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m p l s 网络q o s 路由机制研究 摘要 近年来随着通信技术的不断发展，新的数据及多媒体业务不断出 现，对通信网络服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 要求日益增加，为 了在不改变原有的网络架构情况下，能保证通信数据服务质量， e t f 提出了多协议标签交换技术( m u l t i - p r o t o c o l l a b e ls w i t c h i n g ，m p l s ) ， 针对q o s 的要求提供了一个很好的解决方案。 m p l s 技术是结合第二层交换和第三层路由技术的一个新的机 制，m p l s 的基本原理就是首先它将根据某种特定的映射规则在网络 入口边缘标记交换路由器( l a b l ee d g er o u t e r ，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，标记交换路由器( l a b l es w i t c h i n gr o u t e r ，l s r ) 就只需要根据数据 流所携带的标签进行交换或转发。 当在m p l s 中实现q o s 路由选择时，通常涉及到带宽，时延等多 个约束，是一个n p h a r d 问题，解决的方法一般用启发式算法，但是 结果通常不令人满意。实现q o s 路由的m p l s 显式路由计算方法也会 带来可靠性和快速适应网络变化等问题。本文中我们将蚂蚁算法应用 于m p l s 网络q o s 路由计算上，实现具有分布式特点的动态路由选择 机制，它以并行的方式解决网络中呼叫的时延和带宽分配问题，有效 的解决了上述问题。 由于基于m p l s 的故障恢复是面向路径的，因此基于m p l s 的 故障恢复机制能比传统的路由模式提供更快、更可预测的保护和恢复 能力。当前，i e t f 的工作组已经提出了几种m p l s 故障恢复机制，包 括文中提到的h a s k i n 和m a k a m 方案。但这些故障恢复模型在将流量 切换到恢复路径时都面临着报文丢失及失序问题。针上述模型存在的 问题，我们提出了一种基于关键节点的故障恢复模型，试图做到即降 低丢包率，又减少网络延时和失序。 本文共分为五章，第二章对m p l s 技术的发展过程和工作原理做 了一个简单的介绍，使我们对m p l s 技术有了一个比较全面的认识。 第三章对在m p l s 中实现蚂蚁算法的基本原理和算法进行了 详细的介绍，提出了解决m p l s 网络q o s 路由的新的路由机制的 网络模型和实现。 第四章阐述了一个基于关键节点的故障恢复机制的实现。我们首 先描述了目前存在的主要m p l s 故障恢复机制，然后针对目前的故障 恢复机制存在的问题，提出了基于关键节点的m p l s 故障恢复机制。 第五章在上面的理论分析基础上，利用n s 2 软件进行了仿真实 验，测试了相关系统性能参数，包括平均系统延迟和丢包率等，通过 和其他算法的对比分析，说明了本文提出的算法是合理的、可行的， 比传统的算法有较大的性能提高。 本文的主要工作是提出了新的在m p l s 网络中有q o s 保证的路由 和故障恢复的机制，并对基于关键节点的故障恢复机制进行仿真实 现。文中所讨论的新的机制都可以通过对参数的调整来适应不同0 0 s 的服务要求，易于网络优化。 关键字：m p l s ，q o s ，q o s 路由，蚂蚁算法，故障恢复 a b s t r a c t w i t ht h eb l o o m i n go f m u l t i m e d i aa n dd a t a a p p l i c a t i o n ，t h eq o s m e c h a n i s mw h i c hu s e dn o wc a n n o tm e e tt h en e e d i e t fh a sp r o p o s e d m p l s ( m u l t i - p r o t o c o l l a b e l s w i t c h i n g ) t h e u s eo f m p l s p r o v i d e s a g o o dq o s s o l u t i o nf o rt h ec o r eo f t h en e t w o r k m p l si sa t e c h n o l o g yt h a ti n t e g r a t e st h el a y e r 2s w i t c h i n g t e c h n o l o g y a n d l a y e r 3r o u t i n gt e c h n o l o g y t h e b a s i cp r i n c i p l eo f m p l s i st h a tm a p p i n gt h e p a c k e t h e a d e rt oaf i x e dl e n g t hl a