MPLS架构下的移动IP技术

2019-11-03 09:06:57

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供稿：网友

徐凯　　纪红　　乐光新

北京邮电大学电信工程学院

　　摘要本文介绍了多协议标记交换（MPLS）和移动ip技术的基本原理，并在此基础上给出了工作在MPLS机制下的移动IP网络组成模型，同时描述该模型的基本工作原理。最后分析了MPLS 架构下移动IP的技术优势并对其应用前景进行了阐述。

　　关键词多协议标记交换移动IP 流量工程

1 引言

　　多协议标记交换（MPLS）通过虚拟电路来传送数据报，只需在第2层（数据链路层）执行硬件式交换（取代第3层即网络层软件式选路），是IP和ATM的完美结合，使数据包传送的延迟时间减短，增加网络传输的速度，更适合多媒体信息的传送，并支持VPN和流量工程。因此MPLS越来越受到人们的重视。同时，人们已经不满足于在固定的地方接入Internet，而移动IP技术可以实现人们在移动状态下上网的梦想。因此，也成为下一代网络的关键技术。那么如何结合MPLS和移动IP两种技术的优点，并为下一代网络提供支持，逐渐成为人们关注的焦点和研究热点。

2 MPLS基本原理

　　MPLS是属于第2.5层交换技术，引入了基于标记的机制，它把选路和转发分开，由标签来规定一个分组通过网络的路径。标签作为IP报头在网络中的替代品而存在，在网络内部MPLS在数据包所经过的路径沿途通过交换标签（而不是看IP 包头）来实现转发；当数据包要退出MPLS网络时，数据包被解开封装，继续按照IP包的路由方式到达目的地。MPLS网络包含一些基本的元素，在网络边缘的节点被称作标签边缘路由器（LER），而网络的核心节点就称为标签交换路由器（LSR）。LER节点在MPLS网络中完成的是IP包的进入和退出过程，LSR节点在网络中提供高速交换功能。在MPLS节点之间的路径就是标签交换路径(LSP)。一条LSP可以看作是一条贯穿网络的单向隧道。

3 移动IP的基本原理

　　移动代理（包括本地代理HA和外地代理FA）通过代理广播消息广播它们的存在。移动节点（MN）接收到这些代理广播消息后，就知道它是在本地网络还是在外地网络。当MN检测到它是在本地网络，如果以前未发生移动，那么和正常节点一样工作；如果它是从外地网络回到本地网络，MN就首先跟HA通过交换注册请求和注册应答信息进行注册。当MN检测到它已经移动到外地网络后，它就在外地网络中得到一个关照地址COA（Care-of-Address），这个关照地址可以从外地代理（FA）的广播消息中得到，也可以由某个外部分配机制如DHCP（动态主机配置协议）得到。在外地网络的MN就用它得到的关照地址通过注册请求和注册应答消息的交换向其HA注册，在消息交换的过程中，可能要经过FA。

　　送给MN的数据包首先被其HA捕获，然后通过隧道技术传送到MN的关照地址（COA），在隧道的终点得到数据包（终点可能在FA，也可能在MN自身），但最终送给MN。对于MN发出的数据包，就根据标准IP路由机制送往目的地，不必经过HA。

4 MPLS架构下移动IP的基本原理

4.1 MPLS机制下MN的注册过程

　　假设Ingress LSR至HA的LSP已经建立，移动节点（MN）由HA移动到外地网络FA1，FA1广播消息，MN接收到代理广播消息后，得知自己在外地网络，向FA1发送注册请求消息，FA1收到注册请求消息后，对其进行分析认证，通过后，FA1和MN交互注册信息。FA1更新其路由信息，并在路由信息中增加MN的HA路由信息。而后，FA1根据更新后的路由信息把MN的注册和请求信息送给HA。

　　HA得到MN的注册信息和请求信息以及MN的关照地址（COA），查找其标记栈，并把MN的家乡地址作为转发等价类（FEC）；HA根据标记分发协议（LDP）为HA到FA1的路径分发标记，并向FA1发送标记请求信息，把MN的关照地址（COA）作为转发等价类（FEC）。FA1收到标记请求信息后，向HA返回标记匹配消息，HA收到标记匹配消息后更新其MN在标记中的注册信息。HA通过LSP向FA1发送注册回应信息，FA1收到注册回应后，更新其标记栈，并增加FA1到HA的LSP信息，注册成功，这样就在HA到FA1之间建立起一条LSP。

