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构建Internet核心网络
一、前言
基于IP应用业务的发展，要求Internet网络从单一“尽力”服务网络向真正多业务区分服务网络发展。IETF草案：“多协议标签交换（MPLS）框架”文件中，将构造IP核心网络的方法归为三种。目前使用的有两种：数据报路由器网络和运行在ATM上面的数据报路由器网络；第三种方法是MPLS实现的IP网络。本文概要介绍和比较这三种方法；着重介绍MPLS网络以及用ATM交换机实现 MPLS的混合网络节点。
二、三种方法及其比较
1、数据报路由器网络
通过物理链路互连数据报路由器构成的网络，这种网络也称为常规路由器网络。数据报路由器简称路由器，它主要由路由协议部件和转发部件两部分组成；在转发部分连接有多个输入和输出链路。
路由协议部件使用RIP、OSPF和BGP路由协议与相邻的网络节点之间交换路由消息，维持和更新本节点的路由表；路由表由多个包含目的地地址和下一跳地址的表项组成。转发部件根据输入IP分组头中的目的地地址，查找路由器表获得下一跳地址，再映射到特定的输出链路输出。
数据报路由器网络中，每个节点都维持有自己的路由表、独立地对每个输入分组寻路，称为逐跳地寻路。低端路由器的转发部件与路由协议部件一样，主要是通过软件实现，其通过量小，例如几千到几十千PPS；而千兆比路由器转发部分采用硬件实现，包括根据输入头目的地地址查找路由、从输入到输出的传送分组过程均由硬件完成，比软件转发提高3个数量级以上，达到几兆到几十兆PPS的通过量。
2、ATM上面的数据报路由器网络
通过ATM虚拟链路互连数据报路由器构成的网络，这种网络也称为ATM叠加的（常规）路由器网络。这种叠加网络中，ATM网络是物理网络（图中的实线网络）、IP网络是逻辑网络，两者的网络拓扑可以不同。ATM叠加的路由器网络比前一种网络方法的好处是能有效地实现网络流量工程（TE）。
网络流量工程是指根据网络流量矩阵规划，进行网络各个节点容量和中继线带宽的设计。网络流量矩阵要表列出网络业务所有的源和／或目的地点，以及每个源点到所有目的地点的业务量。网络用户线上的流量（即业务源点发送到网络的业务量和／或国的地点从网络接收的业务量）是一个规划的确定值；在所有网络用户线上的流量（即网络流量矩阵规划）确定的情况下，网络节点之间中继线上的流量是随路由的变化而变化的。
按上述，流量工程是根据网络流量矩阵，在确定的网络拓扑和路由条件下，获得满足性能要求节点容量和中继线带宽设计；那么，对于已有的网络能否利用流量工程机制获取好处，答案是肯定的。流量工程的主要作用是平衡网络负荷，即避免有些中继线过负荷产生阻塞、 而有些中继线利用不够或空闲，达到有效地利用网络资源和改善网络服务质量的目的。流量工程不是解决所有的阻塞问题，例如：用户线上发生的阻塞、经过精心设计路由后网络仍发生阻塞，这些阻塞只能靠网络扩容解决。
流量工程是要靠控制流的路径来平衡负荷。路由器网络中，采用的是逐跳地寻路方式，即每个网络节点独立地寻路领的源节点发出流后不能预先知道或控制其流经网络的路径。与逐跳地寻路相对应的是显式寻路，即流的源节点发出流的同时指定流经过网络的路径。对于数据报路由器网络，要使用显式路由，流的源节点对所发出需显式寻路的每个IP分组，都要在它们的头中带上沿途所有路由器的IP地址；而ATM叠加的数据报路由器网，只要按流量工程需要，在对应的路由器之间建立对应带宽的虚拟链路。因此，ATM叠加的数据报路由器网能更简单、有效地实现流量工程要求。
3．MPLS网络
