基于MPLS的任意传输的优化与改进 毕业设计论文.doc

毕 业 设 计设计题目 基于MPLS的任意传输的优化与改进 指导教师 姓 名 班 级 信息09(1)班 所在系（部） 信息技术系 2012年6 月 10 日浙江金融职业学院毕业设计开题报告姓名 班级信息091 班系部信息技术毕业设计题目基于MPLS的任意传输的优化与改进一、选题理由：在网络的发展过程中，运营商可能会因为需要提供不同的服务给不同的公司而建立几套不同的网络。例如：当需要给用户提供电话通信服务时会建立一套电路交换的网络；当需要给用户提供专用连接的时候会使用帧中继网络或者专线。在这样的情况下，运营商不得不同时维护几张重叠的网络，并且在目前以太网技术大行其道的情况下绝大部分运营商的骨干网络都会采用高速的以太网技术。在这样的大情况下，如何充分利用历史遗留下来的网络基础设施便是一个需要考虑的问题。通过使用基于MPLS的任意传输功能，让运营商的骨干网络在以太网的基础上运行多协议标签交换来建立一个虚拟的隧道，之后便可以基于这个虚拟的隧道使得遗留的设备可以继续为用户提供服务。但目前的实现还存在着一些问题，如何能让运营商更方便的使用该功能以及如何修正目前存在的问题是非常重要的。二、拟实现的目标：要求实现利用运营商遗留网络资源为客户提供服务的工程，思索在实现过程中出现的不足；建立完善的解决方案，为客户提供高可靠、高可用的网络服务。同时还需要充分利用运营商新建立的网络设施，方便维护网络的正常运行。三、综述与本设计相关的已有研究（设计）成果的综述：MPLS任意传输(AToM)是一个用于在IP或者MPLS骨干网上传输第二层流量的思科解决方案。AToM通过让IP/MPLS可以提供第二层和第三层服务，加强了IP/MPLS的可用性。AToM产品系列可以在多种不同的思科路由器平台上支持多种类型的第二层帧、PPP和HDLC，这些平台包括Cisco 12000系列路由器和Cisco 7600、7500和7200路由器。四、设计的主体框架与进度安排：主体框架：第一章：序论第二张：传统网络中的传输原理第三章：传统路由式网络的构建第四章：多协议标签交换第五章：基于MPLS的任意传输的优化与改进进度安排：1、查找、阅读并整理资料，完成开题报告；2011.11.15-2011.11.25；2、完成系统和数据库分析和设计；2011.11.25-2012.2.25；3、实现各个系统模块的功能，编写文档；2012.2.25-2012.4.15；4、毕业设计文档的撰写、修改；2012.4.15-2012.5.31；5、毕业文档的定稿打印、评阅、验收、答辩；2012.6.1-2012.6.11。五、指导教师意见：该生对于所开课题进行了较为详细的课题调研，参考了许多文献。最后确定的课题具有一定的实用价值。本课题是该学生所学专业知识的延续，符合学生专业发展方向，对于提高学生的基本知识、技能和研究能力有益。研究方法和研究计划基本合理，难度适合。学生能够在预定时间内完成该课题的设计。同意该课题开题。 签 章： 2011年11月 25 日六、教研室意见：该生在准备毕业设计过程中，大量查阅相关资料；灵活运用已学只是解决课题中遇到的问题。针对相关问题，通过案例结合本文内容，调理清楚。同意该课题开题。 签 章： 2011 年12月25日浙江金融职业学院 2012 届毕业设计任务书姓 名 专业信息安全技术指导教师 毕业设计题目基于MPLS的任意传输的优化与改进主要研究内容随着技术的不断革新，如何将网络发展过程中遗留下来的网络基础设施能够继续发挥它的余热。分析、研究现有的AToM部署，在网络可用性、可靠性、可扩展性上有更好的提升。研究方法本文从网络可用性、可靠性、可扩展三个层次上进行改进。主要任务及目标网络优化的目标是寻找一种解决方案，优化AToM的部署；最大限度的简化部署过程中的步骤，并且提高网络的平均服务质量。从用户角度来看，网络优化的主要目标是保证客户的业务不间断运行，增强可靠性、可用性以及可扩展性。主要参考文献1美Wei Luo, Carlos pignataro. 第二层VPN体系结构.北京.人民邮电出版社.20062美Luc de Ghein. MPLS技术架构.北京.