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m p l s l d p 关键技术的研究以及l d p 协议的软件实现 摘要 多协议标记交换( m p l s ) 兼具了口技术的灵活性和a t m 技术交换速度快、 有q o s 保证、流量控制等诸多优点，可以解决网络中存在的拥塞、q o s 、v p n 支 持和组播等方面的系列问题，是一种新兴的口骨干网技术。 标记分配协议( l d p ) 是m p l s 标记交换体系结构采用的几种控制协议之一， 用来在相关的lsr 设备之间传送标记关联信息，它是唯一的专门用于这个目的 的控制协议。l dp 与标准的单播和组播选路协议一起运行在lsr 和ler 设 备上。它的运行与要求创建和分发标记关联的消息无关。根据请求， ldp 能 够有效和可靠地在l sr 设备之间分发标记关联。 作者在实验室直从事l d p 协议的研究与开发，承担了b t c m p l s 软件部 分l d p 协议的设计与实现。本文分两个部分，第一部分为m p l s 体系结构，主 要介绍了m p l s 的发展背景，基本原理，关键技术的研究。第二部分为l d p 协 议的软件实现，主要介绍l d p 协议的软件实现方法以及测试。论文最后提供了 参考文献和术语索引。 关键字：m p l s 、l d p 、多协议标记交换、流量工程 m p l s l d p 关键技术的研究以及l d p 协议的软件实现 2 a b s t r a c t m p l s t e c h n o l o g yf e a t u r e st h ef l e x i b i l i t yo f i pt e c h n o l o g ya n dt h ef a s ts w i t c h i n g s p e e d q o sg u a r a n t ya n df l o wc o n t r o lo fa t mt e c h n o l o g y i tc a ns o l v e as e r i e s p r o b l e m si nt h en e t w o r k ，s u c ha sc o n g e s t i o n ，q o s ，v p ns u p p o r ta n db r o a d c a s t i ti sa l l e m e r g i n g i pb a c k b o n en e t w o r k t e c h n o l o g y l a b e ld i s t r i b u t ep r o t o c o l ( l d p ) i st h ek e yt e c h n o l o g yo fm p l sa n dt h em o s t i m p o r t a n tc o n t r o lp r o t o c o lo f m p l s l a b e ls w i s h s y s t e m a r c h i t e c t u r e af u n d a m e n t a lc o n c e p ti nm p l si st h a tt w ol a b e ls w i t c h i n gp o u t e r s ( l s r s ) m u s ta g r e eo nt h em e a n i n go ft h el a b e l su s e dt of o r w a r dt r a f f i cb e t w e e na n dt h r o u g h t h e m t h i sc o m n l o n u n d e r s t a n d i n gi sa c h i e v e db yu s i n gas e to f p r o c e d u r e s ，c a l l e da l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c o l ，b yw h i c h o n el s ri n f o r m sa n o t h e ro fl a b e l b i n d i n g si th a s m a d e t h ea u t h o ri sr e s p o n s i b l ef o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o fl d pa n di sc h a r g e d w i t ht h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f l d p i nt h es o f t w a r ep a r to f b t c m p l s t h i st h e s i s h a st w o p a r t ，t h e f i r s t p a r t i sm p l ss y s t e m a r c h i t e c t u r ew h i c hi n t r o