MPLS技术的发展及应用

1、概述
　　5/9/2008,MPLS（Multi-Protocol Label Switching，多协议标签交换）是一种在通信网内利用定长的标签来引导数据高速传输和交换的网络技术。它是基于标签的IP路由选择方法，采用简化了的技术来完成第三层和第二层的转换。它可以为每个IP数据包提供一个标签，将标签与IP数据包封装于新的MPLS数据包中，并决定IP数据包的传输路径以及优先顺序。通过MPLS，可以实现增强的流量工程，还可以使用MPLS流量工程功能实现负载均衡，这些相对简明的流量工程应用为利用MPLS使服务供应商和企业改善整体网络管理、更好地利用可用带宽提供了最具吸引力的机会。MPLS还可以实现或增强VPN、快速迂回路由和QoS等功能。此外，它可以增加新的功能，而不必改变标签交换转发模式（即不必进行硬件升级）。在一定程度上，MPLS可以视为改进的ATM，因为它通常被定位成一种统一技术，可以通过一个网络设施支持各种服务。

2、MPLS与现有网络的互通

　　现有的ATM、FR、DDN、PSTN还将在很长一段时间内存在，并发挥各自作用，给运营商带来收入和利润。因此，就要求MPLS支持FR、ATM、IP、Ethernet等技术，并可实现平滑过渡与升级。因而，存在ATM-MPLS互通，Voice-MPLS（MPLS上的语音承载），TDM-MPLS互通和FR-MPLS互通等。MPLS与其他网络互通类似于过去的ATM与其他网络互通，其一般参考网络结构如图1所示。其中，IWF是一个功能模块，可以是一个独立的物理设备，也可以集成在其他设备（如MPLS LER）中，商用中后者通常更多些。

        图1　MPLS互通的一般参考网络结构

3、MPLS技术的发展方向
　　3.1　MPLS技术在传输网中的发展
　　GMPLS（通用多协议标签交换）对MPLS中的路由和信令协议做了适当增补后，可用于分组交换、TDM以及波长交换业务，它将IP智能（包括各种QoS）引入了所有类型的业务，简化业务配给，改进了保护和恢复方案，具备为网络各层提供一个基于IP的公共控制平面的能力。为了满足传输网的需求，GMPLS增加了控制通道用于节点间交换控制平面信息，增加了链路管理协议用于校验承载通道的有效性、自动提供业务和故障隔离，并增加了多链路绑定和嵌套LSP等新特性。GMPLS的优势在于能提供跨网络层次的流量工程、业务恢复和保护的集成以及快速业务部署。
　　传输网络的带宽随着用户需求的提升而不断增加，越来越多的DWDM设备和光交换设备将被部署在核心网络，原有的SDH、IP和ATM设备将被迁移到网络边缘并向用户提供服务。这些设备将实时地、动态地要求核心网络建立波长粒度带宽的点到点连接。显然，GMPLS能很好地满足上述传输网络演进需求。目前，WDM技术能在一根光纤上提供多个通道；IP业务成为将来网络的主导业务；SDH设备仍将在网络边缘长期存在（因终端用户的带宽需求在很长时期内达不到一个波长能提供的带宽）；传输网络核心设备OXC将向WDM与IP结合的方向演进；网络控制平面必须兼顾SDH层和光层需求；网络结构将向ASTN（Automatically Switched Transport Network，自动交换传输网）演进。由于GMPLS能向所有的传输层提供一个统一的、简单的解决方案，并能简化多个传输层面的集成工作，所以将成为ASTN控制层面的重要组成部分。

　　3.2　MPLS在无线移动通信网中的发展
　　WMPLS（无线多协议标签交换）协议是MPLS协议在无线网络中的扩展，其原理和MPLS相同。在无线通信网络中（这里主要指无线接入网部分），WMPLS采用流控和差错控制机制，新增了可靠性和传输效率保证功能。该功能基于空中信道的实际情况，控制数据包的传输，保持约定的流量参数，降低误码率和丢包率。在无线通信网络和骨干网络的边界处，WMPLS引入一种翻译功能，移除WMPLS添加的额外包头和控制信息，并把标准格式的MPLS数据包发送至骨干网。目前，WMPLS协议的标准化过程仍在进行中，支持WMPLS的设备还很少。WMPLS能提供可靠的高速数据传输，保证业务的QoS并支持DiffServ和流量工程，必将成为无线通信网络支持实时流媒体业务的最优解决方案。
　　3.3　MPLS在移动IP中的发展
　　移动IP的IP-in-IP隧道技术用于转发的报头开销大，对网络的负荷重，且要查找两次路由表，无法实现快速转发；其他节点（关联节点）发往移动节点的数据包是经由归属代理、外地代理，然后才转发到移动节点，严重浪费网络带宽资源，即“三角路径”问题。经过优化的移动IPv4标准，可使由关联节点发往移动节点的数据包直接发往移动节点的移交地址，这种经过优化的路由在时延和资源消耗方面都优于“三角路径”，并且减少了归属代理与外地代理之间隧道的负荷。但是，最好的解决方案是通过向移动IP网络增加MPLS功能，在任何一个关联节点和任何一个移动节点之间建立有相应QoS保障的MPLS LSP，可以实现数据包的快速交换并可避免IP-in-IP开销和“三角路径”问题，能够很好地满足未来的实时和多媒体移动业务对不同服务等级的要求。因此，在移动IP网络中引入MPLS功能将成为构造移动IP网络的重要解决方案之一。