b e la tt h el e r ( l a b e le d g er o u t e r ) a c c o r d i n g t ot h eg i v e n m a p p i n g r u l e s ，t h el e ri n s e r t t h el a b e li n f o r m a t i o ni n t ot h e p a c k e th e a d e r ，t h e n t h el s r ( l a b e ls w i t c h r o u t e r ) f o r w a r d t h ep a c k e t a c c o r d i n g t h el a b e l t h i st h e s i sh a sf o u r c h a p t e r s t h ef i r s tc h a p t e r i n t r o d u c e st h e d e v e l o p m e n t a n dt h e p r i n c i p l eo f t h et e c h n o l o g yo f m p l s ，s o w ec a r t h 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 t h es e c o n dc h a p t e re x p a t i a t e san e w q o sr o u t i n ga l g o r i t h m a n t s h a v et h es e l f - o r g a n i z e dc a p a c i t y b a s e do nt h i sc a p a c i t y , a n t a l g o r i t h mi s u s e di nt e l e c o m m u n i c a t i o nf i e l d i nt h i st h e s i s ，w ep r e s e n tt h eu s eo f a n t r o u t i n ga l g o r i t h mi nm p l s ，d e s c r i b e an e wd i s t r i b u t e d r o u t i n ga l g o r i t h m t h et h i r dc h a p t e rf i r s te x p a t i a t e st h ew a y so fm p l s - b a s e d r e c o v e r y t h a tu s e dn o w t h e nw e p r e s e n t an e w w a y o fm p l s b a s e df a u l tr e c o v e r y s y s t e m i nt h ef o u r t hc h a p t e r ，o nt h eb a s i so f t h e o r y a n a l y z i n g ， w eu s et h e n s 2t od oas i m u l a t i o nt e s t w eh a v ec a r r i e do u te x t e n s i v es i m u l a t i o n s t h e nw eh a v et h er e s u l to ft h e s y s t e mp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r t h e c o m p a r i s o n o ft h e p e r f o r m a n c e i n d i c a t e st h a tt h en e w w a y o f m p l s - b a s e df a u l tr e c o v e r yh a sb e t t e ro u t p e r f o r m st h a nt h ec o n v e n t i o n a l w a y s t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h e p r o p o s a l i sf e a s i b l ea n d r e a s o n a b l e k e y w o r d s ：m p l s ，q o s ，q o sr o u t i n g ，a n tr o u t i n ga l g o r i t h m ，f a u l t r e c o v e r ym e c h a n i s m 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，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邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名 盐难 f 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名 日期：- 2 堑：土上墨 日期：2 世： 北京邮电大学硕士研究生论文m p l s 网络q o s 路由机制研究 1 1 技术背景介绍 第一章绪论 1 1 1q o s 技术概述 q o s 即服务质量，它是指分组或流通过网络时的性能，这种性能通过一系列 可度量的参量来描述。