d u c et h e f u n d a m e n t a l ，t h eb a c k g r o u n da n dt h ek e y t e c h n o l o g y t h es e c o n dp a r ti st h es o f t w a r e r e 8 l i z a t i o no f l d ra tt h ee n do f t h e t h e s i s ，t h er e f e r e n c e sa n dg l o s s a r ya r e p r o v i d e d m p l s l d p 关键技术的研究以及l d p 协议的软件实现 第一部分m p l s 体系结构 第一章m p l s 基本原理 在2 1 世纪我们会面临一个怎样的网络? 专家们对当今网络技术进行了全 面分析，预测无线应用协议w a p 、i p v 6 协议、策略网络、多协议标记交换 ( m p l s ) 、l i n u x 操作系统、虚拟专用网、传统和网上零售相结合的电子商务、 千兆以太网技术等技术将会是2 l 世纪的时尚支撑技术，作为2 1 世纪的网络人 类，我们是必需对这些技术，有所熟知和掌握的。 在以上的技术中对于多协议标记交换( m p l s ) ，我们可能有所耳闻，但真 正了解的并不多，我们在此就对多协议标记交换( m p l s ) 做一个全面认识。 在如火如荼的i n t e r a c t 时代，网络正在改变着一切，由于光纤技术的革命， 尤其是最近w d m d w d m 的发展，网络传输带宽已经得到了长足的发展，而 网络节点绐终是现代通信网的潜在瓶颈。因此如何提高网络节点的速率从而来适 应大规模的网络发展已经成为业界关心的焦点问题。在人类即将进入新世纪的时 候，和a t m 两种各具优势的技术都正在发生着一次革命。与以往的技术进 步不同，这次技术革命可以更加形象地称之为一次技术联姻，其结果就是产生了 新一代的网络技术多协议标记交换( m p l s ) 。 我们知道从a 点到b 点传送网络数据的时候，音频和视频的应用需要最 小的时延抖动，而关键任务的应用需要有绝对保证的服务，因此，没有单一的方 法可以满足各种应用的要求。目前，只有选择电路交换网络才能提供各种应用所 需的不同服务及质量保证。但多协议标记交换( m p l s ) 技术的出现正在改变这 一切。采用m p l s 技术，可以在同一个坤网上实现上述的各种应用，而不需 要根据应用的不同采用不同的传输机制、路由协议或地址分配方案。 1 1 m p l s 基本原理： 那么究竟什么是m p l s 呢? 还是让我们首先来看一看m p l s 的名称。这 里的核心概念是交换，也就是这里最后一个字母s ( s w i t c h i n g ) 的含义；其 次的重要概念是标记，即这里l ( l a b e l ) 字母的含义：最后一层概念是多协 议，即这里的m p ( m u l t i p r o t o c 0 1 ) 的含义。通过对m p l s 名称的理解，我 们不难发现m p l s 与a t m 的相似之处。因为在a t m 中， v p f v c i 本身也 是标记，而a t m 面向连接的交换是一种固有特性。 m p l s l d p 关键技术的研究以及l d p 协议的软件实现 一6 这罩值得注意的是a t m 信元报头和m p l s 帧报头的长度都非常短，这实 际上是提高网络节点处理速度，构造大型网络的关键。从本质上讲，m p l s 采 用的是一种标记化分组，这里标记采用固定长度，而这种本地标记化的机制实际 上就是a t m 报头的概念。当传统口分组进入m p l s 节点时，入端标记交换 路由器( l s r ) 将完成端到端口地址与m p l s 标记的映射，为每个分组增 加相应的标记。每个m p l s 节点的标记都放在一个所谓的标记信息库( l i m ) 中这时需要用到o s p f 、b g p 和类似p n n i 的传统路由协议，而且采用 m p l s 的标记分配协议( l d p ) 会将相应连接的标记分配到网络的相应节点上。 在分组通过m p l s 中间节点时，实际上已不再需要进行路由选择，只需要根据 分配到的标记进行标记交换即可。而在分组离开m p l s 网络时，m p l s 的出 口标已路由器将完成标记与i p 地址的反映射，即取掉标记。由于分组在通过 m p l s 网络时只需一次路由，因此大大提高了网络效率。 m p l s 采用最简化的技术来完成第三层交换向第二层交换的转换。m p l s 在i p 数据包前加入固定长度的包头( 标签) ，不对口数据包的内容作任何的 处理。采用固定长度的标签，加快了m p l s 交换机在查找路由表的速度，减轻 交换机的负担。m p l s 的标签由3 2 个比特组成。当采用a t m 来传送m p l s 包时，为不增加额外的打包开销，i e t f 建议将标签值直接映射到a t m 信元 v p i v c i 域。m p l s 网络的交换机分为边缘交换机和核心交换机。