（通信与信息系统专业论文）基于mpls的流量工程及其路由技术研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 基于m p l s 的流量工程及其路由技术研究 摘要 随着因特网的广泛应用，网络用户数量不断增大，各种新业务( 如i p 电话、电视会 议、视频点播等) 不断涌现，对服务质量提出了更高要求。然而传统l p 网络的路由体 系不具备全网资源利用的调节能力，往往导致网络中传输的业务流汇聚到同一链路上， 使得网络局部严重拥塞、网络资源利用率大大下降、用户的服务质量得不到保证。如何 有效地解决这一问题是当今网络研究领域中的一个重要课题。主导方案有两种：一是添 加设备、扩展网络容量；二是采用流量工程技术，对流量进行调控以更为有效地利用网 络资源。第一种方案需要网络运营商额外增加投资，且只能在一定程度上缓解网络拥塞。 相比之下，采用流量工程技术，网络运营商能够极大地优化网络资源利用率、提高网络 性能，不必增加网络基础设施投资就可以增加收入，这也是流量工程技术备受青睐的主 要原因之一。 在流量工程技术研究中，有三种实现方法：基于度量的流量控制、采用i p a t m 重 叠模型实施流量工程以及利用m p l s 技术实施流量工程。基于度量的流量控制通过调整 链路度量值来调节网络流量，其扩展性差且流量调控能力不足；采用i p a t m 重叠模型 的实施方案虽在功能上有很大改进，但其网络管理比较复杂，在维护、扩展及配置方面 也有一定的局限性。为了使流量工程更加有效，i e t f 引入了m p l s 、基于约束的路由和 扩展的链路状态内部网关协议。m p l s 是当前流量工程最好的解决方案，是当前性价比 最优、最具竞争力的宽带网络技术。 本文对m p l s 技术特别是利用m p l s 技术实施流量工程问题进行了研究，分析了流 量工程的实现方法和实施步骤，并着重探究了t e 路由问题。在对当前典型动态路由 算法研究基础上，提出了一种新的动态路由算法- - n o r a 。该算法分为离线阶段和在线 阶段，离线阶段主要依据网络拓扑和入1 2 出口节点对信息计算链路关键度 在线阶段 则利用链路关键度、当前可用带宽等信息计算链路权重，并为到达业务请求选择权重优 化路径。仿真结果表明，该算法可以很好地降低服务请求拒绝率。 基于不同类别业务 有不同服务质量要求，提出了一种基于业务类别的路由选择方案c b i 认。该方案在控 制平面创建细分f e c 和细分l s p ，在数据平面基于业务类别动态地选择细分l s p ，从而 将到达业务流有效地映射到m p l s 网络上。仿真结果表明，c b r a 算法可以有效地满足 到达业务的需求。本文所做的研究，为完善m p l s 在这一领域的应用提供了新的思路。 关键词：多协议标记交换；流量工程；基于约束的路由；业务类别；限制路由标记分配 协议 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nt r a f f i ce n g i n e e r i n ga n d r o u t i n g a l g o r i t h m i nm p l sn e t w o r k a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ea b r o a da p p l i c a t i o no fi n t e m e t ，t h ea m o u n to fu s e r si n c r e a s er a p i d l ya n d m o r ea n dm o r en e wv a r i e t i e so ft r a f f i c ( c x i pp h o n e ，v i d e o c o n f e r e n c ea n dv e d i o0 nd e m a n d e t c ) a r ea r i s i n g ，w h i c hr e q u i r e sh i g hq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) b u tt h et r a d i t i o n a li pn e t w o r k l a c k si na d j u s t i r l ga n dc o n t r o l l i n gt h eo v e r a l ln e t w o r kr e s o u r c ee f f i c i e n t l y , s o m e t i m e si tm a y h a p p e nt h a t t r a f f i cg a t h e r so ns o m el i n k ，w h i c hl e a d sn e t w o r kc o n g e s t i o np a n i a l ly ，n e t w o r k u t i l i z a t i o nd e c r e a s i n gg r e a t l ya n dt h eq o sf o ru s e r sc a n