（计算机应用技术专业论文）mpls故障恢复模型研究.pdf

朗j l j 天擘硕十学位论史 m p l s 故障恢复模型研究 计算机应用技术 研究生郭於昆指导教师吕光宏 船l s ( 多协议标签交换) 作为a t m 与i p 结合的产物继承了1 p 技术的灵活 性，可扩展性，同时利用现有的二层硬件交换技术( 如a t m ，f r 等) 提供了对 流量管理和y p n ( 虚拟专用网) 的支持，具有q o s ( 服务质量) 保证。为运营商 提供了一个方便管理且具有增值效应的交换平台。 在m p l s 网络中，任何资源都有可能发生故障，1 _ i p l s 故障恢复机制是m p l s 流量工程的一种重要应用特性。本文通过对现有m p l s 故障恢复模型及兵存在饲 题进行分析和研究，提出了一种改进的基于快速重路由机制的i p l s 故障恢复模 型，通过性能仿真，改进的快速重路由模型兼有原有方案丢包少，恢复时间短 的优点，同时很好地避免了原有方案的不足，进一步证明改进模型较以前方案 性能上的优势。 在m p l s 网络中，c r - l d p ( 约束路由的标签分发协淀) 的重路由机制是流量 工程的一个基本要求c r l d p 重路由机制虽然避免了同一链路上的双份资源占 用( 预留) 的问题，但仍然存在新i h l s p ( 标签交换路径) 进行切换时的时延过 大问题，时延过大导致的一次性失序报文数量较大问题以及新i f l l s p 不经过同一 链路时，中间节点对之间的资源双份预留问题。本文通过对c r l d p 重路由机制 进行研究。针对其存在的问题，提出改进的基于m p l $ 流量工程的重路由模型， 通过性能仿真，改进算法比c r l d p 重路由算法在一定程度上解决了报文失序和 更小的路径切换时延问题。 关键词：m p l s 标签分发协议故障恢复流量工程快速重路由c r l d p 四川大学城i 学位论文 r e s e a r c ho nm p l sr e c o v e r y c o m p u t e ra p p l i c a t i o n p o s t g r a d u a t eg u oy u k u n t u t o rl vg u a n g h o n g m p l s ( m u l t i p r o t o c o ll a b l es w i t c h i n g ) i sai n t e g r a t i o no fi pa n da t m t e c h n o l o g yw h i c hc a ns u p p l yt r a f f i cm a n a g e m e n ta n dv p no p e r a ti o n a n dn o w t h em p l ss t a n d a r d i z a t i o ne f f o r t sh a v eb e e np r i m a r i l yf o c u s e do nt o p o l o g y b a s e da g g r e g a t i o ns c h e m e sf o ru n i c a s tt r a f f i c e f f i c i e n ts u p p o r tf o r m u l i t c a s to v e rl a b l es w i t c h i n gh a r d w a r ei ss t i l la no p e np r o b l e m ，b o t h w i t h i nt h em p l sw o r k i n gg r o u pa n dc o m m u n i t y a l lr e s o u r c e si nm p k sn e t w o r k sh a v ec h a n c e st of a i l ，m p l sf a i l u r e r e c o v e r ym e c h a n i s mi sa ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fm p l s t e t h ea b i l i t yo fr e c o v e r ym e c h a n i s mi sp r i v o t a lt oi m p r o v et h eu s a b i l i t y a n dr e l i a b i l i t yo fm p l sn e t w o r k t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h er e s e a r c h a b o u tp r e s e n tm p l sp a t hr e s t o r a t i o nm e c h a n i s ma n di t sp r o b l e m s ，p r e s e n t af a s tr e r o u t i n g b a s e dm p l sp a t hr e s t o r a t i