下一代互聯網關鍵技術IP QoS(3)

2019-11-03 09:03:41

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供稿：網友

姜明

　　5.多協議標簽交換MPLS

　　1997年，以Cisco公司為主的幾家公司（包括ipsilon、IBM、Cascade、Toshiba）提出了多協議標簽交換（MultiPRotocol Lable Switch，MPLS）技術。MPLS技術產生的初衷就是為了綜合利用網絡核心的交換技術和網絡邊緣的IP路由技術各自的優點而產生的其最初設計目標是將第二層的交換速度引入到第三層?；跇撕灥慕粨Q方式允許路由器在作轉發決定的時候僅僅以簡單的標簽為基礎，而不是基于目標IP地址作復雜的路由查找。現在，MPLS更成為流量工程（Traffic Engeering）和虛擬專用網（Virtual Private Network，VPN）方案的重要解決手段，并且日益成為擴大IP網絡規模的重要標準。

　　MPLS中的常用的術語

　　標簽（Label）：標簽是一個包含在每個包中的短的具有固定長度的數值，用于通過網絡轉發包。

　　標簽邊緣路由器（Lable Edge Router，LER）：LER是MPLS網絡同其他網絡相連的邊緣設備，它提供流量分類和標簽的映射（作為Ingress）、標簽的移除功能。

　　標簽交換路由器（Lable Switching Router，LSR）：LSR是MPLS網絡的核心設備，提供標簽交換、標簽分發功能，具有第三層轉發分組和第二層交換分組的能力。

　　等價轉發類（Forwarding Equivalence Class，FEC）：FEC是在轉發過程中以等效的方式處理的一組數據包，例如目的地址前綴相同的數據包。FEC歸類的方法可以各不相同，粒度也可有差別。

　　標簽交換路徑（Lable Switching Path，LSP）：MPLS實際上是一個面向連接的系統，標簽的分配實際上就是一個建立連接的過程，也即建立了一條LSP。LSP可以是動態的，也可以是靜態的，動態LSP是通過路由信息自動生成，靜態LSP是被明確提供的。

　　標簽分配協議（Label Distribution Protocol，LDP）：LDP提供一套標準的信令機制用于有效地實現標簽的分配與轉發功能。LDP基于原有的網絡層路由協議OSPF、IS-IS、RIP、EIGRP或BGP等構建標簽信息庫，并根據網絡拓撲結構，在MPLS域邊緣節點（即入節點與出節點）之間建立LSP。LDP主要執行以下4個操作：

　　發現(Discovery)：發布并維護網絡中的LSR。

　　會晤(session)：建立和保持兩個對等LDP之間的會晤。

　　廣告( Advertisement)：執行標簽的分配和傳播( allocation and distribution)。

　　通知(Notification)：通告差錯信息。

　　MPLS的基本原理

　　MPLS協議的關鍵是引入了標簽（Label）的概念。一對LSR必須在標簽的數值和意義上一致。例如，下行LSR會給上行LSR發送一個特定標簽X．代表一個特定的稱作A的FEC。于是，一個標簽只在一對正在通信的LSR之間起作用，并用來表示屬于一個從上行LSR流向下行LSR的特定FEC的分組。MPLS可以支持添加到現有的幀或分組結構（如以太網、PPP）的標簽，也可以利用包含在數據鏈路層（如幀中繼和ATM）中的標簽結構。

　　標簽的格式取決于分組封裝所在的介質。例如，ATM封裝的分組（信元）采用VPI和／或VCI數值作為標簽，而幀中繼PDU采用DLCI作為標簽。對于那些沒有內在標簽結構的介質封裝，則采用一個特殊的數值填充。圖7給出4字節填充標簽的格式，它包含一個20bits的標簽值、一個3bits的CoS值、一個1bit的堆棧標識符和一個8bits的TTL值。此外．如果填充值被插入到一個PPP或以太網幀中，包含在各幀頭中的一個協議ID（或以太網類型）表示一個幀或者一個 MPLS單播或組播幀。

　　傳統的路由器是通過逐步查找路由/轉發表來轉發數據的（hop by hop路由方式），由于路由查找基本上是通過CPU來完成的，所以轉發速率受到很大的限制，這種轉發效率遠遠不能滿足目前互聯網的發展需要，尤其是一些高帶寬和對時延敏感的多媒體業務大量進入互聯網后。而MPLS的一個根本目的就是解決轉發速率問題。其方法就是依據標簽這個短小、定長、非結構化并只具有局部意義的標識來轉發分組。由于標簽的這些特點，所以標簽的查找可以采用數組來實現，無論是用硬件還是用軟件來實現都不難。

　　當一個數據包進入MPLS網絡時，它首先在LER處被分配一個標簽。報文沿著LSP進行轉發，路徑中的每個LSR僅僅根據標簽內容來做出轉發決定。在每一跳中，LSR剝離現有的標簽，將一個新的標簽應用于該報文，并告訴下一跳如何轉發該報文。

