交換第7章MPLS交換課件

1、第7章 多協(xié)議標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展的一個必然趨勢是從單純的電話、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)向視頻、多媒體等寬帶綜合業(yè)務(wù)發(fā)展。傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)由于存在著傳輸效率低、無法保證QoS、不支持流量工程（TE：traffic engineering）等問題，而無法適應(yīng)未來通信的發(fā)展。在這種情況下，多協(xié)議標(biāo)記交換MPLS技術(shù)應(yīng)運而生，它以其諸多優(yōu)勢和強大的網(wǎng)絡(luò)功能，被業(yè)界認(rèn)為是最具競爭力的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一，并將擔(dān)負(fù)起下一代網(wǎng)絡(luò)（NGN）骨干傳輸?shù)闹厝?。?頁，共41頁。7.1 MPLSMPLS是利用標(biāo)記（label）進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的。當(dāng)分組進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時，為其分配固定長度的短的標(biāo)記，并將標(biāo)記與分組封裝在一起，在整個轉(zhuǎn)發(fā)過程中，交換節(jié)

2、點僅根據(jù)標(biāo)記進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。傳統(tǒng)IP交換采用的是hop-by-hop的逐跳式轉(zhuǎn)發(fā)，而且是路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)同時進(jìn)行，是無連接的工作方式，類似于分組交換的數(shù)據(jù)報方式，如圖7.1所示。第2頁，共41頁。圖7.1 傳統(tǒng)IP交換技術(shù)第3頁，共41頁。 與傳統(tǒng)IP交換技術(shù)不同的是，MPLS技術(shù)將路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分開進(jìn)行。 在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)之前先進(jìn)行路由選擇，通過標(biāo)記來標(biāo)識所選路由，每個交換節(jié)點要記錄路由所分配的標(biāo)記信息，從而建立通信的源到目的之間的邏輯信道的連接。 在信息傳送階段，數(shù)據(jù)分組依賴標(biāo)記在交換節(jié)點中轉(zhuǎn)發(fā)，沿選好的路由通過網(wǎng)絡(luò)。 MPLS是面向連接的技術(shù)，在信息傳送之前，需要建立虛連接，如圖7.2所示。第

3、4頁，共41頁。圖7.2 MPLS技術(shù)第5頁，共41頁。因此，MPLS技術(shù)與傳統(tǒng)IP交換技術(shù)的最本質(zhì)的區(qū)別在于，傳統(tǒng)IP交換采用無連接的工作方式，而MPLS采用面向連接的工作方式。MPLS技術(shù)的另一特點在于它的“多協(xié)議”特性，對上兼容IPv4、IPv6等多種主流網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，將各種傳輸技術(shù)統(tǒng)一在一個平臺之上；對下支持ATM、PPP、SDH、DWDM等多種鏈路層協(xié)議，從而使得多種網(wǎng)絡(luò)的互連互通成為可能。第6頁，共41頁。7.2 MPLS網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及基本概念MPLS網(wǎng)絡(luò)是指由運行MPLS協(xié)議的交換節(jié)點構(gòu)成的區(qū)域。這些交換節(jié)點就是MPLS標(biāo)記交換路由器，按照它們在MPLS網(wǎng)絡(luò)中所處位置的不同，可劃分

4、為MPLS標(biāo)記邊緣路由器（LER：label edge router）和MPLS標(biāo)記交換路由器（LSR：label switching router）。顧名思義，LER位于MPLS網(wǎng)絡(luò)邊緣與其它網(wǎng)絡(luò)或用戶相連； LSR位于MPLS網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部。兩類路由器的功能因其在網(wǎng)絡(luò)中位置的不同而略有差異。圖7.3是MPLS網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。 第7頁，共41頁。圖7.3 MPLS網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)第8頁，共41頁。圖中所示的標(biāo)記交換路徑（LSP：label switching path）是MPLS網(wǎng)絡(luò)為具有一些共同特性的分組通過網(wǎng)絡(luò)而選定的一條通路，由入口的LER、一系列LSR和出口的LER以及它們之間由標(biāo)記所標(biāo)識的邏

