多协议标签交换(英语:Multi-Protocol Label Switching,缩写为MPLS)是一种电信网络上利用标签引导资料进行传输的路由技术。相较于传统上利用网路地址来决定下一个节点,MPLS 则使资料沿著预定的路径传送,因此能减少在路由器上所花费的时间。多协议意指 MPLS 支援多种网路协定,并且也支援多种网路第二层的协定。
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它的价值在于能够在一个无连接的网络中引入连接模式的特性;其主要优点是减少了网络复杂性,兼容现有各种主流网络技术,能降低网络成本,在提供IP业务时能确保QoS和安全性,具有流量工程能力。此外,MPLS能解决VPN扩展问题和维护成本问题。
MPLS属于第三代网络架构,是新一代的IP高速骨干网络交换标准,由IETF所提出,由Cisco、ASCEND、3Com等网络设备大厂所主导。
采用MPLS的数据包只须在OSI第二层(数据链结层)执行硬件式交换(取代第三层(网络层)软件式路由),它整合了IP选径与第二层标记交换为单一的系统,因此可以解决Internet路由的问题,使数据包传送的延迟时间减短,增加网络传输的速度,更适合多媒体讯息的传送。因此,MPLS最大技术特色为可以指定数据包传送的先后顺序。MPLS使用标记交换(Label Switching),网络路由器只需要判别标记后即可进行转送处理。
产生的背景
因特网迅猛发展对IP的承载网提出各种挑战,比如路由问题、QoS保障问题等。网络的发展正向宽带化、智能化和一体化的方向发展。未来的业务以突发性数据业务为主,ATM对其显得效率不足,传输和交换成本较高,而IP又显得能力不足。各种IP与ATM融合的技术如LANE, IPOA, TAG SWITCH等只能解决局部问题。
发展历史
- 1996年,Ipsilon公司提出的一种专门在ATM网上传送IP分组的技术:IP Switching;Toshiba: cell switching router;
- 1996年,Cisco: Tag Switching;IBM: Aggregate Route-based IP Switching;
- 1997年,IETF: MPLS(Multiprotocol Label Switching)
工作原理
当一个未被标记的分组(IP包、帧中继或ATM信元)到达MPLS LER时,入口 LER根据输入分组头查找路由表以确定通向目的地的标记交换路径LSP,把查找到的对应LSP的标记插入到分组头中,完成端到端IP地址与MPLS标记的映射。
分组头与label的映射规则不但考虑数据流目的地的信息,还考虑了有关QoS的信息;在以后网络中的转发,MPLS LSR就只根据数据流所携带的标签进行转发。
技术特点
- MPLS简化了分组的转发
- 基于定长短标签定完全匹配,MPLS易制造高速路由器。
- MPLS支持有效的显式路由(explicit routing)
- 显式路由在网络负荷调节,保证QoS要求等方面起着重要作用;传统IP网络中,每个分组头都携带显式路由是不可能的;MPLS只是在LSP建立时使用吗、,MPLS显式路由可行。
- MPLS有利于实现流量工程(Traffic Engineering)
- MPLS支持QoS选路
- QoS选路是指对特定的数据流,按其QoS要求来为它选择路由的方法。
- 从IP分组到转发等价类的映射
- MPLS只需要在其域的入口进行一次从IP分组到FEC的映射,使得IP分组到FEC的复杂转换得以简化。
- MPLS支持多网络功能划分
- MPLS引入了标记粒度的概念,使其能分层地将处理功能划分给不同的网络单元,让靠近用户的网络边缘节点承担更多的工作;与此同时,核心网络则尽可能地简单。
- MPLS实现了用户不同服务级别要求的单一转发规范
- MPLS提高了网络扩展性
Ethernet over MPLS
随著乙太网路的不断发展,乙太网路的性能、价格与ATM和其他的网路相比,具有巨大的优势。纯的乙太网路具有以下的不足:VLAN空间限制,没有端点到端点的频宽预留机制,没有流量工程。
但是在和MPLS结合以后,乙太网路摇身一变,变成了面向连接的网路,有流量控制、有QoS保证、支持低延迟服务的网路。从而MPLS乙太网路受到了电信运营商的青睐,被大规模的部署在都会网路中,并正在向骨干网路渗透。
MPLS在乙太网路中的实现分为L2和L3两种,层次结构如下:
L2 | 物理层 | 乙太网路头 | MPLS头 | IP头 | |
---|---|---|---|---|---|
L3 | 物理层 | 乙太网路传输 | MPLS头 | 乙太网路服务 | IP头 |
术语解释
- 转发等效类(Forwarding Equivalence Class,FEC)
- 是一系列具有某些共性的数据流集合(目的地相同、使用的转发路径相同、具有相同的服务等级等),这些数据在转发的过程中被LSR以相同的方式进行处理;
- 标记(Tag或Label)
- 简短的、长度固定的、具有本地意义的标识符,用以表征转发等价类(FEC)。
- 边缘标记交换路由器(LER: Label Edge Router)
- 根据LSP等因素给分组加标签的路由器。
- 标记交换路由器(LSR:Label Switched Router)
- 具有标记交换能力的路由器,它是标记交换的基本构成单元。
- 数据流(stream)
- 沿着同一路径、属于同一FEC的一组包被视为一个数据流。
- 业务流(flow)
- 一个应用到应用的数据流称为业务流。
- 上游(upstream)和下游(downstream)
- “上游”和“下游”是根据数据流的流向而定的。
- 转发信息库(FIB)
- FIB用于存放下一跳的相关信息。
- 流分类
- 在业务流进入LSR时首先需要进行分类,也就是将业务流划分为不同的FEC。
- 标记交换的封装
- 标记交换是一种支持多协议的技术,它可以在多种链路协议上运行。
- 流量工程(Traffic Engineering)
- 根据用户数据业务量及当前网络状态选择数据传输路径的过程,主要用来平衡网络中的负荷;
- 标签分发协议(LDP:Label Distribution Protocol )
- 控制LSR之间交换标签与FEC绑定消息,协调LSR之间工作的一系列规程。主要功能:让LSR实现FEC与标签的绑定,并将这种绑定通知给相邻的LSR,使各LSR对收到的标签绑定达成共识。
- 标签堆栈
- MPLS中分组可以携带多个标签,这些标签在分组中以“堆栈”的形式存在,对标签堆栈的操作按照“后进先出”的原则。决定如何转发分组的标签始终是栈顶标签。
重要应用
MPLS VPN是一种基于MPLS技术的IP-VPN,根据PE(Provider Edge)设备是否参与VPN路由处理又细分为二层VPN和三层VPN。
相关条目
- 中间系统到中间系统 - Intermediate system to intermediate system (IS-IS)
- IEEE 802.1aq - Shortest Path Bridging (SPB)
参考文献
- 《MPLS宽带网络互联技术》 石晶林 人民邮电出版社
- 《多协议标记交换技术》冯径 人民邮电出版社
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