胡振強

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

隨著Internet快速發(fā)展,在網絡分組化的趨勢下,大約97%的骨干網已經承載了IP業(yè)務,隨著接入寬帶技術的發(fā)展、業(yè)務量的增長以及服務質量(QoS)保證的要求,對網絡結構和設備的數據轉發(fā)性能提出更高的要求。通過分析MPLS快速數據轉發(fā)技術,將標記交換的鏈路層數據轉發(fā)機制與網絡層的選路機制進行結合,提出一種基于ATM的MPLS數據轉發(fā)方法,并進行設計和實現,這種傳統(tǒng)逐跳轉發(fā)和標記轉發(fā)共存的形式,能夠根據流量最大程度地提高數據轉發(fā)效率和業(yè)務的性能。

1 MPLS快速數據轉發(fā)特性分析

1.1 技術特性

MPLS的技術特性主要集中在多協(xié)議和標記。多協(xié)議是指MPLS既可運行于多種數據鏈路層協(xié)議之上,如異步傳輸模式和幀中繼,又可以與多種網絡層協(xié)議兼容,如IP和IPX;標記是一個簡短的、固定長度的、具有本地意義的標識符,是MPLS技術的精髓所在。

MPLS數據轉發(fā)的原理就是以MPLS技術為基礎,在數據鏈路層和網絡層同時實現其轉發(fā)功能。

國際電聯(ITU-T)給出MPLS協(xié)議參考模型。在數據面,IP數據包經過AAL5的適配后,轉換為ATM信元進行轉發(fā);在控制面,MPLS除了采用標記分發(fā)協(xié)議(LDP)和受限路由標記分發(fā)協(xié)議(CR-LDP)之外,還采用IP協(xié)議族中的外部網關協(xié)議(BGP)、開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議(OSPF);在管理面,采用IP協(xié)議族中的簡單網絡管理協(xié)議(SNMP)。

1.2 網絡結構

采用MPLS結構的網絡包括邊緣標記路由器、標記交換路由器(LSR)和標記分發(fā)協(xié)議(LDP)。用戶端通過邊緣標記路由器與核心網相連,每個邊緣標記路由器可與上百個用戶端相連。用戶與邊緣標記路由器連接的設備(CPE)一般運行IP協(xié)議,與MPLS網絡獨立。值得注意的是,邊緣標記路由器屬于網絡提供商端的設備。采用MPLS結構的網絡如圖1所示。

圖1 網絡結構

圖1中標記交換路由器基于標記來轉發(fā)IP包,同時支持網絡層的選路功能,實質是帶選路功能的交換機或帶交換功能的路由器。

2 基于ATM的MPLS數據轉發(fā)方法

基于MPLS技術的數據轉發(fā)基本原理是將基于標記交換的數據轉發(fā)機制與網絡層的選路機制結合在一起,即把數據鏈路層的快速轉發(fā)特性與網絡層尋路的可擴展性和靈活性集成在一起,可用于采用二層交換的網絡。

當應用于ATM網絡時,MPLS把IP尋路和ATM交換有機結合起來,提供可擴展的IP/ATM集成網絡,具有一些獨特的特點。由于MPLS技術的高效與良好的擴展性和ATM強大的轉發(fā)能力及高可靠性,ATM技術和MPLS技術的結合可以充分發(fā)揮在流量管理和QoS方面的作用。同時,ATM技術通過VPI、VCI標識完成信息交換,具備天然的標記轉發(fā)功能,支持MPLS轉發(fā)相對容易實現。MPLS的轉發(fā)過程和ATM交換過程非常相似,如果將MPLS中的標記直接映射到ATM 中的VPI、VCI域,則傳統(tǒng)ATM交換機的硬件可以實現標記交換,這樣就可以在不改變ATM硬件的基礎上實現MPLS機制?；谝陨峡紤],采用MPLS技術將基于ATM標記交換的鏈路層數據轉發(fā)機制與網絡層的選路機制結合起來,集成了數據鏈路層的快速轉發(fā)性與網絡層的可擴展性和靈活性,加快了分組轉發(fā)的速度,有效地利用了網絡資源。

在MPLS數據轉發(fā)的實現過程中,為提高數據轉發(fā)的快速性,從數據轉發(fā)的各個方面進行考慮,通過在業(yè)務單元上增加地址解析協(xié)議(ARP),以及創(chuàng)建本地三層路由轉發(fā)表來提高本地數據交換速度;通過數據流驅動建立標記交換通道(LSP)的方式提高網絡的數據業(yè)務轉發(fā)速度。

3 應用和實現

MPLS數據轉發(fā)方法以軟件方法實現,主要包括系統(tǒng)構成和運行流程2個部分。

3.1 系統(tǒng)構成

MPLS數據轉發(fā)軟件承載了交換機各種IP數據業(yè)務的轉發(fā)處理、IP控制信息的轉發(fā)處理、MPLS轉發(fā)表項的建立、應用和維護,保證了交換機IP數據業(yè)務的正常運轉。既保留了傳統(tǒng)路由的逐跳轉發(fā)方式,又提供了MPLS標記數據轉發(fā)的能力,能根據業(yè)務流量情況自動改變數據的轉發(fā)方式,由逐跳轉發(fā)自動調整為標記轉發(fā)。