人民邮电出版社.20083美Jeff Doyle, Jennifer Carroll. TCP/IP路由技术(第一卷)(第二版).北京.人民邮电出版社.20074美Jeff Doyle Jennifer DeHaven Carroll. TCP/IP路由技术(第二卷).北京.人民邮电出版社.2009进度安排1、查找、阅读并整理资料，完成开题报告；2011.11.15-2011.12.25；2、完成系统和数据库分析和设计；2011.11.25-2012.2.25；3、实现各个系统模块的功能，编写文档；2012.2.25-2012.4.15；4、毕业设计文档的撰写、修改；2012.4.15-2012.5.31；5、毕业文档的定稿打印、评阅、验收、答辩；2012.6.1-2012.6.11。 指导教师签字: 系（教研室）负责人签字： 2011 年 12 月 25日基于MPLS的任意传输的优化与改进 内容摘要：在网络的发展过程中，运营商可能会因为需要提供不同的服务给不同的公司而建立几套不同的网络。但在目前以太网技术大行其道的情况下绝大部分运营商的骨干网络都会采用更高速的以太网技术作为发展趋势。通过使用基于MPLS的任意传输功能，运营商可以方便的在自己的骨干网络上为遗留网络设施之间建立隧道；使运营商在不加入任何投资的情况下为客户提供增值服务，增加收益。但由于MPLS和基于MPLS的任意传输自身的一些原因导致网络并不是那么高效的使用，本文针对这些问题提出了一些改进方案。使之能够在现有的条件下尽可能的优化网络中的传输，达到使用的最佳效果。关键字：任意传输 多协议标签交换 MPLS目 录第 1 章 绪论1第 2 章 传统网络中的传输原理32.1 TCP/IP模型简介32.2 计算机之间通信的过程4第 3 章 传统路由式网络的构建93.1 传统网络的层次结构93.2 传统路由式网络的建立过程9第 4 章 多协议标签交换144.1 多协议标签交换的优点144.2 建立一个MPLS的网络154.3 基于MPLS的任意传输18第 5 章 基于MPLS的任意传输的优化与改进255.1 基于MPLS的任意传输总结255.2 Any Transport over MPLS的优化与改进26致 谢28参考文献29第 1 章 绪论计算机网发展至今，已经经历了四个历史阶段：第一代计算机网络：第一代计算机网络出现在20世纪50年代，它实际上是以单个计算机为中心的远程联机系统。在这种系统中，除了一台中心计算机，其余的终端不具备自主处理能力。这种网络也称为面向终端的计算机网络。第二代计算机网络：第二代计算机网络出现在20世纪60年代，典型代表是ARPANET。第二代计算机网络是多台主机通过通信线路连接起来的，它和以单台计算机为中心的远程联机系统的主要区别是，在这种网络中每台计算机都有独立的处理能力，在这些机器之间不存在主从关系。但是由于第二代计算机网络是由研究单位、大学等部门各自研制的，没有统一的网络体系结构，要把这些计算机连接起来很难。第三代计算机网络：第三代计算机网络出现在20世纪70年代中期，在第二代计算机网络中相互通信的计算机之间需要高度的协调工作，而这种协调是非常复杂的，为了降低网络设计的复杂性，国际标准化组织（ISO）于1977年设立了专门的机构研究这个问题，并在不久后提出了一种使计算机互连的标准柜架-开放式系统互联参考模型（OSI)它把网络分成了七层，并且规定了每层的功能 。这种网络具有统一的网络体系结构，所以能够很方便地把不同的计算机连接起来。OSI参考模型的推出，意味着计算机网络发展到第三代。现在我们所使用的TCP/IP模型实质上是OSI七层网络模型的简化版，所在也属于第三代网络。第四代计算机网络：第四代计算机网络在20世纪90年代开始，把各种网络技术融合在了一起，这代网络的特点是高速化和综合化。在这几代计算机网络发展的过程中，由于各种各样的应用需求催生出了许多的网络协议与物理设备。例如：当贝尔发明电话之后，人们为了和距离很远的人实时对话而开发出了电路交换的电话网络；为了让一个小范围内的计算机可以相互共享数据与资料，人们又开发出了以太网、令牌环网等等。由于这些应用的存在和一些历史遗留问题，通常情况下服务运营商为了满足客户的需求都需要同时运行多个网络。