MPLS架構(gòu)下的移動IP技術(shù)

徐凱　　紀(jì)紅　　樂光新

北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院

　　摘 要 本文介紹了多協(xié)議標(biāo)記交換（MPLS）和移動IP技術(shù)的基本原理，并在此基礎(chǔ)上給出了工作在MPLS機(jī)制下的移動IP網(wǎng)絡(luò)組成模型， 同時描述該模型的基本工作原理。最后分析了MPLS 架構(gòu)下移動IP的技術(shù)優(yōu)勢并對其應(yīng)用前景進(jìn)行了闡述。

　　關(guān)鍵詞 多協(xié)議標(biāo)記交換 移動IP 流量工程

1 引言

　　多協(xié)議標(biāo)記交換（MPLS）通過虛擬電路來傳送數(shù)據(jù)報，只需在第2層（數(shù)據(jù)鏈路層）執(zhí)行硬件式交換（取代第3層即網(wǎng)絡(luò)層軟件式選路），是IP和ATM的完美結(jié)合，使數(shù)據(jù)包傳送的延遲時間減短，增加網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣�，更適合多媒體信息的傳送，并支持VPN和流量工程。因此MPLS越來越受到人們的重視。同時，人們已經(jīng)不滿足于在固定的地方接入Internet，而移動IP技術(shù)可以實現(xiàn)人們在移動狀態(tài)下上網(wǎng)的夢想。因此，也成為下一代網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。那么如何結(jié)合MPLS和移動IP兩種技術(shù)的優(yōu)點，并為下一代網(wǎng)絡(luò)提供支持，逐漸成為人們關(guān)注的焦點和研究熱點。

2 MPLS基本原理

　　MPLS是屬于第2.5層交換技術(shù)，引入了基于標(biāo)記的機(jī)制，它把選路和轉(zhuǎn)發(fā)分開，由標(biāo)簽來規(guī)定一個分組通過網(wǎng)絡(luò)的路徑。標(biāo)簽作為IP報頭在網(wǎng)絡(luò)中的替代品而存在，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部MPLS在數(shù)據(jù)包所經(jīng)過的路徑沿途通過交換標(biāo)簽（而不是看IP 包頭）來實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)；當(dāng)數(shù)據(jù)包要退出MPLS網(wǎng)絡(luò)時，數(shù)據(jù)包被解開封裝，繼續(xù)按照IP包的路由方式到達(dá)目的地。MPLS網(wǎng)絡(luò)包含一些基本的元素，在網(wǎng)絡(luò)邊緣的節(jié)點被稱作標(biāo)簽邊緣路由器（LER），而網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點就稱為標(biāo)簽交換路由器 （LSR）。LER節(jié)點在MPLS網(wǎng)絡(luò)中完成的是IP包的進(jìn)入和退出過程，LSR節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中提供高速交換功能。在MPLS節(jié)點之間的路徑就是標(biāo)簽交換路徑(LSP)。一條LSP可以看作是一條貫穿網(wǎng)絡(luò)的單向隧道。

3 移動IP的基本原理

　　移動代理（包括本地代理HA和外地代理FA）通過代理廣播消息廣播它們的存在。移動節(jié)點（MN）接收到這些代理廣播消息后，就知道它是在本地網(wǎng)絡(luò)還是在外地網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)MN檢測到它是在本地網(wǎng)絡(luò)，如果以前未發(fā)生移動，那么和正常節(jié)點一樣工作；如果它是從外地網(wǎng)絡(luò)回到本地網(wǎng)絡(luò)，MN就首先跟HA通過交換注冊請求和注冊應(yīng)答信息進(jìn)行注冊。當(dāng)MN檢測到它已經(jīng)移動到外地網(wǎng)絡(luò)后，它就在外地網(wǎng)絡(luò)中得到一個關(guān)照地址COA（Care-of-Address），這個關(guān)照地址可以從外地代理（FA）的廣播消息中得到，也可以由某個外部分配機(jī)制如DHCP（動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議）得到。在外地網(wǎng)絡(luò)的MN就用它得到的關(guān)照地址通過注冊請求和注冊應(yīng)答消息的交換向其HA注冊，在消息交換的過程中，可能要經(jīng)過FA。

　　送給MN的數(shù)據(jù)包首先被其HA捕獲，然后通過隧道技術(shù)傳送到MN的關(guān)照地址（COA），在隧道的終點得到數(shù)據(jù)包（終點可能在FA，也可能在MN自身），但最終送給MN。對于MN發(fā)出的數(shù)據(jù)包，就根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IP路由機(jī)制送往目的地，不必經(jīng)過HA。

4 MPLS架構(gòu)下移動IP的基本原理

4.1 MPLS機(jī)制下MN的注冊過程

　　假設(shè)Ingress LSR至HA的LSP已經(jīng)建立， 移動節(jié)點（MN）由HA移動到外地網(wǎng)絡(luò)FA1，F(xiàn)A1廣播消息，MN接收到代理廣播消息后，得知自己在外地網(wǎng)絡(luò)，向FA1發(fā)送注冊請求消息，F(xiàn)A1收到注冊請求消息后，對其進(jìn)行分析認(rèn)證，通過后，F(xiàn)A1和MN交互注冊信息。FA1更新其路由信息，并在路由信息中增加MN的HA路由信息。而后，F(xiàn)A1根據(jù)更新后的路由信息把MN的注冊和請求信息送給HA。

　　HA得到MN的注冊信息和請求信息以及MN的關(guān)照地址（COA），查找其標(biāo)記棧，并把MN的家鄉(xiāng)地址作為轉(zhuǎn)發(fā)等價類（FEC）；HA根據(jù)標(biāo)記分發(fā)協(xié)議（LDP）為HA到FA1的路徑分發(fā)標(biāo)記，并向FA1發(fā)送標(biāo)記請求信息，把MN的關(guān)照地址（COA）作為轉(zhuǎn)發(fā)等價類（FEC）。FA1收到標(biāo)記請求信息后，向HA返回標(biāo)記匹配消息，HA收到標(biāo)記匹配消息后更新其MN在標(biāo)記中的注冊信息。HA通過LSP向FA1發(fā)送注冊回應(yīng)信息，F(xiàn)A1收到注冊回應(yīng)后，更新其標(biāo)記棧，并增加FA1到HA的LSP信息，注冊成功，這樣就在HA到FA1之間建立起一條LSP。

　　當(dāng)MN由FA1移動到FA2時，MN除了重復(fù)上面的注冊過程外，還要向前一級FA即FA1注冊信息，以確保傳向FA1的數(shù)據(jù)包仍能到達(dá)MN，并建立HA至FA2的新的LSP，但I(xiàn)ngress LSR至HA的LSP仍舊保持不變。

4.2 數(shù)據(jù)報的傳送過程

　　由SN（Source Node）通過LSP向MN傳送數(shù)據(jù)報時，首先被HA撲獲，HA通過分析數(shù)據(jù)報的標(biāo)記，并查找自己的標(biāo)記棧，確定數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)的出口。如果MN仍然在家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)，則出口標(biāo)記為空，數(shù)據(jù)報被送往IP層，通過IP層的路由協(xié)議向MN傳送數(shù)據(jù)分組。如果MN在外地網(wǎng)絡(luò)FA1，數(shù)據(jù)報則通過HA到FA1的LSP傳送分組到FA1，F(xiàn)A1收到數(shù)據(jù)報后把其送往IP層，按IP層的路由協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)至MN。如果MN向SN發(fā)送數(shù)據(jù)，則可以按傳統(tǒng)的MPLS的標(biāo)記分發(fā)協(xié)議（LDP）在FA和Ingress LSR之間建立一條動態(tài)LSP，用于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，而不需要HA的轉(zhuǎn)交。

5 MPLS與移動IP結(jié)合的優(yōu)點

　　· 有效地解決移動IP三角路由問題：由于傳統(tǒng)的移動IP技術(shù)存在三角路由問題，數(shù)據(jù)傳輸delay =SN至HA的網(wǎng)絡(luò)線路delay+HA的節(jié)點處理delay+ HA至FA1的網(wǎng)絡(luò)線路delay+FA1的節(jié)點處理delay+FA1至MN的無線網(wǎng)絡(luò)線路delay；移動IP在MPLS機(jī)制下，無論是HA節(jié)點處理時延還是整個傳輸過程的時延，都比傳統(tǒng)的移動IP時延明顯減小。因此，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，在一定程度上解決了三角路由問題，但是我們應(yīng)當(dāng)看到這種解決辦法并沒有從本質(zhì)上解決三角路由問題，而僅僅是一種程度上的改善，研究新的路由算法仍然是下一步工作的重點。

　　· 高移動性和高速交換特性的結(jié)合：MPLS交換比按傳統(tǒng)的IP路由協(xié)議傳輸分組速度明顯提高；傳輸時延和數(shù)據(jù)包處理時間明顯降低；并且HA到FA建立了一條LSP，數(shù)據(jù)報頭過長問題得到解決。MPLS架構(gòu)下的移動IP技術(shù)集成了移動IP的高移動性和MPLS高速交換特性，允許這些技術(shù)協(xié)調(diào)工作在將來的核心網(wǎng)中，并為MPLS提供移動性支持。

　　· 提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性和支持QoS：HA和FA都具有LER的功能，在同一個MPLS域中。這種機(jī)制使隧道技術(shù)中不再需要IP-in-IP方式傳送數(shù)據(jù)包，取而代之的是MPLS交換方式通過LSP傳送數(shù)據(jù)包（從Ingress LER 到HA再到FA）。整個傳輸過程都是在MPLS交換層進(jìn)行，并且HA的處理過程也不涉及IP層的路由協(xié)議，從而提高了數(shù)據(jù)包的傳輸速率和移動IP的可擴(kuò)展性，為網(wǎng)絡(luò)的QoS提供了保障，并且網(wǎng)絡(luò)的安全性能得到提高。

　　· 支持移動狀態(tài)下的VPN和流量工程：由于MPLS技術(shù)對VPN和流量工程都有很好的支持，因此，MPLS與移動IP的結(jié)合，對移動狀態(tài)下VPN和流量工程解決帶來了希望。

6 結(jié)論

　　隨著無線通信的發(fā)展，MPLS和移動IP技術(shù)的結(jié)合越來越受到人們的重視。但是MPLS和移動IP都是近年來發(fā)展較為迅速的技術(shù)，各種標(biāo)準(zhǔn)還不完善，目前該領(lǐng)域的研究還不是很深入，大多處于實驗階段，并且相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型的建立還較困難。還有許多理論問題需要進(jìn)一步地深入探討，如實施MPLS流量工程時與TCP等高層協(xié)議相互影響的問題；服務(wù)質(zhì)量QoS、安全性以及區(qū)分服務(wù)的問題；移動狀態(tài)下MPLS如何支持VPN等等。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Chen Y W，Yan Z J . Effect of the label management in mobile IP over MPLS networks . Advanced Information Networking and Applications, 17th International Conference on , 2003 , 379 -384

[2] Perkins C E . Mobile IP . IEEE Communications Magazine, May1997, 84-99

[3] Rosen E, ｅｔ ａｌ . Multiprotocol Label Switching Architecture，IETF RFC 3031 . January 2001

[4] Andersson, ｅｔ ａｌ . LDP Specification，RFC 3036 . January 2001

[5] Network Working Group Internet Draft, Integration of Mobile IP and MPLS . IETF draft-zhong-mobile-ip-mpls-01.txt, July 2000

　　徐 凱，博士研究生，主要從事無線移動通信網(wǎng)絡(luò)的研究。

　　紀(jì) 紅，博士，北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院副教授，研究方向為移動通信網(wǎng)絡(luò)性能分析。

　　樂光新，北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，研究領(lǐng)域為數(shù)字通信系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、移動通信。

----《中國數(shù)據(jù)通信》