5、輯信道組成。標(biāo)記分發(fā)協(xié)議（LDP：label distribution protocol）是MPLS的控制協(xié)議，用于LSR之間交換信息，完成LSP的建立、維護和拆除等功能。圖中數(shù)據(jù)分組附加的部分就是標(biāo)記。它是一個短的、具有固定長度、具有本地意義的標(biāo)志，用來標(biāo)識和區(qū)分轉(zhuǎn)發(fā)等價類（FEC）。第9頁，共41頁。轉(zhuǎn)發(fā)等價類（FEC：forwarding equivalence class）是一組具有相同特性的數(shù)據(jù)分組，這一組數(shù)據(jù)分組以相似的方式在網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)，F(xiàn)EC可被看作是具有相同選路決策的一類數(shù)據(jù)分組。劃分FEC的方法有多種，比如可將具有相同源地址和目的地址的數(shù)據(jù)分組劃分為一個FEC，也可將具有相同

6、地址前綴的數(shù)據(jù)分組劃分為一個FEC，還可將具有相同QoS要求的一組數(shù)據(jù)分組劃分為一個FEC，等等。給屬于同一個FEC的數(shù)據(jù)分組加上相同的標(biāo)簽。標(biāo)記映射就是將標(biāo)記分配給FEC，也叫標(biāo)記綁定。一個FEC可以對應(yīng)多個標(biāo)記，但一個標(biāo)記只能對應(yīng)一個FEC。第10頁，共41頁。7.3 MPLS基本交換原理MPLS交換采用面向連接的工作方式，面向連接的工作方式就是信息傳送要經(jīng)過以下三個階段：建立連接、數(shù)據(jù)傳輸和拆除連接。對于MPLS來說，建立連接就是形成標(biāo)記交換路徑LSP的過程；數(shù)據(jù)傳輸就是數(shù)據(jù)分組沿LSP進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的過程；而拆除連接則是通信結(jié)束或發(fā)生故障異常時釋放LSP的過程。第11頁，共41頁。1、建立連

7、接（1）驅(qū)動連接建立的方式MPLS技術(shù)支持三種驅(qū)動虛連接建立的方式：拓?fù)潋?qū)動、請求驅(qū)動和數(shù)據(jù)驅(qū)動。簡單地說，拓?fù)潋?qū)動是指由路由表信息更新消息（例如發(fā)現(xiàn)了新的網(wǎng)絡(luò)層目的地址）觸發(fā)建立虛連接；請求驅(qū)動是指由RSVP（資源預(yù)留協(xié)議）消息觸發(fā)建立虛連接；數(shù)據(jù)驅(qū)動是指由數(shù)據(jù)流的到來觸發(fā)建立虛連接。目前，在MPLS網(wǎng)絡(luò)中，拓?fù)潋?qū)動應(yīng)用較為廣泛。第12頁，共41頁。（2）標(biāo)記分配MPLS存在著兩種LSP建立控制方式：獨立控制方式和有序控制方式。兩者的區(qū)別在于，在獨立控制方式中，每個LSR可以獨立地為FEC分配標(biāo)記并將映射關(guān)系向相鄰LSR分發(fā)；而在有序控制方式中， FEC-標(biāo)記綁定消息從FEC的出口LSR發(fā)起

