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1 引言
網(wǎng)絡(luò)在今天已取得了驚人的發(fā)展。在過去的二十多年中，傳統(tǒng)的以IP包轉(zhuǎn)發(fā)為基礎(chǔ)的機(jī)制以其良好的統(tǒng)一性、兼容性已確立了無可撼動的地位。IP融合了各種不同的物理網(wǎng)絡(luò)，并以盡力傳送，服務(wù)不分等級的轉(zhuǎn)發(fā)，保證了網(wǎng)絡(luò)資源的充分利用。在帶寬資源緊張，主要以數(shù)據(jù)傳輸為中心的時代，這無疑是成功的。
然而，在二十多年后的今天，無論是網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)下部結(jié)構(gòu)通信，還是上部推動力消費(fèi)需求，都已發(fā)生了很大的變化。從通信技術(shù)的發(fā)展看，目前的主干網(wǎng)絡(luò)達(dá)到了每秒幾十個吉比特的速度，帶寬瓶頸已得到了很大的緩解，已有能力提供更好的服務(wù)；從客戶角度看，用戶對網(wǎng)絡(luò)的需求已不僅僅限于數(shù)據(jù)，而是進(jìn)一步上升為語音、視頻等的傳送。用戶對傳送的可靠性、時延、時延變化等傳輸質(zhì)量有了更明確的要求；從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商的角度看，提供高層次的服務(wù)，推出新的業(yè)務(wù)（如VPN等）以開發(fā)高層次用戶的消費(fèi)，也是開發(fā)新的利潤點(diǎn)的來源。所有這些因素，都說明傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)已不太適應(yīng)時代的要求，都推動了下一代網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。作為下一代網(wǎng)絡(luò)，對以下技術(shù)的支持是必不可少的［1］：
(1)服務(wù)水平（QoS）保證如，語音需要低的延遲和小的時延變化，視頻需要很高的帶寬等。
(2)流量工程（Traffic Engineering）能力 :從網(wǎng)絡(luò)管理者的角度看，他總是要使網(wǎng)絡(luò)資源盡可能地被利用。因而，如何使網(wǎng)絡(luò)流量均衡地在網(wǎng)絡(luò)中分布，而不是總是沿著傳統(tǒng)的OSPF最短路徑（容易造成網(wǎng)絡(luò)部分擁塞，部分卻利用不足），是下一代網(wǎng)絡(luò)必須要解決的問題之一。
(3)對虛擬私有網(wǎng)（VPN）的支持 :VPN是正在興起的應(yīng)用。VPN允許客戶通過公共網(wǎng)絡(luò)，組成一個私有局域網(wǎng)，而不受地域的限制。服務(wù)提供商們保證這個私有網(wǎng)內(nèi)傳送的質(zhì)量及傳送的安全保密。
支持以上3種技術(shù)要求一個網(wǎng)絡(luò)是基于限制 (constrainbased)的，并且支持確定路由（explicit route）�；谙拗频奶卣魇咕W(wǎng)絡(luò)能夠為一個連接保留帶寬等資源，從而保證傳輸質(zhì)量。支持確定路由意味著網(wǎng)絡(luò)具有按照預(yù)先確定的路徑建立真正的傳輸路徑的能力。這保證了網(wǎng)絡(luò)具有流量工程的能力。
2 MPLS介紹
MPLS（Multiprotocol Label Switching）是20世紀(jì)90年代末出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。名稱中的多協(xié)議是指該協(xié)議支持多種協(xié)議的傳送，標(biāo)記交換是指該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)依賴于標(biāo)記。標(biāo)記是一個長32b，其位置和值依賴于具體的物理網(wǎng)絡(luò)的不同而不同的值，目前，對標(biāo)記的位置和值有3種不同的規(guī)定：
(1)在ATM網(wǎng)絡(luò)中，標(biāo)記的值是ATM的VCI/VPI，其位置位于IP包的第二層地址。
(2)在幀中繼中，值是DLCI，位置位于IP包的第二層地址。
(3)在最普通的情形中，標(biāo)記的值未作規(guī)定，其位置位于IP包的第三層地址與第二層地址之間。如圖1所示。
與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)相似，MPLS系統(tǒng)也包含以下4個部分：
