（通信与信息系统专业论文）gmpls信令协议和保护恢复技术的研究与实现.pdf

摘要 随着 i n t e r n e 、 和光纤技术的迅猛发展， i p 和光网络技术的相互融合必将成 为未来网络发展的重要趋势。如何解决i p 层与光层的融合， g m p l s 提供了一 个 良 好的思路。g m p l s继承了几乎所有m p l s的特性和协议，是 m p l s向光网络的 扩展，它可以用统一的控制平面来管理多种不同技术组建的网络，从而为简化 网络结构、降低网络管理成本和优化网络性能提供了重要保证。 本文主要在是研究g m p l s的基础上，分析和实现了适用于g m p l s 的信令协 议c r - l d p ，包括l d p 协议的功能，即i p v 4 / 工 p v 6 、带内 信令、邻接点发现、邻 接点维护、 l d p 会话建立、 l d p 会话维护、 l s p 建立、 l s p 拆除功能， 以及c r - l d p 相对 l d p的扩展功能，即带外信令、建议标签、双向l s p 、显式路由以及修改 l s p下一跳节点功能，并为多种接口 类型、显式标签控制等其他功能留下扩展 的空间。此外，本文还研究了g mp l s保护与恢复技术，包括控制平面和数据 平面。在对控制平面的保护恢复技术研究的基础土，作者提出并实现了一个简 单而有效的l d p会话重建方案， 且测试并证明了它的可行性; 在对数据平面的 保护恢复技术研究的基础上，作者提出并仿真了一个基于s r l g条件失败概率 的保护算法，且同严格s r l g分离的保护算法进行性能比较。 文中 g m p l s c r - l d p信令协议的实现部分源于作者在贝 尔实验室基础科 学研究院 ( 中国)参加的g mp l s 项目的研究与开发。 关键词:多协议标签交换，通用多协议标签交换，基于约束路由的标签分发协 议， 共享风险链路组， l d p 会话重建方案，c f p - s r l g s p f 保护算法 ab s t r a c t wi t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f i n t e r n e t a n d f i b e r t e c h n o l o g y , i t s i m p o r t a n t f o r f u t u r e n e t w o r k t o i n t e g r a t e i p w i t h o p t i c a l n e t w o r k . g mp l s p r o v i d e s a g o o d w a y t o s o l v e i t . g mp l s e x t e n d s mp l s t o o p t i c a l n e t w o r k s w h i l e i n h e r i t i n g a lm o s t a l l t h e f e a t u r e s a n d p r o t o c o l s f r o m mp l s . b y u n i f y i n g n e t w o r k o p e r a t i o n s b e t w e e n t h e i p a n d o p t i c a l l a y e r s , g mp l s p r o v i d e s t h e m e a n s f o r s e r v i c e p r o v i d e r s t o r e d u c e o p e r a t i o n s c o s t s a n d i m p r o v e n e t w o r k e ff i c i e n c i e s i n t h i s th e s i s , w e f o c u s o n t h e a n a l y s i s a n d t h e i m p l e m e n t a t i o n o f t h e s i g n a l i n g p r o t o c o l c r - l d p f o r g mp l s u n d e r v x w o r k s o p e r a t in g s y s t e m , i n c l u d i n g t h e b a s i c l d p f u n c t i o n s , t h e e x t e n s i v e f u n c t i o n s a n d t h e i n t e r f a c e s f o r o t h e r f u n c t i o n s . w e b u i l t u p a s m a l l r e a l n e t w o r k b a s e d o n c r - l d p . b e s i d e s , w e a l s o d o s o m e r e s e a r c h e s o n t h e p r o t e c t i o n a n