8、，并從下行LSR依序流向上行LSR 。第13頁，共41頁。標(biāo)記分發(fā)有上游分配和下游分配兩種方式，下游分配又有下游自主分配方式和下游按需分配方式。上游分配和下游分配的區(qū)別顯而易見，就是指某FEC在兩個相鄰LSR之間傳輸時采用的標(biāo)記是由上游LSR分配（上游分配方式）還是由下游LSR分配（下游分配方式）。對于下游分配方式，存在著自主分配和按需分配，如果下游LSR是在接收到上游LSR對于某FEC的標(biāo)記請求時才分配標(biāo)記并將映射關(guān)系分發(fā)給上游LSR，那么下游LSR采用的就是按需分配方式；如果下游LSR不等上游LSR的請求，而在獲知某FEC時就予以分配標(biāo)記，并將映射關(guān)系分發(fā)給上游LSR，那么下游LSR采用的

9、就是自主分配方式。第14頁，共41頁。（3）連接建立過程MPLS網(wǎng)絡(luò)中的各LSR要在路由協(xié)議的控制下，分別建立路由表。MPLS技術(shù)中常用的路由協(xié)議為OSPF（Open Shortest Path First 開放式最短路徑優(yōu)先）和BGP（Border Gateway Protocol 邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議）。在LDP的控制下，在路由表的作用下，LSR進(jìn)行標(biāo)記分配，LSR之間進(jìn)行標(biāo)記分發(fā)，分發(fā)的內(nèi)容是FEC與標(biāo)記的映射關(guān)系，從而通過標(biāo)記的交換建立起針對某一FEC的LSP。第15頁，共41頁。分發(fā)的內(nèi)容被保存在標(biāo)記信息庫（LIB：lib information base）中，LIB類似于路由表，記錄與某一

10、FEC相關(guān)的信息，例如輸入端口、輸入標(biāo)記、FEC標(biāo)識（例如目的網(wǎng)絡(luò)地址前綴、主機地址等）、輸出端口、輸出標(biāo)記等內(nèi)容。LSP的建立實質(zhì)上就是在LSP的各個LSR的LIB中，記錄某一FEC在交換節(jié)點的入出端口和入出標(biāo)記的對應(yīng)關(guān)系。下面通過有序的下游按需標(biāo)記分發(fā)方式來進(jìn)一步說明LSP建立的過程。其它幾種方式與此相似，只是控制方式存在如上所述的差異而已。圖7.4所示是LSP的建立過程。第16頁，共41頁。圖7.4 LSP的建立過程下游按需標(biāo)記分發(fā)目的地址前綴下一跳輸入端口輸出端口 202.112 LSR0 0 1目的地址前綴下一跳輸入端口輸出端口 202.112 LER1 1 2目的地址前綴下一跳輸入

11、端口輸出端口 202.112 - 1 -LER0 路由表LER1 路由表LSR0 路由表第17頁，共41頁。假定所建立的LSP對應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)等價類為FECx。入口LER0查找路由表，獲得FECx的目的地址前綴的下一跳是LSR1，因此向LSR1發(fā)出標(biāo)記請求。LSR1接到LER0的請求，在本地記錄請求信息，然后查找路由表，獲得FECx目的地址前綴的下一跳是LER1，因此向LER1發(fā)送標(biāo)記請求。第18頁，共41頁。 目的地址前綴 輸入 輸出端口標(biāo)記端口標(biāo)記 202.112 1 2 0 - LER1是MPLS網(wǎng)絡(luò)的邊緣路由器，路由表中FECx的目地址前綴的下一跳路由器不在MPLS網(wǎng)絡(luò)中，故此LER1為FE

12、Cx選定一個標(biāo)記2作為輸入標(biāo)記填入LIB中，相應(yīng)表項的輸出標(biāo)記設(shè)為空值，并將相應(yīng)的入出端口、路由信息（如目的地址前綴）填入該表項。最后將分配的標(biāo)記2與FECx的映射發(fā)送給上游的LSR0。LER1 標(biāo)記信息表第19頁，共41頁。LSR0收到LER1發(fā)送的映射關(guān)系，為FECx選定一個標(biāo)記5，將5作為輸入標(biāo)記，2作為輸出標(biāo)記，連同入出端口、路由信息（如目的地址前綴）等信息一同填入LIB中。并將標(biāo)記5與FECx的映射發(fā)送給上游的LER0。 目的地址前綴 輸入 輸出端口標(biāo)記端口標(biāo)記 202.112 1 5 2 2LSR0 標(biāo)記信息表第20頁，共41頁。LER0在收到下游LSR0發(fā)送的映射關(guān)系后，將5作為