例如：当需要给用户提供电话通信服务时会建立一套基于电路交换的电话网络；当需要给用户提供二层的专用网络时会建立一套基于分组交换的帧中继网络或者是以太网网络；当需要给用户提供Internet接入服务的时候又需要建立一套数据通信网络等等。在这样的情况下，服务运营商不得不同时维护这些重叠的网络，这对运营商来说是一个非常巨大的管理性开销；并且在当前以太网技术大行其道的环境下绝大多数运营商都会采用可以提供万兆甚至是4 万兆传输速率的以太网作为骨干网络的建设标准；那么如何充分利用历史遗留下来的网络基础设施便第一个需要考虑的问题。其次当运营商的骨干网络中为了确保冗余性而建立了大量的网络节点和线路，又由于传统的IP路由只会将去往某个目的地最优的路由作为设备转发IP数据包的依据，那么在拥有大量冗余链路的情况中只使用其中某一条链路是一种非常浪费的情况，如何打破传统IP路由技术的缺陷便是第二个需要考虑的问题。为了解决上述的两个问题，我们就需要催生一种新的技术。一种能改变传统IP路由的局限性并且能让遗留的网络基础设施可以透明的在新型骨干网上传输数据的技术：Multiprotocol Label Switch多协议标签交换以及MPLS的高级应用Any Transport over MPLS基于MPLS的任意传输。首先使用MPLS（多协议标签交换）在骨干网络中铺设隧道，由于MPLS在OSI模型中定位与数据链路层和网络层之间，所以MPLS可以使用网络层所提供的路由服务，同时又可以使用下层协议来传输数据包。在MPLS环境中数据包不再依靠路由表作为转发数据包的依据，相反MPLS将所有的路由条目映射成相应的标签，以标签作为转发数据包的依据来灵活调整数据包穿越骨干网络的路径。最后在骨干网络与遗留设备的边界使用既支持新型骨干网的技术又支持遗留设施技术的设备，让这两台设备之间利用MPLS事先建立的隧道来传输从遗留网络基础设施上的数据。这样就可以让运营商得到最大的资产保护充分遗留的网络基础设施继续为用户服务；同时又确保运营商内部网络的链路可以被充分的利用。第 2 章 传统网络中的传输原理2.1 TCP/IP模型简介计算机网络的主要目的就是让每个具有独立功能的计算能够相互连接在一起，从而进行资源的共享与数据的共享。但是在早起，各个计算机厂商对于计算机之间通信都有自己的理解，从而导致两个厂商之间的计算机并不能相互通信。这给用户带来了非常大的困扰，一旦用户购买了一个厂商的计算机之后就只能终身使用该厂商的计算机。为了解决各个厂商之间计算机通信的障碍，国际化标准组织研发了开放系统互连模型。让各个厂商的计算机在通信的时候都遵守同一个规范，那么计算机之间的通信就不会那么的复杂了。这就好比刚开始一台计算机讲中文，而另一台计算机讲英文；当开放系统互联模型出现之后，规定大家在交流的时候都使用英文那么就不会存在无法沟通的情况出现了。在开放系统互连模型中，计算机的通信一共被分成了7个层次。每个层次都独立完成自己的任务互不相干，层次与层次之间通信的时候只需要提供相关的结果即可。这7个层次从低到高分别为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。但是在实际引用中引入这么多的层次会增加系统的复杂性，我们可以寻找到这7个层次中的共同性，将7个层次合并之后得出了网络史上最成功的模型：TCP/IP模型。在TCP/IP模型中只划分了4个层次，从低到高依次为：物理层（对应于OSI模型的物理层和数据链路层）英特网层（对应于OSI模型的网络层）主机到主机层(对应于OSI模型的传输层)应用层（对应于OSI模型的会话层、表示层、应用层）。虽然层次的划分上进行了相对的简化，但是实际过程中他们所完成的任务还是一样的。物理层完成信号的定义与数据链路上寻址的规定。网络层完成端到端的寻址规定。传输层则提供数据包传输过程中的可靠与不可靠服务。应用层则用于将数据进行编码等等。2.2 计算机之间通信的过程计算机之间的通信实质上就是从源主机的TCP/IP模型的顶层处理到底层，然后在电缆上以二进制的方式被承载，到达目的主机的时候再从TCP/IP模型的底层处理到顶层的过程；在这个处理的过程中，两台计算机的每个TCP/IP模型的每一层都是对等的，相同的层之间能够相互的对话。