（通信与信息系统专业论文）基于mpls的流量工程研究.pdf

中文摘要 摘要：随着因特网的不断发展，人们对网络的需求也在不断地增加。各种宽 带业务开始和原来的数据业务相融合，使我们的网络不仅要承载传统的数据业务 而且需要传输视频语音等各种新的业务。 由于这些新的业务具有实时性要求高、 数据量大的特点，这就要求现有网络能够对各种业务提供更高的服务质量。实施 流量工程能够有效的控制、平衡网络内部的业务流量，充分利用网络资源，优化 网络性能，因此流量工程对i p 骨干网络来说是必不可少的。多协议标签交换m p l s 作为i p 骨干网络的核心技术，可以实现数据包的快速转发，更重要的是有利于流 量工程的实施。近几年来，基于m p l s 的流量工程研究得到了充分的重视和发展。 本文首先介绍了m p l s 标准的研究状况和m p l s 技术的优势。然后介绍了 m p l s 的基本原理和体系结构。本文接着在分析流量工程实施的必要性和传统流量 工程的局限性的基础上，探讨了m p l s 实现流量工程的基本框架结构和关键模块。 本文着重研究了m p l s 中的显示路径和m p l s 流量工程中的负载均衡和重路由问 题，并利用仿真软件n s 2 对这些关键技术进行了仿真。在n s 2 的基本模块和扩展 模块中，本文构建了基于m p l s 平台的多个仿真场景，对比分析了传统口网络和 应用了m p l s 流量工程网络中的流量优化和故障恢复问题。通过仿真分析，验证 了m p l s 流量工程在优化网络中的流量，合理利用网络资源，降低网络的拥塞和 处理网络故障方面的优势。 关键词：多协议标签交换；流量工程；服务质量；网络仿真 分类号：t n 9 1 5 0 4 ；t n 9 1 5 1 4 2 a bs t r a c t 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 f n a ，t h er e q u i r e m e n to fp e o p l e b e c o m e sm o r e 锄dm o r e a l lk i n d so fb r o a db a n d w i d t hs e r v i c e sb e g i n t oc o e x i s tw i t h m et r a d i t i o n a ld a t as e r v i c e s ，s oo u rn e t w o r k sn o to n l yn e e d st os u s t a i nt h et r a d i t i o n a l s e r v i c e s b u ta l s on e e d st os u s t a i nn e ws e r v i c e ss u c ha sv i d e oa n di pp h o n e b e c a u s e t h e s en e ws e l v i c e sn e e db r o a d e rb a n d w i d t ha n dr e a lt i m et r e a t m e n t ，s ot h e yr e q m r e t h e n e t w o r kt op r o v i d eh i g hq u a l i t yo f s e r v i c e t r a f f i ce n g i n e e r i n gc a l l c o n t r o la n d o p t i m i z en e t w o r kr e s o u r c e su t i l i t y i np a r t i c u l a r , i ti sg e n e r a l l y d e s i r a b l et oe n s u r et h a t s u b s e t so fn e t w o 订( r e s o u r c e sd on o tb e c o m eo v e ru t i l i z e d a n d c o n g e s t e d w h i l e o m e rs u b s e t sa l o n ga l t e r n a t ef e a s i b l e p a t h s r e m a i nu n d e r u t i l i z e d m u l t i 。