（计算机应用技术专业论文）mpls网络中的ip+qos技术研究.pdf

中国农业大学硕士学位论文摘要 摘要 随着i n t e m e t 的快速发展，分布式多媒体应用的大量出现，对网络服务质量( q o s ，q u a l i t y o fs e r v i c e ) 的要求被越来越多地提出。多协议标签交换( 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 i n g ) 技术的出现，使运营商能够通过单一、灵活的技术提供多种混合业务的同时，也对网络q o s 能力 提供了有力的支持。 m p l s 技术在提供服务区分和性能保证两方面已经给出了较满意的解决方案：一方面，通过 m p l s 支持的区分服务模型来对通过m p l s 网络的不同业务区别对待，提供不同的服务：另一方 面，通过m p l s 流量工程技术在网络中建立基于显式路径的t e 隧道，有效的平衡了网络负载， 同时通过带宽预留为业务提供充足的带宽，以达到性能上的保证。本文系统概述了传统i pq o s 的控制技术，然后通过分析m p l s 支持的区分服务模型及m p l s 流量工程( m p l st e ) 的实现机 制及其不足，提出了一种感知区分服务的m p l s 流量工程的解决方案，并分别从控制平面和数据 平面两方面进行了论述。作为该解决方案的一部分，本文重点研究了基于约束的路由选择理论及 机制，通过对最短路径优先算法进行增强设计了一种基于约束的路由选择算法，并通过n s 2 进行仿真，证实了算法的可行性、正确性和适应性，达到了预期的功能要求。 关键词：q o s ，m p l s ，区分服务，流量工程，约束路由 中国农业人学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fi n t e r n e ta n dt h eb l o o m i n go fd i s t r i b u t e dm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n ， q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) o fn e t w o r kh a sb e e nr e q u i r e df r e q u e n t l y m p l sc a l lp r o v i d ep o w e r f u lq o s c a p a b i l i t yf u rn e t w o r k ，w h i l ee n b a l ei s pt op r o v i d em u l t i - o p e r a t i o nw i t ho n et e c h n o l o g y m p l sc a np r o v i d em o r es a t i s f i e ds o l u t i o n si np r o v i d i n gd i f f e r e n t i a t e ds e r v i s ea n dp e r f o r m a n c e g u a r a n t e e o nt h eo n eh a n d ，m p l sn e t w o r kc a r la c h i e v ed i f f e r e n t i a t e ds e r v i c et h r o u g ht h em o d e l ， m p l ss u p p o r to fd i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ；o nt h eo t h e rh a n d ，i tc a np r o v i d ep e r f o r m a n c eg u a r a n t e e t h r o u g hm p l st r a f f i ce n g i n e e r i n g ( m p l st e ) t u n n e l sb a s e do ne x p l i c i tp a t h s ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l y b a l a n c el o a d so f n e t w o r ka n dr e s e r v er e s o u r c e t h i sp a p e rf i r s t l ys u m m a r i z e st h e1 pq o st e c h n o l o g i e si n t r a d i t i o n a li pn e t w o r k ，t h e na n a l y s i st h em e c h a n i s m sa n dd e f e c t so fm p l ss u p p o r to fd i f i e r e n t i a t e d s e r v i c e sa n dm p l st e ，p r o v i d e sas o l u t i o