移动MPLS及其关键技术

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移动数据业务是最具市场前景的电信业务之一，它既能满足各种移动终端用户随时随地访问互联网的需求，又能满足他们之间进行数据和多媒体通信的需求。移动ＩＰ是实现移动数据业务的关键技术之一，它支持具有固定ＩＰ地址的移动终端在互联网中自由移动，并保持移动过程中通信不间断。 　　多协议标签交换（ＭＰＬＳ）是将三层的ＩＰ路由技术和二层的交换技术结合在一起的一种快速包交换技术，它在网络边缘对数据进行分类，并为每类数据添加标签，在网络中仅对标签进行交换，从而实现了数据包的快速交换。ＭＰＬＳ克服了传统ＩＰ网仅提供尽力而为（ｂｅｓｔ ｅｆｆｏｒｔ？服务的缺点，可以保证用户的ＱｏＳ要求，并通过应用流量工程提高了网络资源的利用率。为提供高质量的有ＱｏＳ保证的移动数据业务，移动ＭＰＬＳ技术应运而生。它将移动ＩＰ和ＭＰＬＳ结合起来，在ＭＰＬＳ网中支持ＩＰ移动性，不仅能够满足用户的移动性要求，而且能在用户服务质量和充分利用网络资源等方面提供很好的保证，具有巨大的市场潜力和商业前景。


　　一、移动MPLS原理 　　

　　基本的ＭＰＬＳ并不支持移动性管理，移动ＩＰ和ＭＰＬＳ结合形成的移动ＭＰＬＳ使ＭＰＬＳ网具备了支持ＩＰ移动性的能力。目前有两种移动ＭＰＬＳ技术：基本移动ＭＰＬＳ和分级移动ＭＰＬＳ（即Ｈ－ＭＰＬＳ）。基本移动ＭＰＬＳ只考虑了ＩＰ用户在一个较大范围内移动相对较慢的情况，当无线接入网中因使用微蜂窝而造成ＩＰ用户在子网间频繁切换时，切换时延较大，容易引起通信中断。分级移动ＭＰＬＳ克服了基本移动ＭＰＬＳ的缺点，具备微蜂窝移动性管理的能力。

　　１．基本移动ＭＰＬＳ 　　

　　在基本移动ＭＰＬＳ机制中，当一个移动主机（ＭＨ）进入一个非家乡子网时，会发送一条注册消息给该子网的外地代理（ＦＡ），ＦＡ把这条注册消息通过正常的ＩＰ路由转发给ＭＨ的家乡代理（ＨＡ），ＨＡ收到注册消息的同时得到了ＭＨ的转交地址（ＣＯＡ）。ＣＯＡ可以是ＦＡ的ＩＰ地址，也可以是ＦＡ动态分配给ＭＨ的一个临时ＩＰ地址。然后ＨＡ向ＦＡ发送标签分发协议（ＬＤＰ）的标签请求消息，ＦＡ则向ＨＡ回送ＬＤＰ的标签映射消息，当标签映射消息到达ＨＡ后，ＨＡ和ＦＡ间的标签交换路径（ＬＳＰ）就建立了。接着，ＨＡ通过查找标签表，找到以ＭＨ的家乡地址为转发等价类（ＦＥＣ）的行，并把该行的出端口和出标签改为ＨＡ和ＦＡ间ＬＳＰ所使用的端口和标签值。最后，ＨＡ通过其与ＦＡ之间已经建立的ＬＳＰ发送注册应答消息给ＦＡ。ＦＡ收到注册应答消息后，在其标签表中增加一行，并把收到的标签值和端口值填到该行的入标签域和入端口域。