p r o t o c o l l a b e ls w i t c h ( m p l s ) c a no f f e rf a s tp a c k e ts w i t c h i n ga n db r i d g eo v e rp h y s i c a la n di p l a y e r s r e c e n td e v e l o p m e n t si n m p l so p e np o s s i b i l i t i e st oa d d r e s ss o m eo ft h e l i m i t m i o n so fi ps y s t e m sc o n c e m i n gt r a f f i ce n g i n e e r i n g t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h er e s e a r c ho fs t a n d a r da b o u tm p l sa n dt h e a d v a n t a g e so fm p l s t h e n , t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h et h e o r ya n dt h ed e f i n i t i o no fm p l s b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h en e c e s s a r yo fm p l st r a f f i ce n g i n e e r i n ga n dt h el i m i to f i p t r a f f i ce n g i n e e r i n g ，t h i sp a p e rs t u d i e st h eb a s i cf r a m e w o r ka n dm a i nc o m p o n e n t si n m p l st r a f f i ce n g i n e e r i n g t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ep r o b l e m so fe x p l i c i tr o u t i n g , l o a d b a l 锄c i n ga n dr e r o u t i n gi nm p l st r a f f i c e n g i n e e r i n g ，a n dg i v e st h es i m u l m i o nb y n s 2 b a s e do nm eb a s i cm o d e la n de x t e n d e dm o d e li nn s 2 ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e d s e v e r a ls c e n a d o sa n dc o m p a r e st h ea p p l i c a t i o n si nt h ei pn e t w o r ka n dn e t w o r kw i t h m p l st r a f f i ce n g i n e e r i n g t h er e s u l to ft h es i m u l a t i o n sj u s t i f yt h a tm p l st r a f f i c e n g i n e e r i n gc a ne f f e c t i v e l yo p t i m i z et h et r a f f i c ，e n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fa v o i d i n g c o n g e s t i o na n dr e r o u t i n g a f t e rf a i l u r ei nn e t w o r k k e y w o r d s ：m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ；t r a f f i ce n g i n e e r i n g ；q u a l i t yo f s e r v i c e ；n e t w o r ks i m u l a t i o n - 2 c l a s s n o ：t n 9 1 5 0 4 ：t n 9 1 5 1 4 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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交通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。 学位论文作者躲啃舍、签字吼沙7 年多月产 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：省仓 签字日期如口7 年6 月z 垆日 导师基名：1 为了嘭 7 口 导师签名：扩j j 劭 签字日期少7 年阳节日 致谢 本论文的工作是在我的导师孙强教授的悉心指导下完成的，孙强教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来孙强 老师对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，韩婧蕾、胡鑫、潘阅等同学对我论文中的研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 1 1m p l s 技术产生背景 i n t e m e t 成为当前信息化社会的基础网络设施，多年的发展证明其主题思想和 技术是成功的。