先在IPv4上实现MPLS，会减小IPv6的实现难度，因为MPLS把对数据包的转发完全脱离开来。IPv6对IPv4最主要的能力是地址空间的扩展，那么相应的路由算法都没有什么改变，转发数据包的控制协议上也没有什么改变。因而，在一个把转发和控制都清楚分开的平台上，只需改变相应的控制协议，转发方面根本就不用改变。这样做了之后，随着现在的光传输技术的发展，网络的带宽几乎是无限制地在增长，比如一根光纤上可以传到几个T这样的速度，这样的话，要求网络中的转发设备（即路由器设备）同样要适应传输技术的发展，要提高得非常快。基本的手段是利用硬件转发。而专门的转发和控制协议脱离的体系结构也更加方便了做硬件转发。因为只看一个包的标记的格式是固定的，也非常容易在硬件中实现，这种趋势是MPLS在非常高速的网络中也有他的一些好处之一。因此，MPLS的实现简化了IPv6的一些新功能。 为新厂商带来商机 其实，MPLS的出现，给了新的厂商、新的产品很多机会，让它们有了新的生存空间。传统的IP网络的割据战已经结束，在新出现的战场上，正好适合起点高的厂商在其中扮演角色。传统厂商如果不是从硬件平台上有改变，在这么宽的网络处理速度上，根本就来不及处理高速转发。因此，在宽带的前提条件下，必须有新的硬件平台，这就是新厂商的机会。 MPLS技术及标准化进展 多协议标记交换（MPLS）技术作为一种新兴的路由交换技术，越来越受到业界的关注。MPLS技术是结合二层交换和三层路由的L2/L3集成数据传输技术，它不仅支持网络层的多种协议，还可以兼容第二层上的多种链路层技术。采用MPLS技术的IP路由器以及ATM、FR交换机统称为标记交换路由器（LSR），使用LSR的网络相对简化了网络层复杂度，兼容现有的主流网络技术，降低了网络升级的成本。此外，业界还普遍看好用MPLS提供VPN服务，实现负载均衡的网络流量工程。 一、MPLS的基本原理 （1）MPLS基础 MPLS将面向非连接的IP业务移植到面向连接的标记交换业务之上，实现上将路由选择层面与数据转发层面分离。MPLS网络中，在入口LSR处分组按照不同转发要求划分成不同转发等价类（FEC），并将每个特定FEC映射到下一跳，即进入网络的每一特定分组都被指定到某个特定的FEC中。每一特定FEC都被编码为一个短而定长的值，称为标记，标记加在分组前成为标记分组，再转发到下一跳。在后续的每一跳上，不再需要分析分组头，而是用标记作为指针，指向下一跳的输出端口和一个新的标记，标记分组用新标记替代旧标记后经指定的输出端口转发。在出口LSR上，去除标记使用IP路由机制将分组向目的地转发。 选择下一跳的工作可分为两部分：将分组分成FEC和将FEC映射到下一跳。在面向非连接的网络中，每个路由器通过分析分组头来独立地选择下一跳，而分组头中包含有比用来判断下一跳丰富得多的信息。传统IP转发中，每个路由器对相同FEC的每个分组都要进行分类和选择下一跳；而在MPLS中，分组只在进入网络时进行FEC分类，并分配一个相应的标记，网络中后续LSR则不再分析分组头，所有转发直接根据定长的标记转发。有些传统路由器在分析分组头的同时，不但决定分组的下一跳，而且要决定分组的业务类型（COS：Class of Service），以给予不同的服务规则。MPLS可以（但不是必须）利用标记来支持COS，此时标记用来代表FEC和COS的结合。MPLS的转发模式和传统网络层转发相比，除相对地简化转发、提高转发速度外，并且易于实现显式路由、流量工程、QoS和VPN等功能。 （2）标记栈操作与标记交换路径 标记是一个长度固定（20bit/s）、具有本地意义的标识符，和另外12bit/s控制位构成MPLS包头，也成为垫层（shim）。MPLS包头位于二层和三层之间，通常的服务数据单元是IP包，也可以通过改进直接承载ATM信元和FR帧。 MPLS分组上承载一系列按照“后进先出”方式组织起来的标记，该结构称作标记栈，从栈顶开始处理标记。若一个分组的标记栈深度为m，则位于栈底的标记为1级标记，位于栈顶的标记为m级标记。未打标记的分组可看作标记栈为空（即标记栈深度为零）的分组。标记分组到达LSR通常先执行标记栈顶的出栈（pop）操作，然后将一个或多个特定的新标记压入（push）标记栈顶。如果分组的下一跳为某个LSR自身，则该LSR将栈顶标记弹出并将由此得到的分组“转发”给自己。此后，如果标记弹出后标记栈不空，则LSR根据标记栈保留信息做出后续转发决定；如果标记弹出后标记栈为空，则LSR根据IP分组头路由转发该分组。 LSR是MPLS网络的基本单元，软件框架结构如图1所示。LSR主要由控制单元与转发单元两部分构成，这种功能上的分离有利于控制算法的升级。其中，控制单元负责路由的选择，MPLS控制协议的执行，标记的分配与发布以及标记信息库（LIB）的形成。而转发单元则只负责依据标记信息库建立标记转发表（LFIB），对标记分组进行简单的转发操作。其中，LFIB是MPLS转发的关键，LFIB使用标记来进行索引，相当于IP网络中的路由表。LFIB表项的内容包括：入标记、转发等价类、出标记、出接口、出封装方式等。 