MPLS關鍵技術(shù)分析

殷國恒

（民航中南空管局通信網(wǎng)絡中心，廣東廣州，510405）

0　引言

多協(xié)議標簽交換，英文全稱為MultiProtocol Label Switching，是最近幾年出現(xiàn)的一種利用第二層交換能力提高第三層路由轉(zhuǎn)發(fā)速度的新技術(shù)。MPLS技術(shù)為提升Internet網(wǎng)絡的承載能力和管理能力等提供了很好的解決方案，有效地提升了信息系統(tǒng)的處理能力，其可以簡化傳統(tǒng)的IP over ATM中復雜的疊加模式，實現(xiàn)了IP系統(tǒng)與ATM系統(tǒng)的無縫融合。同時，MPLS也為Internet業(yè)務量工程以及虛擬專用網(wǎng)絡等提供了更加有效的工具。因此本文重點針對MPLS系統(tǒng)中的層次化標簽交換和標簽合并兩項技術(shù)進行了重點分析。

1　MPLS體系結(jié)構(gòu)

一般來說，MPLS協(xié)議層所完成的功能在OSI系統(tǒng)中沒有相對應的位置，因此同行將MPLS協(xié)議層描述為處于2.5層的一個協(xié)議類型，位于網(wǎng)絡層和數(shù)據(jù)鏈路層之間。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)都是通過硬件接收層—軟件層路由—硬件層轉(zhuǎn)發(fā)來完成的，而MPLS通過特定的機制將網(wǎng)絡層的轉(zhuǎn)發(fā)路徑完整的映射到了數(shù)據(jù)鏈路層的交換路徑中，從而簡化了數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)。MPLS完成這種映射的先決條件是事先在每個IP數(shù)據(jù)分組前添加一個標簽，然后在經(jīng)過的路由器中建立對應的標簽信息表，然后在轉(zhuǎn)發(fā)過程中就直接根據(jù)標簽和標簽信息表中的數(shù)據(jù)即可進行轉(zhuǎn)發(fā)，而不需要通過中間路由器的查詢即可完成。MPLS中的一個重要的組成部分就是標簽，每一個標簽規(guī)定長度為20bits，加上4bits的附加比特和8bites的TTL，一起構(gòu)成32bites的Shim Header。

2　MPLS中的關鍵技術(shù)

2.1　層次化標簽交換

MPLS中的層次化標簽交換是通過Label Stack來實現(xiàn)的，這些Label Stack以先進后出的堆棧形式進行組織，就稱為Label棧。在IP網(wǎng)絡中為了解決網(wǎng)絡可擴展性問題引入了網(wǎng)絡分層結(jié)構(gòu)，整個IP網(wǎng)絡由各個自治域組成，在自治域內(nèi)又分為不同的區(qū)域，網(wǎng)絡分層后通過不同層次間的路由匯聚可以大大減小路由表的表象，從而使得在網(wǎng)絡規(guī)模不斷擴大以后路由表仍然能夠保持一個合理的大小。在網(wǎng)絡的傳統(tǒng)路由匯聚機制中，底層網(wǎng)絡的具體路由信息在高層網(wǎng)絡中被掩蓋了。同時同層內(nèi)的網(wǎng)絡路由信息只會在一個區(qū)域內(nèi)交換傳遞，不會擴散到其它區(qū)域中去。這樣就只能在同層同區(qū)域的LSP 之間建立，不能建立同層不同區(qū)域內(nèi)LSR間的LSP。因此，在MPLS中建立完全只在第二層交換的端到端的LSP有很大的困難，在網(wǎng)絡層次和區(qū)域的邊緣，數(shù)據(jù)分組總是要回到第三層做傳統(tǒng)的路由轉(zhuǎn)發(fā)。這個局限性使得第二層交換的優(yōu)勢還不能夠充分地發(fā)揮對于一些特定業(yè)務的數(shù)據(jù)流，對LSP的要求可能很高，對網(wǎng)絡延時可能有很強的敏感性，傳送這些業(yè)務的數(shù)據(jù)分組時，一條端到端的完全由第二層交換完成的高效LSP就很有必要建立。另外，為減輕邊緣MPLS第三層路由的負擔，建立一定數(shù)量的穿越邊緣LSP的LSP也是值得考慮的。為解決這樣的問題可以通過路由注入的方法，即將區(qū)域外的路由信息傳遞到區(qū)域的內(nèi)部來。如將Area2中162.105.1的路由信息傳遞到Area1中，并建立相應表項，Area1與Area2間就可以以某種方式建立起端到端的LSP。但這種方法違背了層次化網(wǎng)絡減少路由信息的原則，同時也缺少相應的建立機制，增加了協(xié)議設計的復雜度。如何在保證業(yè)務服務質(zhì)量與降低網(wǎng)絡復雜度之間獲得平衡是個非常重要的問題，同時也是比較難以解決的。由于MPLS Hierarchy與Routing Hierarchy之間的關系比較復雜，導致在網(wǎng)絡中難以獲得一致的MPLS Hierarchy的配置。一個可能的方案是將一個MPLS域局限在一個IP路由區(qū)域內(nèi)。這樣的好處是能與目前已有的協(xié)議體系較好地適應，能獲得較多廠商的支持。

