多协议标记交换1

作为第３层交换的多协议标记交换（ＭＰＬＳ）结合了第３层灵活选路与第２层快速转发的特点，应用前景看好。本讲座将分３讲介绍ＭＰＬＳ，主要内容有：ＩＰ选路与ＩＰ交换、ＭＰＬＳ概述、标记分配与管理、标记分配协议、基于ＡＴＭ的标记交换路由器（ＬＳＲ）、ＭＰＬＳ的ＳＩＮ模式以及ＭＰＬＳ的有关技术。

１ ＩＰ选路与ＩＰ交换

１．１ 重叠模式与集成模式

    IＰ选路在第３层实现，基于无连接逐跳转发。ＩＰ路由器每收到一个ＩＰ包，就按照包头中的目的地址，通过路由查找以确定下一跳，从而将ＩＰ包转发到下一跳路由器。路由查找是基于最长地址前缀的匹配，即要在路由表中搜寻出与目的地址具有最长匹配的表项，这种查找过程的开销比较大，特别是当路由表很庞大时将成为路由器的瓶颈。为此，高速路由器中如何减少路由查找开销是一项关键的技术。

    ＩＰ交换则避免在第３层进行最长前缀匹配的路由查找，而将ＩＰ路由映射到第２层面向连接的交换通路。第２层通常可利用能支持多业务服务质量（ＱＯＳ）的高速ＡＴＭ交换。

    广义的ＩＰ交换可有重叠模式和集成模式。在重叠模式中，ＩＰ层运行在ＡＴＭ之上，要具有两个地址空间（ＩＰ地址与ＡＴＭ地址），需要地址解析功能，以将目的地ＩＰ地址转换为ＡＴＭ地址。传统ＩＰ通过ＡＴＭ、局域网仿真（ＬＡＮＥ）、多协议通过ＡＴＭ（ＭＰＯＡ）均属于重叠模式。

    集成模式又称为对等模式（Ｐｅｅｒ Ｍｏｄｅｌ），它只具有单一的ＩＰ地址空间和单一的ＩＰ选路协议，不需要地址解析，但需要另外的控制协议将第３层的选路映射到第２层直通交换机制。

    集成模式中通常采用ＡＴＭ交换结构，但ＡＴＭ交换结构并非受控于国际电信联盟（ＩＴＵ－Ｔ）或ＡＴＭ论坛所定义的控制面，也就是它不采用ＡＴＭ信令，而是采用比ＡＴＭ信令简单的所谓“轻型信令协议”。集成模式结合了ＩＰ选路的灵活性和健壮性以及ＡＴＭ交换的大容量和高速度。

１．２ 数据驱动与控制驱动

    集成模式有两种类型：数据驱动与控制驱动，主要反映在第３层选路至第２层直通转发的映射方式的不同。

１．２．１ 数据驱动（Ｄａｔａ－Ｄｒｉｖｅｎ）

   （１） 数据驱动的特点

    数据驱动又称为流驱动（Ｆｌｏｗ－Ｄｒｉｖｅｎ）。所谓流，可定义为由选路功能作同等处理的分组系列。例如，在特定的源与特定的目的之间，以一定的服务质量（ＱＯＳ）通过一定的端口转发的一系列分组，就是一个流。

    采用数据驱动时，第２层的交换通路由数据流触发，按需要临时建立。这就是说，开始进入的分组仍由第３层选路进行逐跳转发，同时进行流的分类，以确定属于该流的后续分组是否要通过直通连接来传送。流的分类可按一定准则进行，例如可由熟知的源端口或目的地端口的号码来识别不同的应用，属于文件传送协议（ＦＴＰ）的数据适宜于用直通交换，而属于域名服务器（ＤＮＳ）询问／响应型的数据则适宜于数据报（Ｄａｔａｇｒａｍ）式地无连接逐跳转发。也可以对流的分组数进行计数，如果在一定时间区间内从某个流收到的分组数超过规定的阈值，就判定为长流，可以进行直通交换。

    由于是由数据流触发直通交换，故存在建立时延。由于开始的一些分组由第３层逐跳转发，后续的分组由直通连接转发，可能引起失序。此外，对于临时建立的直通连接，需要采用刷新（Ｒｅｆｒｅｓｈ）机制进行刷新，使得在一定时间内不再传送分组的流不再继续占用直通连接。

