（通信与信息系统专业论文）mpls组播网络的研究与设计.pdf

中文摘要 中文摘要 m p l s 将网络的第二层交换和第三层路由结合起来，利用定长的标签对数据进 行高速转发。m p l s 技术具有i p 技术的灵活性和可扩展性、又具有a t m 等硬件交 换技术的高速性能，同时能提供q o s 服务和流量工程功能。使用m p l s 技术不仅 能解决网络中存在的大量问题，如v p n 支持，q o s 保证等，还能实现如显式路由、 流量工程等新功能，是一种使用广泛的骨干网络技术。 组播是一种优化使用网络带宽的路由技术，它能够有效减少骨干网络中的数 据流量。m p l s 与组播优势互补，m p l s 组播网络能对数据进行高速有效的转发。 随着移动设备的迅速发展，移动i p 技术的应用也逐渐普及，提供基于m p l s 网络 的移动组播服务具有重要意义。 本文的工作是国家8 6 3 计划“一体化网络服务新技术及新一代网络面向业务 的恢复与控制技术研究”( 2 0 0 5 a a l 2 1 5 4 0 ) 和华为基金项目“i p v 6 组播、安全和 v p n 技术研究”( y j c b 2 0 0 5 0 5 4 r e ) 的组成部分。论文主要完成的工作如下： 首先论述了m p l s 组播的产生和研究背景及国内外的研究现状。随后详细描述 了m p l s 网络的体系结构、重要概念及工作原理。其次介绍了m p l s 组播存在的 问题及各种现有的解决方案，并重点研究了使用l d p 协议扩展( m l d p ) 实现m p l s 组播的技术方案。接着分析了l i n u x 内核对m p l s 的支持，并对基于l i n u x 内核的 m l d p 实现进行了详细的模块划分，并具体的介绍了各模块的设计方法。此外，本 文深入研究了m p l s 与移动i p 技术相结合的机制，以及现有的基于m p l s 的移动 组播的实现框架，提出了一种基于m p l s 的移动组播的切换机制，并分析了该方 案的优越性。最后对论文所做的工作进行了总结，且对m p l s 组播技术研究方向 的下一步工作进行了展望。本文中的基于m p l s 的移动组播的切换机制已经申请 了国家的专利保护( 专利名称：种移动组播切换的方法及装置；专利受理号： 2 0 0 6 1 0 0 6 6 7 2 1 8 ) 。 关键词：m p l s 组播m l d p移动组播 分类号：t n 9 1 5 0 4 a b s t r a c t a b s t r a c t m p l s i n t e g r a t e st h es w i t c h i n gf u n c t i o no fl a y e r 2w i t l lr o u t i n gf u n c t i o no fl a y e r 3 i nc o m p u t e rn e t w o r k s a n df o r w a r d st h et r a f f i cf a s tu s i n gt h el a b e l m p l si sf l e x i b l ea n d s c a l a b l ea si p , c a nf o r w a r dt h et r a f f i cf a s ta sa n 订a n dc a np r o v i d eq o sa n dt r a f 矗c e n g i n e e r i n gs e r v i c e s u s i n gm p l sc a ns o l v em a n yp r o b l e m so f t h et r a d i t i o n a ln e t w o r k s ( s u c ha st h es u p p o r to fv p n ，q o sg u a r a n t ye t c ) ，a n dc a na l s oa c h i e v em a n yn e w f u n c t i o n s ( s u c h 嬲e x p l i c i tr o u t i n g ，t r a f f i ce n g i n e e r i n g ，e t c ) m p l si su s e du n i v e r s a l l y i nt h eb a c k b o n en e t w o r k m u l t i c a s ti sar o u t i n gt e c h n i q u ew h i c hc a no p t i m i z et h eu s i n go fn e t w o r k b a n d w i d t ha n dr e d u c et h et r a f f i ci nb a c k b o n en e t w o r ks i g n i f i c a n t l y 1 1 地a d v a n t a g e so f m p l sa n dm u l t i c a s ti sc o m p l e m e n t a r y , m p l sm u l t i c a s tn e t