MPLS功能的本质是将分组业务划分为FEC，相同FEC的业务流在标记交换路径（LSP）上交换。一般来说，由下游节点向上游节点分发标记，连成一串的标记和路由器序列就构成了LSP。LSP的建立可以使用两种方式：独立方式（Independent）和有序方式（Ordered）。在独立方式中，任何LSR可以在任何时候为每个可识别的FEC流进行标记分发，并将该绑定分发给标记分发对等体；而在有序方式中，一个流的标记分发从这个FEC流所属的出口节点开始，由下游向上游逐级绑定，这样可以保证整个网络内标记与流的映射完整一致。 LSP有序控制方式和独立控制方式应能够相互操作。一条LSP中，如果并非所有LSR均使用有序控制，则控制方式的整体效果为独立控制。LSR应支持两种控制方式之一，控制方式由LSR本地选择。 （3）MPLS路由选择 这里的路由选择是指为特定FEC选择LSP的选路方法，MPLS使用两种路由方法：逐跳路由和显式路由。逐跳路由使用传统的动态路由算法来决定LSP的下一跳，每个节点独立地为FEC选择下一跳，对于下一跳的改变由本地决定，发生故障时路径的修复也由本地完成。显式路由则使用流量工程技术或者手工制定路由，不受动态路由影响，路由计算中可以考虑各种约束条件（如策略、CoS等级），每个LSR不能独立地选择下一跳，而由LSP的入口/出口LSR规定位于LSP上的LSR。 逐跳路由实现上比较简单，可以利用传统路由协议（如OSPF、IS-IS）以及现有设备中的路由功能，但对于故障路径的恢复有赖于路由协议的汇聚时间，并且不具备流量工程能力。显式路由可以根据各种约束参数来计算路径，可以赋予不同LSP以不同的服务等级，可以为故障的LSP进行快速重路由，适于实现流量工程与QoS业务，能够更好的满足ISP的特定要求。 二、标记分发协议 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的工作实现的。标记分发协议是LSR将它所做的标记/FEC绑定通知到另一个LSR的协议族，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。标记分发协议还包括标记分发对等实体为了获知彼此的MPLS能力而进行的任何协商。 目前主要研究三种标记分发协议：基本的标记分发协议（LDP）、基于约束的LDP（CR-LDP）和扩展RSVP（RSVP-TE）。LDP是基本的MPLS信令与控制协议，它规定了各种消息格式以及操作规程，LDP与传统路由算法相结合，通过在TCP连接上传送各种消息，分配标记、发布<标记，FEC>映射，建立维护标记转发表和标记交换路径。但如果需要支持显式路由、流量工程和QoS等业务时，就必须使用后两种标记分发协议。CR-LDP是LDP协议的扩展，它仍然采用标准的LDP消息，与LDP共享TCP连接，CR-LDP的特征在于通过网管制定或是在路由计算中引入约束参数的方法建立显式路由，从而实现流量工程等功能。RSVP本来就是为了解决TCP/IP网络服务质量问题而设计的协议，将该协议进行扩展得到的RSVP-TE也能够实现各种所需功能，在协议实现中将RSVP作用对象从流转变为FEC，降低了颗粒度，也就提高了网络的扩展性。可以看到，CR-LDP和RSVP-TE在功能上比较相似，但在协议实现上有着本质的区别，难以实现互通，故而必须做出选择。 三、MPLS技术应用 （1）MPLS VPN MPLS的一个重要应用是VPN，MPLS VPN根据扩展方式的不同可以划分为BGP MPLS VPN 和LDP扩展VPN，根据PE（Provider Edge）设备是否参与VPN 路由可以划分为二层VPN 和三层VPN。 BGP MPLS VPN 主要包含骨干网边缘路由器（PE），用户网边缘路由器（CE）和骨干网核心路由器（P）。PE上存储有VPN的虚拟路由转发表（VRF），用来处理VPN-IPv4 路由，是三层MPLS VPN 的主要实现者；CE上分布用户网络路由，通过一个单独的物理/逻辑端口连接到PE；P路由器是骨干网设备，负责MPLS 转发。多协议扩展BGP（MP-BGP）承载携带标记的IPv4/VPN 路由，有MP-IBGP 和MP-EBGP之分。 BGP MPLS VPN中扩展了BGP NLRI中的IPv4 地址，在其前增加了一个8字节的RD（Route Distinguisher）来标识VPN的成员（Site）。每个VRF 配置策略规定一个VPN 可以接收来自哪些Site的路由信息，可以向外发布哪些Site 的路由信息。每个PE根据BGP扩展发布的信息进行路由计算，生成相关VPN的路由表。 PE-CE之间交换路由信息可以通过静态路由、RIP、OSPF、IS-IS以及BGP等路由协议。通常采用静态路由，可以减少CE设备管理不善等原因造成对骨干网BGP路由产生震荡影响，保障了骨干网的稳定性。 目前运营商网络规划现状决定现有城域网或广域网可能自成一个自治域，这时就需要解决跨域互通问题。