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移動MPLS及其關鍵技術

發(fā)布時間:2022-12-18 文章來源:深度系統(tǒng)下載 瀏覽:

網絡技術是從1990年代中期發(fā)展起來的新技術,它把互聯(lián)網上分散的資源融為有機整體,實現(xiàn)資源的全面共享和有機協(xié)作,使人們能夠透明地使用資源的整體能力并按需獲取信息。資源包括高性能計算機、存儲資源、數(shù)據資源、信息資源、知識資源、專家資源、大型數(shù)據庫、網絡、傳感器等。 當前的互聯(lián)網只限于信息共享,網絡則被認為是互聯(lián)網發(fā)展的第三階段。

移動數(shù)據業(yè)務是最具市場前景的電信業(yè)務之一,它既能滿足各種移動終端用戶隨時隨地訪問互聯(lián)網的需求,又能滿足他們之間進行數(shù)據和多媒體通信的需求。移動IP是實現(xiàn)移動數(shù)據業(yè)務的關鍵技術之一,它支持具有固定IP地址的移動終端在互聯(lián)網中自由移動,并保持移動過程中通信不間斷。 多協(xié)議標簽交換(MPLS)是將三層的IP路由技術和二層的交換技術結合在一起的一種快速包交換技術,它在網絡邊緣對數(shù)據進行分類,并為每類數(shù)據添加標簽,在網絡中僅對標簽進行交換,從而實現(xiàn)了數(shù)據包的快速交換。MPLS克服了傳統(tǒng)IP網僅提供盡力而為(best effort?服務的缺點,可以保證用戶的QoS要求,并通過應用流量工程提高了網絡資源的利用率。為提供高質量的有QoS保證的移動數(shù)據業(yè)務,移動MPLS技術應運而生。它將移動IP和MPLS結合起來,在MPLS網中支持IP移動性,不僅能夠滿足用戶的移動性要求,而且能在用戶服務質量和充分利用網絡資源等方面提供很好的保證,具有巨大的市場潛力和商業(yè)前景。

一、移動MPLS原理

基本的MPLS并不支持移動性管理,移動IP和MPLS結合形成的移動MPLS使MPLS網具備了支持IP移動性的能力。目前有兩種移動MPLS技術:基本移動MPLS和分級移動MPLS(即H-MPLS);疽苿樱停校蹋又豢紤]了IP用戶在一個較大范圍內移動相對較慢的情況,當無線接入網中因使用微蜂窩而造成IP用戶在子網間頻繁切換時,切換時延較大,容易引起通信中斷。分級移動MPLS克服了基本移動MPLS的缺點,具備微蜂窩移動性管理的能力。

1.基本移動MPLS

在基本移動MPLS機制中,當一個移動主機(MH)進入一個非家鄉(xiāng)子網時,會發(fā)送一條注冊消息給該子網的外地代理(FA),FA把這條注冊消息通過正常的IP路由轉發(fā)給MH的家鄉(xiāng)代理(HA),HA收到注冊消息的同時得到了MH的轉交地址(COA)。COA可以是FA的IP地址,也可以是FA動態(tài)分配給MH的一個臨時IP地址。然后HA向FA發(fā)送標簽分發(fā)協(xié)議(LDP)的標簽請求消息,FA則向HA回送LDP的標簽映射消息,當標簽映射消息到達HA后,HA和FA間的標簽交換路徑(LSP)就建立了。接著,HA通過查找標簽表,找到以MH的家鄉(xiāng)地址為轉發(fā)等價類(FEC)的行,并把該行的出端口和出標簽改為HA和FA間LSP所使用的端口和標簽值。最后,HA通過其與FA之間已經建立的LSP發(fā)送注冊應答消息給FA。FA收到注冊應答消息后,在其標簽表中增加一行,并把收到的標簽值和端口值填到該行的入標簽域和入端口域。

