基于ATM的MPLS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)分析

胡振強(qiáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

隨著Internet快速發(fā)展,在網(wǎng)絡(luò)分組化的趨勢(shì)下,大約97%的骨干網(wǎng)已經(jīng)承載了IP業(yè)務(wù),隨著接入寬帶技術(shù)的發(fā)展、業(yè)務(wù)量的增長(zhǎng)以及服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證的要求,對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能提出更高的要求。通過(guò)分析MPLS快速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù),將標(biāo)記交換的鏈路層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制與網(wǎng)絡(luò)層的選路機(jī)制進(jìn)行結(jié)合,提出一種基于ATM的MPLS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法,并進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),這種傳統(tǒng)逐跳轉(zhuǎn)發(fā)和標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)共存的形式,能夠根據(jù)流量最大程度地提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率和業(yè)務(wù)的性能。

1 MPLS快速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)特性分析

1.1 技術(shù)特性

MPLS的技術(shù)特性主要集中在多協(xié)議和標(biāo)記。多協(xié)議是指MPLS既可運(yùn)行于多種數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議之上,如異步傳輸模式和幀中繼,又可以與多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議兼容,如IP和IPX;標(biāo)記是一個(gè)簡(jiǎn)短的、固定長(zhǎng)度的、具有本地意義的標(biāo)識(shí)符,是MPLS技術(shù)的精髓所在。

MPLS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的原理就是以MPLS技術(shù)為基礎(chǔ),在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層同時(shí)實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)發(fā)功能。

國(guó)際電聯(lián)(ITU-T)給出MPLS協(xié)議參考模型。在數(shù)據(jù)面,IP數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)AAL5的適配后,轉(zhuǎn)換為ATM信元進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā);在控制面,MPLS除了采用標(biāo)記分發(fā)協(xié)議(LDP)和受限路由標(biāo)記分發(fā)協(xié)議(CR-LDP)之外,還采用IP協(xié)議族中的外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議(BGP)、開(kāi)放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議(OSPF);在管理面,采用IP協(xié)議族中的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

采用MPLS結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)包括邊緣標(biāo)記路由器、標(biāo)記交換路由器(LSR)和標(biāo)記分發(fā)協(xié)議(LDP)。用戶端通過(guò)邊緣標(biāo)記路由器與核心網(wǎng)相連,每個(gè)邊緣標(biāo)記路由器可與上百個(gè)用戶端相連。用戶與邊緣標(biāo)記路由器連接的設(shè)備(CPE)一般運(yùn)行IP協(xié)議,與MPLS網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立。值得注意的是,邊緣標(biāo)記路由器屬于網(wǎng)絡(luò)提供商端的設(shè)備。采用MPLS結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖1中標(biāo)記交換路由器基于標(biāo)記來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)IP包,同時(shí)支持網(wǎng)絡(luò)層的選路功能,實(shí)質(zhì)是帶選路功能的交換機(jī)或帶交換功能的路由器。

2 基于ATM的MPLS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法

基于MPLS技術(shù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)基本原理是將基于標(biāo)記交換的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制與網(wǎng)絡(luò)層的選路機(jī)制結(jié)合在一起,即把數(shù)據(jù)鏈路層的快速轉(zhuǎn)發(fā)特性與網(wǎng)絡(luò)層尋路的可擴(kuò)展性和靈活性集成在一起,可用于采用二層交換的網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)應(yīng)用于ATM網(wǎng)絡(luò)時(shí),MPLS把IP尋路和ATM交換有機(jī)結(jié)合起來(lái),提供可擴(kuò)展的IP/ATM集成網(wǎng)絡(luò),具有一些獨(dú)特的特點(diǎn)。由于MPLS技術(shù)的高效與良好的擴(kuò)展性和ATM強(qiáng)大的轉(zhuǎn)發(fā)能力及高可靠性,ATM技術(shù)和MPLS技術(shù)的結(jié)合可以充分發(fā)揮在流量管理和QoS方面的作用。同時(shí),ATM技術(shù)通過(guò)VPI、VCI標(biāo)識(shí)完成信息交換,具備天然的標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)功能,支持MPLS轉(zhuǎn)發(fā)相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。MPLS的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程和ATM交換過(guò)程非常相似,如果將MPLS中的標(biāo)記直接映射到ATM 中的VPI、VCI域,則傳統(tǒng)ATM交換機(jī)的硬件可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)記交換,這樣就可以在不改變ATM硬件的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)MPLS機(jī)制。基于以上考慮,采用MPLS技術(shù)將基于ATM標(biāo)記交換的鏈路層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制與網(wǎng)絡(luò)層的選路機(jī)制結(jié)合起來(lái),集成了數(shù)據(jù)鏈路層的快速轉(zhuǎn)發(fā)性與網(wǎng)絡(luò)層的可擴(kuò)展性和靈活性,加快了分組轉(zhuǎn)發(fā)的速度,有效地利用了網(wǎng)絡(luò)資源。