　　之后，若有通信节点（ＣＮ）向ＭＨ发送数据包，数据包会被路由到ＭＨ的家乡网，并被ＨＡ截获，正如移动ＩＰ协议中所描述的一样。作为ＬＳＰ入口的标签边缘路由器（ＬＥＲ），ＨＡ会以收到的数据包中所包含的ＩＰ地址为索引，在标签表中查找该数据包的出标签和出端口。根据查找到的出标签和出端口，该数据包被加上相应的标签，并沿着ＨＡ和ＦＡ之间的ＬＳＰ以标签交换的方式传送。ＦＡ收到数据包后将查找它的标签表（因为ＦＡ是该ＬＳＰ的出口，所以标签表中相应的出标签和出端口为空）。作为ＬＳＰ出口ＬＥＲ的ＦＡ去掉数据包的标签，并把该数据包通过ＩＰ层送往ＭＨ。至此，ＭＨ就收到了通信节点发送给它的数据包。在基本移动ＭＰＬＳ中，每当ＭＨ移动到一个新的ＭＰＬＳ子网时，都要通过新子网的ＦＡ向其ＨＡ发送注册消息，并在新的ＦＡ和ＨＡ之间建立一条新的ＬＳＰ。建立新ＬＳＰ并将数据传送切换至新ＬＳＰ所需的时间称为切换时延。如果ＬＳＰ切换时延较大，通信节点和ＭＨ之间的数据通信就会中断，造成数据丢失。为减少切换时延，并保证切换过程中的通信，引入了分级移动ＭＰＬＳ。

　　２．分级移动ＭＰＬＳ 　　

　　分级移动ＭＰＬＳ技术假设一个ＭＰＬＳ网被分为多个ＭＰＬＳ域，每个ＭＰＬＳ域中又有多个接入子网。此外，分级移动ＭＰＬＳ还引入了一个新的部件，即外地域代理（ＦＤＡ），每个ＭＰＬＳ域中有一个ＦＤＡ。在分级移动ＭＰＬＳ机制中，ＭＨ可以根据所接收到的代理广播消息来判断自己处于家乡网还是外地网。若ＭＨ认定自己处在外地网中，就会向ＦＡ请求一个ＣＯＡ，并发送注册请求消息给ＦＡ。ＦＡ把注册请求消息转发给本ＭＰＬＳ域的ＦＤＡ，而不是ＭＨ的家乡代理。如果ＭＨ是第一次移动到该ＭＰＬＳ域，ＦＤＡ就向ＭＨ的家乡代理转发注册消息。ＨＡ得到注册消息并获得ＦＤＡ的ＩＰ地址后，利用ＬＤＰ向ＦＤＡ发送标签请求消息。ＦＤＡ接到标签请求消息后向ＨＡ回送标签映射消息，并向ＭＨ当前所在ＭＰＬＳ域内子网的ＦＡ发送标签请求消息。标签映射消息到达ＨＡ后，ＦＤＡ与ＨＡ间的ＬＳＰ就建立了。同样，ＦＡ向ＦＤＡ回送标签映射消息，当标签映射消息到达ＦＤＡ后，ＦＤＡ和ＦＡ间的ＬＳＰ也建立了。然后，ＨＡ会在标签表中找到以ＭＨ家乡地址为ＦＥＣ的行，并把出端口和出标签改为ＦＤＡ和ＨＡ之间ＬＳＰ的相应值。最后，ＨＡ沿着其至ＦＤＡ的ＬＳＰ发送注册应答消息给ＦＤＡ，ＦＤＡ也会沿着ＦＤＡ至ＦＡ的ＬＳＰ转发该注册应答消息。ＦＡ收到注册应答消息后，在它的标签表中加入新的一行，并在入标签域和入端口域中填入所收到注册应答消息的标签值和端口号。与基本移动ＭＰＬＳ一样，在分级移动ＭＰＬＳ机制中，若通信节点向位于外地网的ＭＨ发送数据包，ＨＡ就会截获这些数据包。在分级移动ＭＰＬＳ网中，ＨＡ查找它的标签表，找出该数据包所对应的出标签和出端口。根据查找到的结果，数据包被ＨＡ加上标签沿着ＨＡ和ＦＤＡ间的ＬＳＰ发送到ＦＤＡ。ＦＤＡ收到该数据包后会继续根据入标签值查找到相应的出标签值，即沿着ＦＤＡ和ＦＡ之间的ＬＳＰ把数据包转发到ＦＡ。ＦＡ收到数据包后，会查询它的标签表（因为ＦＡ是该ＬＳＰ的出口，标签表中的出端口和出标签值都为空）。最后，ＦＡ去掉数据包上的标签后，通过ＩＰ层把数据包转发给ＭＨ，于是ＭＨ就收到通信节点发给它的数据。 　　