在三层BGP MPLS VPN中引入了自治系统边界路由器（ASBR），在实现跨自治系统的VPN互通时，ASBR同其它自治系统交换VPN 路由。现有的跨域解决方案有VRF-to-VRF、MP-EBGP和Multi-Hop MP-EBGP三种方式。 对于二层MPLS VPN，运营商只负责提供给VPN用户提供二层的连通性，不需要参与VPN用户的路由计算。在提供全连接的二层VPN时与传统的二层VPN一样，存在N方问题，即每个VPN的CE到其它的CE都需要在CE与PE之间分配一条物理/逻辑连接，这种VPN的扩展性存在严重问题。 用LDP扩展实现的二层VPN，也可以承载ATM、帧中继、以太网/VLAN以及PPP等二层业务，但它的主要应用是以太网/VLAN，实现上只需增加一个新的能够标识ATM、帧中继、以太网/VLAN或PPP的FEC类型即可。相对于BGP MPLS VPN，LDP扩展在于只能建立点到点的VPN，二层连接没有VPN的自动发现机制；优点是可以在城域网的范围内建立透明LAN服务（TLS），通过LDP 建立的LSP进行MAC地址学习。 （2）GMPLS 随着智能光网络技术以及ＭＰＬＳ技术的发展，自然希望能将二者结合起来，使ＩＰ分组能够通过MPLS的方式直接在光网络上承载，于是出现了新的技术概念多协议波长交换（ＭＰλＳ）。随着对未来网络发展的的研究，MPLS的外延和内涵不断扩展产生了通用MPLS（GMPLS）技术，其中也包含ＭＰλＳ相关内容。 GMPLS也是MPLS的扩展，更准确地说，是MPLS-TE的扩展。由于GMPLS主要是扩展了对于传输网络的管理，而传输网络的主要业务为点到点业务，这与MPLS-TE的业务模型非常相似，因此GMPLS主要借助MPLS-TE的协议栈，将其加以扩展而形成。 与MPLS完全相同，GMPLS网络也由两个主要元素组成：标记交换节点和标记交换路径。但GMPLS的LSR包括所有类型的节点，这些ＬＳＲ上的接口可以细分为若干等级：分组交换能力（PSC）接口、时分复用能力（TDM）接口、波长交换能力（LSC）接口和光纤交换能力（FSC）接口。而LSP则既可以是一条传递IP包的虚通路，也可以是一条TDM电路，或是一条DWDM的波道，甚至是一根光纤。GMPLS分别为电路交换和光交换设计了专用的标记格式，以满足不同业务的需求。在非分组交换的网络中，标记仅用于控制平面而不用于用户平面。一条TDM电路（TDM-LSP）的建立过程与一条分组交换的连接（PSC-LSP）的建立过程完全相同，源端发送标记请求消息后，目的端返回标记映射消息。所不同的是，标记映射消息中所分配的标记与时隙或光波一一对应。 传统网络模型中，传输层、链路层、网络层在控制层面上相互独立，各自使用本层协议在本层内的设备之间互通，也形成了各自的标准体系。而在GMPLS的体系结构中，没有语言的差异，只有分工的不同，GMPLS成了各层设备的共同语言。 四、MPLS的标准化进展 MPLS技术的标准化工作仍在进行之中，主要的组织有IETF、ITU和MPLS Forum。最有影响力的当数IETF的MPLS工作组，它独立于各个设备实现厂家，现有的MPLS相关协议基本上来自于这个工作组，以及该组织后来派生出流量工程工作组和MPLS VPN工作组，该工作组前后公布了超过300个RFC和相关草案。 IETF MPLS工作组确定了MPLS的工作机制（底层转发、支持多种网络层协议），解决多种交换式路由技术的兼容性问题，提供弹性、扩展性好的交换式路由技术，同时加强了MPLS应用技术的研究（提供增值服务、与光纤传输网的融合、流量工程等）。其中比较重要的几个标准有RFC3031（MPLS体系结构）、RFC3032（MPLS标记栈编码）、RFC3036（LDP规范）以及RFC3037（LDP可行性）。 ITU-T将工作重点由ATM MPLS转移到IP MPLS的标准化；MPLS Forum则将工作重点在放在流量工程、服务类型、服务质量以及VPN方面。 由于MPLS标准制定尚未完成，MPLS设备的研发、试验当然也存在许多分歧。以MPLS流量工程采用什么标签分发协议为例，目前以Nortel为代表的厂商主张使用CR-LDP协议作为MPLS流量工程的信令协议，而以Cisco为代表的厂商则主张使用RSVP-TE流量工程扩展。虽然ITU-T等标准化组织推荐使用LDP/CR-LDP协议作为公网传输的标准信令，但二者都有很强的企业支持，最终将只能由市场决定胜负。 为推动我国IP多媒体数据通信网络标准化的发展，1999年由国内电信研究机构联合诸多通信企业成立了中国IP和多媒体标准研究组。研究组成立后，便将MPLS系列标准作为该研究组的一项重要标准进行研究和制订。截至目前，已经制订并发行《MPLS总体技术要求》，《MPLS测试规范》也已经完成征求意见稿，有望在2002年10月研究组会议中对该规范征求意见稿进行审查。 《MPLS总体技术要求》适用于MPLS边缘节点设备、MPLS域内节点设备以及MPLS与特定链路层技术相结合的设备。该标准规定了MPLS的基本技术、控制协议以及MPLS在网络层和链路层的功能、性能参数、标记封装与分发以及流量工程等各方面的要求。