w o r kc a nf o r w a r dt h et r a f f i c f a s ta n de f f i c i e n t l y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f m o b i l ed e v i c e s m o b i l ei pt e c h n i q u e i s p r e v a l e n tg r a d u a l l y t h u s ，p r o v i d i n gm o b i l em u l t i c a s ts e r v i c eb a s e do nm p l s n e t w o r ki so f i m p o r t a n c e t h ew o r ko f t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yn a t i o n a l “8 6 3 ”p r o g r a m ( 2 0 0 5 a a l 2 1 5 4 0 ) a n dh u a w e it e c h n o l o g i e sc o l t df o u n d a t i o np r o j e c t ( y j c b 2 0 0 5 0 5 4 r e ) 1 1 l em a j o r a c h i e v e m e n t si nt h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n da c t u a l i t i e so fm p l sm u l t i c a s ta r er e v i e w e d s e c o n d l y , t h ea r c h i t e c t u r e ，c o n c e p ta n dp r i n c i p l ea r cd e s c r i b e di nd e t a i l t h i r d l y , t h e p a p e ra n a l y s e st h ep r o b l e ma n dt h ec u r r e n ts o l u t i o n so fm p l sm u l t i c a s t ，a n de m p h a s e s o nt h es o l u t i o no fu s i n gl d pe x t e n s i o n s ( m l d p ) t os e t u pm u l t i c a s tt r e ei nm p l s n e t w o r k f o u r t h l y , w ea n a l y z et h es u p p o r to fm p l sf u n c t i o nb yl i n u xk e r n e l ，a n d d e s i g nt h em l d pb a s e do nl i n u xk e r n e l t h e n ，t h ei n t e g r a t i o no fm p l sa n dm i p , t h e t 臣a m e w o r ko ft h em o b i l em u l t i c a s tb a s e do nm p l sa r ed e e p l yr e s e a r c h e d , a n dan e w m o b i l em u l t i c a s th a n d o f fm e c h a n i s mi sp r o p o s e d i nt h ee n d ，t h ep a p e rs u m m a r i z e st h e a c h i e v e m e n t so ft h ep a p e r , a n dd i s c u s s e st h er e s e a r c ht r e n do fm p l sm u l t i c a s t a d d i t i o n a l l y , t h ep r o p o s e ds o l u t i o no f m o b i l em u l t i c a s th a n d o f fm e c h a n i s mb a s e do n m p l sn e t w o r k h a s p l e d g e dt h e n a t i o n a lp a t e n tp r o t e c t i o n ( p a t e n ta c c e p t i n gn o ： 2 0 0 6 1 0 0 6 6 7 2 1 8 、 k e y w o r d s ：m p l sm u l t i c a s tm l d p m o b i l em u l t i c a s t c l a s s n o ：t n 9 1 5 0 4 致谢 作为研究生学习和科研工作的总结，这篇论文凝结着我多年求学的思索和努 力，同样也蕴涵着我的老师、亲人、同学和朋友的支持与帮助。 