之后,若有通信節(jié)點(CN)向MH發(fā)送數(shù)據包,數(shù)據包會被路由到MH的家鄉(xiāng)網,并被HA截獲,正如移動IP協(xié)議中所描述的一樣。作為LSP入口的標簽邊緣路由器(LER),HA會以收到的數(shù)據包中所包含的IP地址為索引,在標簽表中查找該數(shù)據包的出標簽和出端口。根據查找到的出標簽和出端口,該數(shù)據包被加上相應的標簽,并沿著HA和FA之間的LSP以標簽交換的方式傳送。FA收到數(shù)據包后將查找它的標簽表(因為FA是該LSP的出口,所以標簽表中相應的出標簽和出端口為空)。作為LSP出口LER的FA去掉數(shù)據包的標簽,并把該數(shù)據包通過IP層送往MH。至此,MH就收到了通信節(jié)點發(fā)送給它的數(shù)據包。在基本移動MPLS中,每當MH移動到一個新的MPLS子網時,都要通過新子網的FA向其HA發(fā)送注冊消息,并在新的FA和HA之間建立一條新的LSP。建立新LSP并將數(shù)據傳送切換至新LSP所需的時間稱為切換時延。如果LSP切換時延較大,通信節(jié)點和MH之間的數(shù)據通信就會中斷,造成數(shù)據丟失。為減少切換時延,并保證切換過程中的通信,引入了分級移動MPLS。

2.分級移動MPLS

分級移動MPLS技術假設一個MPLS網被分為多個MPLS域,每個MPLS域中又有多個接入子網。此外,分級移動MPLS還引入了一個新的部件,即外地域代理(FDA),每個MPLS域中有一個FDA。在分級移動MPLS機制中,MH可以根據所接收到的代理廣播消息來判斷自己處于家鄉(xiāng)網還是外地網。若MH認定自己處在外地網中,就會向FA請求一個COA,并發(fā)送注冊請求消息給FA。FA把注冊請求消息轉發(fā)給本MPLS域的FDA,而不是MH的家鄉(xiāng)代理。如果MH是第一次移動到該MPLS域,FDA就向MH的家鄉(xiāng)代理轉發(fā)注冊消息。HA得到注冊消息并獲得FDA的IP地址后,利用LDP向FDA發(fā)送標簽請求消息。FDA接到標簽請求消息后向HA回送標簽映射消息,并向MH當前所在MPLS域內子網的FA發(fā)送標簽請求消息。標簽映射消息到達HA后,FDA與HA間的LSP就建立了。同樣,FA向FDA回送標簽映射消息,當標簽映射消息到達FDA后,FDA和FA間的LSP也建立了。然后,HA會在標簽表中找到以MH家鄉(xiāng)地址為FEC的行,并把出端口和出標簽改為FDA和HA之間LSP的相應值。最后,HA沿著其至FDA的LSP發(fā)送注冊應答消息給FDA,FDA也會沿著FDA至FA的LSP轉發(fā)該注冊應答消息。FA收到注冊應答消息后,在它的標簽表中加入新的一行,并在入標簽域和入端口域中填入所收到注冊應答消息的標簽值和端口號。與基本移動MPLS一樣,在分級移動MPLS機制中,若通信節(jié)點向位于外地網的MH發(fā)送數(shù)據包,HA就會截獲這些數(shù)據包。在分級移動MPLS網中,HA查找它的標簽表,找出該數(shù)據包所對應的出標簽和出端口。根據查找到的結果,數(shù)據包被HA加上標簽沿著HA和FDA間的LSP發(fā)送到FDA。FDA收到該數(shù)據包后會繼續(xù)根據入標簽值查找到相應的出標簽值,即沿著FDA和FA之間的LSP把數(shù)據包轉發(fā)到FA。FA收到數(shù)據包后,會查詢它的標簽表(因為FA是該LSP的出口,標簽表中的出端口和出標簽值都為空)。最后,FA去掉數(shù)據包上的標簽后,通過IP層把數(shù)據包轉發(fā)給MH,于是MH就收到通信節(jié)點發(fā)給它的數(shù)據。