尤其需要指出的是在总体技术要求中，根据我国电信网建设的实际情况，选择了LDP/CR-LDP作为MPLS设备必须支持的信令协议。RSVP-TE协议只作为可选，在附录中进行了描述。 《MPLS测试规范》的制定将为我国多协议标记交换设备的研制、生产、检验和工程应用提供统一的依据，也为进口该类品提供统一的检验标准。该标准主要规定了MPLS设备的标记交换功能测试、标记分发协议一致性测试、MPLS设备性能测试以及MPLS CoS功能性能测试等内容。 由于MPLS VPN、GMPLS、MPLS TE等技术受到业界的广泛关注，在研究组内也加强了对这些热点问题的跟踪研究，MPLS相关标准也在紧张制订中。 MPLS的概念 MPLS是一种标记（label）机制的包交换技术，通过简单的2层交换来集成IP Routing 的控制。对IPOA（IP OVER ATM）的改进是MPLS产生的源动力。目前MPLS还没有成为最后正式的标准，在MPLS成为标准的过程中，许多公司都推出了自己的标记技术，比如CISCO公司的Tag交换技术。 MPLS中涉及了很多基本的概念： 1．FEC（转发等价类） MPLS实际上是一种分类转发的技术，它将具有相同转发处理方式（目的地相同、使用的转发路径相同、具有相同的服务等级等）的分组归为一类，这种类别就称为转发等价类。属于相同转发等价类的分组在MPLS网络中将获得完全相同的处理。在LDP（后面讲到）过程中，各种等价类对应于不同的标记，在MPLS网络中，各个节点将通过分组的标记来识别分组所属的转发等价类。 2．多协议标记交换 （1）多协议 MPLS位于传统的第二层和第三层协议之间，其上层协议与下层协议可以是当前网络中的各种协议。如：IPX，APPLETALK等。 （2）标记 一个长度固定，只具有本地意思的标志。它用于唯一地表示一分组所属的FEC，决定标记分组的转发方式。 （3）交换 通过FEC的划分与标记的分配，MPLS的标记在网络中进行交换，建立一条虚电路。 3．标记栈 是一组标记的级联。 4．标记分组 包含了MPLS标记封装的分组。标记可以使用专用的封装格式，也可以利用现有的链路层封装如：ATM的VCI和VPI。 5．标记交换路由器(LSR) 支持MPLS协议的路由器，是MPLS网络中的基本元素。 6．标记交换路径（LSP） 使用MPLS协议建立起来的分组转发路径，由标记分组源LSR与目的LSR之间的一系列LSR以及它们之间的链路构成，类似于ATM中的虚电路。 7．上游LSR与下游LSR，一个分组由一个路由器发往另一个路由器时，发送方的路由器为上游路由器，接收方为下游路由器。 8．标记信息库（LIB） 类似于路由表，包含各个标记所对应的各种转发信息。 9．标记分发协议（LDP） 该协议是MPLS的控制协议，相当于传统网络的信令协议，负责FEC的分类，标记的分配，以及分配结果的传输及LSP的建立和维护等。 10．标记分发对等实体（LDP PEERS） 进行LDP*作的LSR为标记分发对等实体。 11．标记合并 对于某一相同FEC的标记分组，将不同的入标记替换为相同的一个出标记继续转发的过程，减少标记资源的消耗。 12．TLV（Type Length Value） MPLS消息中的子结构，类似于其它协议中各种消息内的对象。 MPLS的研究发展及其关键技术综述 一、概述 近年来，随着WWW的巨大成功和日益普及，Internet在全球范围内呈爆炸性增长，Internet上的主要业务由传统的文件传送、电子邮件和远程登录等转向多媒体应用丰富的WWW。网上信息流的持续增加，由多层路由器构成的传统网络趋向饱和，多媒体通信的迅猛发展（如网络电话、电子商务、视频会议等），要求网络能提供具有不同QOS等级的综合业务（如时延、带宽、分组丢失率的保证），由于Internet采用面向无链接的IP协议，只能提供尽力而为（best－effort）服务，因此无法提供QOS保证。当现有Internet规模扩充到一定限度后，将在许多方面（带宽、路由、网络扩展性、QOS）面临挑战。 ATM技术的出现为解决Internet困境带来了契机，IETF制定了经典的IPOA（Classic IP overATM），ATM论坛制定了局域网仿真和MPOA（MultiProtocol over ATM），有的已经得到了广泛的应用。但这些方案均不够理想。由于在早期的方案中，所采用的是叠加式（Overlay）模型。其优点是减少了ATM与IP的相互限制，有利于它们独立地发展并向未来的B-ISDN过渡；但缺点是IP技术和ATM技术不能有效地结合，无论是分组的封装效率、建链的时延、对组播的支持以及对QOS的支持都不理想。 近几年的发展已清楚表明IP将是下一个世纪网络的主宰。因此，如何使ATM技术融入IP，如何将路由和交换结合起来，如何解决IP无连接和ATM面向连接的矛盾，以支持规模日益增长的Internet和多媒体业务，成为目前研究的热点。众多厂商和学者提出了许多新方案、概念和名词，如IP交换、CSR、Tag交换、ARIS、MPLS等。 