d r e c o v e ry t e c h n o l o g y o f g mp l s i n b o t h c o n t r o l p l a n e a n d d a t a p l a n e . a s i m p l e a n d e ff e c t i v e s c h e m e n a m e d l d p s e s s i o n r e c o v e r y i s p r o p o s e d a n d r e a l iz e d b a s e d o n t h e r e s e a r c h o f c o n t r o l p l a n e s p s d h 层用于细粒度的带宽分配， 并为业务的传输提供可靠的保护机制;wd m层用于提供大容量的传输带宽。这 种四层结构的传输方式虽然可保证数据业务的传输，但在使用中却存在诸多问 题。 首先，四层结构方式存在 “ 瓶颈”效应。在这种结构中，带宽的指配非常麻 烦。 不仅需要很长的人工配置时间， 而且带宽的指配受限于每一层设备的可用带 宽。 即使绝大多数设备有空闲带宽可用， 但任意一层的任意一个设备的带宽瓶颈， 都可能限制整个网络的带宽或容量的扩充。 同时， 任何一层设备出现故障都会影 响整个网络的稳定性;其次是传输效率低下。第三，四层结构带宽颗粒度过多， 功能重叠。四层结构的带宽分配采用四种完全不同的方式，即i p 包、a t m信元、 s d h 帧、wd m 波长，而实际使用时，完全不需要如此多的带宽颗粒。而在功能 上， 每一层都带有相邻层的功能， 特别是保护和恢复功能， 每一层都有， 造成十 分复杂甚至相互冲突的局面。 总之， 现有四层网络的结构己无法适应数据业务发 展的需要，必须开发新的技术手段。 i p at m s dh w dm i p / mp ls ( a ) 四 层网 络 模型( b ) 两 层网 络 模型 图1 - 1 i p o v e r w d m 发展趋势 我们知道， 近儿年迅速发 展的 m p l s( 多 协 议标签交 换) m 已 被 证明 是 一 种 非常适合于在电网络中传输数据业务的技术。m p l s 采用基于约束的路由技术可 以实现流量工程和快速重新选路， 可以 满足业务对服务质量的要求。 所以， 采用 mp l s 的基于约束的路由技术完全可以在流量工程中取代a t m。同样， 快速重新 选路作为一种保护恢复技术也完全可以 取代s d h 。由 此可见， 使用i p / m p l s 控制 平台提供的流量工程和快速重新选路， 将使未来的传输网络完全可以跨过a t m 复旦大学硕士学位论文 g m p l s 信令协议和保护恢复技术的研究与 实现 和s d h 两 层 ( 见图1 - 1 ( b ) ) ， 直接实现 i p o v e r w d m。 无 疑， 这 种i p v i a m p l s o v e r wd m的网络将是一个操作更简单，花费最低，最适合数据业务传输的网络。 然而， mp l s 毕竟是 一 种位于o s i 七层模型中的第三层网络层和第二层之间的 2 .5 层技术，而wd m属于光层，是第一层物理层的技术。因此，要让mp l s 跨过 数据链路层直接作用于物理层， 则必须对其进行修改和扩展。 在此情况下，国际 标准化组织i e t f 适时地推出了可用于光层的通用多协议标签交换技术 g m p l s 12 1 . 为了实现i p 与wd m的无缝结合，g mp l s 对mp l s 标签进行了扩展，使得标 签不但可以用来标记 传统的数据包，还可以标记t d m时隙，光波长，光波长组， 光纤等; 为了充分利用wd m光网络的资源， 满足未来一些新业务的开展( 如v p n. 光波长租用等) ， 实现光网 络的 智能化， g m p l s 还对信令3 1 和路由 协议4 1 进行了 修改和补充;为了解决光网络中各种链路的管理问题，g mp l s 设计了一个全新 的 链 路 管 理 协 议l m p ( l in k m a n a g e m e n t p r o t o c o l) f5 1 ; 为了 保障 光网 络 运 营的 可 靠， g m p l s 又 对光网络的保护和恢复机制f2 1 进行了改 进。 1 .2论文作者的工作 在本文中， 作者的工作主要分成两个方面， 一个是g m p l s 信令协议的 研究 与实现，另一个是g mp l s 保护恢复技术的研究和仿真。 作者在研究 g mp l s网络体系的基础上，对信令协议进行了深入的分析探 究， 并 在此 基础上参与设 计并实 现c r - l d p 信 令协议。 在c r - l d p 的实 现中 ， 作者的主要工作包括设定功能集; 模块划分和高层设计; 设计 l d p 初始化状 态机、l s p控制块状态机、以及下一跳控制块状态机这三个状态机的处理函数 表;实现、调试和测试网络接口功能、l d p 发现过程和l d p会话初始化过程， 以及同其他几个模块的集成测试。c r - l d p信令协议的实现工作源于作者在贝 尔实验室基础科学研究院 ( 中国)参加的g mp l s 项目的研究与开发。 