o nm e c h a n i s m b a s e do nt h e n e t w o r ks i m u l a t i o n ( n s ) ，t h ei m p r o v e df a s tr e r o u t i n gc a nr e l a xp a c k e t l o s sa n dr e o r d e r i n ge f f e c t i v e l y ，f u r t h e rp r o v e dt h es c h e m eh a sb e t t e r p e r f o r m a n c et h a nh a s k i n ，m a k a ma n ds i m p l ed y n a m i cs c h e m e s i nm p l s ，c r l d p ( c o n s t r a i n b a s e dr o u t i n gl d p ) r e r o u t em e c h a n i s mi s u s e df o rt r a f f i ce n g i n e e r i n g c r l d pr e r o u t em e c h a n i s mr e m o v e st h ec a s e o fd o u b l es h a r e so fr e s o u r c eo c c u p i e db e t w e e nap a i ro fn o d e s ，b u th a s t h ec a s eo fd o u b l es h a r e so fr e s o u r c eo c c u p i e db e t w e e nap a i ro fn o d e s w i t h o u ts h a r e d1 i n k s d i s o r d e r i n go fp a c k e t sa to n et i m ea n ds w i t c ho v e r l p l- l lr-卜k - o - l l lrl-；l ；_一旷 - l h l l ， l q 川大学琐卜学位论文 d e l a yf o rr e r o u t e t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h er e s e a r c ha b o u tc r l d pa n d p r e s e n tt h er e r o u t i n gm e c h a n i s mf o rm p l s b a s e dt r a f f i ce n g i n e e r i n g b a s e do nt h en e t w o r ks i m u l a t i o n ( n s ) 。t h em e c h a n i s mr e d u c e sd i s o r d e r i n g o fp a c k e t sa to n et i m ea n ds w i t c ho v e rd e l a yf o rr e r o u t e k e yw o r d ：m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h ( m p l s ) l a b l ed i s t r i b u t i o n p r o t o c o l ( l d p ) r e c o v e r yt r a f f i ce n g i n e e r i n g ( t e ) f a s tr e r o u t ee x p l i c i t r o u t e ( e r ) c o n s t r a i n t b a s e dr o u t i n gl a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c l ( c r l d p ) -一-!-，-；，1。r-一 四川大学颈士学位论文 1 1m p l s 技术概述 第一章绪论 i p 网络技术和 t m 技术作为计算机网络界存在的两个发展方向，具有如下 特点：i p 级数的优点是具有灵活的路由选择体系，并且采用非面向连接的“尽 力而为”的服务方式，非常适合于非实时性信息的传输，但由于其标准的不统 一以及其他因素，使得i p 技术无法满足时延，带宽等q o s 的要求，也就不能满 足对语音，视频等实时性要求很高的应用传输的要求。 a t m 技术作为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，并且支持语音， 数据和图像通信。但a t m 技术存在较大的技术难度( 如信令建立过程过于复杂) ， 并且路由灵活性不高，在传输较短的一般数据时，存在效率不高，开销大等弱 点。 i p 技术和a t m 技术的优势结合，产生了m p l s ，在满足新的业务需求的同时， 维护了现有的投资。 