如图2-1所示，这便是一个两台计算机之间通信的过程，源发送一个数据包给目的，然后目的立即响应一个数据包给源。图2-1 首先是地址为192.168.100.1的主机发送ICMP消息给地址为192.168.100.2的主机，之后则是一个相反的操作。实际的处理过程并没有那么的简单，在应用层中源计算机先要将需要发送的数据进行编码（在这里使用的是TELNET协议）以保证对端可以正确的识别，然后用源端口号和目的端口号作为相同应用的不同数据流之间的唯一区分，最后将数据流送到下一个层次操作。如图2-2和2-3所示。图2-2 地址为192.168.100.2的主机使用端口号23与地址为192.168.100.1端口号为31140的应用进行通信。真正通信的内容则保存在TELNET的编码中，即图中的Data：部分。图2-3 当地址192.168.100.1的主机收到该数据包之后，当它需要发送回应的数据包时只是将收到的数据包中的源IP地址和源端口与目的IP地址和目的端口对换即可。传输层在接收到该数据流之后便会将其分段，在数据段上标明该层所使用的协议相关信息（在这里我们所用的是TCP协议），并且写入应用层通告的端口号作为反向操作时传输层应该将数据流送给那个应用的依据。之后，同样将该数据段继续送到下一个层次操作。如图2-4所示。图2-4 在传输层使用了TCP协议，使用了源端口和目的端口来区分同一组主机之间不同回话的通信。网络层在接收到该数据段之后便会将其打包，打上该数据包需要达到的目的IP地址和自己的源IP地址以及其他一些控制信息。并且同样会在数据包中标明这个数据包是从上层的那个协议传递下来的，作为之后的反向操作时网络层应该将该数据包送还给那个上层协议的依据。之后，同样将该数据包继续送到下一个层次进行操作。如图2-5所示。图2-5 在网络层使用了IP协议，可以看见该数据包的源IP地址为192.168.100.2，目的IP地址为192.168.100.1，以及上层所使用的协议为TCP。最后，当物理层获取到该数据包的时候会将数据包封装成数据帧，并且写上在物理线路上传输时所需要使用到的物理地址（在这里为MAC地址），同时也写入一些控制信息再加上上层协议的类型最终就可以以二进制的电流传输到物理线缆之上。如图2-6所示。图2-6 在物理层使用了以太网2协议，同样可以看到源MAC地址和目的MAC地址以及网络层采用了什么协议。以上便是计算机如何将需要传输的数据以标准的格式加载到线缆上的过程。当目的计算机收到该数据包的时候就对其进行反向操作。首先是物理层通过MAC地址检查该数据包是不是发送到这个节点上的，如果是则根据协议类型字段中的协议传送给网络层。网络层同样根据IP地址来判断该数据包是不是发送给这台计算机的，如果是再根据协议字段将其传送给传输层。传输层的TCP协议接收到该数据段的时候便会检查相关的端口信息，再将其上传给应用层。这样两台计算机之间的应用程序便可进行通行了。2.3端到端数据通信过程简介在前面两个小节中，粗略的介绍了连接在两个计算机之间通信时所遵循的规则，以及通信步骤的简要介绍。那么当多个地点的计算机需要相互通信的时候会怎么样呢？当然我们可以在多个计算机之间用物理线缆相互连接，但是这样便会增加大量的开销。如图2-7所示。图2-7 如果计算机之间采用两两相连的方式，那么线缆的数量会因为计算机的增多而以指数级的方式增长。在最初人们引入了一种新设备路由器。人们将需要通信的计算机都与路由器相连（如图2-8所示），而路由器所需要做的工作就是让这些多个地点的计算机在TCP/IP模型的任意层次上都可以相互通信，从而让他们继续进行数据的共享。现在，虽然计算机之间的通信都需要经过路由器；但是这并没有给计算机带来多大的影响，因为路由器的存在对于计算机来说几乎是透明的。计算机所要做的事情就是在发送数据包的时候确定目的主机是不是和自己在同一个地方（确定目的IP地址是否与自己的IP地址是否在同一个网段），如果不在那么就将数据包发送给路由器，让路由器来帮助计算机转发。图2-8 将需要通信的计算机通过路由器连接在一起，这样就可以大大减少计算机之间所需要的线缆数量，降低了开销与复杂程度。