移動MPLS及其關(guān)鍵技術(shù)
移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是最具市場前景的電信業(yè)務(wù)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(wǎng)的需求,又能滿足他們之間進行數(shù)據(jù)和多媒體通信的需求。移動IP是實現(xiàn)移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一,它支持具有固定IP地址的移動終端在互聯(lián)網(wǎng)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(shù)和二層的交換技術(shù)結(jié)合在一起的一種快速包交換技術(shù),它在網(wǎng)絡(luò)邊緣對數(shù)據(jù)進行分類,并為每類數(shù)據(jù)添加標簽,在網(wǎng)絡(luò)中僅對標簽進行交換,從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的快速交換。MPLS克服了傳統(tǒng)IP網(wǎng)僅提供盡力而為(best effort?服務(wù)的缺點,可以保證用戶的QoS要求,并通過應(yīng)用流量工程提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。為提供高質(zhì)量的有QoS保證的移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),移動MPLS技術(shù)應(yīng)運而生。它將移動IP和MPLS結(jié)合起來,在MPLS網(wǎng)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(wù)質(zhì)量和充分利用網(wǎng)絡(luò)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。
本文引用地址:http://cafeforensic.com/article/201706/357701.htm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(jié)合形成的移動MPLS使MPLS網(wǎng)具備了支持IP移動性的能力。目前有兩種移動MPLS技術(shù):基本移動MPLS和分級移動MPLS(即H-MPLS)。基本移動MPLS只考慮了IP用戶在一個較大范圍內(nèi)移動相對較慢的情況,當無線接入網(wǎng)中因使用微蜂窩而造成IP用戶在子網(wǎng)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。
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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(wǎng)時,會發(fā)送一條注冊消息給該子網(wǎng)的外地代理(FA),FA把這條注冊消息通過正常的IP路由轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jīng)建立的LSP發(fā)送注冊應(yīng)答消息給FA。FA收到注冊應(yīng)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(jù)包,數(shù)據(jù)包會被路由到MH的家鄉(xiāng)網(wǎng),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?xí)允盏降臄?shù)據(jù)包中所包含的IP地址為索引,在標簽表中查找該數(shù)據(jù)包的出標簽和出端口。根據(jù)查找到的出標簽和出端口,該數(shù)據(jù)包被加上相應(yīng)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(jù)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(yīng)的出標簽和出端口為空)。作為LSP出口LER的FA去掉數(shù)據(jù)包的標簽,并把該數(shù)據(jù)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(jù)包。在基本移動MPLS中,每當MH移動到一個新的MPLS子網(wǎng)時,都要通過新子網(wǎng)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(jù)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(jù)通信就會中斷,造成數(shù)據(jù)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。
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分級移動MPLS技術(shù)假設(shè)一個MPLS網(wǎng)被分為多個MPLS域,每個MPLS域中又有多個接入子網(wǎng)。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(jù)所接收到的代理廣播消息來判斷自己處于家鄉(xiāng)網(wǎng)還是外地網(wǎng)。若MH認定自己處在外地網(wǎng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)子網(wǎng)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?xí)跇撕灡碇姓业揭裕停燃亦l(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(yīng)值。最后,HA沿著其至FDA的LSP發(fā)送注冊應(yīng)答消息給FDA,FDA也會沿著FDA至FA的LSP轉(zhuǎn)發(fā)該注冊應(yīng)答消息。FA收到注冊應(yīng)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(yīng)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(wǎng)的MH發(fā)送數(shù)據(jù)包,HA就會截獲這些數(shù)據(jù)包。在分級移動MPLS網(wǎng)中,HA查找它的標簽表,找出該數(shù)據(jù)包所對應(yīng)的出標簽和出端口。根據(jù)查找到的結(jié)果,數(shù)據(jù)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(jù)包后會繼續(xù)根據(jù)入標簽值查找到相應(yīng)的出標簽值,即沿著FDA和FA之間的LSP把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到FA。FA收到數(shù)據(jù)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(jù)包上的標簽后,通過IP層把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給MH,于是MH就收到通信節(jié)點發(fā)給它的數(shù)據(jù)。