肝l 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 ，多协议标签交换技术) 是继i p 技术以来的下一代广域网传输技术。它作为一种充分利用数据标签引导数据包 在开放的通信网络上实现高速，高效传输的新技术，在一个无连接的网络中引 入了连接模式，从而有效的减少了网络的复杂性，并且兼容现有各种主流网络 技术，从而大大降低网络投资成本。在提高i 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。 ， l 、， ：，p i i 四川大学硕士学位论文 1 2 课题背景介绍 随着网络数据业务量和用户量的猛增，对信息和网络的依赖程度日益增大。 网络的可靠性问题逐渐凸显，网络生存性技术因此应运而生。网络的生存性主 要是指网络在节点、链路失效以后，在不需要人为的干预情况下，自动恢复受 故障影响的业务的能力。 m p l s 作为下一代核心网络的主要技术，通过标签交换机制，不仅可以提供 比传统i p 更有效的q o s 保证和流量工程，而且具有很强的网络生存性能力。m p l s 的保护机制在故障发生以后，可比i p 层提供更快的反应时间。m p l s 保护能提 供非常灵活的保护流量颗粒度，并且可以选择保护流量的类型。 未来i p 网业务的多样性使得网络生存性尤为重要。大多数网络都有两种机 制来实现网络的生存性：一种是恢复机制，另一种是保护机制。恢复机制是在 网络失效后动态地寻找可用资源从而选择另一条路由；而保护机制则是预先配 置保护路径来防止可能出现的故障。保护机制与恢复机制各有优缺点：保护机 制比恢复机制的恢复时间短但灵活性不足，而且资源利用率不如恢复机制。 故障恢复算法优劣的主要评价标准包括：丢包数，恢复时间，失序分组数， 端到端时延等等。目前，i e t f 针对故障恢复的问题，提出了一些相关草案，现 有的算法包括h a s k i n ，m a k a m ，s i m p l ed y n a m i c 等。本文通过对现有的基于咿l s 的快速重路由模型进行归纳分析及比较，提出改进的基于m p l s 快速重路由模 型，在实际验证中，对于减少丢包数，缩短恢复时间，能够到达更好的性能要 求。 在孵l s 流量工程中，实现流量重路由时，通常由入口路由器将一些不合理 的l s p 以显式路由的方式重新路由到新的l s p 上，而新旧路径本身没有明显的 限制，它们可以相交( 新旧路径可以通过相同的中间结点) 。在具体实现上，目 前主要采用c r _ l d p 重路由算法。本文针对c r - l d p 重路由机制存在的一些问题， 提出改进的基于咿l s 流量工程重路由模型，并进行相关性能分析，结果表明， 改进的基于m p l s 流量工程重路由模型在报文失序，分组延迟方面，能够达到更 好的效果。 2 i lro卜ll一一一|llh 0 l-r-，p(：p：piir-o l ， 、 、 l 四川大学硕士学位论文 1 3 内容安排 本文共七章，组织结构如下： 第一章为绪论，首先对m p l s 概念进行描述，然后对课题背景进行简单介绍。 第二章专门对盱l s 的相关技术进行详细分析，包括m p l s 的工作原理，标 签分发协议以及m p l s 流量工程。 第三章详细分析m p l s 故障检测技术。 第四章和第五章为本文的核心内容，在这里提出了改进的m p l s 快速重路由 模型以及改进的m p l s 流量工程快速重路由模型，并对改进模型的具体设计进行 详细说明。 第六章是对第四章和第五章内容的模拟验证，首先介绍n s 2 网络仿真工具， 然后进行仿真分析，用以验证改进模型。 第七章是全文的总结并回顾所有工作。 3 四川大学硕士学位论文 2 1m p l s 的发展 第二章m p l s 技术 自1 9 9 7 年i e t f 提出m p l s 到目前为止，关于m p l s 技术的协议标准草案以 及规范己达1 4 0 多个，并且在1 9 9 9 年就有厂商推出了m p l s 设备。目前主要有 如下几个工作小组对m p l s 技术进行标准化。 1 ) 互联网络工程组( i e t f ) 在2 0 0 0 年以前，m p l s 标准化的制定工作仅由i e t fm p l st 作组完成。在 1 9 9 7 年3 月成立的m p l s 工作组，当时的主要任务和研究的重点是制定m p l s 技 术的实现规范，目的在于使这种新的网络技术能够达到如下目标： 灵活的网络层路由选择； 高效的分组交换转发( o o s 保障) ； 有效的网络管理； 强大的网络扩展能力； 有效的增值服务提供能力； 良好的兼容性； 由m p l s 技术实现这些目标目前看来已基本没有问题。目前，m p l s 工作组 的工作重点己从原来的技术基本实现转移到m p l s 技术的应用上来。主要针对 m p l s 如何更有效地提供增值服务、在局域网中的应用、与光纤传输网( o t n ) 的融合、以及m p l s 网流量工程的具体应用等等。 2 ) 国际电信联盟( i t u t ) i p 技术到现在为止已经在i n t e r n e t 上占据了绝对的主导地位，肝l s 技术 的提出又使得i p 可以为用户提供诸如语音传输、视频会议、多媒体等实时业务， 并且提供电信级的q o s 保障。