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时间:  2005-1-12 15:07
作者: zjol     标题: MPLS技术及其应用分析

MPLS技术及其应用分析(1)

目前Everything over IP和IP over Everything已成为通信界的热点之一。IP over Everything体现了IP的优势所在,即通过统一的IP层协议屏蔽下层各种物理网络(如X.25、DDN、以太网、令牌环、帧中继、ATM、SDH、WDM)的差异性,实现异种网互联;而“Everything over IP”的“Everything”是指所有的信息业务,包括数据、图像和话音等实时和非实时的业务。但目前的IP技术还存在一些问题,突出地表现在:(1)时延问题,每一个包的逐个路由器寻址(逐跳寻址)造成端到端的时延很大且时延抖动也大,路由器逐个包的地址解析、寻址和过滤也引入了额外时延。(2)缺乏流量控制机制。(3)缺乏QoS保证,是一个“尽力而为”的机制。
——ATM技术由于协议较为复杂、缺少良好的API接口和网卡价格高等原因,使得ATM到桌面已趋于消亡。但ATM是一种面向连接和统计复用的技术,其主要优势是网络资源的统计复用。保证端到端的QoS、具有流量控制和拥塞控制功能、灵活的动态带宽分配与管理、可扩展性强、支持多业务等。将IP与ATM结合,解决IP网存在的问题,是电信运营商十分关注的问题之一。
1 IP与ATM的结合
——IP over ATM的核心问题是如何将ATM的优点引入IP网。 ATM是面向连接技术,IP是无连接技术,各自都有一套完整的体系,实现IP与ATM相结合,目前有两种模式,即重叠模式和集成模式。
——重叠模式主要有CIPOA、LANE、MPOA,这种模式需要定义两套地址结构及选路协议,ATM网上的边缘系统除了需要分配IP地址外,还需要分配ATM地址;在路由选择过程中,存在着IP地址与MAC地址、MAC地址与ATM地址间两级翻译,降低了效率。且子网间通信仍需经路由器,不能真正实现QoS功能,不利于电信级的应用。
——集成模式是指ATM边缘系统仅需要标识IP地址,网络不再需要ATM的地址解析规程,而是采用IP的选路策略。采用集成模型的技术有东芝公司的CSR(信元交换路由器)技术、Ipsilon公司的IP交换、Cisco公司的Tag交换和IETF等组织定义的MPLS、CSR、IP交换、Tag交换都是各公司自己的标准,MPLS是国际组织的标准,吸收了IP交换、Tag交换等技术特点。
——MPLS基于标记交换的机制,在ATM层上直接承载IP业务,与重叠模型相比,提高了业务的性能和网络的效率,对于IP业务也略去了ATM信令的复杂性。在ATM网络引入MPLS后,网络将能够同时支持IP业务和ATM业务。
2 MPLS实现机制及主要技术特点
2.1 基本原理
——MPLS是属于第三层交换技术,引入了基于标记的机制,它把选路和转发分开,由标签来规定一个分组通过网络的路径。MPLS网络由核心部分的标签交换路由器(LSR)、边缘部分的标签边缘路由器(LER)组成。LSR的作用可以看作是ATM交换机与传统路由器的结合,由控制单元和交换单元组成;LER的作用是分析IP包头,用于决定相应的传送级别和标签交换路径(LSP),MPLS网络如图1所示。

