（信号与信息处理专业论文）mplsgmpls网络故障恢复问题研究.pdf

中陶科学技术大学硕士学位论文摘要 摘要 随着i n t e m e t 的不断发展，对于高速、稳定业务的需求不断增加，快速稳定 的a 1 m 技术和灵活方便的i p 技术逐渐成为主流。m p l s 的出现标志着a t m 和 i p 两种技术的融合，它不但结合了a t m 和i p 的优点，而且抛弃了a t m 繁杂的 控制信令以及i p 路由的盲目性，同时也为流量工程和q o s 的实现提供承载。作 为m p l s 技术的扩张，从m p 2 s 演化而来的g m p l s 则为w d m 、全光网络等光 通信网提供了强大的信令控制和管理性能。 故障恢复问题是网络通信中一个永恒的话题，很多专家学者对此做了多年的 研究。m p l s g m p l s 对于快速故障恢复具有一定优势，它基于标签波长的转发 方式，可以简单地通过改变标签的方法达到控制数据流向的目的，增强了网络的 可控制能力，为实现网络的快速故障恢复提供了可能。 本论文首先介绍了m p l s g m p l s 的基本概念、术语、技术优势，着重强调 了标签、l s p 以及流量工程和q o s 等重要概念；然后引出了m p l s g m p l s 中故 障恢复模型的分类，并以保护交换和重路由两个重点引出后两章：随后介绍了保 护交换下的故障恢复问题，重点讲述了保护l s p 的建立和扩展算法。提出一种 简单智能的l s p 环路故障恢复算法；最后介绍了在重路由机制下，使用r s v p - t e 进行故障恢复的性能，在理论上和仿真实验中分别对r s v p t e 做了一些改进， 证实网络性能的确得到一定提升。因此，本文具有一定的理论意义和实用价值。 本论文的主要研究成果如下： 1 总结并提出了一种新的基于s r l g 约束的路由计算算法，该算法能够实 现比普通的s r l g 约束下的k - s h o r t e s t 算法具有更好的路由计算能力。 2 分析p d 和c t 两种r f c 中规定的l s p 建立环路设防策略，提出一种双 向环路检测算法。本算法可以有效地根据之前的网络信息来智能地决定采用何种 策略，同时能根据预测的环路出现概率动态地调整策略，以相对较小的代价实现 了较大的效率提升。 3 首先从l s p 的建立过程着手，从理论上分析了改进的r s v p t e 的性能提 升：然后根据实际情况分析了恢复过程中的信令传递过程，提出了一种利用 r s v p t e 的双向启动恢复功能进行故障恢复的算法，并扩展到多重启动恢复， 并通过仿真实验验证其具有较好的性能改进。 中陶科学技术大学硕士学位论文摘要 关键词：m p l s ，g m p l s ，l s p ，故障恢复，恢复模型，s c - s p f ，双向检测，r s v p t e 保护交换，重路由 h 中陶科学技术大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e m e t ，t h er e q u i r e m e n to ff a s ta n ds t a b l et r a f f i cf l o w s i sg r o w i n g t h es t a b l ea t m t e c h n o l o g ya n d f l e x i b l ei pt e c h n o l o g yh a v eb e c o m em o r e a n dm o r e p o p u l a r t h ea p p e a r a n c e o fm u l t i p r o t o e o ll a b e ls w i t c h i n g ( m p l s ) i n d i c a t e dt h ec o m b i n a t i o no fa t ma n di p m p l so b t a i n e d n o t o n l y t h ef a s t f o r w a r d i n ga b i l i t yo f a t mb u ta l s ot h ef l e x i b l em u t i n ga b i l i t yo fi pa n dm o r e o v e r , i t d i s c a r d e dt h ec o m p l i c a t e dc o n t r o ls i g n a l i n go fa t m w h i l ea v o i d i n gt h eb l i n d n e s so f i pr o u t i n g i ta l s op r o v i d e d s u p p o r t t ot r a f f i ce n g m e e f i n g 傩) a n dq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) g e n e r a l i z e dm p l s ，w h o s eo r i g i n i s m p 2 s ，p r o v i d e ds t r