　　具體而言，每個進入MPLS網絡的數據包被歸類為一個轉發等價類（Forwarding Equivalence Class, FEC），該等價類以一個標簽來標識，因此，報文中的標簽內容也就表示了該報文所分配的FEC。傳統的路由器在進行包轉發時，各個路由器是獨立地作出轉發決定的，也就是說，每個路由器都將查看包頭的目的地址，而在MPLS中，只是在報文進入MPLS網絡的LER時查看包的目的地址，在其它路由器并不查看包的目的地址，而僅僅根據其標簽內容來作出轉發決定。在數據包進入到LSR時，入域標簽映射（Incoming Label Map, ILM）機制將入域包的標簽內容與一組下一跳標簽轉發入口（The Next Hop Label Forwarding Entry，NHLFE）相映射。LSR查看該NHLFE，決定向哪個接口轉發該包，并對包的標簽棧執行一個操作，然后將新的標簽壓入標簽棧，轉發所得到的結果。

　　MPLS在流量工程中的應用

　　流量工程（Traffic Engineering，TE）的主要目的就是在促進有效、可靠的網絡操作的同時，優化網絡資源的利用率和流量的性能。一般來說，它包含了技術的應用、測量的科學準則、模型化、特征化（Characterization）和因特網流量的控制，以及如何將這些知識和技術應用到實踐中來獲取一些特定的性能指標。由于網絡資源的昂貴和因特網激烈的商業競爭的天性，流量工程已經成為大型自治系統（Autonomous System，AS）中一個不可缺少的功能。

　　MPLS的最初設計目標是將第二層的交換速度引入到第三層，隨著第三層交換速度的大大提高，這一最初目標已經不復存在了，而現在MPLS的最主要功能就是流量工程，即在多條可能的轉發路徑中進行負載平衡。

　　流量工程是指為業務流選擇路徑的處理過程，以在網絡中不同的鏈路、路由器和交換機之間平衡業務流負載。當網絡中存在多條并行或可選的路徑時，流量工程就顯得非常重要了。流量工程的主要目的是提供有效可靠的網絡操作，同時優化網絡資源的利用和業務流性能。流量工程的目標是在一給定節點與另一節點之間計算一條路徑（源路由），該路徑不違反它的約束（例如帶寬/管理要求），并且從一些數量指標看來是最優的。一旦路徑被計算后，流量工程將負責在該路徑上建立和維護轉發狀態。

圖8 MPLS體系結構

　　6.子網帶寬管理SBM

　　由于數據包的發送過程必須經過發送端主機以及接收端主機的所有OSI協議層，甚至可能要經過中間某個網絡的子網。這就涉及到一個問題：如何在子網內，即在數據鏈路層上保證高優先級的數據幀獲得高級別的服務。某些鏈路層的技術已經可以支持QoS了，例如異步傳輸模式ATM。而其它更多的LAN技術（如以太網技術）最初并非為支持QoS設計的。以太網作為共享的廣播媒介，在它的交換方式中，提供了一種類似與傳統的盡力而為的IP服務。為此，IETF的ISSLL小組定義了上層QoS協議和服務與以太網之類的數據鏈路層技術之間的映射關系，并且提出了子網帶寬管理（Subnet Bandwidth Management，SBM）的方案，它適用于802.1 LAN，如以太網、令牌環和FDDI等。SBM是數據鏈路層上的QoS，它通過將高層QoS映射到特定的數據鏈路層上實現在第二層上的快速交換。

　　SBM也是一個信令協議，它允許網絡節點和交換機之間在SBM框架內進行通信和協調，并實現向高層QoS的映射。在SBM體系結構中，要求所有的數據幀必須通過至少一個SBM交換機。SBM的主要構件有三個部分：

　　請求模塊（Request Module, RM）：請求模塊駐留在每個端系統中而不駐留在任何交換機中。請求模塊根據管理員所定義的策略，將高層的QoS協議參數映射到第二層的優先級別。

　　帶寬分配器（Bandwidth Allocator, BA）：帶寬分配器保存子網內資源的分配狀態，并且根據可用資源的情況以及管理員所定義的策略來執行接入控制。

　　通信協議（Communication Protocols, CP）：通信協議用于在SBM系統中，各個不同的組件之間進行通信。SBM體系結構提供了RM-to-BA以及BA-to-BA的信令機制來請求資源、改變或刪除分配資源。

　　SBM有兩種形式的體系結構：集中式結構和分布式結構，它取決于BA所處的位置，如圖9和圖10所示。不管在哪種形式的結構中，RM都必須在需要請求資源的端系統中。APP表示需要使用RM的應用，它可以是用戶應用程序，也可以是高層協議（如RSVP）。

　　在集中式結構中，只有單個的BA來實現整個子網的帶寬管理與分配，每個端系統中包含一個RM，而網橋和交換機中則不需要RM。當端系統需要請求資源時，則由它的RM首先向BA發出請求通信。在這種結構中，BA需要知道整個子網的拓撲結構。

　　在分布式結構中，子網內所有的網絡設備中都需要實現BM功能，所有的端系統中仍然需要實現RM。在這種結構中，每個BA需要知道與它連接的本地網段（一個子網可能包括多個網段）的拓撲結構。