MPLS技术白皮书

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

目  录

1 概述·· 1

1.1 产生背景·· 1

1.2 技术优点·· 1

2 MPLS技术实现·· 1

2.1 概念介绍·· 1

2.2 MPLS体系结构·· 3

2.3 LSP的建立·· 4

2.3.1 手工配置的方式建立静态LSP· 4

2.3.2 利用标签分发协议动态建立LSP· 5

2.4 LSP的嵌套·· 5

2.5 MPLS转发·· 6

2.5.1 MPLS转发过程·· 6

2.5.2 倒数第二跳弹出·· 6

2.6 标签分发协议·· 7

2.6.1 LDP基本概念·· 8

2.6.2 LDP消息类型·· 8

2.6.3 LDP的标签分发和管理·· 9

2.6.4 LDP工作机制·· 10

3 典型组网应用·· 12

3.1 基于MPLS的VPN· 12

3.2 基于MPLS的流量工程·· 13

3.3 基于MPLS的QoS· 15

3.4 基于MPLS的6PE· 15

4 参考文献·· 16

 

1  概述

1.1  产生背景

Internet在近些年中的爆炸性增长为Internet服务提供商提供了巨大的商业机会，同时也对其骨干网络提出了更高的要求。用户希望IP网络不仅能够提供E-Mail、上网等服务，还能够提供宽带实时性业务。ATM（Asynchronous Transfer Mode，异步传输模式）曾经是被普遍看好的、能够提供多种业务的交换技术，但是ATM技术复杂，部署困难。而且实际的网络中已经普遍采用IP技术，不可能部署纯ATM网络取代IP网络。因此，用户希望在现有IP网络的基础上，结合ATM的优点，为其提供多种类型的服务。

MPLS（Multiprotocol Label Switching，多协议标签交换）就是在这种背景下产生的一种技术。它吸收了ATM的VPI（Virtual Path Identifier，虚路径标识符）/VCI（Virtual Channel Identifier，虚通道标识符）交换思想，无缝地集成了IP路由技术的灵活性和二层交换的简捷性。IGP（Interior Gateway Protocol，内部网关协议）、BGP（Border Gateway Protocol，边界网关协议）等路由协议负责收集路由信息，MPLS利用路由信息建立虚连接——基于标签的转发路径，在面向无连接的IP网络中增加了面向连接的属性，从而为IP网络提供一定的QoS（Quality of Service，服务质量）保证，满足不同类型服务对QoS的要求。

1.2  技术优点

MPLS具有以下优点：

·     利用短而定长的标签来封装网络层报文。MPLS网络中的路由器不再根据目的IP地址查找路由，而是根据标签转发报文，加快了转发速度。

·     报文转发路径上的各个节点通过分配标签，建立报文转发的虚拟通道，从而为网络层提供面向连接的服务。

·     支持各种链路层协议和网络层协议。MPLS位于链路层和网络层之间，它可以建立在各种链路层协议（如PPP、ATM、帧中继、以太网等）之上，为各种网络层（IPv4、IPv6、IPX等）提供面向连接的服务。

·     不仅支持各种路由协议，还支持基于策略的约束路由，可以满足各种新应用对网络的要求。

·     应用广泛。MPLS不仅提高了网络设备的转发速度，还可以用来构建VPN（Virtual Private Network，虚拟专用网）网络、实现流量工程、提供QoS保证等，受到大规模IP网络的青睐。

2  MPLS技术实现

2.1  概念介绍

1. 转发等价类

FEC（Forwarding Equivalence Class，转发等价类）是MPLS中的一个重要概念。MPLS实际上是一种分类转发技术，它将具有相同转发处理方式（目的地相同、使用转发路径相同或具有相同服务等级等）的报文归为一类，称为转发等价类。属于相同转发等价类的报文在同一个MPLS网络中将获得完全相同的处理。