若MH在同一個MPLS域中從一個子網切換到另一個子網,它將向新子網的FA請求新的COA,并向新子網的FA發(fā)送注冊請求消息。新子網的FA會把該注冊請求消息轉發(fā)給FDA。收到注冊請求消息后,FDA向新子網的FA發(fā)送標簽請求消息,然后新子網的FA向FDA發(fā)送標簽映射消息,這樣在新子網的FA和FDA之間就建立了一條新的LSP,但是HA和FDA之間的LSP并沒有改變。顯然,相對于基本移動MPLS,分級移動MPLS不需要在HA和新子網的FA之間建立一條全新的LSP,而只是在FDA和新子網的FA之間建立一條新的LSP,從而大大減小了切換時延。切換過程中,MH也可以通過發(fā)送綁定更新消息向原先的FA通知自己新的COA,舊子網FA可以對MH的新綁定關系進行緩存。如果FDA使用過時的標簽表向MH發(fā)送數(shù)據包,舊子網FA收到數(shù)據包后將與新的FA建立LSP,并通過該LSP向新FA發(fā)送數(shù)據包,從而避免了切換過程中數(shù)據包被丟失。

在分級移動MPLS機制中,MH在同一個MPLS域中的移動對其HA來說是透明的。這樣一方面減小了切換時延,另一方面減少了整個網絡中切換所需的消息交互,從而節(jié)省了網絡資源。

二、移動MPLS的關鍵技術

根據移動MPLS的原理,實現(xiàn)移動MPLS應解決三個問題:切換時延和通信中斷問題、“三角路由”問題、QoS問題。 1.快速切換技術 快速切換技術的目標是盡可能減少切換時延并保證在切換過程中通信不中斷(即在切換過程中沒有數(shù)據包丟失)。由于切換過程中需要在MH、新FA、新FDA以及HA之間進行重新注冊,所以注冊機制越簡單,切換時延越小。同時,MH和HA之間建立新LSP的時間越短,切換過程中數(shù)據包丟失的可能性就越小。

(1)切換前建立LSP機制 這種快速切換機制的基本思想是在MH移動到新的外地子網或外地域之前建立新的LSP。在分級移動MPLS中,若MH在相鄰子網中移動,則在MH移動到相鄰子網之前就在相鄰子網內建立起LSP;若MH在相鄰域間移動,則在MH移動到相鄰域之前就在相鄰域中建立起LSP。此機制中引入了主動LSP和被動LSP,主動LSP是指從FDA到MH當前所在外地子網FA的正用于傳送數(shù)據的LSP,被動LSP是指從FDA到MH當前所在外地子網所有相鄰子網的FA的尚未使用的LSP。 如果MH知道它將要訪問的子網,就可以使用FA發(fā)現(xiàn)協(xié)議得到相鄰子網內FA的IP地址,然后向這些FA發(fā)送帶有訪問時間的訪問請求消息,這些FA收到訪問請求消息后就可與FDA建立一條被動LSP。訪問時間是指MH估計的從當前子網移動至某子網所需的時間。如果MH在訪問時間超時前沒有發(fā)送任何訪問請求刷新消息,也沒有移動到該子網,標簽表中相應的被動LSP條目就會被刪除。MH移動到一個新的子網后,將向原來子網的FA發(fā)送一條更新消息,FA再將其發(fā)送到FDA,這時中間路由器會將它們所保存的LSP狀態(tài)從主動LSP改為被動LSP。同時,MH將向新FA發(fā)送一條更新消息,該FA收到后也將其發(fā)送到FDA,中間路由器將它們所保存的LSP狀態(tài)從被動LSP改為主動LSP。在切換前建立LSP的機制中,切換發(fā)生時僅需通過一條消息就可完成LSP的切換,大大減小了MH從一個子網移動到另一個子網的切換時延。該機制可以擴展到MH在不同MPLS域間切換的情況。

(2)基于組播的快速切換機制 這種快速切換機制是在FDA和當前MH所在子網的FA之間,以及所有與該子網相鄰的子網的FA之間均建立LSP,這些LSP形成一個組。當FDA收到MH進行切換的請求后,將所有來自通信節(jié)點的數(shù)據包通過事先建立好的LSP向所有相鄰子網的FA進行組播。這樣當MH移動到新的子網時,就可以立即收到來自通信節(jié)點的數(shù)據包。切換過程完成后,網絡也會根據切換過程中的信息進行調整,登記新使用的LSP,刪除不需要的LSP。

