LEACH路由协议及改进
无线传感器网络LEACH路由协议的节能改进算法
无线传感器网络LEACH路由协议的节能改进算法摘要：LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是一种经典的WSN自适应分簇分层路由协议，但协议没有考虑节点的剩余能量，随机的产生簇头节点，且在分簇过程中没有考虑簇头节点的数量，过多的簇头造成数据冗余，过少的簇头又因数据传输距离过长而消耗过多的能量，缩短了整个网络的生存周期。
针对LEACH存在的以上缺陷，首先在阀值公式中引入节点的能量因素，然后提出一种新的簇头数的计算方法，通过控制簇头数量确保了网络负载的平衡。
仿真结果表明：改进后的算法有效降低了能耗，延长了节点和网络的寿命。
关键词：无线传感器网络，LEACH路由协议，最佳簇头数，能量消耗1 引言无线传感器网络（WSN）是由大量传感器节点以自组织的方式构成的无线网络。
传感器节点通常采用电池供电，其计算和存储能力十分有限，因此节能是无线传感器网络的一个重要研究方向[[1]]。
其中LEACH路由协议是最早提出的一个能量利用率较高的分层路由协议，协议采用分簇的方式，实现网络能量消耗的均衡。
本文针对LEACH协议的一些不足，提出改进算法。
2 LEACH 算法概述LEACH算法是无线传感器网络最早提出的分簇路由协议， LEACH定义了轮的概念，每轮分为簇的建立阶段和稳定状态阶段。
在簇的建立阶段，每个节点产生一个（0,1）之间的随机数，并把它和阀值 T(n)进行比较，如果这个数小于阀值，则该节点成为簇头节点。
T(n)的计算公式为：其中，P是簇头在所有传感器节点中所占的百分比，P=k/n,k为网络中的簇头个数，N为网络中的节点总数，r是当前的轮数，G是前1/P轮中未当选过簇头节点的集合。
在每1/P轮，每个节点有且只能成为一次簇头。
3 簇头选择的改进Leach协议中所有节点被选为簇头的概率是相等的，但他们当选为簇头的概率依然是相等的。
在这种情况下会出现一些剩余能量很少的节点依然被选为簇头节点，这样导致此节点的能量会很快耗尽，出现网络“洞点”使得整个网络的生存时间变短[2]。
一种无线传感器网络路由协议范文LEACH的改进算法
一种无线传感器网络路由协议范文LEACH的改进算法组织多跳网络，其日的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域感知对象的信息，并发送给观察者，传感嚣、感知对象和观察者构成了传感器网络的3个要素.传感器节点由汇聚节点SN（inknode）和普通传感器节点组成.无线传感器网络节点一般以电池供电，但针对应用业务的不同需求，有时需要太阳能、震动能、风能、热能等额外能量提取技术.WSN的能耗主要分为通信能耗、感知能耗和计算能耗，其中通信能耗所占比重最大，所以均衡通信能耗能有效的延长整个网络的生存时间，在无线传感器网络中，网络的拓扑控制与优化重要性表现在：影响整个网络的生存时问；减小节点间通信干扰，提高网络通信效率和为路由协议提供基础，在无线传感器网络体系结构中，网络层的路由技术对无线传感器网络的性能好坏有着重要影响.随着国内外无线传感器网络的研究发展，许多路由协议被提了出来，从网络拓扑结构的角度可以大体把它们分为两类：平面路由结构和层次路由结构，层次路由算法是现有无线传感器网络路由算法的研究重点，下面将概述一下LEACH路由协议研究：LEACH是无线传感器网络中提出的第一个层次型路由协议，运用了数据压缩技术和分层动态技术，通过随机选取某些节点为簇头来均衡网络内部负载；文描述了一种基于LFACH的改进型非均匀分簇协议UCS（unequalcluteringize），协议的中心是：考虑候选簇头节点到基站的远近，构造出大小非均匀的簇，从而实现了网络中节点能耗的均衡；文中的LEACH-C是LEACH协议自身的提出者后来在LFACH协议上所做的改进算法；文提出的TEEN （threholdenitiveenergyefficienten-ornetworkprotocol）是阈值敏感能量高效传感器网络协议，它采用与LEACH类似的簇结构和运行方式，定义了软、硬两个阈值来确实是否发送数据；文提出的混合有效能量分布式分簇HEED（hybirdenergy-efficientditributedclutering）算法是在LEACH算法簇头分布不均匀这一问题基础之上做出的对LEACH协议的改进；在文中，高能效传感器采集信息协议PFGASIS（power-efficientgatheringinenorinformationytem）是使用贪婪算法GA （greeciyalgorithm）形成链式的簇结构；文中，LEACH-M协议中引入了遗传模拟退火算法.LEACH算法与一般平面多跳路南算法相比，可以将网络生命周期延长15%，但却存在簇受开销大、重复形成簇和簇规模分布不合理等不足，为此本文提出一种改进算法.1LEACH协议简介Ll算法概述LEACH协议是由MIT的Heinzelman等提出的，该算法是为无线传感器网络设计的一种低功耗自适应的分层路由协议，假定了一个均匀的、节点能量有限的密集传感器网络，各节点向接收点报告其数据.LEACH协议将基于TDMA的MAC协议与聚类协}义和一个简单的“路由”协议集成在一起，其基本是：通过循环的方式随机选择簇头节点，对簇头节点进行轮换，把整个网络的能量负载平均分配到各个节点上，从而平衡和降低能耗、延长网络的生存周期.LEACH协议提出“轮”的概念，算法的执行过程是周期性的，每轮循环分为簇的建立阶段和稳定的数据通信阶段，在簇的建立阶段，随机选择节点作为簇头节点，簇头节点确定后即向周围广播，其他节点根据接收到的广播信号的强弱来选择要加入的簇，并告知相应的簇头节点，从而网络被划分为若干个簇.在数据通信阶段，网络完成簇结构构建，普通节点将采集数据发送给簇头节点，由簇头节点对数据进行处理（如数据融合）操作，再转发给汇聚节点，为了避免额外的处理开销，数据通信阶段一般持续较长的时间.每一轮结束后，网络将重新进入下一轮，继续执行这两个阶段的过程.LEACH算法选举簇头的过程如下：节点产生一个0-1之间的随机数，如果这个数小于阈值T（n），则发布自己是簇头的公告消息.在每轮循环中，如果节点已经当选过簇头，则把T（n）设置为0，这样该节点就不再会再次当选为簇头，对于未当选过簇头的节点，则将以T（n）的概率当选；随着当选过簇头的节点数目增加，剩余节点当选簇头的阈值T（n）随之增大，节点产生小于T（n）的随机数的概率随之增大，所以节点当选簇头的概率增大，当只剩一个节点未当选时，T（n）=1，表示这个节点一定当选.T（n）如式（1）所示：其中：P簇头在所有节点中所占的百分比；r是选举轮数；rmod（l/P）代表这一轮循环中当选簇头的节点个数；G这一轮循环中未当选过簇头的节点集合.采用这种随机选举簇头的方法，需要得到节点总数与簇头数的最优比；因为基站是在远离仿真区域的位置，与距离较远的节点通信时，需要设置一些簇头节点提升通信的效率，但是也不能过多（在极端情况下，每一个节点都是簇头，和没有分簇是一样的，没有多跳和数据融合优势），在相对低的比值处有一个最优的数值；在一种典型的情况下，Heinzelman等认为最优值是5%，但是这要依赖于特定的设置并且要求预先确定.LEACH协议采用了随机选举簇头的方式来轮换簇头，避免了簇头过分消耗能量，采用数据融合则有效地减少了通信量，与一般的多跳路由协议和静态聚类算法相比，能够将网络生命延长15%.1.2算法不足1）由于LEACH协议是假定所有节点都能直接和基站进行通信，而且每个节点都具备支持不同MAC的能力，因此该协议不大适合在大规模部署的应用场景.2）LEACH协议没有说明簇头节点要怎么分布才更加均匀，有可能在实际应用中出现一个区域有很多的簇头节点，而有的很大的区域没有任何的簇头节点，这样会出现网络能耗不均衡.3）LFACH协议假定每个节点的能耗都差不多，这使得该协议不适用于节点能量不均衡负载的网络部署中.4）LEACH协议的簇头选举算法没有考虑剩余能量低的节点当选为簇头节点的情况，该节点很快会耗尽能量提早失效.不利于延长网络的生存时间，网络的鲁棒性也不好.5）簇头节点将采集到的数据通过数据融合后直接发送到基站，若传感器节点分布在很广的范围内，经过很多轮后，距离基站近的簇头节点与距离基站远的节点剩余能量相差很大；如果传感器节点的初始能量值一致，距离汇聚节点远的节点能量最先消耗完，从而导致整体网络生存时间缩短；假设簇头节点和汇聚节点之间只采用多跳路由方式转发数据，那么在网络节点部署区.域广、节点数日众多的情形下，距离基站近的区域的节点因为频繁参与数据的转发，能量消耗极快，该区域的节点反而很容易死掉，进而影响整个网络的生命周期.针对LEACH路由协议的不足，本文提出一种改进的算法，我们且称为NEWLEACH.2.1NEWLEACH算法的基本思想因为涉及到距离，先简单介绍下LEACH的物理模型：LEACH算法采用第一顺序无线电能量模型FORM（firtorderradiomodel），该模型由发送电路、放大电路和接收电路组成.假定信道是双向对称的，即节点A传送数据到节点B的能量消耗与B传送到A是相同的.在传输距离为d时，传感器节点发送和接收kbit消息所消耗的能量见式（2）和式（3）.其中：E是发送电路和接收电路无线电通信消耗的功率值，信号传输距离为d.信号在无线信道传输中的能量消耗与距离dr成正比，在短距离无线传输，即dd0时，r=4.上述的两种能量衰减模型分别称为自由空间（freepace）衰减模型和多路信道衰减（multi-pathfading）模型.εam，，为自由空间衰减模型的衰减系数，εf为多路信道衰减模型的衰减系数.因此，根据发送节点与接收节点之间的距离，发送节点可以使用不同的能耗模型计算发送数据所需要的能量.Et某（k，d）表示发送节点所消耗的总能量，En某（k）表示接收节点所消耗的总能量，分别表示接收电路和传送电路中所消耗的功率值，并且是发送端发送消息经过放大器时所消耗的能量.