FEC的划分方式非常灵活，划分依据可以是源地址、目的地址、源端口、目的端口、协议类型和VPN等的任意组合。目前，设备仅支持根据报文的网络层目的地址划分FEC。

2. 标签

标签是一个长度固定，仅具有本地意义的标识符，用于唯一标识一个报文所属的FEC。一个标签只能代表一个FEC。

如图1所示，标签长度为4个字节，由以下四个字段组成：

·     Label：标签值，长度为20bits，用来标识一个FEC。

·     TC（Traffic Class，流量等级）：3bits，用于QoS。该字段又称为Exp字段。

·     S：标签栈底标识位，长度为1bit。MPLS支持多重标签，即在链路层帧头和网络层报文头之间可以封装多个标签，形成标签栈。靠近链路层帧头的最外层标签为栈顶标签；靠近网络层报文头的最内层标签为栈底标签。S位为1时表示为栈底标签；S位为0时表示为非栈底标签。

·     TTL：8bits，和IP报文中的TTL意义相同，可以用来防止环路。

图1 MPLS标签的结构

 

如图2所示，如果链路层协议具有标签域，如ATM的VPI/VCI，则标签封装在这些域中；否则，标签封装在链路层报头和网络层报头之间的一个垫层中。这样，任意链路层协议都能够支持标签。

图2 标签的封装位置

 

 

3. 标签交换路由器

LSR（Label Switching Router，标签交换路由器）是具有标签通告能力和标签交换能力的设备，是MPLS网络中的基本元素。所有LSR都具有MPLS能力。由LSR构成的网络称为MPLS域。

4. 标签交换路径

属于同一个FEC的报文在MPLS网络中经过的路径称为LSP（Label Switched Path，标签交换路径）。

LSP是一条单向报文转发路径。在一条LSP上，沿数据传送的方向，相邻的LSR分别称为上游LSR和下游LSR。如图3所示，LSR B为LSR A的下游LSR，相应的，LSR A为LSR B的上游LSR。

图3 标签交换路径

 

5. 标签转发表

与IP网络中的FIB（Forwarding Information Base，转发信息表）类似，在MPLS网络中，LSR接收到带标签的报文后，通过查找LFIB（Label Forwarding Information Base，标签转发信息库）获取对应的标签操作类型、出标签值、下一跳等，以确定如何转发该报文。

6. 控制平面和转发平面

MPLS节点由两部分组成：

·     控制平面（Control Plane）：负责标签的分配、FEC—标签映射的交换、标签转发表的建立、标签交换路径的建立、拆除等工作；

·     转发平面（Forwarding Plane）：依据标签转发表对收到的报文进行转发。

2.2  MPLS体系结构

如图4所示，MPLS网络的基本构成单元是LSR。MPLS网络包括以下几个组成部分：

·     入节点Ingress：报文的入口LSR，负责为进入MPLS域的报文添加标签。

·     中间节点Transit：MPLS域内部的LSR，根据标签沿着由一系列LSR构成的LSP将报文传送给出口LSR。

·     出节点Egress：报文的出口LSR，负责剥离报文中的标签，并转发给目的网络。

Transit根据报文上附加的标签进行MPLS转发，位于MPLS域边缘的LSR负责MPLS与IP技术的转换。

图4 MPLS网络结构

 

LSP是从Ingress到Egress的一条隧道。LSP的建立过程实际就是将FEC和标签进行绑定，并将这种绑定通告给相邻的LSR，以便在LSR上建立标签转发表的过程。在报文转发路径上，数据报文的发送方路由器是一条LSP的上游LSR，接收方路由器是下游LSR。如图5所示，Device A为Device B的上游LSR，Device B为Device C的上游LSR。下游LSR将特定标签分配给特定FEC（即标签绑定）后，将标签通告给上游LSR；上游LSR保存标签和FEC的绑定关系。

报文在MPLS域内沿着LSP从Ingress传递到Egress。当上游LSR接收到某FEC的报文后，为报文添加下游为该FEC分配的标签，并转发给下游LSR。

图5 标签通告和报文发送示意图

 