因此，i t u - t 各研究组在1 9 9 9 年底的总结会上进 行了未来研究工作的战略转移，全面开展有关i p 标准化方面的研究工作，其中 作为全球信息基础设施( g i i ) 和b - i s d n 的主导研究组一i t u ts ( ；1 3 小组将m p l s 4 -l一一-loirlo；o-r ， rrl r。lrr 。 pr-r 四川大学硕士学位论文 列为2 0 0 0 2 0 0 3 年的重点研究课题，并一致同意将l d p c r - l d p 作为公网传输 标准信令。 3 ) 肝l s 论坛 为了对m p l s 技术进行更好的研究，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 成员为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。论坛 的工作重点主要在以下四个方面： 灵活的网络层路由选择； 流量工程； 服务等级( c o s ) ； 服务质量( q o s ) ； 虚拟专用网( v p n ) ： 到目前为止，肝l s 技术还处在不断的发展之中，因为m p l s 技术涉及的范 围广，内容多，而且很多技术和业务本身也在不断的发展，因此，m p l s 技术也 将不断发展和改进。 2 2m p l s 工作原理 m p l s 技术引入了转发等价类( f e c ，f o r w a r d i n ge q u i v a l e n c ec l a s s e s ) 的概念，所有需要做相同转发处理，并转发到相同下一跳的分组属于同一个转 发等价类。在传统的i pf o r w a r d i n g 中，按照。最长匹配”的原则查找路由表， 以确定下一跳的地址，这一原则可能导致多次查找匹配路由，因而在一定程度 上影响了路由器的性能。在m p l s 中，每个数据包都带有标签，每个数据包根据 标签转发，不需要将数据包分析到网络层，而且由于数据包使用的标签具有转 发的唯一性，从而降低了转发表的查找次数，因而提高了包的转发速度。 御l s 通过路由选择层面与数据转发层面的分离，将面向非连接的i p 业务 移植到面向连接的标签交换业务之上。在m p l s 网络中，入口l s r ( 标签交换路 由器) 按照不同的转发要求将分组划分成不同的转发等价类( f e c ) ，并将每个 特定f e c 映射到下一跳，即进入网络的每一特定分组都被指定到某个特定的f e c 中。在面向非连接的网络中，每个路由器通过分析分组头独立地选择下一跳， 5 -0：_r，jr-_p h t h r ， l rri-rf 巳pi-f，rlr-rlrliil，l 四川大学硕士学位论文 而分组头中包含着比用来判断下一跳丰富得多的信息。传统的i p 转发，每个路 由器对相同f e c 的每个分组都要进行分类和选择下一跳；而在m p l s 中，分组只 在进入网络时进行f e e 分类，并分配一个对应的标签，网络中的后续l s r 则不 再分析分组头，所有转发直接根据定长的标签有些传统的路由器在分析分组 头的同时，不但决定分组的下一跳，而且要决定分组的服务等级( c o s ，c l a s so f s e r v i c e ) ，以给予不同的服务规则。m p l s 可以( 但不是必须) 利用标签来支持 c o s ，此时标签用来代表f e c 和c o s 的结合。和传统网络层转发相比，押l s 的 转发模式除了相对地简化转发、提高转发速度外，而且易于实现显式路由、流 量工程、q o s 和v p n 等功能。 每个特定的f e e 都被编码成一个短而定长的值，称为标签，标签加在分组 前成为标签分组，再转发到下一跳。在后续的每一跳上，不再需要分析分组头， 而是用标签作为指针，指向下一跳的输出端口和一个新的标签，标签分组用新 标签替代旧标签后经指定的输出端口转发。在出口l s r 上，去除标签并且使用 i p 路由机制转发分组。 标签是一个长度固定( 2 0 位) ，且具有本地意义的标识符，和另外1 2 位控 制位构成m p l s 包头，也成为垫层( s h i m ) 。m p l s 包头位于二层和三层之间，通 常的服务数据单元是i p 包( 肝l s 包头结构图如下图所示) 。 0 图2 1m p l $ 包头结构图 m p l s 分组上承载了一系列按照“后进先出”方式组织起来的标签，该结构 称作标签栈，处理标签从栈顶开始。如果一个分组的标签栈深度为m ，则位于 栈底的标签为1 级标签，位于栈顶的标签为m 级标签。未打标签的分组可看作 标签栈为空( 即标签栈深度为零) 的分组。标签分组到达l s r 通常先执行标签 6 i ， l2、一、。-一hl、，、- l 、 ： 四川大学硕士学位论文 栈顶的出栈( p o p ) 操作，然后将一个或多个特定的新标签压入( p u s h ) 标签栈 顶。如果分组的下一跳为某个l s r 自身，则该l s r 将栈顶标签弹出并将由此得 到的分组“转发”给自己；如果标签弹出后标签栈不空，则l s r 根据标签栈保 留信息做出后续转发决策；如果标签弹出后标签栈为空，则l s r 根据i p 分组头 路由转发该分组。 