通过标 记分配协议( l d p 协议) ，预先为m p l s 边缘路由器建立直达的数据连接，在 边缘交换机之间采用a t m 核心交换机进行互联。在数据通信过程中，中间的 a t m 交换机根据标记路由表只做信元交换功能。使用固定长度的标记表查找路 由，大大减轻了交换机的处理负担。p 数据包在核心交换机中转发的过程中只 做第二层的交换，即a t m 信元的交换，因而加快了数据包转发的速度，减少 时延和时延抖动，增加了网络的吞吐能力。 更为重要的是在m p l s 网络中可以对采用标记的连接提供各种服务质量 控制机制以及流量工程机制，因此m p l s 不仅让网络更快，而且还让网络更加 可控。 1 2m p l s 的体系结构 mpls 的出现是源于早期的ip 交换解决方案，因此它的体系结构是基于 已经提出的i p 交换的想法、概念和组件。它的基本目标之一，正如先前的解决 方案一样，是简化通过网络转发i p 分组。这个目标是完全有希望实现的。在传 统ip 转发机制中，每个路由器分析包含在每个分组头中的信息，然后解析分组 头、提取目的地址、查询路由表、决定下一跳地址、计算头校验、减值t tl 、 ! ! ：型些! 差墼堡查塑塑室坠垦! ! ! 塑垫塑墼堡壅望 ：! ： 完成合适的出口链路层封装，最后发送分组。或者简单地说，每个路由器处理每 个分组的过程是：分析分组的网络层头字段，根据目的地址前缀为分组分配个 f e c ，然后将f e c 映射到下一跳路由器。 mpl s 旨在简化在路由器入口处处理网络层头分析和fec 分配功能的过 程。入口路由器不是将f e c 映射到下一跳路由器，而是在分组上添加表示分组 归属f e c 的一个标签。在下一跳路由器上，因为分组已经与f e c 关联，所以 没有必要再检查网络层头。标签用于索引一个包含出口端口和一个新标签的连接 表。i e i 标签被新标签取代，然后分组从出i ：1 1 端e l 转发到下一跳路由器。与传统i p 转发相比，m p l s 简化的转发机制示倒于图1 1 。 h 懈山棼 八i ：_ l 鲻山嚣 图1 - im p l s 和传统的口转发 图中m p l s 部分显示入口路由器可能将分组映射到不网f e c 的任何编号 上。例如，一个fec 可能基于目的端网络地址、一组目的端地址、一个源端 目的端地址对、一个源端地址或者甚至是网络入口的物理点。一个f e c 也可以 表示所有经过一个显式非缺省路径的分组。无论为分组分配fec 的机制多么复 杂，通过网络转发分组仍然基于标签交换。于是，与应用传统ip 转发机制相比， mpls 使得基于策略的选路以一种更简单和更直接的方式进行工作。在开发m p l s 规范的过程中，产生了一批特殊的功能性要求。不过。这些要求使得m p l s 将以一种可扩展的方式解决综合选路和交换的问题。mpls 必须完成的基本 要求是： m p l s l d p 关键技术的研究以及l d p 协议的软件实现8 简化分组转发以降低成本并提高性能。 独立运行在特殊数据链路上；也就是况，它必须工作在帧和信元介质上。 兼容但也独立于现有和将来的网络层选路协议。 支持环路避免和检测。前者防止形成环路，后者发现已出现的环路。 允许汇聚多个业务流在一个lsp 上转发。 兼容现有的i p 网络管理工具。 支持分级操作。 支持单播和组播业务量。 支持0 ( n ) 个交换式路径，其中n 是网络中m p l s 节点的数目。 支持与非m p ls 交换机互操作。 - 用非m p ls 交换技术支持s i n 操作。 同时支持拓扑驱动和流驱动的ip 交换模型。 1 。3m p l s 的核心技术及组件 在mpls 方案中有一些核心技术和组件。 第一，m p ls 是一个标签交换路由器( ls r ) 。类似一个通用i p 交 换机，它具有第三层转发分组和第二层交换分组的功能。它也能运行传统i p 选路协议并可能执行一个特殊控制协议以与邻接l s r 协调f e c 标签的绑 定信息。 第二个核心技术或组件是标签。一个标签是一个包含在每个分组中的短 固定长度的数值，用于通过网络转发分组。一对lsr 必须在标签的数值和 意义上达成一致。例如，下游l s r 会告知上游ls r 一个特殊标签x 代表 个特定称作a 的f e c 。于是，一个标签只在一对正通信的l s r 之间起 作用，并用来表示属于一个从上游l s r 流向下游l s r 特殊f e c 的分组。 mpls 可以支持添加到现有帧或分组结构( 如以太网，p pp ) 的标签或 者它也可以利用包含在数据链路层( 如帧中继， a tm ) 中的标签结构。 mpls 采用的第三个核心技术是转发机制，即标签交换。从典型的帧 中继和a tm 的性能和容量来看，实现标签交换是一个快速和简单的转发过 程。没有必要像传统lp 选路那样分析分组头中的变长部分。标签作为一个 m p l s l d p 关键技术的研究以及l d p 协议的软件实现一9 整体( 也可能是标签区域中附加的字段如t t l 和c os ) 由交换机组件处 理。即使一个分组包含一个标签栈，mpls 设备处理栈中的顶部标签。 图】一2 表示出沿着一个l s p 转发分组的过程。在入口l s p 上，在分组上 贴上一个标签，产生一个深度为m 的标签栈。