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MPLS技术与传统路由器IP寻址比较
祝志华
如何将路由技术和交换技术结合起来,提高网络传输效率是目前网络发展的热点问题。
传统路由器通常靠软件和通用CPU来实现网络层功能,因而延迟大、转发速度慢。而以ATM为代表的交换技术用硬件实现交换,每个事件沿着同一路径,通常实现第二层(数据链路层数据单元的交换功能,速度快、面向连接。由于网络用户的急速膨胀,带宽的需求也急剧上升,传统路由器对IP包的处理转发模式越来越成为网络向宽带化发展的瓶颈,再加上对流量工程的迫切需求,MPLSMutiProtocolLabelSwithing,多协议标记交换)技术随之应运而生。
一、MPLS技术与传统路由器数据转发的比较1、传统路由器数据转发机制
传统路由器实现第三层(网络层)的控制转发功能,将不同网段的局域网互联成广域网。但是传统路由器的IP寻址方式是逐跳转发的。转发需要由路由器对IP数据包进行解包处理——解出源、IP地址,再通过路由协议(如RIPOSPF等)决定转发方向(端口)。由于IP包的不定长特性,路由器采用软件解包,同时因为是
逐跳转发的,所以也就意味着时延大、转发速度慢。
2、基于ATMMPLS数据转发机制
MPLS,多协议标记交换。多协议,因为MPLS基于IP路由和控制协议,是一个介于第三层(网络层)和第二层(数据链路层)之间的垫层,所以MPLS不受链路层协议限制,可以运行在多种二层协议基础之上,如帧中继、ATM等。标记交换,简单的来说,对基于ATMMPLS而言,是将数据包网络层逻辑地址(如IP址)由ATM边缘路由器(LER)映射成标记VPI/VCI值,并将数据包封装成ATM信元,由于ATM信元是定长53字节,因而在网络核心层可由ATM标记交换路由器LSR实现标记的硬件高速交换,再由目的端边缘路由器(LER)将ATM信元还原成数据包。
可以看出,MPLS的实质是将路由器移到网络的边缘,将快速、简单的交换机(二层交换)置于网络中心,对一个连接请求实现一次路由(LSP,信令建立SVC通路)多次交换。
二、数据转发实例1、传统路由器IP寻址实例
1所示是由传统路由器构成的IP网络,由路由器(R1R2R3R4)和局域网(N1N2N3N4)构成,路由器间分别通过广域网口S1S2互联,局域网和路由器通过以太网口E0相连。网络号和部分IP地址分配如下。
网络号:N2
N3202

R1S1口)R2S2口)202R2S1口)R3S2口)202.1.5.4/30R3S1口)R4S2口)202.1.5.8/30R1S1口)R2S2口)202.1.5.12/30部分IP地址:
R1S1口:202.1.5.1/30R2S2口:202.1.5.2/30R2S1口:202.1.5.5/30R3S2口:202.1.5.6/30R3S1口:202.1.5.9/30R4S2口:202.1.5.10/30R4S1口:202.1.5.13/30R1S2口:202.1.5.14/30Client1
202.1.2.0
N2

202.1.3.0
N3
R2
E0
S2
202.1.5.0/30202.1.5.4/30S1
S2
R3E0S1202.1.5.8/30Client2
R1
S1202.1.5.12/3S2
E0
S1
S2
R4
E0202.1.4.0
N4202.1.1.0N1

Client11传统路由器数据转发实例
假设客户Client1要发IP数据包到Client2,我们来看数据包的转发过程。
路由器在运行路由协议(如RIPOSPF等)后,将产生路由
表。举例各路由器的路由表如下。
R1的路由表部分表项:
掩码目的地址下一跳地址本端端口255.255.255.0202
E0255.255.255.02022S1255.255.255.0202.1.32S1255.255.255.0202.1.43
S2

R2的路由表部分表项:
掩码目的地址下一跳地址本端端口255.255.255.02021S2255.255.255.0202E0255.255.255.0202.1.36S1255.255.255.0202.1.46
S1

R3的路由表部分表项:
掩码目的地址下一跳地址本端端口255.255.255.020210S1255.255.255.02025
S2255.255.255.0202.1.3.0-------E0255.255.255.0202.1.410
S1