tb em e t t h i sp h e n o m e n o ni s e s p e c i a l l ys e r i o u si nl a r g eb a c k b o n eo fi pn e t w o r k i ti sa ni m p o r t a n tt a s ki nt h ef i e l do f n e t w o r kr e s e a r c ht os o l v et h i sp r o b l e me f f i c i e n t l y ，t h e r ea r et w os c h e m e sf o rt h i s o n ei st o a d dm o r ee q u i p m e n tt oe x p a n dn e t w o r kc a p a c i t y , t h eo t h e ri st oa d j u s ta n dc o n t r o lt r a f f i cb y a d o p t i n gt h et e c h n o l o g yo f t r a f f i ce n 【g i n e e r i n gw i t ht h ep u r p o s eo fu t i l i z i n gn e t w o r kr e s o n r s e m o r ee f f i c i e n t l y i nt h ef i r s ts c h e m e ，i n t e r a c ts e r v i c ep r o v i d e r s ( i s p s ) n e e dt oi n v e s tm o r ea n d i tc a no n l yl e s s e nt h ec o n g e s t i o no fn e t w o r kt os o m ee x t e n t o nt h ec o n t r a r y , b yp e r f o r m i n g t r a f f i ce n g i n e e r i n gi nn e t w o r k ，i s p sc a no p t i m i z et h en e t w o r ku t i l i z a t i o na n di m p r o v et h e n e t w o r kp e r f o r m a n c e t h u st h e yc a ni n c r e a s et h e i rg a i nw i t h o u te x t r ai n v e s ti nn e t w o r k e q u i p p e n t s 。a n dt h i si so n eo ft h em a i nr e a s o n sw h y t h et e c h n o l o g yo ft r a f f i ce n g i n e e r i n gi s f a v o r e d ， t h e r ea r et h r e es c h e m e sa v a i l a b l ei nt h er e s e a r c ho ft r a f f i ce n g i n e e r i n g ：t h ef i r s ti st r a f f i c c o n t r o l l i n gb a s i n gm e t r i c ，t h es e c o n di st r a f f i ce n g i n e e r i n gb a s i n gt h eo v e r l a ym o d e lo fi p o v e ra t m ，a n dt h et h i r di st r a f f i ce n g i n e e r i n gb a s i n gm u l t i - p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ( m p l s ) i nt r a f f i cc o n t r o l l i n gb a s i n gm e t r i c , l i n km e t r i ci sc h a n g e dt oa d j u s tn e t w o r kt r a f f i c i t se x p a n s i b i l i t yi sp o o ra n dt h ea b i l i t yo ft r a f f i ca d j u s t i n ga n dc o n t r o l l i n gi si n s u f f i c i e n t i n t h es c h e m eo fi po v e ra t m ，t h ef u n c t i o ni si m p r o v e dg r e a t l yb u tt h en e t w o r km a n a g e m e n ti s c o m p l e xa n di t i sl i m i t e di nm a