（通信与信息系统专业论文）mpls网络路由优化与算法研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明；所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：煎25 整搬 日 期：垃复：生：z 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：趔5 墨峻导师签名： 日期： 山东大学硕士学位论文 摘要 传统的i p 技术路由的选择基于简单的连接m e t r i c ( 路径花费的度量方法) 来计算最短路径。这种方法具有高度的分布性和可扩展性，但它却有着自身的 缺点：这些协议在路由决定时，没有考虑传输流量的特点和网络容量的约束。 这样的结果是导致网络资源的局部出现拥塞，而沿着其它路径的资源却未被充 分利用。这种类型的拥塞问题是由于资源分配不当造成的。随着i n t e r n e t 的 快速发展，网络拥塞问题变得越来越严重。流量工程是对运营中网络的业务流 量进行控制的过程，它包括对业务流量的测量、建模、描述以及为达到特定的 性能指标所使用的各种技术，其目标是使资源利用和网络性能达到最优化，减 少网络拥塞的发生。另外，流量工程通过对资源的合理配置和对路由过程的有 效控制使网络资源能够得到最优的利用，从而可以大大改善网络的各项q o s 指 标。所以，流量工程为i p 网络的q o s 实现提供了有力保障。然而，目前i n t e r n e t 上使用的传统路由协议几乎还没有流量管理的功能，所以它们无法在不同开销 的多条路径上进行负载平衡。为了有效实施流量工程，i n t e r n e t 工程任务组 ( 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 ) ，引入了约束路由技术、多协议标 记交换技术m p l s 和增强型链路状态内部网关协议( e n h a n c e dl i n ks t a t e i n t e r i o rg a t e w a yp r o t o c 0 1 ) 。 基于约束的路由选择( c o n s t r a i n tb a s e dr o u t e ，c b r ) ，是i n t e r n e t 流量 工程的中的核心技术。也是实现q o s 业务的关键。基于约束的路由选择技术是 由q o s 路由选择( q o s ) 技术发展而成的，它可以根据多个约束条件，来计算出 所有的可行路径。这些约束条件包括q o s 要求、资源可用性约束和策略( p o l i c y ) 约束a q o s 路由和策略路由可以看作是约束路由的特例。在决定路由时，约束 路由不仅考虑网络拓扑，同时也考虑业务流的q o s 要求、链路资源的可用性和 网管制定的其它策略。与传统的最短路径优先的路由选择技术相比，基于约束 的路由选择不仅可以为业务流找出最可能满足其q o s 要求的可行路径，而且还 可以根据其他度量方式使业务流均匀合理的分布，从而可以在很大程度上克服 最短路径的瓶颈效应，减少拥塞的发生，提高网络资源的利用率，实现网络性 能优化的目标。 山东大学硕士学位论文 由于c b r 算法在网络性能优化中的重要应用。所以对c b r 的研究具有较高 的理论价值和实际意义。本论文从网络性能优化的角度，对i p m p l s 网络中的 路由进行了分析和研究。在此基础上提出了适用于i p m p l s 网络优化的路由算 法。论文首先从m p l s 技术的发展过程和工作原理做了一下简单的介绍，使我 们对m p l s 技术有了一个比较全面的认识。由于m p l s 网络中的路由与传统i p 网 络中的路由有着密切的关系，所以对传统i p 网络中的路由从相关理论到具体实 现都较深入的研究。接着对m p l s 网络通常采用c b r 算法的显式l s p 路由进行了 研究。在c b r 算法中，考虑了一些的约束条件，这其中主要是带宽的约束；对 于链路的属性也使其更丰富一些，除了m e t r i c 值，还要有带宽、传播时延、建 设代价等，其中带宽作为路由的约束，其它作为计算最短通路的依据；将业务 进行分类、分优先级：在路由时，首先考虑带宽的限制，在满足带宽的条件下， 对不同种类的业务使用不同的m e t r i c 值计算最短通路，建立l s p 并预留资源。 l s p 的建立根据优先级从高到底的顺序进行。通过c b r 算法的实现期望达到优 化网络资源的目的，从而能够使网络资源得到更为充分的利用，提高网络的利 用效率。 