（２）数据驱动应用实例

    Ｉｐｓｉｌｏｎ公司的ＩＰ交换，Ｔｏｓｈｉｂａ公司的信元交换路由器（ＣＳＲ），以及ＮＥＣ公司的通过快速ＡＴＭ信元传送的ＩＰ交换（ＩＰＳＯＦＡＣＴＯ），都是采用数据驱动方式。

    ＩＰ交换或ＩＰ交换机从广义来说已逐渐成为通用名词，而这里的ＩＰ交换是专指Ｉｐｓｉｌｏｎ公司开发的采用数据驱动方式的ＩＰ交换机，它采用专用ＩＦＭＰ协议来分配虚电路（ＶＣ）。

    信元交换路由器采用专门的流属性通知协议（ＦＡＮＰ）来分配ＶＣ。信元交换路由器与ＩＰ交换均采用专门协议将流与虚电路标志（ＶＣＩ）关联，但信元交换路由器是由上游节点选定ＶＣ，ＩＰ交换是由下游节点选定ＶＣ。此外，信元交换路由器还具有标准的ＡＴＭ用户网络接口（ＵＮＩ），可与ＡＴＭ云（Ｃｌｏｕｄ）连接，与ＣＩＰ方式的ＬＩＳ边界路由器相比，具有ＶＣ直通功能。

ＩＰＳＯＦＡＣＴＯ则采用不通知方式的ＶＣＩ选择，从而不需要专门的ＶＣＩ分配协议。

１．２．２ 控制驱动（Ｃｏｎｔｒｏｌ－Ｄｒｉｖｅｎ）

（１）控制驱动的特点

    控制驱动是数据流传送前预先建立直通连接，它又可分为拓扑驱动和请求驱动。拓扑驱动是将选路拓扑映射到直通连接，请求驱动或称为预留驱动，是将资源预留请求（例如ＲＳＶＰ）映射到直通连接。

    控制驱动可支持多协议，使选路方式具有灵活性，同时又可运行于不同的链路层，例如ＡＴＭ、帧中继等。

（２）控制驱动应用实例

    ＩＢＭ公司的基于聚合路由的ＩＰ交换（ＡＲＩＳ），Ａｓｃｅｎｄ公司的ＩＰ导航（ＩＰ Ｎａｖｉｇａｔｏｒ），Ｃｉｓｃｏ公司的标签交换（Ｔａｇ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ），以及ＩＥＴＦ制定的多协议标记交换（ＭＰＬＳ），都属于控制驱动方式。ＭＰＬＳ是在标签交换和ＡＲＩＳ等基础上发展的，正由Ｉ-ＥＴＦ制订标准，是应用前景最为看好的ＩＰ交换方式。

２ ＭＰＬＳ概述

２．１ ＭＰＬＳ的优点

用ＭＰＬＳ构建核心网时，与传统路由器比较具有以下优点：

（１）简化的转发机制

     ＭＰＬＳ采用标记替换（Ｌａｂｅｌ Ｓｗａｐ-ｐｉｎｇ）方式，与路由器采用的最长匹配算法比较，转发机制大为简化。所谓标记替换，相当于ＡＴＭ交换中的信头变换，是基于短标记的精确匹配，处理快，开销小。

（２）有效的显式选路

    在纯数据报的无连接选路网中难以实现完全的显式选路，而对ＭＰＬＳ而言，只要在标记交换通路（ＬＳＲ）建立时携带显式路由信息，并不需要每个分组携带，因此多协议标记交换可实现有诸多优点的显式选路。

（３）有利于业务流工程

    Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的迅速发展以及各种业务对宽带需求的增加，使业务流工程显得特别重要。业务流工程要求通过选择不同的通路来平衡各条链路、各个路由器和交换器的业务流负荷。在数据报选路时，难以实现业务流工程。ＭＰＬＳ可识别并测量在特定的入口节点与出口节点之间的业务流量，又可以提供显式选路，这就为实现业务流工程提供了有利的条件。