为了确保路由器可以正确的转发这些计算机之间的通信，就必须有一种方法让路由器知道这些计算机都在那些地方路由表（如图2-9所示）。路由表就是路由器上保存着的地图，这张地图记录了各个计算机所在的位置以及如何去往这些地方。如果路由器接收到某个数据包，而该数据包要前往路由器不知道的地方（即该目的地址在路由表中不存在），那么路由器只会简单的丢弃这个数据包。图2-9 路由器中的路由表存储了这台路由器所知道的地址信息，以及如何去往这些地址。在路由器查询路由表之前，它首先需要知道接收到的数据包需要转发到那个目的主机，这个过程就有点类似于目的计算机接收到数据包的过程（从TCP/IP模型的最低层开始处理）：首先它需要确定这个数据包的物理层地址是不是指向路由器接口的物理地址（目的MAC地址是否为路由器的接口MAC地址），如果是；那么再看数据帧中的协议字段，然后将数据包提交到三层协议。当路由器拆封装到第三层时，它就可以提取数据包中的目的IP地址信息；然后路由器根据路由表所存储的信息做出转发决策。当路由器确定了从那个接口转发该数据包时，路由器还必须将收到的数据包中的物理地址修改成路由器与目的主机相连的线缆的物理地址。如图2-10和图2-11。图2-10 数据包的源地址是1.1.1.1目的地址是3.3.3.3，在这个数据链路上的源MAC地址是c000-138c-0000目的MAC地址是c001-138c-0000图2-11 数据包的源地址是1.1.1.1目的地址是3.3.3.3，在这个数据链路上的源MAC地址是c001-138c-0001目的MAC地址是c002-138c-0001因为，物理层的物理地址在数据包的传说过程中会根据物理线路的转换而转换，也就是说物理地址是本地有效的。最后数据包就被承载到与目的主机相连的数据链路上。以上就是端到端数据通信的过程。在整个过程中，我们可以发现路由器这种设备其实是工作在三层也就是网络层。第 3 章 传统路由式网络的构建3.1传统网络的层次结构当互联网取得成功的同时，它的规模也每天都以爆炸式的增长。每天都有成千上完个小型网络接入到互联网上，为了完成数据包的转发每台路由器的路由表都不得不记录这些信息。如果继续使用网络建立早起的扁平式结构，那么路由器的路由表将在不久的将来就占满。当然路由器的路由表被占满并不是关键的问题，关键的问题在于数据包在进行转发的时候需要根据路由表的信息来操作，当路由表非常庞大的时候查询一个条目都需要花费相当长的时间。为此，现代的网络都采用层次性的结构设计来应对路由表的爆炸式增长。全国性的运营商在POP处交换路由信息与数据流量，而区域性的运营商在本区域内连接到全国性的运营商网络上，企业可以选择直接连接到全国性的运营商网络中当然也可以选择连接到区域性的运营商网络中。在这个过程中，用于数据包寻址的IP地址被进行了称为“聚合”的操作，以此来将多个IP地址用一段IP地址来表示，那么路由表中的多个条目也就被聚合成了一个条目。这样就可以缩小路由表的大小，并且减少数据包查询的时间。3.2传统路由式网络的建立过程路由器连接了需要接入互联网络的小型网络，然而连接了这些小型网络的路由器又需要连接其他路由器才能达到彼此都能通信的目的。那么作为路由表来说，它就需要包含所有被连接的小型网络的地址，那么这个地址的收集过程就是保证整个网络联通性的根本。这些地址的收集方式有两种：静态路由和动态路由。前者是由人手动的将所有地址信息收集起来，然后再将其输入到路由器的路由表中去，当环境很大的时候这样做需要耗费很多的时间；并且这种方法也不灵活（列入网络被迁移了，那么所有的路由器上都需要进行修改）。后者是人为编写一套专用于地址信息收集的软件，让该软件运行于路由器之上，然后进行自动的地址信息收集；虽然这种方法很灵活并且很节省人力资源，但是它需要消耗路由器的性能作为代价。动态收集地址信息的时候又以协议的类型将其划分为：距离矢量路由协议和链路状态路由协议。这里，仅使用作为链路状态路由协议的OSPF作为演示。图3-1 CE1和CE2为客户边界路由器，PE1和PE2则为ISP边界路由器，其余的设备则都是ISP内部的设备。如图3-1所示。这是一个营运商的网络，用来模拟互联网。