在对g mp l s的保护与恢复技术的研究中， 作者的工作分成数据平面和控制 平面两部分。 针对数据平面， 作者提出并实现了一种简单有效的l d p 会话重建 方案，这个方案的实现基于上面已实现的c r - l d p环境。针对控制平面，作者 在分析现有保护恢复技术之后，提出并仿真实现了一种基于s r l g条件失败概 率t9 l 的 保护算法， 将该算法与严格s r l g分离保护算法的进行性能比 较。 1 .3论文结构 论文共分为六章。 在接下来的 几章中，作者 将详尽的介绍g m p l s信令协 议的设计问题和实现方法， 以及g mp l s 保护恢复技术的各种机制和算法仿真。 复n人学0 川 学位论文 g m p l s 信令协议和保护恢复技术的研究与实现 第二章主要介绍了g m p l s 体系结构， 首先回顾了g mp l s 的基础， 即mp l s 技术;在此基础上阐述 g mp l s对于 mp l s的扩展技术，包括接口 类型扩展、 信令协议扩展、 路由 协议扩展、 以及一个全新的l mp 协议; 此外， 讨论了g m p l s 软件的平面结构，包括控制平面、管理平面和数据平面;最后，对 m p l s和 g m p l s 进行了比较。 第三章对 g mp l s的信令协议进行了深入探讨，分别对适用于 g mp l s的 两种信令协议，即r s v p / r s v p - t e和 l d p / c r - l d p协议进行了分析对比。 第四章是在第三章讨沦的基础上，设计并实现基于 v x w o r k s平台的 c r - l ,d p 信令协议。 首先我们针 一 对c r - l d p的协议规范设定了要实现的c r - l d p 的功能集:然后作者提出了c r - l d p协议的软件结构，并对每一子层的协议进 行描述;在此基础上，我们进行了模块划分，除了详尽阐述各模块实现的功能 外还指明了各模块间的分布和相互关系;在具体实现之前，作者分析了如何实 现一个实时的通信协议，给出一个适用于实现实时通信协议的基本方式，并把 这个基本方式用在c r - l d p的实现中;更具体的，作者介绍了消息交互的处理 流程;之后，作者介绍了实现协议时所使用的处理函数表 ( 由有限状态机转化 而来) 及其实现方法;最后，对实现的c r - l d p 协议给出了分析和评价。 第五章研习了g mp l s的控制平面和数据平面的保护恢复技术。在数据平 面保护恢复技术的研究中， 作者除了对现有技术进行介绍之外，还提出并实现 了一利 “ 简单有效的l d p会话重建方案。 在控制平面保护恢复技术的研究中， 作 者的重点是基于s r l g的保护技术，并对严格s r l g分离的保护算法进行了仿 真实现;在此基础上还提出了一种基于 s r l g条件失败概率的保护算法，即 c f p - s r l g s p f 算法，仿真对比了使用c f p - s r l g s p f 算法与使用严格s r l g 分离的保护算法这两种情况下的网络性能。 第六章总结了整篇论文，指出存在的不足以及下一步的工作，并展望了 g m p l s的未来。 复旦大学硕十学位论文 g m p l s 信今协议 和保护恢复技术的研究与实现 第二章 g mp l s 体系结构研究 g m p l s 是i e t f 提出的可用于光层的一种通用多协议标签交换技术，为了 实现i p与wd m的无缝结合，g mp l s 对mp l s 标签进行了扩展，使得标签不 但可以用来标记传统的数据包，还可以标记 t d m 时隙、波长、波长 组、光纤 等; 为了充分利用wd m光网络的资源， 满足未来一些新业务的开展 ( 如v p n, 光波长租用等) ，实现光网络的智能化，g mp l s 还对信令和路由协议进行了修 改和补充; 为了解决光网络中各种链路的管理问题， g mp l s 设计了一个全新的 链路管理协议 l m p ;为了保障光网络运营的可靠，g mp l s还对光网络的保护 和恢复机制进行了改进。 2 . 1 mp l s 技术的回顾 m p l s i 是g m p l s 的基础， 它是定位于2 .5 层的网 络技术，为i p 层与链路 层的交互提供了 一 个统一的操作平台，具有很强的适应性和灵活性，能支持现 台iax1 络层和链路层的各种协议( 比如对网络层支持i p v 4 , i p v 6 , i p x , a p p l e t a l k 等， 对链路层支持f r , a t m, p p p等) 。 m p l s 是一种能够大幅度提高路由转 发速度的技术，它的体系结构分为两个独立的组件，即转发组件 ( 也叫数据平 面) 和控制组件 ( 也叫控制平面) 。 转发组件使用标签交换路由 器 l s r ) 维护 的 标签转发数据库 ( l f i b ) ， 根据分组携带的标签来执行数据分组的转发任务。 控制组件负责在 一 组互联的交换机之间建立和维护标签转发信息。 mp l s的简单工作原理是:当数据分组到达mp l s网络的入口l s r ，入口 l s r通过分析数据分组的信息头来决定该分组属于哪个 f e c( 转发等价类) ， 然后查找l i b( 标签信息库) ，将一个与该f e c相关联的标签 ( l a b e l )加在数 据分组前。