no fd i f l s e r v a w a r et r a f f i ce n g i n e e r i n g ( d s t e ) a n dd i s c u s s t h es o l u t i o ni nc o n t r o lp l a n ea n dd a t ap l a n ei nd e t a i l a st h ep a r to f t h es o l u t i o n ，t h ep a p e rr e s e a r c h e st h e t h e o r i e sa n dm e c h a n i s m so fc o n s t r a i n e d b a s e dr o u t es e l e c t i o n ，g i v eac o n s t r a i n t - b a s e ds h o r t e s tp a t h f i r s ta r i t h m e t i ct h r o u g hi m p r o v i n go ns p fa n ds i m u l a t et h ea r i t h m e t i cu s i n gn s 2 ，t h er e s u l t sa p p r o v e t h ev a l i d i t yo f a r i t h m e t i c ，a n dm a k ec l e a rt h a ti tc a r la c h i e v et h ea n t i c i p a t i v er e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：q o s ，m p l s ，d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ，t r a f f i ce n g i n e e r i n g ，c o n s t r a i n e d - b a s e dr o u t i n g i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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的地方外，论文中不包含其他入已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它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。 研究生签名： 全传 时间：l o o 彳年，月z 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 仝名 时间：耖n ，年厂月f 五日 导师签名： 聿南0 1 名 时间：护年占月，二日 中国农业大学硕士学位论文第一章概述 第一章概述 网络的服务质量( q o s ，q l l a l i t yo fs e r v i c e ) 控制技术可以为不同业务提供不同的服务， 满足其性能要求。除了j p 网络的现有q o s 控制技术，不断成熟的多协议标签交换( 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 i n g ) 技术通过和t c p i p 紧密结合，在提供网络安全性和可扩展性的同 时，也间接地改善了网络的服务质量。 本章首先介绍课题的研究背景。接着概述当前现有的l pq o s 的控制实现技术，在本章最后 给出了论文的章节安排。 1 1 课题的提出 随着i n t e r n e t 技术和多媒体技术的快速发展越来越多的分布式多媒体通信业务不断出现， 对网络提出较高的性能和带宽的要求，进而提出了网络服务质量( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 的要求。而传统i n t e r n e t 分组交换网络采用的是t c p i p 协议，t c p i p 协议自身的设计主要是为 了优化整个网络的数据吞吐量并保证数据通信的可靠性，它并没有考虑网络服务质量的要求，因 此为了满足网络业务流的服务质量要求，i n t e m c t 工程任务组( i e t f ，b t m c te n g i n e e r i n gt a s k f o r c e ) 相继提出了综合服务模型和区分服务模型来解决t c p i p 网络的q o s 控制问题。另方面， 近年来随着m p l s 技术的成熟，m p l s 网络不断得到部署和应用。m p l s 由于其技术特色，它可以和 目前的t c p i p 网络很好的结合，使网络具有更好的安全性和可扩展性，可以问接地改善网络q o s ， 同时使网络运营商可以在单一网络中提供多种不同的复杂业务，如普通i p 业务、m p l s 二、三层 v p n 业务等，使运营商网络更加简单、单一，便于管理。这样，如何在i p l s 网络中实现o o s 控制 就成为一个实现的网络需求。 下面简单介绍一下q o s 的定义。 q o s 一般指网络在传输数据流时要求满足的一系列服务要求。