淺談 IP ATM 技術的結合 — MPLS  
 

中華顧問工程司 電機部 /王鍵義

     
 
章節目錄
一、前言
二、 IP 對 ATM 的挑戰
三、 IP 與 ATM 相結合的技術— MPLS ( 多協定標籤交換 )
四、MPLS 的名詞及傳遞方式
五、應用實例
 
 
 
     
 
     
 

 

 































 
 
一、前言
 


自 Bell 於 1870 年發明電話後, 電信網路歷經人工交換,電路交換發展至現今的 SDH 、 ATM 網路;電腦網路 最初則以 Modem 結合 電信銅纜的 X.25 分封交換 發展至現今的 IP 網路 。長久以來,如何結合 電信網路與電腦網路的技術,取其兩者的優點,一直是通信業界的重要課題! IP 和 ATM 曾經是兩個互相對立的技術,各個 IP 設備製造商和 ATM 設備製造商都曾努力想吃掉對方,期望 IP 一統天下,或期望 ATM 一家獨秀,但是最終是這兩種技術的融合,那就是 MPLS 技術的誕生! MPLS 技術結合了 IP 信令簡單和 ATM 交換高效率的優點!

 


二、 IP 對 ATM 的挑戰

 


傳統的 IP 路由器複雜的路由計算和封包轉發導致速度無法滿足 Internet 需求, ATM 應運而生。但 IP 技術在近幾年來在頻寬及應用上發展迅速,例如 Giga Ethernet 的崛起, 語音、數據、視訊等不同訊務的傳輸應用。因此有人做出結論:未來的寬頻網路將是 IP 的天下, ATM 技術前景黯淡,將逐步走向沒落。在此種情況下,如何看待 ATM 技術呢?

傳統 電信網路技術 是 SDH 、 ATM 而不是 IP ,既然 IP 技術 已經成為通信業務的主流,為什麼不能按照 IP 業務的需求來重新優化設計 電信網路 呢 ? 以 網路 的分層結構來看, ATM 位于 IP 和實體層之間,目前在 WAN 主要採用 SDH 作為實體層, ATM 用來承載各種業務,使用 IP 技術的數據只是其中之一,其他的業務是直接運行在 ATM 之上而不通過像 IP 這樣的的網路層, ATM 以往是各種業務的核心,即使 ATM 傳送 IP 封包的效率不高,但其支持不同訊務的能力已足以使其受到電信服務商的青睞。可是,今天的情況發生了變化, IP 成為各種業務的核心,數據、語音和視訊業務都可由 IP 來承載。既然如此,為什麼還需要在 IP 和 SDH 之間加入一個 ATM 呢 ? ,特別是當數據的業務量超過語音和視訊的業務量時。

   
 


三、 IP 與 ATM 相結合的技術— MPLS ( 多協定標籤交換 )

雖然, ATM 面臨 IP 的諸多 挑戰 但目前 ATM 仍然是 WAN 的主要選擇,原因主要是在可擴展性、可維護性、 QoS 、容錯性、流量控制等方面, ATM 優勢很多,普遍看好的解?方案是使 ATM 與 IP 相結合而應用於 WAN ,使用 ATM 技術來承載 IP ,這種方法可以綜合利用二者的長處。 IP 與 ATM 技術相結合的難處在於二者不同的連接技術、尋址方式、位址結構等。在目前, IP 與 ATM 相?合的技術有: RFC1483 、 RFC1577 、 ATM Forum 定義的 LANE 、 ATM Forum 定義的 MPOA ,尤其是 IETF 考慮制定的 多協定標籤交換 ( Multi-Protocol Label Switching , MPLS) ,它提出了一種將 Layer 3 訊務 ( 如 IP) 映射到 Layer 2( 如 ATM 和 Frame Relay 這樣的交換式網路 ) 的方法。當 ATM 網路設備引入 MPLS 功能後,將同時支援 IP 業務和其他 ATM 業務。

IP 設備和 ATM 設備廠商實現 MPLS 技術是在各自原來的基礎上做的,對於 IP 設備商,它修改了原來 IP 封包是直接封裝在 Layer 2 碼框 中的規範,而是在二層和三層封包頭之間插了一個標籤 (Label) ;而 ATM 設備製造商利用了原來 ATM 交換機上的 VPI/VCI 的概念,在使用 Label 來代替了 VPI/CVI ,當然 ATM 交換機上還必需修改信令控制部分,轉而載入路由通訊協定, ATM 交換使用了路由通訊協定來和其他設備交換三層的路由資訊。