l s r 是m p l s 网络的基本单元，主要由控制单元与转发单元两部分组成，这 种功能上的分离有利于控制算法的升级。其中，控制单元负责路由选择，m p l s 控制协议的执行，标签的分配与发布。以及建立标签信息库( l i b ) 。而转发单 元只负责根据标签信息库建立标签转发表( l f i b ) ，对标签分组进行简单的转发。 其中，l f i b 是m p l s 转发的关键因素，l f i b 使用标签进行索引，相当于i p 网络 中的路由表。l f i b 表项的内容包括：入标签、转发等价类、出标签、出接口、 出封装方式等等。 m p l s 本质上是将分组业务划分为不同的f e c ，相同f e c 的业务流在同一标 签交换路径( l s p ) 上交换。一般来说，下游节点分发标签给上游节点，连成一 串的标签和路由器序列就构成了l s p ( 标签交换路径) 。l s p 的建立可以使用两 种方式：独立方式( i n d e p e n d e n t ) 和有序方式( o r d e r e d ) 。在独立方式中，任 何l s r 可以在任何时候为每个可识别的f e c 流进行标签分发，并且将该绑定分 发给标签分发对等体；而在有序方式中，一个流的标签分发是从这个f e c 流所 属的出口节点开始的，由下游向上游逐级绑定，这样可以保证整个网络内标签 与流的映射完整一致。 l s p 有序控制方式和独立控制方式能够相互操作。一条l s p 中，如果并非 所有l s r 均使用有序控制，则控制方式的整体效果为独立控制。l s r 应支持两 种控制方式之一，控制方式由l s r 本地选择。 2 - 3 标签分发协议 标签交换路径实质上作为一个m p l s 隧道，其建立是通过标签分发协议的工 作来实现的。标签分发协议是l s r 将它所做的标签f e c 绑定通知给另一个l s r 的协议族，使用标签分发协议交换标签f e c 绑定信息的两个l s r 被称为对应于 相应绑定信息的标签分发对等实体。标签分发协议还包括标签分发对等实体为 7 鹳j l l 大学硕t 学位论文 了获知彼此的m p l s 能力而进行的任何协商。 目前主要研究三种标签分发协议：基本的标签分发协议( l d p ) ，基于约束 的l d p ( c r l d p ) 和扩展r s v p ( r s v p - t e ) 。l d p 是基本的肝l s 信令与控制协议， 它规定了各种消息格式以及操作规程，l d p 与传统的路由算法相结合，通过在 t c p 连接上传送各种消息，分配标签，发布( 标签，f e c 映射，从而建立和维护 标签转发表以及标签交换路径。但如果需要支持显式路由、流量工程和q o s 等 业务时，就必须使用后两种标签分发协议。c r l d p 是l d p 协议的扩展，它仍然 采用标准的l d p 消息，与l d p 共享t c p 连接，c r - l d p 的特点在于通过网管制定 或是在路由计算中引入约束参数的方法建立显式路由，从而实现流量工程等功 能。r s v p 本来就是为了解决t c p i p 网络的服务质量问题而设计的协议，将该 协议进行扩展得到的r s v p - t e 也能够实现各种功能，在协议实现中将r s v p 作用 对象从流转变为f e c ，从而降低颗粒度，提高了网络的扩展性。可以看到，c r _ l d p 和r s v p - t e 在功能上比较相似，但在协议实现上有着本质的区别，难以实现互 通，因此必须做出选择。 2 4m p l 8 与流量工程 2 4 1 流量工程概述 流量工程是指为了平衡网络链路、路由器和交换机上的流量负载根据数据 流量来选择路径的过程。流量工程的主要目标是通过采用有效与可靠的网络操 作来优化网络资源使用和通信性能。流量工程的性能目标主要包括两种类型： 面向流量，增强通信流量的q o s ，主要包括减少丢包、降低延时、提高吞吐量 以及完成服务级合约；尽力转发业务强调丢失最小化的性能指标、分类业务采 用面向统计的性能指标。面向资源，优化资源的利用，主要包括优化多个资源 的利用以及网络带宽的利用。 8 l-【l、0r0。i-ii l 四川大学硕士学位论文 2 4 2 流量工程与n p l s m p l s 流量工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 是指为了平衡网络设备的流量， 根据数据流量进行路径选择的过程，主要用于提高网络运作的效率与可靠性， 优化网络资源及流量性能。m p l s 流量工程通过将流量导入指定的路径来实现其 功能。m p l s 流量工程采用。基于约束的路由”方式，业务流经过的通道是满足 业务流资源要求的最短通道，业务流的选路可设置带宽需求、媒介需求以及优 先级需求等参数。 2 4 3n p l s - - t e 的应用 目前m p l s 流量工程的应用主要集中在以下几个方面：流量的统计分析、流 量的优化、网络的保护以及服务质量。 