引入它的目的主要是提供端到端的服务质量保证，提高网 络资源利用率。 1 1 1 1q o s 技术的发展 网络技术在最近的数十年间随着应用的急剧发展而得到迅速的进步，7 0 年代 互连网络协议t c p 球被提出，其基本原则包括： 每一个网络都是唯一的和可自维持的。无论其是否与其他网络连接，都是可 以自主运行的。由路由器设备互相连接起来的一个或多个网络的集合被称为互连 网络。 通信采用尽力而为的( b e s t e f f o r t ) 方式。如果源端没有收到目的端返回的应 答，数据分组将会被重发。 路由器负责连接各个网络。但路由器不维护任何与不存在任何集中控制。一 个网络的运行不依赖于任何一个集中的管理实体。 从i p 网络产生直到现在，网络提供是一种“尽力而为”( b e s t e f f o r t ) 的服务， 在这种服务模式下，网络上所有的数据流都平等的使用网络资源，路由器对所有 的i p 数据包都采用先到先处理( f i r s tc o m e f i r s ts e r v i c ef c f s ) 的工作方式，它尽最 大努力将i p 包送达目的地，但对不能提供任何可靠性、延迟等保证。这很适合 e m a i l ，f t p ，w w w 等业务。但随着互联网用户的高速增长，碑业务也由单纯的数 据业务向多媒体业务发展。特别是随着多媒体业务的兴起，计算机已经不是单纯 的处理数据的工具，而是越来越贴近生活，计算机的交互越来越实时和生动，这 对互联网也就相应地提出了更高的要求。那些对带宽、延迟、抖动等有特殊要求 的应用来说，现有的“尽力而为”( b e s t - e f f o r t ) 的服务显然满足不了其需要。尽管 由于网络技术及电子器件的发展，网络带宽、网络速度和网络质量都得到了极大 的提高，但需要通过网络传输的数据增加的速度却也几乎与网络发展的速度相 当，甚至超过了网络发展的速度，这使得网络带宽、网络速度和网络质量依然是 阻碍多媒体业务发展的瓶颈问题。同时，近年来发展起来的一些新的应用( 如多 媒体，组播等) 不仅增加了网络流量，更因为这些应用改变了以往互联网上的流 量性质，因而它们需要全新的服务要求。由于不具备服务质量保障特性，不能预 北京邮电大学硕士研究生论文m p l s 网络q o s 路由机制研究 留带宽，不能限定网络时延，因此，许多新的应用无法在目前的互联网运行，如 网络电话、视频点播、远程教学、远程手术、远程会议和学术交流等。这就提出 了一个新的问题，即服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ) ，如何提高服务质量以支持多媒 体业务已成为近年来迫切需要解决的问题。 a t m 技术曾经被认为是解决q o s l h 3 题的最有希望的技术。a t m 就是为支持 语音和数据通信而设计的，可以支持在光纤或双绞线物理层上的链路层。a t m 技术和以太网技术不同，它在传输数据时先建立点到点的连接，然后数据从源端 直接传到目的地，而不需要路由。与p 不同，a t m 采用固定信元来传输数据， 信元长5 3 个字节，包括4 8 字节的数据和5 个字节的信息。a t m 提供了丰富的q o s 机制来支持不同的服务类型。通过a t m 路由协议选择路径和与q o s 等级相配的链 路来支持q o s 。但是，现有的m 网络是面向非连接的，因此在现有条件下不能全 面提供类似v c 的面向连接的服务，这使得利用a t m 来支持q o s 的想法无法实现。 在这期间，还出现了r s v p 技术和相关的集成服务体系。r s v p ( r e s o u r c e r e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 是资源预留协议，顾名思义，该协议主要用途是按照所需的 服务质量向沿途的路由器申请资源，由各个路由器来保证数据传输所需的服务质 量。它本身并不是传输协议，因此可以同时运行在碍v 4 和i p v 6 上。r s v p 支持三 类服务：一种是确保服务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) ，另一种称为负载控制服务 ( c o n t r o l l e l o a ds e r v i c e ) ，还有一种就是尽力而为的服务。在集成服务( i n t s e r v ， i n t e g r a t e ds e r v i c e s ) 中，r s v p 用来建立数据传输的路径，确保路径上所有的路由 器能保证所需要的服务质量需要指出的是，r s v p 以单个流为粒度，需要在路径 上每个路由器上保留每个流的状态，因此，路由器对r s v p 的处理开销较大。