o n gs i g n a l i n g c o n t r o l l i n ga n dm a n a g i n ga b i l i t yi nm a n yn e t w o r k s ，e s p e c i a l l yo p t i c a ln e t w o r k sl i k e w d m a n d i p o t h e p r o b l e mo f f a i l u r er e s t o r a t i o ni nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o ni saq u i t ec r i t i c a l q u e s t i o n ，a n dm a n yp e o p l ea n ds c h o l a r sh a v ec o n c e n t r a t e d t h e m s e l v e so ni tf o rm a n y y e a r s m p l sa n dg m p l sh a v es o m ea d v a n t a g e so nf a s t f a i l u r e r e s t o r a t i o n ，t h e y b a s e do nl a b e l w a v e l e n g t hs w i t c h i n gs ot h a td a t ai x a n s f e r e n e ec a nb ec o n t r o l l e db y c h a n g i n gl a b e l s m p l sa n dg m p l si m p r o v e d t h ec o n t r o l l a b l ea b i l i t yo fn e t w o r k s a n d p r o v i d e dp o s s i b i l i t yo f f a s tf a i l u r er e s t o r a t i o no f n e t w o r k s i n i t i a l l y , t h i s d i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e db a s i c c o n c e p t s ，t e r m s a n dt e c h n i c a l a d v a n t a g e so fm p l sa n dg m p l s ，a n de m p h a s i z e ds o m ec r i t i c a lc o n c e p t ss u c ha s l a b e l ，l s p , t ea n dq o s s e c o n d l y , m o d e l so ff a i l u r er e s t o r a t i o no fm p l sa n d g m p l sw e r e p r o p o s e d ，w h i c hi n c l u d e dt w oi m p o r t a n tc o n t e n t s ：p r o t e c t i o ns w i t c h i n g a n dr e r o u t i n g t h i r d l y ，t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e df a i l u r er e s t o r a t i o nu n d e r p r o t e c t i o n s w i t c h i n g ，e m p h a s i z e dt h es e t u po fp r o t e c t i o nl s p a n di t se x t e n s i o na l g o r i t h m ，a n d p r o p o s e das i m p l ea n di n t e l l i g e n tl s pl o o pp r e v e n t i o na l g o r i t h m f i n a l l y ，u n d e rt h e m e c h a n i s mo fr e r o u t i n g ，r s v p t ew a su s e da st h es i g n a l i n gp r o t o c o lo ff a i l u r e r e s t o r a t i o no fo p t i c a ln e t w o r k a f t e rm o d i l y i n gt h eo r i g i n a l r s v p t e ，t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h ep e r f o r m a n c eo fn e t w o r kw a s i m p r o v e d t h e r e f o r e t h i sd i s