（４）ＱＯＳ选路

    ＱＯＳ选路的目的是选择可以保证ＱＯＳ要求的通路。由于ＭＰＬＳ可支持显式选路，也就便于实现ＱＯＳ选路。

（５）ＩＰ分组至ＦＥＣ的灵活映射

    ＭＰＬＳ只要在ＭＰＬＳ网的入口处一次完成ＩＰ分组至转发等价类（ＦＥＣ）的映射，并可在入口处按照所需的ＱＯＳ级别加以标记。ＦＥＣ是对应于以同样方法转发的一群分组。

（６）功能的区分

    ＭＰＬＳ网络边缘具有较多的功能，而在网络的核心部分只需要简单的功能，例如基于标记的转发。

（７）ＭＰＬＳ网络的灵活性

    ＭＰＬＳ既适配各种第３层的选路协议，又支持各种数据链路层。ＭＰＬＳ允许在同一网络中支持多种业务，包括ＩＰ业务、ＡＴＭ业务、帧中继业务、ＩＰ隧道、虚拟专用网（ＶＰＮ）等。

２．２ 有关术语

    标记交换路由器（ＬＳＲ）

ＬＳＲ是能够转发Ｌ３分组的ＭＰＬＳ节点。

    标记交换通路（ＬＳＰ）ＬＳＰ是通过一个或多个ＬＳＲ的通路，用来传送对应于一定的ＦＥＣ的各个分组。

    标记分配协议（ＬＤＰ）ＬＤＰ是ＭＰＬＳ中ＬＳＲ用来建立ＬＳＰ的协议，由一组过程和相关消息组成。

    ＬＤＰ对等体（ＬＤＰ Ｐｅｅｒｓ）ＬＤＰ对等体是使用ＬＤＰ交换标记捆合信息的两个ＬＳＲ。

    ＭＰＬＳ域（ＭＰＬＳ Ｄｏｍａｉｎ）ＭＰＬＳ域是实现ＭＰＬＳ选路和转发的一组邻接节点。ＭＰＬＳ域可存在于一个选路或管理域中。

    ＭＰＬＳ边缘节点（Ｅｄｇｅ Ｎｏｄｅ）ＭＰＬＳ边缘节点将ＭＰＬＳ域与域外节点相连接，该域外节点可能是非ＭＰＬＳ节点，也可能是另一域的ＭＰＬＳ节点。

    ＭＰＬＳ出口节点（Ｅｇｒｅｓｓ Ｎｏｄｅ）ＭＰＬＳ出口节点是处理离开ＭＰＬＳ域的业务流的ＭＰＬＳ边缘节点。

    ＭＰＬＳ入口节点（Ｉｎｇｒｅｓｓ Ｎｏｄｅ）ＭＰＬＳ入口节点是处理进入ＭＰＬＳ域的业务流的ＭＰＬＳ边缘节点。

２．３ ＭＰＬＳ的交换概念

２．３．１ ＬＳＲ的基本组成

    ＭＰＬＳ ＬＳＲ由转发组件和控制组件构成。转发组件包含交换结构和标记信息库。通常采用ＡＴＭ交换结构，可由标记转换实现信息在虚连接上的转发。标记信息库（ＬＩＢ）中含有出入端口、出入标记的对照，相当于在控制驱动下将路由映射到标记，可通过ＬＤＰ建立。

    控制组件采用模块化设计，是一群模块的集合，每个模块可支持某个特定的选路协议。控制组件与转发组件的分离，使ＭＰＬＳ可按需要灵活地支持各种第３层协议和第２层技术。控制组件要生成标记与网络层路由之间的捆合（Ｂｉｎｇｉｎｇ），并将标记捆合信息在标记交换结构之间传送。在ＭＰＬＳ ＬＳＲ之间传送标记捆合信息可在已有的控制协议上携带，或采用专门的标记分配协议（ＬＤＰ）。前者即所谓的Ｐｉｇｇｙｂａｃｋ-ｉｎｇ方式，要修改已有的控制协议。采用后者则控制组件要含有ＬＤＰ。

２．３．２ 标记交换通路（ＬＳＰ）的建立

ＭＰＬＳ可采用下游分配标记或下游按需分配标记的方法来建立ＬＳＰ。

   （１）下游分配（Ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ Ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ）

由数据流动方向的下游ＭＰＬＳ节点分配标记，也可称为非请求下游分配，图１表示了路由更新与下游分配概念。当ＬＳＲ２通过选路协议之间的信息交换需要更新路由时，就在其转发信息库（ＦＩＢ）中修改或建立新的表项，ＦＩＢ即路由表。于是通过ＬＤＰ在ＬＩＢ中产生表项，所分配的标记作为表项的输入标记，并将捆合信息传送到邻接的上游节点，由上游节点将该标记作为输出标签存放在ＬＩＢ中。