(1)一個信息交換機(jī)制用來提供網(wǎng)絡(luò)資源信息。傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)利用IGP協(xié)議，讓每個路由器廣播自己的連接信息，來達(dá)到互相之間拓樸信息交換的目的。MPLS擴(kuò)展了IGP協(xié)議，讓其還攜帶諸如最大連接帶寬、最大可保留帶寬、目前帶寬保留率等信息。
(2)一個路徑選擇過程利用上述信息挑選一個滿足用戶數(shù)據(jù)流需求，同時符合流量工程需求的路徑。這個過程能用一個基于限制的路由計算算法實(shí)現(xiàn)。
(3)一個信令過程用來建立路徑和保留該路徑的資源。
(4)一個包轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制用來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。
上述4個過程中，第1個過程實(shí)現(xiàn)較簡單。第2個過程與流量工程算法有關(guān)，依賴于不同的評價指標(biāo)及算法。第3，第4過程是MPLS轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的主要實(shí)現(xiàn)部分。目前，用來做MPLS信令協(xié)議的主要有2個，即：資源保留協(xié)議流量工程（RSVPTE）［1］，基于限制的標(biāo)記分配協(xié)議（CRLDP）。兩種協(xié)議的實(shí)現(xiàn)過程大體相同，細(xì)節(jié)上則有很多區(qū)別［2］，這里不贅述。
3 標(biāo)記的思想
3.1映射
傳統(tǒng)的IP轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制需要對IP頭標(biāo)進(jìn)行分析，以確定目的地的網(wǎng)絡(luò)地址。然后根據(jù)路由表找到對應(yīng)的下一驛站網(wǎng)絡(luò)地址，然后據(jù)此轉(zhuǎn)發(fā)。標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)只需根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)表就可以找到去往下一站的端口，無需分析。標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)相比傳統(tǒng)的IP轉(zhuǎn)發(fā)要簡單，然而卻可實(shí)現(xiàn)更多的功能如QoS，流量工程等，這是什么原因呢？總結(jié)前面的介紹可看出，標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)的思想其實(shí)是將包轉(zhuǎn)發(fā)過程中所需的復(fù)雜的信息（QoS，路由等）映射到一個簡單的可自由分配的標(biāo)記中，即：(Layer2ID;Layer3ID;QoS)Lable
MPLS利用該標(biāo)記的簡單性，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)的快捷性；利用標(biāo)記對QoS的映射，實(shí)現(xiàn)QoS能力；利用標(biāo)記對第三層地址的映射，使標(biāo)記能象IP地址那樣，具有兼容各種不同物理網(wǎng)的能力。此外，標(biāo)記本身也可直接包含網(wǎng)絡(luò)的第二層地址，如ATM VCP/VPI（這種情況下標(biāo)記的轉(zhuǎn)發(fā)速度可達(dá)到第二層的轉(zhuǎn)發(fā)速度）；標(biāo)記也可直接具有物理意義等。總之，標(biāo)記通過映射實(shí)現(xiàn)了簡單性與復(fù)雜性的結(jié)合。
3.2工作的轉(zhuǎn)移
與基于路由表的傳統(tǒng)IP轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制相比，用標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)僅需分析IP頭標(biāo)一次，因而包轉(zhuǎn)發(fā)速度可得到提高。然而與傳統(tǒng)的IP機(jī)制比，建立和維護(hù)路徑的開支卻大了許多�？梢赃@樣認(rèn)為：MPLS其實(shí)是把一部分正常轉(zhuǎn)發(fā)過程中所需要做的重復(fù)的工作，轉(zhuǎn)移到了路徑的建立過程中。 這樣做，對于需要一次傳輸大量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)而言，是可以大大地提高效率的。但對于那些一次只需傳輸很少數(shù)據(jù)的傳輸而言，則是得不償失的。這種工作的轉(zhuǎn)移其實(shí)也是造成MPLS可擴(kuò)展性問題的根本原因。