s e r t a t i o nh a st h e o r e t i cs e n s ea n da p p l i e dv a l u e st os o m e e x t e n t 1 1 1 中同科学技术大学硕r 学位论文 摘要 t h ei n n o v a t i o n so f t h i sd i s s e r t a t i o na r el i s t e da sf o l l o w i n g ： f i r s t l y ，a f t e rs u m m a r i z i n gt h ef o r m e r s r e s e a r c hr e s u l t s ，an e w s r l g c o n s t r a i n t b a s e dr o u t ec o m p u t i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e d a ne x a m p l ei si n t r o d u c e dt os h o wt h a t t h i sa l g o r i t h mo u t p e r f o r m e dt h eo r i g i n a ls r l g c o n s t r a i n tk - s h o r t e s ta l g o r i t h m s e c o n d l y ，a f t e ri n t e g r a t i n ga d v a n t a g e s o fs e v e r a ll o o p p r e v e n t i o na l g o r i t h m ss u c h a sp da n dc ta l g o r i t h m s ，a na l g o r i t h mw a sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a n di tc a n i n t e l l i g e n t l yd e t e r m i n ed i f f e r e n ts t r a t e g i e su s i n gf o r m e rn e t w o r ki n f o r m a t i o n ，a n d m o r e o v e r ，i tc a l ld y n a m i c a l l ya d j u s ts t r a t e g i e sa c c o r d i n g t op r e d i c t e dl o o pp r o b a b i l i t y t of u l f i l lg r e a te f f i c i e n c yi m p r o v e m e n tu s i n g r e l a t i v e l yl o w c o s t t h i r d l y , b a s e d o nt h e a n a l y s i s o nl s ps e t u p ，t h i sd i s s e r t a t i o nt h e o r e t i c a l l y a n a l y z e d t h ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t u s i n g m o d i f i e dr s v p - t e , a n dt h e na n a l y z e d t h es i g n a l i n gs w i t c h i n gp r o c e s si nf a i l u r er e s t o r a t i o nu n d e rp r a c t i c a lc o n d i t i o n a n a l g o r i t h m a b o u td u a l i n i t i a t i o nr e s t o r a t i o n u s i n g r s v p - t ew a s p r o p o s e d a n d m o r e o v e r , t h ea l g o r i t h mw a se x t e n d e dt om u l t i q n i t i a t i o np r o c e s s t h es i m u l a t i o n r e s u l t si l l u s t r a t e dt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h i sa l g o r i t h mw a s o v e r w h e l m i n ga g a i n s t t h et r a d i t i o n a ls o u r c e i n i t i a t i o nr e s t o r a t i o n k e yw o r d s ：m p l s , g m p l s ，l s p , f a i l u r er e s t o r a t i o n ，r e s t o r a t i o nm o d e l s ， s c s p kb i d i r e c t i o n a ld e t e c t i o n ，r s v p - t e ，p r o t e c t i o ns w i t e h i n g , r e r o u t i n g - i v 中国科学技术大学硕七学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着网络通信业务从电话、数据向视频、多媒体等宽带业务方向发展，现有 的网络已不能满足这些宽带业务的发展要求，人们迫切需要高带宽、业务发展受 限少的宽带瞬络传输交换技术。