2.3  LSP的建立

LSP的建立过程实际就是将FEC和标签进行绑定，在LSR上建立标签转发表的过程。LSP既可以通过手工配置的方式静态建立，也可以利用标签分发协议动态建立。

2.3.1  手工配置的方式建立静态LSP

建立静态LSP需要用户在报文转发路径中的各个LSR上手工配置为FEC分配的标签。建立静态LSP消耗的资源比较少，但静态建立的LSP不能根据网络拓扑变化动态调整。因此，静态LSP适用于拓扑结构简单并且稳定的小型网络。

2.3.2  利用标签分发协议动态建立LSP

标签分发协议是MPLS的信令协议，负责划分FEC、通告FEC—标签绑定、建立维护LSP等。

利用标签分发协议动态建立LSP的过程如图6所示。下游LSR根据目的地址划分FEC，为特定FEC分配标签，并将FEC—标签绑定关系通告给上游LSR；上游LSR根据该绑定关系建立标签转发表项。报文转发路径上的所有LSR都为该FEC建立对应的标签转发表项后，就成功地建立了用于转发属于该FEC报文的LSP。

图6 LSP建立过程

 

2.4  LSP的嵌套

一条LSP上相邻的上游LSR和下游LSR之间可能存在多跳，MPLS允许在它们之间建立一条新的LSP，这样上游LSR和下游LSR分别就是这条LSP的起点和终点。如图7所示，LSP 1<R1→R2→R3→R4>是第一层LSP隧道，LSP 2<R2→R21→R22→R23→R3>是第二层LSP隧道。

图7 LSP嵌套

 

MPLS通过在报文中插入多层标签（即标签栈）实现LSP的嵌套。标签栈按照“后进先出”方式组织标签，MPLS从栈顶开始处理标签。每一条LSP隧道的入口和出口处，分别进行标签的压入和弹出操作。在图7中，R1为报文压入第一层标签，R2为报文压入第二层标签；R3弹出报文中的第二层标签，R4弹出报文的第一层标签；在LSP 2上根据第二层标签转发报文，在LSP 1上根据第一层标签转发报文。

MPLS对标签栈的深度没有限制。若一个报文的标签栈深度为m，则位于栈底的标签为第一层标签，位于栈顶的标签为第m层标签。若一个报文的标签栈深度为零，则表示该报文未压入标签。

2.5  MPLS转发

2.5.1  MPLS转发过程

标签转发表记录了入标签、出标签、对标签执行的操作、出接口等信息。MPLS网络中，报文根据匹配的标签转发表项进行转发。

图8 MPLS转发过程示意图

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如图8所示，MPLS网络中报文的基本转发过程为：

(1)     Ingress（Device B）接收到不带标签的报文，根据报文的目的IP地址查找FIB表获取报文的出标签（40）、下一跳LSR（Device C）和出接口（Interface B1），为报文添加标签，并从相应的出接口将带有标签的报文转发给下一跳LSR。

(2)     Device C根据报文上的标签（40）查找LFIB表获取报文的标签操作（交换标签）、出标签（50）、下一跳LSR（Device D）和出接口（Interface C1），用新的标签（50）替换原有标签后，从相应的出接口将带有标签的报文转发给下一跳LSR。

(3)     Egress（Device D）接收到标签报文，根据报文上的标签（50）查找LFIB表获取报文的标签操作（删除标签）、下一跳LSR（Device E）和出接口（Interface D1），删除报文中的标签，从相应的出接口将不带标签的报文转发给下一跳LSR。如果LFIB表项中没有记录下一跳和出接口，则根据IP报文头查FIB表转发该报文。

2.5.2  倒数第二跳弹出

MPLS网络中，Egress节点接收到带有标签的报文后，查找标签转发表，弹出报文中的标签后，再进行下一层的标签转发或IP转发。由此可见，Egress节点转发报文之前要查找两次转发表：两次标签转发表，或一次标签转发表一次路由转发表。

在比较简单的MPLS应用中，倒数第二跳节点将报文转发给Egress后，位于栈顶的标签已经没有使用价值，Egress可以直接进行下一层的转发处理，即第一次转发表查找实际上是多余的。为了减轻Egress节点的负担，提高MPLS网络对报文的处理能力，可以利用倒数第二跳弹出PHP（Penultimate Hop Popping）功能，在倒数第二跳节点处将标签弹出，Egress节点只需查找一次转发表。