2.2　標簽合并

MPLS中實現(xiàn)標簽交換的辦法就是在每個LSR中建立標簽交換表，每個表項都包括有入口標簽和出口標簽等基本信息。一般情況下，入口和出口標簽應該是一一對應的。但在某些情況下將會出現(xiàn)在標簽交換表中入口標簽多于出口標簽，如上游LSR的Label Granularity出于本地LSR的Label Granularity，或者由于硬件限制，需要為同一FEC在不同網(wǎng)絡接口發(fā)布不同的入口Label。這些都造成一個FEC的入口Label多于出口Label。標簽交換表將變?yōu)橄旅嫘问健?/p>

如果一個LSR能夠?qū)⒍鄠€入口Label映射到單一的出口Label，則稱該Label具有Label Merging的能力。根據(jù)這一點可以將LSR分為Non-Merging LSR和Merging LSR。Merging LSR在標簽交換表中表現(xiàn)為多對一的標簽交換，在網(wǎng)絡中則體現(xiàn)為LSR的合并。LSR能夠有效合并是LSR解決平方問題的根本，也是LSR保證可擴展性的關鍵。Non網(wǎng)絡中LSR的合并需要靠Label來實現(xiàn)。對于專用的Label容易實現(xiàn)。對于采用軟件升級的Non-Merging LSR存在信元交織的問題。解決信元交織問題的方案有Merging和Merging但實現(xiàn)上兩者還各有不同的問題需要解決。前者是硬件上具有復雜度，后者是協(xié)議上具有復雜度。因此目前VR Merging體系結(jié)構(gòu)中權(quán)衡選擇的結(jié)果是最好兩者都支持，這意味著每LSR需要知道相鄰FEC采用的是何種Merging LSR方式，從而采取不同的標簽分配和交換方式。在簡單實現(xiàn)多對一的時侯會出現(xiàn)信元交織ATM-LSR的問題。如圖1，三個V1數(shù)據(jù)包ATM-LSR在ATM-LSR網(wǎng)絡中被拆分成信元，分別被加以不同的標簽（即Merging LSR）發(fā)往ATM-LSR。在ATM-LSR處決定要將Non-Merging三個Non合并，于是ATM-LSR經(jīng)過交換后都變?yōu)锳TM-LSR作為出口標簽。在經(jīng)過后， 屬于不同LSR;: 的信元將不再是次序排列，而是以一種隨機的次序排列，如Merging LSR的信元中夾有MERGING的信元。這樣，在最終某個網(wǎng)絡節(jié)點需要將LSR信元恢復成ATM-LSR時，恢復的數(shù)據(jù)包將會發(fā)生錯誤和數(shù)據(jù)丟失的情況。這種錯誤就是因為發(fā)生了信元交織所引起的。

圖1　層次化的標簽交換

3　結(jié)束語

本文系統(tǒng)分析了MPLS中的結(jié)構(gòu)性能與工作機理，并著重介紹了兩種基于MPLS的關鍵技術(shù)類型，即層次化標簽交換和標簽合并。分析結(jié)果指出，這兩個技術(shù)系統(tǒng)對于構(gòu)建一個穩(wěn)定的MPLS系統(tǒng)具有重要的意義，但是也存在諸多問題亟待解決。為此，相關行業(yè)的從業(yè)人員有必要針對具體情況和實際問題進行深層次的挖掘和研究，并構(gòu)建一個相對完整的網(wǎng)絡。