MPLS关键技术分析

殷国恒

（民航中南空管局通信网络中心，广东广州，510405）

0　引言

多协议标签交换，英文全称为MultiProtocol Label Switching，是最近几年出现的一种利用第二层交换能力提高第三层路由转发速度的新技术。MPLS技术为提升Internet网络的承载能力和管理能力等提供了很好的解决方案，有效地提升了信息系统的处理能力，其可以简化传统的IP over ATM中复杂的叠加模式，实现了IP系统与ATM系统的无缝融合。同时，MPLS也为Internet业务量工程以及虚拟专用网络等提供了更加有效的工具。因此本文重点针对MPLS系统中的层次化标签交换和标签合并两项技术进行了重点分析。

1　MPLS体系结构

一般来说，MPLS协议层所完成的功能在OSI系统中没有相对应的位置，因此同行将MPLS协议层描述为处于2.5层的一个协议类型，位于网络层和数据链路层之间。传统的数据分组的转发都是通过硬件接收层—软件层路由—硬件层转发来完成的，而MPLS通过特定的机制将网络层的转发路径完整的映射到了数据链路层的交换路径中，从而简化了数据分组的转发。MPLS完成这种映射的先决条件是事先在每个IP数据分组前添加一个标签，然后在经过的路由器中建立对应的标签信息表，然后在转发过程中就直接根据标签和标签信息表中的数据即可进行转发，而不需要通过中间路由器的查询即可完成。MPLS中的一个重要的组成部分就是标签，每一个标签规定长度为20bits，加上4bits的附加比特和8bites的TTL，一起构成32bites的Shim Header。

2　MPLS中的关键技术

2.1　层次化标签交换

MPLS中的层次化标签交换是通过Label Stack来实现的，这些Label Stack以先进后出的堆栈形式进行组织，就称为Label栈。在IP网络中为了解决网络可扩展性问题引入了网络分层结构，整个IP网络由各个自治域组成，在自治域内又分为不同的区域，网络分层后通过不同层次间的路由汇聚可以大大减小路由表的表象，从而使得在网络规模不断扩大以后路由表仍然能够保持一个合理的大小。在网络的传统路由汇聚机制中，底层网络的具体路由信息在高层网络中被掩盖了。同时同层内的网络路由信息只会在一个区域内交换传递，不会扩散到其它区域中去。这样就只能在同层同区域的LSP 之间建立，不能建立同层不同区域内LSR间的LSP。因此，在MPLS中建立完全只在第二层交换的端到端的LSP有很大的困难，在网络层次和区域的边缘，数据分组总是要回到第三层做传统的路由转发。这个局限性使得第二层交换的优势还不能够充分地发挥对于一些特定业务的数据流，对LSP的要求可能很高，对网络延时可能有很强的敏感性，传送这些业务的数据分组时，一条端到端的完全由第二层交换完成的高效LSP就很有必要建立。另外，为减轻边缘MPLS第三层路由的负担，建立一定数量的穿越边缘LSP的LSP也是值得考虑的。为解决这样的问题可以通过路由注入的方法，即将区域外的路由信息传递到区域的内部来。如将Area2中162.105.1的路由信息传递到Area1中，并建立相应表项，Area1与Area2间就可以以某种方式建立起端到端的LSP。但这种方法违背了层次化网络减少路由信息的原则，同时也缺少相应的建立机制，增加了协议设计的复杂度。如何在保证业务服务质量与降低网络复杂度之间获得平衡是个非常重要的问题，同时也是比较难以解决的。由于MPLS Hierarchy与Routing Hierarchy之间的关系比较复杂，导致在网络中难以获得一致的MPLS Hierarchy的配置。一个可能的方案是将一个MPLS域局限在一个IP路由区域内。这样的好处是能与目前已有的协议体系较好地适应，能获得较多厂商的支持。

2.2　标签合并

MPLS中实现标签交换的办法就是在每个LSR中建立标签交换表，每个表项都包括有入口标签和出口标签等基本信息。一般情况下，入口和出口标签应该是一一对应的。但在某些情况下将会出现在标签交换表中入口标签多于出口标签，如上游LSR的Label Granularity出于本地LSR的Label Granularity，或者由于硬件限制，需要为同一FEC在不同网络接口发布不同的入口Label。这些都造成一个FEC的入口Label多于出口Label。标签交换表将变为下面形式。

如果一个LSR能够将多个入口Label映射到单一的出口Label，则称该Label具有Label Merging的能力。根据这一点可以将LSR分为Non-Merging LSR和Merging LSR。Merging LSR在标签交换表中表现为多对一的标签交换，在网络中则体现为LSR的合并。LSR能够有效合并是LSR解决平方问题的根本，也是LSR保证可扩展性的关键。Non网络中LSR的合并需要靠Label来实现。对于专用的Label容易实现。对于采用软件升级的Non-Merging LSR存在信元交织的问题。解决信元交织问题的方案有Merging和Merging但实现上两者还各有不同的问题需要解决。前者是硬件上具有复杂度，后者是协议上具有复杂度。因此目前VR Merging体系结构中权衡选择的结果是最好两者都支持，这意味着每LSR需要知道相邻FEC采用的是何种Merging LSR方式，从而采取不同的标签分配和交换方式。在简单实现多对一的时侯会出现信元交织ATM-LSR的问题。如图1，三个V1数据包ATM-LSR在ATM-LSR网络中被拆分成信元，分别被加以不同的标签（即Merging LSR）发往ATM-LSR。在ATM-LSR处决定要将Non-Merging三个Non合并，于是ATM-LSR经过交换后都变为ATM-LSR作为出口标签。在经过后， 属于不同LSR;: 的信元将不再是次序排列，而是以一种随机的次序排列，如Merging LSR的信元中夹有MERGING的信元。这样，在最终某个网络节点需要将LSR信元恢复成ATM-LSR时，恢复的数据包将会发生错误和数据丢失的情况。这种错误就是因为发生了信元交织所引起的。

图1　层次化的标签交换

3　结束语

本文系统分析了MPLS中的结构性能与工作机理，并着重介绍了两种基于MPLS的关键技术类型，即层次化标签交换和标签合并。分析结果指出，这两个技术系统对于构建一个稳定的MPLS系统具有重要的意义，但是也存在诸多问题亟待解决。为此，相关行业的从业人员有必要针对具体情况和实际问题进行深层次的挖掘和研究，并构建一个相对完整的网络。