本文的算法基本思想是：从上面的能量消耗模型可以看出，能量消耗其实也和距离有关，在设计优化的簇头选举方法时，应该根据距离来选择不同的能量衰减模型；簇头的最优选择应该是，在当前轮数剩余能量较高的，又或者是距离基站更近的节点，在数据的通信阶段，应该选择当前轮剩余节点剩余能量最高的节点进行数据融合，如果该节点恰好是簇头节点，在完成数据融合后，将数据发送给基站；如果是普通节点，在完成了数据融合后，将数据转发给簇头节点，簇头节点再发送给基站.2.2NEWLEACH算法2.2.1簇头选举假设仿真区域是在100m某100m的区域内进行的，基站的坐标是在（50，175），我们称为b，存仿真区域内有一个中心点，我们称为center，任一节点到b的距离为（d1，到centei‘的距离为d2，如图l所示.从图中我们可以看出d1》d2，因此在设计距离因子时，把节点到基站的距离看成多路信道衰减模型，把节点到中心点的距离看成自由空间衰减模型根.据不同的情况选用不同的模型，使得距离基站近的有更大几率当选为簇头.传统的LFACH协议不涉及节点的剩余能量问题，改进的NEWLEACH算法用节点的当前剩余能量和初始能量相比，这样做可以使剩余能量更多的节点有更大几率称为簇头，改进后的簇头选举如式（4）所示.式（4）是在式（1）的基础上做的一个改进：在最坏的情况下（‰…。
无线传感器网络LEACH路由协议改进
由表 １ 、表２ １ １ ￣ 图 可以看 出，当Ｌ ＡＣ Ｗ协议 中Ｗ的 ： １ Ｅ Ｈ—
（ ６）
＝
Ｉ ＋ ｄ，＜０ Ｉ ＾ ｄ Ｅ ２ ｄ
Ｉ ＋ｅ ４ ｄ ｌ ， （ ｄ ｄ ）
值 在０ １ ０３ ＿ ． — ．２ 间时 ，网络 生 命周期 增加 较大 。最 大达到 １ ．％ ，但 第一个 节点 死亡 的轮 数有所 减小 。 当Ｗ的值在 ４ ２
Ｅ （ ＝Ｅ ， ～ （ ＝ ） ｆ ） （ ７）
假 设 发送 和接 收数 据 的能 量消 耗 为Ｅ ｌ＝ ０ Ｊ ｉ。 ｅｃ ５ ｎ ／ｂｔ ｅ
Ｅ。 １ ｐ ／ ｉｍ ，Ｅ ｐ ００ １ ｐ ／ ｉｍ 。 ｆ ０ Ｊｂｔ ｍ ＝ ０ ３ Ｊｂｔ ＝ ／ ／
４ 结 论 、
Ｗ ｉｅｅｓ ｌ ｓ Ｃｏｍｍ ｕｎｃ ｔ ｒ ｉａ ｉ ｏｎｓ
无
线 通 信
头 ，簇 内其他非 簇头节 点称 为成 员节 点 ，成 员节点 将其数 据发 送给 自 己的簇头 ，簇头节 点接收 这些数 据 ，并 进行数 据 融合 ，然后 将 其发 送给 基 站。 Ｌ ＡＣＨ采 用簇 头轮 换机 Ｅ 制 ，各个节点 随机轮流作 为簇头 。 在簇成立阶段 ，假设 网络中有Ｎ 个节点 ，每轮 的簇 头节 点个数为ｋ ，节点ｉ 在第ｒ （ 轮 在时刻ｎ 启动 ）以概率 Ｐ（） ． 选择 ｎ 自己作为簇头。Ｐ ｎ”为 ： （）
的次 数。现在 我们首 先考虑选 举簇 头时节 点当前能 量的 多
少 ，引入能量 影响因子 ：
‘ ３
簇 头 。非簇 头节点根 据接 收到 的公告消 息信 号 的强度 ，选
择 向信 号最 强的簇 头发送 加入簇 的请 求消息 。最 强信 号一 其 中Ｓ ｉ Ｅ为节 点ｉ 当前 轮 （ ｒ ）的剩 余 能量 ， （． ） 在 第 轮 Ｅｖ： ａｅ ￣当前轮 网络 中所有节点 的平均能量 。因子ｆ ） （ 能够使 ｉ 当前剩余能量大 的节点成为簇头的可能性也大 。
LEACH路由协议技术的分析及改进
计算机与现代化 2009年第9期J I S UANJ I Y U X I A NDA I HUA总第169期文章编号:100622475(2009)0920081203收稿日期:2008209210作者简介:单晓娜(19822),女,山东日照人,南昌大学信息工程学院硕士研究生,研究方向:计算机网络;李力(19582),男,江西上高人,副教授,研究方向:计算机网络应用与安全,传感器网络。
LE ACH 路由协议技术的分析及改进单晓娜,李 力(南昌大学信息工程学院,江西南昌330031)摘要:无线传感器网络作为计算、通信和传感器三项技术相结合的产物,是一种全新的信息获取和处理技术。
本文在简要介绍无线传感器网络的基础上,分析了LE ACH 分级路由协议存在的一些问题以及如何解决这些问题。