沿着l sp 的中间mpls 节 点接收和处理这个分组。只有栈中顶部标签被处理，并与对应于下一跳下游 ls r 的新标签进行交换。lsp 出口的l s r 根据栈中下一个标签的内容作 出转发的决定。这意味着出口l s r 只需要弹出栈就可以得到栈中的下一个 标签。如果出口节点告诉仅倒数第二个lsr 弹出栈，就可以获得一个更好 的优化方案，称作倒数第二跳弹出栈。然后分组到达出口mpls 设备并携 带用于转发分组的已经在栈中顶部的标签。这样出口设备就不必处理未必有 用的标签表查询。 n ；h f i “将r ” l 滗旺一m 时i * r t 避删i 监巾糟私h 棒 针雏，z 罐蔓腱 图1 - 2 沿着l s p 的m p l s 转发 m pls 的第四个核心技术是标签分发。标签分发是分发fec 标签绑定信 息的过程。目的是为了形成一个lsp 并且标签交换属于特定f e c 的分组。这 可以通过一个单独的标签分发协议( ldp ) 来完成或者在现有控制协议中传输 f e c 标签绑定信息。对下行ls r 而言，基本的操作包括分配标签和分发f e c 标签绑定信息给相临的上行lsr 。在这种情况下，其中fec 对应一个由一个 动态选路协议分发的地址前缀，它能够以一种独立或有序的方式完成一个lsp 的形成( 采用l d p 或另一个控制协议) 。其中，独立的l s p 控制是这样一种 情况：一个ls r 绑定一个标签到f e c 并告知它的l s r 邻居这一绑定信息； 排序的ls p 控制只发生在ls r 绑定一个标签到一个f e c 的时候，条件是l s r 是lsp 的出1 3 或者已经从下一跳ls r 收到了特定f e c 的绑定信息。排序 的lsp 控制用于建立一个非缺省特性的路径。有两个非缺省特性路径的例子， 一个是经过一个特定顺序节点的路径，另一个是没有环路的路径。m pls 体系 结构具有支持独立和排序l sp 控制的能力 m p l s l o p 关键技术的研究以及l o p 协议的软件实现一1 0 要建立m p ls 的l p s ，可以基于三种方式：特定数据流的到达( 流驱动) 、 保留建立消息( 如rsv p ) 或者选路表更新消息( 拓扑驱动) 。考虑到这样的 事实，即可扩展性是最主要的要求之一以及mpls 是为特大型ip 网络而设计， 拓扑驱动的方案是最有可能被普遍采用的。图1 3 概念性地表示出在一对ls r 之间路由表更新信息如何启动fec 标签绑定信息的交换过程。当l s r # 2 收到 选路表更新信息时，触发计算新路径的过程，由此在路由表( fib ) 中进行添 加或修改。l s r 2 识别这个过程，并且对于每个fec ( 这种情况下为地址前缀) 在入口端口上分配一个标签并放置在标签信息库( l i b ) 中。这个标签和相关 联的fec 就与上行的l s r 掸1 通过l d p 进行通信，而后l s r # l 将这一标签放 置在它的l i b 中相应的出口端口上。 j & i bm i t 型朝 图l 一3 拓扑驱动的标记分配 针对于mpls 的组件和功能，有下列一些专业术语： 多协议标签交换( m p l s ) 。i e t f 为综合选路和交换提出的标准。 标签交换路由器( ls r ) 。支持m p ls 并负责第三层转发分组和第二层 标签交换分组的设备。更具体地说，一个lsr 可以是一个传统的交换机( 如 a t m ) 扩充i p 选路，或者升级为支持m p ls 的一个传统路由器。在后者的情 况下，路由器根据包含在每个分组中一个显式标签的内容转发分组。 标签边缘路由器( l e r ) 。到并且从一个m p ls 域转发分组的传统路出 器。它也可以与内部m p l s l s r 通信以交换f e c 标签关联信息。 标签分发协议( l dp ) 。它是m p ls 的控制叻、议，用于在ls r 之间 m p l s l d p 关键技术的研究以及l d p 协议的软件实现一i l 交换f e c ，标签关联信息。 标签交换式路径。个从入i z i 到出口的交换式路径。它由m p ls 节点建 立，目的是采用一个标签交换转发机制转发一个特定fec 的分组。 标签信息库( l i b ) 。保存在一个ls r ( l e r ) 中的连接表，在ls r 中包含有f ec 标签关联信息和关联端口以及媒质的封装信息。l i b 中的项目 包含以下内容： 口入口端口。 口入口标签。 口下一跳l s r 。 口f e c 标识符( 如地址前缀) 。 口在标签上执行的操作。用一个出口标签替代入口标签，弹出标签栈或者用 出口标签替 代入口标签并在标签栈顶部压入一个新标签。 口出口标签。 口出口端口。 口出口链路层封装。 径流( s t rea i l l ) 。在相同路径上转发并以相同方式处理的分组流。一个径 流包含一个或多个流( f low ) 。在mpls 体系结构中一个径流由一个径流成 员描述符( sm d ) 标识。 转发等价类( f ec ) 。在相同路径上转发，以相同方式处理并因此被一 个ls r 映射到一个单一标签的一组i p 分组。一个fe c 也可以被定义为将分 组映射到一个特定径流的一个操作符。 标签。一个固定长度物理上连续的数值，用于标识一含径流。