a t m 具有高带宽、快速交换和可靠服务质量保 证的优点，用a t m 实现的二层的交换传输已是共识。而i n t e r n e t 的迅速发展也 使i p 成为计算机网络应用环境中的标准和开放系统平台。因此，宽带网络发展 的主线是把最先进的a t m 交换技术和最普及的i p 技术融合起来。1 9 9 7 年，m p l s 协议i l 】的出现，使得代表传统电信的a r m 网和代表新兴网络的i p 之间实现了互 通1 2 】。 随着计算机技术的飞速发展，设备智能化的成本越来越低，而服务智能化的 要求却越来越高。越来越多的厂商和运营商开始构想以全新的方式进入传统电信 的最后一个领域一广域传输网( 包括s d h 、d w d m ，甚至全光交换网) 。 i n t e m e t 业务的高速增长，w d m 光网的飞速发展以及实时业务和多媒体应用 的增加，在网络带宽、服务质量( q o s ) 、可扩展性及对新业务的适应性方面对 现有的i n t e m e t 路由技术提出了极大的挑战【3 】 4 l 。i p 技术如何与光网络相结合、 如何赋予光网络一定的智能性、如何提供保证的q o s 服务等闯题已摆在人们面 前p 】1 6 j 。于是，人们开始考虑将二者结合起来，使i p 分组能够通过m p l s 的方式 直接在光网络上承载。 随着光联网技术的发展以及m p l s 技术的逐步成熟，人们终于发现了改造传 输网络的契机。i t u t 、o i f 、o d s i 等组织纷纷推出智能光交换的体系结构和相 应的接口标准a 他们的基本思想是将光传送网智能化，并保证对上层交换网络良 好的承载能力，与o s i 的传统模型保持一致，业界将其统称为o v e d a ym o d e l 。 ! j 之相对应，i e t f 推出了一个称为p e e rm o d e l ( 对等模型) 的网络模型，这就 是g m p l s ( 通用多协议标记交换) 。应该说，g m p l s 的提出代表了以i p 为基础 的融合网络向光传输层的拓展，将促进网络从摄基础的传输层走向融合，并推动 传输网络和交换网络的统一，实现基础网络的智能化。 中国科学技术大学硕七学位论文 第一章绪论 目前，故障保护和恢复机制已经可以在多个网络层面上实施。在底层，光网 络除了提供传统的保护功能外，还能够在波长级提供动态的环状和网状恢复功 能。在s o n e t s d h 层，生存能力是由自动保护交换( a p s ，a u t o m a t i c p r o t e c t i o n s w i t c h i n g ) 以及自愈环、自愈网结构来提供的。第二层技术，如a t m ，也提供 类似的功能( 通常其平均恢复时间更慢) 。i p 层通常采用重路由方式来恢复链路 或节点失效。在i p 网络中，当节点或链路失效后，最先检测到这一变化的路由 器通过路由协议将拓扑变化信息散布出去，网络中的其它路由器收到更新消息 后，更新路由表，然后继续向外发布路由更新消息，直到全网路由信息达到收敛， 这一过程往往会需要几秒钟甚至几分钟，这对于很多敏感的实时业务( 如i p 电 话) 来说是不可接受的。在m p l s 网络中路由协议虽然仍使用i p 路由协议，但 是i p 路由表的更新不会影响到数据流的传递，因为数据流的转发基于f 输入接 v 1 ，输入标签) 和 输出接口，输出标签) 间的映射，故障后，只要使用信令协议 建立起新的l s p 数据就可以沿着新的路径传输，而无论全网的路由信息是否已 经收敛。所以，m p l s 技术使i p 层的恢复能够在收敛前完成，故障恢复速度更 快。然而，低层协议虽然故障恢复速度较快，但往往满足不了m p l s 所要求的 粒度以及针对节点的保护等。对于有些关键业务，由网络故障导致的通信中断往 往会造成巨大的经济损失，因此在保证q o s 的同时，网络应该具有快速故障恢 复能力。这也是流量工程要求的一项重要功能。 m p l s g m p l s 对于快速故障恢复的优势，一方面，它基于标签的转发方式， 可以简单地通过改变标签的方法达到控制数据流向的目的，增强了网络的可控制 能力，为实现网络的快速故障恢复提供了可能。另一方面，分组头部可以携带多 个标签，形成标签堆栈，标签交换基于最顶部的标签进行。这种标签堆栈的方式 允许多个控制平面同时作用于一个分组，简化了操作，在路径恢复中利用标签堆 栈的方式，可以方便地建立保护路径，旁路故障位置。