二、MPLS的总体框架 1997年，由多家公司联合向IETF提交了MPLS（多协议标记交换：Multiprotocol Label Switching）框架及体系结构两个草案文档，它以Cisco公司的Tag交换为基础而又综合各家之长。MPLS中引入了非常多的新概念和术语，其中比较关键的有：①Label（标记）：用于表示FEC的固定长度的标识符，仅具有局部意义；②LSR（标记交换路由器）：支持第三层前传的MPLS节点；③FEC（等效前传类）：以相同方式（如：通过同一条路径，受到LSR相同的前传处理）进行前传的一组IP分组；④Label Stack（标记堆栈）：一组有序的标记，不同位置的标记代表着不同的层次；⑤LSP（标记交换路径）：一个特定的FEC在同一层次上经过LSRS所形成的路径；③LDR（标记分发协议）：一个 LSR通知其它LSRS关于标记／FEC绑定信息的一系列过程。 在面向无连接的网络中，每个路由器通过分析分组头来独立地选择下一跳；而分组头中含有比需要用来判断下一跳多得多的信息。选择下一跳的工作可分两部分：将分组分成FECs和为FEC选择下一跳；在传统IP前传中，每个路由器对同一个FEC的每个分组都要进行分类和选择下一跳；而在MPLS中，对于一分组，只是在它进入网络时进行FEC分类，并分配一个相应的标记；网络中的LSR则不再需要对网络层头进行分析，直接根据标记进行处理。有些传统路由器在分析分组头时，不但决定分组的下一跳，而且要决定分组的业务类型（COS：Class of Service），以给予不同的服务规则。MPLS可以（但不是必须）利用标记来支持COS，此时标记用来代表FEC和COS的结合。MPLS可以支持任何网络层协议，但实际上，MPLS工作组仅考虑IP协议。 来自路由协议的信息用于分配和分发标记。一般来说，由下游节点向上游节点分发标记，连成一串的标记就构成了LSP。在单播中，LDP有两种方式产进行标记的分发：独立方式（Independent）和受控方式（Ordered）。在独立方式中，任何节点可以在任何时候为每一个它认识的流进行标记分发；受控方式中，一个流的标记分发从这个流所属的出口节点开始，这样可以保证整个网络内标记与流的映射是完整一致的。 标记分配由下游执行，而下游节点由路由决定，也有两种发配方式：下游（downstream）分配和下游按需（downstream－on－demand）分配。前者由下游分配标记，并分发到邻近的LSRS；后者则由上游LSR为一个流向下游LSR提出标记分配请求，这在ATM网络中很有用，因为ATM不能进行LSPs的合并。 不论是独立还是受控方式，可以采用自由模式（liberal mode）或保守模式（conservative mode）分发标记。在自由模式中，向所有邻近的LSRS分发一个FEC的标记，而不管自己是否是这些节点在此FEC上的下一跳。这样做的优点是当路由发生变化时，可以立即使用预先分发好的标记，但这将消耗更多的标记。保守模式只分发给下一跳是自己的那些节点，这样可以节省标记空间。 MPLS中一个关键部分就是可以将同一个标记（或LSP）分配到多个流上。MPLS支持标记的不同层次的颗粒化（granularity）。根据对共享标记和最大程度获得交换的好处之间的折中，可以选择不同的颗粒化。常用的颗粒化有： ●IP地址前缀（IP Prefix）：具有相同的目的网络地址将共用同一个LSP，与自由方式配合使用，可以使标记一次性完成分配； ●出口路由器（Egress Router）：有同一个出口路由器的所有IP地址共用相同的LSP，扩展性最好； ●应用流（Application Flow）：扩展性最差，但保证了端到端的交换。 因此，典型的LSP是一棵多点到点的树，多个流在某些节点上汇聚成一个流，这使得MPLS可以用O（n）数量级的标记来进行流量交换，极大地增加了扩展性；但前提是LSRs必须支持流合并，这在ATM网络中存在问题。 MPLS通用头（shim）可以灵活地封装到不同的位置，可以在第二层头或第三层头中，甚至可以在第二层与第三层头之间，而且根据不同的数据链路层将有不同的格式：例如在点到点网络中，就封装到PPP头的后面；而在ATM网络中，则将标记映射到VPI／VCI中。Shim的格式支持标记堆栈，进入网络的数据可以携带多个标记；这些标记采用先进先出的难栈方式，这使得MPLS支持层次化操作。例如在域内（intra-domain）用第一个标记，而在域间（inter-domain）用第二个标记；而且LSRs对于标记的处理方式与标记堆栈完全无关，它永远是对最上面一个标记进行操作。 三、MPLS的关键技术 1.VC合并（VC Merging） MPLS通过对标记不同粗细程度的分类和流合并两种方法将网络的连接数从0（n2）降到0（n），从而极大地增加网络的可扩展性。当MPLS运行在基于帧的媒质上时，流合并很简单，所要做的仅仅是要求节点将多个上游标记对应到同一个下游标记，这也称为帧合并。但是在ATM上就会产生问题。