MPLS通过分配空标签实现倒数第二跳弹出。空标签分为：

·     隐式空标签：取值为3，这个值不会出现在标签栈中。如图9所示，当一个LSR发现下游LSR通告的标签为隐式空标签时，它并不用这个值替代栈顶原来的标签，而是直接弹出标签，并将报文转发给下游LSR（即Egress）。Egress接收到报文后，直接进行下一层的转发处理。

图9 隐式空标签示意图

 

·     显式空标签：取值为0。在某些情况下，Egress需要根据标签栈中的TC等信息决定QoS策略，此时利用显式空标签就可以在保留标签栈信息的同时，简化Egress节点的转发处理。Egress为FEC分配显式空标签并通告给上游LSR后，上游LSR用这个值替代栈顶原来的标签，并将报文转发给下游LSR（即Egress）。Egress收到标签值为0的报文时，不会查找标签转发表，从标签中获取TC等信息后，直接弹出标签栈，进行下一层的转发处理。

2.6  标签分发协议

标签分发协议是MPLS的信令协议，负责划分FEC、通告FEC—标签绑定、建立维护LSP等。标签分发协议的种类较多，有专为标签分发而制定的协议，如LDP，也有扩展后支持标签分发的协议，如BGP、RSVP-TE。

 

·     LDP：根据路由表确定LSP路径上的每一跳，LSP路径与原IP报文经过的路由是相同的。LDP建立的LSP没有均衡网络中各链路流量的功能，只能起到建立虚连接的作用。

·     RSVP-TE：携带带宽、部分显式路由、着色等约束参数，通过基于约束的路由算法，可以建立满足这些约束条件的LSP，从而实现流量工程、QoS等。RSVP-TE是对原有RSVP（Resource Reservation Protocol，资源预留协议）的扩展，基于Raw IP。由于Raw IP的传输是不可靠的，RSVP-TE需要对LSP的状态定期刷新。

·     扩展的BGP协议：主要应用于MPLS L3VPN网络中，可以为VPN分配内层标签，为MPLS L3VPN建立跨AS域的承载隧道。

本文以LDP为例，介绍标签通告协议的工作过程。

2.6.1  LDP基本概念

LDP协议规定了标签分发过程中的各种消息以及相关的处理过程。通过LDP，LSR可以把网络层的路由信息映射到数据链路层的交换路径上，进而建立起LSP。LSP既可以建立在两个相邻的LSR之间，也可以建立在两个非直连的LSR之间，从而在网络中所有中间节点上都使用标签交换。

1. LDP会话

LDP会话是指建立在TCP之上的LDP协议连接，用于在LSR之间交换FEC—标签映射（FEC-Label Mapping）。

2. LDP对等体

LDP对等体是指相互之间存在LDP会话、使用LDP来交换FEC—标签映射关系的两个LSR。LDP对等体通过它们之间的LDP会话获得对方的标签映射消息。

3. 标签空间与LDP标识符

标签空间（Label space）定义了标签的作用范围。有两种类型的标签空间：

·     每接口标签空间（per-interface label space）：LSR的每个接口拥有一个标签空间。

·     每平台标签空间（per-platform label space）：整个LSR使用一个标签空间。

目前，设备上只支持每平台标签空间。

LDP ID（LDP Identifier，LDP标识符）用于标识特定LSR的标签空间，是一个六字节的数值，格式如下：

<LSR ID>：<标签空间序号>

其中，LSR ID占四字节；标签空间序号占两字节，取值为0，表示每平台标签空间，取值为非0值时表示某个接口使用的标签空间。

LDP协议运行在IPv4网络和运行在IPv6网络中使用相同格式的LDP ID，且要求全局唯一。

4. FEC—标签映射

FEC—标签映射也称为FEC—标签绑定（FEC-Label Binding），是本地LSR设备上标签与FEC的对应关系。LDP通过Label Mapping消息将FEC—标签映射通告给对等体。