在MPLS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,為提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的快速性,從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的各個(gè)方面進(jìn)行考慮,通過(guò)在業(yè)務(wù)單元上增加地址解析協(xié)議(ARP),以及創(chuàng)建本地三層路由轉(zhuǎn)發(fā)表來(lái)提高本地?cái)?shù)據(jù)交換速度;通過(guò)數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)建立標(biāo)記交換通道(LSP)的方式提高網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)速度。

3 應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)

MPLS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法以軟件方法實(shí)現(xiàn),主要包括系統(tǒng)構(gòu)成和運(yùn)行流程2個(gè)部分。

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

MPLS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)軟件承載了交換機(jī)各種IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)處理、IP控制信息的轉(zhuǎn)發(fā)處理、MPLS轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)的建立、應(yīng)用和維護(hù),保證了交換機(jī)IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。既保留了傳統(tǒng)路由的逐跳轉(zhuǎn)發(fā)方式,又提供了MPLS標(biāo)記數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的能力,能根據(jù)業(yè)務(wù)流量情況自動(dòng)改變數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)方式,由逐跳轉(zhuǎn)發(fā)自動(dòng)調(diào)整為標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)。

MPLS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)軟件按功能可以設(shè)計(jì)為4個(gè)部分:數(shù)據(jù)接收模塊、轉(zhuǎn)發(fā)處理模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和轉(zhuǎn)發(fā)管理模塊。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)軟件系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 軟件內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.1.1 數(shù)據(jù)接收模塊

數(shù)據(jù)接收模塊從不同的消息隊(duì)列接收來(lái)自各個(gè)方向、各種類型的數(shù)據(jù),解析每個(gè)數(shù)據(jù)包,提取出分組的目的IP地址以及消息隊(duì)列中攜帶的相關(guān)信息等對(duì)數(shù)據(jù)來(lái)源進(jìn)行判斷和分類,根據(jù)分類選擇相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)方式即調(diào)用相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)處理模塊進(jìn)行處理。

3.1.2 轉(zhuǎn)發(fā)處理模塊

轉(zhuǎn)發(fā)處理模塊根據(jù)數(shù)據(jù)接收模塊的調(diào)用來(lái)執(zhí)行各種類型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā),主要完成2種類型的轉(zhuǎn)發(fā)操作:逐跳轉(zhuǎn)發(fā)和標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)。

3.1.3 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

數(shù)據(jù)發(fā)送模塊把封裝好的數(shù)據(jù)通過(guò)不同的消息隊(duì)列進(jìn)行發(fā)送,發(fā)送方向包括本地業(yè)務(wù)端口、中繼口和固定數(shù)據(jù)消息通道等。

3.1.4 轉(zhuǎn)發(fā)管理模塊

轉(zhuǎn)發(fā)管理模塊對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)處理過(guò)程中涉及到的各種轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)進(jìn)行維護(hù)和管理,通過(guò)控制消息隊(duì)列來(lái)接收其他模塊/軟件的各種控制消息,按照控制消息類型進(jìn)行相應(yīng)操作以及發(fā)送各種通知消息或響應(yīng)消息。