    （２）下游按需分配（Ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ Ｏｎ－ｄｅｍａｎｄ Ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ）

    下游按需分配是在收到上游节点明显的请求时，才由下游节点分配标记。

现再来表示包含２个标记边缘路由器—ＬＥＲ（Ａ、Ｂ）和３个标记交换机—ＬＳＲ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）的下游标记分配过程（见图２）。

   （３）标记交换过程

    在Ａ→Ｂ路由上收到ＩＰ包后，按照各个标记信息库（ＬＩＢ）中的入、出标记，可以很便捷地将ＩＰ包转发到目的地。要注意对于ＬＥＲ而言，只有单侧的出或入标记。

３ 标记分配与管理

３．１非请求下游分配与下游按需分配

     ＭＰＬＳ可支持非请求下游标记分配和下游按需标记分配方式。非请求下游标记分配和下游按需标记分配已见前述。实现ＭＰＬＳ时，可采用以上任一种分配方式，或者两者兼具。在同一网络中采用两种分配方式时，相关的邻接节点必须协调采用某一种方式。

３．２ 独立的标记分配控制与按序的标记分配控制

     通过标记分配建立ＬＳＰ有两种控制方式：独立控制与按序控制。

所谓独立控制，就是每个ＬＳＲ可以随时向邻节点传送标记与ＦＥＣ捆合的信息。对于独立的下游按需分配方式，意味着ＬＳＲ可以立即回答上游节点的分配请求，而无需等待下一跳的标记捆合信息；对于按序的非请求下游分配方式，则一旦下游ＬＳＲ已准备好标记与ＦＥＣ的捆合，可以立即向上游传送。显然，独立控制方式会产生在下游标记未收到时就向上游发送标记的情况。

     所谓按序控制，就是ＬＳＲ只有当已从下游收到标记映射ＦＥＣ，或者对此ＦＥＣ是作为出口ＬＳＲ时，才能向上游发送该ＦＥＣ的标记映射信息。一个ＬＳＲ可以对某些ＦＥＣ是出口节点，而对另一些ＦＥＣ是非出口节点。

３．３ 保守的标记保留方式与自由的标记保留方式

     采用非请求下游分配时，可能从所有对等ＬＳＲ收到所有路由的标记映射，如果采用保守的标记保留方式，则收到所有路由时标记映射的ＬＳＲ只选取其中一部分有效的标记映射，这就是已反映在选路方案中的下一跳送来的标记映射。对于下游按需分配，采用保守的标记保留方式时，则ＬＳＲ仅向按照选路方案要用到的下一跳ＬＳＲ发送请求。总起来说，保守的标记保留方式仅仅对要真正用于转发分组的标记才进行分配和保持，这也正是其优点；这一优点对于标记空间有限的ＬＳＲ来说更为重要，例如对于ＡＴＭ交换器。因此，ＡＴＭ交换器适宜于采用下游按需分配和保守的标记保留方式。保守的标记保留方式的缺点是一旦选路方案有改变，要从新的下一跳重新获得标记映射。

     采用自由的标记保留方式时，对于非请求下游分配，ＬＳＲ所收到的所有标记映射均保留，而不管是否在选路中使用；对于下游按需分配，则ＬＳＲ可针对所有已知的地址前缀向所有对等ＬＳＲ发送标记映射的请求。不过要注意，下游按需分配是典型地用于ＡＴＭ交换器的分配方式，对此前已述及，建议采用保守的标记保留方式。自由的标记保留方式的优缺点与保守方式正好相反，即优点是对于选路方案变化的反应快捷，因为标记早已存在，缺点是当前并不需要的标记映射也要分配和保持。

      ＭＰＬＳ标记可以有几种封装方法。插在第２层与第３层头之间的薄片（Ｓｈｉｍ）式的标记格式如图３所示。其中，ＣＯＳ为业务类别，Ｓ为标记栈指示比特，ＴＴＬ为存活期。Ｓ＝１时表示是多标记的栈结构，可支持ＭＰＬＳ多选路域的在结构，ＴＴＬ可用于检测环路。

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（收稿日期：２０００－０６－１２）