在ATM中，MPLS的标记对应于ATM信元中的VPI／VCI域，因此流合并意味着VPI／VCI合并。但是标准的ATM交换机不支持VC合并。如果直接将不同的VC合并成同一个出口 VC，不同分组的信元就会交错在一起，而且接收方没有办法能分辨出来。一种可行的方法是用VP而不是VC来进行流合并，通过对每个VP分配不同的VC空间来解决信元交错问题；但这样将极大地降低VPI／VCI的利用率，而且需要机制来进行VC空间的分配。 VC合并要求ATM交换机对不同人口 VC进来的分组先进行串行化，这就要求ATM交换机中有额外的缓存。对此MPLS工作组在1999年9月指定的标准中提出了一种解决方案，并初步研究了在输出缓存采用FIFO时它的性能。研究结果表明，这种方案十分可行。 2.路由环（Loop）的防止与检测 由于LSP的建立基于路由信息，因此LSP有可能也形成环路。在传统的IP网络中，IP通过TTL域来减轻进入路由环的分组对整个网络的影响。但是ATM和Frame Relay均不支持TTL。因此MPLS工作组提出：“必须要有某种机制，防上路由环产生，或者（并且）保留一些网络资源可以用于路由环所产生的消耗。”有两种方法来处理路由环：检测和防止。对于检测方式，允许路由环存在，但MPLS将会检测到它并进行删除或弃用；对于防止方式，MPLS将提供机制来杜绝路由环的生成。 可以通过在MPLS消息中加入路径矢量域来检测路由环。路径矢量域中包含了前传某个流的每个节点的标识符。当某个节点收到这个域时，就检查自己的标识符是否已经在路径矢量域中：如果已经有了，则表明产生了回路；如果没有，则将自己的标识符加到路径矢量域中并前传MPLS消息。 ARIS提出了一种扩散算法（diffusion）来防止路由环。对于某个流，当某个节点的下一跳发生变化时，首先用diffusion算法来判断是否会产生路由环。在执行完毕之前，仍沿用旧的路径来发送数据。MPLS工作组也在考虑其它扩展性更好的机制。在1999年5月提出的Internet草案中提出了一种线程机制（Threads Mechanism）。当一个节点（比如入口节点）想建立LSP或它的下一跳发生改变时，它向下游节点发送一个thread，thread由唯一的颜色（color）、跳数（hop count）和TTL三部分组成。如果节点收到了由它先前发出的thread，则说明有回路产生；如果它收到出口节点发回的确认消息，则说明不会形成回路。虽然线程机制功能强大，但操作过于复杂，而且节点必须保留经过它的所有thread的信息。由于目前的LDP（标记分配协议）有路由环的检测功能，因此1999年6月提出的Internet草案中提出了一种简单的防止机制来配合LDP：其工作原理与数据流的流向和树的类型无关，可以很好地支持组播。通过向树的根节点发送标记合并消息（label splice message），并等待根节点的确认消息来判断是否存在环路。它没有提供检测控制消息的环路的方法，不过LDP已有相应的解决办法。MPLS工作组目前仍未决定究竟选哪种机制。 3.RSVP与MPLS 已有人提出通过直接路由将RSVP和MPLS结合起来，并可以用于流量工程（trafficengineering）。草案规定了如何对RSVP流进行标记的分配和绑定，并通过RSVP的消息（PATH和RESV消息）来传送相应信息。其中需要解决的问题有：当ATM不支持流合并时，要为每个发送方分配一个标记，此时如何将一组标记作为整个来进行资源预留；如何在ATM中进行TTL处理；如何在共享煤质上进行标记分区等。 当RSVP路径因某种原因发生故障时，RSVP将采用普通的best－effort路由来前传，而这与流量工程的目的相矛盾：因为当一部分流量采用预定的路径时，另一部分流量却采用动态路由。而且，当一条路径的一部分采用预定的路径，而其它部分采用动态逐跳路由时，有可能出现永久路由环。 4.MPLS在共享媒质中 现已提出两种方案，一种是将shim头放在MAC头和网络层头之间，当数据在共享媒质中前传时，不使用shim头，而仅在共享媒质的边界路由器使用；另一种机制是通过重新定义目的MAC地址的语义，将标记编码到MAC头中，这样就不需要象第一种方案那样要对帧进行分段，而且网桥可以具有路由功能。但它的缺点是无法和现有的LAN互通。 四、结束语 除了以上提到的，MPLS工作组对一些方面的问题还没有充分涉及到。例如与其它许多已比较成熟的IP over ATM技术之间的互操作性等。总之，MPLS还是一项非常不成熟的技术，许多方面仍在进行标准化过程，仅有草案。到目前为止，在1999年3月通过了RFC2547（提出了一种ISP如何利用MPLS和BGP在主干网上为企业提供VPN的方案）；1999年9月通过了RFC2682（提出一个实现VC合并的简单模型，并进行了初步性能分析）、FRC2702（给出了在MPLS中提供流量管理的要求）。对许多关键问题仅提出粗略的解决方案，也没有任何性能上的测试和验证；有些则还处于初步阶段，如：组播、路由跟踪（traceroute）、O&M、用于政策路由的直接路由以及安全性等方面。