另 一方面，r s v p 技术同样是面向连接的，使用在面向非连接的口网络中是不切实 际的。所有这些限制了r s v p 和集成服务的可扩展性。 同时出现了区分服务( d i f s e r v ，d i f e r e n t i a t c ds e r v i c e ) ，区分服务通过对报文进 行统一的分组标识达到支持某种服务质量的目的，并支持流汇聚等功能。区分服 务模型主要通过用户和i s p0 n t e r n e ts e r v i c ep r o v i d e r ) 达成协议，决定用户应满足 的服务质量。这通过对p 头部的d s 字段中置入所需服务质量所对应的代码。根 据该代码，路由器可以按照事先预定的服务质量进行转发处理。并且可以对同一 类的服务质量的数据进行汇聚，并且不需要路由器保存流的状态，因此大大降低 了核心路由器的负载。并且，d s 字段可以根据需要自己定义，更增强了区分服 务的可扩展性。区分服务支持两种转发行为，一种是可靠转发( a f ，a s s u r e d f o r w a r d i n g ) ，包括四种独立的服务类，每类中实现三种分组丢弃优先级；另一种 是奖赏转发( p r e m i u mf o r w a r d i n g ) ，这是一种最小分组服务速率的服务，且不受 网络负载变化的影响，一般用来模拟专线服务。 2 北京邮电大学硕士研究生论文m p l s 网络q o s 路由机制研究 到现在为止，各组织提出的q o s 主要有： i ) a t m 论坛提出了q o s 控制的策略和实现，a t m 控制是“连接预定”型 ( c o n n e c t i o n a n dr e s e r v a t i o n ) ，它的核心内容是在服务建立之前，通过接纳控制和 资源预留来提供服务的q o s 保证，而在服务交互的过程中，用户进程和网络要 严格按照约定的q o s 实现服务q o s 保证； 2 ) i e t f 组织也已经提出了多种服务模型和机制来满足对q o s 的需求，其中 比较典型的有：r f c 2 11 5 ，r f c 2 1 1 7 以及1 9 9 8 ，1 9 9 9 年提出的r f c 2 6 x x 系列中的综 合服务模型( i n t s e r v ) 、区分服务模型( d i f f s e r v ) ，m p l s 技术( m u l t i p r o t o c o ll a b e l s w i t c h i n g ) 、流量工程( t r a f f i ce n g i n e m i n g ) 和q o s 路i 扫( q o s b a s e dr o u t i n g ) 等均用于 解决互联网的q o s 控制和管理。 1 1 1 2q o s 的目标参数 q o s 可以用一系列可度量的参数来描述： 用户需求( u s e r sq o s r e q u i r e m e n t s ) 延迟( d e l a y ) ：指两个参照点之间发送和接收数据包的时间间隔。 延迟抖动( d e l a y j i t t e r ) ：指在同一条路由上发送的一组数据流中数据包之 间的时间差异。 丢包率( 1 0 s sr a t e ) ：指在网络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率。数 据包丢失一般是由网络拥塞引起的。 网络性能( n e t 、v o r kp e r f o r m a n c e ) 吞吐量( t h r o u g h p u t ) ：指在不丢包的情况下，被测对象( 系统、设备、特 定连接、特定服务类等) 所能达到的最大传输速度。可以用带宽来度量吞 吐量。 利用率( u t i l i z a t i o n ) ：指带宽的利用状况。带宽利用率= 实用带宽，额定带 宽。当带宽的利用率达到1 0 0 时，很有可能在这条链路发生了拥塞。 1 1 2m f l s 技术的发展 1 1 2 1m p l s 产生的原因 传统m 路由器的转发能力在日益庞大的数据量面前越来越显得力不从心，不 仅转发实现的难度增大，成本也在不断增加。在q o s 方面，由于i p 协议是无连接 协议，i n t e m e t 网络中没有服务质量的概念，不能保证有足够的吞吐量和符合要 求的传输延时，只是尽最大努力来满足用户的需求。所以如不采取新的方法改善 目前的网络环境，就无法大规模发展新业务。 北京邮电大学硕士研究生论文 在现有的网络技术中，从支持q o s 的角度来看，a t m 作为继i p 之后迅速发 展起来的一种快速分组交换技术具有很大的技术优势。a t m 曾一度被认为是一 种处处适用的技术，但是实践证明这种想法是错误的。 由于i p 技术和a t m 技术在各自的发展领域中都遇到了实际困难，彼此都需 要借助对方以求得进一步发展，所以这两种技术的结合有着必然性。目前i p 与 a t m 相结合的解决方案归纳起来可以分为重叠模型和集成模型两类。 