移動MPLS及其關鍵技術
加入技術交流群
移動數據業務是最具市場前景的電信業務之一，它既能滿足各種移動終端用戶隨時隨地訪問互聯網的需求，又能滿足他們之間進行數據和多媒體通信的需求。移動ＩＰ是實現移動數據業務的關鍵技術之一，它支持具有固定ＩＰ地址的移動終端在互聯網中自由移動，并保持移動過程中通信不間斷。 多協議標簽交換（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，它在網絡邊緣對數據進行分類，并為每類數據添加標簽，在網絡中僅對標簽進行交換，從而實現了數據包的快速交換。ＭＰＬＳ克服了傳統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保證的移動數據業務，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前景。
本文引用地址：http://www.j9360.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）。基本移動ＭＰＬＳ只考慮了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）進入一個非家鄉子網時，會發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路由轉發給ＭＨ的家鄉代理（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動態分配給ＭＨ的一個臨時ＩＰ地址。然后ＨＡ向ＦＡ發送標簽分發協議（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的家鄉地址為轉發等價類（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，若有通信節點（ＣＮ）向ＭＨ發送數據包，數據包會被路由到ＭＨ的家鄉網，并被ＨＡ截獲，正如移動ＩＰ協議中所描述的一樣。作為ＬＳＰ入口的標簽邊緣路由器（ＬＥＲ），ＨＡ會以收到的數據包中所包含的ＩＰ地址為索引，在標簽表中查找該數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去掉數據包的標簽，并把該數據包通過ＩＰ層送往ＭＨ。至此，ＭＨ就收到了通信節點發送給它的數據包。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，通信節點和ＭＨ之間的數據通信就會中斷，造成數據丟失。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，并發送注冊請求消息給ＦＡ。ＦＡ把注冊請求消息轉發給本ＭＰＬＳ域的ＦＤＡ，而不是ＭＨ的家鄉代理。如果ＭＨ是第一次移動到該ＭＰＬＳ域，ＦＤＡ就向ＭＨ的家鄉代理轉發注冊消息。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發送注冊應答消息給ＦＤＡ，ＦＤＡ也會沿著ＦＤＡ至ＦＡ的ＬＳＰ轉發該注冊應答消息。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，若通信節點向位于外地網的ＭＨ發送數據包，ＨＡ就會截獲這些數據包。在分級移動ＭＰＬＳ網中，ＨＡ查找它的標簽表，找出該數據包所對應的出標簽和出端口。根據查找到的結果，數據包被ＨＡ加上標簽沿著ＨＡ和ＦＤＡ間的ＬＳＰ發送到ＦＤＡ。ＦＤＡ收到該數據包后會繼續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把數據包轉發到ＦＡ。ＦＡ收到數據包后，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去掉數據包上的標簽后，通過ＩＰ層把數據包轉發給ＭＨ，于是ＭＨ就收到通信節點發給它的數據。
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發送注冊請求消息。新子網的ＦＡ會把該注冊請求消息轉發給ＦＤＡ。收到注冊請求消息后，ＦＤＡ向新子網的ＦＡ發送標簽請求消息，然后新子網的ＦＡ向ＦＤＡ發送標簽映射消息，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發送數據包，舊子網ＦＡ收到數據包后將與新的ＦＡ建立ＬＳＰ，并通過該ＬＳＰ向新ＦＡ發送數據包，從而避免了切換過程中數據包被丟失。
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發現協議得到相鄰子網內ＦＡ的ＩＰ地址，然后向這些ＦＡ發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發送一條更新消息，ＦＡ再將其發送到ＦＤＡ，這時中間路由器會將它們所保存的ＬＳＰ狀態從主動ＬＳＰ改為被動ＬＳＰ。同時，ＭＨ將向新ＦＡ發送一條更新消息，該ＦＡ收到后也將其發送到ＦＤＡ，中間路由器將它們所保存的ＬＳＰ狀態從被動ＬＳＰ改為主動ＬＳＰ。在切換前建立ＬＳＰ的機制中，切換發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，將所有來自通信節點的數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點的數據包。