关键词：m p l s路由c b r 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a li pt e c h n o l o g yr o u t i n gb a s e dt h es i m p l ym e t r i c1 i n k t oc a l c u l a t et h es h o r t e s tr o u t e t h es o l u t i o nc a nb ec h a r a c t e r i z e db vt h e d is t r i b u t i o na n de x p a n s i b i l i t y b u tt h e r ei st h ef a i l i n g ：i td o e s n tc a r e o ft h es p e c i a l t yo ft h et r a f f i ca n dt h ec o n s t r a i n to ft h ec a p a b i l i t yo f t h en e t w o r k ，w h e nd e c i d et h er o u t eb yt h ep r o t o c o l s t h i sl e a d st o1 0 c a l c o n g e s t i o no fn e t w o r kr e s o u r c e ，b u tt h eo t h e rr e s o u r c ei sn o tb em a d et h e m o s t t h ek i n do fc o n g e s t i o ni sd u et ot h e i m p r o p e rd i s t r i b u t i o no ft h e r e s o u r c e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e t ，t h e c o n g e s t i o ni s m o r ea n d m o r es e r i o u s t r a f f i ce n g i n e e r i n gi st h ep r o c e s st oc o n t r 0 1 t h es e r v i c e s i nt h ew o r k i n g n e t w o r k s t h e yc o n c l u d em e a s u r e m e n t ，m o d e l i n g ，d e s c r i p t i o n f o rs e r v i c et r a f f i c ，a n da l lk i n d so ft e c h n o l o g i e sw h i c ha r ea p p ll e dt o r e a c ht h es p e c i a lt a r g e tc a p a b i l i t y w ew a n tt h eu t i l i z a t i o no fr e s o u r c e a n dt h e p e r f o r m a n c e o fn e t w o r kt o g e to p t i m i z a t i o n t or e d u c et h e c o n g e s t i o no fn e t w o r k i na d d i t i o n a l ，t r a f f i ce n g i n e e r i n gm a k e st h eb e s t u t i l i z a t i o no ft h en e t w o r kr e s o u r c eb yt h er a t i o n a lc o n f i g u r eo fr e s o u r c e a n dt h ee f f i cl e n tc o n t r o lo ft h ep r o c e s so fr o u t e s oi tc a ni m p r o v et h e t a r g e t s o ft h eq o st h en e t w o r k t r a f f i c e n g i n e e r i n gp r o v i d e s a g o o d g u a r a n t e ef o rt h er e a l i z a t i o nq o so fi pn e t w o r k b u tt h et r a d i t i o n a l p r o t o c o l sh a v eh a r d l yt h ef u n c t i o no ft r a f f i ce n g i n e e r i n gi nt h ep r e s e n t i n t e r n e t ，s ot h e yc a n tr e a l i z et h el o a db a l a n c ei nt h ed i f f e r e n t o v e r h e a di np a t h s i no r d e rt or e a l i z et r a f f i ce n g i n e e r i n g ，i e t f ( i n t e r n e t e n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) i n t r o d u c et h et e c h n o l o g yo fc o n s