2.“三角路由”問題解決方案

在移動MPLS中,從通信節(jié)點發(fā)往MH的數(shù)據包首先被發(fā)送到HA,然后再由HA沿LSP轉發(fā)到MH,這就是所謂的“三角路由”問題。因為數(shù)據包的轉發(fā)不是通過最優(yōu)的LSP送往MH,而必須通過HA進行轉發(fā),既浪費網絡資源,又導致較高的傳輸時延。如果通信節(jié)點能夠獲得MH當前所在子網的COA,并在通信節(jié)點和FA之間建立LSP,數(shù)據包就不必經過HA,可以直接通過通信節(jié)點和FA之間的LSP進行轉發(fā),從而解決了“三角路由”問題。

(1)COA緩存機制

COA緩存機制是在通信節(jié)點中對MH所在的一個或多個子網的COA進行緩存。當通信節(jié)點有數(shù)據要發(fā)往MH時,首先查找COA緩存表中與MH相對應的項,如果找到與MH綁定的COA,就用該COA在通信節(jié)點和MH當前所在子網的FA之間建立LSP,并通過通信節(jié)點與FA之間的LSP發(fā)送數(shù)據包,而無需通過HA轉發(fā)。開始時通信節(jié)點中不存在與MH相關的COA緩存,送往MH的數(shù)據包還是要通過HA轉發(fā)。但是根據MH在子網間移動時所進行的注冊過程,HA中含有MH目前所在子網的COA信息。所以,當數(shù)據包到達HA后,HA會查找MH當前所在子網的COA,并通過HA和FA之間已經建立的LSP轉發(fā)數(shù)據。同時,HA根據收到的數(shù)據包找出數(shù)據發(fā)送方的地址和數(shù)據目的地址所對應的COA,并向數(shù)據的發(fā)送方通信節(jié)點發(fā)送MH及其COA的綁定信息。通信節(jié)點收到該綁定信息后將其放入緩存,并利用該綁定信息與MH當前所在子網的FA間直接建立LSP。此后通信節(jié)點發(fā)往MH的數(shù)據包就不再需要HA轉發(fā),而直接通過通信節(jié)點和FA之間的LSP發(fā)送。通信節(jié)點所緩存的有關MH的COA信息可以定時或通過MH移動時HA向通信節(jié)點發(fā)送的更新消息進行刷新,以保證COA信息的準確性。

(2)基于特征數(shù)據(profile)的機制

基于用戶行為的機制是通過對MH移動特性的預測來解決“三角路由”問題的。在這種機制下,每個MH都對應著一組描述用戶行為信息的特征數(shù)據,這些特征數(shù)據包括用戶的移動特點、旅行計劃和可能的通信需求等。當通信節(jié)點需要向MH發(fā)送數(shù)據時,首先設法獲得MH的移動特征數(shù)據,并據此推斷出MH所在子網的COA,然后通過COA在通信節(jié)點和FA之間建立LSP,最后通過LSP發(fā)送數(shù)據。獲得MH特征數(shù)據的機制包括分布式和集中式兩種。通信節(jié)點獲得MH的特征數(shù)據后,可推斷出MH當前所在子網的COA,并據此建立與FA間的LSP。根據MH特征數(shù)據推斷出的COA信息可能不夠精確,但可通過分級移動MPLS機制進行完善。

3.移動MPLS中QoS的實現(xiàn)

MPLS主要通過DiffServ和IntServ兩種服務模型來實現(xiàn)QoS,這兩種方法同樣適用于移動MPLS,為實時移動多媒體業(yè)務提供質量保證。

(1)用DiffServ提供QoS

在DiffServ服務模型中,業(yè)務流在網絡邊緣被分成三種類型,分別是:加快轉發(fā)(EF)、確定轉發(fā)(AF)和盡力而為,每一種類型均對應一個類型標志,即區(qū)分服務碼點(DSCP)。網絡中的核心節(jié)點通過查看業(yè)務流的DSCP值確定相應數(shù)據包的每跳行為(PHB)。

在使用DiffServ的移動MPLS網中,每個MH在其家鄉(xiāng)代理注冊自己的業(yè)務類型,這些業(yè)務類型信息保存在HA上。每當MH移動到其它域的子網時,其業(yè)務類型信息也會被HA轉發(fā)到相應域。根據MH的業(yè)務類型,可以在外地域中建立符合MH業(yè)務類型相應QoS要求的LSP。以分級移動MPLS為例,當MH第一次移動到一個外地域時,注冊消息會通過FDA傳送到HA,HA則向FDA回送注冊應答消息,此時HA就可以把有關MH的業(yè)務類型信息發(fā)送給FDA,FDA將此信息存儲起來。顯然,FDA應保存目前漫游在本域的所有MH的業(yè)務類型信息。FDA向FA發(fā)送注冊應答消息時,也可以把MH的業(yè)務類型信息發(fā)送給FA,使FA可以利用MH的業(yè)務類型信息與通信節(jié)點建立E-LSP以實現(xiàn)QoS。