本论文是在我的导师张思东教授和张宏科教授的悉心指导下完成的，论文的 每一步工作都倾注着导师的心血。两位张老师作为通信领域知名的专家教授，对 科学技术的发展方向有着很准确的预测和把握。两位老师经常高屋建瓴地给我指 出前进的方向，而且在具体问题上给我以悉心指导，帮助我理清概念，扩展思路， 发现和解决实际问题，提高了我的科研能力。藉此论文完成之际，谨向培育我的 导师表示诚挚的谢意! 感谢周华春老师，在学习和工作中，您鞭策我要勇于面对挑战、勤钻研、多 思考，您对我的影响和教育将是我一生享受不尽的宝贵财富! 您孜孜以求的敬业 精神给我留下深刻的印象。感谢实验室的秦雅娟老师，郜帅老师、刘颖老师、苏 伟博士，在此一并向你们表示深深的谢意，没有你们的帮助和鼓励，也就没有我 的进步! 感谢和我一起学习和工作过的张晖、牛延超博士以及宋晓峰、刘玉兰、高国 亮、陈建、薛海波、蒋旭卉、李昂、于樊鹏、马云飞等硕士在生活上给予我的关 心和帮助以及学业上的切磋和指点，在此表示诚挚的谢意! 尤其要感谢鲁红梅硕士，我的进步和取得的成绩都离不开她对我的学习和工 作的理解、鼓励、支持和帮助。 最后特别感谢我的父母，是你们含辛茹苦地把我养育成人，支持和鼓励我不 断进取，我的每一个进步，都凝刻着你们无私的支持和关爱，你们始终不渝的关 心是我进步的源泉和动力l 最后衷心祝愿我的老师，同学和朋友们身体健康，万事如意! 祝愿我的家人 平安幸福、健康快乐! 邵书超 2 0 0 6 年1 2 月于北京交通大学 引言 i 引言 本章首先综述了m p l s t l i 3 1 产生的原因和背景，m p l s 技术的优势，然后对 m p l s 组播脚以及基于m p l s 网络的移动组播的研究现状作了简要的描述，最后归 纳了论文所做的工作并介绍了论文的组织结构。 1 i研究背景与意义 互联网曾经存在两个发展方向：一个是i p 网络技术，另一个是a t m 技术f 3 l 。口 技术的优点是有灵活的路由选择体系，采用非面向连接的“尽力而为”的服务方 式，适合于非实时性的信息传输，但i p 技术对时延、带宽等很难保证，也就不能满 足语音和视频等对实时性要求很高的应用的传输要求。同时在i p 网络上模拟语音业 务存在的同步问题也受到时延的困扰。a tm 是宽带通信网的核心技术，是一种面 向连接的传输技术，它综合了分组交换和电路交换的优点，具有良好的服务质量 的保证，支持语音、数据和图像通信。但其技术难度，如连接建立信令过于复杂， 路由灵活性不高，在传输较短的一般数据时，其效率不高，开销大。 随着网络的普及和网络数据传输的迅猛增长，人们对互联网的要求与日增， 互联网的迅猛增长对当前的网络提出了挑战。具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 新的应用层出不穷，如语音传送、视频服务、多媒体信息传输等； ( 2 ) 目前的i p 路由技术采取基于目的地址的最优数据传输通路查找法，而不 考虑所要传送数据的其它性能要求； ( 3 ) 网络规模迅速增长，但现有的i p 路由技术及组网方式不适应网络的扩展 和许多增值服务的提供； ( 4 ) 同时未来的业务以突发性数据业务为主，a t m 对此显得效率不足，传输 成本和交换成本较高，给网络资源造成很大浪费。 为了适应上述变化，多协议标签交换技术( m p l s ) 把i p 和a t m 的优点结合 起来，在满足新的业务需求的同时，不需改变现有的大部分网络设备。它是继口 技术以来的下一代广域网传输技术。m p l s 技术在一个无连接的网络中引入连接模 式减少了网络复杂性，并且兼容现有各种主流网络技术，大大降低了网络成本， 在提高m 业务性能的同时，确保了网络通信的服务质量和数据传输的安全性。 m p l s 最初是为了提高路由器的转发速度而提出的，但由于它在流量工程和虚拟专 用网( v p n ) 两项目前i p 网络中非常关键的技术中的有显著的优势，而且简化了 网络的控制过程，改善了网络的可扩展性，具备一定的q o s 功能，使得它已日益 北京交通大学硕士论文 成为扩大i p 网络规模的重要标准，而且越来越被运营商看好，成为i p 网络运营商 提供增值业务的重要手段。 下面分别对m p l s 组播技术和基于m p l s 的移动组播切换机制的研究背景进 行简述： ( 1 ) m p l s 组播 组播技术【4 】 5 l 【6 1 1 7 1 是一种优化使用网络带宽的路由技术，它避免了不必要的数 据包复制，减少了骨干网络的数据流量，所以组播技术一直是互联网络研究领域 中的热点问题。 m p l s 和组播是两种优势互补的技术，m p l s 组播网络可以使得数据包快速高 效的传输，既提高了传输速度，又可以保证网络资源的最优化应用。 如果在m p l s 上支持组播业务，除了能够更有效地利用第三层资源外，还有其 它的一些优势。首先，组播流量通常是持续时间长的宽带流( 如视频流) ，而这 正是标签交换的应用对象。此外，组播流的检测将会比较直接，因为它们一般会 使用显性的路由信息，而这些信息是很容易被截取的。最后，i p 组播应用u d p ，不 应用t c p 的拥塞避免措施，其大规模应用会产生大量的非可控流量，使网络性能下 降。