t r a i n tr o u t e ， m p l s ( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h ) a n de n h a n c e d1 i n ks t a t ei n t e r i o rg a t e w a y p r o t o c 0 1 c b r ( c o n s t r a i n tb a s e d r o u t e ) i s t h ec o r e t e c h n o l o g y i ni n t e r n e t t r a f f i ce n g i n e e r i n g ，a n dt h ek e yo fr e a l i z a t i o no fq o ss e r v i c e c b ri s t r a c e a b l et h eq o sr o u t e i tc a nc a l c u l a t et h ev i a b l e p a t h sb yt h ed i f f e r e n t 3 山东人学硕士学位论文 c o n s t r a i n tc o n d i t i o n s t h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n sc o n c l u d et h er e q u e s to f q o s ，t h ec o n s t r a i n to fr e s o u r c eu s a b i l t ya n dp o l i c y c b rc a r eo fn o to n l y t h e t o p o l o g yo fn e t w o r k ，b u t a l s ot h er e q u e s to fq o so fs e r v i c e ，t h e u s a b i 1i t y o fli n kr e s o u r c ea n dt h eo t h e rp o l i c yw h a t i n s t it u t e d b y a d m i n i s t r a t o r c o m p a r e dt ot h eo 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 e ，c b r n o to n l yf i n dt h ef e a s i b l ep a t ht os a t i s f i e dt h er e q u e s to fq o sf o rs e r v i c e ， b u tc a nr e a s o n a b l ya n de v e n yd i s t r i b u t et h es e r v i c e t h e r e f o r e i tc a n o v e r c o m et h ec h o k ep o i n to fo s p ft oal a r g ee x t e n d s oi tc a nr e d u c et h e c o n g e s t i o na n di m p r o v et h eu t i l i z a t i o no fn e t w o r kr e s o u r c e ，a n dr e a l i z e t h eo p t i m i z a t i o no ft h ep e r f o r m a n c eo fn e t w o r k b e c a u s ei th a st h ei m p o r t a n c ei nt h eo p t i m i z a t i o no fn e t w o r k ，s ot h e r e i s i m p o r t a n c et or e s e a r c ht h ea r i t h m e t i co fc b ri nt h e o r ya n di np r a c t i c e ir e s e a r c ha n da n a l y z et h ei p m p l sn e t w o r k sr o u t ei nt h ev i e wo ft h e o p t i m i z a t i o no fd e t w o r k a n db r i n gu pt h eo p t i m iz a t i o na r i t h m e t i co fr o u t e i nf i r s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n dt h ep r i n c i p l eo ft h e t e c h n o l o g y o f m p l s ，s o w ec a nh a v ea c o m p a r a t i v e l yc o m p r e h e n s i v e u n d e