i n t e n a n c e ，e x p a n d i n ga n dc o n f i g u r a t i o n t om a k et r a f f i c e n g i n e e r i n gm o r ee f f i c i e n t ，i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ( i e t f ) i n t r o d u c e sm p l s ， c o n s t r a i n t b a s e dr o u t i n ga n de n h a n c e di n t e r n e tg a t e w a yp r o t o c 0 1 m p l si st h eb e s ts c h e m e i nt r a f f i ce n g i n e e r i n g i t sp e r f o r m a n c e - p r i c er a t i oi st h eb e s ta n di ti st h em o s tc o m p e t i t i v e t e c h n o l o g yi nw i d eb a n d ， i n t h i sp a p e hw es t u d i e dt h et e c h n o l o g yo fm p l se s p e c i a l l yt h ep e r f o r m i n go ft r a f f i c e n g i n e a r i n gb a s i n gm p l s a n a l y z e dt h e s o l u t i o na n dp e r f o r m i n g p r o c e d u r eo ft r a f f i c e n g i n e e r i n ga n dl a ys t r e s so nt er o u t i n ga l g o r i t h m ，o b a s i n gt h es t u d yo nt y p i c a ld y n a m i c r o u t i n ga l g o r i t h m s ，w ep r o p o s e dan e wd y n a m i co n l i n er o u t i n ga l g o r i s m ( n o r a ) ，w h i c h 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n t a i n st w os t a g e s ：o f f i i n es t a g ea n do n l i n es t a g e d u r i n go f f l i n es t a g e ，t h el i n ki m p o r t a n c e v a l u ei sc a l c u l a t e db a s e do nt o p o l o g yo ft h en e t w o r ka n dt h ei n f o r m a t i o no fi n g r e s s e g r e s s n o d e s d u r i n go n l i n es t a g e ，t h ew e i g h to fe a c hl i n ki sc a c u l a t e db a s i n go ni t sl 1v ，c u r r e n t a v a i l a b l eb a n d w i d t ha n dt h e nt h ew e i g h t o p t i m i z e dr o u t ei ss e l e c t e df o rt h ei n c o m i n gt r a 塌e r e q u e s t t h es i m u l a t i n gr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h i sa l g o r i t h mp e r f o r m sb e t t e ri nd e c r e a s i n gt h e r e f u s i n gr a t ef o rr e q u e s t b a s i n gt h ef a c to fd i f f e r e n tc l a s so fs e r v i c e sh a v i n gd i f f e r e n t q o sr e q u i r e m e n t s ，w ep r o p o s e dac l a s sb a s e dr o u t i n ga l g o r i t h m ( c b r a ) b a s i n gc b r a ， s u b f e ca n ds u b b pa r ec r e a t e di nc o n t r o lp l a n ea n ds u b - l s pi ss e l e c