一个标签的 格式依赖于分组封装所在的介质。例如， a tm 封装的分组( 信元) 采用vp i 和或v c i 数值作为标签，而帧中继p d u 采用d l c i 作为标签。对于那些没 有内在标签结构的介质封装，则采用一个特殊的数值填充。图i 一4 给出4 字节 填充标签的格式，它包含一个20 比特的标签数值、一个3 比特的c os 数值、 一个1 比特的堆栈指示符和一个8 比特的t tl 数值。此外，如果填充数值被插 入到一个ppp 或以太网帧中，包含在各自帧头中的一个协议id ( 或以太网类 型) 表示一个帧或者一个m pl s 单播或组播帧。 m p l s l d p 关键技术的研究以及l d p 协议的软件实现1 2 标签栈。一个排序的标签集。在一个分组中添加，可以隐含地承载多于一 个fec 的信息，即分组的归属以及分组可能经过的lsp 。一个标签栈使得mp l s 支持分级选路( 一个标签用于e gp 而另一个标签用于i g p ) 并且汇聚多个 lsp 到一个单一的中继( tr u n k ) l sp 上。 径流合并。一些小径流合并进个单一的大径流，例如a tm 的vp 合并 和v c 合并。一个具有径流合并能力的m p ls 网络可以支持0 ( n ) 个交换式 路径用于传输所有尽力而为业务量。 图1 4m p l s 标签格式 1 4 在传统的a t m 交换机上实现m p l s m p l s 将第3 层技术( 如口路由) 与第2 层技术( 如a t m 交换) 有机地结合起 来。尽管m p l s 可以使用各种第2 层的协议，如帧中继、p p p 、以太网等，但目 前m p l s 的主要发展方向是在a t m 方面。这是因为a t m 具有很强的流量管理 功能，能提供q o s 方面的服务，a t m 和m p l s 技术的结合能充分发挥在流量管 理和q o s 方面的作用。 a t m 具有天然的标记功f l ( a t m 的虚路径标识树虚通道标识符v p i v c i ) ， 支持m p l s 相对容易实现叫。m p l s 的转发过程与a t m 交换过程非常相似：m p l s 用输入标已为“交叉一连接”表的索引，可得到输出的标记值；而a t m 交换机 用输入端口和输入的v p i v c i 值作为“交叉一连接”表的索引，可得到输出端 口和输出v p i v c i 值。因此，如果直接将标记编码成传统的a t m 交换机所能 处理的域，a t m 交换机就能支持标记交换并转发m p l 5 分组，称这种设备为a t m - - l s r s ( 基于a t m 的标记路由交换机) 。 1 4 1 关键技术 当m p l s 应用于a t m 环境时，很多技术会受到限制或有所改变，下面是两 m p l s l o p 关键技术的研究以及l d p 协议的软件实现 个关键技术 1 路由循环控制 m p l s 提供了两种路由选择机制：h o p b y h o p 和显式路由由于诸多原因， 不能把显式路由作为唯一的路由选择机制，而i m p b y h o p 路由与显式路由的混用 可能会造成路由循环( 事实上，h o p b y b p 路由的网络也存在这一隐患) 传统口网 络通过爪域来减轻进入路由环的分组对整个网络的影响但是a t m 不支持 t t l m p l s 通常有两种方法来处理路由环：检测和防止对于检测方式，允许 路由环存在，m p l s 将会检测到它并进行处理( 删除或弃用) ；对于防止方式，m p l s 符提供机制来禁止路由环的生成 实际上，在m p l s 的封装“s h i m ”格式中，保留了t t l 字段，即m p l s 延 用了传统网络中对路由循环控制的方式s h i m 由多个标记栈条目组成，介于 第二层和第三层之间用s 【路标识符 标识栈底，m p l s 标记格式见1 - 4 。 在这种情况下，边缘的l s r 从第三层包中拷贝j 丌l 字段值到m p l s 的封装 中，转接的l s r 将该值减1 ，当该值减到零时，l s r 将该包丢弃这一机制与传 统的路由是一致的但当m p l s 应用于a t m 环境中时，l s r 是a t m 交换机， 这时m p l s 路的封装不再使用s h i m ，而是使用a t m 信元，在第二层帧格式( a t m 的v p i v c i ) 中承载栈顶的信息但a t m 信元格式中没有t t l 字段，所以需要 在入口l s r 处估算该“非t t ll s p 段”的跳数( 通过在l s p 上h o p b y h o p 地传送 “路由追踪”包，可以帮助入口吻统计“非t t l 凹段”上的跳数) ，并从第三层 包中的t t l 域中减去相应的值，若t t l 已小于零，则入口l s r 应拒绝在该凹上 传递该包 t t l 字段只提供了在出现循环后避免造成更多问题的方法，未能禁止循 环防止循环视制的核心思想是沿路由向上游传送一个为路由所经历的各节点标 识符的“l s r 1 3 ”表，接收节点收到其下游各节点的“l s r i d ”表后，检查本节 点标识符是否含在其中，若是，则表明已出现循环，合弃掉此路由；若否，则在 