華中科技大學 董濤
1.多協(xié)議標志交換(MPLS)技術的提出 Internet業(yè)務量的飛速增長以及寬帶技術的不斷出現(xiàn)，對Internet服務提供商(ISP)的網(wǎng)絡帶寬提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)不僅是對高帶寬的要求，也是對目前Internet所基于的傳統(tǒng)路由交換模式的要求。
要建立這樣一種服務質量較好且具備擴展性支持的新一代路由系統(tǒng)，需要由各單個路由器來維持大容量的路由信息，并能建立一種路由信息的分層結構；在增強路由器對IP分組包轉發(fā)性能的同時，還需要增加對多目廣播的路由支持，提供分層式的路由信息結構；此外，未來的路由體系還必需具有靈活的適應能力以滿足將來可能出現(xiàn)的各種新型需求。
從Internet的維護及應用角度考慮，如何對Internet實行合理而簡便的流量控制(TrafficEngineering)，實現(xiàn)基于IP業(yè)務的虛擬專網(wǎng)(VPN)，保證IP級的服務質量(IP-levelQoS)，也對目前基于傳統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲及IP路由系統(tǒng)的ISP骨干網(wǎng)絡提出了挑戰(zhàn)。
2.MPLS的技術原理
2.1MPLS協(xié)議和功能
(1)路由和交換概念
在對MPLS技術進行詳細描述前，首先回顧幾個與交換技術相關的概念。
路由協(xié)議(如RIP，OSPF)是一種機制，使網(wǎng)絡中的每臺設備都知道在將一個分組送向其目的地時，傳送這個分組的下一跳級(Next-Hop)是哪里。路由器使用路由協(xié)議構建路由表，當它們接收到一個分組而必須進行轉發(fā)判決時，路由器用分組中的目的地址IP地址作為索引(Index)查尋路由表，利用特定算法獲得下一跳機器的地址。路由表的構造和它們在轉發(fā)時的查尋基本上是兩個獨立的操作。
交換概念通常用來描述從一個設備內的輸入端口到輸出端口的數(shù)據(jù)傳遞，這種傳送一般是基于第二層的(如ATMVPI/VCI)信息。
控制部件為一個節(jié)點建造并維護一個路由轉發(fā)表(ForwardingTable)。它與其它節(jié)點的控制部件共同協(xié)作，持續(xù)并正確地交換分布路由信息，同時在本地建立轉發(fā)表。標準的路由協(xié)議(如OSPF、BGP和RIP)用于在控制部件之間交換路由信息。
轉發(fā)部件執(zhí)行分組轉發(fā)功能。它使用轉發(fā)表、分組所協(xié)攜帶的地址等信息及本地的一系列操作來進行轉發(fā)判決。在傳統(tǒng)路由器中，最長匹配算法將分組中的目的地地址與轉發(fā)表中的條項進行對比，直到獲得一個最優(yōu)的匹配。更為重要的是，從源到目的地的沿路節(jié)點都要重復這一操作。在一個標志交換路由器中，(最佳匹配)標志交換算法使用分組的標志和基于標志的轉發(fā)表來為分組獲取一個新的標志及輸出端口。
路由轉發(fā)表包含若干條項，提供信息給轉發(fā)部件，執(zhí)行其交換功能。轉發(fā)表必須將每個分組與一個條項(傳統(tǒng)條項為目的地址)相關聯(lián)起來，為分組的下一步路由提供指引。
轉發(fā)同等類(FEC)定義了這樣一組分組，從轉發(fā)的行為來看，它們都具有相同的轉發(fā)屬性。一種FEC是一組單目廣播分組，其目的地地址均與一個IP地址前綴相匹配。另一種FEC是分組的源及目的地地址都相同的一組分組。FEC可在不同的級別上進行定義。
標志(label)相對較短，長度固定且無結構標識，可在轉發(fā)進程中使用。標志通過一種綁定操作與一個FEC關聯(lián)起來。標志正常情況下，對于一個單一數(shù)據(jù)鏈路來說僅具有本地意義，不具有全局意義。在ATM環(huán)境中相當于它們的VPI/VCI。由于ATM使用固定短區(qū)域進行交換，因此可以相信標志交換能成為一種IPoverATM應用的有效方案。在某種事件驅動下，標志與FEC進行綁定，從而具有一定意義，這種事件可分為以下兩種類型：
一種是數(shù)據(jù)驅動綁定，即在數(shù)據(jù)流開始產(chǎn)生時進行綁定。標志綁定僅在需要時建立，在轉發(fā)表中只存在很少的幾個條項。標志被分配給不同的IP數(shù)據(jù)流。在一個ATM網(wǎng)絡環(huán)境中，它需要使用大量的虛電路資源，不易于擴展。
另一種是拓撲驅動綁定，當在控制平面激活時來建立與數(shù)據(jù)流的產(chǎn)生無關。標志綁定可能與路由的更新或RSVP消息的接收有關。拓撲驅動綁定較數(shù)據(jù)驅動綁定更易于擴展，因此用于MPLS中。
(2)標志交換轉發(fā)部件
標志與分組的綁定有若干種方式。對一些網(wǎng)絡可以將標志嵌入到鏈路層的頭端(ATMVCI/VPI，和幀中繼的DLCI)。有時也可以將它嵌入至位于數(shù)據(jù)鏈路頭端和數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)之間的小標志頭端(如位于第二層頭端與第三層數(shù)據(jù)負載之間)，稱為“Shim”。