关键词:无线传感器网络;网络层;层次路由协议;LACHS 协议中图分类号:TP393 文献标识码:A do i:10.3969/j .issn .100622475.2009.09.023Ana lysis and I m prove m en t of L EACH Routi n g Protocol TechnologySHAN Xiao 2na,L IL i(School of I nf or mati on Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China )Abstract:A s a result of combinati on of m icr osens or technol ogy,l ow power computing and wireless net w orking,wireless sens or net w ork is a novel technol ogy about acquiring and p r ocessing inf or mati on .This paper briefly intr oduces the architecture of wireless sens or net w ork,analyzs s o me p r oble m s of the LE ACH r outing p r ot ocol and how t o s olve these p r oble m s .Key words:wireless sens or net w ork;net w ork layer;grading r outing p r ot ocol;LACHS p r ot ocol0 引 言无线传感器网络是由一组传感器节点以自组织的方式构成的无线网络,其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并将信息发送给观察者。
无线传感器网络路由协议LEACH研究报告与改
无线传感器网络路由协议LEACH的研究与改进摘要:无线传感器网络由许多具有低功率无线收发装置的传感器节点成,能够有效地感知、采集和处理网络覆盖区域中的相关信息,并发送给远处的基站进一步处理。
由于传感器节点能量有限,路由协议必须尽可能地减少能量消耗,延长网络生命周期。
在LEACH算法基础上,提出一种改进的路由算法,改进后的算法采用相对固定的成簇方式,每隔一轮重新构建簇。
利用图论中的prim算法,选择每轮中Ped最大的簇头作为根节点,在簇头节点之间构造树形路由,簇头之间以多跳方式将收集到的数据发送到根节点,然后通过根节点将整个网络收集到的数据发送到基站。
仿真结果表明,与LEACH算法相比,改进算法降低了能耗,有效延长了网络生存周期。
关键词:无线传感器网络。
LEACH算法。
分簇。
生命周期。
能量消耗Abstract: W ireless sensor networks consisting of a large number of small sensorswith low-power transceiver canbe an effective tool for apperceiving, collecting and computing data in a variety of environment.The collected datamustbe transmitted to the base station for further processing. Based on LEACH algorithm, this paper presents a novel clustering algorithm in which clusterare relatively fixed and the nodes re-organize themselves into new clusters every other round. It utilizes the Prim algorithm inthe graph theory to form tree routing among cluster-head nodes, and selects the cluster-head with the largestPedas the rootnode. The cluster heads send data to the root node in a multi-hop manner and the root node then sends the gathered data bythe whole network to the base station. Simulation results show that compared with LEACH, the improved algorithm can reduce the energy consumption and prolong the lifetime of the network.Key Words：wireless sensor network, LEACH algorithm, clustering, lifetime, energyconsume1、前言无线传感器网络被认为是在一定空间范围内密集分布的由大量体积小、廉价、电池供电的通信器件构成的自组织系统．由于无线传感器网络大都需要在无人看管、不更换电池或者几乎不可能更换电池的条件下长时间的工作，如何提高能量的有效利用率并延长网络寿命便成了一个重要问题．网络数据传输离不开路由协议,路由协议对网络的整体性能有重要影响,因此,作为无线传感器网络核心技术之一的路由协议一直是研究的热点。
