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m p l s 系统o s p f 路由协议及l d p 协议的研究与实现 摘要 m p l s 系统0 s p f 路由协议及 l i ) p 协议的研究与实现 摘要 多协议标签交换( m p l s ) 技术将第二层交换和第三层路由技术很好她结合起来， 它以十分简洁的方式完成信息的传送。它的基本原理就是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，然后在数掘 流的分组头中插入标签信息，l s r 就只根据数据流所携带的标签进行交换或转发。 o s p f 路出协议为m p l s 提供了路由信息而l d p 协议是m p l s 标记交换体 系结构采用的几种控制协议之一。作者在实验室从事了o s p f 路由协议以及l d p 协议的研究与开发，承担了综合接入网关( b 气g ) 项目o s p f 路由协议的设计与实 现，以及b t c m p l s 软件部分l d p 协议的实现与测试部分。 本文共分为五章。前三章分别介绍了m p l s 体系结构、路由协议o s p f 以及 l d p 工作原理，第四章阐述了o s p f 路由协议的实现，第五章阐述了l d p 协议的 实现。 关键字：t p l s 、路由协议、0 s p f 、l d p m p l s 系统o s p f 路由协议及l d p 协议的研究与实现 摘要 t h er e s e a r c 丑a n d h p l e m e n t a t i o n o f0 s p fr o u t i n gp r o t o c a l a n dl d p i nt p l ss y s t e m a b s t r a c t m p l si sat e c h n o l o g yt h a ti n t e g r a t e st h el a y e r2s w i t c h i n gt e c h n o l o g ya n d l a y e r3r o u t i n gt e c h n o l o g y n 摇b a s i cp r i n c i p l eo fm p l si st h a tm a p p i n gt h ep a c k e t h e a d e rt oaf i x e dl e n g t hl a b e la tt h el e r ( l a b e le d g er o u t e r 、a c c o r d i n gt ot h eg i v e n m a p p i n gr u l e s t h el e ri n s e r tt h el a b e li n f o r m a t i o ni n t ot h ep a c k e th e a d e r t h e nt h e l s r ( l a b e ls w i t c hr o u t e r ) f o r w a r dt h ep a c k e ta c c o r d i n gt h el a b e l o s p f ( o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ) r o u t i n gp r o t o c a lr u n s a tn e t w o r kl a y e nt t d i s c o v e r st h er o u t ei n f o r m a t i o nf o rm p l s 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 y t e c h n o l o g yo fm p l sa n dt h em o s ti m p o r t a n tc o n t r o lp r o t o c o lo fm p l sl a b e ls w i t c h s y s t e ma r c h i t e c t u r e t h ea u t h o ri sr e s p o n s i b l ef o rd e s i g na n dr e a l i z a t i o no fo s p fi nt h es o f t w a r ep a r t o fl a g ( i n t e g r a t e da c c e s sg a t e w a y ) a n di sc h a r g e dw i t ht h er e s e a r c ha n dt e s t i n go f l d pi 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 sh a sf i v ec h a p t e r s t h ef o r m e rt h e e rc h a p t e r si n t r o d u c et h ea r c h t e c t u r e o fm p l s o s p fr o u t i n gp r o t o c a la n dl d p p r i n c i p l e s t h ef o u r t hc h a p t e re x p a t i a t e s t h es o f t w a r er e a l i z a t i o no fo s p en l ef i 他c h a p t e re x p o u n d st h es o f t w a r er e a l i z a t i o n a n d t e s t i n go f l d p k e yw o r d s ：m p l s ，r o u t i n gp r o t o e a l ，o s p f , l d p 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所里交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名： 乜逆骜 本入承担一切相关责任。 