多协议标签交换（MPLS）网络的网络节点称为标签交换路由器（LSR）。LSR由路由协议部件、标签分配协议（LDP）部件和转发部件组成。LSR是在数据报路由器基础上增加了一个LDP部件。
MPLS网络技术的关键想法有两点：
①引入有连接方式。LDP的作用就是将第3层路由协议部件获得的路径信息映射到第2层的连接。LDP又称为MPLS信令控制协议。相邻的LSR之间执行LDP过程，对特定的IP流，商议使用一致的输出标签和输入标签，标签是短（固定长度4字节）信息。在ATM实现MPLS时，标签就是VPI／VCI；对特定的IP流，通过LDP过程商议使用VPI／VCI值。同ATM网络中的VPI／VCI只具有本地含义一样，MPLS网络中的标签也只具有本地含义。MPLS网络中由本地标签串接构成的通路称为标签交换通路（LSP），这种通路在ATM网络中称为虚电路（VC）。但应注意：LSP 是单方向的，是指向目的地的；而VC是双方向的，即双向使用相同的VPI／VCI值。
②对于IP流的传送区分核心和边缘功能。MPLS网络中为了方便地区分，有时把边缘节点功能称为标签边线路由器（LER）、把核心节点功能称为标签交换路由器（LSR）。边缘节点的功能是：对输入（本标签的）IP流分类为转发等价类（FEC），再对特定的FEC加标签，即完成FEC和LSP之间的映射；对输出已标签的IP流去掉标签、按数据报路由器方式转发。核心节点的功能只单纯地按标签转发已标签的分组。
4．三种实现方法的比较
MPLS是对数据报路由器网络包括流量控制机制、QOS支持等方面的重要扩展；它是能够实现新的带宽（IP）公用网络技术。与数据报路由器网络比较，它具有如下优点：
①简化了转发
标签交换基于短标签的准确匹配来转发分组；而数据报路由器是基于更长的地址最长匹配算法来转发分组。MPLS中使用的标签头比IP数据报协议中使用的头更简单，这意味着MPLS对IP数据报的转发更简单、而且更容易实现高速路由器。
②有效地显式寻路
显式寻路又称为源寻路，是一种非常有用的网络技术。数据报路由器网上要执行显式寻路时，每个数据报都要携带完整的显式路径信息，即每个IP分组头中都需携带要经过的所有路由器地址。MPLS只在标签传送通路（LSP）建立时携带显式路径信息，后续的分组不必再携 带这方面的信息。这就避免了每个分组的开销，使得显式寻路能够在大型网络中获得实际应用。
③流量工程
数据报路由器网络中靠调整相关网络链路的度量，虽然能达到某种程度的负荷平衡，但对于任意两点之间具有大量可迂回通路的网络，使用逐跳地寻路、只靠改变网络链路的度量来达到这些链路上的负荷平衡是困难的。MPLS允许对任何一个特定人口节点到任何一个特定 出口节点的流进行单独地标识，即提供了测量与任一对入口和出口节点相关联流量的简单机制。另外，MPLS有效的显式寻路，对于任意将定的流所优选的路径，保证了其实现的简单性。
④QOS寻路
QOS寻路是指为特定的流寻找满足其QOS要求的路径，这可能涉及到流的划分粒度、寻路操作和路径改变操作三方面的网络机制：
某些情况下，为许多特定流中的每个流预留带宽是合适的，但这意味着这些流的总带宽会超过某条链路可承受的带宽。因此，不应是对所有的流、即便是相同人口和出口之间的流走相同的路径，而应是对单个流分别地寻路。这类似流量工程，但要求对流的划分具有更好的颗粒度。
在必须对特定的流寻找能满足其带宽要求的通路时，不希望要求沿途的每个网络节点都计算满足这一要求宽带的路径；而好的办法是只要求第一个节点计算路径，再通过显式路由规定穿过网络的路径。
同样，由于各种变化的原因，用于QOS寻路的信息可能是过时的，如某个节点或链路的资源不能再满足某个流的资源要求。这种信息不希望告示网络中的某个节点，而只需通知到这个流的开始节点（MPLS的人口节点），这个节点再选择其他的路径迂回。