若MH在同一個MPLS域中從一個子網(wǎng)切換到另一個子網(wǎng),它將向新子網(wǎng)的FA請求新的COA,并向新子網(wǎng)的FA發(fā)送注冊請求消息。新子網(wǎng)的FA?xí)言撟哉埱笙⑥D(zhuǎn)發(fā)給FDA。收到注冊請求消息后,FDA向新子網(wǎng)的FA發(fā)送標簽請求消息,然后新子網(wǎng)的FA向FDA發(fā)送標簽映射消息,這樣在新子網(wǎng)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(wǎng)的FA之間建立一條全新的LSP,而只是在FDA和新子網(wǎng)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(wǎng)FA可以對MH的新綁定關(guān)系進行緩存。如果FDA使用過時的標簽表向MH發(fā)送數(shù)據(jù)包,舊子網(wǎng)FA收到數(shù)據(jù)包后將與新的FA建立LSP,并通過該LSP向新FA發(fā)送數(shù)據(jù)包,從而避免了切換過程中數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)中切換所需的消息交互,從而節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)資源。
二、移動MPLS的關(guān)鍵技術(shù) 根據(jù)移動MPLS的原理,實現(xiàn)移動MPLS應(yīng)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(shù) 快速切換技術(shù)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(jù)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(jù)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(wǎng)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(wǎng)中移動,則在MH移動到相鄰子網(wǎng)之前就在相鄰子網(wǎng)內(nèi)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(wǎng)FA的正用于傳送數(shù)據(jù)的LSP,被動LSP是指從FDA到MH當前所在外地子網(wǎng)所有相鄰子網(wǎng)的FA的尚未使用的LSP。 如果MH知道它將要訪問的子網(wǎng),就可以使用FA發(fā)現(xiàn)協(xié)議得到相鄰子網(wǎng)內(nèi)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(wǎng)移動至某子網(wǎng)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(wǎng),標簽表中相應(yīng)的被動LSP條目就會被刪除。MH移動到一個新的子網(wǎng)后,將向原來子網(wǎng)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(wǎng)移動到另一個子網(wǎng)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。
?。ǎ玻┗诮M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(wǎng)的FA之間,以及所有與該子網(wǎng)相鄰的子網(wǎng)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(jù)包通過事先建立好的LSP向所有相鄰子網(wǎng)的FA進行組播。這樣當MH移動到新的子網(wǎng)時,就可以立即收到來自通信節(jié)點的數(shù)據(jù)包。切換過程完成后,網(wǎng)絡(luò)也會根據(jù)切換過程中的信息進行調(diào)整,登記新使用的LSP,刪除不需要的LSP。
?。玻?ldquo;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(jù)包首先被發(fā)送到HA,然后再由HA沿LSP轉(zhuǎn)發(fā)到MH,這就是所謂的“三角路由”問題。因為數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)不是通過最優(yōu)的LSP送往MH,而必須通過HA進行轉(zhuǎn)發(fā),既浪費網(wǎng)絡(luò)資源,又導(dǎo)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(wǎng)的COA,并在通信節(jié)點和FA之間建立LSP,數(shù)據(jù)包就不必經(jīng)過HA,可以直接通過通信節(jié)點和FA之間的LSP進行轉(zhuǎn)發(fā),從而解決了“三角路由”問題。
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?。茫希辆彺鏅C制是在通信節(jié)點中對MH所在的一個或多個子網(wǎng)的COA進行緩存。當通信節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)往MH時,首先查找COA緩存表中與MH相對應(yīng)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(wǎng)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(jù)包,而無需通過HA轉(zhuǎn)發(fā)。開始時通信節(jié)點中不存在與MH相關(guān)的COA緩存,送往MH的數(shù)據(jù)包還是要通過HA轉(zhuǎn)發(fā)。但是根據(jù)MH在子網(wǎng)間移動時所進行的注冊過程,HA中含有MH目前所在子網(wǎng)的COA信息。所以,當數(shù)據(jù)包到達HA后,HA?xí)檎遥停犬斍八谧泳W(wǎng)的COA,并通過HA和FA之間已經(jīng)建立的LSP轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。同時,HA根據(jù)收到的數(shù)據(jù)包找出數(shù)據(jù)發(fā)送方的地址和數(shù)據(jù)目的地址所對應(yīng)的COA,并向數(shù)據(jù)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(wǎng)的FA間直接建立LSP。此后通信節(jié)點發(fā)往MH的數(shù)據(jù)包就不再需要HA轉(zhuǎn)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(guān)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。