重叠模型的技术特点是：i p 的路由功能仍由口路由协议来实现，使用地址解 析协议( 6 ) 实现m a c 地址与a t m 地址的映射或口地址与a t m 地址的映射。重 叠模型由于自身机制所限，无法摆脱服务器进行地址解析时造成的传输瓶颈，并 且网络扩展性很差。 集成模型的技术特点是：将a t m 层看成i p 层的对等层，将i p 层的路由功能与 第2 层交换功能结合起来。a t m 端点只需使用婵地址进行标识，而不再需要地址 解析协议，在a t m 网络内使用现有的网络层路由协议来为口报文选择路由。与 重叠模型相比，a t m 使用的信令发生了重大改变，已不是a t m 论坛或玎u t 定义 的传统信令，而是一套专有的控制信令，其目的在于能够快速建立连接，以满足 对无连接m 业务快速切换的要求。 1 9 9 7 年，i e t f 中m p l s - v 作组成立，它为设备厂商及其追随者们提供了一个 进行技术发展讨论的正式场所，主要讨论的是网络层选路与2 层交换结合起来的 技术研究。试图利用集成模型技术的主要思想与优势，制定出一个统一、完善的 第3 层交换技术标准。希望通过规定的一整套协议和操作过程，最终在i p 网内通 过a t m ，帧中继等实现快速交换。 1 1 2 2m p l s 的基本思想 多协议标签交换m p l s 技术是将第二层交换和第三层路由结合起来的一种 l 2 l 3 集成数据传输技术。m p l s 之所以称为“多协议”是因为m p l s 不但可以支 持多种网络层层面上的协议，如r e v 4 ，i p v b ，i p x ，a p p l e t a l k ，d e c n e t ，c l n p 等，还 同时可以兼容第二层上的多种链路技术，如删，f r , p p p 等。 m p l s 技术的成功之处就是在于它在无连接的疋网络中引入了面向连接的机 制，通过一个称为“标签”的标识符、利用标签交换机制转发分组。其核心思想 就是：边缘的路由、核心的交换。 1 1 3 在m p l s 上实现q o s 技术 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 ) 技术在q o s 的实现上越来越重要，它不仅 应用于集成服务，也应用于区分服务，还是流量工程的重要技术。在集成服务中， 4 北京邮电大学硕士研究生论文m p l s 网络q o s 踌由机制研究 m p l s 和r s v p 相结合，r s v p 通过m p l s 来建立传输路径；在区分服务中，通常将 区分服务的流聚集映射到标记交换路径上，这样能得到较好的区分服务的效果。 m p l s 还应用到流量工程中，流量工程是解决网络性能优化的一个重要环节， m p l s 流量工程最核心的实现方法是利用显式路由算法计算标记交换路径、利用 显式路径建立标记交换路径( l s p ) 、利用标记交换路径进行流量分配，提高用户 的通信质量。 1 2 研究动态 q o s 路由问题是指在分布的网络中寻找最优路径，要求从源节点出发，历经 所有的目的节点，找到一条满足所有的约束条件且网络费用最小的网络路径来满 足端到端的服务质量。q o s 路由机制是支持和解决q o s 的关键。 显示路由技术是实现m p l s 网络q o s 路由的重要技术，在传统的m p l s 网络， 显示路由是通过边缘路由器通过对全网当前链路状态的计算而获得当前时刻最 佳的路径，在线的建立标记交换路径，这样的计算方法存在可靠性阀题和无法快 速的适应网络变化而获得最优的路径的问题。而且当在m p l s 中实现q o s 路由选 择时，通常涉及到带宽，时延等多个约束，是一个n p h a r d 问题，解决的方法一 般用启发式算法，但是结果通常不令人满意。本文针对传统的m p l s 集中式的路 由计算存在的弊端，提出了结合蚂蚁算法的路由算法试图解决以上问题来建立显 式路由。 由于基于m p l s 的故障恢复是面向路径的，因此基于m p l s 的故障恢复机 制能比传统的路由模式提供更快、更可预测的保护和恢复能力。当前，i e t f 的 工作组已经提出了几种m p l s 故障恢复机制，包括文中提出的h a s k i n 和m a k a m 方案。我们发现一旦发生链路失效，则对于h a s k i n 模型，必有数据包丢失，造成 较大的丢包率，而对于m a k a m 模型，部分数据包则需要逆向重传后再经过备份路 由才能到达出口l s r 造成大量的分组失序和网络延时的增加。因此如何有效地解 决报文丢失及失序是故障恢复机制迫切需要解决的问题。近年来，各国学者开始 在这方面探索，提出了一些快速有效的算法，本文也针对上述问题提出了自己的 解决方案，试图有效的解决上述问题 1 3 本文完成的主要工作与意义 在完成论文期间，阅读了大量的关于m p l s 和q o s 路由方面的文献，参照已 有的在m p l s 模型中实现路由重路由的方法，设计并实现了适用于m p l s 的q o s 路由及故障恢复模型，并进行仿真验证来证明该方法的可行性，在讨论中考虑了 北京邮电大学硕士研究生论文m p l s 网络q o s 路由机制研究 实际应用中的请求，以求其能得到实际应用。