r s t a n d b e c a u s et h ec o n s a n g u i n e o u sr e l a t i o no fr o u t eb e t w e e ni pa n d r p l s ，im a k ead e e pr e s e a r c hi nc o r r e l a t i v et h e o r ya n dt h er e a l i z a t i o n i nt r a d i t i o n a li pn e t w o r k i nf o l l o w i n g ，ir e s e a r c ht h ee x p l i c i tl s pr o u t e t h a tu s e st h ec b ra r i t h m e t i ci nm p l sn e t w o r k t h ec b ra r i t h m e t i cc a r e s o fs o m ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n s t h e d o m i n a t i n g i st h ec o n s t r a i n t o f b a n d w i d t h ie n r i c h1i n ka t t r i b u t e s ，i tc o n c l u d em e t r i c ，b a n d w i d t h ，d e l a y o fs p r e a d ，c o s to fc o n s t r u c t i n g w em a k et h eb a n d w i d t ha st h ec o n s t r a i n t o fr o u t e ，a n dc a l c u l a t et h es h o r t e s tp a t hb yt h eo t h e r1i n ka t t r i b u t e s i c l a s s i f ys e r v i c ea n dp r i o r i t y w ec o n s i d e rt h eb a n d w i d t hc o n s t r a i n t f i r s tw h e nr o u t e w h e nt h er e q u e s to fb a n d w i d t hi ss a t i s f i e d ，w ec a l c u l a t e t h es h o r t e s tp a t hb yt h ed i f f e r e n tv a l u e so fm e t r i cf o rd i f f e r e n ts e r v i c e s t oe s t a b l i s hl s pa n dr e s e r v a t i o n t h ee s t a b l i s ho fl s pi s b a s e dt h e p r i o r i t yf r o mh i g ht ol o w w ee x p e c tt h a tc a nr e a l i z et h eo p t i m i z a t i o n 4 t 1 1 尔大学硕士学位论文 o fn e t w o r kr e s o u r c eb yt h ec b ra r i t h 皿e t i cg om a k et h eb e s tu s eo fn e t w o r k r e s o u r c ea n di m p r o v et h eu s a b i l i t yo fn e t w o r k k e y w o r d ： m p l sr o u t ec b r 5 山东大学硕士学位论文 符号说明 区域边界路由器 边缘网关协 义 同类会议 备用指定路由器 基于约束路由 服务等级 数据链路连接标识 指定路由器 外部网关 增强内部网关协议 发等价类 转发信息库 内部网关协议 内部网关路由协议 因特网工程任务组 中间系统对中间系统协议 i n t e r n e t 服务提供商 标记 标记分发协议 边缘标记交换路由器 标记信息库 链路状态发布 标记交换路径 标记交换路由器 多协议标记交换 开放最短路径优先 6 慨 鏖i m 矾 呱 勰 蝴 薹i 暑| i 鲫 差| 壅 叁i | | i 一 照 一 雌 璧i 垩| 童i 壁i 壁| 慨 | 耋i 山尔大学硕士学位论文 p d u ： q o s ： r f c ： r i p ： s p f ： 协议数据单元 服务质量 请求注释 路由信息协议 最短路径优先 7 山东大学硕士学位论文 第一章引言 近年来，通信技术发展迅速。其中i p 技术和和光网络技术尤为显著。可以 毫不夸张的说，i p 改变了传统通信技术领域以及应用市场的格局。从目前i p 网络发展速度和趋势看虽然还存在争议，但人们已经接受了e v e r y t h i n go v e ri p 以及i po v e re v e r y t h i n g 这两个概念，各种基于i p 业务以及为i p 服务下层网 络技术纷纷出现，i p 技术大有一统天下的趋势。