MPLS技術研究及其應用

閆 勇

MPLS技術研究及其應用

閆 勇

對MPLS技術進行了全面介紹，指出MPLS技術將發展成為運營商骨干網及各城域網的核心技術，分析了MPLS的技術應用及其發展前景。

通信；通信網；MPLS VPN；多協議標記交換

Internet核心網中的路由/轉發技術的最新發展是多協議標簽交換（MPLS）。多協議標簽交換（MPLS，multi-protocol label switching） 是新一代IP高速骨干網絡交換的標準。MPLS將IP路由控制和第2層交換的簡單性無縫地集成起來，是ATM與IP技術的有機結合，在不改變用戶現有網絡的情況下能提供高速、安全、多業務統一的網絡平臺，將在下一代網絡中的選路、交換和分組轉發中扮演非常重要的角色，滿足網絡用戶多種多樣的需求。

1 MPLS技術概述

MPLS技術是在Cisco公司提出的TagSwitching技術基礎上發展起來的，屬于第3層交換技術。它引入了基于標簽的機制，把選路和轉發分開，由標簽來規定一個分組通過網絡的路徑，數據傳輸通過標簽交換路徑（LSP） 完成。

MPLS網絡由核心部分的標簽交換路由器（LSR）、邊緣部分的標簽邊緣路由器（LER） 組成。LSR可以看作是ATM交換機與傳統路由器的結合，由控制單元和交換單元組成；LER的作用是分析IP包頭，決定相應的傳送級別和標簽交換路徑（LSP）。由于MPLS技術隔絕了標簽分發機制與數據流的關系，因此它的實現并不依賴于特定的數據鏈路層協議，可支持多種物理和鏈路層技術（IP/ATM、以太網、PPP、幀中繼、光傳輸等）。MPLS使用控制驅動模型初始化標簽捆綁的分配及分發，用于建立標簽交換路徑（LSP），通過連接幾個標簽交換點建立一條LSP。

標簽交換的工作流程如下：

①由LDP（標簽分發協議） 和傳統路由協議（OSPF等）在LSR中建立路由表和標簽映射表；

②在MPLS入口處的LER接收IP包，完成第3層功能，并給IP包加上標簽；

③在MPLS出口處的LER將分組中的標簽去掉后繼續進行轉發；

④LSR不再對分組進行第3層處理，只是根據分組上的標簽通過交換單元進行轉發。

整個操作過程見圖1。

圖1 標簽交換的工作流程

IETF標準文檔中定義的MPLS包頭是插入在傳統的第2層數據鏈路層包頭和第3層IP包頭之間的一個32位的字段。

Label字段：20位，標簽字段。

EXP：3位，實驗字段。

S字段：1位，堆棧（Stack） 字段。

TTL字段：8位，生存時間字段。

1．1 MPLS 信令方式

目前MPLS實現信令的方式可分為2類。一類是LDP／CR-LDP，基于路由受限標簽分發協議（Label Dispatch Protocol,Constrain based Routing Label Dispatch Protocol），源于ATM網絡的思想。CR-LDP和LDP是同一個協議，CR-LDP是LDP的擴展，它使用與LDP相同的消息和機制，如對等發現、會話建立和保持、標簽發布和錯誤處理。另外一類是RSVP，它基于傳統的IP路由協議。RSVP和LDP/CR-LDP是2種不同的協議，它們在協議特性上存在不同，有不同的消息集和信令處理規程。從協議可靠性來看，LDP／CR-LDP是基于TCP的，當發生傳輸丟包時，利用TCP協議提供簡單的錯誤指示，實現快速響應和恢復。而RSVP只是傳送IP包，由于缺乏可靠的傳輸機制，RSVP無法保證快速的失敗通知。從網絡可擴展性上看，LDP較RSVP更有優勢，一般電信級網絡尤其是ATM網絡中，應采用MPLS／LDP。ITU-T傾向于在骨干網中采用CR-LDP。目前所有支持MPLS功能的路由設置都同時支持CR-LDP和RSVP兩種MPLS的信令協議。

1．2 MPLS 的網絡構成

MPLS網絡由標簽邊緣路由器（LER）和標簽交換路由器（LSR）組成。在LSR內，MPLS控制模塊以IP功能為中心，轉發模塊基于標簽交換算法，并通過標簽分配協議（LDP）在節點間完成標簽信息以及相關信令的發送。值得注意的是，LDP信令以及標簽綁定信息只在MPLS相鄰節點間傳遞。LSR之間或LSR與LER之間依然需要運行標準的路由協議，并由此獲得拓撲信息。通過這些信息，LSR可以明確選取報文的下一跳并可最終建立特定的標簽交換路徑（LSP）。MPLS使用控制驅動模型，即基于拓撲驅動方式對用于建立LSP的標簽綁定信息的分配及轉發進行初始化。