1 ) 流量的分析统计 网络的运行情况和业务流量矩阵的获得以往都是采用探针等方式，实施起 来非常复杂，采用m p l s 技术以后，每个l s p 就成为了一个流量统计单位，路由 器将对进出这条l s p 的流量进行记录，通过s n m p 就可以将这些数据提取出来， 从而 宽约 收集 的统 路径 工程 立不 负担 化网 l lloillroooop l a p s m s p 恢复时间量级之间，在特定情况下甚至能够获得比s o n e t s 阴a p s i m s p 自愈恢复更好的性能。m p l s 流量工程的链路保护与s o n e t s d h 的保护是类似的。 它采用的技术是m p l s 快速重路由( f a s tr e r o u t e ) 。在这种情况下，为每个链 路和节点提供单独的迂回路由进行保护，在建立标签交换路径时，每个节点负 责为每条链路或节点计算保护路径，一旦某个链路或节点发生故障，立即由其 直接上游节点检测到，然后在该路由器上把流量立即切换到保护路径。这种方 法的优点是切换速度快，但缺点是需要很多的备份资源，并且路由器需要维护 的状态也比较多。在实际应用中我们可以对关键路径实现保护，减少对网络的 影响。目前，m p l s 流量工程主要用在业务比较重要和繁忙的核心部分。 2 4 4i i p l s - t e 的优势 m p l s 由于自身路由与转发分离的特点，适合与流量工程相结合，形成 m p l s t e 技术应用m p l s - t e ，可以提高网络的q o s ，其主要体现在于：利用 m p l s - t e ，可以在多条可能的转发路径上进行负载平衡，从而避免拥塞，提高 q o s ；应用m p l s t e ，通过r s v p - t e 信令创建一条具有严格的q o s 带宽保证的隧 道，从而支持绝对的q o s ；可以通过备份l s p 、f r r ( 快速重路由) 等方式对隧 道进行额外的保护，从而提高网络的q o s 。 另外m p l s 引入流量工程的优势还在于集成了第二层数据链路层的标签交 换与网络层的路由，并提供了完整的流量管理方式和优化的选路方式。其基于 约束的路由可以满足带宽的需求，媒质的需求以及优先级需求等条件。基于资 源约束，能够有效的恢复节点和链路故障。中继主干线和l s p 的映射，可以调 节业务的流量，并且具有动态的适应机制，能够自动实现流量工程。 l o 四川大学硕士学位论文 第三章m p l s 修复机制 传统的i p 恢复机制是相当慢，而m p l s 可以加速i p 层的失效恢复时间。目 前，i e t f 已经出台了利用m p l s 技术提供网络层的快速失效恢复的草案。m p l s 可以在有效路径的两端或失效节点间建立替换l s p 。虽然这种方式也是在路径 失效后才由h p l s 的信令计算出可替换的路径或链路，但由于m p l s 利用固定长 度的标签交换技术减少了路由器解析i p 包头的延时，从而可以加速i p 层的实 效恢复。根据恢复对象可分为两种方法：基于链路的恢复和基于路径的恢复。 在基于路径的情况下，整条l s p 部被替换。而基于链路则只替换失效的l s p 跳 数。 基于链路的方法是基于路径方法的简化，它适用于在一对节点间有多条光 路径的情况。恢复机制可以采用集中式控制，由控制管理中心根据网络失效后 的资源状况进行重路由，同时也可以采用分布式的控制，与失效相关的节点通 过使用广播消息的方法来寻找一条恢复路由。 其次与恢复机制相同，h p l s 通过预先配置保护l s p 也要分为两种方法：基 于链路的和基于路径的，原理与恢复机制一样，只是保护路径和链路是预先配 置的“这时执行l s p 保护切换不需要信令的参与。这种方法的恢复时间可和 s d h 相媲美。虽然这对数据业务并不是必要的，但是对实时业务却是必须的。 即预先计算好一条备用的l s p 来保护主用的l s p ，一旦主用l s p 出现问题则立 即切换到备用l s p 。可在备用l s p 上传输一些低优先级的尽力而为的业务一 旦主用l s p 出现故障，立即将主用l s p 上的流量全部切换到备用l s p 。 3 1m p l s 修复机制的工作流程 1 ) 工作路由和备份路由的计算。 2 ) 资源预留。在m p l s 中使用r s v p ( r e s o u r c er e s e r v a t i o ns e t u p p r o t o c 0 1 ) 协议在工作路由和保护路由上进行资源预留。 1 1 四川大学硕士学位论文 3 ) 建立工作路由和备份路由。在网络中以动态重路由或者保护交换的方 式建立工作路由和保护路由。 4 ) 网络损坏。主要是指链路和节点的物理损坏或性能减退。 5 ) 故障发现主要有四种网络故障的发现方法( 见3 2m p l s 故障检测技 术) 。 6 ) 故障通告。故障指示信息f i s ( f a u l ti n d i c a t e ds i g n a l ) 向上游l s r ( l a b e ls w i t c h e dr o u t e r ) 层层传送。 7 ) 切换到备份路径。 8 ) 流量在新的路径即备份路径上传输( 完成流量切换工作) 。 故障修复后，流量从备份路径恢复到原工作路径的步骤如下： 1 ) 网络故障的修复。 