13、輸出標(biāo)記，與路由信息（如目的地址前綴）、出端口一起填入LIB中。因為LER0是入口路由器，也就是標(biāo)記請求發(fā)起的起點路由器，所以不必也不需要分配輸入標(biāo)記，輸入標(biāo)記為空。 目的地址前綴 輸入 輸出端口標(biāo)記端口標(biāo)記 202.112 0 - 1 5LER0 標(biāo)記信息表至此，F(xiàn)ECx通過MPLS網(wǎng)絡(luò)的LSP：LER0LSR0LER1建立完成。 第21頁，共41頁。2、數(shù)據(jù)傳輸MPLS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸采用基于標(biāo)記的轉(zhuǎn)發(fā)機制，其工作過程如圖7.5所示。圖7.5 LSP上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā) 目的地址前綴 輸入 輸出端口標(biāo)記端口標(biāo)記 202.112 0 - 1 5 目的地址前綴 輸入 輸出端口標(biāo)記端口標(biāo)記 202.112

14、 1 2 0 - 目的地址前綴 輸入 輸出端口標(biāo)記端口標(biāo)記 202.112 1 5 2 2LER1 標(biāo)記信息表LSR0 標(biāo)記信息表LER0 標(biāo)記信息表第22頁，共41頁。（1）入口LER的處理過程 當(dāng)數(shù)據(jù)流到達(dá)入口LER時，入口LER需完成三項工作：將數(shù)據(jù)分組映射到LSP上；將數(shù)據(jù)分組封裝成標(biāo)記分組；將標(biāo)記分組從相應(yīng)端口轉(zhuǎn)發(fā)出去。映射： 入口LER檢查數(shù)據(jù)分組中的網(wǎng)絡(luò)層目的地址，將分組映射為某個LSP，也就是映射為某個FEC。 FEC可包含多個屬性，目前只有兩個屬性：地址前綴（長度可從0到完整的地址長度）和主機地址（即為完整的主機地址），今后可能將不斷有新的屬性被定義。FEC屬性的作用在于規(guī)范

15、和指定分組與LSP的映射。第23頁，共41頁。 分組與LSP的映射過程依次遵循如下幾條規(guī)則，直到找到映射關(guān)系： a. 如果只有一條LSP對應(yīng)的FEC所含的主機地址與分組的目的地址相同，則分組映射到這條LSP。 b. 如果同時有多條LSP對應(yīng)的FEC所含的主機地址與分組的目的地址相同，則從其中選擇一條，具體方法暫不作介紹。 c. 如果分組只與一條LSP匹配（即分組的目的地址起始部分與LSP對應(yīng)的FEC的地址前綴屬性相同），則分組映射到這條LSP。第24頁，共41頁。 d. 如果分組同時與多條LSP匹配，則分組映射到前綴匹配最長的LSP。如果匹配長度一樣，則從中選擇一條與分組映射，選擇的原則可自行

16、規(guī)定。 e. 如果已知分組必從一特定的出口LER離開網(wǎng)絡(luò)，且有一條LSP對應(yīng)的FEC地址前綴與該LER的地址相匹配，則分組映射到這條LSP。第25頁，共41頁。封裝： 入口LER的封裝操作就是在網(wǎng)絡(luò)層分組和數(shù)據(jù)鏈路層頭之間加入“SHIM”墊片。如圖7.6所示?！癝HIM”實際上是一個標(biāo)記棧，其中可以包含多個標(biāo)記，標(biāo)記棧這項技術(shù)使得網(wǎng)絡(luò)層次化運作成為可能，在MPLS VPN和流量工程中有很好的應(yīng)用。這樣的封裝使得MPLS協(xié)議獨立于網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，這也就解釋了我們前面提到的MPLS支持“多協(xié)議”的特性。第26頁，共41頁。每個標(biāo)記是一個4字節(jié)的標(biāo)識符，具體內(nèi)容如圖7.7所示。圖7.6