1．3 MPLS的核心技術LDP

MPLS通過簡單的核心機制提供豐富的標簽分配及相關處理功能。構成MPLS協議框架的主要元素有標簽分配協議（LDP）、標簽映射表（LIB） 和轉發信息庫（FIB），其中LIB和FIB分別為存儲標簽綁定信息和相應的標簽轉發信息的數據庫。為了能夠在MPLS域內明確定義、分配標簽，同時使網絡內各元素充分理解其標簽含義，LDP提供一套標準的信令機制用于有效實現標簽的分配與轉發功能。LDP基于原有的網絡層路由協議構建標簽信息庫，并根據網絡拓撲結構在MPLS域邊緣節點（即入節點與出節點）間建立LSP。LDP信令位于TCP/UDP之上，通過TCP層保證信令消息可靠傳輸，同時基于UDP傳送發現消息。LDP信令傳輸使用的TCP和UDP知 名端口號均為646。相鄰的LSR之間必須建立一條非MPLS連接鏈路作為信令通道，用于傳送LDP信令報文。

2 MPLS的工作原理

按照當前的定義，MPLS是基于標記的IP路由選擇方法。這些標記可以被用來代表逐跳式或者顯式路由，并指明服務質量（QoS）、虛擬專網以及影響一種特定類型的流量（或一個特殊用戶的流量）在網絡上的傳輸方式的其他各類信息。

目前，路由協議在一個指定源和目的地之間選擇最短路徑，不論該路徑是否超載。利用顯式路由選擇，服務提供商可以選擇特殊流量所經過的路徑，使流量能夠選擇一條低延遲的路徑。MPLS協議實現將第3級的包交換轉換成第2級的交換。MPLS可以使用各種第2層的協議。MPLS工作組到目前為止已經把在幀中繼、ATM和PPP鏈路以及IEEE 802.3局域網上使用的標記實現了標準化。MPLS在幀中繼和ATM上運行的一個好處是它為這些面向連接的技術帶來了IP的任意連通性。

因為ATM具有很強的流量管理功能，能提供QoS方面的服務，ATM和MPLS技術的結合能充分發揮在流量管理和QoS方面的作用。標記是用于轉發數據包的報頭。報頭的格式取決于網絡特性。在路由器網絡中，標記是單獨的32位報頭。在ATM中，標記置于虛電路標識符/虛通道標識符 (VCI/VPI)信元報頭。在核心，只解讀標記，而不讀數據包報頭。對于MPLS可擴展性非常關鍵的一點是標記只在通信的2個設備之間有意義。

IP包進入網絡核心時，邊緣路由器給它分配一個標記。自此，MPLS設備就會自始至終查看這些標記信息，將這些有標記的包交換至其目的地。由于路由處理減少，網絡的等待時間也就隨之減少，而可伸縮性卻有所增加。

MPLS數據包的服務質量類型可由MPLS邊緣路由器根據IP包的各種參數來決定，如IP的源地址、目的地址、端口號、TOS值等參數。如對于到達同一目的地的IP包，可根據其TOS值的要求建立不同的轉發路徑，以達到其對傳輸質量的要求。同時，通過對特殊路由的管理，還能有效解決網絡中的負載均衡和擁塞問題。如當網絡中出現擁塞時，MPLS可實時建立新的轉發路由分擔其流量，以緩解網絡擁塞。

3 MPLS技術的應用

MPLS已得到廣泛應用。現在，在大型ISP網絡中，MPLS主要有流量工程、服務等級（CoS）、虛擬專網（VPN） 3種應用。

3.1 流量工程

隨著網絡資源需求的快速增長、IP應用需求的擴大以及市場競爭日趨激烈等，流量工程成為MPLS的一個主要應用。因為IP選路時遵循最短路徑原則，所以在傳統的IP網上實現流量工程十分困難。傳統IP網絡一旦為一個IP包選擇了一條路徑，則不管這條鏈路是否擁塞，IP包都會沿著這條路徑傳送，這樣就會造成整個網絡在某處資源過度利用，而另外一些地方網絡資源閑置不用。

在MPLS中，流量工程能夠將業務流從由IGP計算得到的最短路徑轉移到網絡中可能的、無阻塞的物理路徑上去，通過控制IP包在網絡中所走過的路徑，避免業務流向已經擁塞的節點，實現網絡資源的合理利用。