2.6.2  LDP消息类型

LDP协议主要使用四类消息：

·     发现（Discovery）消息：用于通告和维护网络中LSR的存在，例如Hello消息；

·     会话（Session）消息：用于建立、维护和终止LDP对等体之间的会话，例如用来协商会话参数的Initialization消息和用于维护会话的Keepalive消息；

·     通告（Advertisement）消息：用于创建、改变和删除“FEC—标签”映射关系，例如用来通告标签映射的Label Mapping消息；

·     通知（Notification）消息：用于提供建议性的消息和差错通知，例如Notification消息。

为保证LDP消息的可靠发送，除了发现消息使用UDP传输外，LDP的会话消息、通告消息和通知消息都使用TCP传输。

2.6.3  LDP的标签分发和管理

1. 标签通告方式（Label Advertisement Mode）

标签通告就是将为FEC分配的标签通告给其他LSR。

图10 标签通告方式

 

如图10所示，根据建立了会话的一对LSR中哪个LSR负责发起标签映射过程，标签通告方式分为：

·     DU（Downstream Unsolicited，下游自主方式）：下游LSR主动将FEC—标签映射通告给上游LSR，无需等待上游LSR的标签请求。在DU方式中，下游LSR负责发起标签映射过程。

·     DoD（Downstream On Demand，下游按需方式）：上游LSR请求下游LSR为FEC分配标签，下游LSR收到请求后，才会将该FEC的FEC—标签映射通告给请求标签的上游LSR。在DoD方式中，上游LSR负责发起标签映射过程。

目前，设备只支持DU标签通告方式。

 

2. 标签分发控制方式（Label Distribution Control Mode）

根据通告FEC—标签映射前是否要求收到下游的FEC—标签映射，标签分发控制方式分为独立标签分发控制方式（Independent）和有序标签分发控制方式（Ordered）。

·     独立标签控制方式：LSR可以在任意时间向与它连接的LSR通告FEC—标签映射。使用这种方式时，LSR可能会在收到下游LSR的FEC—标签映射之前就向上游通告了FEC—标签映射。如图11所示，如果标签通告方式是DU，则即使没有获得下游的FEC—标签映射，也会直接向上游LSR通告FEC—标签映射；如果标签通告方式是DoD，则接收到标签请求的LSR直接向它的上游LSR通告FEC—标签映射，不必等待来自它的下游的FEC—标签映射。

图11 独立标签控制方式

 

·     有序标签控制方式：LSR只有收到它的下游LSR为某个FEC通告的FEC—标签映射，或该LSR是此FEC的出口节点时，才会向它的上游LSR通告此FEC的FEC—标签映射。图11中的标签通告过程采用了有序标签控制方式：如果标签通告模式为DU，则LSR只有收到下游LSR通告的FEC—标签映射，才会向自己的上游LSR通告FEC—标签映射；如果标签通告模式为DoD，则下游LSR（Transit）收到上游LSR（Ingress）的标签请求后，继续向它的下游LSR（Egress）发送标签请求，Transit收到Egress通告的FEC—标签映射后，才会为Ingress通告FEC—标签映射。

3. 标签保持方式

根据LSR是否保持收到的、但暂时未使用的FEC—标签映射，标签保持方式分为：

·     自由标签保持方式（Liberal）：对于从相邻的LSR收到的标签映射，无论邻居LSR是不是指定FEC的下一跳都保留。这种方式的优点是LSR能够迅速适应网络拓扑的变化，但是由于需要保留所有不能生成LSP的标签，浪费了内存等系统资源。

·     保守标签保持方式（Conservative）：对于从相邻的LSR收到的标签映射，只有当邻居LSR是指定FEC的下一跳时才保留。这种方式的优点是节省标签，但是对拓扑变化的响应较慢。