　　当MN由FA1移动到FA2时，MN除了重复上面的注册过程外，还要向前一级FA即FA1注册信息，以确保传向FA1的数据包仍能到达MN，并建立HA至FA2的新的LSP，但Ingress LSR至HA的LSP仍旧保持不变。

4.2 数据报的传送过程

　　由SN（Source Node）通过LSP向MN传送数据报时，首先被HA扑获，HA通过分析数据报的标记，并查找自己的标记栈，确定数据报转发的出口。如果MN仍然在家乡网络，则出口标记为空，数据报被送往IP层，通过IP层的路由协议向MN传送数据分组。如果MN在外地网络FA1，数据报则通过HA到FA1的LSP传送分组到FA1，FA1收到数据报后把其送往IP层，按IP层的路由协议转发至MN。如果MN向SN发送数据，则可以按传统的MPLS的标记分发协议（LDP）在FA和Ingress LSR之间建立一条动态LSP，用于数据的转发，而不需要HA的转交。

5 MPLS与移动IP结合的优点

　　· 有效地解决移动IP三角路由问题：由于传统的移动IP技术存在三角路由问题，数据传输delay =SN至HA的网络线路delay+HA的节点处理delay+ HA至FA1的网络线路delay+FA1的节点处理delay+FA1至MN的无线网络线路delay；移动IP在MPLS机制下，无论是HA节点处理时延还是整个传输过程的时延，都比传统的移动IP时延明显减小。因此，提高了数据传输速率，在一定程度上解决了三角路由问题，但是我们应当看到这种解决办法并没有从本质上解决三角路由问题，而仅仅是一种程度上的改善，研究新的路由算法仍然是下一步工作的重点。

　　· 高移动性和高速交换特性的结合：MPLS交换比按传统的IP路由协议传输分组速度明显提高；传输时延和数据包处理时间明显降低；并且HA到FA建立了一条LSP，数据报头过长问题得到解决。MPLS架构下的移动IP技术集成了移动IP的高移动性和MPLS高速交换特性，允许这些技术协调工作在将来的核心网中，并为MPLS提供移动性支持。

　　· 提高了网络的安全性和支持QoS：HA和FA都具有LER的功能，在同一个MPLS域中。这种机制使隧道技术中不再需要IP-in-IP方式传送数据包，取而代之的是MPLS交换方式通过LSP传送数据包（从Ingress LER 到HA再到FA）。整个传输过程都是在MPLS交换层进行，并且HA的处理过程也不涉及IP层的路由协议，从而提高了数据包的传输速率和移动IP的可扩展性，为网络的QoS提供了保障，并且网络的安全性能得到提高。

　　· 支持移动状态下的VPN和流量工程：由于MPLS技术对VPN和流量工程都有很好的支持，因此，MPLS与移动IP的结合，对移动状态下VPN和流量工程解决带来了希望。

6 结论

　　随着无线通信的发展，MPLS和移动IP技术的结合越来越受到人们的重视。但是MPLS和移动IP都是近年来发展较为迅速的技术，各种标准还不完善，目前该领域的研究还不是很深入，大多处于实验阶段，并且相应的数学模型的建立还较困难。还有许多理论问题需要进一步地深入探讨，如实施MPLS流量工程时与TCP等高层协议相互影响的问题；服务质量QoS、安全性以及区分服务的问题；移动状态下MPLS如何支持VPN等等。

参考文献

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[2] Perkins C E . Mobile IP . IEEE Communications Magazine, May1997, 84-99

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[4] Andersson, ｅｔａｌ . LDP Specification，RFC 3036 . January 2001

[5] Network Working Group Internet Draft, Integration of Mobile IP and MPLS . IETF draft-zhong-mobile-ip-mpls-01.txt, July 2000

　　徐凯，博士研究生，主要从事无线移动通信网络的研究。

　　纪红，博士，北京邮电大学电信工程学院副教授，研究方向为移动通信网络性能分析。

　　乐光新，北京邮电大学电信工程学院教授，博士生导师，研究领域为数字通信系统、通信网络、移动通信。

----《中国数据通信》