　　若ＭＨ在同一个ＭＰＬＳ域中从一个子网切换到另一个子网，它将向新子网的ＦＡ请求新的ＣＯＡ，并向新子网的ＦＡ发送注册请求消息。新子网的ＦＡ会把该注册请求消息转发给ＦＤＡ。收到注册请求消息后，ＦＤＡ向新子网的ＦＡ发送标签请求消息，然后新子网的ＦＡ向ＦＤＡ发送标签映射消息，这样在新子网的ＦＡ和ＦＤＡ之间就建立了一条新的ＬＳＰ，但是ＨＡ和ＦＤＡ之间的ＬＳＰ并没有改变。显然，相对于基本移动ＭＰＬＳ，分级移动ＭＰＬＳ不需要在ＨＡ和新子网的ＦＡ之间建立一条全新的ＬＳＰ，而只是在ＦＤＡ和新子网的ＦＡ之间建立一条新的ＬＳＰ，从而大大减小了切换时延。切换过程中，ＭＨ也可以通过发送绑定更新消息向原先的ＦＡ通知自己新的ＣＯＡ，旧子网ＦＡ可以对ＭＨ的新绑定关系进行缓存。如果ＦＤＡ使用过时的标签表向ＭＨ发送数据包，旧子网ＦＡ收到数据包后将与新的ＦＡ建立ＬＳＰ，并通过该ＬＳＰ向新ＦＡ发送数据包，从而避免了切换过程中数据包被丢失。

　　在分级移动ＭＰＬＳ机制中，ＭＨ在同一个ＭＰＬＳ域中的移动对其ＨＡ来说是透明的。这样一方面减小了切换时延，另一方面减少了整个网络中切换所需的消息交互，从而节省了网络资源。

　　二、移动MPLS的关键技术 根据移动ＭＰＬＳ的原理，实现移动ＭＰＬＳ应解决三个问题：切换时延和通信中断问题、“三角路由”问题、ＱｏＳ问题。 １．快速切换技术 快速切换技术的目标是尽可能减少切换时延并保证在切换过程中通信不中断（即在切换过程中没有数据包丢失）。由于切换过程中需要在ＭＨ、新ＦＡ、新ＦＤＡ以及ＨＡ之间进行重新注册，所以注册机制越简单，切换时延越小。同时，ＭＨ和ＨＡ之间建立新ＬＳＰ的时间越短，切换过程中数据包丢失的可能性就越小。

　　（１）切换前建立ＬＳＰ机制 这种快速切换机制的基本思想是在ＭＨ移动到新的外地子网或外地域之前建立新的ＬＳＰ。在分级移动ＭＰＬＳ中，若ＭＨ在相邻子网中移动，则在ＭＨ移动到相邻子网之前就在相邻子网内建立起ＬＳＰ；若ＭＨ在相邻域间移动，则在ＭＨ移动到相邻域之前就在相邻域中建立起ＬＳＰ。此机制中引入了主动ＬＳＰ和被动ＬＳＰ，主动ＬＳＰ是指从ＦＤＡ到ＭＨ当前所在外地子网ＦＡ的正用于传送数据的ＬＳＰ，被动ＬＳＰ是指从ＦＤＡ到ＭＨ当前所在外地子网所有相邻子网的ＦＡ的尚未使用的ＬＳＰ。 如果ＭＨ知道它将要访问的子网，就可以使用ＦＡ发现协议得到相邻子网内ＦＡ的ＩＰ地址，然后向这些ＦＡ发送带有访问时间的访问请求消息，这些ＦＡ收到访问请求消息后就可与ＦＤＡ建立一条被动ＬＳＰ。访问时间是指ＭＨ估计的从当前子网移动至某子网所需的时间。如果ＭＨ在访问时间超时前没有发送任何访问请求刷新消息，也没有移动到该子网，标签表中相应的被动ＬＳＰ条目就会被删除。ＭＨ移动到一个新的子网后，将向原来子网的ＦＡ发送一条更新消息，ＦＡ再将其发送到ＦＤＡ，这时中间路由器会将它们所保存的ＬＳＰ状态从主动ＬＳＰ改为被动ＬＳＰ。同时，ＭＨ将向新ＦＡ发送一条更新消息，该ＦＡ收到后也将其发送到ＦＤＡ，中间路由器将它们所保存的ＬＳＰ状态从被动ＬＳＰ改为主动ＬＳＰ。在切换前建立ＬＳＰ的机制中，切换发生时仅需通过一条消息就可完成ＬＳＰ的切换，大大减小了ＭＨ从一个子网移动到另一个子网的切换时延。该机制可以扩展到ＭＨ在不同ＭＰＬＳ域间切换的情况。