很多通信标准制定组织、世界 性的设备供应厂商都非常看好i p 技术，将i p 技术作为优先发展以研究的重点。 i p 技术和i n t e r n e t 相互推动，迅速发展。i n t e r n e t 正在戏剧性地改变着我 们的生活方式，我们的商业运作模式甚至整个社会的思维方式。随着新应用需 求的诞生，人们把更多的目光投注在宽带i n t e r n e t 和无线i n t e r n e t 之上。从 窄带发展到宽带和无线i n t e r n e t ，这是i n t e r n e t 发展的必由之路，宽带 i n t e r n e t 带来了性能和速度的提高，为用户提供了更愉悦的网上感受，同时宽 带也为高宽带应用奠定了基础，例如网上的视频点播、实时音频视频交流、海 量数据异地存储等。作为新业务的技术支撑，i p 网络必须满足这种宽带、实时 的要求，传统的i p 技术很难达到这样的要求，i p v 6 、资源预留协议、多协议标 记交换( m p l s ) 等转发技术以及波分复用密集波分复用等传输技术应运而生。 本论文所要讨论的新技术支撑就是作为一种转发技术的m p l s 。m p l s 可以在 下面几个领域有相对于传统i p 网络的改善。可以有更为简单的网络拓扑和更高 性能的处理能力，以满足指数速率增长的通信业务量和日益增加的链接数量及 速度的需求；可以有更好的扩展性，绝对的可靠性以及广泛的服务类别；可以 有电信级的网络管理，以管理网络优化工作和容量规划，提供集中式的管理网 络和处理计费、记帐信息等。可以预见。m p l s 在未来宽带网络中将占据重要的 地位，其市场潜力不可低估。因此，进行m p l s 网络优化方法的研究非常有意义。 本论文主要是研究m p l s 网络中路由的优化。通过台理地配置网络中的路由。 才能使网络资源得到充分的利用，以提高网络的效率。在传统的i p 网络中，只 能够提供不可靠的、尽最大努力投递的、无连接的分组投递服务，没有q o s 的 保证，也不能很好的实现流量工程，并且路由算法是致力于发现某个衡量尺度 8 山东人学硕士学位论文 的最优化( 比如，将跳数最少即通路最短) 的一条路径，这就造成分组一般只 能在最优化的通路上转发，即使是在最优化通路负载很重的情况下，分组也不 能通过虽然不是最优些但是负载较轻的路径进行转发。 随着m p l s 技术的发展，i n t e r n e t 网络中的流量工程爿得以较好的实现，并 且在m p l s 网络中，不仅能够支持传统i p 网络的尽力而为的分组转发服务，而 且还能够支持各种优先级别的具有q o s 保证的服务。当阿络提供具有q o s 保证 的服务时，即通过设定某些q o s 参数，给路径附加某些限制，这种路径的计算 方法称为基于约束路由( c b r ) ，这就要研究如何设置路由以达到优化网络资源 的目的。通过研究m p l s 网络中各种情况下路由的设置，可以达到优化网络资源 的目的，能够使现有的网络资源发挥更大的经济及社会效益。 9 山尔人：擎硕士学童论文 第二章m p l s 技术发展与工作机制 2 1m p l s 技术发展简介 2 1 - l m p l s 产生的背景 在现有的网络技术中，从支持q o s 的角度来看，a t m 作为一种快速分组交 换技术具有得天独厚的技术优势。因此a r m 曾一度被认为是一种处处适用的技 术，人们最终将建立通过网络核心便可到达另一个桌面终端的纯a t m 网络。但 是实践证明这种想法是错误的。首先，纯a t m 网络的实现过于复杂，导致应 用价格高，难以为大众所接受。其次，在网络发展的同时相应的业务开发没有 跟上，导致目前a t m 的发展举步维艰。第三，虽然a t m 交换机作为网络的骨干 节点已经被广泛使用，但a t m 到桌面的业务发展却十分缓慢。 i p 技术和a t m 技术彼此都需要借助对方以求得进一步发展这两种技术的 结合育着必然性。m p l s 技术就是为综合利用网络核心的交换技术和网络边缘的 i p 路由技术各自的优点而产生的。 m p l s 技术的提出主要来源于早期的各种标电交换技术的发展。标记交换技 术最早出现在集成模式的i po v e ra t m 中。当时，i po v e ra t m 的叠加模式得到 了比较好的应用，但是，它在效率、容量、扩展性以及q o s 等方面的缺陷逐渐 被人们所认识，各大厂商开始纷纷研究自己的集成模式的i po v e ra t m 技术。 由于多种原因，包括更为完整的技术规则说明、更高的时间效率以及有效 的市场运作方式，i p 交换技术经i p s i l o n 公司在1 9 9 6 年推出。i p 交换技术能 使具宥a t m 交换机性能的设备执行路由器的功能。当时i p s i l o n 公司将他们的 i p 交换技术做成很多i n t e r n e tr f c 文档，这使i p s i t o n 公司将自己的技术标榜 为“开放的”。另外，通过对简单交换控制协议( g s m p ) 的具体定义，能够通 过一个外加的扩展控制器将任何的a t m 交换机转变为“i p 交换机”。 