t e db a s i n gc o si nd a t a p l a n e t h u st h et r a f f i cc a nb em a p p e do nt om p l sn e t w o r ke f f i c i e n t l y t h es i m u l a t i n gr e s u l t i n d i c a t e st h a tt h ea l g o r i t h mo fc b r ac a nm e e tt h et r a f f i cr e q u i r e m e n t se f f i c i e n t l y t h ew o r k i nt h i sp a p e rp r o v i d e san e wt h o u g h tt oc o n s u m m a t et h ea p p l i c a t i o no fm p l si nt h i sf i e l d k e yw o r d s ：m p l s ；t r a f f i ce n g i n e e r i n g ；c o n s t r a i n t b a s e dr o u t i n g ；c l a s s o fs e r v i c e ； c r l d p 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名李季 日 期：加d 、t8 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即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，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论弟一早三百了匕 随着i n t e r n e t 的爆炸性增长，网络己成为一种重要的基础通信设施。其规模和 所承载的业务量不断增长，各种新业务不断涌现，除了传统的电子邮件、f t p 、w w w 等业务外，出现了越来越多的可视电话、视频会议、视频点播等多媒体业务。这些 业务对于时延、时延抖动、丢包率等服务质量( o o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 参数有严 格的要求。为此，业务的传输不再仅仅需要满足可达性，还要保证其服务质量。但 是，在网络应用、业务流量和业务类型迅猛增长的同时，带宽等网络资源的增长速 度却远远落后，使得目前以i p 协议为主的计算机网络在满足业务的q o s 要求时越 来越力不从心。 当前的i p 网络通常使用的路由协议，如o s p f l “、i s i s 2 】等，提供的是一种可达 性服务，即只保证可以连通到接收方，而不考虑数据包何时到达或能否到达接收方 ( 中间的路由器可能由于拥塞而丢弃数据包) 。这些传统路由算法通常主要考虑节 省网络资源，大多采用基于目的地址的最短路径路由，即选择到目的端度量值( 距 离、豌数、代价等，通常选择跳数) 最j 、的一条路径。 最短路径路由的优点是实现起来非常简单，但是在这种选路方式下，到达路由 器的所有目的i p 地址相同的数据包都沿同一路径进行转发，所以会带来以下闯题： 来自不同源的多条最短路径可能同时经由某一链路，而使该链路发生拥塞； 源到目的间的业务流量可能超过最短路径的容量，使该路径将发生拥塞， 而此时它们之间的非最短路径却可能闲置未用。 这种由最短路径算法导致的流量分布不均衡问题就是著名的“鱼”型网络问题。 如图1 1 所示，r 1 到r 9 和r 2 到r 8 的业务流在最短路径算法下都选择使用上面的 路径，导致路径r 3 r 4 一r 5 被过度使用，而路径r 3 r 6 r 7 r 5 却闲置未用。 为了对最短路径算法造成的网络负载不均衡进行改善，后来在o s p f 中提出了 等代价多路径( e c m p ，e q u a lc o s tm u l t i p a t h ) 1 3 j 的方法。即如果存在两条或多条 最短路径可以到达目的节点，这些路径都将被选用，负载在它们之间均匀分配。这 种方法可阱在一定程度上均衡网络中的负载分布，但是由于e c m p 要求所有代价相 等的最短路径承载等量的负载，而不能根据每条路径的拥塞情况动态修改这些路径 东北欠学硕士学位论文 第一章绪论 问负载分担的比例，此外，负载均衡不能在不同代价的路由上实施。所以，e c m p 对负载分布的调节作用是非常有限的。 图1 1 “鱼”型网络 f i g 1 】t c “f i s h ”n e l w o r k 为此，必须采用新的技术对网络进行调节与控制，以更为合理地利用网络资源。 流量工程( t e ，t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 1 4 , 5 l 就是为此而提出的。流量工程是一种控制 业务流如何经过网络，以优化网络资源利用、提高网络性能的技术。流量工程通过 调整网络流量的分布来调整网络资源的使用，以减轻拥塞、提高网络资源利用率。 