文中所讨论的新的机制都可以通过 对参数的调整来适应不同q o s 的服务要求，易于网络优化。 1 4 本文的组织安排 1 ) 第2 章对m p l s 技术的发展过程和工作原理做了一个简单的介绍，使我们对 m p l s 技术如：基本概念、网络模型、基本原理等有了一个比较全面的认识。 2 ) 第3 章对在m p l s 中实现蚂蚁算法的基本原理和算法进行了详细的介绍，基 于蚂蚁的自组织能力，蚂蚁算法在通信网络得到了广泛探讨，我们在将蚂蚁算法 应用于m p l s 中，实现了具有分布式特点的动态路由选择机制，提出了解决m p l s 网络q o s 路由的新的路由机制的网络模型和实现。 3 ) 第4 章首先对m p l 网络的故障恢复机制的基本情况进行了介绍，然后比较 了目前存在的m p l s 故障恢复技术的优缺点，提出了基于关键节点的m p l s 故障 恢复机制。 4 ) 第5 章在上面的理论分析基础上，利用n s 2 软件进行了仿真实验，测试了 相关系统性能参数，包括平均系统延迟和丢包率等，通过和其他算法的对比分析， 说明了本文提出的算法是合理的、可行的，比传统的算法有较大的性能提高。 6 北京邮电大学硕士研究生论文m p l s 网络q o s 路由机制研究 第二章m p l s 原理介绍 2 1m p l s 基本模型及工作流程 m p l s 技术的全称是多协议标签交换技术，m p l s 是由c i s c o 标签交换演变 而来的i e t f 标准协议。它引入了基于标记的机制，标记是表示路径和业务的属 性，流入的数据包在入口边缘被标记，位于核心的设备仅读入这些标记，赋予适 当的业务，然后根据标记转发这些数据包，对这些数据包的分析、分类和过滤只 在进入边缘设备时发生一次，经过出口的边缘设备时，标记被移去，数据包转发 到最终目的地。 2 1 1m p l s 中韵常用的术语 标签( l a b e l ) ：标签是一个包含在每个包中的短的具有固定长度的数值，用于 通过网络转发包。 边缘标记交换路由器( l a b l ee d g er o u t e r ，l e r ) ：l e r 是m p l s 网络同其他 网络相连的边缘设备，它提供流量分类和标签的映射、移除功能。 标记交换路由器( l a b l es w i t c h i n gr o u t e r ，l s r ) ：l s r 是m p l s 网络的核心 设备，提供标签交换、标签分发功能，具有第三层转发分组和第二层交换分组的 能力。 等价转发类( f o r w a r d i n ge q u i v a l e n c ec l a s s ，f e c ) ：f e c 是在转发过程中以等 效的方式处理的一组数据包，例如目的地址前缀相同的数据包。f e c 归类的方法 可以各不相同，粒度也可有差别。 标签交换路径( l a b l es w i t c h i n gp a t h ，l s p ) ：m p l s 实际上是一个面向连接的 系统，标签的分配实际上就是一个建立连接的过程，也即建立了一条l s p 。l s p 可以是动态的，也可以是静态的，动态l s p 是通过路由信息自动生成，静态l s p 是被明确提供的。 标签分配协议( l a b e ld i s t r i b u t i o l lp r o t o c o l ，l d p ) ：l d p 提供一套标准的信令 机制用于有效地实现标签的分配与转发功能。l d p 基于原有的网络层路由协议 o s p f 、i s i s ，r i p 。e i g r p 等构建标签信息库，并根据网络拓扑结构，在m p l s 域边缘标记交换路由器l e r 之间建立l s p 。 2 1 。2m p l s 的网络结构 m p l s 网络的基本组成单元是m p l s 路由器，即标记交换路由器( l s r ) ，l s r 分为两类，位于m p l s 域边缘与其它网络或用户相连的l s r 称为边缘标记交换 北京邮电大学硕士研究生论文 m p l s 网络q o s 路由机制研究 路由器( e d g er o u t e rl e r ) ，而位于m p l s 域内部的l s r 称为标记交换路由器。 在m p l s 域内部的l s r 之间使用m p l s 协议进行通信，在m p l s 域的边缘由l e r 与i p 路由器使用传统的路由技术进行通信，l e r 的作用是分析i p 包头，决定相 应的传送级别和标签交换路径( l s p ) 。 由于m p l s 技术隔绝了标签分发机制与数据流的关系，因此，它的实现并 不依赖于特定的数据链路层协议，可支持多种的物理和链路层技术如i p a t m 、 以太网、p p p 、帧中继、光传输等。 2 1 3m p l s 的工作流程 i ) m p l s 中的l s r 利用第3 层路由协 义建立路由表，即转发信息库f i b ， f i b 保存了目的地、t o s 等与f e c 的对应关系，其格式如图2 1 所示。 