采用t c p p 协议作为通信机制的i n t e r n e t 因其开放性、兼容性和 扩展性，已经遍及到世界的各个角落。但网络的规模和业务流量的爆炸性增长带 来了两个主要的瓶颈，即通信线路的带宽限制和路由器处理能力的不足。同时由 于i p 协议的无连接特性和提供尽力而为的服务，而缺乏带宽管理和服务质量保证 的措施，网络的转发、路由和管理机制也存在不足【l 】。这些不足使i n t e m e t 面临很 多挑战。 首先网络拥塞问题越来越突出。随着宽带接入技术和接入服务的大规模发展， 网络资源使用能力的提高使得接入网络与骨干网带宽的带宽资源变得越来越紧 张。 其次还存在着带宽资源管理问题。哪类用户可以得到多少的带宽资源，带宽 资源如何在用户和不同类型业务中合理的分配，哪类业务是应该得到优先保障， 有多少带宽资源被网络中的垃圾信息占用等。 总之人们希望口网络不仅能够提供e m a i l 、上网等服务，还能够提供宽带、 实时性业务。异步传输模式a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 是被普遍看好的能 够提供多种业务的交换技术。它是一种为了多种业务设计的通用的面向连接的传 输模式，具有高速数据传输率和支持许多种类型，如声音、数据、传真、实时视 频和图像的通信。但是由于实际的网络中已经普遍采用口技术，现有a t m 的使 用也一般都是用来承载i p 。因此我们希望i p 也能提供a t m 这样多种类型和高质 量的服务。 多协议标签交换( m 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 ) 就是在这种背景下 产生的一种技术，而且越来越被运营商看好，成为在m 网络运营商提供增值业务 的手段。m p l s 是一种在通信网中利用标签引导数据高速高效转发的新兴的隧道技 术。它的价值在于能够在一个无连接的网络中引入连接模式的特性，结合了第二 层快速交换技术和第三层p 路由技术中的各自优势，解决了口技术存在的逐跳寻 址、时延大、缺乏流量控制机制、缺乏服务质量保证等突出问题，减少了网络复 杂性，兼容现有各种主流网络技术，降低网络成本，在提供口业务时能确保服务 质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) ，具有流量工程能力。 1 2 m p l s 的标准研究 m p l s 是从2 0 世纪9 0 年代中期涌现的一些相似的新技术融合演化而来。这些 相似的新技术包括东芝公司的信元交换器技术、i p s i l o n 公司的“i p 交换”、c i s c o 公司的“标签( t a g ) 交换”和i b m 公司的基于汇聚路由的i p 交换。 m p l s 标准的制定工作主要是由i e t f 工作组来完成的。1 9 9 7 年初，互联网工 程工作小组( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，i e t f ) 批准成立m p l s 工作组。随着 m p l s 技术的快速发展和广泛应用，i e t f 又陆续成立了一些和m p l s 技术紧密相 关的工作组，从事一些新技术和新应用的标准化工作，主要有m p l s 、流量工程工 作组、运营商提供的v p n ( v i r t u a lp r i v a t en e t w o r k ) 、端到端伪线仿真和 c c a m p ( c o m m o nc o n t r o la n dm e a s u r e m e n tp l a n e ) 5 个工作组。同时，m p l s 论坛作 为一个业界协会，也为m p l s 实现和互通制定了一些协议【2 】。 m p l s 工作组的主要工作目标是标准化m p l s 标签交换的基本技术和在各种 链路层上实现标签交换路径的技术。 c c a m p 的基本思想是扩展m p l s ，即通用多协议标签交换g m p l s ( g e n e r a l i z e dm p l s ) 。它提供一个公共的控制平台，不仅能控制i p 层，还能控制 光传输层，将这些层融合起来，就可以对下层( 如光传输层) 增加路由能力，即所说 的智能光网。标签的种类进行了扩展，如可以将光的波长作为标签，建立起一条 光标签交换通道，并扩展流量工程，使其可以用在光传输层。 m p l s 论坛是由业界的计算机网络公司和电信公司组成的行业协会，主要工作 是加速m p l s 的普及和应用。其研究重点包括四个方面： 流量工程( t r a f f i c e n g i n e e r i n g ) 、服务等级( c l a s so f s e r v i c e ，c o s ) 、服务质量q o s 、虚拟专用网v p n 。 