当拥塞最小化时，网络的各项q o s 指标也将得到改善：分组丢失将减少、传输对延 将缩短、而吞吐量则将增大。这样，终端用户所感受到的网络服务质量将得到显著 增强。 可见，流量工程和q o s 保证之间是密切相关的，流量工程的实施有助于q o s 保证的实现。可以说，流量工程也是一种q o s 机制，它是一种间接实现q o s 的技 术。 对于1 s p 来说，经常增加网络基础设施投资是不现实的。通过实施流量工程， i s p 可以在现有网络基础设旌的基础上，最大限度的利用网络资源，提供尽可能好 的服务，满足用户的q o s 要求，最终获取更大的利润，所以流量工程的研究对于网 络运营具有重要的现实意义。 为了更好地实施流量工程，使链路重叠和链路拥塞问题得到更好的解决， i n t e 姐e t 工程任务组( 1 e t f ) 引入了多协议标记交换( m p l s ) 6 1 、基于约束的路由 7 1 、扩展的链路状态内部网关协议【8 j 。 用m p l s 实现流量工程目前被认为是流量工程的最好解决方案。它综合了面向 连接的转发技术和面向无连接的路由技术，是第二层和第三层技术的集成。它提供 了显式路由技术，可以由网络管理员或下层协议自动配置数据分组在网络中经过的 路径，而不受传统逐跳路由的限制；通过对m p l s 中每条标记交换路径( l s p ，l a b e l 东北大学硕士学住论文 第一章绪论 s w i t c h i n gp a t h ) 上的流量进行统计分析，可以实现对流量的监视，识别瓶颈链路和 热点链路；在m p l s 中还可以方便地设置备份l s p ，保证网络具有良好的故障恢复 能力；m p l s 中采用基于约束的路由，可以建立满足不同服务质量要求的路径，保 证q o s 的实现。另外，采用m p l s 实现流量工程，扩展性更强。更重要的是，m p l s 的出现使流量工程的自动实现成为可能。 对于采用m p l s 实现流量工程，目前i e t f 的m p l s 和t e 两个工作组都已经提 出了一些相关的r f c 和大量的i n t e r n e t 草案，如r f c 2 7 0 2 t 4 】描述了在m p l s 网络中 实施流量工程的要求，最近提出的r f c 3 2 7 2 5 】对i n t e r n e t 流量工程及其基本原理进 行了总结，r f c 3 3 4 6 9 1 描述了m p l s 流量工程的适应性。很多网络设备厂商也在致 力于这方面的研究，希望在他们的产品中支持流量工程。然而，虽然目前已经就采 用m p l s 技术实现流量工程提出了一些方案，但是尚不成熟，其标准和协议也不完 善，仍处于进一步的研究阶段。 m p l s 的出现使得流量工程的实现有了可靠的保证。其中，基于约束的路由选 择策略则是在m p l s 网络中实施流量工程的一个有力的工具。基于约束的路由选择 是流量工程中的核心技术，也是实现q o s 业务的关键。基于约束的路由用于计算受 到多个约束条件限制的路由，它从q o s 路由发展丽来，但又不同于q o s 路由。它 可以在系统中找到满足多种约束条件的可行路径，并根据一定的度量从中选取较佳 的传输路径，从而合理地引导业务流的流向，提高网络资源的利用率优化网络性 能。比如选取一条较长、但负载较轻的通路，明显要好于选取最短、但负载过重的 通路。 本论文对现有典型的流量工程路由算法进行了研究，提出了一种新的动态在线 路由算法( n o r a ) 和一种基于业务类别的路由选择方案( c b r a ) ，为m p l s 在 流量工程领域的研究提供了新的思路和解决方案。 1 2 论文组织结构 本文内容安排如下： 第一章引言。介绍课题研究的背景和意义。网络的爆炸性增长、新业务的不断 涌现，对网络提出了更高的要求，而现有的路由协议主要基于最短路径算法，存在 着固有的缺陷，无法满足当前网络发展的需要，为此流量工程技术应运而生。用 m p l s 实现流量工程目前被认为是流量工程的最好解决方案。 第二章m p l s 体系结构。主要介绍了m p l s 的基本思想、节点结构、基本组件； 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 并阐述了m p l s 的技术特点、工作过程及其主要应用。 第三章流量工程与基于约束的路由。首先介绍了流量工程产生的背景以及性能 指标，分析了流量工程的模型及其组成；之后，阐述了网络流量工程的发展过程及 未来趋势( 从基于度量的流量工程到基于覆盖模型的流量工程，最后到基于m p l s 实现流量工程) ；最后，作为m p l s 实施流量工程不可或缺的组成部分，对基于约 束的路由进行了研究。 第四章m p l s 流量工程实现机制。具体阐述了利用m p l s 实施流量工程所特有 的优越性，m p l s 网络中的流量管理机制以及m p l s 实旄流量工程的功能部件，最 后具体阐述了m p l s 网络中实施流量工程的基本问题和实施方法。 第五章m p l st e 路由技术研究。该部分是全文的重点所在，首先介绍了网络 仿真工具n s 2 ，并重点介绍了n s 2 的m p l s 扩展。之后对现有的具有带宽保证的动 态路由算法进行了研究，重点研究了典型的最小干扰路由算法和基于流量特征的路 由算法。