?。ǎ玻┗谔卣鲾?shù)據(jù)(profile)的機制
基于用戶行為的機制是通過對MH移動特性的預(yù)測來解決“三角路由”問題的。在這種機制下,每個MH都對應(yīng)著一組描述用戶行為信息的特征數(shù)據(jù),這些特征數(shù)據(jù)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(jù)時,首先設(shè)法獲得MH的移動特征數(shù)據(jù),并據(jù)此推斷出MH所在子網(wǎng)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(jù)。獲得MH特征數(shù)據(jù)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(jù)后,可推斷出MH當前所在子網(wǎng)的COA,并據(jù)此建立與FA間的LSP。根據(jù)MH特征數(shù)據(jù)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。
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?。停校蹋又饕ㄟ^DiffServ和IntServ兩種服務(wù)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(wù)提供質(zhì)量保證。
(1)用DiffServ提供QoS
在DiffServ服務(wù)模型中,業(yè)務(wù)流在網(wǎng)絡(luò)邊緣被分成三種類型,分別是:加快轉(zhuǎn)發(fā)(EF)、確定轉(zhuǎn)發(fā)(AF)和盡力而為,每一種類型均對應(yīng)一個類型標志,即區(qū)分服務(wù)碼點(DSCP)。網(wǎng)絡(luò)中的核心節(jié)點通過查看業(yè)務(wù)流的DSCP值確定相應(yīng)數(shù)據(jù)包的每跳行為(PHB)。
在使用DiffServ的移動MPLS網(wǎng)中,每個MH在其家鄉(xiāng)代理注冊自己的業(yè)務(wù)類型,這些業(yè)務(wù)類型信息保存在HA上。每當MH移動到其它域的子網(wǎng)時,其業(yè)務(wù)類型信息也會被HA轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)域。根據(jù)MH的業(yè)務(wù)類型,可以在外地域中建立符合MH業(yè)務(wù)類型相應(yīng)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(yīng)答消息,此時HA就可以把有關(guān)MH的業(yè)務(wù)類型信息發(fā)送給FDA,FDA將此信息存儲起來。顯然,FDA應(yīng)保存目前漫游在本域的所有MH的業(yè)務(wù)類型信息。FDA向FA發(fā)送注冊應(yīng)答消息時,也可以把MH的業(yè)務(wù)類型信息發(fā)送給FA,使FA可以利用MH的業(yè)務(wù)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(jù)業(yè)務(wù)流的特點對數(shù)據(jù)流進行定時、整形、DSCP值分配等,并給數(shù)據(jù)包加標簽。MPLS網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(如FDA)根據(jù)所收到數(shù)據(jù)包的DSCP值選擇相應(yīng)的PHB對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)。 在使用DiffServ的移動MPLS中,注冊信息和業(yè)務(wù)類型信息可以在預(yù)先建立好的用于傳送信令的LSP上傳送,業(yè)務(wù)流可以在HA和FDA間以及FDA和FA間預(yù)先建立的多條符合業(yè)務(wù)類型相應(yīng)QoS要求的LSP上傳送。使用DiffServ的移動MPLS有兩個特點:一是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點服務(wù)機制比較簡單,內(nèi)部節(jié)點只進行簡單的調(diào)度轉(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點的服務(wù)對象是流聚集而非單流,單流信息只在網(wǎng)絡(luò)邊界保存,因此具有較好的擴展性和魯棒性。
?。ǎ玻┯?a class="contentlabel" href="http://cafeforensic.com/news/listbylabel/label/IntServ">IntServ提供QoS
在IntServ服務(wù)模型中,資源預(yù)留協(xié)議(RSVP)為每個流逐段建立資源預(yù)留軟狀態(tài),并依靠接納控制決定鏈路或網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中進行資源預(yù)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(zhuǎn)發(fā)到FDA,FDA接著把PATH消息轉(zhuǎn)發(fā)到MH當前所在子網(wǎng)的FA。FA根據(jù)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(zhuǎn)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(wǎng)時,新子網(wǎng)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(wù)流QoS要求的LSP。由于FDA和通信節(jié)點之間已經(jīng)有滿足業(yè)務(wù)流QoS要求的LSP存在,因此在FDA上只需修改相應(yīng)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(yù)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(wù)質(zhì)量保證,但在資源預(yù)留、調(diào)度和緩沖管理上系統(tǒng)開銷大,可擴展性較差。
三、結(jié) 語
移動MPLS是一個新的研究領(lǐng)域,今后的研究方向包括:①研究新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),在不改變或盡量少地改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的基礎(chǔ)上,在MPLS網(wǎng)絡(luò)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(wù);③如何實現(xiàn)移動MPLS流量工程;④研究相關(guān)控制流程和控制消息格式等。
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