中国通信标准化协会也列出了m p l s 标准的研究计划： a ) 数据层系列标准：包括m p l s 基本功能性能等框架结构性标准和封装标准 也莹 守； b ) 控制层系列标准：包括信令协议、流量工程、q o s 、冗余与路径保护、运行 和维护等标准； c ) g m p l s 系列标准：g m p l s 基本功能、g m p l s 扩展等； d ) m p l s v p n 系列标准：b g p m p l sv p n 技术、组网、v p n 技术等标准。 1 3m p l s 技术的优势 早期使用标签交换协议的原因是因为速度上的需要。对c p u 来说，交换i p 报 文比交换带标签的报文要慢得多，因为后者只需要查找报文顶部的标签即可。而 2 路由转发i p 报文是通过提取i p 报文头部的目的i p 地址，并且在路由表中查找最 优匹配来进行的。但如果i p 报文交换的交换是在硬件中完成的话，前面的说法就 没有意义了。目前，在路由器的转发平面运用专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 可以大大加速i p 报文的转发，就如同带标签的报文一样。 所以在网络中实施m p l s 的理由已不是早期的追求转发的速率了。其优势主要体 现在以下几个方面p j ： 使用统一标准的网络架构：通过m p l s ，可以根据报文的目的地址或者其他的 预先配置好的标准对入栈的报文加上标签，然后在通用的网络架构中转发所有的 流量。这是m p l s 最大的优势所在。m p l s 可以传输i p v 4 、i p v 6 、以太网、高级 数据链路控制、以及其他的第二层技术。在m p l s 骨干网络中传输任意第二层帧 的特征被称为m p l s 的任意传输( a n yt r a n s f e ro f m p l s ，a t o m ) 。这样，服务提供 商可以向其他用户提供和特定的非m p l s 网络同样的第二层服务。同时，服务提 供商只需要单一的网络架构就可以运载各种类型的用户流量。 更好地集成i po v e ra t m ：通过使用m p l s ，a t m 交换机只需要运行一种i p 路由协议和一种标签分发协议在它们之间，以及和路由器之间交换i p 前缀和标签。 无须运行边界网关协议b g p ( b o r d e l g a t e w a yp r o t o c 0 1 ) 的核心路由器：当某服 务提供商的口网络需要转发数据流的时候，每一台路由器必须查找这些报文的目 的i p 地址。如果这些报文的目的地址在该服务商提供的范围之外的话，那么这些 外部i p 前缀必须要存在于每台路由器的路由表中。b g p 负责运载那些外部前缀。 然而，m p l s 可以在转发时使用标签来代替i p 查找。核心路由器不再要基于目的 的i p 地址信息来转发报文了。但在m p l s 网络的边缘仍然需要对报文的目的口 地址进行查找，所以仍然需要运行b g p 。 最优的数据传输：因为a t m 和帧中继交换机是纯粹的第二层设备，路由器需 要与这些交换机通过创建虚链路的方式来进行互连。任何路由器如果想要直接向 边缘的任何其他路由器传输流量，它们之间必须要创建直接的虚电路。并且在一 次传输中流量可能要多次穿过骨干网络，如果采用m p l s 可以实现数据流量传输 的最优路径。 流量工程：流量工程的基本思想就是最优化地使用网络架构，包括未充分使 用的链路在内，因为它们可能并不是最优的路径。通过m p l s 网络中实施流量工 程，你可以使特定的前缀或者特定的服务质量的流量选择某一路径传输。 1 4 本论文的主要结构和工作 本论文的主要结构和工作如下： 第一章绪论简述了论文的研究背景，介绍了m p l s 标准和协议的研究状况， 讨论了m p l s 的技术优点，并阐述了本论文的主要工作。 第二章先介绍了m p l s 的常用术语，然后阐述了m p l s 网络结构和m p l s 系 统的基本原理。着重分析了m p l s 节点的转发机制和标签报文的相关行为。最后， 对几种标签分发协议进行了介绍和比较。 第三章在分析流量工程必要性和发展趋势的前提下，着重讨论了m p l s 流量 工程的基本框架和其中的标签路径建立、重路由、约束路由等问题。 第四章是本文的工作重点。在前面研究的基础上，利用n s 2 仿真平台，建立 了m p l s 模型的仿真场景，对m p l s 流量工程中的显示路由、负载均衡和故障恢 复机制作了仿真研究，并通过仿真数据总结出m p l s 流量工程在优化网络中的流 量，合理利用网络资源，降低网络的拥塞和处理网络故障方面的优势。 第五章对本文工作进行了总结和展望。 4 2m p l s 的基本原理和体系结构 2 1m p l s 术语 先介绍m p l s 中的一些基本术剖4 1 。 1 标签l a b e l ：标签是一个包含在分组中的简短的、定长的、只有本地意义的 标识符号。它可以封装到现有的数据链路层分组中，格式取决于分组封装所在的 介质。如以太网中采用一个特殊的数值填充在帧头中。l s r ( l a b e ls w i t c h i n gr o u t e r ， 标签交换路由器) 负责从自己的标签空间中取出标签值与f e c ( f o r w a r d i n g e q u i v a l e n c ec l a s s ，转发等价类) 进行绑定。