在此基础上，提出了一种新的动态在线路由算法一n o r a ，并通过仿真 验证了该算法的正确性和可行性。 提出了种基于业务类别的路由选择方案一 c b r a 。该方案在控制平面创建细分f e c 和细分l s p ，在数据平面基于业务类型动 态地选择细分l s p ，从而将到达业务流有效映射到m p l s 网络当中。 最后，在结束语部分对整篇论文的工作进行了总结，并对今后的工作做了进一 步展望。 东北大学硕士学位论文 第二章m p l s 钵系结构 第二章m p l s 体系结构 2 1m p l s 转发原理 m f l s 是一项利用绑定在i p 包中的标记通过网络进行数据包转发的技术，可以 在多种第二层的物理媒质上实施，如a t m 、f r 、e t h e r n e t 以及p p p 。在数据帧交换 模式下，标记被插入到第二层包头和第三层包头之间；在信元交换模式下( 如a t m ) ， 标记被包含在虚拟路径标识符( v p i ，v i r t u a lp a t hi d e n t i f i e r ) 和虚拟通道标识符( v c l ， v i s u a lc h a n n e li d e n t i f i e r ) 字段之中l ”j 。 m p l s 把第二层交换技术和第三层路由技术有机地结合在了一起，第三层的路 由在网络的边缘实施，而在m p l s 网络核心采用第二层交换。其主要目标是建立一 个具有更好性能、更高稳定性的灵活且易于扩展的网络架构。在m p l s 上可以实施 流量工程和建立虚拟专用网( v p n ，v i r t u a lp r i v a t en e t w o r k ) ，并能通过多种服务 类型( c o s ，c l a s so f s e r v i c e ) 来提供服务质量保证( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 。 l e r 图2 1m p l s 网络拓扑结构 f i g 2 1t o p o l o g yo fm p l sn e t w o r k 在图2 1 所示韵m p l s 网络中，首先入日处边缘标记交换路由器( l e r ，l a b e l e d g e r o u t e r ) 为i p 分组分配标记。之后，每个标记分组沿羞标记交换路径( l s p ， l a b e l s w i t c h e dp a t h ) 转发，每个标记交换路由器( l s r ，l a b e ls w i t c h i n gr o u t e r ) 根据标记内容和副达端口自主决定如何转发标记分组。在每一跳上，标记交换路由 器去掉标记分组中已有的标记并为之绑定一个新的标记，这个新的标记指明数据包 东北大学硕士学位论文第_ 二章m p l s 体系鲒构 第二章m p l s 体系结构 2 1m p l s 转发原理 m p l s 是一项利用绑定在i p 包中的标记通过网络进行数据包转发的技术，可以 在多种第二层的物理媒质上实施，如a t m 、f r 、e t h e r n e t 以及p p p 。在数据帧交换 模式下，标记被插入到第二层包头和第三层包头之问：在信元交换模式下( 如a 1 m ) ， 标记被包含在虚拟路径标识符( v p i ，v i r t u a lp a t hi d e n t i f i e r ) 和虚拟通道标识符( v c i ， v i r t u a lc h a n n e li d e n t i f i e r ) 字段之中 1 0 l 。 m p l s 把第二层交换技术和第三层路由技术有机地结合在了一起，第三层的路 由在网络的边缘实施，而在m p l s 网络核心采用第二层交换。其主要目标是建立一 个具有更好性能、更高稳定性的灵活且易于扩展的网络架构。在m p l s 上可以实施 流量工程和建立虚拟专用网( v p n ，v i r t u a lp r i v a t en e t w o r k ) ，并能通过多种服务 类型( c o s ，c l a s so f s e r v i c e ) 来提供服务质量保证( o o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 。 图2 1m p l s 网络拓扑结构 f i g 2 1t o p o l o g yo lm p l s l l e t w o t k 在圈2 ，1 所示的m p l s 网络中，首先入口处边缘标记交换路由器( l e r ，l a b e l e d g e r o u t e r ) 为i p 分组分配标记。之后，每个标记分组沿着标记交换路径( l s p ， l a b e l s w i t c h e dp a t h ) 转发，每个标记交换路由器( l s r ，l a b e ls w i t c h i n gr o u t e r ) 根据标记内容和到达端口自主决定如何转发标记分组。