3網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)MPLS課件

關(guān)于MPLS

(多協(xié)議標(biāo)記交換技術(shù))

南京郵電大學(xué)張順頤

7/22/2023ATM技術(shù)的發(fā)展ATM技術(shù)（異步傳輸模式）在九十年代問(wèn)世以后，發(fā)展很快。曾經(jīng)有人預(yù)料，這是下一世紀(jì)通信網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。因?yàn)锳TM技術(shù)質(zhì)量很好，傳輸容量大，當(dāng)時(shí)光通信技術(shù)在主干和骨干網(wǎng)絡(luò)上已經(jīng)完成，但是能夠完成大容量的交換和傳輸設(shè)備沒(méi)有趕上，對(duì)比而言，用于交換的技術(shù)中，最好的就是ATM。

7/22/2023ATM的發(fā)展勢(shì)頭受到IP技術(shù)的阻擋然而，ATM設(shè)備價(jià)格昂貴，難以大規(guī)模普及。其次，ATM設(shè)備采取信元技術(shù)，格式固定；此外ATM與豐富多彩的上層的應(yīng)用結(jié)合得不太理想。IP技術(shù)在實(shí)用化以后，發(fā)展更快，有人認(rèn)為，這是取代現(xiàn)有通信傳輸技術(shù)的技術(shù)。IP技術(shù)的優(yōu)勢(shì)就是基于IP技術(shù)的因特網(wǎng)的應(yīng)用非常普及。但是IP技術(shù)的最大劣勢(shì)是服務(wù)質(zhì)量和管理。IP技術(shù)是盡力而為，其QoS不理想。

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IP技術(shù)和ATM技術(shù)的融合

因此發(fā)生了兩種觀點(diǎn)的爭(zhēng)執(zhí)：在2000年前后，曾經(jīng)有人發(fā)出電信網(wǎng)即將被IP網(wǎng)絡(luò)取代的預(yù)言。但是幾年后，事實(shí)證明，電信網(wǎng)也可以兼容和接納IP技術(shù)。圖：ATM主干網(wǎng)絡(luò)及PVC（永久虛電路）

7/22/2023IP地址和ATM的地址IP網(wǎng)絡(luò)的地址，長(zhǎng)度32位，分為A、B、C、D、E5類(lèi)：A類(lèi)地址：首位0，B類(lèi)地址：頭兩位10，C類(lèi)地址：頭3位110，D類(lèi)地址：頭4位1110，為組播地址；E類(lèi)地址：頭5位11110，E類(lèi)地址供今后使用；

ATM地址是ISO制定的20位字節(jié)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)NSAP編碼。7/22/2023主干網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)主干網(wǎng)絡(luò)采用ATM交換機(jī)連接；接入網(wǎng)絡(luò)也采用ATM交換機(jī)作為網(wǎng)內(nèi)的交換方式，但是網(wǎng)絡(luò)之間，接入網(wǎng)絡(luò)與用戶網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間都是通過(guò)路由器連接的。因?yàn)槁酚善骶褪蔷W(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，是在網(wǎng)絡(luò)層上進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的設(shè)備。骨干網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣炔煌?。主干網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群芨?。而接入網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣认鄬?duì)就低很多

