ptn设备实现原理详解

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1、文档名称 文档密级： 2018-1-31 华为机密，未经许可不得扩散 第 1 页, 共 26 页OptiX PTN 设备实现原理详解1 、MPLS 基础1.1 简介介绍 MPLS 的产生、基本概念、网络结构及体系结构1.1.1 MPLS 的起源1.1.2 MPLS 概述1.1.3 MPLS 网络结构1.1.4 MPLS 基本概念1.1.5 MPLS 的体系结构1.1.1 MPLS 的起源90 年代中期，基于 IP 技术的 Internet 快速普及。但由于硬件技术存在限制，基于最长匹配算法的 IP 技术必须使用软件查找路由，转发性能低下。因此 IP 技术的转发性能成为当时限制网络发展的瓶颈。为

2、了适应网络的发展，ATM（ Asynchronous Transfer Mode）技术应运而生。ATM 采用定长标签（即信元） ，并且只需要维护比路由表规模小得多的标签表，能够提供比 IP 路由方式高得多的转发性能。然而，ATM 协议相对复杂，且 ATM 网络部署成本高，这使ATM 技术很难普及。传统的 IP 技术简单，且部署成本低。如何结合 IP 与 ATM 的优点成为当时热门话题。多协议标签交换技术 MPLS（Multiprotocol Label Switching）就是在这种背景下产生的。MPLS 最初是为了提高路由器的转发速度而提出的。与传统 IP 路由方式相比，它在数据转发时，只在

3、网络边缘分析 IP 报文头，而不用在每一跳都分析 IP 报文头，节约了处理时间。随着 ASIC 技术的发展，路由查找速度已经不是阻碍网络发展的瓶颈。这使得 MPLS 在提高转发速度方面不再具备明显的优势。但是 MPLS 支持多层标签和转发平面面向连接的特性，使其在 VPN（Virtual Private Network） 、流量工程、QoS（Quality of Service）等方面得到广泛应用。文档名称 文档密级： 2018-1-31 华为机密，未经许可不得扩散 第 2 页, 共 26 页1.1.2 MPLS 概述MPLS 位于 TCP/IP 协议栈中的链路层和网络层之间，用于向 IP 层

4、提供连接服务，同时又从链路层得到服务。MPLS 以标签交换替代 IP 转发。标签是一个短而定长的、只具有本地意义的连接标识符，与 ATM 的 VPI/VCI 以及 Frame Relay 的 DLCI 类似。标签封装在链路层和网络层之间。MPLS 不局限于任何特定的链路层协议，能够使用任意二层介质传输网络分组。MPLS 起源于 IPv4（Internet Protocol version 4） ，其核心技术可扩展到多种网络协议，包括 IPv6（Internet Protocol version 6） 、IPX（Internet Packet Exchange） 、Appletalk、DECne

5、t、CLNP （Connectionless Network Protocol）等。MPLS 中的“Multiprotocol”指的就是支持多种网络协议。由此可见，MPLS 并不是一种业务或者应用，它实际上是一种隧道技术。这种技术不仅支持多种高层协议与业务，而且在一定程度上可以保证信息传输的安全性。1.1.3 MPLS 网络结构MPLS 网络的典型结构如图 1-1，MPLS 网络的基本组成单元是标签交换路由器 LSR（Label Switching Router） ，由 LSR 构成的网络区域称为 MPLS 域（MPLS Domain） 。位于 MPLS 域边缘、连接其它网络的 LSR 称为边

6、沿路由器 LER（Label Edge Router） ，区域内部的 LSR 称为核心 LSR（Core LSR） 。如果一个 LSR 有一个或多个不运行MPLS的相邻节点，那么该 LSR 就是 LER。如果一个 LSR 的相邻节点都运行 MPLS，则该LSR就是核心 LSR。图 1-1 MPLS 网络结构文档名称 文档密级： 2018-1-31 华为机密，未经许可不得扩散 第 3 页, 共 26 页MPLS 基于标签进行转发。IP 包进入 MPLS 网络时， MPLS 入口的 LER 分析 IP 包的内容并且为这些 IP 包添加合适的标签，所有 MPLS 网络中的节点都是依据标签来转发数据的

7、。当该 IP 包离开 MPLS 网络时，标签由出口边缘设备删除。报文在 MPLS 网络中经过的路径称为标签交换路径 LSP（Label Switched Path） 。LSP是一个单向路径，与数据流的方向一致。图 1-2 MPLS LSPLSP 的起始节点称为入节点（Ingress ） ；位于 LSP 中间的节点称为中间节点（Transit） ；LSP 的末节点称为出节点（Egress） 。一条 LSP 可以有 0 个、1 个或多个中间节点，但有且只有一个入节点和出节点。文档名称 文档密级： 2018-1-31 华为机密，未经许可不得扩散 第 4 页, 共 26 页1.1.4 MPLS 基本概

8、念标签标签（Label ）是一个短而定长的、只具有本地意义的标识符。标签与 ATM 的 VPI/VCI 以及 Frame Relay 的 DLCI 类似，是一种连接标识符。标签长度为 4 个字节，封装结构如图 1-3 所示。图 1-3 MPLS 报文首部结构标签共有 4 个域： Label：20 比特，标签值域。 Exp：3 比特，用于扩展。现在通常用做 CoS（Class of Service） ，其作用与Ethernet802.1p 的作用类似。 S：1 比特，栈底标识。MPLS 支持多层标签，即标签嵌套。S 值为 1 时表明为最底层标签。 TTL：8 比特，和 IP 分组中的 TTL（T