东芝公司首先具体描述了种标迎交换方案，即c s r 技术。c s r 提出了将 a t m 交换结构置于i p 协议中而不在a t m 协议的控制之下的思想。籍此，该方案 将可以完全取消a t m 信令与复杂的地址映像过程。值得注意的是c s r 采用所谓 山尔大学硕士学他论文 的“旁路信道”来实现分组的转发，从而开创了标记交换的先河。c s r 方案被 提交到i e t f ，并成为了r f c 文档。然而，对浚方案的研究工作并不深入，该技 术的定义也尚不清楚完善，而且至今仍未形成实际的产品。 就在i p s i i o n 宣布他们的i p 交换不久，c i s c o 公司就宣布了其标记交换技 术，不过当时的叫法是“标记交换( t a gs w i t c h i n g ) ”。标记交换技术和i p 交换以及c s r 相比，在技术上差别很大。例如，在交换机一h ，它并不以数据流 量来设置前向表，并且不同于a t m 网络的是，对于很多的连接层技术来说，它 提供了详尽具体的说明。和i p s i i o n 公司相同的是，c i s c o 公司也做了描述的 技术的r f c 。但是，c i s c o 公司准备通过i e t f 将他们的技术最终实现标准化。 正是为了实现这一目标，他们起草了大量的i n t e r n e t 文件用来说明标记交换 技术的各个方面。正是通过c i s c o 的不断努力，最终才有了我们现在所知道的 m p l s 工作组，并且现在m p l s 成为标记交换的通用术语。 也是在c i s c o 公司宣布他们的标记交换技术，并努力在l e t f 中使之成为标 准化不久，i b m 公司起草了一些文档来描述另外种新的标i 己交换技术，他们 称之为集中式基于路由的i p 交换技术( a r i s ) 。和其他几种标记交换技术相比， a r i s 与c is c o 公司的标记交换技术更为相近。两者都是采用控制流量而不是采 用数据流量来设置前f u 表，但是，a r i s 在一些方面与标记交换也有明显的不同。 许多a r i s 的思想也进入到了m p l s 标准之中。 在c i s c o 宣布他们的标记交换技术的同时，他们也宣称将要使之标准化。 在他们提出了一系列有关标记交换的i n t e r n e t 草案以后不久，在1 9 9 6 年l o 月 份召开了一个b o f ( b i r d so ff e a t h e r ) 会议。当时c i s c o 、i b m 、t o s h i b a 均参 加了这次会议。b o f 会议成了i e t f 历史上一次比较重要的会议。 由于已有多个公司制造出非常相似的产品来解决当时网络中出现的新问 题，因此将这一技术标准化成为当时会议的一个丰要议题。尽管当时还有人在 怀疑这些技术能否解决网络中的新问题( 例如，有人认为快速路由器将会使这 个问题变得更为混乱) ，但毋庸置疑的是，如果没有一个标准化工作组，将会出 现更多的互不兼容的标记交换产品，从而使市场变得更为混乱。于是草拟筹备 工作组章程的工作开始了，到1 9 9 7 年初，终于有了一个能被i e t f 接受的章程， 工作组的第一次会议在1 9 9 7 年4 月份召开。从此开始了m p l s 的标准化进程。 山东大学硕士学传论文 2 1 2m p l s 技术特点 m p l s 的基本目标之一，是简化通过网络转发i p 分组。在传统i p 转发机制 中，每个路由器都需要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 映像到下一跳路由器。而 i 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。入口路由器不是将f e c 映像到下 跳路由器，而是在分组上添加表示分组归属的f e c 的一个标记。在下一跳路 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，而直接利 用标记进行交换，出于第三层处理被推移到边缘( 入口) 并只被处理一次，因 此大大提高了分组转发的效率。 m p l s 能够有效地支持显式路由。在传统的i p 网络中，非默认路由是通过在 每个分组头中添钿源路由选项来实现的，这带来非常大的开销，实际上是不可 行的。而在k i p l s 中，显式路出只是在标记交换路出( l s p ) 建立阶段携带，略 由一旦建立好，就可以在该路由上传送分组。由于在i p l s 中，默认与非默认路 山上分组的转发机制都是标记交换，因此对于显式路由来讲，不会带来性能上 的损失。下是山于m p 【。s 能够有效地支持显式路由，所以它能够很好地支持流量 工程和基于q o s 目0 路幽。而这两者都是在大型网络中不可或缺的功能， m p l s 网络提供的最基本业务是通过网络快速转发分组。尽管返是一个重要 功能，而且是任何网络提供商都努力追求的，它还不是选择实现m p l s 的唯一原 因。实际上，m p l s 提供了一个比传统i po v e l a t m 叠加模型容易扩展同时有效 地支持了a t m 网络上的i p 业务量模型。