使用m p l s 将会有效地控制这部分组播u d p 流量。 ( 2 ) 基于m p l s 的移动组播 随着各种应用需求的产生，移动设备用户也希望像其它台式机用户一样，能 够接入同样的网络，共享资源和服务，而不仅局限于某一固定区域。而且当它移 动时，能建立新的连接保持通信畅通。i e t f 制定的移动l p 协议，提供了一种i p 路由 机制，使得移动节点采用固定不变的i p 地址，一次登录即可实现在任意位置上保持 与i p 主机的单一链路层连接，使通信过程持续进行。 i e t f 的移动i p 协议在为单播路由提供支持的同时，它为组播提出的双向隧道 ( m i p b t ) 和远程加入( m i p - r s ) 1 两种基本方式成为移动组播算法的基础。这两种方 案还存在着很大的缺陷，无法较好地解决移动环境中组播所面临的新问题，如 m i p - b t 中的三角路由和隧道聚集问题，m i p r s 中同步丢失问题等，还远远没有达 到能够应用的程度。 如果通过移动i p 8 】【9 】f 1 0 】与m p l s 的融合，在基于m p l s 技术的骨干网上实现移动 i p ，用m p l s 的标签交换替代i p 路由，则可以降低传输的时延和数据包处理过程的 开销，增强移动i p 的可扩展性。移动i p 与m p l s 的融合，目标是为了支持移动i p 业 务，使m p l s 网络中的标签边缘路由器具有外地代理和本地代理的功能，并可以将 一个移动i p 网络连接到另一移动i p 网络。 在基于m p l s 网络上实现移动组播也可以很好地解决在移动i p 组播中存在的 切换时延、丢包率等问题。 2 引言 1 2 研究现状 1 9 9 7 年i e t f 提出了m p l s ，在1 9 9 9 年就有厂商推出了支持m p l s 的设备。在2 0 0 0 年以前，m p l s 的标准化制定工作仅由i e t fm p l s 工作组完成。m p l s t 作组成立 于1 9 9 7 年3 月，当时的主要任务和工作重点是研究制定m p l s 技术的实现规范。目 前，与m p l s 相关的工作组又五个：( 2 c a m p 工作组、l 2 v p n 工作组、l 3 v p n 工作 组、m p l s 工作组和p w e 3 i 作组。其中m p l s 工作组的工作重点已经有了很大的转 变，主要集中在制定通过l d p 扩展或r s v p - t e 扩展实现p 2 m p 和m p 2 m p 的标准、定 义m p l so a m 的需求及框架结构、解决m p l s 的多自治域之间流量工程的问题以及 负载平衡问题等。 下面分别叙述m p l s 组播和基于m p l s 的移动组播的研究现状。 1 2 1m p l s 组播的研究 i e t f 提出的第一个关于m p l s 组播的r f c 是在2 0 0 2 年提出的r f c 3 3 5 3 ，但此 r f c 并没有给出一个实现m p l s 组播的技术方案，只是给出了在实现m p l s 组播的 过程中应该注意的各种问题和困难，以及一个实现m p l s 组播的大体框架。然后直 至t j 2 0 0 5 年和2 0 0 6 年才提出了一些关于m p l s 组播的草案，其内容包括定义m p l s 组 播中的数据封装方式和标签分配，定义了使用l d p 【1 1 l 和r s v p t e t l 4 1 协议扩展建立 p 2 m pl s p 的需求及方案，定义了实现p 2 m pm p l s 网络中o a m 的需求和实现框架。 其中关于使用r s v p t e 扩展实现p 2 m pl s p 的需求于2 0 0 6 年2 月成为r f c 4 4 2 0 。 在此期间各研究人员撰写了许多学术论研究与探讨m p l s 组播的实现问题，提 出了一些有意义的解决方案，如边缘组播路由器方法、聚合组播方法、分支路由 方法和状态方法等。但这些方法各有优缺点，没有一个能成为统一的标准。由于 这些方案或多或少都需要对现有网络基础设备进行改变，也一直没有付诸于实现。 而i e t f 通过m p l s 信令协议扩展的方法实现m p l s 组播只需简单的对现有的网 络设备进行升级，有广阔的应用前景，是未来m p l s 组播网络发展的方向。本文正 是采取了这种方案，通过扩展的l d p 协议( m l d p ) 实现m p l s 组播网络，目前本 文的实现已经能够在基于l i n u x 内核的路由器上实现m p l s 组播数据转发的基本功 能。 1 2 2基于m p l s 的移动组播的研究 目前对于基于m p l s 的移动组播的研究还处于起步阶段，相关的文档和资料 北京交通大学硕+ 论文 也很少。提出的方案大多集中在解决m p l s 与m i p 和层次m i p ( h m i p ) 相结合的 问题。而移动组播的研究相对比较热门，i e t f 提出了针对移动i p 组播的两种基本 方案，即m i p b t 和m i p r s 。这两种方案在与移动i p 机制兼容的条件下实现了移 动i p 组播，但仍存在着较大的缺陷。尽管也提出了很多改进的方法，但仍存在许 多难以解决的问题。 