目前，设备只支持自由标签保持方式。

2.6.4  LDP工作机制

LDP协议既可在IPv4网络或IPv6网络中运行，也可在IPv4和IPv6并存的网络中运行，LDP在IPv4和IPv6网络中的工作过程基本相同。

LDP的操作主要包括以下三个阶段：

(1)     对等体发现与维护

(2)     会话建立与维护

(3)     LSP建立与维护

1. 对等体发现与维护

使能了LDP能力的LSR周期性地发送Hello消息，通告自己的存在。通过Hello消息，LSR可以自动发现它周围的LSR邻居，并与其建立Hello邻接关系。

LDP有两种发现机制：

·     基本发现机制

基本发现机制用于发现本地直连的LSR邻居，即通过链路层直接相连的LSR。

在这种方式下，LSR周期性地向组播地址224.0.0.2（IPv4网络）或FF02:0:0:0:0:0:0:2（IPv6网络）发送LDP的Link Hello消息，以便链路层直接相连的LSR发现此LSR，在IPv4和IPv6共存的网络中，LSR会向直连LSR同时发送IPv4 Link Hello消息和IPv6 Link Hello消息，并与邻接LSR同时保持IPv4 Link Hello邻接关系和IPv6 Link Hello邻接关系。

·     扩展发现机制

可用于发现远端非直连的LSR邻居，即不通过链路层直接相连的LSR。这种方式下，LSR周期性地向指定的IP地址发送LDP的Targeted Hello消息，以便指定IP地址对应的LSR发现此LSR。如果指定的地址为IPv4地址，则发送IPv4 Targeted Hello消息；如果指定的地址为IPv6地址，则发送IPv6 Targeted Hello消息。扩展发现机制主要应用于LDP会话保护、LDP over MPLS TE、MPLS L2VPN和VPLS。

LSR可以与直连的邻居同时建立Link Hello和Targeted Hello两种邻接关系。

LDP对等体之间通过周期性地发送Hello消息来维护Hello邻接关系。如果Hello保持定时器超时时仍没有收到新的Hello消息，则删除Hello邻接关系。

2. 会话建立与维护

通过交互Hello消息发现LSR邻居后，LSR开始与其建立会话。这一过程可分为两步：

(1)     建立传输层连接，即在LSR之间建立TCP连接，在IPv4和IPv6共存的网络中LSR会优先建立IPv6 TCP连接，如果建立IPv6 TCP连接失败，则会尝试建立IPv4 TCP连接。

(2)     通过交换会话初始化消息对LSR之间的会话进行初始化，协商会话中涉及的各种参数，如LDP版本、标签通告方式、Keepalive保持时间等。如果会话参数协商通过，则LSR之间成功建立LDP会话。

会话建立后，LDP对等体之间通过发送LDP PDU（LDP PDU中携带一个或多个LDP消息）来维护这个会话。如果在Keepalive报文发送时间间隔内，LDP对等体之间没有需要交互的信息，则LSR发送Keepalive消息给LDP对等体，以便维持LDP会话。如果Keepalive保持定时器超时时，没有收到任何LDP PDU，LSR将关闭TCP连接，结束LDP会话。

一个LDP会话上可能存在多个Hello邻接关系。当LDP会话上的最后一个Hello邻接关系被删除后，LSR将发送通知消息，结束该LDP会话。

相邻LSR之间只会建立一个LDP会话，可在此会话中同时交互IPv4 FEC—标签映射和IPv6 FEC—标签映射。

LSR还可以通过发送Shutdown消息，通知它的LDP对等体结束LDP会话。

3. LSP建立与维护

LDP通过发送标签请求和标签映射消息，在LDP对等体之间通告FEC—标签映射关系，从而建立LSP。

图12 LSP建立过程

 

如图12所示，以DU模式、Ordered方式为例，利用标签分发协议动态建立LSP的过程为：

(1)     网络的路由改变时，边缘节点（LSR D）发现自己的路由转发表中出现了新的目的地址，并且这一地址不属于任何现有的FEC，则LSR D为这一目的地址建立一个新的FEC。

(2)     如果LSR D尚有可供分配的标签，则为FEC分配标签，并向上游LSR C通告标签映射。

(3)     LSR C收到标签映射后，判断标签映射的发送者（LSR D）是否为该FEC的下一跳。若是，则在其标签转发表中增加相应的条目，为FEC分配标签，并继续向上游LSR B通告标签映射。

(4)     同样地，LSR B收到标签映射后，判断标签映射的发送者（LSR C）是否为该FEC的下一跳。若是，则在其标签转发表中增加相应的条目，为FEC分配标签，并继续向上游LSR A通告标签映射。