　　（２）基于组播的快速切换机制 　　这种快速切换机制是在ＦＤＡ和当前ＭＨ所在子网的ＦＡ之间，以及所有与该子网相邻的子网的ＦＡ之间均建立ＬＳＰ，这些ＬＳＰ形成一个组。当ＦＤＡ收到ＭＨ进行切换的请求后，将所有来自通信节点的数据包通过事先建立好的ＬＳＰ向所有相邻子网的ＦＡ进行组播。这样当ＭＨ移动到新的子网时，就可以立即收到来自通信节点的数据包。切换过程完成后，网络也会根据切换过程中的信息进行调整，登记新使用的ＬＳＰ，删除不需要的ＬＳＰ。

　　２．“三角路由”问题解决方案 　　在移动ＭＰＬＳ中，从通信节点发往ＭＨ的数据包首先被发送到ＨＡ，然后再由ＨＡ沿ＬＳＰ转发到ＭＨ，这就是所谓的“三角路由”问题。因为数据包的转发不是通过最优的ＬＳＰ送往ＭＨ，而必须通过ＨＡ进行转发，既浪费网络资源，又导致较高的传输时延。如果通信节点能够获得ＭＨ当前所在子网的ＣＯＡ，并在通信节点和ＦＡ之间建立ＬＳＰ，数据包就不必经过ＨＡ，可以直接通过通信节点和ＦＡ之间的ＬＳＰ进行转发，从而解决了“三角路由”问题。

　　（１）ＣＯＡ缓存机制 　　

　　ＣＯＡ缓存机制是在通信节点中对ＭＨ所在的一个或多个子网的ＣＯＡ进行缓存。当通信节点有数据要发往ＭＨ时，首先查找ＣＯＡ缓存表中与ＭＨ相对应的项，如果找到与ＭＨ绑定的ＣＯＡ，就用该ＣＯＡ在通信节点和ＭＨ当前所在子网的ＦＡ之间建立ＬＳＰ，并通过通信节点与ＦＡ之间的ＬＳＰ发送数据包，而无需通过ＨＡ转发。开始时通信节点中不存在与ＭＨ相关的ＣＯＡ缓存，送往ＭＨ的数据包还是要通过ＨＡ转发。但是根据ＭＨ在子网间移动时所进行的注册过程，ＨＡ中含有ＭＨ目前所在子网的ＣＯＡ信息。所以，当数据包到达ＨＡ后，ＨＡ会查找ＭＨ当前所在子网的ＣＯＡ，并通过ＨＡ和ＦＡ之间已经建立的ＬＳＰ转发数据。同时，ＨＡ根据收到的数据包找出数据发送方的地址和数据目的地址所对应的ＣＯＡ，并向数据的发送方通信节点发送ＭＨ及其ＣＯＡ的绑定信息。通信节点收到该绑定信息后将其放入缓存，并利用该绑定信息与ＭＨ当前所在子网的ＦＡ间直接建立ＬＳＰ。此后通信节点发往ＭＨ的数据包就不再需要ＨＡ转发，而直接通过通信节点和ＦＡ之间的ＬＳＰ发送。通信节点所缓存的有关ＭＨ的ＣＯＡ信息可以定时或通过ＭＨ移动时ＨＡ向通信节点发送的更新消息进行刷新，以保证ＣＯＡ信息的准确性。