這種標志信息能夠在鏈路層進行承載，“Shim”結構可以用于Ethernet，IEEE802.3，或點對點(PPP)鏈路上，其中一個是為單目廣播，另一個是為多目廣播(Multicast)。每個標志為4字節(jié)。
在MPLS骨干網(wǎng)絡邊緣，邊界LSR對進來的無標志分組(正常情況下)按其IP頭端進行歸類劃分(Classification)及轉發(fā)判決，這樣IP分組在邊界LSR被打上相應的標志，并被傳送至到達目的地地址的下一跳。
在后續(xù)的交換過程中，由LSR所產(chǎn)生的固定長度的標志替代IP分組頭端，大大簡化了以后的節(jié)點處理操作。后續(xù)節(jié)點使用這個標志進行轉發(fā)判決。一般情況下，標志的值在每個LSR中交換后改變，這就是標志轉發(fā)。
如果分組從MPLS的骨干網(wǎng)絡中出來，出口邊界LSR發(fā)現(xiàn)它們的轉發(fā)方向是一個無標志的接口，就簡單地移除分組中的標志。這種基于標志轉發(fā)的最重要的優(yōu)勢在于對多種交換類型只需要唯一一種轉發(fā)算法，可以用硬件來實現(xiàn)非常高的轉發(fā)速度。
(3)標志交換控制部件
標志由標志交換路徑(LSP)的上游LSR(Upstream LSR)節(jié)點來附加至分組中，下游LSR(Downstream LSR)收到標志分組后判決處理，這由標志交換的控制部件來完成。它使用標志轉發(fā)表中的條項內容作為引導。
標志交換控制部件除了基本的表的建立和維護外，還負責以一種連續(xù)的方式在LSR之間進行路由的分布及進行將這些信息生成為轉發(fā)表的操作。標志交換控制部件包括所有的傳統(tǒng)路由協(xié)議(如，OSPF，BGP，PIM等等)。這些路由協(xié)議為LSR提供了FEC與下一跳地址的映射。
標志信息的分布(Distribution)
標志交換轉發(fā)表中的條項內容最少應能提供輸出的端口信息和下一個新的標志，當然也可以包含更多的信息。例如，它可以為被交換的分組產(chǎn)生一種輸出隊列原則。輸入分組必須在轉發(fā)表中有唯一的條項與之對應。
每一個分配的標志必須與轉發(fā)表中的一個條項相關聯(lián)起來。這種綁定可以在本地LSR執(zhí)行或在遠端LSR執(zhí)行。目前MPLS版本使用下游綁定，這種情況下，本地關聯(lián)的標志用作進入分組標志，而遠端關聯(lián)標志用作輸出標志。另一種方式為上游綁定，與下游綁定相反，也是一種可行的方法。在MPLS技術中，轉發(fā)表又稱為標志轉發(fā)信息庫(LFIB)，LFIB的每一個條目中包括輸入標志，輸出標志，輸入接口和輸出端口MAC地址，由輸入標志對條項進行檢索查找。另外LFIB既可以在一個標志交換路由器上也可以存在于一個接口上。
(4)標志交換路由器(LSR)
MPLS的設備按其在MPLS路由網(wǎng)絡中所處的位置可分為邊界標志交換路由器和中間標志交換路由器。邊界LSR除對分組的標志進行符加或移除外，還負責對流量進行分類。標志的分配除了基于目的地地址外還有其它很多因素。邊界LSR判定流量是否為一個長持續(xù)流，采取管理政策和訪問控制，并在可能的情況下將普通業(yè)務流匯聚成較大的數(shù)據(jù)流。這些都是在IP與MPLS的邊界處所要具有的功能，因此邊界LSR的能力將會是整個標志交換環(huán)境能否成功的關鍵環(huán)節(jié)。對于服務提供者而言，這也是一個管理和控制點。
(5)MPLS和ATM協(xié)議關系
MPLS為公共的轉發(fā)算法，基于標志的交換技術，在與ATM技術的結合上，MPLS使用ATM的用戶平面(user plane)，以ATM的VPI/VCI作為其標志；MPLS的控制功能部件，以網(wǎng)絡層的動態(tài)路由協(xié)議(如：IS-IS，OSPF，BGP，PIM)及標志分配協(xié)議(LDP)來替代ATM傳統(tǒng)的控制平面，完成對整個MPLS網(wǎng)絡的控制功能。
MPLS的優(yōu)勢
基于MPLS的思想框架，MPLS的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點：
將傳統(tǒng)的基于IP分組中頭端信息進行IP的路由轉發(fā)的機制淘汰下來在一種公共轉發(fā)算法(標志交換)上提供了多種路由方案(如基于目的的顯式路由等)將ATM技術與IP技術靈活地結合起來，從控制平面看具有MPLS功能的ATM交換機則更像是一臺路由器。
使用MPLS使各種IP的業(yè)務應用成為可能，如：基于IP的VPN，IP級業(yè)務服務質量保證，骨干網(wǎng)絡流量控制。
MPLS技術總結
MPLS交換主要目的是為下一代的多用戶，多服務的Internet骨干網(wǎng)絡提供一種路由交換的技術基礎。它的主要特征為高性能，可靈活擴展，能最大可能地滿足用戶對服務質量的需求。Internet網(wǎng)絡的飛速發(fā)展也為MPLS的發(fā)展帶來了十分顯著的推動作用。
MPLS技術也為一些目前IP網(wǎng)絡急待提供的應用服務如流量控制(traffic engineering)、虛擬專網(wǎng)(VPN)，服務類別質量保證(COS)等提供了一套更為合理有效的解決方案。
各網(wǎng)絡廠商紛紛推出基于各自特點的MPLS的技術實現(xiàn)及設備，MPLS必然會在不久的幾年內完成各種方面的標準制定，真正成為下一代Internet的路由技術主流。