在后继的 l s r中，不需要再查找 i p分组头，只需要根据数据分组 的标签来查找l i b ，即可决定其转发出口， 在转发前将新的标签取代旧的标签， 然后转发到下 一个l s r。 当数据分组到达出口l s r时， 出口l s r 将标签从数 据分组中去掉， 又按照传统的i p 转发方式对数据分组进行转发。 其中， 所有与 f e c绑定的标签分发和l s p( 标签交换路径)的建立都是由l d p( 标签分发协 议)来完成。 复日 大学硕十学位论文 g m p l s 信令协议 和保护恢复技术的研究与实 现 2 . 2 g mp l s的扩展 2 . 2 . 1 g mp l s 对接口类型的扩展 我们知道， m p l s 通过在i p包头添加标签， 使原来面向无连接的i p 传输具 有了面向连接的特性，可极大加快l p包的转发速度。g mp l s则对标签进行了 更大的扩展， 将t d m时隙、 光波长、 光纤等也用标签进行统一标识， 使得g mp l s 不但可以支持i p数据包和a t m信元，而且可以支持面向话音的t d m网络和 提供大容量传输带宽的wd m光网络，从而实现了i p数据交换、 t d m电 路交 换 ( 主要是s d h)和wd m光交换的归一化标签。 g m p l s 定义了五 种接口 类型2 1 来实现以 上的归一化标签， 分别是: ( 1 ) 分组交换接 j p s c ( p a c k e t s w i t c h c a p a b l e ) : 进行分组交换。 通过识别 分组边界， 根据分组头部的信息转发分组。 例如m p l s 的l s r基于“ s h i m ” 标 签转发数据。 ( 2 ) 第二 层交换接口l 2 s c ( l a y e r 2 s w i t c h c a p a b l e ) : 进行信元交换。 通过识 别信元的边界， 根据信元头部的信息转发信元。 例如a t m l s r则基于a t m的 v p i nc i 转发信元。 ( 3 ) 时 隙 交 换 接口t d m c ( t im e d i v i s i o n m u l tip le x i n g c a p a b l e ) : 根 据t d m 时隙进行业务转发。 典型如s d h的d x c设备的电接口， 可根据时隙交换s d h 帧。 ( 4 ) 波长交换接口l s c ( l a m b d a s w i t c h c a p a b le ) : 根据承载业务的光波长或 光波段转发业务。 例如o x c设备是 一 种基于光波长级别的设备， 可以基于光波 长作出转发决定。更进一步还可以基于光波段作出转发决定。光波段交换是光 波长交换的进一步扩展，它将一系列连续的光波长当作一个交换单元。使用光 波段交换可以 有效减少单波长交换所带来的波形失真， 减少设备的光开关数量， 还可以使光波长之间的间隔减小。 ( 5 ) 光纤交换接1-i f s c ( f i b e r s w i t c h c a p a b l e ) :根据业务 ( 光纤) 在物理空 间中的实际位置对其转发。例如o x c设备可对一根或多根光纤进行连接操作。 2 .2 . 2 g mp l s 对信令协议的扩展 为了 适应光网络， g m p l s 在继承mp l s 信令的基础上， 对原有的协议进行 了 扩展6 1 。 这些更新和扩展主要包括: ( 1 ) 与m p l s 的信令过程相同， g m p l s 的l s p 建立过程也是由 上游节点 向目的端发出 “ 标签请求消息”和目的端返回 “ 标签映射消息” 。所不同的是， 复旦大学硕士学位论文 g m p l s 信令协议和保护恢复技术的研究与实现 “ 标签请求消息”中需要增加对所要建立的 l s p的说明，包括 l s p类型 ( p s c / t d m / l s c / f s c ) 、载荷类型和交换方式等。 ( 2 )为了达到优化的目的，上游节点可以同下游节点推荐建议标签 ( 下游 可以不采纳建议标签) 。建议标签可以大大减少在收发端建立双向l s p的时间， 减少信息传输的延迟时间。 ( 3 ) 支持双向l s p是g mp l s 信令的一个重要特征。 双向l s p在每一方向 f . 都有 一 相同的流量工程要求，包括生存期、链路的保护与恢复、资源要求 ( 如 时延和抖动) 。双向 l s p的上行数据通路和下行数据通路采用统一信令消息， 这样可以减少 l s p的建立时间和网络上传输建立 l s p的信令开销。双向l s p 的两个端点都有权发起l s p的建立过程， 如果双方被分配同一资源( 如端口 号) ， 就会发生标签竞争， 为处理这一冲突， g m p l s 建议采用比较双方n o d e i d大小 的方式，较高i d号的请求将得到满足。 ( 4 )为了快速处理故障，g mp l s采用了故障通告的机制，故障通告的机 制采用通告消息来通告故障的邻近节点处理故障，这样就可以防止一些中间节 点处理这些通告消息，避免故障点的状态被改变。 