另外，基于m p l s g m p l s 的恢复机制与传统的第三层恢复机制相比，对故障其有更加快速的反应能力，同 时保持了对第三层网络可见的特点。虽然网络底层也具有恢复机制，但是对业务 提供保护的粒度太粗，需要消耗大量的网络资源，而且对于高层操作不可见，这 样当提供链路保护时，很难提供节点保护或其它的第三层保护。而基于 m p l s g m p l s 的恢复机制则具有更大的灵活性，不仅能够提供链路保护、节点 保护，还提供对整条路径的保护。 中国科学技术大学硕七学位论文 第一章绪论 1 。2 现有研究成果 m p l s g m p l s 故障恢复的研究包括框架的研究、建立备份路径的算法研究、 支持故障恢复的信令研究、备份l s p 已经建立的前提下具体的故障恢复方案的 研究以及各种仿真实验等。 s h a r m a 等给出了m p l s 故障恢复的框架i ”】。a w d u c h e 等将m p l s 故障恢复 分为链路保护、节点保护、路径保护和网段保护四种类型【l 矾，分析了l s p 通道 属性的恢复属性，并根据备份l s p 和被保护的l s p 的数量分析了几种选项。 对于路径的选择等问题已提出了很多数学模型。g i r i s h 等给出了m p l s 重路 由问题的形式化描述【1 9 1 ，k o d i a l a m 及k i n i 等提出了在建立l s p 的同时建立可共 享的备份l s p 的模型和算法2 0 1 2 ”。s a i t o 等研究了使用预建立的各份路径的、多 点到一点l s p 的故障恢复方案【2 2 1 。b r e m l e r - b a r r 等使用m p l s 标签堆栈机制连接 多条路径解决了多条链路故障的重路由闻题1 2 3 1 。 为了使m p l s 信令支持故障恢复，h e l l s t r a n d 等扩展了c r - l d p 和r s v p t e 信令协议【2 4 1 ，o w e n s 等扩展了m p l s 信令协议r s v p - t e ，使其支持建立备份l s p 并可在l s p 发生故障时传播故障指示信号f 2 5 j ，c h e n 等讨论了修改l d p 和 c r l d p 报文的分布式快速重路由1 2 6 1 。 s r a m a m u r t h y 和b m u k h e r j e e 提出了利用链路恢复来代替路径恢复的思想 | 4 3 1 。w d c 订o v e r 提出一种基于“s e n d e r - c h o o s e r ”的恢复机制，端的故障检测 节点作为s e n d e r ，另一端的作为c h o o s e r ，备份路径在两个节点间建立，这其实 仍然是链路恢复的思想1 4 。为改进这种情况，c e c h o w 用故障链路两端的节点 分别进行l s p 故障恢复过程，且效果较好【4 5 】。h k o m m e 等提出种分布式恢复 算法来恢复多链路或多节点故障1 4 q 。h k r i s h n a m u r t h y 等为光交叉连接器添加了 信道探测器，以恢复信道故障和链路故障【”1 。s k o o 和s r a m a m u r t h y 还研究了 光网状网中的恢复速度、网络容量以及恢复能力之间的关系【4 8 】。 1 3 文章结构安排 本论文首先介绍了m p l s g m p l s 的基本概念、术语、技术优势，着重强调 了标签、l s p 以及流量工程和q o s 等重要概念；然后引出了m p l s g m p i 。s 中故 障恢复模型的分类，并以保护交换和重路由两个重点引出后两章；随后介绍了保 中离科学技术大擎硕士学位论史 第二章m p l s 及支持多类标签的g m p i ，s 护交换下的故障恢复问题，重点讲述了保护l s p 的建立和扩展算法，提出一种 简单智能的l s p 环路故障恢复算法：最后介绍了在重路由机制下，使用r s v p ，l e 进行故障恢复的性能，在理论上和仿真实验中分别对r s v p t e 做了一些改进， 证实网络性能的确得到一定提升。 本文内容分为六章，每章内容安排如下： 第一章介绍了m p l s 和g m p l s 信令下故障恢复的一些背景，介绍了现有学 者的主要研究成果的基础知识，介绍了文章结构的安排。 第二章介绍了m p l s 中和故障恢复有关的一些重要概念，包括标签、i ，s p 以 及流量工程和q o s 等。然后从四个层面介绍了g m p l s 对于m p l s 的改进。最 后介绍了g m p l s 中两个最重要的信令族，c r l d p 以及r s v p t e ，分析两者的 特点以及适用范围，同时作为一条暗线为第五章中运用改进的r s v p t e 作为重 路由机制下的故障快速恢复信令族的可操作性做好了铺垫。 第三章介绍了m p l s 中故障恢复的概念、术语和故障恢复模型的分类，介绍 了包括源节点恢复、故障检测节点恢复、链路恢复等几种情况，作为另一条暗线 为第五章提出的双向乃至多向恢复埋下伏笔。同时，以保护交换和重路由两个重 点引出后两章。 第四章介绍了保护交换下的故障恢复问题，重点放在保护l s p 的建立问题 上。