基于m p l s 网络的移动组播可以解决存在于移动i p 组播中的诸多难题。但对 于基于m p l s 的移动组播的问题只是在2 0 0 4 年初步提出了一种具体框架，还有很 多需要探讨和改进的地方。本文在深入研究m p l s 于m i p 结合的机制、移动i p 组 播和基于m p l s 的移动组播的现有解决方案的基础上，提出了一种新的基于m p l s 的移动组播的切换机制，且申请了国家的专利保护。 1 3论文主要工作及结构 论文的主要工作是使用扩展的l d p 协议( m l d p ) 实现m p l s 组播转发功能， 并提出了一种基于m p l s 网络的移动组播切换机制。具体包括深刻研究m p l s 网 络的体系结构、基本概论及其工作原理，l d p 协议，各种组播实现方案，特别是 使用l d p 协议扩展的方案；阅读大量的开源源代码，包括l i n u x 内核的网络部分， l d p 协议的实现代码等，并掌握s o c k e t 编程、进程间通信等编程技术；设计并实 现m l d p 以实现m p l s 组播。在研究移动组播技术、m p l s 和移动i p 结合机制以 及现有的基于m p l s 的移动组播实施框架的基础上提出了一种基于m p l s 的移动 组播切换机制。 论文的组织结构如下； 第一章阐述了本文的研究背景，及相关技术的研究现状，并列出了论文的主 要工作和组织结构： 第二章分析介绍了m p l s 的体系结构、基本概论和工作原理，并对l d p 协议 进行了详细的介绍； 第三章研究了各种m p l s 组播的实施方案，并详细描述了使用m l d p 协议实 现m p l s 组播的技术方案； 第四章给出了m p l s 组播的设计方案，包括内核部分的研究和m l d p 的模块 设计； 第五章使用m l d p 协议实现m p l s 组播网络； 第六章在研究移动i p 、移动组播已经移动l p 和m p l s 技术结合技术的基础上， 提出了一种基于m p l s 网络的移动组播的切换机制； 第七章对全文进行总结，并提出了下一步的工作展望。 4 m p l s 技术基础 2 m p l s 技术基础 本章首先介绍了m p l s 技术的基本概念、网络体系结构、基本原理以及基本 功能，然后分析比较了m p l s 中的两种信令和控制协议，并对l d p t 1 作了详细的 介绍。 2 1m p l s 概述 m p l s 是一种利用标签引导数据在开放的通信网络上高速、高效传输的新技 术。它在一个无连接的网络中引入连接模式从而减少了网络复杂性，并且兼容现 有各种主流网络技术，能大大降低网络成本，在提高l p 业务性能的同时，能确保 网络通信的服务质量和数据传输的安全性。m p l s 结合流量管理、流量工程、q o s 等技术，实现了对基于i p 的多服务网络性能的进一步增强和优化，在根本程度上 改变了传统m 网络逐跳路由、i g p 路由汇聚、路由表过长、尽力传送等问题，在 l p 网络中将q o s 和t e 技术相结合，提供很强的q o s 支持及控制能力。 m p l s 之所以被称为“多协议”，是因为它不但可以支持多种网络层协议如m v 4 、 i p v 6 、i p x 、a p p l e t a l k 、d e c n e t 、c l n p 等，而且兼容包括a t m 、帧中继、以太网、 p p p 等在内的多种链路层技术。 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，然后在数据流的分组头中插入标签信息。在以后的转发过 程中，m p l sl s r 就只根据数据流所携带的标签进行交换或转发。然而信息流沿何 路由传送，这将由m p l s 设备中采用的第三层路由协议与用户需求及网络状态来共 同决定。缺省的情况下，各个m p l s 设备运行路由算法，根据计算得到的路由在逻 辑相邻的对等体间进行标签分配，通过标签的拼接建立起从网络入口到出口的标签 交换路径l s p 。其中，标签的分发过程需要遵循专用的控制协议，如l d p 或r s v p ， 或者搭载在路由协议( 如b g p ) 上进行。可见m p l s 的实质是将路由移到网络的边 缘，将快速、简单的交换机制置于网络的中心，对一个连接请求实现一次路由、多 次交换，由此提高网络的性能。 2 2m p l s 体系结构 m p l s 网络核心由标签交换路由器( l s r ) 、标签边缘路由器( l e r ) 组成。 其典型的结构如图2 1 所示： 北京交通大学硕士论文 图2 - 1m p l s 网络结构 l s r 的作用可以看作是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，用于确定转发等价体( f e c ) 和标签交换 路径( l s p ) ；l e r 可以是具有m p l s 功能的a t m 交换机，也可以是具有m p l s 功能的路由器。