2 . 2 . 3 g mp l s 对路由协议的扩展 mp l s 对传统的路由协议进行了扩展 ( i s i s - t e和o s p f - t e ) ，用来支持流 量工程。 g mp l s 在此基础上又对其进行了 扩展和加强， 从而支持链路状态信息 的 传送。 g m p l s 对路由 协议的 扩展4 1 主要包括对未编号链路的支持， 以 及对链 路 保护类型( l i n k p r o t e c t i o n t y p e , l p t ) 、 共享 风险 链路组信 息( s h a r e d r i s k l i n k g r o u p , s r l g ) 、接口交换能力描述符、带宽编码等的支持。g m p l s - o s p f l o t 和g m p l s - i s i s 川 则分别描述了o s p f 一 丁 e 和i s i s - t e 对扩展功能的具体实现方 式。 g m p l s 路由 协议主要用于i - n n i 接口的路由。 2 . 2 . 4链路管理协议l mp l mp 协议5 1 是g m p l s 中 运行于 对等节点 之间的协 议。 g mp l s 被作为一个通用的控制平面来动态的分配网络资源， 以及在网络发 生故障时对网络进行快速的保护和恢复。在网络中，一对节点之间可能有成千 上万的交叉联接;而这些交叉联接的再被复用时，可能每一个交叉联接都由若 干个数据链路组成。从可维护性、可升级性方面来考虑，可以把一些链路按照 某 些 性 质 组 织成为一 个流 量工 程 链路 ( t r a f f i c e n g i n e e r i n g l in k , t e l i n k ) 。 为 了 保 障节点之间的路山信息，信令信息以及链路管理信息的传送，两个节点之间要 至少存在一个互相可达的i p 接口。 这样一对i p 接口被称作控制通道。 在g mp l s 复旦大学硕士学位论文 g mp l s 信令协议和保护恢复技术的研究与实现 中，相邻节点之间的控制通道可以与数据链路完全隔离开来，这种隔离即可以 是逻辑 l 的，又可以是物理上的这样带来的直接后果就是 g mp l s中数据链 路和控制通道的状况是完全独立的。也就是说，控制通道不必负责数据链路的 连通性，反之，数据链路在控制通道发生故障时也可以继续运行。 根据以_ 匕 清况，g mp l s引入了l mp协议，它运行在相邻节点之间，负责 维护管理t e l i n k以及确定控制通道的可达性。 l mp是一个全新的协议，其内容包括控制信道管理、链路属性关联、链路 连接性验证和故障隔离/ 定位。其中后两项为可 选项。 2 .3 g mp l s 软件的平面结构 本小节在上述分析的基础上， 研究g mp l s的软件体系结构， 并对各个部分 进行具体的阐述。图2 - 1 是我们分析所得的g mp l s软件的平面结构图。如图 2 - ! 所示， g m p l s 软 件结 构分为 二个 平面: 管理 平面( m a n a g e m e n t p l a n e ) 、 控 制平面 ( c o n t r o l p l a n e )和数据平面 ( d a t a p l a n e ) 。下面就这三个平面的组成依 次介绍。 2 .3 . 1 g mp l s 控制平面的组成 g m p l s 控制平面主要负责资源管理、 l p 路由、 信令和链路管理， 并按照一 定的策略对业务提供一定的q o s 支持。 资 源管理部分由以 下几个部分组成:标签库( l a b e l l i b r a r y ) 、 标签数据库 ( l a b e l d a t a b as e ) 、连接信息管理( f t n和i l m ) 。 其中， 传统m p l s 主要用到标 签数据库，标签库和连接信息管理部分则用在 g mp l s中。标签库用来保存节 点的资源信息 ( 即标签)。当要建立一条 l s p时，首先查找标签库，并从其中 选择尚未使用且 满足用户需求的资源。标签数据库存储相应的正在使用的资源 信息。当资源释放之后，相应的标签被回收到标签库中。连接信息库， 存储入 端口与出端口之间的连接关系。 i p路由部分负责广播网络的拓扑信息和资源信息。路由控制组件使用扩展 的o s p f或者i s - i s与其它的标签交换路由器交换路由 信息，建立和维护t e d ( t r a f f ic e n g i n e e r in g d a ta b a s e ) . 根据t e d的 信息， 标签 分发 协议 ( c r - l d p 或 r s v p - t e ) 和其 它l s r 交 互 标签 信息， 建 立 标 签的 映 射 关 系。 信令部分负责建立， 维护和删除标签的映射信息。可供选择的信令有两个: c r - l d p 和r s v p - t e 。在第四章的实现中，我们选择的是c r - l d p . 链路管理部分在数据面上两个相邻的节点之间维护控制链路、数据链路以 及流量工程链路，并且在数据链路发生错误时，对错误进行隔离和定位，以迅 复q 人学硕十 学位论文 g mp l s 信令协议和保护恢复技术的研究与实现 速恢复。