为了确保将客户的计算机提供良好的互联网接入服务，这里的所有路由器都需要运行OSPF作为动态路由协议来收集网络地址信息。首先先给路由器的每个接口都配置IP地址，这样路由器就知道了每个接口连接了什么网段。这是建立一个网络的第一步，如图3-2所示。图3-2 这里为路由器的3个接口配置了IP地址第二步就是在路由上开启OSPF路由协议，并且告诉路由器那些接口应该开启OSPF的功能，也就是说发送和接收OSPF所需的数据包。在开启OSPF路由协议并完成上诉功能的时候需要注意，思科的路由器允许同时运行多个OSPF实例；所以需要使用进程号来区分，其次由于OSPF采用了分层的路由结构，所以需要在宣告接口的同时写上该接口属于那个区域。如图3-3所示。图3-3 建立一个进程号为1的OSPF路由进程，并且将所有接口都放入区域0中。当路由器在接口上接收到OSPF的HELLO数据包之后，这个接口上OSPF的状态就会随之改变。它会在经历7个状态之后与对端的路由器形成OSPF邻居关系。这7个状态分别是：Down：在这个状态下接口属于关闭状态Init：在这个状态下OSPF在接口上发送HELLO数据包Two-way：在这个状态下说明对端的OSPF进程已经发现了发现了该路由器Exstart：在这个状态下OSPF路由器之间准备开始交换LSA信息Exchange：在这个状态下OSPF路由器之间交换LSA信息Loading：在这个状态下OSPF路由器正在载入LSA信息Full：在这个状态下两台OSPF正式形成邻居当邻居形成之后，OSPF进程会维护一张邻居表。在这张邻居表中保存了所有与该OSPF路由器形成邻居的路由器信息，如图3-4所示。图3-4 OSPF与3台其他路由器形成了邻居关系出于链路状态路由协议的本质，OSPF会在形成邻居关系之后继续在接口上发送HELLO数据包。并且会有两个计时器生效：HELLO TIME和DEAD TIME；这两个计时器用于确认何时OSPF邻居状态被接触。如图3-5和图3-6所示图3-5 OSPF邻居关系形成之后，他们之间的HELLO数据包仍然会继续的被发送。以此来确认OSPF邻居状态的存在。图3-6 OSPF的HELLO数据包中包含了发送该HELLO数据包的OSPF路由器对于HELL TIME和DEAD TIME计时器的时间设置。在邻居表生成的同时，OSPF路由器也会生成一张拓扑数据库。该数据库是依靠在Exstart和Exchange状态交换的DBD和LSU、LSR数据包来完成的（如图3-7和3-8所示）。最后，拓扑数据库（Link-state database）中就保存了所有从邻居路由器所学习到LSA信息。如图3-9所示。图3-7 OSPF在Exchange阶段交互各自知道的LSA信息便于生成LSDB图3-8 LS UPDATE中包含了OSPF所通告的网段信息图3-9 OSPF将所收到的LSA信息都存放于链路状态数据库中最后，OSPF路由器从已经生成的拓扑数据库中抽取信息；然后使用复杂的SPF算法计算得到数据转发的依据路由表。如图3-10所示。图3-10 生成的路由表中包含了所有的计算机的地址信息当网络中的所有路由器都生成了路由表之后，客户发送的数据包就可以经过这些路由器传送到全球各地的计算机上。这是最常见的路由式网络，在这个网络中每个数据包的转发都需要经过路由表查询这个环节才能正确的被转发。第 4 章 多协议标签交换4.1多协议标签交换的优点多协议标签交换（Multiprotocol Label Switch）的产生最初是用于应对路由器查询路由表的效率低下问题，正如前面所述当网络环境非常大的时候路由表也随之变得巨大，那么查询路由表也需要耗费非常多的时间。多协议标签交换的基础思想就是让数据包的转发不再依靠三层的目的IP地址，取而代之的是采用标签的方式来转发。并且标签交换表是事先根据路由表生成的，所以当收到一个标签数据包时路由器可以直接根据LOCAL标签与OUT标签的对应关系重写标签值，从而免去查询路由表时所消耗的时间。由于它存在于数据链路层与网络层之间，所以MPLS属于2.5层的应用。它的字段只有4个：如图4-1所示。标签范围：MPLS整个字段的长度为4个字节32BIT，其中20个BIT用于表示标签的范围。