表中填入该节点的d 号，然后继续向它的上游节点传送该表但实际的过程要 复杂得多，因为还要考虑诸如：何种情况下需要进行循环检查，如何得知路由拓 扑的变化，如何与不具有防止循环机制的设备互遏等问题线程机制是一种扩展 性较好的防止路由循环机制：线程由唯一的颜色、跳数和t t l 三部分组成当 一个_ 节点想建立u p 或当它的下一跳发生改变时，该节点向下游节点发送个 线程，如果节点收到了由它先前发出的线程，则说明有回路产生，如果它收到出 口节点发回的确认消息，则说明不会形成路由环 2 流合并流聚合技术 m p l s l d p 关键技术的研究以及l d p 协议的软件实现 一1 4 为提高v p i 另的可扩展性，需提供减少标记使用的技术m p l s 提供了两种 技术：合并( m e r g e ) 和聚合( a g g r e g a t e d ) 在合并和聚合技术的运用上，a i m 有其 独特的一面m p l s 特定的硬件不会出现交织问题，因为它不对数据包进行拆装， 数据包始终以连续的比特流传送，即使在实现合并之后也是如此而a t m 采用 的减少标记使用的技术为v pm e r g e 和v cm e r g e ，就其交换的原理相应用的场 合，可分别对应到聚合和合并技术上 v p m e r g e 的核心是v p 交换的技术v pm e r g e 将多条虚电路合并到一条虚 电路上，用v c 区分不同的派，它利用标记栈将源信息存入栈中，在需要时再将 其弹出它可用于中继，但有些设各不能提供标记栈，因而其应用范围受到限 制v pm e r g e 不存在信元交织的问题，但需要在每个v p 上都保留大量的v c i 资源，且需要机制来进行v c 空间的分配；而对于v cm e r g e 由于m p l s 应用于 a t m 中的标记对应于a t m 信元中的v i i v c i 域，因此流合并便意味着 v p i v c i 合并，而标准的a t m 交换机不支持v c 合并，如果直接将不同的v c 合并 成同一个出口v c ，则不同分组的信元就会交织在一起，而且接收方无法分辨出 来它常用于最终目的地相同的流，解决由于a t m 技术自身特点使得在实现v c m e r g e 时存在的信元交织问题，可以便用输入缓存的技术，先由a t m 交换机对 不同v c 入口进来的分组进行串行化，将输入的信元缓存成帧，再对其进行交 换这样就将信元交织转换为帧交织，末端节点的删就可以正确地将两个流的信 元分别组合成帧了v cm e r g e 节省了v c 的数量，但因为需要解决信元交织问 题，所以存在着在合并点信元延迟增加以及需要更多缓存空间等缺点不过，节 省的是合并后的每一级节点的v c ，而牺牲的只是一级节点的转发效率，因而延 时也只是相当于增加了一跳 1 4 。2 基于a t m 的m p l s 网络流量工程的实现 在传统球网络中路由的选择根据链路状态或者简单的m e t r i c 而定，因此 旦选择了一条路径，则不管这条链路是否拥塞都会沿着这条路径传送，这样会造 成整个网络在某个地方网络资源过度利用，丽另外一些地方网络资源闲置不用。 在m p l s 网络中引人t r a f f i ce n g i n e e r i n g 机制，可保证网络资源得到合理利用， 同时也可保证用户申请的服务质量得到满足。t r a f f i ce n g i n e e r i n g 的实现机制主 要有以下几个方面： 1 ) 路径的选择 m p l s 采用源路由的方式为1 pg n - 条r n n 目的地的路径，网络中的中 州节点不再需要为i p 包选择路由，仅根据c r l d p 信令中携带的路由信息即 可以将建立i p 转发到下一条。这种显式路由的选择是在m p l s 人口节点l e r 上 m p l s l d p 关键技术的研究以及l d p 协议的软件实现一1 5 完成，具体实现可以由操作员配置或通过源路由协议实现。这种显式路由的优点 就是：网络管理者可以根据网络资源合理地引导业务的流向，可以避免网络业务 流向已经搠塞的节点。 ， 2 ) 负载均衡 m p l s 可以使用两条和多条l s p 来承载同一个用户的口业务流，合理的将用 户业务流分摊在这些l s p 之间。 3 ) 路径优先级及碰撞 在网络资源匮乏时应保证优先级的业务优先使用网络资源，即使已经建立了 l s p ，也应断开，腾出资源给高优先的业务使用，这可由设置l s p 的建立优先级 和保持优先级来实现。每条l s p 有7 个建立优先级和7 个保持优先级。建立优 先级的l s p 首先建立，且如果某条l s p 建立优先级高于另外一条已经建立的l s p 的保持优先级，那么它可以将已经建立的那条l s p 撞开以腾出网络资源供其使 用。 1 5 基于m p l s 技术的i pq o s 服务应用 目前，功能单一的传统电信网络正在向提供语音、视频、数据等多种业务的 综合网络演变。电信运营商在建立其综合网络平台时，目标都汇聚到了a t m 技 术上，即通过a t m 技术建立核心主干网，并组建其各种业务网络，除了提供 对传统话音和低速数据业务的支持，同时还提供对新兴的宽带数据业务的支持。 