通用的标签格式如图2 1 所示。 用户数据 网络层头 m p l ss h i m链路层头 标签( 2 0 b i t ) e x p ( 3 b i t )s ( i b i t )t t l ( s b i t ) e x p ：试验字段s ：堆栈标志t t l ：生存周期 图2 - 1m p l s 标签格式 f i g 2 - 1 t h ef o r m a to fm p l sl a b e l m p l s 标签头有四个域：标签、e x p 、s 、t t l ( t i m et ol i v e ) 生存时间。标签 用于标签路由器转发时寻找下一跳和提供其他信息。e x p ，试验字段，可以在区分 服务模型中提供业务的服务等级。s 是标签栈的标志。t t l 与传统t c p i p 协议中 生存时间的概念相同，用于避免产生路由环路。 2 转发等价类f o r w a r d i n ge q u i v a l e n c ec l a s s ：转发等价类f e c 是m p l s 技术 的基础。m p l s 实际上是一种分类转发技术，它将具有相同转发方式( 目的地相同、 使用时转发路径相同、具有相同的服务等级) 的分组归为一类，这种类别称为转发 等价类单元。在m p l s 网络中，各个节点通过分组的标签来识别分组所属的转发 等价类。 3 标签交换路径l a b e ls w i t c h e dp a t h ：l s p 是属于特定f e c 的分组所经过的处 于同一层次的多个l s r 所形成的路径。l s p 是由标签分组源l s r 与目的l s r 之 间的一系列l s r 以及它们之间的链路构成，它类似于a t m 中的虚电路。 4 标签转发信息库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 ：l f i b 的作用类似于路 由表，其中包含各个标签所对应的各种转发信息。每个入口标签对应出口标签、 出口端口、等信息条目。 5 标签信息库l a b e li n f o r m a t i o nb a s e ：l i b 中存放的是到目的网络的入口标 签和可能的出口标签等信息。 6 标签分发协议l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c o l ：l d p 是m p l s 的控制协议，它负 责f e c 的分类、标签的分配，以及分配结果的传输和l s p 的建立和维护等一系列 操作。 2 2 m p l s 网络结构 多协议标签交换( m p l s ) 是一种用于快速数据包交换和路由的体系，它为网 络数据流量提供了目标、路由、转发和交换等能力。更特殊的是，它具有管理各 种不同形式通信流的机制。m p l s 独立于第二和第三层协议，诸如a t m 和口。 它提供了一种方式，将m 地址映射为简单的具有固定长度的标签，用于不同的包 转发和包交换技术【5 】。它是现有路由和交换协议的接口，如i p 、a t m 、帧中继、 资源预留协议( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l ，r s v p ) 、开放最短路径优先( o p e n s h o r t e s tp a t hf i r s t ，o s p f ) 等 6 1 。 m p l s 的基本思想是用一个短的、定长的、具有本地意义的标签来转发数据 包，这样加快了转发效率。m p l s 网络节点包括入口路由器( i n g r e s sr o u t e r ) ，标签 交换路由器l s r 和出口路由器( e g r e s sr o u t e r ) 。入口路由器是一个数据包进入 m p l s 域时经过的第一个路由器，而出口路由器则是离开m p l s 域时的路由器。 其它的路由器都称为l s r ，而入口路由器和出口路由器统称为标签边缘路由器 l e r ( l a b e le d g er o u t e r ) 。在节点之间通过运行标签分发协议来完成标签信息的分 配，l d p 是根据路由协议来产生标签，并在l s r 之间交换f e c 标签绑定信息。 l s r 是m p l s 网络的核心部件，其功能是在路由协议和标签分发协议的控制下建 立标签信息库，完成标签分配。标签边缘路由器的功能是在分组进入m p l s 网络 时分析数据分组的头部选择一个合适的标签加到数据分组上，在数据分组离开 m p l s 网络时，将标签从数据分组中剥离。m p l s 网络的基本工作过程如下【4 】： 第一步，m p l s 域中的各个l s r 利用标签分配协议( l d p ) 和网络层路由协议， 建立路由表和标签转发信息表，其中记录了标签和f e c 之间的关系，所有l s r 和 6 些廛窑煎占堂亟堂拉i 垒毫 丛ls 曲基奎墟堡趔挂基结翘 邛m 中所记录的信息就形成了贯穿整个网络的不同端点间的l s p 。 第二步，入口l e r 接收到网络层的数据分组，根据包头信息所携带的网络层 地址，服务类别等信息判定分组所属的f e c ，并给分组加上标签，生成m p l s 标 签分组并按照标签转发表将分组转发给下一个l s r 。