lf i b ld e s tt b s f e c n e x t h o p o i f axb 1r 11 bx b 1r 22 dzb 2r 33 cxc lr 42 图2 - i 转发信息库f i b 2 ) l s r 根据f i b 利用传统路由协议( 如o s p f ) 或标记分发协议( l d p ) 建立 标记交换路径l s p ，为每个f e c 分配一个标记并建立标记信息库l i b ，l i b 保存 着f e c 与标记的对应关系。其格式如图2 2 所示。 l f e c i lfo lo i f a 1a l l2c l l1 b 2c l l3a l l2 d lb l l1d l l3 c 3a l l3b l l2 a 2b l l2c l ll 图2 - 2 标记信息库l i b 3 ) m p l s 入口l e r 接受p 分组，分析i p 包头，确定属于哪一个f e c ，将 相应标记绑定到每个i p 分组中。 北京邮电大学硕士研究生论文 m p l s 网络q o s 路由机制研究 4 ) 标记交换路由器( l s r ) 根据输入标记查找l i b ，来确定输出标记、封装格 式、输出端口及其它信息，即对i p 分组进行标记交换。 5 ) 出口l e r 去掉i p 分组中的标记，并发送p 分组。 2 1 4 标记的使用 标记是短小且有固定长度的，用来标识一个转发等价类( f e c ) 。它一般只 在本地有效。本地限制了标记的使用范围并且标记对应的不是单一的数据包，也 不一定只是一个数据流，而是一组转发特征相同的转发等价类f e c 。标记与路由 相对应，但不一定是一对一的映射，即可以用一个标记捆合一群路由，这说明标 记的涵盖范围( 标记的涵盖范围称为转发粒度) 是比较灵活的，即粒度有粗细之 分。 假设r u 和r d 均为标记交换路由器( l s r ) ，且r d 为r u 的下一跳，当一个 转发等价类f e cf 的一个数据包( p a c k a g e ) 到来时，r u 和r d 通过标签分发协议， 将标记l 与f e cf 绑定。对于r u 来讲，标记l 是输出标记；对于r d 来讲，标 记l 是输入标记。每个l s r 都唯一地解释其输入标记，所以标记只具有本地意 义。 下面我们来看看标记是如何进行封装的，标记的封装置于网络层包头之前， 独立于网络层协议，它将进一步构成链路层封装的一部分。需要注意的是，m f l s 标记可以堆栈，一层层地嵌套，叫做“标记栈”。标记栈使用一种通用的封装，每 一层标记都由这个通用封装组成。通用封装由3 2 b r 组成，具体由下图2 2 所示 ol23 0 1234567890 l23456 78 90 12345678 90 l il a b e le x p t t ls 图2 3m p l s 标记通用格式 由上图可以看出，每个标记栈的内容由下列字段组成： l 栈底比特( s ) 该位置通常为1 ，表示相应的标记是标记栈中的最后一个条目( 栈底) ；置0 表示除栈底标记之外的所有其他标记。 2 生存周期( t t l ) 该字段为8 b i t ，用于生存时间值的编码 3 扩展字段( e x p ) 该字段为3 b i t ，保留给具体试验使用。 9 4 标记值( l a b e l ) 该字段为2 0 b i t ，包含实际的标记值。 标记栈的封装允许定义在多种不同的媒质上，栈顶的标记可以仍然沿用现有 的格式，比如在a t m 媒质上，就可以沿用v p i 、v c i 作为栈顶的标记：在f r 媒质上，就可以沿用d l c i 作为栈底的标记。低一些级别的标记就可以使用上面 所述的夹层标记，以消除不同媒质之间的差异。e t h e m e t 和p p p 媒质无论栈项还 是栈底一般都使用夹层标记。 图1 4m p l s 标记在整个数据包中的位置 一般的，标记栈出现在数据链路层的后面，网络层的前面，在标记栈中，栈 顶接近网络层头，栈底接近数据链路层头。如图l - 4 所示。 2 1 5 转发等价类 转发等价类即f o r w a r de q u i v a l e n c ec l a s s ，它在m p l s 体系结构中是一个非 常重要的概念。m p l s 最基本的功能就是将数据流汇聚成转发等价类f e c 。在转 发等价类f e c 中的流量沿着标记交换路径l s p 贯穿整个m p l s 域。在一个转发 等价类f e c 中的包都是通过一个唯一的，只具有本地含义的标记所标识。 一个转发等价类可以是任何一组“转发特征相同”的包。转发特征相同是指从 标记交换路由器l s r 的同一个端口转发出去，并且有着同一个下一跳和标记。 它也可以意味着相同的服务等级，输出在相同的队列，给定相同的丢弃优先级等。 那么我们如何为每个数据包来划分f e c 呢? 当一个数据包从l e r 进入到m p l s 网 络中的时候，这个包就会被映射到一个f e c 中去，映射可以在一个很广的范围内 操作，带有很多参数。地址前缀、源目的地址对都可以作为转发等价类的划分 方法。f e c 通常包括一个或几个f e c 属性元素( f e c 及其对应的属性元素在转发信 息库( f i b ) r 扣描述) ，每个属性元素描述了一组能够被映射到相应l s p 的i p 分组的 共同属性。