基于MPLS网络的LDP-VPLS组网方案
3.基于LDP的VPLS实现原理
迄今为止，IETF已经收到了3份VPLS实现方案的提议。其中，Lasserre等人撰写的VPLS草案［7］是基于虚电线技术与LDP信令的方案并被部分厂商提前做为标准集成到了MPLS设备中。
如图4(a)所示，Lasserre的VPLS实现原理是使用虚电线两两连接多个局域网，局域网之间使用LDP作为控制信令，用于维护VPLS中每个 PE设备的 FIB。如果某个局域网中的终端发送帧至VPLS里其它局域网终端，那么帧首先被CE传输到发送端PE，PE会根据帧的源及目地址将其送往相应的虚电线，并且只需要经过一条虚电线，帧便到达接收端PE。在帧的传输过程中，任何设备不会也不需要对帧的路由/网络层包头进行分析，所有的封装、交换都是基于第二层的信息来完成。
通过上面的分析可知，在基于LDP的VPLS实现方案中任意两个局域网间的帧只需要经过一条虚电线便可以到达接收端 PE。实际上，任一PE也只被允许接收来自其它PE的帧而不被允许再转发这些帧。这样做的目的是为了防止网络中出现环路。由于帧永远不可能被PE二次转发，所以网络中不会出现多于两个节点的路径，从而避免了环的产生。在以太网中，一般是使用生成树（spanning tree）协议来避免环的产生［8］，但在VPLS中由于成员局域网分散在MPLS网络中，使用生成树将使VPLS变得比较复杂，所以使用两两互连即所谓的全网格（full mesh）连接来避免环的产生。但是这种结构又带来了另一个问题，即随着成员局域网数目的增多，虚电线数量会急剧增长。一般地，虚电线数与局域网数有如下关系［9］：N＝(n·(n-1))/2 （n为VPLS成员局域网数）。从这个公式可知，如果仅采用全网格结构来连接一个含有众多成员局域网的大型VPLS，将使虚电线数目变得十分庞大，最终导致维护苦难及设备性能下降。另外，由于未知地址的帧将会在（n－1）条虚电线上进行广播，虚电线增加将直接导致带宽的消耗。因此，对于大型的VPLS网络，必须依靠其它办法来减少虚电线的数量。
三、基于LDP的大型VPLS解决方案
以下将在讨论IETF草案建议的层次化VPLS基础上给出另外两种减少虚电线数量的VPLS的解决方案。
1.层次化VPLS
针对前面提到的全网格问题，IETF草案［6］中建议使用层次化VPLS来减少虚电线的数量，其基本思想可以总结如图4(b)。在图中，一个VPLS被划分成2部分，一部分称为VPLS核心层（core），另一部分称为VPLS接入层。构成核心层的PE设备需要增加二层交换/桥接（bridging）模块，带二层交换功能的PE被称为PE-rs(routing and switching)，而仅有三层交换/路由功能的传统PE设备被称为PE－r。核心层的PE－rs之间仍然采用两两互连（Hub）的方式，而核心层的 PE－rs与接入层的PE－r设备之间使用星型（Spoke）连接方式，一个PE－r只允许有一条虚电线（冗余用途的虚电线一般设置为备份状态）与一个 PE－rs相连。因为PE－rs内嵌有二层交换功能，而虚电线在逻辑上等同于一条以太网线，因此PE－rs能够识别来自接入层PE的帧的地址字段并且能将帧按目的地转发到其它PE－r或者PE－rs。由于核心VPLS的各个PE－rs之间仍然使用两两互连结构，并且PE－rs不允许将来自核心VPLS的帧转发到其它PE－rs，因此核心VPLS内不会产生环路。但PE－rs可以将来自接入层PE的帧转发到其它PE－rs，因此必须在每个PE－rs上使用生成树协议来避免在接入层部分产生环路。这样一来，PE－rs上的二层交换功能稍微有些特殊，因为在交换上它必须对接入层侧的虚电线和核心层侧的虚电线给予不完全相同的待遇。
由于分层次VPLS的接入层没有使用全网格连接而是使用星型连接，因而大大降低了虚电线的数量。
2.多VPLS互连