2 ) 原工作路径可以重新使用。 3 ) 启动恢复操作。 4 ) 恢复操作完成以后，流量重新切换到原工作路径上。 3 2m p l s 故障检测技术 i t u t 和i e t f 在近年来，在l s p 故障检测和恢复的标准化方面开展了大量 的研究工作，并且分别开发了不同的实现机制。i t u - ty 1 7 1 1 规范了连通性确 认( c v ，c o n n e c t i v i t yv e r i f i c a t i o n ) 功能，而i e t f 则正在定义双向前向探 测( b f d ，b i r e c t i o n a lf o r w a r d i n gd e t e c t i o n ) 机制。m p l s 网络中不同类型 的失效场景主要包括：连接的简单丢失、错连( m i s c o n n e c t i o n ) 、交换连接 ( s w a p p e dc o n n e c t i o n ) 、错误聚合( m i s m e r g i n g ) 和循环无意识的分组复制 ( l o o p u n i n t e n d e dr e p l i c a t i o n ) 。 四川大学硕士学位论文 3 2 1c v 连通性确认 c v 链路连通性确认机制作为i t u - t 规范的机制，可以检测到所有d q m p l s 层及 其下层引起的m p l s 标签交换路径( l s p ) 的数据平面故障。这种机制提供了链路 级的故障检测能力。在相邻的标签交换路由器( l s r ) 之间，c v 包沿着l s p 方向 定期发送。若在规定的时间间隔内下游l s r 没有接收到上游发送的c v 包，则认为 l s p 在它们之间的链路出现故障。每个c v 包都携带一个源端终端踪迹标识( t t s i ) 字段。t t s i 字段由入d l s r 标识符和l s p 标识符组成，当l s p 建立之后由出n l s r 进行信令设置。 上游节点定期将c v 包插入l s p 传送的数据流中，并向下游发送，下游节点证 实链路连通性，因此c v 只判断上游的错误。c v 包作为一种用于链路连通性确认 的m p l s 运行、管理和维护( 0 a m ) 包，比普通数据包多一级标签号为1 4 的标签头 用以标识。实现c v 机制需要对肝l s 协议栈进行扩展，使其具备c v 包的生成、发 送和接收解析的能力。c v 处理需要在l s p 建立之后激活，在l s p 拆除之前关闭。 除c v 机制外，新一版i t u - ty 1 7 1 1 标准补充规范了快速失效检测( f f d ，f a s t f a i l u r ed e t e c t i o n ) 机制，用以帮助实现更快速的保护倒换。f f d 的功能与c v 相同，但f f d 以更短的时间间隔发送o a m 分组，从而能够更快的检测到缺陷事件。 3 2 2 双向前向探测 i e t f 定义的双向前向探测( b f d ，b i d i r e c t i o n a lf o r w a r d i n gd e t e c t i o n ) 机制，以较低的开销，快速地在两个网元之间的前向路径上进行失效检测。由 于b f d 定义的确认分组可以用于任何协议层，这使得b f d 机制成为了一个通用的 工具。b f d 可在多种类型的路径和媒质( 如物理链路、虚电路或一对网元之间的 m p l sl s p ) 上实现失效检测。为建立或拆除b f d 会话，确保会话的参与方能够随 时了解状态的改变，b f d 协议采用了三次握手的交互方式。 应用于m p l s 网络时，b f d 会话可以建立在与m p l sl s p 相关联的每一个转发等 价类上建立会话盯以采用l s pp i n g 协议，相关参数( 如定时器和检测失效速 度) 在会话建立之初进行协商确定，并可以在会话进行期间由运营商动态改变 四j i i ) k 学硕士学位论文 ( 如提高或降低检测失效速度) 。 对于任何检测协议来说，都需要正确地选择相关参数，如定时器和探测分 组的发送频率b f d 机制的最大优势在于能够精细地调整这些参数，以适应特定 的检测标准。 3 2 3m p l sp i n g m p l sp i n g 作为检测肿l sl s p 数据平面故障的方法，其实现简单有效，并且 可以发现一些控制平面无法发现的故障，为用户提供一种在短时间内发现和隔 离路由黑洞或者路由丢失等故障的方法。m p l sp i n g 模拟因特网控制消息协议 ( c m p ) e c h o 请求和应答，通过p i n g 和t r a c e r o u t e 发现和定位网络故障。 该解决方案的基本思路是对于属于特定转发等价类( f e c ) 的分组，验证属于 该f e c 的l s p 从入口l s r 到出d l s r 的完整性，在m p l sp i n ge c h o 请求消息中携带 了所属f e c 的信息。m p l sp i n g 分组封装在用户数据报协议( u d p ) 包中，包含序 列号和时戳参数。 