MPLS 是整合式的 IP Over ATM 技術,即在 Frame Relay 及 ATM Switch 上結合路由功能, 封包 通過虛擬電路來轉送,只須在 OSI Layer 2 (數據鏈結層)執行硬體式交換(取代 Layer 3 (網路層)軟體式 routing ),它整合了 IP 選徑與 Layer 2 的標籤 交換為單一的系統,因此可以解決 Internet 路由的問題,使封包轉送的延遲時間減短,增加網路傳輸的速度,更適合多媒體訊息的轉送。因此, MPLS 最大技術特色為可以指定封包轉送的先後順序。 MPLS 使用 標籤 交換( Label Switching ),網路路由器只需要判別 標籤 後即可進行轉送處理。 MPLS 的運作原理是提供每個 IP 封包 一個 標籤 ,並由此決定封包的路徑以及優先權。與 MPLS 相容的路由器( Router ),在將封包轉送到其路徑前,僅讀取封包 標籤 ,無須讀取每個封包的 IP 位址以及標頭(因此網路速度便會加快),然後將所轉送的封包置於 Frame Relay 或 ATM 的虛擬電路上,並迅速將封包轉送至終點的路由器,進而減少封包的延遲,同時由 Frame Relay 及 ATM 交換器所提供的 QoS ( Quality of Service )對所轉送的封包加以分級,因而大幅提昇網路服務品質提供更多樣化的服務。

   
 


四、 MPLS 的名詞及傳遞方式

MPLS 標籤 表示路徑和業務的屬性,在入口的邊緣、流入的封包被處理做上 標籤 ,位於核心的設備僅僅讀這些 標籤 ,賦於適當的業務,然後根據 標籤 轉發這些封包,對這些封包的分析、分類和過濾只發生一次,是在進入邊緣設備時,經過出口的邊緣設備時, 標籤 被移去,封包轉發到最終目的地。

1. 以下是一些 MPLS 的名詞

標籤 交換路由器 (LSR) :核心設備,根據已計算好的交換表,交換被加上 標籤 的封包,這個設備可為交換機或路由器。

標籤 :是一個封包頭, LSR 用它來轉發數據, 標頭 的格式是由網路性質決定的,在路由器網路, 標籤 是一隔離的、 32 位的頭,在 ATM 網路中, 標籤 被放到 VPI/VCI 的封包頭,在網路核心, LSR 唯讀 標籤 ,不讀網路層的封包頭, MPLS 具有擴展性的關鍵一點是 標籤 僅局限於兩個互相通訊的設備。

邊緣 標籤 交換路由器 ( 邊緣 LSR) :邊緣設備進行封包初始的處理分類,加上第一個 標籤 ,這個設備可以是一台路由器,或是一台具有路由功能的交換機。

標籤 交換路徑 (LSP) :點到點的路徑是根據被分配的所有 標籤 決定的。一個 LSP 可是動態的也可以是靜態的,動態 LSP 是通過路由資訊自動產生,靜態 LSP 是被明確提供的。

標籤 虛擬電路 (LVC) : LSP 是在 ATM 的傳輸層實施的,是基於 hop-by-hop 的連接方式,與 ATM 虛擬電路 (VC) 不同, LVC 不是點到點的實施,這樣避免浪費大量頻寬。

標籤 分發通訊協定 (LDP) :在 LSR 中進行 標籤 的交流及資訊的傳遞,它在邊緣及核心設備分發 標籤 ,基於路由通訊協定 OSPF 、 IS-IS 、 RIP 、 EIGRP 或 BGP ,建立 標籤 交換路徑。

2. 一個封包怎樣在具有 MPLS 功能的網路中傳遞

Step1 :網路可自動產生路由表,因為路由器或 ATM 交換機可參與內部通訊閘通訊協定如 OSPF/ISIS 資訊交換。 LDP 使用路由表中的資訊去建立相鄰設備的 標籤 值,這個標準建立了 LSP ,預先設定了與最終目的地之間的對應關係,不像 ATM PVC 電路,需要人工設定 VPI/VCI , MPLS 的標記是自動分配的。