标签交换在m p l s 网络中的工作过程可概括为以下4 个步骤： ( 1 ) 由m p l s 信令协议( 如l d p ) 和传统路由协议( 如o s p f 等) 一起，在 l s r 中建立路由表和标签映射表； ( 2 ) l e r 接收i p 包后给i p 包加上标签，并m p l s 出口的l e r 上，将数据包 中的标签去掉后继续进行转发； ( 3 ) l s r 对数据包不再进行任何第三层处理，只是依据数据包上的标签通过 交换单元对其进行转发； ( 4 ) 在m p l s 域的出口l e r ，将m p l s 标签数据包中的标签去除，读取数据 包头，进行第三层处理，将其转发到最终目的地。 2 3m p l s 中的基本概念 2 3 1转发等价体 转发等价体在m p l s 中是一个非常重要的概念。它是一系列具有某些共性的 数据流集合，这些数据在转发的过程中被l s r 以相同的方式进行处理。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。f e c 要素主要包括： 地址前缀( a d d r e s sp r e f i x ) 、主机地址( h o s ta d d r e s s ) 等。 m p l s 最基本的功能就是将数据流汇聚成转发等价体。f e c 中的流量沿着标 签交换路径( l s p ) 贯穿整个m p l s 域。一个转发等价体f e c 中的数据包是通过 6 m p l s 技术基础 唯一的、只具有本地含义的标签所标识的。 2 3 2标签及标签操作 标签( l a b e l ) 是一个短而定长的、只具有局部意义的标识符，用于标识在规定 条件下的一个f e c 。数据包到达m p l s 网络的入口时，它将按一定的规则被划归 为不同的f e c ，根据数据包所属f e c 将适当的标签插入数据包头中，然后在网络 中按标签进行交换式转发。 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。虽 然固定标签长度使传输效率略有下降，但是以此换得了交换性能的很大提高。标 签具有局部意义是指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 路由器的发端口和下游路由器的收端口之间有意义，相同的标签值在不同的路由 器之间有不同的意义。 标签是m p l s 技术中的核心概念，与标签相关的概念涉及到m p l s 中的方方 面面，下面将分别予以介绍： ( 1 ) 标签堆栈 大型的网络分层比较复杂、子网划分比较多，m p l s 数据包经过这样的网络时， 就会携带多个标签。在m p l s 分层网络中，当数据包经过不同层次的l s r 时，就 会被绑定各层的标签；当数据包离开m p l s 网络时，数据包的标签又会被一层层 剥去。这个绑定和剥去的顺序正好与堆栈的先进后出的规律相符，因此在m p l s 中，标签在数据包中以“堆栈”的形式存在，对标签堆栈的操作按照“后进先出” 的原则进行，这就是“标签堆栈”。在标签堆栈中，决定如何转发数据包的始终是 位于堆栈顶的标签。事实上标签交换路由器并不考虑此标签堆栈有几层，也就是 说对标签数据包的处理在不同的子网和不同层次的网络中是相互独立的。在m p l s 中标签堆栈的层数叫做标签堆栈的“深度”。无标签的数据包看作是标签堆栈深度 为0 的数据包。如果数据包标签堆栈深度为m ，那么栈底的标签为第一层标签， 而栈项的标签为第m 层标签。 ( 2 ) 标签封装 标签是和数据包是一起转发的，在转发之前要对标签进行适当的编码和封装。 转发标签数据包的硬件设备不同，对标签采用的编码和封装方式就不同。m il s 对各种介质上的标签封装作了规定。 m p l s 在数据链路层与网络层头间定义一层“垫片( s h i m ) ”来实现标签编码与 封装，垫片封装于网络层数据包中，但独立于网络层协议，因而可以封装于任何 7 北京交通大学硕十论文 网络层数据包中。 标签堆栈在数据链路层头的后面，但在任何网络层头的前面。标签堆栈表现 为一个“标签堆栈条目”序列。每个标签堆栈条目用4 个字节来表示。其封装格 式如图2 2 所示： e x p ：实验字段3 比特 s ：栈底标志字段，1 比特 1 1 乙：生存时间字段，8 比特 图2 - 2m p l s 标签封装 每个标签堆栈条目被分四个区域：标签堆栈的底部标志( s ) 、生存时间( t t l ) 、 实验用( e x p ) 以及标签值。其中某个标签堆栈条目的s 位被置l 时，则表示它 是标签堆栈的最后一个条目( 如标签堆栈的底部) ，而在标签堆栈的其他条目中s 位都为0 。 ( 3 ) 标签交换 数据包在m p l s 域中的转发是通过标签交换的方式完成的，标签交换要涉及 以下几个相关的概念： 下一跳标签转发条目( n h l f e ) 。当进行标签转发时要用到n h l f e ，其中 包括以下信息： 数据包的下一跳 对标签堆栈所作的操作，可能是下面所列的标签堆栈操作的一种：用新的 标签代替堆栈项的标签：将标签弹出堆栈；用新的标签代替堆栈顶部的标 签，再将一个或多个标签压入堆栈。 在n h l f e 中可能还会包含；发送数据包时采用何种数据链路封装方式； 发送数据包时采用何种标签编码方式；正确处理数据包所需要的任何其它 信息。 输入标签映射( i l m ) 。输入标签映射是指输入标签向n h l f e 的映射。