m p l s 在处理m p l sp i n g 的请求消息时采用了与该f e c 分组相同的转发策略。 在采用p i n g 进行连通性测试时，当分组到达l s p 的出口，在出口处l s r 的控制平 面对分组进行检查，验证该l s p 是否是该f e c 的真正出口t r a c e r o u t e 模式可以 作为故障定位的一种手段，发起测试的l s r 向且的l s r 的控制平面发送p i n g 分组， 该分组的t t l 初始值为l ，这些l s r 对该分组执行各种检查，进一步返回相关控制 和数据平面的信息。如果p i n g 失败可以采用t r a c e r o u t e 对故障进行定位，也可 以通过周期性的t r a c e r o u t ef e c 验证实际数据转发路径和控制平面路径是否一 致。但过于频繁的e c h o 消息会对l s r 的控制平面造成较大负担。 3 2 4 资源预留协议( r s v p ) 节点故障检测 r s v ph e l l o 扩展可以使r s v p 节点发现邻近节点是否可达，这种机制提供了 节点级的故障检测能力。邻近故障检测是通过收集和存储邻近节点的i n s t a n c e 值来实现的，如果邻近节点的i n s t a n t 值发生变化或者没有按时发送h e l l o 信息， 则可以判断该节点重启或者节点间连接发生故障。节点定期向邻近节点发送包 1 4 四川大学硕七学位论文 含h e l l o 请求目标的h e l l o 消息，产生h e l l o 消息的时问间隔由h e l l oi n t e r v a l 参数控制。 h e l l o 机制只用在相邻的路由器之间。r s v ph e l l o 依靠本次接收到的h e l l o 消息( 请求或者确认) 来判断上一次本节点和邻居的通信情况( 包括两路消息) ， 即上一次自己发送的和自己接收到的，从而得到邻居是否失效的判断，但都只 判断对方，并不判断自己。 每个h e l l o 消息都带有一个h e l l o 请求对象或者h e l l o 确认对象。每个h e l l o 请求对象或者h e l l o 确认对象都携带s r c _ i n s t a n c e 和d s t i n s t a n c e 字段。其中 s r c i n s t a n c e 是发送者在发送本次信息之前已经发送给接收者的最近一次消息 值，主要用来让接收者判断证实上次发送者发送的消息接收者是否正确地接收。 d s t i n s t a n c e 是发送者在发送本次信息之前所接收到的从接收者最近一次发来 的消息值，主要是让接收者判断了解上次接收者所发送的消息是否已被对方正 确地接收到。总之，h e l l o 消息的接收者需要证实链路的真实情况。 r s v ph e l l o 只能用于检测节点失效而不能用于检测链路失效，但是当相邻 节点之间仅仅只有一条直达路由时，r s v ph e l l o 也一定可以检测出这条链路的 失效。 四j i i 大学颂e 学位论文 第四章改进的m p l s 快速重路由模型 m p l s 作为主干网上的交换技术，需要对网络故障进行更快速的响应，否则 即使故障持续时间很短，也会在各个路由器的缓存中留下大量数据，这将对语 音传输等对服务质量要求较高的服务带来很大影响，从而导致大量分组丢失。 造成严重服务质量问题以及网络性能下降。i e t f 针对故障恢复的问题，提出了 一些相关草案，现有的算法包括h a s k i n “，m a k a m 1 ，s i m p l ed y n a m i c 等。故 障恢复算法优劣的主要评价标准包括：丢包数，恢复时间，失序分组数，端到 端时延等等。 重路由是在检测到工作路径发生故障，或有一条更好的可替代路径存在， 或工作路径被其他优先级更高的路径抢占时，动态地建立一条恢复路径，并将 数据流转移到恢复路径上传输。恢复路径的建立基于故障位置，路由策略和网 络拓扑信息等。按照路径的建立方式，重路由恢复模型可分为按需建立和预验 合格：按需建立足在故障发生后重新选路以建立恢复路径：预验合格是在建立 工作路径的同时，考察一条已经存在的路径是否能够合格地承载工作路径上的 业务流，若合格则将其指定为工作路径的备份，一旦发生故障，直接将业务流 转移到该备份路径上传输。 四川大学硕士学位论文 4 1h a s k i l l 模型 l s r 3l s r 5l s r 7 l s r 2l s r 4 l s r 6l s r 8 工作路径备份路径一- - 一- 图4 - lh a s k i n 模型 需要保护的工作路径为l s r i l s r 3 - l s r 5 一l s r 7 - l s r 9 其中被保护的工作路 径的入口称为p i l ，也称为入1 3 路由器，本图中为l s r i 。t 作路径和备份路径 交汇处称为p m l ，也称为出口路由器，本图中为l s r 9 。p m l 既接收工作路径， 又接收备份路径上的流量。h a s k i n 方案是一种全局恢复方案，其备份路径建立 如下步骤： 1 ) 在p i l 和p 虬之间建立备份路径，并且与