17、入口LER的封裝操作圖7.7 標(biāo)記的構(gòu)成L2L3第27頁，共41頁。（2）LSR的處理過程LSR從“SHIM”中獲得標(biāo)記值，用此標(biāo)記值索引LIB表，找到對應(yīng)表項的輸出端口和輸出標(biāo)記，用輸出標(biāo)記替換輸入標(biāo)記，從輸出端口轉(zhuǎn)發(fā)出去。對于采用標(biāo)記棧的情況，只對棧頂標(biāo)記進(jìn)行操作。顯而易見，在核心LSR，對分組轉(zhuǎn)發(fā)不必檢查分析網(wǎng)絡(luò)層分組中的目的地址，不需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層的路由選擇，僅需通過標(biāo)記即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)。這一點極大地簡化了分組轉(zhuǎn)發(fā)的操作，提高了分組轉(zhuǎn)發(fā)的速度，從而實現(xiàn)了高速交換，突破了傳統(tǒng)路由器交換過程復(fù)雜、耗時過長的瓶頸，改善了網(wǎng)絡(luò)性能。第28頁，共41頁。（3）出口LER的處理過程出口路由器為

18、數(shù)據(jù)分組在MPLS網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)歷的最后一個結(jié)點，所以出口路由器要進(jìn)行相應(yīng)的彈出標(biāo)記等操作。當(dāng)數(shù)據(jù)分組到達(dá)出口路由器LER時，出口路由器同樣從“SHIM”獲得入口標(biāo)記值，索引LIB表，找到相應(yīng)表項，發(fā)現(xiàn)該表項出口標(biāo)記為空，于是將整個墊片“SHIM”從標(biāo)記分組中取出，這就是彈出標(biāo)記操作。同時，出口路由器LER檢查網(wǎng)絡(luò)層分組的目的地址，用這個網(wǎng)絡(luò)層地址查找路由表，找到下一跳。然后，從相應(yīng)端口將這個分組轉(zhuǎn)發(fā)出去。第29頁，共41頁。3、拆除連接因為MPLS網(wǎng)絡(luò)中的虛連接，也就是LSP路徑是由標(biāo)記所標(biāo)識的邏輯信道串接而成的，所以連接的拆除也就是標(biāo)記的取消。標(biāo)記取消的方式主要有兩種。其中一種是采用計時器的方式

19、，即分配標(biāo)記的時候為標(biāo)記確定一個生存時間，并將生存時間與標(biāo)記一同分發(fā)給相鄰的LSR，相鄰的LSR設(shè)定定時器對標(biāo)記計時。如果在生存時間內(nèi)收到此標(biāo)記的更新消息，則標(biāo)記依然有效并更新定時器；否則，標(biāo)記將被取消。在數(shù)據(jù)驅(qū)動方式中，常采用這種方式，因為很難確定數(shù)據(jù)流何時結(jié)束。第30頁，共41頁。另一種就是不設(shè)置定時器，這種方式下LSP要被明確地拆除，網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化（例如某目的地址不存在或者某LSR的下一跳發(fā)生變化等等）或者網(wǎng)絡(luò)某些鏈路出現(xiàn)故障等原因，可能促使LSR通過LDP消息取消標(biāo)記，拆除LSP。第31頁，共41頁。7.4 MPLS交換節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)及工作原理1、MPLS交換節(jié)點的體系結(jié)構(gòu) M