日期：型兰：竺 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期闯论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 3 邀盘 导师签名 日期： 丝皇兰：竺 日期：邂圭：兰二： 卜 m p l s 系统o s p f 路出协议及l d p 协议的研究与实现 第一章 缩略语 m p l s - - m u l t i p r o t o c a ll a b e ls w i t c h i n g o s p f - - o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t l d p l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c a l i a g - - i n t e g a t e da c c e s sg a t e w a y f u t u r e - - t h el l a m eo fas o f t w a r ep r o t o c o ls t a c k z e b r a - - t h en a n l eo fas o f t w a r ep r o t o c o ls t a c k a c t l t f l en a n l eo f t h ec o n t r a lb o a r do nb t c 9 5 0 0s e r i e ss w i t c h t m a _ 1 b m cm o n i t o r i n ga n da d j u s t i n g 第一章m p l s 基本原理 在如火如荼的i n t e m e 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 络节点给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 大舰模的网络发展已经成为业界关心的焦点问题。在二十世纪九十年代后期，i p 和a t m 两种各具优势的技术都发生了一次革命。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 ) 。 1 1m p l s 技术概述 m p l s 技术是在c i s c o 公司所提出来的t a g s w i t c h i n g 技术基础上发展起来的， 属于第三层交换技术它最初的设计目标是用来提高路由器的转发速度，但是由 于m p l s 在流量工程( t m f f i ce n g e e r i n g ) 和v p n 这一在目前m 网络中非常关键 的两项技术中表现，m p l s 已日益成为扩大i p 网络规模的重要标准。它的一个 重要特点就是引入了基于标签的机制，把选路和转发分开，由标签柬规定一个分 组通过网络的路径，数据传输通过标签交换路径( l s p ) 完成。 第l m p l s 系统o s p f 路由协议及l d p 协议的研究与实现 第一章 m p l s 网络由核心部分的标签交换路由器( l s r ) 、边缘部分的标签边缘路 由器( l e r ) 组成。l s r 可以看作是a t m 交换机与传统路由器的结合，由控制 单元和交换单元组成；l e r 的作用是分析i p 包头，决定相应的传送级别和标签 交换路径( l s p ) 。由于m p l s 技术隔绝了标签分发机制与数据流的关系，因此， 它的实现并不依赖于特定的数据链路层协议，可支持多种的物理和链路层技术 ( i p a t m 、以太网、p p p 、帧中继、光传输等) 。 1 2m p l s 交换原理 m p l s 的出现是源于早期的口交换解决方案，因此它的体系结构是基于已 经提出的【p 交换的想法、概念和组件。它的基本目标之一，f 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 【p 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 t 【。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一个f e c ， 然后将f e c 映射到下一跳路由器。 m p l s 旨在简化在路由器入口处处理网络层头分析和f e c 分配功能的过程。 入口路出器不是将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。旧 标签被新标签取代，然后分组从出口端口转发到下一跳路由器。与传统i p 转发 相比， m p l s 简化的转发机制示例于图1 l 。 