基于不均匀分簇的LEACH协议的改进研究方案
１ Ｌ ＡＣ Ｅ Ｈ协 议简 介
Ｌ Ａ Ｈ 协议 是最 早 出现 的分簇 路 由协 议 ， Ｅｃ圆 其基 本 思 想是 采用 等 概率 周期 性 的方 法 选择簇 头 ，将整 个 网 络 的 能量 负 载 平均 分 配 到 每 个传 感 器 节 点 上 ， 从 而达 到降 低 网络能 量耗 费 、延 长 网络 生命 周 期 的 目的。 Ｅ Ｃ Ｌ Ａ Ｈ的执行 过程 是周 期性 的 ， 每轮循环 过程 如 图 ｌ 示 。在簇 的形 成 阶段 ， 所 网络 节点 采用 自组织 的方式 ， 成簇 的过 程 中 ， 头 的选 取是 随机 的 ， 在 簇 且 采用 随机 轮 换策 略 。这种 选 择方 式 从一 定程 度 上 提 高 了 网络节 点 的使用 能效 ，也减 少 了 网络 节点 路 由
采 用多 路径 衰减模 型 。 接 收节点 若接 收 数据 包时 的能耗 为 位
Ｅ Ｒ： ＝ ｋ ｋｘ （） ２
簇 中的节点数为 ， 且节点发送 比特信息时需要时 Ａ
，
间 ÷ ， 单位帧 节 送 ＝ ） 则 簇内 点发 信息的 间为 总时
ｎ ６
＝
由公 式 （ ） （ ） 以看 出 ， 收 节 点 的能 耗 仅 １和 ２ 可 接
用于信号接收 、 解码等过程 ， 与距离无关 。发送数据
的增 益 耗费是 总耗 能 的主要部 分 。
１２ 簇 头 轮 换 时 间 间 隔 ．
）因此 ， 送 数据 经 过 一 轮 的 总 时 间是 ， 发 ×一， 中： 其
即 Ｌ Ａ Ｈ协议 利用 无线 传感 器 网络 一般 采用 一 阶 组 成 ， ： ＥＣ
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LEACH协议研究与优化 论文
LEACH协议研究与优化摘要：近年来在微电子技术、通信技术、无线传输技术方面取得的巨大成就使得低成本、低功耗、小体积短通信距离的多功能无线传感器的实现成为可能。
在传感器节点能量有限的情况下，提高路由效率，延长网络寿命成为无线传感器网络需考虑的问题。
[1]由于采取分簇，数据融合的思想，LEACH协议有着较高的路由效率，但在实际应用，尤其是大规模网络中，仍存在负载不均衡等问题。
本文主要分析了LEACH协议的基本思想及优缺点，随后针对大规模的网络环境对其分簇算法进行改进。
关键词：无线传感网络路由协议LEACH 分簇思想Abstract：In recent years, microelectronic technology, communications technology, the tremendous achievements made wireless transmission technology enables low cost, low power, small size short communication distance multifunctional wireless sensors to achieve possible. In the case of limited energy of sensor nodes to improve routing efficiency and prolong the network lifetime becomes a problem in wireless sensor networks need to be considered. As a result of clustering, data fusion ideas, LEACH routing protocol has a higher efficiency, but in practical applications, especially large-scale networks, there are still load imbalance and other issues. This paper analyzes the advantages and disadvantages of the basic idea of LEACH, followed by improvements in its clustering algorithm for large-scale network environment.Keywords：WSN routing protocol LEACH clustering1.概述无线传感器网络因其在军事、经济、民生等方面广阔的应用前景成为21世纪的前沿热点研究领域。
WSN中LEACH路由协议的改进及仿真