⑤IP分组到转发等价类（FEC）的综合映射
IP分组到FEC的映射通常称为分类，这可以根据源和目的地地址、入网接口、以及其他特性。MPLS只是在人口处执行一次分类，不像数据报路由器要求沿途每个路由器均要执行分类。 例如某个ISP希望得到优先处理，MPLS可以按所有其接口特性信息分类；而在数据报路由器网络中，不能根据其入网接口分类，因为跨过源节点后这一接口特性信息不再存在，只按源和目的地地址分类IP分组。
⑥功能划分
MPLS对于不同的网络元素划分有不同的处理功能，许多繁重的处理任务在网络的边缘、最接近用户处完成；而核心网络尽可能地简单，即单纯地根据标签转发分组。
⑦单一转发方式支持多种业务
MPLS允许在同一网络上使用单一转发方式，支持多种类型的业务。如使用基于ATM的系统，支持原有的ATM业务、帧中继业务和标签的IP业务。
MPLS与 ATM叠加数据报路由器网比较有如下优点：
①扩展性 接入ATM网络的每个路由器对之间均虚连接，即出现0（N）条连接问题，其中N为路由器数量，而每个路由器的加入、与其他路由器均需建立连接；MPLS中的LSR由于执行路由协议，其路由协议、LDP协议对等实体数量为网络中的LSR数量，保证了网络的扩展性。
②公共操作 MPLS是第2和3层结合技术，可以基于任意的如 PPP、Ethernet、FR和 ATM等第2层操作。MPLS转发IP分组与转发第2层的信息单元如ATM信元、FR帧一致，具有公共的操作过程。
③容易管理 MPLS在各种不同的介质采用相同的标签分配协议、共同的路由协议，这就简化了跨介质的网络上MPLS的管理。另外，MPLS已经可能到跨介质或跨第2层网络的共同操作，因此，对于特定的第3层IP业务，不再需要下一跳路由协议（NHRP）。
三、多协议标签交换（MPLS）
1．基本元素
①标签栈
标签栈是顺序的一组标签项，标签控制的ATM（LC－ATM）接口上的标签项为 VPI／VCI 或者VCI；FR接口上的标签项为DLCI；PPP和Ethernet接口上的标签为4个字节的标签编码。 类似于FR的DLCI和 ATM的 VPI／VCI，标签只具有本地含义；标签的串接构成跨MPLS域的标签交换通路（LSP）。标签不仅含有路径信息，而且还含有标识流类型、流量特性（带宽、时延、差错等）信息。 LSR应能接收未标签的分组，对其进行加标签、转发操作；也应能接收已标签的分组，对其进行标签替换、压栈或者弹钱、再转发的操作。
②有约束的路径 MPLS对原有的寻路进行了扩展，原有的寻路由只根据路由表信息；MPLS在其边缘开始寻 路时可以附加约束条件，例如为符合流量工程的需要所加的显式路由条件，或者为符合流的QOS需要所加的带宽、时延条件寻路。
③标签分配协议（LDP） 对等的LSR实体必须使用LDP对特定的流使用一致的标签。LSR之间可以使用专门制定的LDP 协议商议标签值；也允许利用其他控制（如OSPF、BGP和／或RSVP）消息携带标签商议信息。 标签的拆除可以是超时限拆除，即标签必须周期地更新，如果比更新周期更长的时限满时没有更新，则拆除；或者是交换明确的标签拆除消息拆除。
2．ATM标签交换路由器（ATM－LSR）
ATM交换机可以用作为标签交换路由器，它需要运行网络层寻路算法（如RIP、OSPF、BGP 等），并根据这些寻路算法的结果转发数据，不再需要ATM特定的编址和寻路，这种方法实现的ATM交换机称为ATM－LSR。
① VPI／VCI的使用