依照IETF Lasserre草案中层次化VPLS的思想，我们可以设计出如图4(c)所示的一种非全网格VPLS架构。该设计没有增加草案建议以外的协议或硬件，但优于草案建议架构。其主要思想是先利用虚电线全网格连接构建含少量局域网的低级别VPLS，若干个低级别VPLS之间再用虚电线全网格连接成一个高级别的 VPLS。为了使网络结构更加清晰与便于维护，可以存在更多的VPLS级别。需要指出的是，连接高级别VPLS与低级别VPLS的PE必须是含二层交换功能的PE－rs，而且高级别VPLS与低级别VPLS之间的虚电线上流量的交换也必须按照Lasserre草案中的星型连接的交换规则来进行，即容许其转发来自全网格连接的数据。相比草案中的层次化VPLS结构，这种组网方式除了能够减少虚电线的数量而且可以更好地将已有的小型VPLS整合成一个大型 VPLS，并且结构更清晰和便于维护。
3.客户自建VPLS
客户除了可以直接使用由服务商提供的虚拟局域网业务外，还可以租用虚电线来构建自己的VPLS。一种简单的情形是客户使用虚电线将分散在各地的多个局域网星型的连接到一台中央交换机，由于虚电线在逻辑上等同于一条以太网线，因此所有的局域网等同于直接用网线连接到了中央交换机，从而构成了一个整合的局域网。此处需要注意的是，虽然分散在各地的局域网到中央交换机的距离可能很长，超过了CSMA/CD（载波侦听多路访问,冲突检测）协议的时间槽长度［10］，但只要保证中央交换机端的CE设备到中央交换机的距离不超过时间槽长度即可。这种VPLS的优点是容易实现，缺点是用户必须自行对虚拟局域网进行设计与维护。当网络不大、服务商VPLS服务没开放或VPLS服务费用过高时可以采用此种VPLS实现方式。
四、结束语
本文分析了MPLS网络的虚电线技术和LDP协议的工作机制，讨论了基于LDP信令的VPLS的实现及全网格问题，研究了IETF草案的层次化VPLS解决方案，并提出了两个实际组网方案。通过理论、仿真和实验手段分析基于LDP信令的VPLS的性能及其潜在问题是下一步的主要工作。目前，基于LDP信令的VPLS已经成为IETF最有竞争力的一个VPLS方案，但它是否会成为IETF标准，还有赖于其市场占有率和设备厂商的支持力度。不过可以肯定的是VPLS将作为下一代宽带通信网络的热点技术得到发展与广泛应用。
迄今为止，IETF已经收到了3份VPLS实现方案的提议。其中，Lasserre等人撰写的VPLS草案［7］是基于虚电线技术与LDP信令的方案并被部分厂商提前做为标准集成到了MPLS设备中。
如图4(a)所示，Lasserre的VPLS实现原理是使用虚电线两两连接多个局域网，局域网之间使用LDP作为控制信令，用于维护VPLS中每个 PE设备的 FIB。如果某个局域网中的终端发送帧至VPLS里其它局域网终端，那么帧首先被CE传输到发送端PE，PE会根据帧的源及目地址将其送往相应的虚电线，并且只需要经过一条虚电线，帧便到达接收端PE。在帧的传输过程中，任何设备不会也不需要对帧的路由/网络层包头进行分析，所有的封装、交换都是基于第二层的信息来完成。
通过上面的分析可知，在基于LDP的VPLS实现方案中任意两个局域网间的帧只需要经过一条虚电线便可以到达接收端 PE。实际上，任一PE也只被允许接收来自其它PE的帧而不被允许再转发这些帧。这样做的目的是为了防止网络中出现环路。由于帧永远不可能被PE二次转发，所以网络中不会出现多于两个节点的路径，从而避免了环的产生。在以太网中，一般是使用生成树（spanning tree）协议来避免环的产生［8］，但在VPLS中由于成员局域网分散在MPLS网络中，使用生成树将使VPLS变得比较复杂，所以使用两两互连即所谓的全网格（full mesh）连接来避免环的产生。但是这种结构又带来了另一个问题，即随着成员局域网数目的增多，虚电线数量会急剧增长。一般地，虚电线数与局域网数有如下关系［9］：N＝(n·(n-1))/2 （n为VPLS成员局域网数）。从这个公式可知，如果仅采用全网格结构来连接一个含有众多成员局域网的大型VPLS，将使虚电线数目变得十分庞大，最终导致维护苦难及设备性能下降。另外，由于未知地址的帧将会在（n－1）条虚电线上进行广播，虚电线增加将直接导致带宽的消耗。因此，对于大型的VPLS网络，必须依靠其它办法来减少虚电线的数量。
三、基于LDP的大型VPLS解决方案