当然，任何网络提供商绝对都会首先要 求性能和扩展能力。但是实施m p l s 的主要原因是因为它有一个简单的、固定氏 度的标记，它不是网络层信息，却用于通过网络转发分组。它可以灵活地运送 任何用户业务量，申请一个默认或非默认的业务，把它与一组标i 己相关联，然 后采用相同的、高性能、高容量的标记交换机制运送业务量。它使得网络提供 商可以开发并提供网络层耨业务，维持一个单一的高性能传输网络。因为分组 转发路径是脱离开网络层业务而完全独立的，于是m p l s 使得网络提供商可以开 发和提供有意思、具吸引力、客户也愿意付钱的网络层业务。 m p l s 最有用的应用之是完成流量工程。流量工程，不严格地讲，是指在 山东人学硕士学位论文 独立和默认的路径上引导业务流量的能力。m p l s 可以为共享一个入口和出口节 点的径流建立独立的l s p s 。此外，m p l s 对默认和非默认l s p s 的转发机制是相 同的，因此也就不会产生性能损伤。 m p l s 被认为是有效解决流量工程的一个理想方案。它可以在任何数据链路 一h 轻松地预定一个特定径流的非默认显式路径。特别地，m p l s 具有下列适用于 流量工程的特性： 具有预定每条径流l s p s 的能力。 拓扑的变化可能引起动态i p 路由重新计算默认路径，在此期间m p l s 维 护非默认l s p 。 可以在一个显式路径上应用q o s 特性。 分组穿过显式路径但不产生性能损伤。 可以人工预定或利用路出协议维护的拓扑信息动态计算路径。 显式路由的l s p 其实际路径序列信息只在路径建立期间传输，与之相对 的是i p 源路由方式下的每个分组都包含整个路径序列。 比叠加模型i po v e fa t m ) 更有效和更具扩展性地支持a t m 网络上的 显式路径。 在传统面向连接的网络中以及基于分组无连接网络中都支持显式路径 的功能和特性。 目前m p l s 的研究集中于i p v 4 ，但其核心可以扩展到多种网络层协议如： i p v 6 、i p x 、a p p l e t a l k 、d e c n e t 等。m p l s 也不局限于特定的链路层技术，它可 以工作在多种数据链路层协议上，如：p p p 、f r 、a t m 等。 正是因为m p l s 有着如此众多的优势，它不仅实现了对业务量的高性能转发， 而且实现了有效的显式路由，支持流量工程和q o s 路由，并且有良好的可扩展 性，使其成为未来i p 宽带网中最有前景的技术。 山尔人学硕十学缸论文 2 1 3m p l s 标准化组织 1 9 9 7 年r 盯f 提出m p l s 以后，到目前为止，有关m p l s 技术的协议标准草案 和规范已经有1 0 0 多个，其中有一部分核心协议已经成为提议标准，并且在1 9 9 9 年前就有厂商推出m p l s 设备。这种进展速度是以前任何一种技术所没有的。现 在有i e t f 、i t u t 和m p l sf o r u m 三个组织对m p l s 技术进行着标准化和产品化 的工作，下面做一下简单介绍。 由于认识到m p l s 是一项非常有前景的技术，早在1 9 9 6 年，i e t f 就成立了 m p l s 的工作组，负责将这一技术标准化。众多的设备厂商也非常看好这项技术， 纷纷对m p l s 表示支持，积极推动m p l s 的标准化进程。在标准化过程当中，i e t f 做了大量的工作，发布了一系列的草案和相关标准，并最终于2 0 0 1 年1 月形成 了关于m p l s 最后的标准。这个标准由一系列的r f c 来定义，从r f c 3 0 3 l 到 r f c 3 0 3 8 ，覆盖了从m p l s 的体系结构、标记栈的封装格式、标记发布| j 办议、伸【j s 往a t m 和f r 中的应用规范等等，并且该标准还会得到不断的发展和完善。 i r l t 也在抓紧制定相应的建议，研究在公刚中使用, i p l s 技术的可肾陛， 并且已经有相关的建议草案发表( i i p a t m ) 。众多的设备_ _ 商，如：北电网络、 朗讯、思科等公司埘m p l s 技术的标准化进程也是积极推进，其设备早在m p l s 标准推出之前就宣称支持m p l s ，并且不同一商的i p l s 设备积极进行互通性测 试，虽然暂时还是各厂家有各厂家的标准但都承诺将来向正式的标准靠拢。 另外，国内外的一些i s p 在自己的网络中已经或准备采用m p l s 技术，例如国外 的e u n e t 、g l o b a l c r o s s i n g 、l e v e l 3 ，国内的网通等等。 为了更好的研究发展m p l s 技术，协调各厂商之间的利益和统一思想，2 0 0 0 年3 月以l u c e n t 公司为首的有关机构联合成立了m p l s 论坛。论坛的基本成员 是计算机网络及电信通信软件、设备制造商和i s p 及研究开发机构。 进入2 0 0 0 年以后，各标准化组织更进步加快了m p l s 的标准化工作。