此后，在l v 伸l s 域中l s r 对标签分组不再进行任何第三层处理只是根据分组上的标签趴厦标签转发表通 过交换单元对其进行转发，并且每经过一个l s r ，要将分组中的标签替换为一个 新的标签。 第三步，出口l e r 将标签从数据分组头剥离，再根据网络层地址等信息将数 据分组茇给目的地。 m p l s 网络的大致工作过程如图2 - 2 所示。 嗣国固 国固 标签路自嚣 标篓边缘 留2 - 2 m p l s 网络组成 f i g 2 2 t h e f r a m e w o r ko f m p l sn e t w o r k 2 _ 3m p l s 系统的原理 燮 巫 翥气蕴粤、 孑辱哽 臣 面 云一 2 3 1m p l s 节点结构 m p l s 节点有两个结构平面：m p l s 转发平面和m p l s 控制平面。它不仅可 以交换带有标签的数据包，m p l s 节点还可以执行第3 层路由选择或者第2 层交换。 m p l s 节点很好地综合了第二层交换和第三层的路由转发的特点，将第二层的基础 设施和第三层的路由有机地结合起来。m p l s 实际上提供的是一个“面向连接的交 换”。通过分配标签，事先建立好一条符合“需要”的标签交换路径l s p ，再发送 业务数据。在网络的层次结构中，m p l s 就如同一个“夹层 起到了一个承上启下 的作用。对于网络层，它向i p 提供更为高效的连接服务；而对于链路层，它又从 多种链路层媒体上获取服务，如a t m 、以太网等。可以把m p l s 的功能抽象为图 2 3 所示的模型【7 】。 输入i p 数据包 输入带标签 数据包 控制平面 转发平面 路山选择 信息交换 标签绑定 信息交换 输出i p 数据包 ，输出带标签 数据包 图2 - 3m p l s 节点结构 f i g 2 - 3t h ea r c h i t e c t u r eo fm p l sn o d e 1 转发平面 m p l s 转发平面负责根据所附标签内的值来转发数据包。转发平面使用由 m p l s 节点维护的标签转发信息库( 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 ，l f i b ) 来转 发带有标签的数据包。每个m p l s 节点维护着与m p l s 转发相关的两张表：标签 信息库( l a b e li n f o r m a t i o nb a s e ，l i b ) 和l f i b 。l i b 包含了由本地m p l s 节点分 配的所有标签以及这些与从邻接m p l s 节点收到的标签之间的映射关系。l f i b 使 用l i b 中所含标签的个子集来进行实际的数据包转发。l f i b 的结构如图2 4 所 示。 ，、 入标签子条目一子条目二 外f i 标签外出标签 入标签外出接口# b t l t 接口 下跳地下一跳地 址址 外出标筏外f l ；标签 l 入标签外出接u外出接口 f 岿b 地下一跳地 址址 外出标箍外 i j 标签 入标签外出接u外出接口 下跳地下一跳地 址址 图2 _ 4l f i b 的结构 f i g 2 _ 4 t h ei t e mo fl f i b 由m p l s 节点维护的标签转发信息库( l f i b ) 由- - 系列的条目n h l f e f n e x th o p l a b e lf o r w a r d i n ge n t r y ) 组成。每一个条目含有一个入标签和一个或者多个子条 目。l f i b 由入标签中包含的值进行索引查找。每一个子条目由一个外出标签、外 出接口和下一跳地址构成。在一个条目内的各个子条目可以拥有相同的或者不同 的外出标签。多播转发需要使用带有多个外出标签的多个子条目，因为到达一个 接口的数据包需要经多个外出接口被送出。除了外出标签、外出接口和下一跳信 息外，转发表里的条目还可以包含与数据包可能使用的资源相关的信息，比如数 据包应该被放置到的外出队列。m p l s 节点可以维护单张转发表、为每一个接口维 护一张转发表，或者是两种方式的组合。在使用多张转发表的情况下，数据包转 发是根据入标签值和数据包到达的入接口进行处理的。 标签交换使用一种基于标签对换( l a b e ls w a p p i n g ) 的转发算法，即：维护单张 l f i b 的m p l s 节点从进入的数据包的标签字段中提取出标签值，并用这个值在 l f i b 中进行索引查找，在找到入标签匹配以后，m p l s 节点用从子条目取出的外 出标签代替原来数据包中的标签，然后经指定的外出接口将数据包发送到由子条 9 目指定的下一跳。如果m p l s 节点为每个接口都维护多张l f i b 表，它将根据数据 包到达的物理接口来选择一个特定的l f i b 表，并根据此l f i b 来转发数据包。 2 控制平面 控制平面的主要功能是通过控制平面的工作，为转发平面的业务数据传输做 出应有的保障。