以下将在讨论IETF草案建议的层次化VPLS基础上给出另外两种减少虚电线数量的VPLS的解决方案。
1.层次化VPLS
针对前面提到的全网格问题，IETF草案［6］中建议使用层次化VPLS来减少虚电线的数量，其基本思想可以总结如图4(b)。在图中，一个VPLS被划分成2部分，一部分称为VPLS核心层（core），另一部分称为VPLS接入层。构成核心层的PE设备需要增加二层交换/桥接（bridging）模块，带二层交换功能的PE被称为PE-rs(routing and switching)，而仅有三层交换/路由功能的传统PE设备被称为PE－r。核心层的PE－rs之间仍然采用两两互连（Hub）的方式，而核心层的 PE－rs与接入层的PE－r设备之间使用星型（Spoke）连接方式，一个PE－r只允许有一条虚电线（冗余用途的虚电线一般设置为备份状态）与一个 PE－rs相连。因为PE－rs内嵌有二层交换功能，而虚电线在逻辑上等同于一条以太网线，因此PE－rs能够识别来自接入层PE的帧的地址字段并且能将帧按目的地转发到其它PE－r或者PE－rs。由于核心VPLS的各个PE－rs之间仍然使用两两互连结构，并且PE－rs不允许将来自核心VPLS的帧转发到其它PE－rs，因此核心VPLS内不会产生环路。但PE－rs可以将来自接入层PE的帧转发到其它PE－rs，因此必须在每个PE－rs上使用生成树协议来避免在接入层部分产生环路。这样一来，PE－rs上的二层交换功能稍微有些特殊，因为在交换上它必须对接入层侧的虚电线和核心层侧的虚电线给予不完全相同的待遇。
由于分层次VPLS的接入层没有使用全网格连接而是使用星型连接，因而大大降低了虚电线的数量。
2.多VPLS互连
依照IETF Lasserre草案中层次化VPLS的思想，我们可以设计出如图4(c)所示的一种非全网格VPLS架构。该设计没有增加草案建议以外的协议或硬件，但优于草案建议架构。其主要思想是先利用虚电线全网格连接构建含少量局域网的低级别VPLS，若干个低级别VPLS之间再用虚电线全网格连接成一个高级别的 VPLS。为了使网络结构更加清晰与便于维护，可以存在更多的VPLS级别。需要指出的是，连接高级别VPLS与低级别VPLS的PE必须是含二层交换功能的PE－rs，而且高级别VPLS与低级别VPLS之间的虚电线上流量的交换也必须按照Lasserre草案中的星型连接的交换规则来进行，即容许其转发来自全网格连接的数据。相比草案中的层次化VPLS结构，这种组网方式除了能够减少虚电线的数量而且可以更好地将已有的小型VPLS整合成一个大型 VPLS，并且结构更清晰和便于维护。
3.客户自建VPLS
客户除了可以直接使用由服务商提供的虚拟局域网业务外，还可以租用虚电线来构建自己的VPLS。一种简单的情形是客户使用虚电线将分散在各地的多个局域网星型的连接到一台中央交换机，由于虚电线在逻辑上等同于一条以太网线，因此所有的局域网等同于直接用网线连接到了中央交换机，从而构成了一个整合的局域网。此处需要注意的是，虽然分散在各地的局域网到中央交换机的距离可能很长，超过了CSMA/CD（载波侦听多路访问,冲突检测）协议的时间槽长度［10］，但只要保证中央交换机端的CE设备到中央交换机的距离不超过时间槽长度即可。这种VPLS的优点是容易实现，缺点是用户必须自行对虚拟局域网进行设计与维护。当网络不大、服务商VPLS服务没开放或VPLS服务费用过高时可以采用此种VPLS实现方式。
四、结束语
本文分析了MPLS网络的虚电线技术和LDP协议的工作机制，讨论了基于LDP信令的VPLS的实现及全网格问题，研究了IETF草案的层次化VPLS解决方案，并提出了两个实际组网方案。通过理论、仿真和实验手段分析基于LDP信令的VPLS的性能及其潜在问题是下一步的主要工作。目前，基于LDP信令的VPLS已经成为IETF最有竞争力的一个VPLS方案，但它是否会成为IETF标准，还有赖于其市场占有率和设备厂商的支持力度。不过可以肯定的是VPLS将作为下一代宽带通信网络的热点技术得到发展与广泛应用。
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