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ATM主干網(wǎng)絡(luò)7/22/2023永久虛電路PVC成為路由器之間連接的骨干網(wǎng)絡(luò)7/22/2023匯接點(diǎn)為此，就需要設(shè)置匯接點(diǎn)PoP，用來(lái)緩沖兩者之間速度的差異。圖中PoP稱(chēng)為匯接點(diǎn)（PointofPresence）。匯接點(diǎn)PoP中，有兩種路由器：接入路由器（accessrouter），也稱(chēng)為邊沿路由器（borderrouter），這類(lèi)路由器用來(lái)與用戶的設(shè)備相連接，因此數(shù)量大，速度低。主干路由器（backbonerouter）或核心路由器（corerouter），一般一個(gè)匯接點(diǎn)PoP中使用一個(gè)，速度很高。7/22/2023主干網(wǎng)絡(luò)匯接點(diǎn)PoP之間連接通過(guò)主干的ATM交換機(jī)。這樣的好處是，因?yàn)锳TM是面向連接的，但是是虛連接。其間的電路是永久虛電路PVC。這樣，避免了每一次使用虛電路時(shí)都要建立虛電路，使用完畢，再釋放虛電路。于是，建立在ATM基礎(chǔ)之上的主干電路網(wǎng)絡(luò)就如同為IP層提供了一個(gè)直通的信道。這種方式稱(chēng)為“覆蓋模型”。具體的技術(shù)有：ATM上的傳統(tǒng)IP規(guī)范IPOA（ClassicalIPOverATM），局域網(wǎng)仿真LANE（LANEmulation），ATM上的多協(xié)議規(guī)范MPOA（MultiprotocalOverATM）。7/22/2023兩種地址的矛盾問(wèn)題在于，主干網(wǎng)絡(luò)上的主干路由器必須有兩種地址：一是為了與網(wǎng)絡(luò)上的其它IP設(shè)備通信的IP地址，另一種是與ATM設(shè)備通信的ATM地址。7/22/2023IP數(shù)據(jù)包在主干網(wǎng)絡(luò)中的傳輸當(dāng)IP數(shù)據(jù)包通過(guò)主干路由器進(jìn)入或者離開(kāi)主干網(wǎng)絡(luò)時(shí)，主干路由器就需要進(jìn)行地址的適配。以IP數(shù)據(jù)包進(jìn)入主干網(wǎng)絡(luò)為例，此時(shí)主干路由器需要完成以下工作：1、

拆分?jǐn)?shù)據(jù)包，提出其中的目的地址，查找路由表，確定下一跳路由器的地址，由于主干網(wǎng)絡(luò)是全連接，下一跳的路由器地址即網(wǎng)絡(luò)中出口路由器地址；7/22/2023IP數(shù)據(jù)包在主干網(wǎng)絡(luò)中的傳輸2、

由于ATM層是IP層下面的傳輸通道，也就是相當(dāng)于IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層，所以，需要從ATM設(shè)備連接的主干網(wǎng)絡(luò)確定出口路由器的ATM地址。因?yàn)橹挥写_定ATM設(shè)備的地址以后，才能完成傳輸IP包的工作；3、入口處的路由器將所得到的出口路由器的ATM地址與IP數(shù)據(jù)包同時(shí)送往ATM主干網(wǎng)絡(luò)；

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然后，由ATM主干網(wǎng)絡(luò)完成以下工作：

然后，由ATM主干網(wǎng)絡(luò)完成以下工作1、

確定通向目的ATM設(shè)備的虛通路的虛通路標(biāo)識(shí)符VCI。由于ATM主干網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)建立了一個(gè)ATM到VCI的影射表，這個(gè)表是靜態(tài)的（因?yàn)槭褂玫氖怯谰锰撾娐罚?、

虛通路的發(fā)送端，即入口路由器將數(shù)據(jù)報(bào)分割，形成ATM需要的53字節(jié)的ATM信元，以便在ATM網(wǎng)絡(luò)中傳輸；在ATM信元到達(dá)出口路由器后，再將ATM信元還原成原來(lái)的IP數(shù)據(jù)報(bào)；7/22/2023問(wèn)題的產(chǎn)生：由此可見(jiàn)，在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸過(guò)程是比較復(fù)雜的，網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度由于拆分和重組數(shù)據(jù)報(bào)而大受影響，傳輸?shù)男室埠艿汀＃ㄒ驗(yàn)锳TM傳輸格式是固定的，而IP數(shù)據(jù)報(bào)的長(zhǎng)短是隨意的。多次拆分影響速度，包的長(zhǎng)度不同，影響效率。IP是無(wú)連接的，而ATM是面向連接的；IP的QoS是盡量保證，而ATM是保證質(zhì)量的。）7/22/2023ATM網(wǎng)絡(luò)發(fā)展受到阻礙的原因：這種傳輸模式還帶來(lái)另外一個(gè)所謂N×N即N2問(wèn)題（實(shí)際上是N×（N－1）問(wèn)題）：即每增加一個(gè)主干路由器必須同時(shí)建立該主干路由器到其它各個(gè)主干路由器的永久虛電路，這樣，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性大大增加；分組轉(zhuǎn)換時(shí)增加的ATM信元的5個(gè)字節(jié)降低了效率（常稱(chēng)之為“信元稅”）；同時(shí)維持兩種體系結(jié)構(gòu)和地址體系是非常困難的事情。這樣使得ATM的發(fā)展遇到很大的困難。7/22/2023MPLS技術(shù)的產(chǎn)生：MPLS是解決這一困難問(wèn)題的一個(gè)方案。IETF（互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組）在1997年成立MPLS工作組。目標(biāo)是開(kāi)發(fā)出一種將第三層的路由選擇功能和面向連接的第二層的交換功能綜合在一起的新的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，以便使得IP和ATM技術(shù)結(jié)合得更好一些。這就是多協(xié)議標(biāo)記交換MPLS。在這之前，類(lèi)似的技術(shù)有：CISCO公司的TAGSwitch（標(biāo)記交換），Ipsilon公司的IP交換等。7/22/2023技術(shù)發(fā)展的前景：目前這方面的技術(shù)發(fā)展是：1、