WSN 中LEACH 路由协议的改进及仿真李雅卿，李腊元(武汉理工大学计算机科学与技术学院，武汉 430063)摘 要：针对低功耗自适应聚类(LEACH)路由协议中簇头节点在空间上分布不均以及在远距离数据传输过程中能量消耗过多等不足，提出一种改进的LEACH 路由协议LEACH-ZMH ，其中采用基于区域的簇头选择和簇间多跳数据传输的方法。
给出LEACH-ZMH 的正确性证明和复杂性分析。
NS2仿真表明，改进的协议有效延长了网络的存活时间，性能优于LEACH 协议。
关键词：无线传感器网络；LEACH 路由协议；区域簇头选择；多跳数据传输Improvement and Simulation of LEACH Routing Protocolin Wireless Sensor NetworksLI Ya-qing, LI La-yuan(Department of Computer Science and Technology, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063)【Abstract 】Aiming at the insufficiency of Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy(LEACH) routing protocol that cluster-head nodes distribution is uneven in the space and cluster-head nodes consume excessive energy in the process of long-distance data transmission, this paper proposes an improved LEACH routing protocol named LEACH-ZMH, which adopts the methods of cluster-head selection based on zone and multiple hop data transmission among clusters. The correctness proof and complexity analysis of LEACH-ZMH are given. Simulation by NS2 shows that the protocol extends the survival time of the network and performs better than LEACH protocol.【Key words 】Wireless Sensor Network(WSN); Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy(LEACH) routing protocol; zone cluster-head selection; multiple hop data transmission计 算 机 工 程 Computer Engineering 第35卷 第10期Vol.35 No.10 2009年5月May 2009·网络与通信· 文章编号：1000—3428(2009)10—0104—03文献标识码：A中图分类号：TP3931 概述无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)[1]是目前国际上研究的热点，它融合了计算、通信和传感器这3项技术的交叉应用，具有十分广阔的应用前景。
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信息与通信学院MPLS技术（小论文）学号：S314080096专业：信息与通信工程学生姓名：曲艺卓任课教师：安澄全副教授2015年4月MPLS技术曲艺卓哈尔滨工程大学摘要：MPLS 是一种实现标签交换的机制，它兼有基于二层交换的分组转发技术和第三层路由选择技术的优点。
而 MPLS VPN 是一种基于 MPLS 技术的 IP VPN，是在网络路由和交换设备上应用 MPLS 技术，简化核心路由器的路由选择方式，利用结合传统路由技术的标记交换实现的护虚拟专用网络(IP VPN)。
MPLS VPN 可以充分发挥骨干网的交换和路由选择能力，降低基础建设成本，满足用户网络应用以及提高管理的灵活性。
这在构造企业内部网络上提供了巨大便利，同时也能更好的满足用户对信息传输实时性、安全性等方面的需求。
关键词：MPLS技术；标签；IP交换1.引言随着网络技术的迅速发展和信息化程度不断的深化，各种网络应用越来越丰富，有越来越多的业务要在网络上运行。
应用者需要基于应用的丰富业务，而管理者需要在基础设施上整合各种各样的传统业务和IP 业务，不同的应用和业务类型往往有不同的使用者、安全级别，甚至这些应用中IP 地址段都有重叠。