4、MPLS技术的应用
　　4.1　MPLS-TE技术
　　MPLS-TE就是在MPLS网络上的流量工程，是指为业务流选择路径的处理过程，以在网络中不同的链路、路由器和交换机之间均衡业务流负载。其主要目标是在两个节点之间计算一条路径（源路由），该路径不违反它的约束（例如带宽/管理要求），并且从一些数量指标看来是最优的。
　　首先分析一下IGP选路带来的问题，如图2所示。在基于IGP路由技术（例如OSPF）选路的情况下，通常R8到R5的流量会选择路径R8→R2→R3→R4→R5；而R1到R5的流量会选择路径R1→R2→R3→R4→R5；如果R8到R5的流量为20 Mbit/s，R1到R5的流量为40 Mbit/s，则在R2-R3的链路上存在60 Mbit/s流量（由于R2-R3的链路带宽为155 Mbit/s，所以没有问题），然而R3-R4的链路带宽仅为34 Mbit/s，此时就会有26 Mbit/s流量被丢弃，所以最后R5收到的流量也只有34 Mbit/s；而此时拓扑下方的路径R2→R6→R7→R4处于空闲，这就出现了流量的不均衡，需要工程师手动调整IGPMetric值，操作繁琐。

          图2　基于IGP技术的选径拓扑结构
　　如果启用MPLS-TE技术，拓扑结构如图3所示。假设R8-R5已经建立Tunnel路径为R8→R2→R3→R4→R5，此时R1也需要建立到R5的Tunnel，通过资源预留协议会发现R3-R4的剩余带宽为14 Mbit/s，无法满足R1→R5需要的40 Mbit/s，所以R1→R5的Tunnel路径会选择R1→R2→R6→R7→R4→R5，这样链路基本达到了均衡。

          图3　基于MPLS-TE技术的选径拓扑结构

　　4.2　MPLS应用于接入网络

　　MPLS虚拟电路支持多种“虚”拓扑，可以根据用户的要求设计网络。客户业务可以是点到点（可以替代透明的租用线）、点到多点或者多点到多点，并且对于用户网络的拓扑、协议和地址结构都是透明的。运营商可以灵活地用SONET、WDM甚至是光以太网作为传输层，而在这些网络上层建立一个MPLS层，用来完成具有QoS保障的统计复用，并在MPLS层之上建立一个标准的业务层，用来满足每个业务流的SLA，如图4所示。

          图4　分层网络模型

　　4.3　Trainet技术
　　Trainet是MPLS的一个扩展方案，因其运行机制类似大型市区的地铁网络而得名。Trainet技术对MPLS的改进主要基于两点。首先，引入<标签，跳数>对代替传统MPLS网络中使用的标签，其中跳数表示在标签指定的LSP上数据包还要经过的LSR个数。其次，利用多个<标签，跳数>对组成序列使得不同TL前后衔接，构成一条多TL路由，就如同地铁乘客在到达目的地之前要多次换乘不同列车一样。Trainet技术的应用必须满足两个条件：首先，由于引入了<标签，跳数>对，使每个LSR都必须具有判断到达数据包中跳数值是否为0以及对跳数值进行减1的功能，因此这项技术必须得到LSR的硬件支持；其次，在多TL路由技术中，需要利用MPLS的堆栈机制，LSR应具有压入和弹出标签的功能。

　　4.4　MPLS-VPN技术
　　MPLS-VPN能够利用公用骨干网络强大的传输能力，降低企业内部网络/因特网的建设成本，极大地提高用户网络运营和管理的灵活性，同时能够满足用户对信息传输安全性、实时性、宽频带和方便性的需要。与传统的VPN不同的是，基于MPLS的VPN是通过LSP将私有网络在地域上的不同分支连接起来，形成一个统一的网络。它支持不同分支间IP地址复用，并支持不同VPN间互通。MPLS-VPN技术适用于具有以下明显特征的企业：高效运作、商务活动频繁、数据通信量大、对网络依靠程度高、有较多分支机构，如网络公司、IT公司、金融业、贸易行业、新闻机构等。

5、结束语
　　作为通信网络的关键技术之一，MPLS相对于其他技术，在流量工程、QoS保证、VPN以及IP电信网等业务提供方面有着无以伦比的优势，逐渐成为高效的IP骨干网技术平台。通过增强MPLS自身的OAM能力，以及在MPLS管理能力基础上提供网络管理和业务管理软件，必将加快MPLS的应用进程，使具有MPLS能力的IP网络真正达到可管理、可运营。而Trainet、MPLS-TE以及MPLS-VPN等技术，在改善网络性能的同时提高了可扩展性。这些新技术无疑将推动MPLS网络向着更完善、更灵活、可用性更高的方向继续发展。(中国联通新闻网)