9、ime To Live）意义相同。标签封装在链路层和网络层之间。这样，标签能够被任意的链路层所支持。标签在分组中的封装位置如图 1-4 所示。图 1-4 标签在分组中的封装位置标签栈标签栈（Label stack）是指标签的排序集合。MPLS 报文支持同时携带多个标签，靠近二层首部的标签称为栈顶标签或外层标签；靠近 IP 首部的标签称为栈底标签，或内层标签。理论上，MPLS 标签可以无限嵌套。图 1-5 标签栈文档名称 文档密级： 2018-1-31 华为机密，未经许可不得扩散 第 5 页, 共 26 页标签栈按后进先出（Last In First Out）方式组织标签，从栈顶开始处理标签。标

10、签操作类型标签的操作类型包括标签压入（Push） 、标签交换（Swap）和标签弹出（Pop） ，它们是标签转发的基本动作，是标签转发信息表的组成部分。 Push：指当 IP 报文进入 MPLS 域时，MPLS 边界设备在报文二层首部和 IP 首部之间插入一个新标签；或者 MPLS 中间设备根据需要，在标签栈顶增加一个新的标签（即标签嵌套封装） 。 Swap：当报文在 MPLS 域内转发时，根据标签转发表，将 MPLS 报文的栈顶标签删除，然后添加一层下一跳分配的标签。 Pop：当报文离开 MPLS 域时，将 MPLS 报文的标签去掉；或者 MPLS 倒数第二跳节点处去掉栈顶标签，减少标签栈中的

11、标签数目。倒数第二跳弹出在最后一跳节点，标签已经没有使用价值。这种情况下，可以利用倒数第二跳弹出特性PHP（Penultimate Hop Popping） ，在倒数第二跳节点处将标签弹出，减少最后一跳的负担。最后一跳节点直接进行 IP 转发或者下一层标签转发。PHP 在 Egress 节点上配置。支持 PHP 的 Egress 节点分配给倒数第二跳节点的标签有以下两种： 标签值 0：表示 IPv4 显式空标签（explicit-null ） 。被分配了显式空标签的报文在Egress 节点将被直接进行 Pop 操作，处理 EXP 和 TTL 后进行 IP 转发或下一层标签转发，不再查询标签转发

12、表。 标签值 3：表示隐式空标签（implicit-null） ，这个值不会出现在标签栈中。当一个LSR 发现自己被分配了隐式空标签时，它并不用这个值替代栈顶原来的标签，而是直接执行 Pop 操作。Egress 节点直接进行 IP 转发或下一层标签转发。注：目前 PTN 不支持倒数第二跳弹出（ PHB）标签交换路径文档名称 文档密级： 2018-1-31 华为机密，未经许可不得扩散 第 6 页, 共 26 页报文在 MPLS 网络中经过的路径称为标签交换路径 LSP（Label Switched Path） 。LSP 在功能上与 ATM 和 Frame Relay 的虚电路相同，是从入口到出口

13、的一个单向路径。入节点、中间节点和出节点标签交换路径 LSP 是一个单向路径，LSP 中的 LSR 可以分为： 入节点（Ingress ）：LSP 的起始节点，一条 LSP 只能有一个 Ingress。Ingress 的主要功能是给报文压入一个新的标签，封装成 MPLS 报文进行转发。 中间节点（Transit）：LSP 的中间节点，一条 LSP 可能有多个 Transit。Transit 的主要功能是查找标签转发信息表，通过标签交换完成 MPLS 报文的转发。 出节点（Egress）：LSP 的末节点，一条 LSP 只能有一个 Egress。Egress 的主要功能是弹出标签，恢复成原来的报

14、文进行相应的转发。其中 Ingress 和 Egress 既是 LSR，又是 LER；Transit 是 LSR。上游和下游根据数据传送的方向，LSR 可以分为上游和下游。 上游：以指定的 LSR 为视角，根据数据传送的方向，所有往本 LSR 发送 MPLS 报文的 LSR 都可以称为上游 LSR。 下游：以指定的 LSR 为视角，根据数据传送的方向，本 LSR 将 MPLS 报文发送到的所有下一跳 LSR 都可以称为下游 LSR。如图 1-6 所示，对于发往 192.168.1.0/24 的数据流来说， LSR-A 是 LSR-B 的上游节点，LSR-B 是 LSR-A 的下游节点。同理，L

15、SR-B 是 LSR-C 上游节点。LSR-C 是LSR-B 的下游节点。图 1-6 上游和下游概念标签分发图 1-7 标签分发示意图标签发布协议文档名称 文档密级： 2018-1-31 华为机密，未经许可不得扩散 第 7 页, 共 26 页标签发布协议是 MPLS 的控制协议（也可称为信令协议） ，负责标签的分发以及 LSP 的建立和维护等一系列操作。MPLS 可以使用多种标签发布协议，例如 LDP（Label Distribution Protocol） 、RSVP-TE（Resource Reservation Protocol Traffic Engineering）和 MP-BGP（

16、Multiprotocol Border Gateway Protocol） 。1.1.5 MPLS 的体系结构MPLS 的体系结构由控制平面（Control Plane）和转发平面（Forwarding Plane）组成。MPLS 体系结构如图 1-8。图 1-8 MPLS 体系结构示意图 控制平面是无连接的，主要功能是负责标签的分配、标签转发表的建立、标签交换路径的建立、拆除等工作。 转发平面也称为数据平面（Data Plane） ，是面向连接的，可以使用 ATM、帧中继、Ethernet 等二层网络。转发平面的主要功能是对 IP 包进行标签的添加和删除，同时依据标签转发表对收到的分组进行转发。1.2 LSP 的建立介绍静态 LSP 和动态 LSP 的建立过程1.2.1 LSP 的基本建立过程1.2.2 静态 LSP 的建立1.2.3 动态 LSP 的建立文档名称 文档密级： 2018-1-31 华为机密，未经许可不得扩散 第 8 页, 共 26 页1