MPLS的流量管理機制主要包括路徑選擇、負載均衡、路徑備份、故障恢復、路徑優先級及碰撞等。

MPLS非常適合于為大型ISP網絡中的流量工程提供基礎，其有以下原因：

①支持確定路徑，可為每條LSP定義一條確定的物理路徑；

②LSP統計參數可用于網絡規劃和分析，以確定瓶頸，掌握中繼線的使用情況；

③基于約束的路由使LSP能滿足特定的需求；

④不依賴于特定的數據鏈路層協議，可支持多種物理和鏈路層技術（IP/ATM、以太網、PPP、幀中繼、光傳輸等），能夠運行在基于分組的網絡之上。

3.2 服務質量(QoS)

MPLS的最重要的優勢在于它能提供傳統IP路由技術所不能支持的新業務，提供更高等級的基礎服務和新的增值服務。Internet上傳輸的業務流包括傳統的文件傳輸、對延遲敏感的話音及視頻業務等不同應用。為滿足客戶需求，ISP不僅需要流量工程技術，也需要業務分級技術。MPLS為處理不同類型業務提供了極大的靈活性，可為不同的客戶提供不同業務。

MPLS的QoS是由LER和LSR共同實現的：在LER上對IP包進行分類，將IP包的業務類型映射到LSP的服務等級上；在LER和LSR上同時進行帶寬管理和業務量控制，從而保證每種業務的服務質量得到滿足，改變了傳統IP網“盡力而為”的狀況。一般采用2種方法實現基于MPLS的服務等級轉發：

①業務在流經特定的LSP時，根據MPLS報頭中承載的優先級位在每個LSR的輸出接口處排隊；

②在一對邊緣LSR間提供多條LSP，每條LSP可通過流量工程提供不同的性能和帶寬保證，如入口LSR可將一條LSP設置為高優先權，將另一條LSP設置為中等優先權。

3.3 虛擬專網（VPN）

為給客戶提供一個可行的VPN服務，ISP要解決數據保密及VPN內專用IP地址重復使用問題。由于MPLS的轉發是基于標簽的值，并不依賴于分組報頭內所包含的目的地址，因此有效地解決了這兩個問題。

①MPLS的標簽堆棧機制使其具有靈活的隧道功能用于構建VPN。通常采用兩級標簽結構：高一級標簽用于指明數據流的路徑；低一級的標簽用于作為VPN的專網標識，指明數據流所屬的VPN。

②通過一組LSP為VPN內不同站點之間提供鏈接，通過帶有標簽的路由協議更新或標簽分配協議分發路由信息。

③MPLS的VPN識別器機制支持具有重疊專用地址空間的多個VPN。

④每個入口LSR根據包的目的地址和VPN關系信息將業務分配到相應的LSP中。

4 基于MPLS方式組建VPN

VPN被一致認可為網絡運營商的核心應用。網絡運營商經常面臨的挑戰是商業用戶需要將他們建立的網絡通過VPN擴展到分支機構或外部用戶網。這些基于IP的主流應用要求網絡的特殊處理，包括私密性、服務質量以及any-to-any的連通性。網絡運營商的VPN業務必須具備高度的可擴展性、高性價比，并可適應廣泛的用戶需求。

基于MPLS方式組建VPN網絡時，所需設備是路由器。可以利用網絡上已有的路由器升級，也可以新建。在全網各路由器配置MPLS，各接入點的路由器配置成MPLS VPN PE（邊界） Router，其余路由器配置成MPLS VPN P(（核心） Router。全網路由器運行內部網關協議IS-IS及MPLS LDP協議。PE Router之間運行MP-BGP協議，并且建立Full-mesh的BGP連接。各VPN用戶的路由設備CE連到網絡接入點PE Router。用戶與 PE Router之間運行EBGP（或RIP2，OSPF） 協議。VPN用戶的地址空間由用戶確定，可采用私有保留地址。