预计相应的标准要到2000年才能制定出来。 基于MPLS技术的流量工程 服务提供商在支持IP服务方面面临着挑战，这需要他们能够使现有的网络具有流量工程管理。服务提供商要求IP over ATM这种方式下的流量工程在纯IP结构的网络中也要得到体现。MPLS正是一种 ATM和纯IP网共存情况下提供流量工程，并且避免两个分立网络的管理技术。 全世界的服务提供商都在寻求更可靠的、有差异性的服务，以跟上互联网的不断发展以及不断增长的用户需求，这就需要服务提供商能够严格地控制网络资源的分配和网络吞吐量。对于在网络的物理拓扑结构上映射通信流量的过程，以及为这些通信流量的资源定位就叫做流量工程。它是当今服务提供商最难处理的任务之一。 理想的流量工程解决方案是根据业务需要分配网络资源，它应该具有将通信流量映射到特殊路径和专用资源上以实现负载均衡的方法。一个具有流量工程的网络可以利用面向连接的技术来实现，如 ATM和 帧中继。然而，将多种技术混合起来的网络,需要各自的网管系统来管理，操作上带来很大的不便。 一个纯的IP网络可以基于MPLS协议实施流量工程，通过提供不同的业务和可控性的网络获取利益。我们迫切需要一个具有流量工程设计的网络，该网络应能够根据流量需求进行网络资源的排队管理，以较低的成本创建一个确定性的网络，以及通过SLA提供不同的业务类型。因此，在下一代的IP网络中，流量工程会成为MPLS协议最广泛的应用之一。 MPLS多协议标记交换融合了IP路由技术、 ATM的QoS及第二层的交换技术，使得以上的流量工程模式可以部署在基于IP的网络，其中包括 ATM网上承载IP业务的模式。它允许为网络的数据流预先建立一条路径。这些预留的路径占用特殊的网络资源，既可被手工设定为显式路径，也可根据需要自动生成最佳的路径。 基本上讲，MPLS类似于 ATM技术，它是专门为IP设计的，但同时又支持 ATM和PoS等不同的传输媒体。标记交换路径（LSP）的路径建立，根据流量需要和链路承载能力，数据流被映射到相应的路径上。数据流通过哪条路径转发取决于该数据流被分配了什么样的标记。因此，不同于传统的IP目的地址，MPLS中的标记被用于将数据包沿着选好的路径在网络中传送。目前，MPLS可用两种控制协议CR-LDP和RSVP建立路径，他们在支持流量工程时具有同等的效力。另外，这两种控制协议均支持隐式和显式路由。 流量工程的骨干具备管理路由器资源的能力，这对于网络中每台路由器是必需的。另外，网络中每一台路由器的容量及性能必须能在全网中共享，以便通过集成在具有MPLS功能的边缘路由器（LER）或者是边缘标签交换路由器（edge-LSR）中的集中式流量工程处理功能进行LSP的计算。需要明确指出的是，流量工程处理功能必须能访问以下信息：LSP终端节点（也就是目的IP地址），一个完整的网络拓扑以便计算潜在路径，以及网络中所有路由器的资源可用性以便计算路径的容量。 MPLS：ATM与IP结合新模方式 面对Internet的诸多制约，如何实现端到端的转发和控制、如何实现QoS机制困扰着人们。基于标记交换，不断有公司提出自己的方案。然而，这一切不仅未解决IP问题，反而使网络本身变得更加复杂。直到多协议标记交换（MPLS）的出现，提出了将ATM特性与IP结合的新模式，终于——MPLS为网络带来转机 作为七家运营商之一的中国网通推出了其基于MPLS技术的IP-VPN服务。网通与实达集团在福州正式签约，网通将为实达集团在全国的11个办公地点提供MPLS VPN接入服务。在刚刚结束的电信展上，加拿大环球电讯公司也全面展示了其MPLS IP VPN业务。一时间，MPLS成为业界倍受瞩目的焦点。 网络的需求 多协议标记交换（Multiprotocol Label Switching，MPLS）是一种介于第二层和第三层之间的标记交换技术，是专门为IP设计的，可以将第二层的高速交换能力和第三层的灵活特性结合起来，使IP网具备高速交换、流量控制、QoS等性能。它的产生伴随着网络的发展。 多年以前，人们期盼ATM能做任何事情，随着Internet的发展，人们试图通过ATM传语音、传图像，但由于ATM自身的一些限制，使得它无法适应Internet高速发展的今天。同时，由于点到点的连接，人们难以承受其高昂价格以及对带宽资源的严重浪费。然而，由于IP网的开放性，人们又很难实现端到端的连接，同时，语音数据包的传输也带来了很多问题。因而，将ATM网和IP网合二为一是人们早期的一个初衷。 主要技术的支持率 当时最早采用的方式是IP over ATM，但遇到了非常多的问题和困难，如IP地址与ATM地址之间的映射问题。ATM的优点在于其固定长度的包，主要特点用硬件实现转发，因为固定长度的包，只看到包头的这些转发信息就可直接转发。因此，硬把两个协议捆绑在一起不能成功，也不能真正推广。后来，另外一些人试图尝试把两种协议的优势结合起来，即将传统的ATM网的转发机制和IP网的寻址和路由的机制结合起来，这就产生了IP交换技术，进而通过IETE组织推出了MPLS协议。 