每一 个输入标签通过i l m 可以映射为一系列n h l f e 。如果映射为多个n h l f e ，那么 在转发数据包之前必须选定一个n h l f e 控制转发。将一个标签映射为多个n h l f e 对于在多条开销相同的通道上实现负载平衡非常有用。 f e c 到n h l f e 的映射。f e c 到n h l f e 的映射( f t n ) 是指f e c 向n h l f e 的映射。当l s r 转发无标签数据包的时候要进行这种映射，在转发之前要为原来 没有标签的数据包加标签。每个标签通过f t n 就会被映射为一系列的n h l f e 。如 果映射为多个n h l f e 控制转发，那么在转发数据包之前必须选定一个n h l f e 控 制转发。 8 m p l s 技术基础 在转发有标签的数据包时l s r 先检验标签堆栈的顶部标签，然后进行输入标 签映射。接着根据n h l f e 中的信息确定向何处转发数据包，对标签堆栈进行相应 的操作，最后将形成的标签堆栈进行编码，完成转发。在转发无标签数据包时， l s r 先分析网络层包头确定数据包属于哪个f e c ，然后进行f t n 映射，接着根据 n h l f e 中的信息确定向何处转发数据包，对标签堆栈进行相应的操作，最后将新 形成的标签堆栈进行编码，完成转发。 ( 4 ) 标签分发方式 在m p l s 网络中，l s r 使用标签交换转发数据包到另一个l s r 。在能使用标 签之前，两个l s r 间必须对标签的使用达成一致理解，这个过程称为“标签分发”。 实际上，标签分发是l s r 用以通知另一个l s r 它所做出的有关标签与f e c 绑定 的一系列处理过程的总称。 标签分发的方式有许多种，根据分发标签主体的不同，可分为下游标签分发 和上游标签分发。目前使用较多的是下游标签分发的两种： 下游按需标签分发。这种方式下l s r 按照当时的需要，为某一个f e c 从 它的下游l d p 对等体处显式地提出标签绑定申请。 下游自主标签分发。这种方式下游的l s r 主动告知上游的l s r 有关的标 签绑定信息，而不管上游的l s r 是否向它提出标签请求。 这两种标签分发方式可以共同存在于一个网络中，也可以是网络的一部分采 取按需分发，另一部分采取自主分发的方式。但是对于某对上、下游l s r 必须 事先对采用何种标签分发方式达成共识。 ( 5 ) 标签分发控制 标签分发控制方式分为两种：独标签分发控制方式和有序标签分发控制方式。 使用独立标签分发控制方式时，每个l s r 可以在任意时间向和它连接的l s r 通告 标签映射。使用有序标签分发控制方式时，只有当l s r 收到某一特定f e c 下一跳 的特定标签映射消息或者l s r 是l s p 的出口节点时，l s r 才可以向上游发送标签 映射消息。 ( 6 ) 标签合并 标签合并指：如果来自m p l s 域内不同入口节点( i n g r e s sl s r ) 且携带不同入标 签值的多条业务流，均被网络内的某个节点l s r 所接收，并且从该l s r 开始直到 m p l s 域内出口节点( e g r e s sl s r ) 为止，它们的标签交换路径是完全相同的，那么 就在节点l s r 处将上述不同的业务流映射到同一个出标签，并沿同一条l s p 转发 到边缘出口节点。标签合并是m p l s 的一项重要功能，它有两个明显的优点：大 量节省转发标签的使用数量，减少l s r 对于每个标签的控制负担。 m p l s 结构既支持标签合并，又允许不对标签进行合并，并不是所有的l s r 9 北京交通大学硕士论文 都可以支持标签合并。这就需要在支持标签合并的l s r 与不支持标签合并的l s r 之间进行沟通，而沟通的方式会根据传输介质的不同而不同。 ( 7 ) 标签保持 一个l s r 可能会从对等的l s r 处收到去往同一目的地的多个标签映射信息。 l s r 可以只保留它认为是到目的地的有效下一跳分发的标签，丢弃其它l s r 的绑 定信息；l s r 也可以保持所有从对等l s r 处收到的标签，而不管分发标签的l s r 是不是自己的下一跳。前一种保持方式称为保守的( c o n s e r v a t i v e ) 标签保持模式， 它的优点是节约资源，同时由于l s r 只需保持较少的标签，相应的标签维护也变 得较为容易。缺点是当路由发生变化时，l s r 要重新请求标签，这样会带来相当 的时延。后者称为自由的标签保持模式，其优点是对路由变化的适应能力强。缺 点是系统要维护许多无用的标签，增加了系统的负担。 ( 8 ) 标签清除 由于m p l s 标签空间是有限的，因此标签使用完成后应该被消除，留出标签 空间给另外的传输内容使用。另外，网络的拓扑结构不是一成不变的，标签生成 的条件和规则会随着拓扑结构的更新而变化，因此使用过的标签就失去了存在的 意义。鉴于这两个原因，标签的消除就显得比较重要了。常见的标签清除机制有 以下几种： 利用计时的方式清除标签。这种机制下，标签分发的内容中包括标签生存 时间一项。l s r 在收到带有生存时间的标签，就开始对标签进行计时，如 果在计时结束时标签没有得到更新，那么标签就会被丢弃。 利用m p l s 对等体保持激活机制进行标签清除。