作為E-LSP的入口LER,FA和通信節(jié)點具有MPLS/DiffServ功能。它們根據業(yè)務流的特點對數(shù)據流進行定時、整形、DSCP值分配等,并給數(shù)據包加標簽。MPLS網絡的中間節(jié)點(如FDA)根據所收到數(shù)據包的DSCP值選擇相應的PHB對數(shù)據進行轉發(fā)。 在使用DiffServ的移動MPLS中,注冊信息和業(yè)務類型信息可以在預先建立好的用于傳送信令的LSP上傳送,業(yè)務流可以在HA和FDA間以及FDA和FA間預先建立的多條符合業(yè)務類型相應QoS要求的LSP上傳送。使用DiffServ的移動MPLS有兩個特點:一是網絡內部節(jié)點服務機制比較簡單,內部節(jié)點只進行簡單的調度轉發(fā),流狀態(tài)信息的保存與流監(jiān)控機制只在邊界節(jié)點進行;二是網絡內部節(jié)點的服務對象是流聚集而非單流,單流信息只在網絡邊界保存,因此具有較好的擴展性和魯棒性。

(2)用IntServ提供QoS

在IntServ服務模型中,資源預留協(xié)議(RSVP)為每個流逐段建立資源預留軟狀態(tài),并依靠接納控制決定鏈路或網絡節(jié)點是否有足夠的資源滿足QoS要求。RSVP的兩條主要消息是PATH和RESV,PATH是從發(fā)送方到接收方的消息,RESV消息中包含了每個流的流量特征和分類。當接收方收到PATH消息后,回送RESV消息, 消息中包含了QoS的要求。為了在移動MPLS中使用IntServ支持QoS,RESV消息中增加了標簽信息,這樣在RSVP在網絡中進行資源預留的同時,也建立了滿足QoS要求的LSP。 以分級移動MPLS為例,當通信節(jié)點向MH發(fā)送PATH消息時,PATH消息被轉發(fā)到FDA,FDA接著把PATH消息轉發(fā)到MH當前所在子網的FA。FA根據PATH中的信息分配一個標簽作為其入標簽,然后向FDA回送包含該標簽值的RESV消息。FDA收到FA發(fā)來的RESV消息后,先把消息中的標簽值和收到RESV的端口作為FDA與FA之間LSP的出標簽和出端口,然后分配一個標簽作為入標簽,并向通信節(jié)點轉發(fā)帶有FDA分配的標簽信息的RESV消息。當RESV到達通信節(jié)點后,通信節(jié)點把消息中的標簽值和收到RESV的端口作為通信節(jié)點與FDA之間LSP的出標簽和出端口。至此,從通信節(jié)點到MH的符合QoS要求的LSP就建立起來了。 MH移動到新子網時,新子網的FA向FDA發(fā)送RESV消息,通過相似過程在FA和FDA之間建立新的滿足業(yè)務流QoS要求的LSP。由于FDA和通信節(jié)點之間已經有滿足業(yè)務流QoS要求的LSP存在,因此在FDA上只需修改相應LSP的出標簽和出端口即可。在使用IntServ的移動MPLS中,PATH和RESV消息可以在預先建立的信令LSP上傳送。使用IntServ的移動MPLS具有較高的靈活性和較好的服務質量保證,但在資源預留、調度和緩沖管理上系統(tǒng)開銷大,可擴展性較差。

三、結 語

移動MPLS是一個新的研究領域,今后的研究方向包括:①研究新的網絡架構,在不改變或盡量少地改變現(xiàn)有網絡設施的基礎上,在MPLS網絡上實現(xiàn)移動MPLS的功能;②如何實現(xiàn)基于移動MPLS的VPN業(yè)務;③如何實現(xiàn)移動MPLS流量工程;④研究相關控制流程和控制消息格式等。

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本文章關鍵詞: 移動MPLS