2 0 0 1 年后各个国际标准化组织举行的有关m p l s 的会议越来越多，而且大量的提议和 草案相继提出，m p l s 进入了深入研究和广泛应用期。 4 山尔大学硕士学位论文 2 2z c f l s 基本原理及工作过程 2 2 1 术语 针对于m p l s 的组件和功能，有下列一些专业术语 多协议标记交换( m p l s ) ：i e t f 为综合路由和交换提出的标准。 转发等价类( f e c ) ：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等) 的分组归为一类，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 中获得完全相同的处理。 转发等价类是m p l s 中最重要的一个概念，甚至可以说是m p l s 基础。 标记：标记是一个包含在分组中的短的、定长的、只有本地意义的标识 符。某一分组的标记代表它所属的转发等价类，用来在一对l s r 之间进 行分组交换。标记可以封装到现有的数据链路层分组中，一个标记的格 式依赖于分组封装所采用的数据链路封装。例如，a t m 封装的分组采用 v p i v c t 数值作为标记，而帧中继p d u 采用d l c i 作为标记。对于那些 没有内在标记结构的数据链路封装，则采用一个特殊的标记格式。罔 2 1 给出4 字节的标记的格式，它包含一个2 0 比特的标汜数值、一个：3 比特的c o s ( 业务等级) 数值、一个1 比特的堆栈底指示符和一个8 比 特的t t l 数值。此外，如果填充数值被插入到一个p p p 或以太网帧中， 包含在各自帧头中的一个协议i d 表示一个帧或者一个m p l s 单播或组 播。 i _ j 户数据 i p 头m p l ss h i m 第二层帧头 标j p - c 2 0 b )c o s ( 3 b )s r lb 1 丌l f 8 b 1 图2 1m p l s 标记的格式 标记交换路由器( l s r ) ：支持m p l s 协议并负责第三层转发分组和第二 山尔人学硕十学位论文 层标记交换分组的设备。更具体地说，一个l s r 可以是一个传统的交换 机( 如a t m ) 扩充i p 路由，或者升级为支持m p l s 的一个传统路由器。 在后者的情况下，路由器根据包含在每个分组中一个显式标记的内容转 发分组。l s r 由控制单元和转发单元两部分组成。控制单元负责标记的 分配、路由、标记转发表的建立、l s p 的建立与拆除等工作。而转发单 元则将依据标记转发表对收到的标记分组进行转发。 标记边缘路由器( l e r ) ：位于m p l s 网络边缘的路由器称为标记边缘路 由器。 标记分发协议( l d p ) ：它是m p l s 的控制协议，负责f e c 的分类、标记 的分配以及分配结果的传输及l s p 的建立和维护等一系列操作； 标记交换路径( l s p ) ：一个从入口到出口的交换路径，它由m p l $ 节点 建立，目的是采用标记交换转发机制转发一个特定f e c 的分组。 标记信息库( l i b ) ：保存在一个l s r ( l e r ) 中的连接表。在l s r 中包 含有f e c 标记关联信息和关联端口以及媒质的封装信息。l i b 中的项目 包含以下内容： 口入口端口 口 入口标记 口 下一跳l s r 口 f e c 标识符( 如地址前缀) 口 在标记上执行的操作。用一个出口标记替代入口标记，弹出标记 栈或者用出口标记替代入口标记并在标记顶部压入一个新标记。 口出口标记 口 出口端口 口出口链路层封装 山东人学硕士学位论文 标记交换：p l s 网络中的每一个节点将依据标记分组所携带的标 己对 标记分组进行硬件交换。这种方式可以提高分组的处理与转发速度。 径流( s t r e a m ) ：在相同路径上转发并以相同方式处理的分组流。一个 径流包含一个或多个微流( f l a k y ) 。在、, i p l s 体系结构中一个径流由一个 径流成员描述符( s 姻) 标示。 标记栈：一个有序的标记集。在一个分组中添加，可以隐含地零载多于 一个f e c 的信息，即分组的归属以及分组可能经过的l s p 。一个标记栈 使得m p s l 支持分级路由( 例如：一个标记用于e o p 而另一个标记用于 i g p ) ，并且会聚多个l s p 到一个单一的中继( t r u n k ) l s p 上。 径流合并：一些小径流合并为一个单一的大径流。一个具有径流合并能 力的m p l s 网络可以支持0 ( n ) ( 一种多项式函数复杂性的表示方法，n 为多项式主要项的阶) 个交换式路径用于传输所有尽力而为的业务量。 标记分发对等实体：进行l d p 操作的l s r 称为标记分发对等实体。 2 2 2m p l s 体系结构 由于m p l s 源于早期的i p 交换解决方案，因此它的体系结构基于i p 交换的 想法、概念和组件。它的基本目标之一，是简化i p 分组在网络中的处理过程， 从而提高网络转发分组的效率。这个目标是完全有希望实现的。在传统i 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 l 、完成合