解析MPLS技术：融合路由器和ATM交换机

老米

    在IPOA技术的发展过程中，陆续出现了CIPOA（经典IPOA，即ATM上的传统lP）、LANE（局域网仿真）、MPOA（ATM上的多协议传输）、IP交换、CSR（信元交换路由器技术）、ARIS（集成IP交换技术）、TapSwitching（标签交换技术）、MPLS等技术。

    这些IPOA技术可以分为两类，即重叠模型和集成模型。

    集成模式既采用MPLS技术作为解决方案。MPLS是一种新的网络标准，此项技术已得到了广泛的认可。提出这种技术的出发点是把路由器和ATM交换机融为一体，从而提高IP包的传送速度，简化网络，并作为L3Switching(三层交换)技术的国际标准。

    MPLS网络由标记边缘路由器（LER）和标记交换路由器（LSR）组成（如图1所示）。在LSR内，MPLS控制模块以IP功能为中心，转发模块基于标记交换算法，并通过标记分发协议（LDP）在节点间完成标记信息以及相关信令的发送。LDP信令以及标记绑定信息只在MPLS相邻节点间传递。LSR之间或LSR与LER之间依然需要运行标准的路由协议，并由此来获得拓扑信息。通过这些信息LSR可以明确选取报文的下一跳并可最终建立特定的标记交换路径（LSP）。MPLS使用控制驱动模型，即基于拓扑驱动方式对用于建立LSP的标记绑定信息的分配及转发进行初始化。LSP属于单向传输路径，因而全双工业务需要两条LSP，每条LSP负责一个方向上的业务。

    MPLS网络图



    一个数据在具有MPLS功能的网络中传递可由以下四步完成。

    第一步：网络可自动生成路由表，因为路由器或ATM交换机可参与内部网关协议如OSPF/ISIS信息交换。LDP使用路由表中的信息去建立相邻设备的标记值，这个标准创建了LSP，预先设置了与最终目的地之间的对应关系，不象ATM永久虚电路，需要人工设置VPI/VCI，MPLS的标记是自动分配的。

    第二步：一个数据包进入边缘LER时，它会被处理，决定需要哪种第三层的业务，如QoS和带宽管理。基于路由和策略的需求，边缘LER有选择地放入一个标记到数据包头中，然后转发。

    第三步：位于网络核心的LSR读每一个数据包的标记，并根据交换表替换一个新的，这个动作将会在所有中心设备中重复。

    第四步：在出口边缘的LER，除去标记，读数据包头，将其转发到最终目的地。

    MPLS将IP路由和ATM交换技术紧密结合，既实现了路由器的智能，又利用了ATM交换机的高效硬件交换。ATM与IP的完美结合可以比任何一项单独技术更优越。

    MPLS技术可以提高路由器的转发能力，从而提高整个IP网络的性能，并且只需在用户现有的路由器上进行App升级，即可以完全支撑MPLS技术，从而可以保证用户原有的投资。

    MPLS解决方案，给ATM网络提供了智能的IP应用服务，这是与ATM/FR的传输业务有区别的。相比，IP-OVER-ATM的解决方案，将IP数据流和ATM数据流作同等处理，限制了实现端到端IP服务的能力。MPLS使业务提供商通过利用IP和ATM的属性，维持目前ATM和FR业务的营业额。同时，在同一网络上，提供商业IP服务，如Internet和ExtranetVPN来增加产值和利润。

    MPLS只是多业务ATM网络的一项技术，网络运营商仍旧可以提供现存的FR，语音和多业务的ATM传输业务。通过IP+ATM平台，多种网络业务如IP、FR和ATM可以利用虚拟交换端口(VSI)技术通过一个单一网络支撑。VSI是多业务论坛(MSF)的新标准，用于将二层交换与三层控制分开进行模快化设计，提高交换机的灵活性以及可扩展性。虚拟交换端口(VSI)这种机制可以明确控制分配给每种服务的网络资源，因此每一个虚拟网络彼此独立。VSI可同时支撑MPLS和PNNI以及其他控制平台，因为它允许在同一个IP+ATM交换机上同时运行不同的协议栈。

    没有MPLS，IP经由ATM的传输就需要一个复杂的协议翻译过程，要把IP地址路由对应于ATM地址和路由，放入到ATM交换表中。在这种情况下，ATM网络需要PNNI路由协议、ATM地址解析协议(ATMARP)将IP网段映射到ATM网段中，然后通过NHRP实现网间路由。相反，MPLS省略了把IP地址和路由映射到ATM交换表上的复杂性，MPLS标记交换与ATM交换机交换信元机制相同。