第2 页 m p l s 系统o s p f 路由协议及l d p 切议的研究与实现第一章 口维i i l 嚣 凡i ：l 端1 1 1 攀 幽l - lm p l s 和传统的i p 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同f e c 的任何编号上。 例如一个f e c 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终入口的物理点。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f e c 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m 转发机制相比，m p l s 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。m p l s 必须完成的基本要求是： 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；也就是说，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l s p 上转发。 兼容现有的i p 网络管理工具。 支持分缴操作。 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 l s 交换机互操作。 用非m p l s 交换技术支持s i n 操作， 第3 负 m p l s 系统o s p f 路由协议及l d p 协议的研究与实现第一章 同时支持拓扑驱动和流驱动的m 交换模型。 1 3 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i p 路由) 与第2 层技术( 如a t m 交换) 有机地结合起 束。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 了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 具有天然的标记功能( 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。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 用输入标记为“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 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 s 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) 。 当m p l s 应用于a r m 环境时，很多技术会受到限制或有所改变，下面是两 个关键技术。 1 流合并流聚合技术 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 t 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 pm 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，但有些设备不能提供标记栈，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 第4 页 m p l s 系统o s p f 路由协议及l d p 协议的研究与实现第一章 中的标记对应于a 1 m 信元中的v p 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。 它常用于最终日的地相同的流，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。 2 路出循环控制 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 能把显式路出作为唯一的路出选择机制，而h o p b y h o p 路由与显式路出的混用可 能会造成路由循坏( 事实上。h o p b y b p 路由的网络也存在这一隐患) 。传统i p 网络 通过t t l 域来减轻进入路由环的分组对整个网络的影响。但是觚m 不支持t r 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，允许路由坏 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r r l 字段，即m p l s 延 用了传统i p 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 标记格式见图1 - 2 。 