3.3局部路徑
對一個普通的IP包而言，在一個自治系統(tǒng)內(nèi)，每個路由器都必須能識別他的目的地地址，否則就無法轉(zhuǎn)發(fā)。而由于目的地地址可能是全局中的任何網(wǎng)絡(luò)，因而每個路由器必須建立和維護(hù)一個龐大的目的地路由表（其表項數(shù)為整個自治系統(tǒng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)，其實(shí)自治系統(tǒng)的機(jī)制也是為了解決路由表過大的問題）。除了維護(hù)代價之外，路由表太大造成的問題是：為了找出一個IP包的下一轉(zhuǎn)發(fā)站，必須進(jìn)行的平均匹配操作次數(shù)也隨著增大。這樣就加大了路由器的負(fù)擔(dān)，也造成了更長的轉(zhuǎn)發(fā)延時。
然而對MPLS的標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)而言，標(biāo)記卻是局部的。MPLS的路徑其實(shí)是由一連串的局部標(biāo)記組成的。每一個標(biāo)記只負(fù)責(zé)局部的路徑轉(zhuǎn)發(fā)工作。這樣，就造成了一種可能：許多總體不同，但局部相同的路徑在局部可以合并，即：在局部他們擁有相同的標(biāo)記。例如，假設(shè)圖2存在著兩條路徑分別為：D-E-B-C-D和F-E-B-C-A，則在LSR B上，這兩條路徑的轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)表可以是一致的。 局部路徑的合并能大大的減小轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)表的規(guī)模，同時也能減少轉(zhuǎn)發(fā)時的匹配操作次數(shù)。
3.4標(biāo)記值
仔細(xì)考慮標(biāo)記的意義發(fā)現(xiàn)，標(biāo)記值其實(shí)是用來表示2個路由器之間約定的連接及其連接特性的。如圖3所示，標(biāo)記值50存在于上游路由器的出端口，下游路由器的入端口中。這樣，標(biāo)記值50表示的是這2個路由器之間的一個連接。
理論上，表示這個連接的可以是任何數(shù)只要不與其他連接混淆。然而實(shí)際上，標(biāo)記值可被進(jìn)一步用來表示這個連接的物理屬性。例如，在光纖網(wǎng)絡(luò)中，標(biāo)記值常用來表示這個連接的波長、頻率等。關(guān)于MPLS在光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，請參見文獻(xiàn)［3］。
3.5與傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系
值得注意的是，MPLS并沒有取代IP協(xié)議。相反，MPLS還依賴于IP協(xié)議在MPLS路徑建立之前的信令過程必須運(yùn)行于IP協(xié)議之上。MPLS也與目前的IP網(wǎng)絡(luò)相容，即2個協(xié)議可以互不干擾地在一起工作。此外，在某些場合，僅需改變軟件就可以使目前的路由器變成MPLS標(biāo)記交換路由器（LSR），這無疑可以大大地節(jié)省投資。
4 結(jié)語
MPLS在傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，不但提高了包轉(zhuǎn)發(fā)速度，而且還使傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)具有了QoS和流量工程的能力。MPLS能夠滿足現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的要求。目前，影響MPLS進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用的主要問題是擴(kuò)展性問題。
MPLS主要是通過將第2層、第3層IP地址及QoS等信息映射成一個簡單的標(biāo)記來實(shí)現(xiàn)上述功能的。標(biāo)記的局部性使得路徑在局部合并成為可能，這樣大大地減少了轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)表的規(guī)模。MPLS與傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)的兼容性為其進(jìn)入實(shí)際部署提供了可靠的保障。