首先提出了一种基于s r l o 约束的算法s c - s p f ，并以示例论证其具有 比普通s r l g 约束的k - s h o r t e s t 算法更好的路径计算能力。然后分析了m p l s 环 路问题，综合现有两种预防机制的优点，同时考虑到故障概率对门限值选取的反 馈作用，提出一种简单智能的l s p 环路故障恢复算法。 第五章介绍了在重路由机制下，使用r s v p t e 进行故障恢复的性能。首先 对r s v p t e 做了适当优化改进，然后在理想情况下分析了其理论表现。然后分 析了实际情况中与理论分析中的不同处，提出了r s v p - t e 进行源节点和故障检 测节点同时启动l s p 建立进程，并拓展到多节点启动，分别对实际情况中的信 令传递的不同过程进行分析。最后设计了仿真实验，对单独的源节点恢复和双向、 多向恢复的性能比较，证实其性能的确得到一定提升。 第六章对前面内容进行了总结，并对未来工作进行了展望。 中罔科学技术大学颤士学位论史第二章m p l s 及支持多类标签的g m p i ，s 第二章m p l s 及支持多类标签的g m p l s m p l s 是将第二层交换和第三层路由结合起来的一种l 2 l 3 集成数据传输技 术【2 7 】 2 8 】。m p l s 之所以称之为“多协议”是因为m p l s 不但可以支持多种网络 层面上的协议，如i p v 4 、i p v 6 、a p p l e t a l k 、i p x 、d e c n c t 、c l n p 等，还同时可 以兼容的二层单的多种链路层技术。m p l s 技术以十分简洁的方式完成信息的传 送。m p l s 首先根据某种特定的映射规则在网络入口l e r 处将数据流分组头和 固定长度的短标签对应起来。在以后网络中的转发过程中，m p l sl s r 就只是搬 据数据流所携带的标签进行交换或转发。 2 1m p l s 中的重要概念 m p l s 技术的成功之处在于它在无连接的i p 网络中引入了面向连接的机制， 通过采用一个短的、固定长度的标签的方法，利用标签交换机制转发分组。其核 心思想是：边缘路由，核心交换。为此，m p l s 在实现过程重引入许多关键技术 和概念。 2 1 1 标签l a b e l 与转发等价类f e c 标签( l a b e l ) 是m p l s 中的一项关键技术。它是一个简短的，具有固定长度 和本地意义的标识符，用以表征转发等价类f e c 。这使得标签的处理可以用高速 的a s i c 芯片来完成，分组处理和排队延时由此得以大大减少。标签之所以要维 持固定长度是在权衡了传输效率和交换性能之后确定的。最让固定标签长度使传 输效率略有下降，但却由此换得了交换性能的很大提高。 标签是具有本地意义的标识符。标签只是在逻辑相邻的上下游标签交换路由 器之间有意义。上游路由器的输出标签就是下游路由器的输入标签。准确地讲， 标签只是在上游路由器的发送端口和下游路由器的接收端口之间有意义。相同的 标签值在不同的路由器之间可能会有不同的意义。 中罔科学技术大学颤士学位论立第二章m p l s 及支持多类标签的g m p i ，s 匝 、回 f 而一，匣田 l s r l 职 口 一i i | 一度一 叵回匝戛口，刨 叵咽叵咽、l i p2 1 分组去拄的目的地不同，但可以映射刊一条公共运路上i f e c = 麝由将擅橹一方式魁麓曲分最 f e c 曲宪出t 一喀 青7 蔓太曲焉盅性和扩l 奠直 幢矗瞻蘑由方法中苛蛆在鼍一鼻青一十f e c 柚簟兰羼量拽】假雀忡l s 中衩 在一路j 、口址螬分蜒量予一十f e c 图2 1 转发等价类f e c 标签用以表征转发等价类f e c 。f e c 是一系列具有某些共性的数据流集合， 这些数据在转发过程中被l s r 以相同的方式进行处理，正是从转发处理这个角 度讲这些数据“等价”。事实上，可以将f e c 理解为一系列属性的集合，这些属 性构成了f e c 要素集合。一般来讲，f e c 要素主要包括：地址前缀( a d d r e s s p r e f i x ) ，主机地址( h o s t a d d r e s s ) 。图2 一l 给出了f e c 概念的图例解释。 一般情况下，划分分组的f e c 的依据是它的网络层目的地址，但相应的标签 却不是目的地址的简单编码。如图2 2 所示，设r u 和r d 是标签交换路由器 l s r 。标签值l 标识从r u 至r d 的转发等价类f ，当r u 有分组要往r d 发送时， 如果分组头的网络层头与转发等价类f 相符，那么分组将被打上标签l 后然后 从r u 发往r d ( 从r u 到r d 只是一个传输方向，r u 和r d 并不一定就是源节点 和目的节点) 。在这里，标签l 与转发等价类f 进行绑定，l 是r u 的输出标签 和r d 的输入标签。而标签只是在r d 和r u 之间有意义，其中，r u 称之为r d 的上游l s r ，而r d 为r u 的下游l s r 。 输入标签f e c输出标签输入辐 fll 、函茜。1 ：签l 与f e 。