——LSR就是实现了MPLS功能的ATM交换机;LER可以是具有MPLS功能的ATM交换机,也可以是具有
MPLS功能的路由器。标记交换的工作过程可概括为以下3个步骤:
——1)由LDP(标记分布协议)和传统路由协议(OSPF等)一起,在LSR中建立路由表和标记映射
表。
——2)LER接收IP包,完成第三层功能,并给IP包加上标记;在MPLS出口的LER上,将分组中的标记去掉后继续进行转发。
——3)LSR对分组不再进行任何第三层处理,只是依据分组上的标记通过交换单元对其进行转发。
2.2 信令方式的实现
——目前MPLS实现信令的方式可分为两类,一类是LDP/CR-LDP,它是基于ATM网络的。CR-LDP和
LDP是同一个协议,CR-LDP是LDP的扩展,它使用与LDP相同的消息和机制,如对等发现、会话建立和保持、标记发布和错误处理。另外一类是RSVP,它基于传统的IP网。RSVP和LDP/CR-LDP是两种不同的协议,它们在协议特性上存在不同,有不同的消息集和信令处理规程。从协议可靠性上来看,LDP/CR-LDP是基于TCP的,当发生传输丢包时,利用TCP协议提供简单的错误指示,实现快速响应和恢复。而RSVP只是传送IP包。由于缺乏可靠的传输机制,RSVP无法保证快速的失败通知。从网络可扩展性上看,LDP较RSVP更有优势,一般电信级网络中,特别是ATM网络中,应采用MPLS/LDP。ITU-T倾向于在骨干网中采用CR-LDP。
2.3 MPLS主要技术特点
——MPLS的技术内容较多,本文重点介绍MPLS如何实现流量控制及QoS功能。
——(1)MPLS流量管理
——传统IP网络一旦为一个IP包选择了一条路径,则不管这条链路是否拥塞,IP包都会沿着这条路径传送,这样就会造成整个网络在某处资源过度利用,而另外一些地方网络资源闲置不用,MPLS可以控制IP包在网络中所走过的路径,这样可以避免IP包在网络中的盲目行为,避免业务流向已经拥塞的节点,实现网络资源的合理利用。MPLS流量管理机制的功能有两个,从网络运营商的角度看,是要保证网络资源得到合理利用;从用户的角度来看,是要保证用户申请的服务质量得到满足。MPLS的流量管理机制主要包括路径选择、负载均衡、路径备份、故障恢复、路径优先级及碰撞等。
——a)路径的选择
——MPLS采用显示路由的方式为IP包选一条从源到目的地的路径,网络中的中间节点不需要再为IP包选择路由,仅需根据CR-LDP信令中携带的路由信息将信令信息转发到下一节点。这种显式路由的选择是在MPLS入口节点LER上完成的,具体实现可以由操作员配置或通过源路由协议实现。这种显式路由的优点就是,网络管理者可以根据网络资源合理地引导业务的流向,可以避免网络业务流向已经拥塞的节点。
——b)负载均衡
——MPLS可以使用两条和多条LSP来承载同一个用户的IP业务流,合理地将用户业务流分摊在这些LSP之间。
——c)路径备份
——可以配置两条LSP,一条处于激活状态,另外一条处于备份状态,一旦主LSP出现故障,业务立刻导向备份的LSP,直到主LSP从故障中恢复,业务再从备份的LSP切回到主LSP。
——d)故障恢复
——当一条已经建立的LSP在某一点出现故障时,故障点的MPLS会向上游发送Notification消息,通知上游LER重新建立一条LSP来替代这条出现故障的LSP。上游LER就会重新发出Request消息建立另外一条LSP来保证用户业务的连续性。
——e)路径优先级及碰撞
——在网络资源匮乏的时候,应保证优先级高的业务优先使用网络资源。MPLS通过设置LSP的建立优先级和保持优先级来实现的。每条LSP有n个建立优先级和m个保持优先级。优先级高的LSP先建立,并且如果某条LSP建立时,网络资源匮乏,而它的建立优先级又高于另外一条已经建立的LSP的保持优先级,那么它可以将已经建立的那条LSP断开,让出网络资源供它使用。
时间:  2005-1-12 15:08
作者: zjol

MPLS技术及其应用分析(2)