MPLS VPN限制VPN路由信息僅在VPN內部傳播，具體過程如下。

①在PE路由器上有2種互相隔離的路由表：一種是包含所有P和PE路由器路由的普通路由表；一種是與它相連的VPN的路由表，即VRF，每個VPN對應一個VRF。

②PE路由器將VPN用戶地址（多為私有地址）轉換成VPN-V4的地址，其中包含RD，SOO等新增屬性，存儲在相應VRF中。

③同一VPN兩端的PE通過RSVP-Tunnel或LDP建立LSP（Label Switch Path），并用MP-iBGP交換此VPN的路由。

④當PE接到本地VPN用戶的Packet時，此PE在相應的VRF中查找相應路由，找到下一跳。此下一跳應將目的VPN用戶地址通過MP-iBGP廣播給它的那臺PE。

⑤本地PE路由器通過先前建立的LSP將此Packet轉發到異地PE路由器。

⑥異地PE路由器再在其相應的VRF中找到需要從哪個用戶端口轉發到目的地。

基于MPLS的VPN具有以下優勢：

①MPLS VPN提供一個可快速部署實施增值IP業務的平臺，包括內部網、外部網、話音、多媒體及網絡商務；

②MPLS VPN通過限制VPN路由信息的傳播僅在VPN成員內部，可提供與第2層VPN相同的私密性及安全性。

③MPLS VPN提供與用戶內部網的無縫集成；

④MPLS VPN擴展性好，每個服務提供商可以設定數十萬VPN，每個VPN可有數千個現場；

⑤MPLS VPN提供IP業務類別，支持VPN內部多級別業務、VPN間的優先級、靈活的服務級別選定；

⑥MPLS VPN提供方便的VPN成員管理及新VPN創建功能以利于業務的快速實施；

⑦MPLS VPN提供可伸縮的any-to-any連接，以擴展內部網及外部網。

⑧MPLS的流量管理功能可以保證網絡資源得到合理利用，保證用戶申請的服務質量得到滿足。

5 MPLS的發展前景

MPLS作為網絡的核心技術，已經被大量運用到網絡運營商的全國骨干網及各省市的城域網建設中，一些大型的園區網、企業網甚至也將MPLS技術用于組建VPN網絡等應用中。

5.1 從骨干走向邊緣

MPLS從骨干網走向邊緣網已是一種越來越明顯的趨勢，這一進程將給邊緣帶來更大帶寬、更高智能和更多服務。在接入網中，利用MPLS技術承載的以太網會使網絡更易升級和富有彈性。在每個骨干網中，普通以太網只能處理4 000個VLAN，而MPLS能使每個路由器最多支持100萬個標簽。因此，邊緣路由器廠商也開始關注MPLS。

5.2 替代ATM

當初，人們是在ATM網上提供IP服務。目前，從發展趨勢看，人們只希望在IP網上提供類似ATM的服務。因為目前完全替代ATM還不可能，所以MPLS將在IP網上發展。未來，人們將逐漸把ATM限制在一小部分有特殊需求的地方，如專網用戶租用特定帶寬，并在該線路上實現電話和電視會議。

5.3 結合底層光設備

從整個網絡發展方向來看，在未來的核心網上，所有新運營商在第一時間內建立的骨干Internet網都采用光結點。MPLS不再單一存在，它將與底層的光設備相輔相成。以前的IP，第1層、第2層和第3層在一起，現在利用MPLS的基礎，IP與底層和光設備結合起來，讓光來識別IP路由，即基于IP來驅動光，將來的網絡核心是波長路由。現有網絡與未來網絡的關系是，現有網絡將是未來大網絡的接入節點。未來網不會摒棄現有的技術和產品，而是把它們結合進來，只是所有的應用都要以IP形式來做。

6 結束語

下一代網絡是以業務驅動的網絡，其中VPN業務是目前可知的最有發展潛力的一種業務應用。采用統一的MPLS核心網絡，網絡提供商可以在提供傳統Internet接入的同時，很好地支持2層VPN和3層VPN業務。對于不同的客戶需求，可以采用不同的技術方案。例如，大型企業對安全性要求較高，資金和技術都比較雄厚，采用基于MPLS網絡的2層VPN將是最佳選擇。它不僅能滿足這類用戶對安全性的要求，還降低了網絡和用戶方的工作量，可以建立任意的連接，具有很好的網絡可擴展性。中小企業用戶可以根據需求采用基于MPLS的3層VPN等技術，將路由等復雜的工作交給網絡提供商去做，降低維護費用。網絡提供商應盡量采用同一網絡基礎設施靈活提供不同客戶群需要的業務。

Research and Application of MPLS Technology

Yan Yong

The paper makes detail introduction on the MPLS technology，points that the MPLS technology will develop into the operator backbone network and various metropolitan area networks core technologies，and analyses application and future prospect of the technology.

telecommunication；telecommunicating network；MPL SVPN；multi-protocol label switchboard

TN915.04

A

1000－4866（2010） 04－0012－04

閆勇，男，1979年12月出生，中國礦業大學（計算機科學與技術專業）畢業，現在大同煤礦集團通信公司工作，工程師。

2010-08-05

2010-08-26