幽1 2 m p l s 标签格式 第5 f m p l s 系统o s p f 路由协议及l d p 协议的研究与实现第一章 在这种情况下，边缘的l s r 从第三层包中拷贝盯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r 几字段，所以需要 在入口l s r 处估算该“非r r l l 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n 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 止循坏视制的核心思想是沿路由向上游传送一个为路出所经历的各节点标识符的 “l s ri d ”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l 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，如何得知路出拓扑的变化如何与 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：线程出唯一的颜色、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。 第6 页 m p l s 系统o s p f 路由协议及l d p 协议的研究与实现 第二章 第二章o s p f 路由协议 分组能够通过多条路径从源点到达终点是分组交换网络的重要特征之一。不 管是采用面向连接的虚电路传送方式还是非连接的i p 数据包方式，都需要确定 网络的路由选择方案，可以说选择什么路径进行传输是交换路由器一项重要的功 能。本章将阐述m p l s 网中l s p 建立相关的路由问题，并对o s p f 路由协议进 行详细的介绍。 2 1m p l s 网中应用的路由协议 路由是指信息通过互联网由源向目标传递的通道。沿着路由，信息总会通过 至少一个中| 1 _ j 节点，如何选择所经过的节点，从而满足信息传输的要求是网络使 用者很关心的问题。不同的信息传输要求可以选择和采用不同的路由选择算法。 路由选择算法首先要确定移植标准度量方式，比如路径的长度，带宽或路径上的 节点数等，用以确定达到目标的最佳路径，然后从相应算法的路由表中选择一恰 当的路由后，将分组沿所选路径发送出去。路由表是由路由选择算法进行初始化 并加以维护的，根据所使用路由算法的不同，路由表信息会有一定的差别。 路由技术作用于o s i 参考模型的第三层，即网络层。m p l s 的提出是为了解决 大型骨干网中的数据传输和多种网络的互联问题，涉及到多种网络结构和协议， 就m p l s 技术本身来讲，它是一种面向连接的技术，但在网络互联时它主要支持 无连接的业务，因此人们在制定m p l s 的路由方案时充分采用了当前十分成熟 的、具有非常强的普遍性和适应性的i p 路由协议簇，主要有以下几种：路由信 息选择协议( r i p ) 、内部网关路由协议( i g r p ) 、外部网关协议( e g p ) ，边界 网关协议( b g p ) 、开放式最短路径优先协议( o s p f ) 等。 2 2o s p f 路由协议概述 o s p f ( o p e ns h o r t e s tp a t h f i r s t ) 路由协议是由i e t f ( i n t e m e t e n g i n e e r i n g t a s k f o r c e ) i g p 工作小组提出的，是一种基于s p f 算法的路由协议，目前使用的o s p f 第7 页 m p l s 系统o s p f 路由协议及c d p 协议的研究与实现第二章 协议是其第二版，定义予r f c 2 3 2 8 和r f c l 5 8 3 。 o s p f 路由协议是一种典型的链路状态( l i n k - s t a t e ) 的路由协议，一般用于 同一个自治域( a s ) 内。在一个a s 中，所有的o s p f 路出器都维护一个相同的 描述这个a s 结构的数据库，该数据库中存放的是路由域中相应链路的状态信息， o s p f 路由器通过这个数据库计算出其o s p f 路由表的。 作为一种链路状态的路由协议，o s p f 将链路状态广播数掘包l s a ( l i n k s t a t ea d v e r t i s e m e n t ) 传送给在某一区域内的所有路由器，这一点与距离矢量路由 协议不同。运行距离矢量路由协议的路由器是将部分或全部的路出表传递给与其 相邻的路由器。 o s p f 是目前内部网关协议中使用最为广泛、性能最优的一个协议，它具有 以下特点： 可适应大规模的网络： 路由变化收敛速度快； 无路由自环： 支持变长子网掩码c v l s m ) ； 支持等值路由； 支持区域划分： 提供路由分级管理： 支持验证； 支持以组播地址发送协议报文。 2 3o s p f 协议的工作原理 2 ，3 1o s p f 路由器分类 当一个a s 划分成几个o s p f 区域时，根掘一个路由器在相应的区域之内的 作用，可以将o s p f 路由器作如下分类： 内部路由器：当一个o s p f 路由器上所有直联的链路都处于同一个区域时， 我们称这种路由器为内部路由器。内部路由器上仅仅运行其所属区域的o s p f 运 算法则。 第8 虹 m p l s 系统o s p f 路由协议及l d p 协议的研究与实现 第二章 区域边界路由器：当一个路由器与多个区域相连时，我们称之为区域边界路 由器。区域边界路由器运行与其相连的所有区域定义的o s p f 运算法则，具有相 连的每一个区域的网络结构数据，并且了解如何将该区域的链路状态信息广播至 骨干区域，再由骨干区域转发至其余区域。 a s 边界路由器：a s 边界路由器是与a s 外部的路由器互相交换路由信息的 o s p f 路由器，浚路由器在a s 内部广播其所得到的a s 外部路由信息；这样a s 内部的所有路由器都知道至a s 边界路由器的路由信息。