　　（２）基于特征数据（ｐｒｏｆｉｌｅ）的机制 　　

　　基于用户行为的机制是通过对ＭＨ移动特性的预测来解决“三角路由”问题的。在这种机制下，每个ＭＨ都对应着一组描述用户行为信息的特征数据，这些特征数据包括用户的移动特点、旅行计划和可能的通信需求等。当通信节点需要向ＭＨ发送数据时，首先设法获得ＭＨ的移动特征数据，并据此推断出ＭＨ所在子网的ＣＯＡ，然后通过ＣＯＡ在通信节点和ＦＡ之间建立ＬＳＰ，最后通过ＬＳＰ发送数据。获得ＭＨ特征数据的机制包括分布式和集中式两种。通信节点获得ＭＨ的特征数据后，可推断出ＭＨ当前所在子网的ＣＯＡ，并据此建立与ＦＡ间的ＬＳＰ。根据ＭＨ特征数据推断出的ＣＯＡ信息可能不够精确，但可通过分级移动ＭＰＬＳ机制进行完善。

　　３．移动ＭＰＬＳ中ＱｏＳ的实现

　　ＭＰＬＳ主要通过ＤｉｆｆＳｅｒｖ和ＩｎｔＳｅｒｖ两种服务模型来实现ＱｏＳ，这两种方法同样适用于移动ＭＰＬＳ，为实时移动多媒体业务提供质量保证。

　　（１）用ＤｉｆｆＳｅｒｖ提供ＱｏＳ

　　在ＤｉｆｆＳｅｒｖ服务模型中，业务流在网络边缘被分成三种类型，分别是：加快转发（ＥＦ）、确定转发（ＡＦ）和尽力而为，每一种类型均对应一个类型标志，即区分服务码点（ＤＳＣＰ）。网络中的核心节点通过查看业务流的ＤＳＣＰ值确定相应数据包的每跳行为（ＰＨＢ）。

　　在使用ＤｉｆｆＳｅｒｖ的移动ＭＰＬＳ网中，每个ＭＨ在其家乡代理注册自己的业务类型，这些业务类型信息保存在ＨＡ上。每当ＭＨ移动到其它域的子网时，其业务类型信息也会被ＨＡ转发到相应域。根据ＭＨ的业务类型，可以在外地域中建立符合ＭＨ业务类型相应ＱｏＳ要求的ＬＳＰ。以分级移动ＭＰＬＳ为例，当ＭＨ第一次移动到一个外地域时，注册消息会通过ＦＤＡ传送到ＨＡ，ＨＡ则向ＦＤＡ回送注册应答消息，此时ＨＡ就可以把有关ＭＨ的业务类型信息发送给ＦＤＡ，ＦＤＡ将此信息存储起来。显然，ＦＤＡ应保存目前漫游在本域的所有ＭＨ的业务类型信息。ＦＤＡ向ＦＡ发送注册应答消息时，也可以把ＭＨ的业务类型信息发送给ＦＡ，使ＦＡ可以利用ＭＨ的业务类型信息与通信节点建立Ｅ－ＬＳＰ以实现ＱｏＳ。

　　作为Ｅ－ＬＳＰ的入口ＬＥＲ，ＦＡ和通信节点具有ＭＰＬＳ／ＤｉｆｆＳｅｒｖ功能。它们根据业务流的特点对数据流进行定时、整形、ＤＳＣＰ值分配等，并给数据包加标签。ＭＰＬＳ网络的中间节点（如ＦＤＡ）根据所收到数据包的ＤＳＣＰ值选择相应的ＰＨＢ对数据进行转发。 在使用ＤｉｆｆＳｅｒｖ的移动ＭＰＬＳ中，注册信息和业务类型信息可以在预先建立好的用于传送信令的ＬＳＰ上传送，业务流可以在ＨＡ和ＦＤＡ间以及ＦＤＡ和ＦＡ间预先建立的多条符合业务类型相应ＱｏＳ要求的ＬＳＰ上传送。使用ＤｉｆｆＳｅｒｖ的移动ＭＰＬＳ有两个特点：一是网络内部节点服务机制比较简单，内部节点只进行简单的调度转发，流状态信息的保存与流监控机制只在边界节点进行；二是网络内部节点的服务对象是流聚集而非单流，单流信息只在网络边界保存，因此具有较好的扩展性和鲁棒性。