这一功能模块主要由l mp 模块组成。 服务策略管理主要是根据到达的业务流的特性，根据与客户达成的q o s 协 议，为业务提供一定的服务质量保障。 图2 - 1 g mp l s 软件的平面结构 2 . 3 .2 g mp l s 管理平面的组成 管理平面主要完成对g mp l s网络， 设备的监控， 提供给图形用户界面及命 令行接口。 管理平面主要由以下几个部分组成: s n mp , g u i 以及c l i ( 命令行 接口)。 管理信息库 m i b ) 是存储管理信息的虚拟数据库， 网 络管理应用通过它收集 复旦大学硕 上 学位论文 g m p l s 信令协议 和保护恢复技术的研究与实现 管理设备的信息。g mp l s中的各种资源都被抽象成 m i b中的各种管理对象， 利用s n m p 进行管理， 例如l d p m i b i i z i . g m p l s管理平面的目 标是: ( l ) 有效的管理端到端 l s p ; ( 2 ) 根据用户的 请 求和q o s 参数建立l s p ; ( 3 ) 提供c l l 和g u i ， 以 方便的浏览l s p 、 具体设备以 及整个g m p l s 网络的运行状态;( 4 ) 根据业务和q o s 提供相应的计费管理。 2 . 3 . 3 g mp l s 数据平面 g mp l s 数据面的处理分为c l a s s i c a l mp l s 和g mp l s 两个部分。前者负责 p s c l s r , 即c l a s s i c a l m p l s 中 对数据的转发， 后者则负责光域内数据的 转发。 2 . 3 . 3 . 1 c l a s s i c a l mp l s的处理 m p l s把数据和标签封装在一起，对数据的转发同时也涉及到对标签的操 作。如图2 - 2所示，当从二层接收到一数据包时，首先对该数据包进行分类， 分为带标签数据和未带标签数据，并对这两类数据采取不同的操作。 对于未带标签数据，判断是否可以把其归类到相应的等价转发类 f e c 。如 果数据不能归类到f e c ，则根据本地的策略，或者对数据包进行三层转发，或 者直接丢弃。 如果能够归类到相应的f e c ，则检索f t n ，获得n h l f e入口， 依据此检索n h l f e ，获得出标签，并根据这个标签对数据进行转发。 对于打上标签的数据，则由入标签获得 i l m 索引，并由 i l m 索引获得 n h l f e 索引，山此检索到出标签，设置t t l的值，并对数据进行二层转发。 i p 路 发或丢弃 叮 一 ， ， / il m 一- 勺 nhl f e i. 取得 nhl f e入 口 丫 辰 瘾 亩 一标 鑫 一 l 0 av 4 4 s- 图2 - 2 c l a s s i c a l mp l s 的处理 2 .3 .3 . 2 光域数据转发的处理 与传统的m p l s 不同， g m p l s 更多是体现在控制平面上， 它的标签建立及 标签之间的对应关系在数据转发之前建立，并通过硬件编程的方式确定下来。 复日 大 学硕 学位论文 g m p l s 信令协议和保护恢复技术的研究与实现 i j 条标签交换路径 l s p建立之后，数据) . 始在这条路径上转发时，便对标 签没有什么操作，完全按照硬件编程所确定的交叉连接关系进行转发。 2 . 4 mp l s 和 g mp l s的比较 g mp l s 和 mp l s是两个容易混淆的技术术语。 人们很容易将 g mp l s 在控 制平面中的应用和 mp l s在数据平面中的应用混淆起来。虽然 g mp l s是从 mp l s 发展而来的，但是它在控制平面中的应用却与mp l s 有很大差别。 mp l s 本质上是只为分组交换网络设计的。 m p l s 技术的优势在于它可以提 供传统网络所不能提供的流量工程能力和更强的传送能力。 g mp l s 和 mp l s的一个主要区别就在于它们的功能性重点不同。 mp l s的 注意力集中在数据流传送方面， g mp l s 则把注意力放在连接管理方面。 这种连 接管理可对数据平面进行具体管理，并且这种数据平面可同时包括具备分组交 换能力 ( p s c ) 和不具备分组交换能力( n o n - p s c ) 的 接口。 更进一步， 这种不具备 分组交换能力的接口 又可被分为t d mc , l s c以 及f s c 等几种类型。 m p l s 和g m p l s 之间的另一个差异在于mp l s 需要在一对路由器之间建立 一条l s p ，而 g mp l s 仅需要在任何两个类似的l s r之间建立 l s p就可以了， 也就是说在g mp l s 中把l s p 端点设备的范围从路由器扩展到了多种标签交换 路由 器。 