在每一跳上，标记交换路由 器去掉标记分组中已有的标记并为之绑定一个新的标记，这个新的标记指明数据包 器去掉标记分组中已有的标记并为之绑定个新的标记，这个新的标记指明数据包 东北大学硕士学位论文 第二章m p l s 体系结构 被转发的下一跳。在出口l e r 上，数据包中的标记被去掉，并被按一般的方式转发 到目的地。 2 2m p l s 节点结构 m p l s 节点有两个结构平面1 1 0 】：m p l s 转发平面和m p l s 控制平面。除了可以 交换带有标记的数据包外，m p l s 节点还可以执行第三层路由选择或者第二层交换。 其节点结构如图2 2 所示： 输入i p 数据包 输入被标记 的数据包 2 2 1 转发平面 i i i l 控制平面 1 一吨囹 一吨亘困 转发平面 i i 一d i 司 3 匝耳 图2 2 m p l s 节点结构 f i g 2 2s t r u c t u r eo fm p l sn o d e 路由选择信息交换 标记绑定信息交换 输出坤数据包 输出被标记 的数据包 m p l s 转发平面负责根据所附标记内的标记值来转发数据包。转发平面使用由 m p l s 节点维护的标记转发信息库( l f i b ，l a b e lf o r w a r d i n gi n f o r m a t i o nb a s e ) 来转 发带有标记的数据包。标记交换转发组件使用的算法不仅利用了包含在l f i b 中的信 息，还利用了包含在标记值里的信息。每个m p l s 节点维护着两张表：标记信息库 ( l i b ，l a b e li n f o r m a t i o nb a s e ) 和l f i b 。l i b 包含了由本地m p l s 节点分配的所有 的标记，以及这些标记与从邻接m p l s 节点收到的标记之间的映射信怠。l f i b 使用 l i b 中所含标记的一个子集来进行实际的数据包转发。 ( 1 ) 标记 标记是用来标识一个f e c 的3 2 比特固定长度的标识符，通常仅具有本地意义。 被附加在特定数据包上的标记代表了该数据包被分配的转发等价类( f e c ) 。 东北犬擘硕士学位论文 第二章m p l s 体系结构 在a t m 的情况下，标记被放置在a t m 信元头的v c i 或者v p i 字段中。然而，如 果数据帧是个帧中继的帧，那么标记就会占据帧中继包头的d l c i 字段。 其它第二层技术，如以太网、令牌环、f d d i 和点到点连接，不能利用其第二层 地址字段来携带标记。这些技术可以在垫层包头( s h i mh e a d e r ) 中携带标记。垫层 标记包头被插入在链路层和网络层之间，如图2 3 所示。垫层标记包头的使用可以允 许大多数的第二层技术支持m p l s 。 l a b e l ：标记值字段( 2 0 比特) e x p ：实验字段( 3 比特) s ：棱底标记字段( 1 比特) t t l ：生存时间字段( 8 比特) 图2 3m p l s “垫层”标记封装格式 f i g 2 3m p l s s h i m e n c o d i n gf o r m a t 从图中可以看出，标记l a b e l 字段的长度为2 0 比特。e x p 字段的作用是实现 d i f f s e r v 等高级应用时使用，当s 字段为1 时，则表明该标记是栈底标记，如果到达 栈底，则说明分组到了网络边缘节点，需要对其进行出栈操作并进行网络层封装处 理。t t l 字段为生存对闻字段，每过一个节点，t t l 的值减1 ，到达出口时将该值赋 给i p 报头的t t l 域。 ( 2 ) 转发等价类( f e c ) 转发等价类( f e c ，f o r w a r d i n ge q u i v a l e n ! c l a s s ) 是m p l s 中最重要的一个概念。 m p l s 实际上就是一种分类转发的技术，它将具有相同转发处理方式( 相同的目的 地、使用的转发路径相同、具有相同的服务等级等) 的分组归为类，这种类别称 为转发等价类。属于相同转发等价类的分组在m p l s 域内将获得完全相同的处理。 事实上在传统路由中子网网络号也是一种f e c ，只是在每一跳路亩器上都进行分类 检查，而m p l s 只需在入口边缘路由器( i n g r e s s l e r ) 上一次分类转发，提高了转 发性能。 ( 3 ) 标记转发信息库 由m p l s 节点维护的标记转发信息库( l f i b ) 由一系列的条目组成。如图2 4 所 7 东北大学硕士学位论炙第二章m p l s 体系结构 示。每一个条目含有一个入标记和一个或多个子条目。l f i b 由入标记中包含的值进 行索引查找。 八标记第一个子条目没有子条目 扑出标记矫出标记 入标记 外出接口 外出接口 下一跳地址 下一跳地址 外出标记外出标记 八标记 外出接口 外出接口 下一跳地址下一跳地址 外出标记外出标记 八标记 外出接口 外出接口 下一日地址 下一鞋地址 图2 4 标记转发信息厍( l f i b ) 结构 f i g 2 4s t r u c t u r eo ll f i b 每一个子条目由一个外出标记、外出接口和下跳地址构成，此外还可以包含 有关数据包可能使用的资源信息，比如数据包应该被放置到的外出队列。