R4的路由表略。
Client1发出IP数据包,该数据包目的地址为202(即Client2IP地址),源地址为202。因为202不在网络N1202.1.1.0Client1将它送至路由器R1E0端口,路由器R1收到该数据包,解包找出其目的地址为202,然后查找路由表发现应将此数据包送往地址2,并从本端端口S11)送出。

路由器R2S2端口(即2)收到数据包,解包并查找路由表,发现应将它送到地址6,且从本机端口S15)送出。
路由器R3S26)口收到数据包,解包并查找路由表,发现此数据包的目的地址是网络N3应从本端E0口送出。至此Client1发往Client2IP数据包到达网络N3,该数据包通过局域网N3Client2
从上面的数据包转发过程,可以看出,传统路由器对数据包的转发包括几个步骤:解包、查找路由表、转发。由于解包和查找路由表都由软件完成,因此时延较大。
2MPLS数据包转发实例
2所示是由ATM交换机构成的网络,由标记交换路由器LSRL1L2L3L4)和局域网(N1N2N3N4)构成,路由器间分别通过光口O1O2互联,局域网和LSR通过以太网口E0相连。网络号和IP地址分配与上例相同。
同样我们再来看IP数据包从客户ClientClient2的转发过程。⑴标记交换路由器L1L2L3L4(就是带MPLS功能的ATM交换机)构成骨干网,在此例中它们又都是边缘交换路由器LER
L1L2L3L4由各自的协议处理板运行路由协议RIPOSPF等)获得全网路由信息,建立相应的路由表。各标记交换路由器的路由表项和上一例基本相同,可以参照上例,在此从略。
Client1发出IP数据包,该数据包目的地址为202(即Client2IP地址),源地址为202

MPLS边缘路由器L1E0端口收到该数据包,解包找出目

202.1.1.0N1
202.1.5.0/30
O1202.1.2.0
N2
E0
E0
202.1.5.4/30O2O1202.1.3.0
N3
L2
LSR
O2
LSR
O1
L1
Client2202.1.5.8/30O2202.1.5.12/3O2
O1
L1
E0LSRLSR
E0
L4202.1.4.0
N4

Client12MPLS数据包转发实例
IP地址。L1在路由信息的基础上,运行LDP标记分发协议,由信令发起呼叫建立标签交换路径LSPLSP在逻辑上是由路径上各个标记交换路由器(LSR)的标记到目的地映射表(即标记转发信息库,LFIB)构成的。下面是标记转发信息库列表。L1LFIB表项:
入端口入标记VPI/VCI出标记VPI/VCI地址前缀出端口
O1

L2LFIB表项:
入端口入标记VPI/VCI出标记VPI/VCI地址前缀出端口O2O1


L3LFIB表项:
入端口入标记VPI/VCI出标记VPI/VCI地址前缀出端口O2

⑸标记转发信息库建立后,即形成了一条LSP标签交换路径。L1根据LFIB表,将发往Client2IP数据包封装成VPI/VCI2/33ATM信元,由端口O1发出。
L2O2端口收到VPI/VCI2/33ATM信元,对照LFIB表,再将VPI/VCI值变换为2/34,由端口O1发出。
L3O1端口收到VPI/VCI2/34ATM信元,对照LFIB表,发现应将这些ATM信元还原成IP数据包由端口E0送出。
⑻至此从Client1Client2IP数据包转发到网络N3,再由N3交付Client2
应该注意,标签交换路由器对ATM信元的交换是通过高速交换网板硬件完成的。从上面的实例可以看出,MPLS处理IP包由边缘路由器解包获得目的IP地址,并通过信令发起呼叫建立连接,而在网络核心则无须再解IP包,可以实现硬件高速交换。
三、结束语
MPLSIP网络最大的贡献在于它将第三层的路由选择与分组转发相分离。借助标记避免逐跳的决策机制,减少了对数据分组的深入分析,建立第二层的快速路径,使得数据沿着预先建立的路径快速转发。

通过基于ATMMPLS数据转发机制与传统路由器数据转机制进行对比,就能比较清楚地看出MPLS技术的优越性,对于大型网络尤其如此。
参考资料:
1、深圳中兴通迅公司《ZXB10多业务路由交换机讲义》
2、冯径、李仕锋顾冠群《MPLS技术及其对数据新业务的支持》


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