(5)     入口LSR（LSR A）收到标签映射后，判断标签映射的发送者（LSR B）是否为该FEC的下一跳。若是，则在其标签转发表中增加相应的条目。

这时，就成功建立了LSR A－LSR B－LSR C－LSR D的LSP。LSR A收到该FEC对应的报文后，就会沿着这条LSP进行标签转发。

3  典型组网应用

MPLS技术结合了二层交换技术和三层路由技术，提高了报文的转发速度。但是，随着ASIC（Application-Specific Integrated Circuit，专用集成电路）技术的发展，报文转发速度不再是阻碍网络发展的瓶颈。这使得MPLS在提高转发速度方面不具备明显的优势。

但由于MPLS结合了IP网络强大的三层路由功能和二层网络高效的转发机制，在转发平面采用面向连接方式，与现有二层网络转发方式非常相似，这些特点使得MPLS能够很容易地实现IP与ATM、帧中继等二层网络的无缝融合，并为VPN、TE和QoS等应用提供更好的解决方案。

3.1  基于MPLS的VPN

传统的VPN一般是通过GRE、L2TP、PPTP等隧道协议来实现私有网络间数据流在公网上的传送，而LSP是通过标签交换形成的隧道，因此，用MPLS实现VPN具有天然的优势。

基于MPLS的VPN就是通过LSP将私有网络的不同分支连接起来，形成一个统一的私有网络。

图13 基于MPLS的VPN

 

如图13所示，MPLS VPN网络由三部分组成：

·     CE（Customer Edge，用户网络边缘）设备：直接与服务提供商网络相连的用户网络侧设备。CE“感知”不到VPN的存在，也不需要支持MPLS。

·     PE（Provider Edge，服务提供商网络边缘）设备：与CE相连的服务提供商网络侧设备。在MPLS网络中，对VPN的所有处理都发生在PE上。PE负责对VPN用户进行管理、建立各PE间的LSP连接。

·     P（Provider，服务提供商网络）设备：服务提供商网络中的骨干设备，不与CE直接相连。P设备只需要具备基本MPLS转发能力，仅根据外层标签对VPN报文进行MPLS转发，无须参与VPN用户管理及相关表项的创建和维护。

MPLS VPN分为MPLS L3VPN和MPLS L2VPN：

·     MPLS L3VPN：服务提供商VPN解决方案中一种基于PE的三层VPN技术，它利用MP-BGP在服务提供商骨干网上发布VPN路由，通过MPLS在服务提供商骨干网上转发VPN报文。

·     MPLS L2VPN：基于MPLS网络的二层VPN服务，使运营商可以在MPLS网络上透明地传输用户二层数据。从用户的角度来看，MPLS网络是一个二层交换网络，可以在不同节点间建立二层连接。

3.2  基于MPLS的流量工程

网络拥塞是影响骨干网络性能的主要问题。拥塞的原因可能是网络资源不足，也可能网络资源负载不均衡，导致局部拥塞。流量工程可以解决负载不均衡导致的拥塞。

图14 建立流量工程的网络

 

流量工程通过动态监控网络的流量和网络单元的负载，实时调整流量管理参数、路由参数和资源约束参数等，使网络运行状态迁移到理想状态，优化网络资源的使用，避免负载不均衡导致的拥塞。如图14所示，从Device A到Device H存在两条路径：Device A－Device C－Device G－Device F－Device H和Device A－Device C－Device D－Device E－Device F－Device H，前者的带宽为40M，后者的带宽为100M。流量工程可以根据带宽等因素合理地分配流量，从而有效地避免链路拥塞。例如，Device A到Device H存在两种业务，流量分别为40M和70M，流量工程可以把前者分配到带宽为40M的路径上，将后者分配到带宽为100M的路径上。

MPLS本身具有一些不同于IGP的特性，其中就有实现流量工程所需要的，例如：

·     MPLS支持显式指定LSP所经过的路径；

·     标签转发比传统IP转发更便于管理和维护；

·     基于MPLS的流量工程的资源消耗较其它实现方式更低。

MPLS TE结合了MPLS技术与流量工程，通过建立到达指定目的地的LSP隧道进行资源预留，使网络流量绕开拥塞节点，达到平衡网络流量的目的。MPLS TE具备以下优势：