m p l s 控制平面用来和其他l s r 交换路由信息，从而建立路由表 和交换标签对路由的绑定信息，以此建立标签信息表( l a b e li n f o r m a t i o nt a b l e ) 。然 后根据路由表和l i b 生成f i b 表( f o r w a r d i n gi n f o r m a t i o nt a b l e ) 和l f i b 表。 控制平面也负责维护和更新路由选择和l f i b 表。同时，控制平面中也包含有 转发等价类f e c 数据库和f e c 至n h l f e 的映射f t n ( f e c t o n h l f e ) 数据库。 f e c 包含了数据包的诸如源i p 地址和目的i p 地址的详细信息，它也可以包含如服 务质量( q o s ) 和服务类型( c o s ) 所需要的一些信息。f t n 表则把每一f e c 映射到一 组n h l f e 上，因为可能不止一条的数据流需要得到同样的处理，所以虽然在f e c 表中这些数据流只有一条表目，但每一数据流在n h l f e 表中各有一条表目。 m p l s 节点即l s r 的软硬件结构示意图如图2 5 所示。 图2 5l s r 结构不意图 f i g 2 - 5 t h ec o m p o n e n to fl s r 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他m p l s 节点交换 i p 路由选择信息。链路状态路由选择协议，如o s p f 和i s i s ，是推荐采用的协议， 因为它们能给每一个m p l s 节点提供一个完整的网络视图。在传统的路由器中， i p 路由选择表被用来建立快速交换缓存( f a s ts w i t c h i n gc a c h e ) 或者思科特快转发 ( c i s c oe x p r e s sf o r w a r d i n g ，c e f ) 所使用的转发信息库。在m p l s 中，口路由选择 1 0 表用于提供标签绑定使用的目的网络和子网前缀。 标签绑定信息的发布可以使用标签分发协议( l d p ) 或者在修改过的路由选择 协议上携带标签绑定信息来实现【8 】。链路状态路由选择协议，如o s p f ，是在一组 路由器之间扩散路由选择信息，而标签绑定信息仅仅在相邻接的路由器间发布。 所以，链路状态路由选择协议就不适合发布标签绑定信息。但是，对路由选择协 议( 如b g p ) 的扩展却可以用来发布标签绑定信息。这使得标签绑定信息的发布和路 由选择信息的发布保持一致。 2 3 2m p l s 中的转发和路由机制 传统的m 转发机制中，每个路由器分析包含在每个分组头的信息，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、t t l 减值 和完成合适的出口链路层封装，最后发送分组。m p l s 是一种特殊的转发机制，它 为进入网络中的i p 数据包分配标签，并通过对标签的交换来实现i p 数据包的转发。 标签作为i p 包头在网络中的替代品而存在，在网络内部m p l s 在数据包所经过的 路径沿途通过交换标签( 而不是看i p 包头) 来实现转发。当数据包要退出m p l s 网 络时，数据包被解开封装，继续按照i p 包的路由方式达到目的地。 前面介绍的标签转发信息库( i f i b ) 定义了如下组件【4 】。 下一跳标签转发条目( n e x th o p l a b e lf o r w a r d i n ge n t r y ，n h l f e ) ：包括下 一跳接口和下一跳地址以及标签操作指令的个表目；它还可以包括第二层封装 信息和相关业务流中处理分组所需要的其他信息。 输入标签映射( i n c o m i n gl a b e lm a p ，i l m ) ：即从输入标签到相应n h l f e 的一个映射。 f e c t o - n h l f e ( f t n ) ：任何输入分组的f e c 到相应的n h l f e 的映射。 如果l s r 是入口l s r ，则利用f t n 映射到n h l f e ，否则利用l i m 映射到 n h l f e 。下表为f e c 表的一个例子。本例中，f e c 的参数使用目标i p 地址和端 口号作为参数。因此，具有相同目标地址和端口号的所有数据包在整个网络中都 将得到相同的处理。这个表中另外还包含了每一f e c 应得到的处理要求信息。 f e c 数据表的内容如表2 1 所示。 表2 - 1f e c 数据表 7 i a b l e 2 1t h ed a t ai t e r no ff e c f e c 标识d端口号处理要求 a5 9 6 4 6 22 1 可靠转发 b5 9 6 4 7 22 3 尽力而为 c5 9 6 4 8 26 9 快速转发 n h l f e 表的条目如下，它是转发的关键。l s r 通过f t n 或l i m 找到对应的 n h l f e ，即可实现相应转发。 n h l f e 表的内容如表2 - 2 所示。 