——(2)MPLS的QoS的实现
——MPLS的QoS实现是由LER和LSR共同完成的。在LER上进行IP包的分类,将IP包的业务类型映射到LSP的服务等级上,在LER和LSR上同时进行带宽管理和业务量控制,从而保证每种业务的服务质量得到满足。由于带宽管理的引入,MPLS改变了传统IP网只是一个“尽力而为”的状况。
——a)IP包的分类
——IP包在进入MPLS域之前,MPLR将会根据IP包所携带的信息将其分成不同的类别,这个类别就代表网络为其提供的服务等级。LER分类IP包的依据可以是:
——*承载IP包的DLCI、VCC等信息;
——*TOS字段或DS字段携带的信息;
——*源/目的端口号;
——*源/目的IP地址:
——*上层协议(UDP、TCP等)。
——LER对IP包进行分类后,将IP QoS映射成ATM的QoS。QoS的参数以Traffic Parameter的形式体现在建立LSP的Request信令消息中,每个LSR在收到Request消息后都会根据Traffic Parameter TLV中的参数做CAC(接纳允许控制,Connection Admission Control),为特定的业务预留特定的资源。下面以CR-LDP信令方式为例,分析MPLS如何支持IP QoS的。
——CR-LDP采用显式路由方式建立LSP,需要建立LSP的LER发送请求(Request消息,Request消息中携带FEC(转发等价类)、ER-HOP(显式路由信息)和QoS参数Traffic Parameter等TLV。Request消息的格式如表1所示。
表1 Request消息的格式
U        F        Label Reguest        Message Length
Message ID TLV
Return Message ID TLV
FEC TLV
LSPID TLV
ER-TLV
Traffic Parameters TLV
Pinning TLV
“Resource Class”TLV
Pre-Emption TLV
——Request沿着ER-HOP指明的路径向下游节点发送,下游所有节点都会根据Traffic Parameter TLV中携带的参数做CAC,为特定QoS要求的LSP预留出资源。Request一直发送到出口LER,出口LER返回一个Mapping消息,Mapping消息通知入口LER,保证每条LSP得到所申请的网络资源。
——由此可见Traffic Parameter TLV是实现IP QoS的关键因素,在这个TLV中承载了LSP所要求的QoS参数,如表2所示。
表2 Traffic Parameter的格式
U        F        Traf.Param.TLV        Lengt
Flags        Frequency        Reserved        Weight
Peak Data Rate(PDR)
Peak Burst Size(PBS)
Committed Data Rate(CDR)
Committed Burst Size(CBS)
Exccess Burst Size(EBS)
——表2中的参数反映了IP业务对于服务参数的要求,例如Frequency是时延参数,体现IP业务对于时延的要求;PDR是IP业务要求的最高数据速率;CDR是某类IP业务的统计数据速率;这些参数体现了特定一类IP业务对于时延和带宽的要求。
——入口LER根据IP包携带的信息将IP包分类,然后将该类业务对于网络资源的要求映射到Traffic Parameter TVL的参数中,向网络节点申请资源。
——最终,Traffic Parameter TLV携带的参数会映射到ATM的批参数中,然后通过ATM硬件资源,主要是UPC、CAC、Queue实现对用户申请资源的分配,进而保证IP业务的QoS。IP业务转换成ATM业务后,链路层的控制机制完全与ATM一样,进入了ATM流量控制机制。
——由此可见,在传统的ATM和IP网中引入MPLS控制机制,仅从Traffic Engineering和QoS这两个侧面来看,MPLS确实有着传统IP技术所无法实现的功能,可以将ATM和IP很好地结合在一起。
3 MPLS建设发展策略
——(1)建设ATM网,引入MPLS。
——作为传统电信运营商的中国电信,已建成庞大的基于TDM方式的传输网络,拥有DDN、X.25、PSTN/ISDN及IP等多种业务网络,并正在建设具有灵活的带宽管理和QoS保证的ATM网。以ATM网络为基础,实现一个多业务的网络平台,既支持传统的电路交换网(如DDN、PSTN、ISDN)向分组(包)交换网(IP、ATM)演变,也支持因特网的发展,应是电信运营商网络发展的目标之一。
——江苏省的ATM网在扩容后,可以覆盖13个市局及发达的县局,本地网的ATM工程建设也已经开始,通过2000年的建设,全省ATM网络基本建成省骨干网和本地网,加上接入网的建设,ATM网络已具有一定规模,可以提供DDN、FR、ATM等业务。在ATM网上引入MPLS后,由于MPLS支持目前所确定的IP所有业务,以ATM作为承载平台,可以开放具有流量控制和业务质量保证的宽带IP业务。因此不要把IP高速发展看作是ATM网的消亡,相反各市局应加大ATM建设的力度,投入一定的业务开发力量,使ATM网承载更多的业务。
——(2)积极跟踪MPLS技术,进行MPLS试验。
——MPLS作为发展中的技术,涉及的内容很多,除了本文重点分析的流量控制机制、QoS实现机制外,还涉及到防止循环机制、SIN模式、MPLS组播的实现等许多值得关注的问题,应有专门的人员跟踪此项业务的发展。
——江苏省已确定在常州局进行MPLS实验,实验的内容应重点关注流量控制机制。QoS实现机制上,选择具有实时业务功能的业务和具有不同等级的业务进行实验,通过实验,能够了解MPLS承载IP业务和传统路由器承载IP业务的异同,进一步了解和掌握MPLS技术,为下一步网络发展打下基础。
——(3)ATM被用来作为多业务的网络平台,在引入MPLS应注意以下3种情况:
——a)MPLS的应用取消了ATM信令,ATM节点间应采用点到点的PVC或SPVC连接,并与边缘路由器相连,网络支持MPLS协议。因此PVC是MPLS域内的显式路由的基础。
——b)对于已使用CIPOA、MPOA等重叠方式的ATM网络,在初始阶段,同一ATM节点有可能同时使用ATM和LDP协议,IP业务将采用LDP协议。并由LSP处理,而ATM控制协议将处理ATM业务。
——c)作为多业务平台,ATM网上将会同时存在MPLS和ATM信令协议,应尽早提高网络节点处理能
力和控制处理能力。
——(4)选择合适的信令方式。
——LDP和RSVP是两种不同体制的信令方式,互联十分困难,按照窄带网发展的经验,MPLS信令方式应选用一种信令方式,作为公用通信网,应采用LDP方式,而不采用RSVP方式。
——(5)注重MPLS VPN业务的开发。
——IP VPN实现有两种类型,一是通过L2TP、PPTP等隧道技术实现,二是利用MPLS技术,实现电信运营级的VPN。利用MPLS构造的VPN,还提供了实现增值业务的可能;通过配置,可将单一接入点形成多种VPN,每种VPN代表不同的业务,使网络能以灵活方式传送不同类型的业务。




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