在实际应用中，q o s 有一套度 量指标，通过具体的、可度量的、可量化的性能指标来描述用户和网络达成的服务等级协议( s l a ， s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ) ，这些性能指标一般包括业务可用性、延迟、延迟抖动、吞吐量和丢包 率等，它们的含义如下： 1 、业务可用性 业务可用性，主要指用户与用户及用户与网络间业务连接的可靠性，它强调业务通过网络的 可达性。 2 、延迟 延迟，指数据包从发送端到达目的地所用的时间。延迟包括固定延迟( 顺序化及量化等) 及可 变延迟( 网络拥塞) 。例如，话音数据包到达目的地的总时间要求不得超过1 5 0 毫秒，否则就会造 成话音的失真。 3 、延迟抖动 延迟抖动，指同一业务流中的不同数据包经过网络承载到达目的地的传输延迟的变化。 4 、吞吐量 中国农业大学硕士学位论文第章概述 吞吐量，指网络中数据包的传输速率，一般可用平均速率或峰值速率表示。 5 、丢报率 丢报率，指在网络中传输业务时允许丢弃数据包的最大比率。 q o s 控制的目标是根据网络与用户签订的服务等级协议( s l a ，s e r v i c el e v e l a g r e e m e n t ) 向 用户提供有效的端到端的性能保证。从实现角度来说，网络需要提供两方面的功能，即：服务区 分和性能保证。服务区分根据不同应用的需求为其提供不同的服务，而性能保证珏 j 解决c 。s 性能 指标的保障问题。在这里，需要指出的是，为应用程序提供特定的q o s 不仅仅是网络本身的事情， 它是应用程序、用户终端、网络、服务器等各部分综合作用的效应”。 1 2 当前i f o o s 主要实现技术 传统的i n t e m e t 只提供“尽力而为”的传送服务为了使i n t e r n e t 提供具有q o s 保证的服务， i m 相继提出两种不同的q o s 体系结构；综合服务模型( i n t s e r v 模型) 0 , 2 , 7 , 8 】和区分服务模型 ( d i f l s e r v 模型) l 。前者属于资源预留的o o s 控制机制，后者基于优先级别实现q o s 控制。 1 2 1 综合服务模型 r f c l 6 3 3 定义了综合服务模型( i n t s e r v 模型) 。该模型采用资源预留协议( 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 ) 作为信令协议，以资源预留的方式为应用提供端到端的q o s 支持。应用程 序在发送业务流量之前。先通过r s v p 协议向网络申请并预留一定的网络资源，网络在接纳并预 留了相应的资源后通知应用程序之后，应用程序即可发送流量并获得特定的q o s 保障。 i n t s e r v 模型在结构上主要由信令部件、接纳控制部件、分类部件和调度部件等模块组成。各 模块协同完成资源的预留和o o s 控制的实现。信令部件根据s l a 为用户的业务流申请并预留网 络带宽资源，信令部件需要为每个流建立、维护路径状态和资源预留状态，晟终建立数据传送的 路径并在路径上完成带宽的预留。接纳控制部件对资源预留请求进行监视和控制，信令部件通 过接纳控制部件对资源的申请和当前节点资源进行检查，如果检查通过，则进行带宽的预留并通 知分类部件和调度部件对该流进行o o s 参数的设定。分类部件根据预置的规则使用多字段分类器 对到达路由器的每一个报文进行分类( 如根据报文头中的源、目的i p 地址源、目的端口号， 传输协议等进行分类) 。并把分类后的报文放到不同的队列中等待接收服务。最后，调度部件的 工作是基于不同的策略对各个队列中的报文进行调度并转发。 在i n t s e r v 模型中，r s v p 协议起着核心的作用。r s v p 只是个网络控制协议，它根据路由 协议产生的路由信息，通过在沿途的所有相邻节点之间发送p a t h 消息和r e s v 消息，在每个节 点为不同的流建立并维护状态信息，并将预留鹩资源信息作为规刚输入到节点的分类部件和调度 部件，从而实现资源的预留和q o s 保证。 在服务层面上，i n t s e r v 模型提供了三种类别的服务：有保证的服务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) 、 负载受控的服务( c o n t r o l l e d l o a ds e r v i c e ) 、尽力而为服务( b e s t - e f f o r ts e r v i c e ) 。 有保证的服务，对业务提供特定的带宽保证和端到端延迟保证，提供实时视频、音频所 需要的具有严格的带宽和延迟要求的传输服务。 2 中国农业大学硕士学位论文第一章概述 负载受控服务，使业务获得的o o s 性能类似于在一个负载较轻的网络内实现尽力而为传 送时业务所能得到的性能。负载受控服务一般用于可容忍一定的延迟和数据掇文丢失、 但需保证在正常情况下决大多数数据正确传输的业务。 尽力而为服务，即传统 n t e m e t 提供的服务，不具有任何q o s 保证，它只确保业务流的 可达性。当网络负载较轻时数据报文可以被正确传输。