20、PLS交換節(jié)點，即LSR的體系結(jié)構(gòu)如圖7.8所示。它是由兩個獨立的單元控制單元和轉(zhuǎn)發(fā)單元構(gòu)成的。圖7.8 LSR的體系結(jié)構(gòu)第32頁，共41頁。 控制單元運行IP路由協(xié)議（OSPF和BGP）與其它路由器交換路由信息，從而建立IP路由表，從這個意義上來看，每個LSR也是一個傳統(tǒng)IP路由器。作為LSR，其控制單元除了運行IP路由協(xié)議，還要運行MPLS的LDP。 LDP協(xié)議基于IP路由表與其它LSR交換標(biāo)記與FEC的映射關(guān)系，建立標(biāo)記信息庫LIB。如同IP路由協(xié)議創(chuàng)建和維護IP路由表一樣，LDP協(xié)議也負(fù)責(zé)創(chuàng)建和維護LIB。LSR運行路由協(xié)議和LDP，在相鄰LSR之間傳遞和交換消息都要在TCP連接上來完

21、成。第33頁，共41頁。 控制單元可以運行多種網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議，形成相應(yīng)的路由表，在此路由表的基礎(chǔ)上，LDP協(xié)議生成LIB，在數(shù)據(jù)傳送階段，分組是根據(jù)標(biāo)記來完成傳發(fā)的，這樣就屏蔽了不同網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議的差異，這就是MPLS技術(shù)可支持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的原因。第34頁，共41頁。 轉(zhuǎn)發(fā)單元的功能是完成分組的轉(zhuǎn)發(fā)。 標(biāo)記分組轉(zhuǎn)發(fā)要借助標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)信息庫（LFIB：label forwarding information base），LFIB根據(jù)標(biāo)記信息庫LIB生成，內(nèi)容是LIB的子集，包含當(dāng)前用于轉(zhuǎn)發(fā)的內(nèi)容。到達(dá)LSR的標(biāo)記分組只需依據(jù)標(biāo)記查找LFIB表，用出口標(biāo)記替換入口標(biāo)記，從相應(yīng)端口轉(zhuǎn)發(fā)出去。此外LSR

22、也需要進(jìn)行IP分組轉(zhuǎn)發(fā)，這時分組要依據(jù)網(wǎng)絡(luò)層目的地址查找路由表，轉(zhuǎn)發(fā)到下一跳。實際上，MPLS路由器要實現(xiàn)四種分組的轉(zhuǎn)發(fā)：入IP分組到出標(biāo)記分組（入口LER）；入標(biāo)記分組到出標(biāo)記分組的轉(zhuǎn)發(fā)（核心LSR）；入標(biāo)記分組到出IP分組（出口LER）；入IP分組到出IP分組的轉(zhuǎn)發(fā)（傳統(tǒng)路由器的功能）。第35頁，共41頁。2、LER與LSR LER與LSR的作用和操作過程是不同的，下面從構(gòu)成標(biāo)記交換路由器的控制單元和轉(zhuǎn)發(fā)單元所完成的功能不同，來比較兩者之間的差異，見下表。第36頁，共41頁。1、 標(biāo)記分配的驅(qū)動模式 控制流驅(qū)動vs. 數(shù)據(jù)流驅(qū)動2、標(biāo)記的分發(fā)方式 上游分發(fā)vs.下游按需分發(fā)vs.下游主動分發(fā)3、 標(biāo)記的保持方式 自由標(biāo)記保持vs. 保守標(biāo)記保持4、 標(biāo)記分發(fā)的控制方式 獨立控制vs. 有序控制7.5 MPLS關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)：第37頁，共41頁?？刂屏黩?qū)動技術(shù)： 屬于標(biāo)記的預(yù)分配方式,時間開銷小 根據(jù)控制流的到達(dá)來發(fā)起標(biāo)記分配過程 拓?fù)潋?qū)動: 路由更新消息（OSPF/BGP等） 請求驅(qū)動: