解析MPLS技術(shù):融合路由器和ATM交換機(jī)

在IPOA技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，陸續(xù)出現(xiàn)了CIPOA（經(jīng)典IPOA，即ATM上的傳統(tǒng)lP）、LANE（局域網(wǎng)仿真）、MPOA（ATM上的多協(xié)議傳輸）、IP交換、CSR（信元交換路由器技術(shù)）、ARIS（集成IP交換技術(shù)）、TapSwitching（標(biāo)簽交換技術(shù)）、MPLS等技術(shù)。

這些IPOA技術(shù)可以分為兩類(lèi)，即重疊模型和集成模型。
集成模式既采用MPLS技術(shù)作為解決方案。MPLS是一種新的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，此項(xiàng)技術(shù)已得到了廣泛的認(rèn)可。提出這種技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)是把路由器和ATM交換機(jī)融為一體，從而提高IP包的傳送速度，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)，并作為L(zhǎng)3Switching(三層交換)技術(shù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

MPLS網(wǎng)絡(luò)由標(biāo)記邊緣路由器（LER）和標(biāo)記交換路由器（LSR）組成（如圖1所示）。在LSR內(nèi)，MPLS控制模塊以IP功能為中心，轉(zhuǎn)發(fā)模塊基于標(biāo)記交換算法，并通過(guò)標(biāo)記分發(fā)協(xié)議（LDP）在節(jié)點(diǎn)間完成標(biāo)記信息以及相關(guān)信令的發(fā)送。LDP信令以及標(biāo)記綁定信息只在MPLS相鄰節(jié)點(diǎn)間傳遞。LSR之間或LSR與LER之間依然需要運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的路由協(xié)議，并由此來(lái)獲得拓?fù)湫畔�。通過(guò)這些信息LSR可以明確選取報(bào)文的下一跳并可最終建立特定的標(biāo)記交換路徑（LSP）。MPLS使用控制驅(qū)動(dòng)模型，即基于拓?fù)潋?qū)動(dòng)方式對(duì)用于建立LSP的標(biāo)記綁定信息的分配及轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行初始化。LSP屬于單向傳輸路徑，因而全雙工業(yè)務(wù)需要兩條LSP，每條LSP負(fù)責(zé)一個(gè)方向上的業(yè)務(wù)。

MPLS網(wǎng)絡(luò)圖

一個(gè)數(shù)據(jù)在具有MPLS功能的網(wǎng)絡(luò)中傳遞可由以下四步完成。
第一步：網(wǎng)絡(luò)可自動(dòng)生成路由表，因?yàn)槁酚善骰駻TM交換機(jī)可參與內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議如OSPF/ISIS信息交換。LDP使用路由表中的信息去建立相鄰設(shè)備的標(biāo)記值，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建了LSP，預(yù)先設(shè)置了與最終目的地之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不象ATM永久虛電路，需要人工設(shè)置VPI/VCI，MPLS的標(biāo)記是自動(dòng)分配的。

第二步：一個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)入邊緣LER時(shí)，它會(huì)被處理，決定需要哪種第三層的業(yè)務(wù)，如QoS和帶寬管理�；�于路由和策略的需求，邊緣LER有選擇地放入一個(gè)標(biāo)記到數(shù)據(jù)包頭中，然后轉(zhuǎn)發(fā)。

第三步：位于網(wǎng)絡(luò)核心的LSR讀每一個(gè)數(shù)據(jù)包的標(biāo)記，并根據(jù)交換表替換一個(gè)新的，這個(gè)動(dòng)作將會(huì)在所有中心設(shè)備中重復(fù)。

第四步：在出口邊緣的LER，除去標(biāo)記，讀數(shù)據(jù)包頭，將其轉(zhuǎn)發(fā)到最終目的地。

MPLS將IP路由和ATM交換技術(shù)緊密結(jié)合，既實(shí)現(xiàn)了路由器的智能，又利用了ATM交換機(jī)的高效硬件交換。ATM與IP的完美結(jié)合可以比任何一項(xiàng)單獨(dú)技術(shù)更優(yōu)越。

MPLS技術(shù)可以提高路由器的轉(zhuǎn)發(fā)能力，從而提高整個(gè)IP網(wǎng)絡(luò)的性能，并且只需在用戶現(xiàn)有的路由器上進(jìn)行軟件升級(jí)，即可以完全支持MPLS技術(shù)，從而可以保證用戶原有的投資。

MPLS解決方案，給ATM網(wǎng)絡(luò)提供了智能的IP應(yīng)用服務(wù)，這是與ATM/FR的傳輸業(yè)務(wù)有區(qū)別的。相比，IP-OVER-ATM的解決方案，將IP數(shù)據(jù)流和ATM數(shù)據(jù)流作同等處理，限制了實(shí)現(xiàn)端到端IP服務(wù)的能力。MPLS使業(yè)務(wù)提供商通過(guò)利用IP和ATM的屬性，維持目前ATM和FR業(yè)務(wù)的營(yíng)業(yè)額。同時(shí)，在同一網(wǎng)絡(luò)上，提供商業(yè)IP服務(wù)，如Internet和ExtranetVPN來(lái)增加產(chǎn)值和利潤(rùn)。

MPLS只是多業(yè)務(wù)ATM網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商仍舊可以提供現(xiàn)存的FR，語(yǔ)音和多業(yè)務(wù)的ATM傳輸業(yè)務(wù)。通過(guò)IP+ATM平臺(tái)，多種網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)如IP、FR和ATM可以利用虛擬交換端口(VSI)技術(shù)通過(guò)一個(gè)單一網(wǎng)絡(luò)支持。VSI是多業(yè)務(wù)論壇(MSF)的新標(biāo)準(zhǔn)，用于將二層交換與三層控制分開(kāi)進(jìn)行�？旎�設(shè)計(jì)，提高交換機(jī)的靈活性以及可擴(kuò)展性。虛擬交換端口(VSI)這種機(jī)制可以明確控制分配給每種服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)資源，因此每一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)彼此獨(dú)立。VSI可同時(shí)支持MPLS和PNNI以及其他控制平臺(tái)，因?yàn)樗�允許在同一個(gè)IP+ATM交換機(jī)上同時(shí)運(yùn)行不同的協(xié)議棧。

沒(méi)有MPLS，IP經(jīng)由ATM的傳輸就需要一個(gè)復(fù)雜的協(xié)議翻譯過(guò)程，要把IP地址路由對(duì)應(yīng)于ATM地址和路由，放入到ATM交換表中。在這種情況下，ATM網(wǎng)絡(luò)需要PNNI路由協(xié)議、ATM地址解析協(xié)議(ATMARP)將IP網(wǎng)段映射到ATM網(wǎng)段中，然后通過(guò)NHRP實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間路由。相反，MPLS省略了把IP地址和路由映射到ATM交換表上的復(fù)雜性，MPLS標(biāo)記交換與ATM交換機(jī)交換信元機(jī)制相同。

通過(guò)MPLS，IP unicast和multicast信息與現(xiàn)有ATM體系相集成，使得服務(wù)提供商不但可以提供IP服務(wù)給用戶，而且為日益擴(kuò)大的Internet帶來(lái)好處：通過(guò)將IP的優(yōu)先級(jí)別與ATM交換機(jī)中的不同服務(wù)等級(jí)隊(duì)列相映射，為用戶提供端對(duì)端的QoS；每個(gè)MPLS優(yōu)先級(jí)別的帶寬分配都是可以任意調(diào)節(jié)的；通過(guò)Opticlass的帶寬預(yù)定和分配功能滿足用戶對(duì)帶寬，優(yōu)先級(jí)別和時(shí)延的不同要求。

同時(shí)，TrafficEngineering功能使得服務(wù)提供商能夠根據(jù)Traffic的要求來(lái)分配和調(diào)整帶寬以及提供諸如VPN(虛擬專(zhuān)網(wǎng))等增值服務(wù)。MPLS豐富、強(qiáng)大的功能讓服務(wù)提供商在建立自己大型、可擴(kuò)展業(yè)務(wù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，更具備了強(qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

MPLS具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。傳統(tǒng)的IP與ATM的結(jié)合是依靠中間層的翻譯。這種方式帶來(lái)了一系列的后果，如虛電路“N的平方”問(wèn)題等等。而MPLS有效地解決了這一系列的問(wèn)題，使ATM的可擴(kuò)展性得到了提高。

MPLS主要采用以下方式解決IP與ATM結(jié)合時(shí)所帶來(lái)的可擴(kuò)展性問(wèn)題：
VC合并：為了減少虛電路的數(shù)量，降低系統(tǒng)的開(kāi)銷(xiāo)，采用了一種VCMerge的技術(shù)。它可以將多個(gè)虛電路壓縮到一組，共同使用一個(gè)標(biāo)記。這樣這一組的虛電路實(shí)現(xiàn)上就只相當(dāng)于一個(gè)虛電路。

支持CIDR：EdgeLSR和LabelSwitchingController都支持標(biāo)準(zhǔn)的IP路由協(xié)議，如用于INTERNET骨干網(wǎng)上的BGP4及多數(shù)電信運(yùn)營(yíng)商所采用的內(nèi)部路由協(xié)議， OSPF、IS-IS等標(biāo)準(zhǔn)的IP路由協(xié)議都支持定義于RFC1519的CIDR(Classless Inter-Domain Routing)。

CIDR的主要功能表現(xiàn)在：在路由表中降低C類(lèi)網(wǎng)段的總數(shù)，因此，在今天的國(guó)際互連網(wǎng)的主干網(wǎng)中，總共只有600,000個(gè)網(wǎng)段，而不是2,000,000個(gè)網(wǎng)段。由于路由表的總數(shù)降低，使得路由器查詢(xún)的速度急劇提高，也降低了路由器對(duì)Memory及CPU的要求。此項(xiàng)功能由標(biāo)志路由器來(lái)完成，由于CIDR的功能，使標(biāo)志交換機(jī)需建立的LVC總數(shù)大大減少。

支持IPCoS(ClassofService)：MPLS提供與IP CoS(Class of Service)的互通，使得電信運(yùn)營(yíng)商能夠更有擴(kuò)展性的提供不同等級(jí)的CoS給一般大眾；而對(duì)優(yōu)先客戶，則提供與RSVP的互通，或經(jīng)由Traffic Engineering提供特定的QoS。因此，TVC的總數(shù)也會(huì)有相當(dāng)程度的降低。

避免端到端的重新路由(Rerouting)：每個(gè)交換都有第三層的智能，能重新選擇路徑進(jìn)行連接。因此，即使是主干網(wǎng)發(fā)生故障后，服務(wù)也不會(huì)被中斷。當(dāng)中間的某個(gè)路線出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)不是像以往那樣重新建鏈（這需要很長(zhǎng)的時(shí)間），而是采用重新選擇路徑的迂回方法。這就不僅提高了可連接性，還使系統(tǒng)的開(kāi)銷(xiāo)降至最低。傳統(tǒng)IP技術(shù)下，IP的地址空間很大，索引、查找還均無(wú)法實(shí)現(xiàn)硬件化。這就會(huì)大大降低網(wǎng)絡(luò)的速度。而ATM的好處是用了標(biāo)記和虛電路之后，使用標(biāo)記來(lái)索引避免了在路由表中的漫長(zhǎng)的查找。因此，它就會(huì)允許IP直接驅(qū)動(dòng)硬件，實(shí)現(xiàn)超高速的查詢(xún)索引。這樣就無(wú)需信元化處理，因此省掉了大型路由器中的信元緩沖器，節(jié)省了開(kāi)支。

另外，MPLS還支持IPVPN業(yè)務(wù)，這將是電信運(yùn)營(yíng)商的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)點(diǎn)。
對(duì)于新加的IP商業(yè)服務(wù)，MPLS最顯著的益處在于能夠分配標(biāo)記，這有非常特殊的意義，不同的標(biāo)記可以區(qū)分路由信息、應(yīng)用類(lèi)型和業(yè)務(wù)級(jí)別。MPLS標(biāo)記類(lèi)似于中心設(shè)備中預(yù)先計(jì)算好的交換表，并含有第三層信息，允許每個(gè)交換機(jī)自動(dòng)將每個(gè)數(shù)據(jù)包賦與正確的IP服務(wù)，表是預(yù)先計(jì)算的，因此沒(méi)有必要在每一跳都重新處理數(shù)據(jù)包，這樣不僅僅使數(shù)據(jù)流量分類(lèi)成為可能，例如將best-effort數(shù)據(jù)流與基于重要任務(wù)的數(shù)據(jù)流分開(kāi)，還可提供高擴(kuò)展性。

MPLS減少了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分析IP包頭的時(shí)間，因?yàn)樗�使用了�?biāo)記交換的機(jī)制，標(biāo)記只受本地局限，因此，用盡標(biāo)記的可能性幾乎沒(méi)有，這種特性是實(shí)施IP增值服務(wù)的基礎(chǔ)，如QoS、VPNTracfficEngineering。

綜上所述，MPLS集成了IP與ATM技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，采用三層路由機(jī)制與LDP結(jié)合的方式建立路由表以及前傳表，采用二層ATM技術(shù)進(jìn)行快速交換，為新一代電信網(wǎng)絡(luò)提供了優(yōu)越的技術(shù)基礎(chǔ)，既可以完成三層的靈活性、可擴(kuò)展性，又可以完成二層的快速交換、流量管理、安全性以及QoS的保障機(jī)制。MPLS已被證明是大型網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性的最佳解決方案。