，绑：、_ 图2 2 标签、f e c 与上、下游路由器 r d 嗽目幽 譬 嗽一 一 中罔科学技术大学颤士学位论史 第二章m p l s 及支持多类标签的g m p i ，s 上游l s r 的输出标签就是下游l s r 的输入标签。准确地讲，标签只在上游 l s r 的发送端口和下游l s r 的接收端口有意义。相同的标签值在不同的l s r 之 间可能会有不同的意义。 对于r d ，要求他能根掘分组携带的标签l 去区分每一个从r u 发来的分组是 不现实的，尤其当r u 和r d 不是直接相邻的节点时更是如此。这种情况下，r d 必须保证它对标签与f e c 的绑定是对应的，也就是说，r d 不会同意将标签 l 绑定给转发等价类f 1 ，然后分发给另一个上游路由器r x ，除非是r d 能区分 来自不同入口的分组标签l 究竟是那个上游路由器插入的。 要保证标签交换传输的正确性，各个l s r 必须保证对输入标签的解释唯一。 2 1 2 标签交换路由器l s r 与标签边缘交换路由器l e r 标签交换路由器l s r 是运行m p l s 的网络节点。它位于m p l s 网络中部， 主要运行m p l s 控制协议和第三层路由协议，并负责与其它l s r 交换路由信息 来建立路由表，实现转发等价类与i p 分组头的映射，建立f e c 和标签之间的绑 定，分发标签绑定信息，建立和维护标签转发等工作。l s r 除了支持标签交换以 外，还支持第三层的i p 分组逐跳式转发。 标签边缘交换路由器l e r 主要完成连接m p l s 域和非m p l s 域以及不同 m p l s 域的功能，并实现对业务进行分类、分发标签( 作为出口l e r 时) 、剥去 标签等，甚至可确定业务类型，实现簧略管理。接入流量工程控制等胡子在。 l e r 是实现m p l s 网络的关键功能设备之一。 标签交换路由器l s r 要完成路由器的路由控制功能和标签管理维护功能。 l s r 要像通用的路由器一样完成作为路由器的路由控制，不断更新和维护路由信 息库。l s r 所采用的路由技术通过标准的第三层路由协议( 如b g p 和o s p f ) 实现。同时它的路由表在m p l s 控制信令作用下，建立并维护l i b 。通常，l s r 在l d p 控制下对标签的操作主要有：标签划分、标签分发、标签维护等。m p l s 网络中的每个节点都必须建立标签信息库( l i b ) ，该信息库包含标签绑定信息。 这样就可以利用标签信息库中的信息，根据输入分组所携带的标签，进行标签的 转换( s w a p ) ，例如标签入栈、标签出栈、标签替换等。然后利用第二层的交换 机制实现分组转发。对于l e r 还要在l s r 的基础上增加用于实现f e c 划分、标 签绑定以及用于q o s 保证、c o s 分类、流量工程等方面的控制部件。 中罔科学技术大学颤士学位论立第二章m p l s 及支持多类标签的g m p i ，s 2 1 3 标签交换路径l s p 标签交换路径是指在某逻辑层次上有多个l s r 组成的交换式分组传输通路。 l s p 与转发等价类f e c 项对应。对一转发等价类，可以有多个入口l s r 。每条 以这些l s r 为起点的f e c 所对应的l s p 将形成为以出口l s p 为根，以入口l s p 为叶的“l s p 树”，称这颗树为f e c 的专有l s p 树。 在m p l s 网络中，标签交换路径l s p 的形成可分为三个过程： 1 ) 网络起动后在路由协议如o s p f 、b g p 、i s i s 等作用下在各节点中建立 转发表。 2 ) 根据路由转发表，各节点在l d p 控制下建立标签交换转发信息库l i b 。 3 ) 从入口l s r 、中间l s r 和出口l s r 的输入输出标签相互映射拼接起来， 就构成了从不同入口点到不同出口点的l s p 。 在m p l s 网络，标签、f e c 和l s p 间有这样的对应关系：具有相同共性的 数据流对应一个f e c 。个f e c 可以合多个标签相绑定，但是一个标签只能属 于一个f e c 。l s p 与标签之间是一一对应关系。三者之间的关系如图2 3 所示。 映射 图2 - 3 标签、l s p 、转发等价类、用户数据之间的对应关系 2 1 4 标签分发协议l d p 标签分发协议l d p 是控制标签交换路由器之间交换标签与f e c 绑定信息， 协调l s r 间工作的一系列规程。l s r 根据标签与f e c 之间的绑定信息，建立和 维护l i b 。 l d p 的最终目的是完成标签分发，并让各l s r 对等体间在标签语意上达成 一致理解，从而建立整条标签交换路径l s p 。目前i e t f 规定的l d p 标签分发处 ! 堕型兰垫苎查兰竺! ! ：兰堡笙苎 笙三兰一鲨坚翌塑型至兰鲞堑竺堕兰! ! ! 坚 理过程主要有：标签分配处理、标签赋值( l a b e l a s s i g n m e n t ) 与分发控制处理、 标签维护处理和标签请求处理等。l d p 除完成标签f e c 绑定外，还包括其它一 些协商过程。通过协商，它们将相互了解到对方m p l s 的“能力”。 l d p 是m p l s 网络用以建立和维护标签绑定的协议。