例如，我们可以 在两 个s d h / s o n e t的 分插复用器( a d m ) 之间 建立一 条t d mc的l s p ，也可以在两个波长交换器之间建立一条l s c的l s p ，甚至 还可以 在两个光纤交换系统之间形成一条f s c的l s p . g m p l s 还允许一条l s p 嵌套在另外一条l s p e 中， 形成l s p 的层次结构， 这种能力使得g mp l s网络具备更好的规模性能力。 将普通mp l s 应用于光层还需要作很多工作，主要集中在下述几个方面: 需要 有新的 链路管理协议( l m p ) 来处理 使 用光交换机的光网 络层的 链 路管理问题; 增强o s p f 和i s - i s 路由 协议以 便实施网 络中可用光资源的公告( 例如不 同 链路类型、波长内的带宽、链路保护类型和光纤识别等) ; 增强r s v p 和c r - l d p 信令协议以 便在光核心网对标签交换通道( l s p ) 实施显式标签用于流量工程; 增强扩展性，例如采用分级的标签交换通道结构、链路捆绑和无编号 链路等解决方法。 复日 大学硕士学位论文 g m p l s 信令协议和保护恢复技术的 研究与实 现 第三章 g mp l s 信令协议研究 在 g mp l s中，可供选择的信令协议有两个:r s v p - t e和 c r - l d p ，它们 分别从 r s v p和 l d p扩展而来。 3 . 1 rs vp / rs vp - te 3 . 1 . 1 r s v p基本原理 r s v p 协议 1 4 主要用于点到点和点到多点的i n t e rn e t 网 络环境中多媒体用户 对网络资源的预留，其初衷是作为综合业务模型的网络控制协议。综合业务模 型体系的处理对象是单个数据流。典型的 “ 流”的定义是指从源端到目的端具 有相同q o s 、 相同 协议类型的一组数据包。 r s v p就是在数据包的 转发路由 上 建立流的状态信息，并进行资源管理。 r s v p主要发送两类控制信令p a t h类信令和r e s v类信令。其基本思想 是，为了建立并维护分组数据传输通道中各个交换机的状态， r s v p建立一个 传递树，传递树以发送者为根节点，以接收者为叶节点，发送者和接收者之间 的通道作为树的分支。资源预留消息由接收者开始，沿传递树传输到各个发送 者节点。发送者首先发送某一多播地址的分组，接收者利用 i g mp主机报告消 息向其紧邻的路由器申请加入这个组。借助于某种多播路由协议，路由器建立 了 一个发送者与接收者之间的传递树。 发送者主机上的应用程序向 本地的r s v p 实体注册并传递消息，这个消息标识出了发送主机，目的地以及发送应用程序 所生成的流的特性。之后，在每个数据源开始传输数据之前，先发送一个包含 数据源流量规范的p a t h消息，当中间路由 器接受到一个 p a t h消息后，建立 并维护一个包括输入和输出接口的通道状态表，收集有关路由器的服务质量特 j性的消息。当一个客户端收到p a t h消息后，根据此消息可以得到数据源流量 规范以及完整的通路状况。然后接收者发送一个预留r e s v消息，该预留消息 沿着传递树反向到达各个路山器和发送者应用， 预留消息中包含一个流描述符， 它被传递给通路上每个支持r s v p的路由器中的流量控制组件，同时，路由器 中的接纳控制和策略控制功能也被调用。如果预留请求被接受，分类器和调度 器设置将被更新。各中间路由器可以将同一个点到多点组中的资源请求合并成 一个单一的预留请求，以减少路由器所需要维护的状态的数量。在预留消息经 过的路山匕 路由器也可以拒绝该预留，并将拒绝消息送回用户端，丢弃该预 留， 如果预留消息到达发送者，资源预留过程完成，一条从发送者到接收者方 复旦大学硕士学位论文 g m p l s 信令协 议和保护恢复技术的 研究与实 现 向的，具有预留资源的固定通路就被建立起来。为了维护各个中间节点的通道 状态，需要周期性地沿着传递树传输刷新消息。当客户端确定中止连接时，可 以发出一个通道撤销消o , l释放网络的通道状态和预留资源。从以上资源预留 过程来看，r s v p具有如下特点: 1 ) r s v p是一个单工协议，只在一个方向上预留资源，也就是说只能建立 从发送者到接收者方向的资源预留; 2 ) r s v p 是一个面向客户端的协议，由接收者负责资源预留: 3 ) r s v p可以满足大型点到多点通信组的资源预留需求，每个客户端可以 预留不同数量的资源，接受不同的数据流; 4 ) r s v p是基于分布式管理模式，预留是软状态 ( 无连接)的，因而需要 周期性刷新。一条固定通路上如果不及时刷新其预留状态，则此预留状态将因 超时而失效。可以简单地采用让预留状态超时的方式来避免处理释放预留所造 成的j 阵肖 ; 5 ) r s v p还提供了动态适应成员关系变化、动态适应路由变化的能力，它 的操作不必依赖于某个特定的路由 协议; 6 ) 它 支持动态的q o s ， 可以 在资 源生 存期内 动 态地改 变q o s 参数; 7 ) 白 可以在i p 协议上实现，也可以在u d p 协议上实现。 在综合业务模型中，r s v p这种全程信令将原本面向无连接的i p网络改为 面向 连接的网络， 但它存在许多致命的缺陷， 使得端到端的全程q o s 难以 实现。 