但是其中0-15号为保留标签，真正可用的第一个标签是16号。EXP实验位：这个字段有3BIT，用于在MPLS中实现QOS。栈底位：由于理论上MPLS的标签可以嵌套，所遇该位用于确认当前标签是否为最后一个标签。TTL：用于与IP中的TTL相同，该值在数据包进入MPLS域的时候自动从IP数据包中复制出来，当数据包离开MPLS域时再复制会IP数据包中。图4-1 HDLC为二层的封装，IP为三层的封装。而MPLS却存在于HDLC与IP之间。MPLS的数据结构非常的简单，比之前的IPv4的数据结构精简了很多，这也可以减少路由器在处理数据包时所消耗的时间。当然，作为现代的路由器来说MPLS的这些优点已经不复存在了。因为现在几乎所有的路由器都使用专用的芯片（ASIC）来对数据包做处理，路由表的转发与数据包的操作时间都已经被大大的减小。但是MPLS还有一个非常自豪的优点，就是它可以屏蔽三层的目的IP地址信息而只根据标签就可以进行数据包的转发。即只要收到这个数据包的运营商路由器知道要到达这个数据包的目的地需要从那个运营商路由器离开，那么就可以使用去往那个运营商路由器的标签进行转发，如此一来只要运营商内部的路由器知道怎么到达这两个运营商边界路由器就可以成功的将数据包正确的转发。这样可以大大减少运营商内部路由器的路由表大小（因为转发数据包时已经不在需要知道该数据包的目的IP地址如何转发），运营商的路由器不用再和以前一样只有知道整个互联网的路由才可以进行正确的转发。4.2 建立一个MPLS的网络因为MPLS所使用的标签也是根据路由表生成的，所以网络中还是离不开传统的路由协议来收集路由信息。首先要使用动态路由协议（如图4-2所示）将网络中的所有地址信息都收集起来，然后计算得到路由表。之后再根据路由表中存在的信息来分配相应的标签，然后再将标签信息与其他路由器进行交互得到最后的信息（如图4-3所示）。最终生成用于标签转发的标签转发表（如图4-4所示）。图4-2 使用OSPF作为动态路由协议，并且在3个接口上开启了OSPF功能，该路由器在1小时52分之前从包括自己一共5个路由器学习到了路由信息。图4-3 所有的路由条目都会存在1个本地生成的标签，图中2.2.2.2所对应的本地标签是108；多个远程标签，图中2.2.2.2有3个远程标签。图4-4 图中标识的2.2.2.3与图4-3中2.2.2.3的信息是吻合的，路由器将依据路由表中的信息将最优的标签存放在标签转发表中。上述便是用于标签交换的标签生成的过程，但是标签的生成是由一套独立于路由协议的全新协议完成的：TDP（标记分发协议）、LDP（标签分发协议）。前者是思科开发的专有协议，后者是IETF开发的开放版的TDP协议。而现在几乎都使用LDP作为MPLS中标签的分发协议。想在自己的网络中使用MPLS技术就必须先使用LDP协议来分发和保存标签信息：第一步首先在需要在路由器上全局启用MPLS功能（新版本的IOS则不需要），第二步在需要使用MPLS功能的接口上启开LDP协议（如图4-5所示）。之后与OSPF协议类似，路由器便会在接口上发送LDP HELLO数据包，与同样开启LDP协议的路由器形成LDP的邻居关系；不同之处在于LDP首先使用UDP来发现LDP邻居，之后再使用TCP建立LDP邻居。如图4-6和图4-7所示。图4-5 该路由器在FE0/1和S1/0这两个接口上开启了LDP协议图4-6 MPLS的发现进程，用于自动寻找MPLS邻居图4-7 MPLS自动与其他启用了MPLS的路由器建立了LDP邻居关系当MPLS网络建立完成之后（也就是LDP协议交互完所有的标签信息），所有的数据包进入该网络都会通过这个MPLS的转发表中的TAG来交换数据包。我们可以通过抓包的方式或者通过TRACERT的方式查看数据包在网络中传输的信息，如图4-8和图4-9所示。图4-8 当使用TRACERT时可以发现数据包在传输的过程中使用了306号标签。图4-9 抓取的数据包中也看到了MPLS的字段信息4.3 基于MPLS的任意传输MPLS的快速转发优点虽然已经由于路由器采用了专用芯片而被淡化，但是MPLS的另一个优点正被用于解决运营商网络中的一些疑难问题。