i p 技术发展对当前的电信业务产生了巨大的冲击。特别是m p l s 技术的发展使 l p 业务能支持q o s 的能力，为i p 业务的发展带来不可估量的前景。因而电信 运营商采用a t m 作基础网络平台，既能满足当前电信业务的需求，同时也能 满足未来口业务发展的需求。 而随着因特网规模的继续扩大，全球路由表项急剧膨胀，用于路由表维护的 丌销也在加大，路由器在维护路由表的负担很重。路由器在进行分组转发时，采 取最长匹配原则来查询路由表，更加大了路由器的负担。口分组包每经过一个 路由器时，都要经过第三层协议完成路由的寻址( 逐跳寻址) ，大大增加了口包 的传输时延。尽管目前的路由器技术有了很大的发展，如c i d r 和高速级存技 术可以减少路出表项和加快访问速度，但未从根本上解决这种问题。 i p 技术采用的是尽力传送的数据转发模式，在流量和网络带宽管理上功能 很弱，基本不具备这方面的管理功能。由于因特网络缺乏有效的流量管理手段， 网络经常会发生捌塞，这些捌塞是网络管理者很难控制的。有很多应用如语音和 m p l s l o p 关键技术的研究以及l d p 协议的软件实现一i 6 视频等对时延、抖动、传输质量等有特别的要求，这样的要求，对于目前的碑技 术来说是心有余而力不足。例如，使用因特网来组建的企业的i n t e m e t 网常常 满足不了用户对端到端的传输带宽的要求，企业不得不花费很多的费用来租用专 门的线路组建i n t e m e t ；使用因特网来开放i p 电话业务，由于时延很大及丢包 率较大，话音传送质量常常不能得到保证。解决口网络对q o s 的支持是下一 代i n t e m e t 网技术发展的主要方向。 。 在解决当前i p 网络问题的技术方面，多协议标记交换( m p l s ) 技术被 普遍看好。 m p l s 在路由寻址方面同传统的路由器寻址有很大的不同。m p l s 支持特 殊路由，正因如此，到达同一目的地的数据包可以沿不同的路径进行转发，对于 那些有着特殊需求的口包，可通过a t m 网络为其建立专门的v c ，这些v c 电路的q o s 参数可根据转发的数据包的要求来决定，如是c b r 业务或是 v b r 业务等，这样就将a t m 的q o s 能力与m p l s 技术有机的结合起来。 m p l s 数据包的服务质量类型可由m p l s 边缘路由器根据i p 包的各种参数来 决定，如球的源地址、目的地地址、端口号、t o s 值等参数。如对于到达同 一目的地的口包，可根据其t o s 值的要求来建立不同的转发路径( 以达到其 对传输质量的要求。同时，通过对特殊路由的管理，还能有效的解决网络中的负 载分担和拥塞问题。如当网络中出现拥塞时，m p l s 可实时的建立新的转发路 由来分担其流量，以缓解网络拥塞。 现在已经越来越多的业界主要厂商都在研发基于m p l s 技术的产品，如 m a r c o n i 通信、朗讯科技公司、c i s c o 公司等，其中朗讯公司推出的i p n a v i g a t o r 除提供a t m 、帧中继业务和传统的d 业务外，还可提供基于口具有服务质 量保证的服务，具有绝对服务质量功能( a b s o l u t eq o s ) ，即能建立端到端的 满足语音服务质量的连接。 1 6 m p l s 未来的发展 m p l s 是当前唯一能在公网上实现i p o v e ra t m 的优选方案。m p l s 支持现 有的所有业务类型：从技术角度来说，m p l s 未来的研究与发展将集中在以下几 个方面： 1 m p l sv p n 应用技术的研究v p n 被认为是2 l 世纪网络中最重要的应 用之一。m p l s 顺应了这种需求，这是m p l s 未来发展的巨大动力是 它能占领市场的一个保证。 2 i p 电话作为未来i n t e m e t 网络所提供的基本功能之一，m p l s 己被实验 m p l s l d p 关键技术的研究以及l d p 协议的软件实现1 7 证明能达到电信级的语音服务水平，下一步应进一步完善它与p s t n 之间信令的转换和交互式通信的平滑性问题。如何使用七号信令将语 音服务和数据服务在m p l s 上统一起来，涉及3 个方面：低速链路上 的q o s 、带宽的挑战、实时协议的实现。 3 路由、传输交换技术与光纤传输网f 0 t n ) 的融合发展是种趋势。随 着d w d m 技术的进步，如何将m p l s 与o t n 、d w d m 技术结合起 来，实现交叉连接与标签交换的统一是个重要的研究方向。这方面 的研究工作也已经展开。 4 进一步完善m p l s 与a t m 的无缝融合、m p l s 的组播技术和a d l 5 的 网络管理。 5 加速研究m p l s 到桌面的应用这是实现网络融合全网统一的关键 之一。 6 注意协议实现的简明性。a t m 的教训就是过于追求技术的完美性，导 致其实现过于复杂错失占领市场的良机。m p l s 在这点上必须注意。 7 随着无线a t m 技术的成熟应用，将m p l s 技术引入到无线网络中是 可能的而且由于无线通信在现代通信网中所占的份额越来越大，研 究m p l s 技术在无线通信网络中的应用也是一种必然。 