ATM－LSR情况下，标签由虚通路标识／虚通道标识（VPI／VCI）域携带。ATM交换机支持 MPLS的接口称为标签控制的ATM（LC－ATM）接口。两个ATM－LSR之间通过 LC－ATM接口连接， 这种连接可以是物理接口，这时使用VPI／VCI域携带标签；这种连接也可以是虚通路连接（V PC）逻辑接口，这时两个ATM－LSR之间可以跨ATM网络，并通过VCI域携带标签。
LC－ATM接口必须支持非标签的连接，以便两个ATM－LSR之间交换标签分配协议（ LDP）分组、以及路由协议分组，这些分组携带控制信息，是不带标签的分组。
②ATM－LSR域上的分组转发操作
ATM－LSR域由边缘和核心 LSR节点组成，边缘节点负责分组的人口和出口操作，核心节点负责转发操作。有物理或者逻辑连接的 LSR对之间运行第3层路由协议，得到达到目的地的分组流路径信息。分组流路径是有方向的，在分组路径的沿途上，向着源的方向为上游、向着目的地方向为下游。
LSP建立要使用第3层路由协议运行所得到的信息，再通过流的特性施加约束条件（如显式路径、QOS要求等条件）的LDP过程完成。LSP与特定的流之间有对应关系。特定的流称为转发等价类（EFC）。相同路径、相同转发处理的流集合称为EFC，LSP与EFC之间的对应关系又称为 EFC到LSP的绑定。
边缘入口LSR接收到一个分组，可能是本标签的分组、也可能是已标签的分组。对于未标签的分组，它实现要对该分组分类，即确定其EFC；然后再绑定到一个LSP，即加标签；最后执行向下一跳转发过程。边缘入口 LSR在确定一个分组所属的EFC时，前面已经说到，如可以根据 这个分组得到的端口、源地址、目的地地址、分组头TOS域、第4层源端口号、第4层目的地端口号和／或上层协议类型等信息。随后的LSR只根据标签转发分组，直到另外一个边缘出口LSR还原为未标签的分组发送到非MPLS的分组交换网；或者已标签的分组，发送到另外一个MPLS域。
分组交换网中使用的生存期（TTL：Time toLive）是一种预防环路的有效机制。常规的路由器网络中，分组每经过一个路由器节点，TTL要减1；如果TTL小于或者等于0，说明该分组已经满生存期，对应的节点丢弃该分组、并产生一个Internet控制消息协议（ICMP）分组报告到该分组的源端。对于MPLS网络，有两种选择TTL操作：一种是每经过一个LSR节点TTL减1，即一个LSR算一跳；另一种是经过一个MPLS域TTL减1，即一个MPLS城只算一跳。标签项编码中具有8比特的TTL域；ATM和FR的头不支持TTL域，这时应直接地使用IP分组头中的TTL域。
③混合交换（SIN：shiPs in the night）
ATM交换机中引入标签交换控制部件操作，没有排除ITU和ATM论坛定义的ATM控制部件操作。标签交换和ITU、ATM论坛定义的两种控制部件可以在同一个交换机、同一个接口上独立地操作。这需要在两个控制部件之间划分开每个控制部件可使用的VPI／VCI空间。
这种混合交换，可以是一个交换机、一个物理接口上支持如数字电路、帧中继、LAN桥接业务的同时，支持Internet业务。ATM本身具有严格的业务类型划分、QOS保证机制，所有这些特性均反映在具体的VPI／VCI取值上。因此，VPI／VCI值（标签）不仅含有路径信息，而且还含有带宽、时延、丢失优先级等服务质量要求信息。这些特性为实现具有QOS要求的、或者区分地IP服务创造了有利的条件。
MPLS协议标准正在IETF相关工作组制定中；2000年初一些设备制造厂家和网络业务营运者 建立了MPLS论坛，致力于MPLS的推广、应用和一致性要求。目前，MPLS协议标准化的工作是： 核心部分基本确定并相对稳定；而大量的工作是推向MPLS边缘协议标准。
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