a s 边界路由器的定义 是与前而几种路由器的定义相独立的，一个a s 边界路由器可以是一个区域内部 路由器或是一个区域边界路由器。 指定路由器d r ：在一个广播性的、多接入的网络( 例如e t h e m e t 、t o k e n r i n g 及f d d i 环境) 中，存在一个指定路由器( d e s i g n a t e dr o u t e r ) ，指定路由器主要 在o s p f 协议中完成如下工作： 指定路出器产生用于描述所处的网段的链路数据包n e t w o r kl i n k ，该数据包 罩包含在该网段上所有的路由器，包括指定路由器本身的状态信息。 指定路由器与所有与其处于同一网段上的o s p f 路由器建立相邻关系。由于 o s p f 路出器之间通过建立相邻关系及以后的f l o o d i n g 来进行链路状念数据库是 同步的，因此，我们可以说指定路由器处于个网段的中心地位。 需要浇明的是，指定路出器d r 的定义与前面所定义的几种路由器是不同 的。d r 的选择是通过o s p f 的h e l l o 数据包来完成的，在o s p f 路由协议初始 化的过程中，会通过h e l l o 数据包在个广播性网段上选出一个i d 最大的路由 器作为指定路出器d r ，并且选出i d 次大的路由器作为备份指定路出器b d r ， b d r 在d r 发生故障后能自动替代d r 的所有工作。当一个网段上的d r 和b d r 选择产生后，该网段上的其余所有路由器都只与d r 及b d r 建立相邻关系。在 这里，一个路由器的i d 是指向该路由器的标识，一般是指该路由器的坏回端口 或是陔路出器上的最小的i p 地址。 2 3 2o s p f 链路状态广播数据包种类 谴着o s p f 路由器种类概念的引入，o s p f 路由协议又对其链路状态广播数 据包( l s a ) 作出了分类。o s p f 将链路状态广播数据包共分成5 类，分别为： 类型1 ：又被称为路出器链路信息数据包( g o u t e rl i n k ) ，所有的o s p f 路由 第9 m p l s 系统o s p f 路由协议及l d p 协议的研究与实现第二章 器部会产生这种数据包，用于描述路由器上联接到某一个区域的链路或是某一端 口的状态信息。路由器链路信息数据包只会在某一个特定的区域内广播，而不会 广播至其它的区域。 在类型1 的链路数据包中，o s p f 路由器通过对数掘包中某些特定数据位的 设定，告诉其余的路由器自身是一个区域边界路出器或是一个a s 边界路由器。 并且，类型1 的链路状态数据包在描述其所联接的链路时，会根据各链路所联接 的网络类型对各链路打上链路标识，l i i l kd 。表一列出了常见的链路类型及链 路标识。 表格1 ：链路类型及链路标识 类型2 ：又被称为网络链路信息数据包( n e t w o r kl i n k ) 。网络链路信息数据 包是由指定路由器产生的，在一个广播性的、多点接入的网络，例如以太网、令 牌环网及f d d i 网络环境中，这种链路状态数据包用来描述该网段上所联接的所 有路由器的状态信息。 指定路由器d r 只有在与至少一个路由器建立相邻关系后爿会产生网络链 路信息数据包，在该数据包中含有对所有已经与d r 建立相邻关系的路由器的描 述，包括d r 路由器本身。类型2 的链路信息只会在包含d r 所处的广播性网络 的区域中广播，不会广播至其余的o s p f 路由区域。 类型3 和类型4 ：类型3 和类型4 的链路状态广播在o s p f 路由协议中又称 为总结链路信息数据包( s u m m a r yl i n k ) ，该链路状态广播是由区域边界路由器 或a s 边界路由器产生的。s u m m a r yl i n k 描述的是到某一个区域外部的路由信 息，这一个目的地地址必须是同一个a s 中。s u m m a r yl i n k 也只会在某一个特定 的区域内广播。类型3 与类型4 两种总结性涟路信息的区别在于，类型3 是出区 域边界路由器产生的，用于描述到同一个a s 中不同区域之间的链路状态；而类 型4 是由a s 边界路由器产生的，用于描述不同a s 的链路状态信息。 第l o 硪 m p l s 系统o s p f 路由协议及l d p 协议的研究与实现 第二章 值得提的是，只有类型3 的s u m m a r yl i n k 才能广播迸一个残域，因为在 一个残域中不允许存在a s 边界路由器。残域的区域边界路由器产生一条默认的 s u m m a r yl i n k 对域内广播，从而在其余路由器上产生一条默认路由信息。采用 s u m m a r yl i n k 可以减小残域中路由器的链路状态数据库的大小，进而减少对路 由器资源的利用，提高路由器的运算速度。 类型5 ：类型5 的链路状态广播称为a s 外部链路状态信息数据包。类型5 的键路数据包是出a s 边界路由器产生的，用于描述到a s 外的目的地的路由信 息，该数据包会在a s 中除残域以外的所有区域中广播。一般来说，这种链路状 态信息描述的是到a s 外部某一特定网络的路由信息，在这种情况下，类型5 的 链路：淡枋数据包的链路标识采用的是目的地网络的m 地址：在某些情况下，a s 边界路出器可以对a s 内部广播默认路由信息，在这时，类型5 的链路广播数据 包的链路标识采用的是默认网络号码0 0 0 0 。 2 3 3 网络拓扑结构 上文提到，o s p f 协议是一种链路状态协议，那么o s p f 是如何来描述链路 连接状况昵? 