Step2 :一個封包進入邊緣 LSP 時,它會被處理,決定需要哪種第三層的業務,例如 QoS 和頻寬管理。基於路由和策略的需求,邊緣 LSR 有選擇地放入一個 標籤 到封包頭中,然後轉發。

Step3 :位於網路核心的 LSR 讀每一個封包的 標籤 ,並根據交換表取代一個新的,然後。這個動作將會在所有中心設備中重複。

Step4 :在出口邊緣的 LSR ,除去 標籤 ,讀封包頭,將其轉發到最終目的地。

  對於 IP 商業服務, MPLS 最顯著的好處在於能夠分配 標籤 ,不同的 標籤 可以區分路由資訊、應用型式和業務級別。 MPLS 標籤 類似預先計算好的交換表,並含有第三層資訊,允許每個交換機自動將每個封包賦與正確的 IP 服務,表是預先計算的,因此沒有必要在每一跳都重新處理封包,這樣不僅僅使數據流量分類成為可能, MPLS 還可提供高擴展性。

   
 


五 、國內 MPLS的應用實例:

目前國內已有 MPLS應用於VPN的企業網路服務,下圖為國內知名ISP業者─Seednet的服務架構, MPLS VPN將語音、數據、傳真、視訊傳輸與網路通訊整合,除了將企業的網路頻寬作最大效益的配置和運用之外,更將以往各自獨立的多項通訊結合在一起,節省費用,降低整體硬體成本,並同時提供了企業在各營運基地之間快速、安全的即時溝通服務。

1. MPLS VPN 服務架構 :







2.MPLS VPN與各種網路架構比較:

方案

MPLS VPN

ATM 架構

IP/VPN

自建機房

VPN 建構技術

Label Switching
技術

Virtual Circuit
電路導向

IP Tunnellng

電路導向

網路架構

簡單

複雜 / 隨據點增加

複雜 / 隨據點增加

複雜 / 隨據點增加

封包傳送效率

易造成 Over Head

中等

安全性

中等

未來擴充性

中等

各節點設定

既有設備 / 設定簡單

ATM 設備 / 設定困難

既有設備 / 設定複雜

既有設備 / 設定複雜

建置
Full-Mesh
成本及難易

低 / 易

高 / 難

中等 / 難

高 / 難

頻寬管理機制

第二、三層 Qos

第二層 Qos

Extranet 整合

易 / 成本低

難 / 成本高

難 / 成本高

難 / 成本高

加值服務整合

彈性大 / 成本低

彈性小 / 成本高

彈性大 / 成本高

彈性大 / 成本高

3.MPLS VPN各種加值應用:

■ 語音整合•網路電話 ( VoIP )
■ 影音傳遞•視訊會議 ( Video Conference )
■ 系統整合•客戶管理 ( ERP 、 CRM )
■ 客服中心平台 ( IP Call Center )
■ 多媒體傳輸•遠距教學 ( e-Learning )

   
 


六、結語

綜上所述,可以清晰地看到, MPLS 整合 IP 與 ATM 技術的優點,它採用 Layer 3的 路由機制與 LDP 結合的方式建立路由表以及前傳表,採用 Layer 2 ATM 技術進行快速交換,為新一代電信網路提供了優越的技術基礎,既可以達到 Layer 3 的靈活性及可擴展性,也可以達到 Layer 2 的快速交換、流量管理、安全性以及 QoS 的保障,並 整合了語音、數據、傳真、視訊傳輸與網路通訊等不同訊務的多樣化服務,而 MPLS 技術正是滿足了未來Internet 高速且大量傳輸的需求,並且為相容於現在網路技術的最佳選擇。

◎ 參考文獻
 
[1] CTI 論壇 ( http://www.ctiforum.com ) :IP 與 ATM 結合的技術 MPLS 。
[2] 中國 IT 認證實驗室 (http://www.chinaitlab.com ) : 組播技術在 MPLS VPN 網路中的實現 。
[3] 中國電信網站 (http://www.chinatelecom.com.cn/) : MPLS VPN 技術原理。
[4] Cisco 網路技術論壇 (http://www.net130.com.cn/) : 公用 ATM 網路支持 IP 業務的技術與方案。
[5]Seednet 網站 ( http://www.seed.net.tw/ ) :企業 VPN 介紹