　　（２）用ＩｎｔＳｅｒｖ提供ＱｏＳ 　　

　　在ＩｎｔＳｅｒｖ服务模型中，资源预留协议（ＲＳＶＰ）为每个流逐段建立资源预留软状态，并依靠接纳控制决定链路或网络节点是否有足够的资源满足ＱｏＳ要求。ＲＳＶＰ的两条主要消息是ＰＡＴＨ和ＲＥＳＶ，ＰＡＴＨ是从发送方到接收方的消息，ＲＥＳＶ消息中包含了每个流的流量特征和分类。当接收方收到ＰＡＴＨ消息后，回送ＲＥＳＶ消息， 消息中包含了ＱｏＳ的要求。为了在移动ＭＰＬＳ中使用ＩｎｔＳｅｒｖ支持ＱｏＳ，ＲＥＳＶ消息中增加了标签信息，这样在ＲＳＶＰ在网络中进行资源预留的同时，也建立了满足ＱｏＳ要求的ＬＳＰ。 以分级移动ＭＰＬＳ为例，当通信节点向ＭＨ发送ＰＡＴＨ消息时，ＰＡＴＨ消息被转发到ＦＤＡ，ＦＤＡ接着把ＰＡＴＨ消息转发到ＭＨ当前所在子网的ＦＡ。ＦＡ根据ＰＡＴＨ中的信息分配一个标签作为其入标签，然后向ＦＤＡ回送包含该标签值的ＲＥＳＶ消息。ＦＤＡ收到ＦＡ发来的ＲＥＳＶ消息后，先把消息中的标签值和收到ＲＥＳＶ的端口作为ＦＤＡ与ＦＡ之间ＬＳＰ的出标签和出端口，然后分配一个标签作为入标签，并向通信节点转发带有ＦＤＡ分配的标签信息的ＲＥＳＶ消息。当ＲＥＳＶ到达通信节点后，通信节点把消息中的标签值和收到ＲＥＳＶ的端口作为通信节点与ＦＤＡ之间ＬＳＰ的出标签和出端口。至此，从通信节点到ＭＨ的符合ＱｏＳ要求的ＬＳＰ就建立起来了。 ＭＨ移动到新子网时，新子网的ＦＡ向ＦＤＡ发送ＲＥＳＶ消息，通过相似过程在ＦＡ和ＦＤＡ之间建立新的满足业务流ＱｏＳ要求的ＬＳＰ。由于ＦＤＡ和通信节点之间已经有满足业务流ＱｏＳ要求的ＬＳＰ存在，因此在ＦＤＡ上只需修改相应ＬＳＰ的出标签和出端口即可。在使用ＩｎｔＳｅｒｖ的移动ＭＰＬＳ中，ＰＡＴＨ和ＲＥＳＶ消息可以在预先建立的信令ＬＳＰ上传送。使用ＩｎｔＳｅｒｖ的移动ＭＰＬＳ具有较高的灵活性和较好的服务质量保证，但在资源预留、调度和缓冲管理上系统开销大，可扩展性较差。

　　三、结 语 　　

　　移动ＭＰＬＳ是一个新的研究领域，今后的研究方向包括：①研究新的网络架构，在不改变或尽量少地改变现有网络设施的基础上，在ＭＰＬＳ网络上实现移动ＭＰＬＳ的功能；②如何实现基于移动ＭＰＬＳ的ＶＰＮ业务；③如何实现移动ＭＰＬＳ流量工程；④研究相关控制流程和控制消息格式等。