·     在建立LSP隧道的过程中，可以预留资源，保证服务质量；

·     LSP隧道有优先级、带宽等多种属性，可以方便地控制LSP隧道的行为；

·     通过备份路径和快速重路由技术，在链路或节点失败的情况下提供保护；

·     建立LSP隧道的负荷小，不会影响网络的正常业务；

·     与基于ITU-T Y.1711的MPLS OAM（Operation, Administration and Maintenance，操作、管理和维护）机制和基于ITU-T Y.1720的保护倒换机制配合，检测整条LSP隧道的连通性，并在LSP隧道出现故障时，进行保护倒换。

正是这些优势，使得MPLS TE成为非常吸引人的流量工程方案。通过MPLS TE技术，服务提供商能够充分利用现有的网络资源，提供多样化的服务。同时可以优化网络资源，进行科学的网络管理。

3.3  基于MPLS的QoS

人们希望IP网络能够为语音、视频等数据流提供有带宽保证的低延时、低丢包率的服务，这就要求在IP网络上实现一定的QoS保证。Diff-Serv是IP网络上常用的QoS机制。

Diff-Serv的基本思想是在网络边缘，根据业务的服务质量要求将该业务映射到一定的业务类别中，利用IP报文中的DSCP（Differentiated Services Code Point，差分服务编码点）字段唯一的标记该类业务。骨干网络中的各节点根据该字段对各种业务采取预先设定的服务策略，保证相应的服务质量。

Diff-Serv的这种对服务质量的分类和MPLS的标签分配机制十分相似，将DSCP分配与MPLS标签分配过程结合可以实现基于MPLS的Diff-Serv。标签结构中的Exp域用来携带DSCP信息。

3.4  基于MPLS的6PE

6PE（IPv6 Provider Edge，IPv6供应商边缘）是一种IPv4到IPv6过渡的技术。通过6PE技术，ISP（Internet Service Provider，因特网服务提供商）可以利用已有的IPv4骨干网为分散的IPv6网络提供接入能力，使得IPv6孤岛的CE路由器穿过当前已存在的IPv4 PE路由器进行通信。

图15 基于MPLS的6PE

 

如图15所示，在基于MPLS的6PE网络中：

(1)     PE和CE之间利用IPv6路由协议交换IPv6路由信息。

(2)     PE之间利用MP-BGP交换IPv6路由信息，并为IPv6前缀分配MPLS标签。

(3)     IPv4骨干网络中PE和P之间利用IPv4路由协议交换路由信息，并利用MPLS在PE之间建立LSP。

图16 6PE的报文转发过程

 

基于MPLS的6PE网络中，IPv6报文转发过程如图16所示。IPv6报文在IPv4骨干网中转发时，需要携带两层标签。其中，内层（Layer2）标签为IPv6前缀对应的标签，外层（Layer1）标签为PE之间LSP的标签。

通过基于MPLS的6PE技术，ISP只需要升级PE路由器，就可以实现利用原有的IPv4/MPLS网络连接IPv6网络。所以对于ISP来说，使用基于MPLS的6PE技术作为IPv6过渡机制无疑是一个高效的解决方案。

4  参考文献

·     RFC 3031：Multiprotocol Label Switching Architecture

·     RFC 3032：MPLS Label Stack Encoding

·     RFC 5036：LDP Specification

·     RFC 3034：Use of Label Switching on Frame Relay Networks Specification

·     RFC 3035：MPLS using LDP and ATM VC Switching

·     RFC 2547：BGP/MPLS VPNs

·     RFC 2283：Multiprotocol Extensions for BGP-4

·     RFC 2430：A Provider Architecture for Differentiated Services and Traffic Engineering (PASTE)

·     RFC 2702：Requirements for Traffic Engineering Over MPLS

·     RFC 4090：Fast Reroute Extensions to RSVP-TE for LSP Tunnels