表2 2 n h l f e 数据表 t ，出l e 2 - 2t h ed a t ai t e mo f n h l f e 入标签标签操作出标签出接口 2 4标签替换2 3o 2 6标签替换2 51 2 8 标签替换2 71 m p l s 中的转发功能是以一个标签到一个l i m 的一个简单严格的匹配为基础 的，l i m 也映射到一个n h l f e 。l s r 遵循n h l f e 的标签操作指令，并将分组传 递到下一跳信息中的指定接口。 图2 - 6 以一个点到点协议的例子表示了用于转发功能的判决树。接收到分组 后，通过查找i l m 或f t n 来找到至少一个n h l f e ，用该n h l f e 来确定输出接 口、标签操作指令，以及相关的转发信息。 1 2 图2 - 6 转发功能判决树 f i g 2 6t h ep r o c e s s i n go ff o r w a r d i n g l s r 选择路由的方法有以下两种： a ) 逐跳路由 一个h o pb yh o p 的l s p 是所有从源站点到一个特定目的站点的p 树的一部 分。对于这些l s p ，m p l s 模仿p 转发数据包面向目的地的方式建立了一组树。 从传统的i p 路由来看，每一台沿途的路由器都要检查包的目的地址，并且选择一 条合适的路径将数据包发送出去。而m p l s 则不然，数据包虽然也沿着口路由所 选择的同一条路径进行传送，但是它的数据包头在整条路径上从始至终都没有被 检查。在每一个节点，m p l s 生成的树是通过一级一级为下一跳分配标签，而且是 通过与它们的对等层交换标签而生成的。交换是通过l d p 的请求以及对应的消息 完成的。 b ) 显式路由 m p l s 最主要的一个优点就是它可以利用流量设计“引导数据包，比如避免 拥塞或者满足业务的服务质量( q o s ) 等。m p l s 允许网络的运行人员在源节点就确 定一条显式路由( e x p l i e i tr o u t e ) 的l s p ( e r l s p ) ，以规定数据包将选择的路径。不 像h o pb yh o p 的l s p ，e r - l s p 不会形成i p 树。e r l s p 从源端到目的端建立一 条直接的端到端路径，m p l s 将显式路由嵌入到限制路由的标签分配协议的信息 中，从而建立这条路径。 韭立室煎厶堂亟堂垃监窑m ls 曲基奎匾堡塑佳基结扭 2 3 3 标签报文的订l 在口报文头部有一个8 b i t 字段用来表示报文在消亡和丢弃之前还有多少时 间。一个口报文被发送的时候，其1 t l 值通常是2 5 5 ，随后每经过一跳就会减l 。 如果t t l 的值减到饥这个报文就会被丢弃。 在m p l s 网络中，标签中的订l 字段的用法和m 头部中的r r l 的用法相同。 当一个口报文进入m p l s 网络云，即入口l s r 处时，口中的t r l 值减1 后被复 制到添加标签中的m p l s l t l 字段。而在出口l s r 处标签，口的t t l 值再从收 到的顶部标签中的m p l sm 中复制过来。这个值也要减1 嘲。这个过程如图2 7 所示。 v i i , 2 5 2f 1l2 5 1 t r l - 1 2 5 3 t t l 一2 5 2 3 ”t l2 5 2 圆圆 ，固固- 圈- 固一 入口l s r 出i z i l s r l i p 报文 m p l s 标签 图2 - 7 标签报文的m f i g2 - 7t h e m i n l a b e l 如果在标签的报文上实施的标签是交换的话，入栈标签的1 1 l 值减去1 后再 复制到交换到的标签中。如果在带标签的报文上实麓的标签操作是添加一个或多 个标签的话，那么收到的报文顶部的标签减去1 后再复制到交换到的标签以及所 有的新添加的标签中。如果操作是移除，那么入栈标签的下r l 减去1 后再复制到 新的顶部标签中去。如果这个m 值比新的顶部标签的m 值大的话，就不进行 复制了。 2 4 m p l s 的标签分布 标签与f e c 绑定的分配、分布和撤销是m p l s 主要依赖的机制。在标签是固 定长度的基础上，标签使得最简化的转发成为可能。目前，i e t f 提出了三种标签 分配协议：普通的标签分配协议l d p ，限制路由的标签分配协议c r - l d p 以及扩 展的资源预留协议r s v p ( e x t e n s i o n st or e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 。不同的标签 分配协议有不同的工作方式，因而也就有不同的特点。目前实现m p l s 流量工程 的信令协议主要有两种：c r l d p 和扩展的资源预留协议r s v p 9 】【1 0 】【l l 】。 2 4 1 普通的标签分配协议 标签分配协议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 。两个使用标签分配协议交换f e c 标签绑定的l s r 就称之为“标签分发对等 体”。如果两个l s r 是标签分发对等体，则称他们为标签分发意义上相邻的。 l d p 协议进行消息交互时，所有的l