传统的IP 网络在提供比如电子邮件、聊天、WEB 访问等基本业务的时候，可以实现任意点对点的服务，但这只是“尽力而为”的服务。
在面对园区甚至城域网范围的VPN 应用、安全内容传输、无线网络融合等应用时，传统IP 网络并不能很好的保证性能和安全性。
在这些需求的推动下，基于多协议标签交换（Multiprotocol Label Switching, MPLS）的IP网络正逐渐成为替代传统单一IP 网络的新的应用平台。
2 MPLS原理2.1MPLS 简介在上世纪90 年代中期，当时路由器技术的发展远远滞后于网络的发展速度与规模，主要表现在转发效率低下，无法提供QOS 保障。
本质原因是所有的路由查找算法均使用最长匹配原则，必须使用软件查找；而IP 的特点就是只关心过程，不注意结果。
当时业界有这样一种议论：过于简单的IP 技术无法承载网络的未来，基于IP 技术的因特网必将在几年之后崩溃。
随后ATM 技术出现了，ATM 技术以其完美的QoS 保障与算法，企图完全取代IP技术。
但ATM 由于其无法解决终端使用的问题，且无法与IP 很好的融合，在与IP的技术竞争中落败，逐步变成IP 链路层，成为一种提供广域网的接入技术。
1996 年Ipsilon 公司提出IP Switching（IP 交换）技术思想，其IP Switching 主要的观念是结合IP 和ATM 硬件，底层采用ATM 硬件，上层采用IP 协议，这样避免了使用ATM控制层的复杂操作。
ATM 技术虽然在市场上逐渐被淘汰，但技术上还是很成功的，首先它摒弃了繁琐的路由查找，改为简单快速的标签交换，转发效率高；其次它将具有全局意义的路由表改为只有本地意义的标签表。
从另一方面讲，IP 下的MPLS 其实也算是对ATM 技术的一种延伸。
随后Cisco 公司宣布了其标记交换技术，提出了Tag Switching（标签交换）的方法，Tag Switching 技术为路由表中的每个目的地址分配一个短而定长的标签，并在网络中为这个目的地址建立一条标签转发通道。
Tag Switching 同IP Switching相比，在技术上有较大差别，Tag Switching 为出现在标记交换路由器路由表中的每个目的地址建立一条转发通道，而IP Switching 则由数据流来建立标签转发表项，它是信赖于控制驱动（有一个相当于ATM 协议的控制平面），Tag Switching 网络由Tag Edge Routers 和Tag Switching Routers 组成。
IP 数据流被封装在标签中，下一跳的路由确定信赖标准路由算法（如OSPF、BGP 等）。
标记的绑定和分布采用标记分布协议（Tag Distribution Protocol，TDP）。
标签交换的构想是ATM Switch 或路由器放在骨干网络的核心部分（Core ），成为标签交换路由器（Tag SwitchRouter.TSR），路由器放在骨干网络的边缘部分成为边缘标签路由器（Tag Edge Router），整个Tag Switch 的观念在于使用标签（Tag）来进行交换，数据包进入标签交换（Tag Switch）网络后先打上标记，再根据标签在交换机或路由器的交换，把数据包传送出去，在出标签交换（Tag Switch）网络前再把标记剥掉，Tag Switching为MPLS 的最终产生建立了坚实的基础。
综上所述，MPLS 最初是用来提高路由器的转发速度而提出的一个协议，但是由于其具备许多其他的优点，目前它的用途已不仅仅局限于此，还在流量工程（Traffic Engineering）、VPN、QOS 等方面得到广泛的应用，从而日益成为大规模IP 网络的重要标准。
2.2 MPLS基本概念MPLS（Multi-Protocol Label Switching）即多协议标签交换，是一种可提供高性价比和多业务能力的交换技术，MPLS 属于第三代网络架构，它解决了传统IP 分组交换的局限性，是新一代的IP 高速骨干网络交换标准。
采用MPLS 技术可以提供灵活的流量工程、虚拟专网等业务，同时，MPLS 也是能够完成涉及多层网络集成控制与管理的技术。
2.3 MPLS 一些常用的术语：（1）标签（Label）：是一个比较短的，定长的，通常只具有局部意义的标识，这些标签通常位于数据链路层的二层封装头和三层数据包之间，标签通过绑定过程同FEC 相映射。
（2）转发等价类（FEC）：Forwarding Equivalence Class，是在转发过程中以等价的方式处理的一组数据分组，可以通过地址、隧道、COS 等来标识创建FEC；通常在一台设备上，对一个FEC分配相同的标签。
（3）标签交换路径（LSP）：一个FEC 的数据流，在不同的节点被赋予确定的标签，数据转发按照这些标签进行。
数据流所走的路径就是LSP。