幽2 - 1 网络互联模型 首先我们通过图2 1 来概括网络互联主要的四种抽象模型。 图中，抽象模型m o d e ll 表示路由器的一个以太网接1 3 不连接其他路由器 只连接了一个以太网段。此时，对于运行o s p f 的路由器r 1 ，其能识别本身 第l 页 m p l s 系统o s p f 路由协议及l d p 协议的研究与实现第二章 无法识别该网段上的设备( 主机等) ；抽象模型m o d e l2 表示路由器r l 通过点对 点链路( 如p p p 、h d l c 等) 连接一台路由器r 2 ；抽象模型m o d e l3 表示路由器 r l 通过点对多点( 如f r a m er e l a y 、x 2 5 等) 链路连接多台路由器r 3 、r 4 等，此 时路由器r 5 、r 6 之涮不进行互联；抽象模型m o d e l4 表示路由器r l 通过点对 多点( 如f r a m er e l a y 、x 2 5 等) 链路连接多台路出器r 5 、r 6 等，此时路由器r 5 、 r 6 之间互联。以上抽象模型着重于各类链路层协议的特点，而不涉及具体的链 路层协议细节。该模型基本表达了当前网络链路的连接种类。 在o s p f 协议中，分别对以上四种链路状态类型作了描述： 对于抽象模型m o d e li ( n 太网链路) ，使用l i l l ki d ( 连接的网段) 、d a t a ( 掩码) 、 t y p e ( 类型) 和m e t r i c ( 代价) 来描述。此时的l i n ki d 即为路由器r 1 接口所在网段， d a t a 为所用掩码，t y p e 为3 ( s t u b n e t ) ，m e t r i c 为代价值。 对于抽象模型m o d e l2 ( 点对点链路) ，先使用l i n ki d ( 连接的网段) 、d a t a ( 掩 弼) 、t v p e ( 类型) 和m e t r i c ( 代价) 来描述接口路出，以上各参数与m o d e ll 相似。 接下来描述对端路由器r 2 ，四个参数名不变，但其含义有所不同。此时l i n ki d 为路由器r 2 的r o u t e ri d ，d a t a 为路由器r 2 的接口地址，t y p e 为l ( r o u t e r ) ， m e t r i c 仍为代价值。 对于抽象模型m o d e l3 ( 点对多点链路，不全连通) ，先使用l i n ki d ( 连接的网 段) 、d a t a ( 掩码) 、t y p e ( 类型) 和m e t r i c ( 代价) 来描述接口路出，以上各参数与m o d e l 1 相似。接下来分别描述对端路由器r 3 、r 4 的方法，与在m o d e l2 中描述r 2 类似。 对于抽象模型m o d e l4 ( 点对多点链路，全连通) ，先使用l i n k l d ( 网段中d r 的接口地址) 、d a t a ( 本接口的地址) 、t y p e ( 类型) 和m e t r i c ( 代价) 来描述接口路由。 此时t y p e 值为2 ( t r a n s n e t ) ，然后是本网段中d r ( 指定路由器) 描述的连接通告。 路由器在通报其获知的链路状态( 即上面所述的参数) 前，加上l s a 头( l i n k s t a t ea d v e r t i s e m e n th e a d ) ，从而生成l s a ( 链路状态广播) 。到此，路由器通过l s a 完成周边网络的拓扑结构描述，并发送给网络中的其他路由器。 2 3 4 0 s p f 路由计算过程 o s p f 使用s p f 算法来计算路由。s p f 算法有时也被称为d i j k s t r a 算法，这 是因为最短路径优先算法s p f 是m i j k s t m 发明的。s p f 算法将每一个路由器作为 箱1 2 页 m p l s 系统o s p f 路由协议及l d p 协议的研究与实现第二章 根( r o o t ) 来计算其到每一个目的地路由器的距离，每一个路由器根据一个统 的数据库会计算出路由域的拓扑结构图，该结构图类似于一棵树，在s p f 算 法中，被称为最短路径树。在o s p f 路由协议中。最短路径树的树干长度，即 o s p f 路由器至每一个目的地路山器的距离，称为o s p f 的c o s t ，其算法为：c o s t = 1 0 0 xt 0 6 链路带宽。在这罩，链路带宽以b p s 来表示。也就是蜕，o s p f 的c o s t 与链路的带宽成反比，带宽越高，c o s t 越小，表示o s p f 到目的地的距离越近。 举例来说，f d d i 或快速以太网的c o s t 为l ，2 m 串行链路的c o s t 为4 8 ，i o m 以 太网的c o s t 为1 0 等。 作为一种典型的链路状念的路由协议，o s p f 还得遵循链路状态路出协议的 统一算法。链路状态的算法非常简单，在这里将链路状态算法概括为以下四个步 骤： 当路出器初始化或当网络结构发生变化( 例如增减路出器，链路状念发生变 化等) 时，路由器会产生链路状态广播数据包l s a ( l i n k - s t a t ea d v e r t i s e m e n t ) ， 该数据包里包含路由器上所有相连链路，也即为所有端口的状态信息。 所有路出器会通过一种被称为刷新( f l o o d i n g ) 的方法来交换链路状态数据。 