当以太网逐渐变成下一代网络的主体之时，几乎所有的运营商都用以太网来构建自己的骨干核心网络（以太网当前可以提供40G的带宽，100G的带宽也在AT&T的骨干网络中被测试）。那么一些网络遗留设备何去何从就是一个需要考虑的问题，一方面这些网络遗留设备确确实实还在为一些客户提供服务：例如frame-relay、ATM还在为用户提供二层的专线服务。另一方面，这些网络遗留设备已经毫无再投资的意义，因为它们老旧的技术不能提供更高的带宽更好的服务。此时，MPLS的另一个优点就可以应用在现在这个环境中。将遗留的网络设施都挂接到新型的以太网骨干网络上，然后通过MPLS在遗留网络设备之间建立起一条隧道。骨干网络中的设备不用知道传输的是什么类型的数据，它们只需要根据MPLS的标签将数据包从骨干网络上穿越过去即可。MPLS还可以进行嵌套，这样就使得同一个骨干网络上可以传输多个遗留网络设备的数据。那么运营商们就可以继续发挥遗留网络设备的余热，让这些设备继续为运营商获得利润。现在，假设客户现在希望扩展他们的Q-in-Q的部署（如图4-10所示）；让城市A的路由器上的3个VLAN（如图4-11所示）与城市B的路由器上的3个VLAN可以相互通信（由于VLAN属于二层技术，但因为城市之间的距离遥远继续使用交换式网络不太现实）。此时，运营商就可以使用基于MPLS的任意传输（Any Transport over MPLS）的配置将客户的二层数据流量透明的承载到已有的以太网骨干网络上来实现客户的需求，同时又不需要为了达到客户的需求而在A城市和B城市之间投入其他设备。图4-10 CE1和CE2为客户的边界路由器，在这两台路由器上分别存在3个VLAN：VLAN100、VLAN200、VLAN300。其余的路由器都是ISP的骨干网络路由器。图4-11 3个子接口分别对应3个VLAN，并且配置了IP地址首先还是要建立运营商内部的网络连通性，同样继续使用OSPF作为运营商的动态路由协议来收集地址信息；并且使用LDP作为MPLS的标签分发协议，建立基于MPLS的标签交换网络环境。命令如下（仅以PE1路由器为例）：hostname PE1 给路由器命名为PE1mpls label range 100 199 设定MPLS使用的标签范围mpls label protocol ldp 设定MPLS所使用的协议为LDPmpls ldp explicit-null 关闭MPLS的隐式次末跳弹出router ospf 1 配置OSPF路由进程 mpls ldp autoconfig area 0 要求所有在区域0内的接口开启MPLS功能router-id 1.1.1.1 设置OSPF的ID log-adjacency-changes network 1.1.1.1 0.0.0.0 area 0 network 192.168.13.0 0.0.0.255 area 0 network 192.168.14.0 0.0.0.255 area 0mpls ldp router-id Loopback0 force 设置MPLS的Route-ID建立好标准的MPLS交换网络环境之后，我们可以使用命令来查看LDP的一些参数是否正确，从而确保MPLS已经被正确的运行。如图4-12所示图4-12 这里现实了LDP的所有参数信息，可以发现与所使用的配置完全吻合。确保所有前期工作完成之后，现在开始建立为客户提供服务的最核心环境Any Transport over MPLS。首先对应于客户的3个VLAN创建3条基于MPLS封装的伪线（因为采用的是基于MPLS的任意传输），然后在两台连接客户端的运营商边界路由器接口上分别挂接这3条伪线，并以不同的ID加之区分。命令如下（仅以PE1路由器为例）：pseudowire-class pe1-p1-pe2 设置伪线组 encapsulation mpls 设置伪线的封装为MPLSpseudowire-class pe1-p2-p3-pe2 encapsulation mplsinterface FastEthernet0/0.100 encapsulation dot1Q 100 xconnect 2.2.2.2 100 encapsulation mpls 与MPLS R