主要是因为: 1 ) 综合业务模型下的预留状态信息与业务流的个数成正比，这使得路由 器 的负担会随着网络的扩大，业务流的增多而加重，网络的扩展性不好; 2 ) 综合业务模型中的 每个路由 器( 边缘/ 核心路由 器) 都要支持r s v p 控制协 i义 ，为业务流保持状态信息。目 前不是每个路由 器都支持 r s v p ，虽然 r s v p 可以透明通过，但此时就不可能保证端到端的服务质量; 3 ) r s v p的一个关键性假设是:大多数资源预留都应用于多播应用程序， 比如高速视频传输。因此，r s v p主要是用于创建和维护多播传输路径网的分 布预留状态，对于其他类型业务的支持则不甚理想。 3 . 1 . 2 rs vp - te 由于 r s v p能够将消息中的对象作为不透明的信息加以 承载，并相应地使 用路由 器中适当的控制模块对其进行分析。 所以 可以开发用于建立和维护 l s p 隧道的新型r s v p 对象。i e t f mp l s工作组对r s v p原有的对象进行扩展，同 时在协议消息中增加了 一 些支持标签分配，分发与绑定的对象，制定了一项新 复1 1 人学吹 卜 丫 位论文一 1 2 g m p l s 信令协议和保护恢复技术的研究与实现 会话建立与维护、标签交换路径建立与维护、会话的撤消。 由于l d p与我们第四章将要实现的c r - l d p关系密切， 下面详细介绍l d p 操作的各个阶段 3 . 2 . 1发现阶段 3 . 2 . 1 . 1邻接点发现功能 希望与相邻l s r建立会话的l s r将向相邻l s r周期性地发送 “ h e l l o ”消 息， 通知相邻节点本地对等关系。 通过这一过程， l s r将可以自 动发现它的l d p 对等实体，而无需进行人工配置。l d p的发现机制有两种，一种是基本发现机 制， 用于发现本地的l d p 对等实体;另一种是扩展的发现机制，用来发现远地 的l d p 对等实体。 h e l l o ”消息使用 u d p协议来传输，在基本的发现机制中，u d p目的地 址是子 网内所有路t扫 器的组播地址， 端口号为通用的l d p发现端口号: 在扩展 的发现机制中，u d p目的地址是一个特定的地址，端口号仍为通用的 l d p发 现端口号。 3 .2 . 1 . 2邻接点维护功能 一个l d p 会话可以对应于一个或多个h e l l o 邻接点。当两个l s r通过多条 链路连接， 并且这些链路共享同一个标签空间时， 相应的l d p 会话将拥有多个 h e l l 。邻接点，如在路由器之间的多个 p p p连接。此时，l s r在每一条链路上 发送的h e l l o 具有相同的l d p 标识符。为了减少资源的消耗， l d p 规定了一整 套的机制对 h e l l o邻接点和 l d p会话的必要性进行监测。l d p使用它接收的 h e l l o 消息来确认对等 l s r希望继续使用在h e l l 。 消息中指明的标签空间。 l s r 将为每个h e l l 。 邻接点设置一个h e l l o 保持定时器， 当l s r从特定h e l l o 邻接点 接收到h e l l o 消息后， 这个h e l l o 邻接点相应的h e l l。 保持定时器将被重新启动。 如果直到h e l l 。 保持定时器超时， l s r仍然没有从特定h e l l 。 邻接点收到下一个 h e l l o 消息， 那么l s r将认为该h e l l o 邻接点不再希望在当前链路或目 标( 在使 用目 标 h e l l o消息 、 的情况下)上继续使用目 前的标签空间进行标签交换， 或者 是h e ll o 邻接点发生了故障， 不能正常工作。 总而言之，与该h e l l o 邻接点对应 的l d p 会话将没有继续存在的必要。于是，l s r将删除特定h e l l o 邻接点， 如 果它是与特定l d p 会话对应的最后一个h e l l o 邻接体，l s r将发送通知消息， 关闭t c p 连接，结束l d p 会话。 复口人学硕 了 学位论义一 1 4 g m p l s 信令协议和保护恢复技术的研究与实现 h e l l o保持时间是以秒为单位的 h e l l o 保持时间。l s r可以对 h e l l 。 保持时 间进行协商， l s r各自提出自己的 h e l l 。 保持时间， 以h e l l o 保持时间的最小值 为准。h e l l o 保持时间为 0 表示默认值，对于链路 h e l l 。 消息取值为 1 5 秒，对 于目标 h e l l o 消息取值为4 5 秒。h e l l 。 保持时间为o x f f f f 表示无穷大。 3 . 2 . 2会话建立与维护 3 . 2 . 2 . 1 l d p会话建立功能 对等关系建立之后， l s r将开始会话的建立过程。 这一过程又分为两部分， 首先是建立 传输层连接，也就是在l s r之间建立t c p 连接;随后是对l s r之 间的会话进行初始化，也就是对会话中涉及的各种参数 ( 如l d p 协议版本、 标 签分发方式、定时器值、标签空间等)进行协商。 3 . 2 . 2 . 2 l d p会话维护