在这种方式中，m p l s 逻 辑相邻的节点之间周期性地交换控制数据。如果两个m p l s 节点之间的会 话失败就丢弃标签信息，否则标签信息会被一直保留。 利用l d p 协议发送的标签清除消息清除已经失效的标签。 2 3 3标签空间 标签分发中要用到标签空间的概念，因为标签分发就是在标签空间中选出尚 未使用的标签向提出标签申请的对等体发配此标签。目前标签空问有两种类型： ( 1 ) 每接口标签空间( p e r i n t e r f a c e l a b e ls p a c e ) ：将一系列标签划分给特定的 接口，这些标签构成了相应于此接口的标签空间。也就是说标签只是在特定的接 口处有意义，同样的标签值可以被用于不同的接口，而不同的接口可能会对同样 的标签值有不同的解释。在此接口处使用接口资源作为标签。 ( 2 ) 平台标签空间( p e rp l a t f o 蛐l a b e ls p a c e ) ：将标签划归整个平台所共有， 1 0 m p l s 技术基础 这些共有的标签构成了平台标签空间。也就是说标签将在整个平台范围内有意义， 同样的标签值不能被用于多个接口，在整个平台范围内对标签有唯一的解释。 2 3 4标签交换路由器 标签交换路由器( l s r ) 是m p l s 网络中的基本构成单元，l s r 主要由控制单元 和转发单元构成，其功能分别如下： ( 1 ) 控制单元。该模块的功能是用来和其他l s r 交换三层路由信息，以此建 立路由表和交换标签对路由的绑定信息，以此建标签信息库f i b 。同时再根据路由 表和f i b 生成标签转发信息库( l f i b ) 。 ( 2 ) 转发单元。转发单元的功能主要是根据控制平面生成的l f i b 表转发数 据包。 2 3 5标签边缘路由器 标签边缘路由器( l e r ) 是处于m p l s 网络边缘的路由器，其主要功能是连接 不同的m p l s 域或者连接m p l s 域与非m p l s 域。因此标签边缘路由器还要在l s r 的基本功能上增加实现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。并实现对业务进行分类、分发标签、剥去标签等工作。 它甚至可以确定业务类型，实现策略管理，接入流量工程控制等工作。l e r 是实 现m p l s 网络的关键设备之一。 2 3 6标签交换路径 标签交换路径( l s p ) 是指用于传送一个特定f e c 数据包，在同一层面上穿 过一个l s r 序列 的一条路径。其中r l 是l s p 的入口i n g r e s s ， r n 是l s p 的出口e g r e s s ，r 2 到r n - 1 是中间转发节点。 m p l s 的路由通过传统的三层路由协议( 如o s p f 、b g p d 等) 来实现。第三 层路由协议维护的信息将用于给相邻节点分发标签。在m p l s 网络中，路由协议 即路由域的拓扑范围和支持m p l s 标签交换的节点范围能有所不同。m p l s 的路 由选择是为一个f e c 选择一条l s p 。 m p l s 的路由通过标准的第三层路由协议( 如o s p f 、b g p d 等) 来实现。第三层 路由协议维护的信息将用于给相邻节点分配标签。在m p l s 网络中，路由协议即 路由域的拓扑范围和支持m p l s 标签交换的节点范围能有所不同。 北京交通大学硕士论文 m p l s 的路由选择是为一个f e c 选择一条l s p ，m p l s 支持两种路由选择技 术：逐跳式路由l s p 、显示路由l s p 。 ( 1 ) l s p 中倒数第二跳标签弹出 l s p 具有的一个特点就是：如果 是分组p 的第m 层l s p ，分 组p 从r n 1 到r n 的传送过程中其堆栈深度可以为m 1 ，也就是说栈项标签可以 在l s p 的倒数第二个l s r 中弹栈，而不是在出口l s r 中。 这样做的原因主要是： 从l s r 的结构来看，这样做十分适合。这是因为第m 层的标签是引导分 组至r n ，当r n - 1 决定将分组发往r n 后，第m 层的标签就再无实际用途。 因此也就没有再传送它的必要。 在倒数第二跳弹出标签具有实际可行性，并具有一定的有益之处。因为如 果不进行倒数第_ - z 3 弹栈，当出口l s r 收到分组后，它先是查找栈顶标签， 并由此确定自己就是出口l s r ，然后弹栈，接着再进一步检查经过弹栈后 的分组，检查是否标签栈中还有剩余的标签。如果栈中仍有标签，出口l s r 将以此标签转发分组；如果堆栈中己无标签，l s r 将根据网络层分组头的 目的地址进行选路。这就要求出口l s p 至少进行两次查找：两次标签查询 或一次标签查询加一次网络层地址查询。相反地，如果在倒数第二跳就进 行弹栈，那么进行倒数第二跳查找的节点只需要完成判断自己是否是倒数 第- z 3 b 和下一跳是哪里的操作。然后倒数第二跳弹出堆栈，并根据弹出的 标签转发分组。出口l s r 收到分组后只要进行一次查找就可以转发分组。 不过只有当出口l s r 要求进行倒数第二跳弹栈时，倒数第二个l s r 才知道自 己要完成倒数第- z