m p l s 技术着眼于二、三层之间通过在二层帧头和三层数据包之闽加上标 记的方法来将三层路由和二层交换结合起来，从而也将碑路由的灵活性和 智能性与a t m 交换的速度结合起来。虽然目前m p l s 还有很多的技术问题 没有解决、比如：m p l s 网络的拥塞控制和环路的防治等，但由于m p l s 强 大的技术优势和巨大的市场需求、会使得m p l s 技术不断的完善，必将加速 口网络时代的到来： 第二章标记分配协议 2 1 l d p 协议概述 m p l sl d p 是一个单独的控制协议，lsr 应用它交换和协调f ec 标签 绑定信息。具体地说，ldp 是消息交换和消息格式的序列，它们使得对等l sr 就一个特定标签的数值达成一致，这个标签指示出分组所属的一个特定f ec c 在对等ls r 之问需要建立一个t cp 连接，以确保l d p 消息能够按照f 确的 顺序可靠地传送。l dp 映射消息可以从任何本地ls r ( 独立的l sp 控制) 发 m p l s l d p 关键技术的研究以及l d p 协议的软件实现 ，1 8 一 起，或者从出口l sr ( 排序的l sp 控制) 发起，并从下行l sr 流向上行ls r 。一个特定数据流的到达、一个保留建立消息( rsvp ) 或选路更新消息都 可以触发交换l dp 消息。一旦一对l sr 交换用于一个特定fec 的l dp 消 息，每个ls r 关联它们l i b 中的入口标签与一个对应的出口标签，之后就形 成了一个从入口到出口的lsp 。 l d p 消息被分成三类：发现( d i scover y ) 、邻接( a d j ace n cy ) 和 映射( ma pp ing ) 。发现类消息发布并维护网络中的lsr 。它广播一个l d pl i n k h e l l o 消息给所有路由器组地址，通知同一链路上其他lsr 它的存在，或者引 导一个l d p h o l l o 消息给一个特定i p 地址，这个地址被没有直接与其相连的l s r 接收。邻接类消息用于建立、维护和终结lsr 对等对之间的邻接关系。它包 含了建立一个t c p 连接然后交换对话协商消息的过程。协商参数包括l d p 协 议版本、时间值、v p i v c i 范围等。通告类消息用于建立、修改和删除l s r 对等对之间的径流标签映射信息。一个典型的通告类消息是一个ldp 映射消 息，它被一个lsr 用于与相l 临l sr 交换一个径流，标签映射信息。这个消息将 包含一个径流标识符和一个相关联的标签，可能还有一些补充对象包括一个c o s 值、l s r i d 向量( 用于环路预防) 、跳计数( 在l s p 中l s r 跳的次数) 和 m t u 尺寸。 图1 5 给出三个邻接ls r 之间一般的l d p 消息流。每个l s r 通过发送 和接收he l lo 消息发现在相同链路上一个相临lsr 的存在。然后建立起一个 t cp 连接并交换初始化( i n i t ia i iza t ion ) 消息。之后，由下行ls r 为 径流= a 产生径流，标签映射并传送给上行相临lsr 。 园 哩 瞅d i i f 凡一 流= 4 一耕嫡化呻 拍流i d = a 一* “赫= 一i 一困 u 取 珂霹= 札 吉4 瓣1 1 1 = 6 l h p - + “批女f f f e - - i 曲t i d = a 一h 脊= 6 一 图1 - 5l d p 消息流 园 u 趣 月 溅，、= 6 流l l = 2 2 l d p 协议操作 在本章中规定l d p 协议支持的l d p 协议操作或定义与之相关的概念。 m p l s l d p 关键技术的研究以及l d p 协议的软件实现1 9 2 2 1 f e c 列于m p l s 网络中的每一条标记交换通路( l s p ) ，需要严格规定i p 包必须 满足的转发条件。本规范中，为每一条l s p 定义等价转发类型( f e c ) ，在f e c 中规定通过l s p 转发的i p 包所必须满足的条件。 一个f e c 由一个或多个f e c 单元构成，在各f e c 单元中具体规定球包满 足什么条件后就可以由相应的l s p 转发。 在本规范中，定义了如下几种f e c 单元。在后续版本中，还将会增加新的 f e c 单元类型。 地址前缀：规定口包的目的地址前缀所属地址范围，地址前缀长度可为任 意长度，包括从0 到3 2 。 主机地址：规定口包送达目的地的主机地址。 在下面的描述中，说某地址与某地址前缀相匹配，当且仅当此地址的前缀与 该地址前缀完全一样。协议中说某口包与某l s p 相匹配，当且仅当l s p 的某地 址前缀f e c 单元的地址前缀与p 包的目的地址相匹配。 在口包选择某l s p 的过程中，需要满足如下规定。在一次选择过程中，周 一规定可被多次使用。 如果只有一条l s p 的“主机地址f e c 单元”所指定的主机地址与p 包的目 的地址一样，则选用该条l s p 。 如果有多条l s p 的“主机地址f e c 单元”所指定的主机地址与口包的目的 地