即每个f e c 元素可识别映射到对应的l s p 上的一组分组。当某个l s p 由多个f e c 元素共用时，此l s p 将终止在多个f e c 元素不再共用同一通路的节点 上。最常用的属性元素有：口地址前缀和路由器标识符，它们分别用来表示具有 相同的目的地地址前缀或者是经过相同的路由器的分组属于同一f e c 。此外，业 务类型( t o s ) 等也可作为f e c 的属性。这就为m p l s 增加了比传统i p 路由更大的灵 活性和扩展性。 0 北京邮电大学硕士研究生论文m p l s 网络q o s 路由机制研究 2 1 6 标记交换路径 有了转发等价类的概念，我们就容易理解标记交换路径的建立了。在m p l s 中有两种路由选择建立标记交换路径的方法：一是逐跳路由( h o pb yh o p r o u t i n g ) ，一种是显式路由( e x p l i e i tr o u t i n g ) 。 显式路由可以实现流量工程，可以控制i p 包在网络中所走过的路径，这样 就可以避免p 包在网络中的盲目行为，避免业务流流向已经拥塞的结点，实现 网络资源的合理利用，保证网络中不会出现某个结点过度拥塞，而有些结点的资 源没有得到充分利用的情况。 标签交换路径的建立需要某种协议的交互，也可以说是一种信令形式。在 m p l s 领域中，这种信令又被称为标记分发协议l d p ，因为这里的信令都是围绕 着标记的分发而实现的。 2 2 标签分发协议l d p 介绍 目前，在i e t f 中m p l s 支持三种标记分发协议：分别是l d p ( 普通标记分 发协议) 、c r - l d p ( 限制路由的标记分发协议) 以及r s v p t e ( 扩展的资源预留 协议) 。我们本节讨论l d p ( l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c 0 1 ) 。 2 2 1l d p 概述 l d p 是m p l s 的控制与信令协议，l d p 规定标记分发过程中的各种消息以 及相关的各种处理进程，是建立、拆除、保护、重新路由以及重新建立标记交换 路径的信令。标记分发是指标记交换路由器( l s r ) 向其它l s r 发出标记请求或通 知其他l s r 标记含义的过程，使用l d p 的各种进程和消息，l s r 将网络层的路 由信息映射到数据链路层的交换路径上，进而建立起标记交换路径( l s p ) ，因此 l d p 是m p l s 技术的核心，其功能主要包括发布 映射信息、建立 和维护标记交换路径( l s p ) 和传送部分路由信息。而在所有这些消息中，标记请 求消息和( 标记一f e c 映射映射消息是最主要的两条消息，所有的工作流程部 是围绕这两条消息展开的。下面我们来简单介绍一下l d p 中的消息。 2 2 2l d p 的消息格式 普通的标记分发协议l d p 规定了一整套用于沟通的语言，来完成相互之间 的理解和交互。这套消息包括发现消息、会话消息、通告消息、通知消息四大类。 当然，不同的消息用于不同的步骤，不同的消息也有不同的功能。 发现消息：用来发现对方的消息。主要用于发现和维护网络中标记交换 路由器的存在。 北京邮电大学硕士研究生论文m p l s 网络q o s 路由机制研究 会话消息：在标记交换路由器发现对方之后，负责在l d p 对等实体之 间建立、维护和结束会话连接。 通告消息：负责创建、改变和删除特定的f e c 与标记的绑定。 通知消息，用于提供建议性的消息和差错信息。 大部分的l d p 消息采用类型一长度一值即“t l v ”的方式进行封装，下面我 们介绍l d p 中的三种消息格式：r e q u e s t 、m a p p i n g 、n o t i f i c a t i o n 。 1 ) 标记请求消g ( l a b e lr e q u e s tm e s s a g e ) 0123 0123456789 0123456789012345678901 0 l a b e l r e q u e s t ( 0 x 0 4 0 1 )m e s s a g el e n g t h i im e s s a g e i d f e ct l v l s p dt l v e rt 【 图1 5l d p 标记请求消息 2 ) 标记映射消息( l a b e lm a p p i n gm e s s a g e ) ol23 0 1234567890 l23456789 0 l234567890 l o l a b e l m a p p i n g ( 0 x 0 4 0 0 )m e s s a g el e n g t h m e s s a g e i d f e ct l v l a b e l 删 l a b e lr e q u e s tm e s s a g ei dt l v l s p i dt l v 图1 - 6l d p 标记映射消息 北京邮电大学硕士研究生论文m p l s 尉络q o s 路由机制研究 3 ) 通知消惠( n o t i f i c a t i o nm