（4）标签分发协议（LDP）：LDP（Label Distribution Protocol，标签分发协议）是MPLS 的控制协议，它相当于传统网络中的信令协议，负责FEC 的分类、标签的分配以及LSP 的建立和维护等一系列操作。
MPLS 可以使用多种标签发布协议，包括专为标签发布而制定的协议，例如：LDP、CR-LDP（Constraint-Based Routing using LDP，基于约束路由的LDP）；也包括现有协议扩展后支持标签发布的，例如：BGP（Border Gateway Protocol，边界网关协议）、RSVP（Resource Reservation Protocol，资源预留协议）。
同时，还可以手工配置静态LSP。
（5）标签交换路由器（LSR）：Label Switching Router，LSR 是MPLS 的网络的核心路由器，它提供标签交换和标签分发功能。
（6）边缘标签交换路由器（LER）：Label Switching Edge Router，在MPLS 的网络边缘，进入到MPLS 网络的流量由LER 分为不同的FEC，并为这些FEC 请求相应的标签。
它提供流量分类和标签的映射、标签的移除功能。
2.4 MPLS 的基本原理MPLS 是一种第三层路由结合第二层属性的交换技术，引入了基于标签的机制，它把路由选择和数据转发分开，由标签来规定一个分组通过网络的路径。
MPLS 网络由核心部分的标签交换路由器（LSR）、边缘部分的标签边缘路由器（LER）组成。
LSR的作用可以看作是ATM 交换机与传统路由器的结合，由控制单元和交换单元组成；LER的作用是分析IP 包头，用于决定相应的传送级别和标签交换路径（LSP）。
标签交换的工作过程可概括为以下 3 个步骤：（1）由LDP（标签分布协议）和传统路由协议（OSPF、IS-IS 等）一起，在LSR中建立路由表和标签映射表；（2）LER 接收IP 包，完成第三层功能，并给IP 包加上标签；在MPLS 出口的LER 上，将分组中的标签去掉后继续进行转发；（3）LSR 对分组不再进行任何第三层处理，只是依据分组上的标签通过交换单元对其进行转发[1]。
图2-1 MPLS体系结构MPLS 网络的体系架构如图2-1 所示，其基本构成单元是LSR 与LER。
标签交换路由器LSR（Label Switching Router），由LSR 构成的网络叫做MPLS 域，位于区域边缘和其他用户网络相连的路由器成为LER（Labeled Edge Router）。
核心LSR 可以使支持MPLS 的路由器，也可以是由ATM 交换机等升级而成的ATM-LSR，分组被打标后，沿着由一系列LSR 构成的标签交换路径LSP（Label Switched Path）传送，其中入口LER 叫Ingress，出口LER 叫Egress。
3 MPLS关键技术3.1 MPLS 关键技术MPLS 技术是ATM 技术与IP 技术结合的产物，充分利用了IP 网络的路由特性和ATM 网络的交换技术，综合了两者的优点。
它吸收了ATM 的VPI/VCI 交换的一些优点，无缝地集成了IP 路由技术的灵活性和二层交换的简捷性，在面向无连接的IP网络中增加了MPLS 这种面向连接的属性。
通过采用MPLS 建立“虚连接“的方法，IP 网增加了一些管理和运营的手段。
MPLS 包头的位置界于二层和三层之间，俗称2.5 层。
MPLS 可以承载的报文通常是ip 包（当然也可以改进直接承载以太包、ATM 的AAL5 包、甚至ATM 信元等）。
承载MPLS 的二层协议可以是PPP、以太、ATM 和帧中继等。
对于PPP 或以太网二层装，但是对于ATM 或帧中继，MPLS 则直接分别采用VPI/VCI或DLCI 做为转发的标签。
MPLS 可以看做是一种面向连接的技术，通过MPLS 信令或手工配置的方法建立MPLS 标记交换连接（Label Switched Path 简称LSP）以后，在标记交换路径的入口把需要通过这个标记交换路径的报文打上MPLS 标签，中间路由器在收到MPLS 报文以后直接根据MPLS 报头的标签进行转发，而不用再通过IP 报文头的IP 地址查找。
在MPLS 标记交换路径的出口（或倒数第二跳），弹出MPLS 包头，还回原来的IP 包。
3.2 MPLS 信令通常使用的建立MPLS 标记交换路径的信令有LDP/CR-LDP、RSVP-TE、BGP 扩展等，其中LDP/CR-LDP 和RSVP-TE 是用来建立标签连接通路，LDP 的标签分配模式有DoD（Downstream On Demand 下游按请求分配标签模式）和Du （DownstreamUnsolicited ）下游未被请求标签分配模式）两种方式，LDP 能够建立到某个目的路由其或目的子网的LSP，它的路由的每一跳是根据路由表确定的，也就是说LDP 建立的LSP 只有把需要转发的IP 报文打包成MPLS，实际走的路由还是和原来的IP 包走的路由是一样的。