f l o o d i n g 是指路出器将其l s a 数据包传送给所有与其相邻的o s p f 路由器，相 邻路由器根据其接收到的链路状念信息更新自己的数据库，并将浚链路状态信息 转送给与其相邻的路出器，直至稳定的一个过程。 当网络重新稳定下来，也可以说o s p f 路由协议收敛下来时，所有的路由器 会根据其各自的链路状念信息数据库计算出各自的路由表。该路由表中包含路由 器到每一个可到达目的地的c o s t 以及到达该目的地所要转发的下一个路幽器 ( n e x t h o p ) 。 第4 个步骤实际上是指o s p f 路由协议的个特性。当网络状念比较稳定i t 寸 例络中传递的链路状态信息足比较少的，或者可以说，当网络稳定时，网络l 足 比较安静的。这也正是链路状态路出协议区别与距离矢量路由协议的一大特点。 从上文可以知道，作为链路状态协议的o s p f 的工作机制，与r i p 等距离向 量的路由协议是不一样的。距离向量路出协议是通过周期性地发送整张路出表， 来使网络中的路由器的路出信息保持一致。这种机制存在着上文提到的一些弊 病。而o s p f 协议将包含路由信息的部分与只包含路由器问邻接关系的部分分 第1 3 负 m p l s 系统o s p f 路由协议及l d p 协议的研究与实现第二章 丌，它使用一种被称作h e l l o 的数据包来确认邻接关系。这个数据包非常小，它 仅被用来发现和维持邻接关系。 第1 4 页 m p l s 系统o s p f 路由协议及l d p 协议的研究与实现第三章 3 1l d p 协议概述 第三章l d p 协议 m p l sl d p 是一个单独的控制协议，l s r 应用它交换和协调f e c ，标签绑 定信息。具体地说，l d p 是消息交换和消息格式的序列，它们使得对等l s r 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 e c 。在剥 等l s r 之洲需要建立一个t c p 连接，以确保l d p 消息能够按照正确的顺序可靠 地传送。l d p 映射消息可以从任何本地l s r ( 独立的l s p 控制) 发起，或者从 出口l s r ( 排序的l s p 控制) 发起，并从下行l s r 流向上行l s r 。一个特定数 据流的到达、一个保留建立消息( r s v p ) 或选路更新消息都可以触发交换l d p 消息。旦一对l s r 交换用于一个特定f e c 的l d p 消息，每个l s 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 l s i 。 l d p 消息被分成三类：发现( d i s c o v e r y ) 、邻接( a 哇j a c e n c y ) 和映射( m a p p i n g ) 。 发现类消息发布并维护网络中的l s r 。它广播一个l d p l i n k h e l l o 消息给所有路 山器组地址，通知同一链路上其他l s r 它的存在，或者引导一个l d ph e 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l s r 对等对之间的邻接关系。它包含了建立一个t c p 连 接然后交换对话涛商消息的过程。协商参数包括l d p 协议版本、时间值、v p u v c i 范圈等。通告类消息用于建立、修改和删除l s r 对等对之闻的径流标签映射信 息。一个典型的通告类消息是一个l d p 映射消息，它被一个l s r 用于与相临l s r 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 ri 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3 1 给出三个邻接l s r 之问一般的l d p 消息流。每个l s r 通过发送和接 收h e l l o 消息发现在相同链路上一个相临l s r 的存在。然后建立起一个t c p 连 接并交换初始化( i n i t i a l i z a t i o n ) 消息。之后，由下行l s r 为径流= a 产生径流 标签映射并传送给上行相临l s r 。 第1 5 - , g m p s 系统o s p f 路由协议及l d p 协议的研究与实现笫三章 圈 啦 嗣鹭：酞 滤入一 流出= 4 _ - - 日_ _ - + _ 柳嫱化_ 柽流t 伽a 一标簦叫一圉 【取 自堑黛 箍入= 4 蕊小一6 图3 1l d p 消息流 3 2l d p 协议操作 3 2 1l s r 间的l d p 会话 - - k 一柯始化 轻萄童i d = a + 一标捺= 6 一圈 m 月x 鲺 流a = 6 流h i 一 二个对等l s r 之间的l d p 会话并不一定要在数据链路层宜接互连。在某些 情况下，l d p 会话的数据链路层是经多次中闻转接构成的。 例如，在“包流控制”( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 应用中，l s r a 通过一条l s p 发送符合某个路出规定( 如显式路出) 的包流给不直接与它相连的l s r b ，而不 是在它通常的发送通路上转发这些包流。 l s r a 与l s r b 之闯的通路可能包括一个或更多中削l s r ( l s r i l s r n ) 。 l s r a 与l s r b 之间的l d p 会话