在一个条 目内的各个子条目可以拥有相同或不同的外出标记。 m p l s 节点可以维护单张转发表或为每个接口维护一张转发表，也可以是两种 方式的组合。在使用多张转发表的情况下，数据包转发是根据入标记值和数据包到 达的入接口进行处理的。 ( 4 ) 标记转发算法 标记交换使用了一种基于标记对换( 1 a b e ls w a p p i n g ) 的转发算法。维护着单张 l f i b 的m p l s 节点从进入的数据包的标记字段中提取出标记值，并且利用这个值在 l f i b 中进行索引查找。在找到匹配标记以后，m p l s 节点用从子条目中取出的外出 标记代替原来的数据包中的标记，然厝经指定的外出接口将数据包发送到由子条目 指定的下一跳。如果子条目指定了一个外出队列，m p l s 节点就把这个数据包放到 指定的队列中。 如果m p l s 节点为每个接口都维护一张l f i b ，它将根据数据包到达的物理接口 去选择一个特定的l f i b ，并根据该l f i b 来转发数据包。 2 2 2 控制平面 m p l s 控制平面负责维护l f i b 表和l f i b 表添加条目。所有的m p l s 节点必须运 行i p 路由选择协议来和网络中的所有其它m p l s 节点交换i p 路由选择信息。控制平面 主要包含信令和路由【1 1 】。 东北大学硕士学位论文 第二章m p l s 体系结构 ( 1 ) 标记分配协议 标记分配协议是m p l s 中的信令，目前在不同的组织里有不同的标记分配协议。 在i e t f 中支持三种标记分配协议，即l d p ( 普通标记分配协议) 、c r l d p ( 限制 路由的标记分配协议) 以及r s v p t e ( 扩展的资源预留协议) ；而在t u t 中，仅 支持l d p f f d c r l d p 。其中c r l d p 和r s v p t e 两种协议支持流量工程和q o s 。 ( 2 ) 路由的选择 路由的选择是指为某- - f e c 选择l s p 的方法。m p l s 体系结构支持两种路由选择 方法：逐跳路由( h o pb yh o pr o u t e ) 和显式路由( e x p l i c i tr o u t e ) 对应的l s p 贝i i 称为逐虢路由l s p 和显式路由l s p ( e r 。l s p ) 。 在逐跳路由中，每个l s r 都为f e c 独立地选择下一跳，逐跳路由l s p 的建立完全 是动态的，不能支持q o s ，不能实现流量工程。 在显式路由中，每个l s r 不能独立地选择下一跳，而是由l s p 的入口或出口规 定好所有或部分l s p 沿途的l s r 。如果l s p 沿途的所有l s r 都已规定好，则该l s p 是 “紧密”的显式路由；如果只对l s p 沿途的部分l s r 作出了规定，则该l s p 是“松散” 的显式路由。 “紧密”e r l s p 的指定由管理员完成或通过源路由协议实现，可以根据网络资 源分布选择合理的路径，保证网络资源充分利用并且避免经过拥塞节点。也可以通 过c r l d p ( 或r s v p t e ) 信令，在标记请求消息中携带l s p 要求的o o s 参数，这样 建立起来的l s p 就能够满足该o o s 要求。 “松散”的e r l s p 中只规定了该l s p 必须经过的几个节点，这些必须经过的节 点一般是经过流量工程计算后得到的，这样就可以保证网络业务的合理流向。 2 3m p l s 组件 2 3 1 标记交换路由器l s r 标记交换路由器是支持多协议标记交换的路由器、交换机。l s r 主往既具有交 换机的高速交换、流量控制等功能，又有路由器灵活的路由功能。l s r 相当于传统 i p 路由器和a t m 交换机的结合可以通过对现有a t m 交换机的功能升级实现，其结 构如图2 5 所示： 东北大学硕士学位论吏 第二章m p l s 体系结捣 l f i b ( 标记转芨佰忌厍) 图2 5l s r 的结构 f i g 2 5s t r u c t u r eo fl s r l s r 中包含一个路由协议单元。该单元可以使用任何一种现有的路由协议，如 o s p f 、b g p 等。它的功能就是生成路由表。 标记分配协议( l d p ) 单元结合路由协议单元生成的路由表，生成标记信息库 ( l i b ) 。下层( 数据链路层) 将依据标记信息库生成标记转发信息库( l f i b ) 。 2 3 ，2 标记交换路径l s p l s p 是在两个l s r 之间配置的连接，在其中使用标记交换技术进行数据包转发。 一条l s p 是穿过m p l s 网络的一条特定的流量路径，是由l d p 、r s v p t e 、或c r l d p 建立的， l s p 是单向的，可以看作是属于某个f e c 的数据包为了到达它们的目的地而经 过的系列l s r 路径。为了建立一条l s p ，l s r 利用了路由选择协议和从这些协议 中得出的路由。 l s p 的建立方式有以下两种f 1 2 】： 有序控制 独立控制 两种方式可以在同个网络中共存。在有序控制方式下，由入口或出口