MPLS技術(shù)仍然受到重視。這是因?yàn)橛捎诟咚俾酚善鞯陌l(fā)展，其轉(zhuǎn)發(fā)IP的速率可以與ATM媲美，ATM設(shè)備在速度方面的優(yōu)勢(shì)逐步在減少和消失；2、

全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展有了新的局面。不用ATM的高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)正在嘗試，并且取得了成功，。QoS的質(zhì)量也逼近電信的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，故ATM已經(jīng)不再發(fā)展，雖然尚未被淘汰，但是已經(jīng)開(kāi)始退出骨干網(wǎng)絡(luò)；7/22/2023技術(shù)發(fā)展的前景：3、

MPLS的特殊功能，仍然適用目前的網(wǎng)絡(luò)實(shí)際，比如：支持面向連接的服務(wù)質(zhì)量；支持流量工程，平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載；有效地支持虛擬專(zhuān)用網(wǎng)VPN；支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；

7/22/2023MPLS的工作原理：

傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)中，分組每到達(dá)一個(gè)路由器，路由器每接收一個(gè)分組，都必須拆開(kāi)主干IP包，檢查其中的目的地址，然后查找路由表，按照“最長(zhǎng)前綴匹配”的原則找到下一跳的IP地址。由于每個(gè)IP目的地址的前綴的長(zhǎng)度不是相等的，也就是前綴的長(zhǎng)度是不確定的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)很大時(shí)，查找規(guī)模很大的路由表就比較費(fèi)時(shí)，甚至于一旦出現(xiàn)突發(fā)性的通信量時(shí)，會(huì)引起時(shí)延大大增加、服務(wù)質(zhì)量下降、甚至分組的丟失。圖：MPLS的工作原理7/22/2023

MPLS的工作原理

LSR

7/22/2023MPLS的工作原理：MPLS的出發(fā)點(diǎn)，就是舍去“通過(guò)長(zhǎng)度可變的IP地址前綴來(lái)查找轉(zhuǎn)發(fā)器中下一跳地址的辦法”，而是使用一個(gè)很簡(jiǎn)單的“轉(zhuǎn)發(fā)算法”，給分組打上固定長(zhǎng)度的“分組標(biāo)記”，在轉(zhuǎn)發(fā)分組時(shí)，用硬件進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。這就省去了分組每到達(dá)一個(gè)路由器都需要拆包、到第三層用軟件查找路由表這一過(guò)程。所以轉(zhuǎn)發(fā)效率大大提高。給分組打上“標(biāo)記”，用硬件技術(shù)給分組轉(zhuǎn)發(fā)，這就是“標(biāo)記交換”。