因此，l d p 信息的可靠 性决定了m p l s 网络运行的可靠与否。l d p 消息从属于一个特定的f e c ，要求 按顺序传送。同时，有因为在一个i p 分组中可以传送多个l d p 消息，就有必要 引入流量控制。所以为了确保l d p 消息乐意在各个方面实现可靠传送i t u t 和 i e t f 均建议采用t c p 连接作为l d p 消息的传送方式。由于l d p 消息要在标签 交换通道建立之前就可以传送，所以在l s r 中必须有非m p l s 连接用于传送l d p 消息。 2 2m p l s 中的q o s 和流量工程 2 2 1q o s 随着商速网络和多媒体技术的飞速发展，远程教学、视频会议、远程医疗等 新应用层出不穷。网上的实时业务量也在不断增长，下一代i p 网络上的应用类 型将会各种各样，不同应用对网络的需求也有所不同，这些新应用的推广应用很 大程度上取决于它的有关服务指标，如延迟是否过大、画面是否抖动、声音与图 象是否同步等，能否满足实际要求，此要求也就是平时我们常说的服务质量q o s 。 q o s 的最初定义由c c i t t 给出：q o s 是一个综合指标，用来衡量使用一个服务 的满意程度。 q o s 是网络的一种安全机制。在正常情况下并不需要q o s ，但是对关键应用 和多媒体应用就十分必要。当网络过载或拥寨时，q o s 能确保熏要业务量不受 延迟或丢弃，同时保证网络的高效运行。拥有q o s 的网络是一种智能网络，它 可以区分重要的商业数据和普通数据。智能网络知道某些应用，如电话和视频会 议要求较商的优先级，而其他如电子邮件之类的应用则有较低的优先级。如果网 络同样对待这些应用，较高优先级应用将因延迟而表现不佳。智能网络还有能力 制l e 对网络的非法使用，如在线游戏等。 如果网络的资源是无限的，那么所有的应用都可以得到所需的带宽、极少的 固定延时、零延时抖动和零丢失率。然而，网络的资源是有限的，不能满足所有 中罔科学技术大学颤士学位论史第二章m p l s 及支持多类标签的g m p i ，s 的业务对q o s 的需求，q o s 控制机制就是通过对网络资源的合理分配来尽量满 足各种业务对它的需求。 i e t f 建议了数种支持q o s 的方案，主要有：综合服务( i n t s e r v ) 资源预 留协议( r s v p ) ：区分服务( d i f 卜s e r v ) ；多协议标签交换( m p l s ) ；业务流量 r 程( t r a m ce n g i n e e r i n g ) 和基于约束的路由。综合服务模型的主要特征就是资 源预留，它使用r s v p 作为信令执议来建立通道和进行资源预留。区分服务通过 给分组打上不同的标记，把分组分成不同的类别。对不同的分组提供不同的服务。 m p l s 是一种转发方案。分组在进入m p l s 域时被赋予一个标签，以后就可以根 据这个标签对分组流进行分类、转发和服务。业务流量工程的目的是网络上的业 务流量更加均衡。基于约束的路由要解决的是根据某些约束条件，如：带宽和延 时要求，寻找一条最合适的路径。 2 2 。2 流量工程 传统i p 网络的路由体系，如内部网关协议i g p 的o s p f 与r i p 、外部网关协 议e g p 的b g p 4 等，只能提供数据传输的可达性不具有全网资源利用的调节能 力。这些算法的使用很大程度上会导致网络中传输的数据流可能会聚到同一链路 上或者说是同一节点的同一接口上去。从而引起网络局部严重拥塞和网络资源利 用率大大下降。因此当前采用这些算法的因特网根本没有动态的路由调整和灵活 的网络控制能力，更不用说对用户提供可预见的q o s 信息传输性能服务。流量 工程t e ( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 就是一种可用来控制网络资源，提高网络性能， 解决上述问题的网络资源调控技术。 流量工程的定义为：流量工程就是一种能将业务流映射到实际物理通路上， 同时又可以自动优化网络资源以实现特定应用程序服务性能要求的、具有宏观调 节和微观控制能力的网络工程技术。 实际上，流量工程的提出是电信和计算机界要求网络不但要适应于如w e b 般的数据传输服务，也能应用于实时数据流的传输，尤其是音频和视频传输。 作为商业联系的基本设施之一，因特网正扮演羞越来越重要的角色，漉量的指数 增长迫使网络操作要高效地利用网络资源，新的应用还要求网络提供具有q o s 保证的服务。通过流量t 程的应用，达到高效智能化应用网络资源的目的和一种 灵活的对网络服务需求变化响应的能力。就当前流量工程的应用来说，它有两个 中罔科学技术大学颤士学位论史 第二章m p l s 及支持多类标签的g m p i ，s 关键点：负荷均衡与网络恢复。i p 流量工程的应用目的就是要解决如何有效实 现尽力而为的传统i p 服务与q o s 的统一。网络技术发展到今天，人们发现当前 的m p l s 技术最适合于流量工程。m p l s 已经提供了一些有关流量工程的核心概 念，如中继主干线和f e c 、显示路由设置等。因此，m p l s 是个开放式的 p 流量工程的技术。 2 3g m p l s 对于m p l s 的扩展 光纤网络 图2