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，從通信節點發往ＭＨ的數據包首先被發送到ＨＡ，然后再由ＨＡ沿ＬＳＰ轉發到ＭＨ，這就是所謂的“三角路由”問題。因為數據包的轉發不是通過最優的ＬＳＰ送往ＭＨ，而必須通過ＨＡ進行轉發，既浪費網絡資源，又導致較高的傳輸時延。如果通信節點能夠獲得ＭＨ當前所在子網的ＣＯＡ，并在通信節點和ＦＡ之間建立ＬＳＰ，數據包就不必經過ＨＡ，可以直接通過通信節點和ＦＡ之間的ＬＳＰ進行轉發，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點中對ＭＨ所在的一個或多個子網的ＣＯＡ進行緩存。當通信節點有數據要發往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在通信節點和ＭＨ當前所在子網的ＦＡ之間建立ＬＳＰ，并通過通信節點與ＦＡ之間的ＬＳＰ發送數據包，而無需通過ＨＡ轉發。開始時通信節點中不存在與ＭＨ相關的ＣＯＡ緩存，送往ＭＨ的數據包還是要通過ＨＡ轉發。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轉發數據。同時，ＨＡ根據收到的數據包找出數據發送方的地址和數據目的地址所對應的ＣＯＡ，并向數據的發送方通信節點發送ＭＨ及其ＣＯＡ的綁定信息。通信節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。此后通信節點發往ＭＨ的數據包就不再需要ＨＡ轉發，而直接通過通信節點和ＦＡ之間的ＬＳＰ發送。通信節點所緩存的有關ＭＨ的ＣＯＡ信息可以定時或通過ＭＨ移動時ＨＡ向通信節點發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據，這些特征數據包括用戶的移動特點、旅行計劃和可能的通信需求等。當通信節點需要向ＭＨ發送數據時，首先設法獲得ＭＨ的移動特征數據，并據此推斷出ＭＨ所在子網的ＣＯＡ，然后通過ＣＯＡ在通信節點和ＦＡ之間建立ＬＳＰ，最后通過ＬＳＰ發送數據。獲得ＭＨ特征數據的機制包括分布式和集中式兩種。通信節點獲得ＭＨ的特征數據后，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
ＭＰＬＳ主要通過ＤｉｆｆＳｅｒｖ和ＩｎｔＳｅｒｖ兩種服務模型來實現ＱｏＳ，這兩種方法同樣適用于移動ＭＰＬＳ，為實時移動多媒體業務提供質量保證。
（１）用ＤｉｆｆＳｅｒｖ提供ＱｏＳ
在ＤｉｆｆＳｅｒｖ服務模型中，業務流在網絡邊緣被分成三種類型，分別是：加快轉發（ＥＦ）、確定轉發（ＡＦ）和盡力而為，每一種類型均對應一個類型標志，即區分服務碼點（ＤＳＣＰ）。網絡中的核心節點通過查看業務流的ＤＳＣＰ值確定相應數據包的每跳行為（ＰＨＢ）。
在使用ＤｉｆｆＳｅｒｖ的移動ＭＰＬＳ網中，每個ＭＨ在其家鄉代理注冊自己的業務類型，這些業務類型信息保存在ＨＡ上。每當ＭＨ移動到其它域的子網時，其業務類型信息也會被ＨＡ轉發到相應域。根據ＭＨ的業務類型，可以在外地域中建立符合ＭＨ業務類型相應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的業務類型信息發送給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的業務類型信息。ＦＤＡ向ＦＡ發送注冊應答消息時，也可以把ＭＨ的業務類型信息發送給ＦＡ，使ＦＡ可以利用ＭＨ的業務類型信息與通信節點建立Ｅ－ＬＳＰ以實現ＱｏＳ。
作為Ｅ－ＬＳＰ的入口ＬＥＲ，ＦＡ和通信節點具有ＭＰＬＳ／ＤｉｆｆＳｅｒｖ功能。它們根據業務流的特點對數據流進行定時、整形、ＤＳＣＰ值分配等，并給數據包加標簽。ＭＰＬＳ網絡的中間節點（如ＦＤＡ）根據所收到數據包的ＤＳＣＰ值選擇相應的ＰＨＢ對數據進行轉發。 在使用ＤｉｆｆＳｅｒｖ的移動ＭＰＬＳ中，注冊信息和業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：一是網絡內部節點服務機制比較簡單，內部節點只進行簡單的調度轉發，流狀態信息的保存與流監控機制只在邊界節點進行；二是網絡內部節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，資源預留協議（ＲＳＶＰ）為每個流逐段建立資源預留軟狀態，并依靠接納控制決定鏈路或網絡節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，當通信節點向ＭＨ發送ＰＡＴＨ消息時，ＰＡＴＨ消息被轉發到ＦＤＡ，ＦＤＡ接著把ＰＡＴＨ消息轉發到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，并向通信節點轉發帶有ＦＤＡ分配的標簽信息的ＲＥＳＶ消息。當ＲＥＳＶ到達通信節點后，通信節點把消息中的標簽值和收到ＲＥＳＶ的端口作為通信節點與ＦＤＡ之間ＬＳＰ的出標簽和出端口。至此，從通信節點到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發送ＲＥＳＶ消息，通過相似過程在ＦＡ和ＦＤＡ之間建立新的滿足業務流ＱｏＳ要求的ＬＳＰ。由于ＦＤＡ和通信節點之間已經有滿足業務流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有網絡設施的基礎上，在ＭＰＬＳ網絡上實現移動ＭＰＬＳ的功能；②如何實現基于移動ＭＰＬＳ的ＶＰＮ業務；③如何實現移動ＭＰＬＳ流量工程；④研究相關控制流程和控制消息格式等。
評論