7/22/2023MPLS的工作原理：這一交換不是在第三層（在第三層拆包，用軟件分析第三層的IP首部，查找轉(zhuǎn)發(fā)表），而是在第二層給分組打上“標(biāo)記”，用硬件轉(zhuǎn)發(fā)。從而大大節(jié)省了轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)間，提高了QoS。這種“標(biāo)記交換”不僅可用于ATM，也可以使用多種鏈路層的協(xié)議，如IPX、DECnet、PPP以及以太網(wǎng)、幀中繼等。故稱(chēng)之為“多協(xié)議標(biāo)記交換”。7/22/2023MPLS的使用：

使用MPLS技術(shù)時(shí)，由于是另外在第二層上打上“標(biāo)記”，所以在使用MPLS技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)中必須全部采用，而不是一部分采用。這時(shí)候支持MPLS技術(shù)的路由器稱(chēng)為標(biāo)記交換路由器LSR（LabelSwitchingRouter）,LSR組成的網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)為MPLS域。7/22/2023

MPLS的工作原理

LSR7/22/2023MPLS的使用：LSR同時(shí)具有標(biāo)記交換和路由選擇兩個(gè)功能。因?yàn)長(zhǎng)SR雖然使用標(biāo)記交換功能對(duì)于分組進(jìn)行快速轉(zhuǎn)發(fā)，但是很顯然，在轉(zhuǎn)發(fā)之前LSR必須使用原來(lái)的路由轉(zhuǎn)發(fā)的功能來(lái)改造分組的標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)表。雖然在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的一次轉(zhuǎn)發(fā)中只需要構(gòu)造一次。7/22/2023MPLS的工作過(guò)程：

1、MPLS域中各LSR使用專(zhuān)門(mén)的“標(biāo)記分配協(xié)議LDP”交換報(bào)文，找出與特定的“標(biāo)記”相對(duì)應(yīng)的路徑，這一路徑稱(chēng)之為“標(biāo)記交換路徑”。如圖中的A→B→C→D,各個(gè)LSR根據(jù)這一路徑確定構(gòu)造適應(yīng)MPLS的分組轉(zhuǎn)發(fā)表。此過(guò)程與路由器的分組轉(zhuǎn)發(fā)表類(lèi)似；

7/22/2023MPLS的工作過(guò)程：2、

當(dāng)一個(gè)分組進(jìn)入到MPLS域時(shí)，由MPLS域的入口結(jié)點(diǎn)給分組打上標(biāo)記，按照標(biāo)記交換分組轉(zhuǎn)發(fā)表的規(guī)定，將分組轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)LSR。3、

所有的LSR都按照標(biāo)記進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。（有的資料中講，每轉(zhuǎn)發(fā)一次需要更換一次標(biāo)記，為什么？實(shí)際上在一個(gè)MPLS域中，確定一次即可。）4、

當(dāng)分組離開(kāi)MPLS域時(shí)，MPLS出口節(jié)點(diǎn)將分組的標(biāo)記去除，還原到原來(lái)的轉(zhuǎn)發(fā)方式。7/22/2023轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)類(lèi)FEC（ForwardingEquivalenceClass）：

FEC:路由器按照同樣的方式對(duì)待和成立的分組的集合。所謂“同樣的方式對(duì)待”表示從同樣接口轉(zhuǎn)發(fā)到同樣的下一跳地址，并且具有同樣服務(wù)類(lèi)別和合同樣丟棄優(yōu)先級(jí)。

7/22/2023轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)類(lèi)FEC（ForwardingEquivalenceClass）：

FEC使用的例子：目的IP地址與某一特定IP地址的前綴匹配的分組（相當(dāng)于普通的路由器）；所有源地址與目的地址都相同的分組；具有某種服務(wù)質(zhì)量需求的分組；FEC的分組由網(wǎng)絡(luò)管理員控制，比較靈活。FEC與標(biāo)記時(shí)一一對(duì)應(yīng)。7/22/2023轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)類(lèi)FEC（ForwardingEquivalenceClass）：FEC用于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡的例子－（流量工程，或稱(chēng)通訊量工程）圖：主機(jī)H1和H2分別向主機(jī)H3和H4發(fā)送大量數(shù)據(jù)。路由器A和C是必經(jīng)的，其中A-B-C為最短路徑。所以傳統(tǒng)的路由選擇協(xié)議必然給定A