    通过MPLS，IPunicast和multicast信息与现有ATM体系相集成，使得服务提供商不但可以提供IP服务给用户，而且为日益扩大的Internet带来好处：通过将IP的优先级别与ATM交换机中的不同服务等级队列相映射，为用户提供端对端的QoS；每个MPLS优先级别的带宽分配都是可以任意调节的；通过Opticlass的带宽预定和分配功能满足用户对带宽，优先级别和时延的不同要求。

    同时，TrafficEngineering功能使得服务提供商能够根据Traffic的要求来分配和调整带宽以及提供诸如VPN(虚拟专网)等增值服务。MPLS丰富、强大的功能让服务提供商在建立自己大型、可扩展业务服务网络的同时，更具备了强大的市场竞争力。

    MPLS具有较强的可扩展性。传统的IP与ATM的结合是依靠中间层的翻译。这种方式带来了一系列的后果，如虚电路“N的平方”问题等等。而MPLS有效地解决了这一系列的问题，使ATM的可扩展性得到了提高。

    MPLS主要采用以下方式解决IP与ATM结合时所带来的可扩展性问题：

    VC合并：为了减少虚电路的数量，降低系统的开销，采用了一种VCMerge的技术。它可以将多个虚电路压缩到一组，共同使用一个标记。这样这一组的虚电路实现上就只相当于一个虚电路。

    支撑CIDR：EdgeLSR和LabelSwitchingController都支撑标准的IP路由协议，如用于INTERNET骨干网上的BGP4及多数电信运营商所采用的内部路由协议，OSPF、IS-IS等标准的IP路由协议都支撑定义于RFC1519的CIDR(ClasslessInter-DomainRouting)。

    CIDR的主要功能表现在：在路由表中降低C类网段的总数，因此，在今天的国际互连网的主干网中，总共只有600,000个网段，而不是2,000,000个网段。由于路由表的总数降低，使得路由器查询的速度急剧提高，也降低了路由器对Memory及CPU的要求。此项功能由标志路由器来完成，由于CIDR的功能，使标志交换机需建立的LVC总数减少。

    支撑IPCoS(ClassofService)：MPLS提供与IPCoS(ClassofService)的互通，使得电信运营商能够更有扩展性的提供不同等级的CoS给一般大众；而对优先客户，则提供与RSVP的互通，或经由Traffic Engineering提供特定的QoS。因此，TVC的总数也会有相当程度的降低。

    避免端到端的重新路由(Rerouting)：每个交换都有第三层的智能，能重新选择路径进行连接。因此，即使是主干网发生故障后，服务也不会被中断。当中间的某个路线出现故障时，系统不是像以往那样重新建链（这需要很长的时间），而是采用重新选择路径的迂回方法。这就不仅提高了可连接性，还使系统的开销降至最低。传统IP技术下，IP的地址空间很大，索引、查找还均无法实现硬件化。这就会降低网络的速度。而ATM的好处是用了标记和虚电路之后，使用标记来索引避免了在路由表中的漫长的查找。因此，它就会允许IP直接驱动硬件，实现超高速的查询索引。这样就无需信元化处理，因此省掉了大型路由器中的信元缓冲器，节省了开支。

    另外，MPLS还支撑IPVPN业务，这将是电信运营商的业务增长点。

    对于新加的IP商业服务，MPLS最显著的益处在于能够分配标记，这有非常特殊的意义，不同的标记可以区分路由信息、应用类型和业务级别。MPLS标记类似于中心设备中预先计算好的交换表，并含有第三层信息，允许每个交换机自动将每个数据包赋与正确的IP服务，表是预先计算的，因此没有必要在每一跳都重新处理数据包，这样不仅仅使数据流量分类成为可能，例如将best-effort数据流与基于重要任务的数据流分开，还可提供高扩展性。

    MPLS减少了数据转发分析IP包头的时间，因为它使用了标记交换的机制，标记只受本地局限，因此，用尽标记的可能性几乎没有，这种特性是实施IP增值服务的基础，如QoS、VPNTracfficEngineering。

    综上所述，MPLS集成了IP与ATM技术各自的优势，采用三层路由机制与LDP结合的方式建立路由表以及前传表，采用二层ATM技术进行快速交换，为新一代电信网络提供了优越的技术基础，既可以完成三层的灵活性、可扩展性，又可以完成二层的快速交换、流量管理、安全性以及QoS的保障机制。MPLS已被证明是大型网络可扩展性的最佳解决方案