MPLS數據轉發(fā)軟件按功能可以設計為4個部分:數據接收模塊、轉發(fā)處理模塊、數據發(fā)送模塊和轉發(fā)管理模塊。數據轉發(fā)軟件系統(tǒng)構成如圖2所示。

圖2 軟件內部結構

3.1.1 數據接收模塊

數據接收模塊從不同的消息隊列接收來自各個方向、各種類型的數據,解析每個數據包,提取出分組的目的IP地址以及消息隊列中攜帶的相關信息等對數據來源進行判斷和分類,根據分類選擇相應的轉發(fā)方式即調用相應的轉發(fā)處理模塊進行處理。

3.1.2 轉發(fā)處理模塊

轉發(fā)處理模塊根據數據接收模塊的調用來執(zhí)行各種類型數據的轉發(fā),主要完成2種類型的轉發(fā)操作:逐跳轉發(fā)和標記轉發(fā)。

3.1.3 數據發(fā)送模塊

數據發(fā)送模塊把封裝好的數據通過不同的消息隊列進行發(fā)送,發(fā)送方向包括本地業(yè)務端口、中繼口和固定數據消息通道等。

3.1.4 轉發(fā)管理模塊

轉發(fā)管理模塊對整個數據轉發(fā)處理過程中涉及到的各種轉發(fā)表項進行維護和管理,通過控制消息隊列來接收其他模塊/軟件的各種控制消息,按照控制消息類型進行相應操作以及發(fā)送各種通知消息或響應消息。

3.2 運行流程

MPLS數據轉發(fā)的運行流程如圖3所示,各種網絡承載的業(yè)務經IP預處理后,形成IP分組。當數據到達后,首先會查詢標記轉發(fā)表,判斷有沒有與該IP分組對應的LSP,如果有則按LSP進行標記轉發(fā)。若標記轉發(fā)表里沒有與該IP分組相應的LSP,則查找IP路由表,進行逐跳轉發(fā)。在數據開始進行逐跳轉發(fā)的同時,向LDP發(fā)送請求建立 LSP的消息。LDP協(xié)議會根據目的IP地址建立LSP,然后把新的LSP添加到標記轉發(fā)表里(細箭頭為數據信息流,粗箭頭為控制信息流)。

圖3 數據轉發(fā)流程

經過IP預處理后的IP數據分組有2種轉發(fā)方式:一是通過查找核心路由表進行傳統(tǒng)逐跳數據轉發(fā);二是經過分類后,直接進行標記數據轉發(fā)。

①傳統(tǒng)IP逐跳轉發(fā)方式中,各個互通網絡承載的業(yè)務經業(yè)務板的IP預處理后,形成 IP分組。首先判斷標記轉發(fā)表里有沒有相應的LSP,若標記轉發(fā)表里沒有與該IP分組相應的LSP,則查找核心路由表,然后從相應的中繼端口進行傳統(tǒng)的逐跳轉發(fā)。

②基于MPLS的標記轉發(fā)方式是將IP協(xié)議與ATM等下層協(xié)議緊密結合在一起,在網絡邊緣對收到的分組進行分類,按照分類的結果給分組加上一個定長的標記,此標記將與該分組的處理方式相對應(包括使用的路由、業(yè)務等級等)。在入口節(jié)點,提取出目的地址,按照標記轉發(fā)表,在LSP上進行標記轉發(fā);在中間節(jié)點,直接進行標記轉發(fā),不再經過尋路處理;在出口節(jié)點,對接收的IP分組進行鏈路層封裝,直接發(fā)往相連的網絡。

4 實驗驗證

在數據轉發(fā)過程中,業(yè)務的性能非常重要,直接體現了交換機所具備的對數據業(yè)務傳送的質量保證能力,分別在不采用MPLS和采用MPLS連接2種模式下,對IP分組的丟失率和轉發(fā)時延進行統(tǒng)計和分析,驗證MPLS數據轉發(fā)軟件性能指標。

端口速率100 M,不采用標記連接時接口間IP分組的丟失率和轉發(fā)時延如表1所示。

表1 不采用MPLS時丟失率和轉發(fā)時延

端口速率100M,經過標記連接時接口間IP分組的丟失率和轉發(fā)時延如表2所示。

表2 采用MPLS時丟失率和轉發(fā)時延

由實驗結果可以看出,采用MPLS后IP分組的丟失率和轉發(fā)時延都明顯降低,基于MPLS的數據轉發(fā)方法能夠根據網絡流量提高數據轉發(fā)效率和業(yè)務的性能。

5 結束語

基于ATM的MPLS數據轉發(fā)充分利用了MPLS標記交換的技術,把基于鏈路層數據轉發(fā)機制與網絡層的選路機制進行完美的結合,綜合轉發(fā)和路由的功能,優(yōu)化了網絡的性能,有效利用了網絡資源,在最大程度上提供了高效的數據業(yè)務處理能力,將在IP網絡中得到廣泛的應用。

[1]周三友.MPLS技術研究與LDP協(xié)議的軟件仿真[D].石家莊:通信測控技術研究所碩士研究生學位論文,2000:22-25.

[2]吳 江,趙慧玲.下一代的IP骨干網絡技術——多協(xié)議標記交換[M].北京:人民郵電出版社,2001.