运营商的需要 尽管网络需求与日俱增，但由于带宽价格大幅下滑，因而服务商的收入越来越少。对于新的服务商来说，要想找到一家投资，困难自不必说，而对那些负债在身的运营商们，也很难有新的资金进行网络建造。尽管如此，人们并没有因此就停止对新服务的要求，数据网络最终还要继续发展。如果服务商们还想从网络中得到新的经济增长点，则必须寻求新的服务和技术，然后才能为用户提供更好的、更智能化的服务。因此，尽管遇到了种种困难，服务商还在继续投资网络技术厂商。另一方面，服务商们已投入了大量的资金建设骨干网络，但这些骨干网并没有被充分利用，网络最后一公里的的限制阻碍了网络入户的速度，从而成为网络发展中的一个瓶颈。 多数的服务商表示，在选择新的骨干网时，MPLS将是他们的首选。因此，在未来的一段时间内，MPLS将会和ATM、SDH、DWDM一起，并驾齐驱在骨干网络的大军中，并在未来的几年内在众多的技术中脱颖而出。有调查显示，在未来的几年内，在数据网络的骨干网中，只有MPLS技术表现出极好的发展前景，并在未来的欧洲网络市场中占有中心地位，如图所示。之所以会出现这样的情形，是因为MPLS通过分层次服务和新服务为IP网络带来巨大的效益。同时，利用MPLS能够使网络变得更为简单，将IP和ATM合并在一起。 MPLS应用领域 MPLS对网络的影响主要在三个方面： 在IP网络的QoS方面； 在IP网络的流量工程方面； 在IP网络的服务功能方面，如VPN。 VPN 由于地区和运营商各不相同，因而人们对MPLS上述三方面的需求也会有所侧重。在美国，发展较快、应用较多的是MPLS在流量工程方面的应用。因为美国的网络历史比较长，从很老的产品到现在最新的产品都用在网络上。整个网络的结构就像蜘蛛网一样，比较复杂。在这种情况下，怎么利用已有的资源、已有的通路，就需要仔细地调整在不同通路上的流量分配，充分利用网络。MPLS在流量工程方面的功能恰好可以得到很好的利用。 但是在欧洲、中国等地区，由于IP网发展相对较晚，但发展速度很快，在这种情况下建立起来的网络带宽较高，如中国现在新建的网络带宽都在2.5G左右。因此，流量工程对网络的益处相对来说不如美国那么明显。另一方面，网络服务供应商把对在MPLS提供的增值服务需求提到了议事日程，其中最迫切的就是VPN业务。网络服务商希望在IP网上开出类似帧中继、ATM这种虚拟专网的服务。 运营商要想开展VPN业务就需要好的平台、好的技术，运营商也在等待MPLS的开放性。对服务商而言，MPLS能对Internet产生巨大的影响，它将减少网络阻塞并提供更好的端到端服务。而将来利用MPLS建成的公众IP数据网，不仅仅是Internet，更主要的是为许多企业提供服务质量(QoS)和稳定性更好的VPN应用。MPLS能够在不同的网络的站点间建立起有保证的带宽连接以及其它的QoS特征服务。其中最基本的一点是，通过流量控制，能够使网络有效地减少拥塞、使流量平均分配。 MPLS发展前景 骨干走向边缘 随着MPLS应用的不断升温，无论是产品还是网络，对MPLS的支持已不再是额外的要求，而应该是必备的功能。此外，MPLS从骨干网走向边缘网也是一种越来越明显的趋势，这一进程将给边缘网带来更多的带宽、更高的智能和更多的服务。在接入网中，利用MPLS的技术承载以太网，会使网络更易升级和富有弹性。普通的以太网在每个骨干网中只能处理4000个VLAN，MPLS能使每个路由器支持最多100万个标记。因此，核心路由器厂商支持MPLS自然是毫无疑问的，边缘路由器厂商此时也开始关注MPLS。 替代ATM 当初，人们是在ATM网上提供IP的服务。目前，从发展趋势来看，人们只是希望在IP网上提供类似ATM的服务。因此，MPLS将在IP网上发展，因为目前完全替代ATM还不可能。因此，人们将逐渐把ATM限制在一小部分有特殊需求的地方，如一些像专网用户租特定的带宽，并在该线路上实现电话和电视会议。 结合底层光设备 从整个网络发展方向来看，在未来的核心网上，所有新的运营商在第一时间内建立的骨干Internet网都是光结点。MPLS不再单一存在，它将与底层的光设备相辅相成。以前的IP是第一层、第二层、第三层在一起，现在，利用MPLS的基础，IP与底层的光设备结合起来，让光去识别IP路由，即光是基于IP来驱动，将来的网络核心是波长路由，外面是一种大路由，这是以后大网核心的必然。对运营商来讲，今天的网络与以后的网络的关系是，所有今天的电信的其他网，如DDN专线网、ATM的中继网等，都是将来整个大网络的接入结点。这个网不会摒弃以前所有的技术和产品，而是把它们结合进来，只是所有的应用都要以IP的形式来做，所有的东西都会以IP的形式终结在Internet和路由阶层中去。 早在1995年，IBM就提出IP over Everything，即IP可以跑在任何第二层的载体上。2000年是Everything over IP，即网络从上三层到下三层都是IP界面。从应用角度来看，根据将来用户的不同的接入形式，不论企业大小，都会以不同的形式找到网址。总之，掌握IP就等于掌握未来。