3.2 運(yùn)行流程

MPLS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的運(yùn)行流程如圖3所示,各種網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)經(jīng)IP預(yù)處理后,形成IP分組。當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)后,首先會(huì)查詢標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)表,判斷有沒(méi)有與該IP分組對(duì)應(yīng)的LSP,如果有則按LSP進(jìn)行標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)。若標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)表里沒(méi)有與該IP分組相應(yīng)的LSP,則查找IP路由表,進(jìn)行逐跳轉(zhuǎn)發(fā)。在數(shù)據(jù)開(kāi)始進(jìn)行逐跳轉(zhuǎn)發(fā)的同時(shí),向LDP發(fā)送請(qǐng)求建立 LSP的消息。LDP協(xié)議會(huì)根據(jù)目的IP地址建立LSP,然后把新的LSP添加到標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)表里(細(xì)箭頭為數(shù)據(jù)信息流,粗箭頭為控制信息流)。

圖3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流程

經(jīng)過(guò)IP預(yù)處理后的IP數(shù)據(jù)分組有2種轉(zhuǎn)發(fā)方式:一是通過(guò)查找核心路由表進(jìn)行傳統(tǒng)逐跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā);二是經(jīng)過(guò)分類后,直接進(jìn)行標(biāo)記數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

①傳統(tǒng)IP逐跳轉(zhuǎn)發(fā)方式中,各個(gè)互通網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)經(jīng)業(yè)務(wù)板的IP預(yù)處理后,形成 IP分組。首先判斷標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)表里有沒(méi)有相應(yīng)的LSP,若標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)表里沒(méi)有與該IP分組相應(yīng)的LSP,則查找核心路由表,然后從相應(yīng)的中繼端口進(jìn)行傳統(tǒng)的逐跳轉(zhuǎn)發(fā)。

②基于MPLS的標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)方式是將IP協(xié)議與ATM等下層協(xié)議緊密結(jié)合在一起,在網(wǎng)絡(luò)邊緣對(duì)收到的分組進(jìn)行分類,按照分類的結(jié)果給分組加上一個(gè)定長(zhǎng)的標(biāo)記,此標(biāo)記將與該分組的處理方式相對(duì)應(yīng)(包括使用的路由、業(yè)務(wù)等級(jí)等)。在入口節(jié)點(diǎn),提取出目的地址,按照標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)表,在LSP上進(jìn)行標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā);在中間節(jié)點(diǎn),直接進(jìn)行標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā),不再經(jīng)過(guò)尋路處理;在出口節(jié)點(diǎn),對(duì)接收的IP分組進(jìn)行鏈路層封裝,直接發(fā)往相連的網(wǎng)絡(luò)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中,業(yè)務(wù)的性能非常重要,直接體現(xiàn)了交換機(jī)所具備的對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳送的質(zhì)量保證能力,分別在不采用MPLS和采用MPLS連接2種模式下,對(duì)IP分組的丟失率和轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,驗(yàn)證MPLS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)軟件性能指標(biāo)。

端口速率100 M,不采用標(biāo)記連接時(shí)接口間IP分組的丟失率和轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延如表1所示。

表1 不采用MPLS時(shí)丟失率和轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延

端口速率100M,經(jīng)過(guò)標(biāo)記連接時(shí)接口間IP分組的丟失率和轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延如表2所示。

表2 采用MPLS時(shí)丟失率和轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,采用MPLS后IP分組的丟失率和轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延都明顯降低,基于MPLS的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方法能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率和業(yè)務(wù)的性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于ATM的MPLS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)充分利用了MPLS標(biāo)記交換的技術(shù),把基于鏈路層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制與網(wǎng)絡(luò)層的選路機(jī)制進(jìn)行完美的結(jié)合,綜合轉(zhuǎn)發(fā)和路由的功能,優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)的性能,有效利用了網(wǎng)絡(luò)資源,在最大程度上提供了高效的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理能力,將在IP網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛的應(yīng)用。

[1]周三友.MPLS技術(shù)研究與LDP協(xié)議的軟件仿真[D].石家莊:通信測(cè)控技術(shù)研究所碩士研究生學(xué)位論文,2000:22-25.

[2]吳 江,趙慧玲.下一代的IP骨干網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——多協(xié)議標(biāo)記交換[M].北京:人民郵電出版社,2001.