当网络负载较重时数据报文可能 被丢失。 i n t s e r v 模型可以提供绝对有保证的q o s ，因为r s v p 协议被设计为基于每个流的，并在端到 端之间进行资源的预留。因此，它可以监控每个流以确保按照s l a 的要求实现q o s 。尽管如此， i n t s e r v 模型自从提出以来并没有得到广泛的支持和应用，主要原因还是由于其扩展性差。因为该 模型是基予流进行资源的预留、调度和缓冲管理的，所醴，当网络中业务流量增大时，各节点上 的流状态信息也会增长，而对于大规模网络来说，维护这些状态信息的开销非常巨大，甚至是不 可能的。另外，i n t s e n r 模型没有得到广泛应用的原因还有该模型对路由器的性能要求较高和不适 台短生存期的流等。 1 2 2 区分服务模型 i e t f 提出的区分服务模型( d i f f s e r v 模型) 是一种适用于骨干网络、可满足多种业务服务需 求的l p q o s 模型。 1 、区分服务编码点d s c i 和逐跳行为p h b 下面先介绍一下d i t i s e r v 模型中的两个重要概念：d s c p 和p h b 。 区分服务编码点d s c p ( ) 晟初在r f c 7 9 1 中定义的l p 包头中，定义了三个优先权位和三个 l o s 位，但由于这些位一直 没有被真正地使用过，在设计d i t i s e r v 模型时，在r f c 2 4 7 4 和r f c 2 4 7 5 中重新定义了i p 包头中 的t o s 字段，其前6 个b i c 位定义为d s c p 位，用来表明报文所需要的处理方式，不同的d s c p 值将掇据管理员配置被映射到某个特定的p h b ，进行相应的调度和转发。后两个b i t 位在r f c 3 1 6 8 中被定义为显式拥塞通知( e c n ) 的一种t c p 机制，d i f f s e r v 模型不使用这两个b i i 位。图1 - 1 显示了d i f f s e r v 模型中j p 包头前4 字节的格式，包括d s c p 字段。 0781 31 41 5 1 63 1 图卜1d i f f s e r v 模型中的d s c p 字段 逐跳行为p h b 逐跳行为p h b 是作用于数据流的外部可见行为的描述它描述了d s 节点调度转发特定流的 某一特定行为。当有数据流到达时，d s 节点根据其i p 报文中d s c p 值映射到特定的p h b 进行 调度转发。目前i e t f 定义了四种标准的p h b ，分别是加速转发p h b ( e f ，e x p e d i t e df o r w a r d i n g ) 、 确保转发p h b ( a f ，a s s u r e dp o r w a r d i n g ) 、类别选择p h b ( c l a s ss e l e c t o rp r l b ) 、尽力而为转发 p h b ( b e ，b e s t - e f f o r t ) 。 e f 提供低丢包率、低延迟、高带宽的转发服务，是一种具有最高q o s 级别的服务。对于e f ， 3 中国农业大学硕士学位论文第一章概述 t f 推荐的d s c p 值为1 0 1 1 1 0 。 a f 使用户在向服务提供商订购带宽服务时，允许流量超出订购的漉量规格。当流量超出订 购规格时，网络将对这些流量降低0 0 s 级别进行调度转发。a f 定义了4 类确保转发类，在每一 类中又区分了三种不同的丢弃优先级。在调度转发时按照类型进行优先转发，如果网络拥塞需 要丢弃报文，先丢弃类g 低的，如果类型相同，则按照丢弃优先级别进行丢弃。 类别选择p h b 。是为了与以前使用的球优先级字段保持向后兼容而定义韵。以前前l p 优先 级机制使用i p v 4 t o s 字段的前3 个b i t 来提供8 个i p 优先级，而d s c p 使用了 l o s 字段中的前6 个b i t ，所以定义了类别选择p h b ，将d s c p 的一部分编码分配给j p 优先级业务来实现对i p 优先 级的向后兼容。类别选择p h i l 的d s c p 值为m 0 0 0 。即0 0 0 0 0 0 到1 1 1 0 0 0 八个编码点。如i p 优 先级为0 0 1 的分组其对应的d s c p 值为0 0 1 0 0 0 。 b e 即是传统m 报文的尽力而为转发，该服务只尽力保证数据流的可达性，而不提供任何的 q o s 保证。b e 的d s c p 推荐值为0 0 0 0 0 0 。 2 、d i f f s e r v 模型基本原理 在d i f f s e r v 模型的体系结构中，实现d i f f s e r v 功能的网络节点称为d s 节点。由组相邻的、 采用相同服务提供策略并实现相同p h b 的d s 节点所组成的网络域称为d s 区域( d sd o m a i n ) ， 多个d s 区域组成d s 区( d sr e g i o n ) 。在d s 区域里，服务提供策略和p h b 的语义和实现需要 保持一致，但不同d s 区域可以有不同的服务提供策略和不同的p h b 实现，他们之间通过服务层 协议s l a 和传输调节协议( t c a ，t r a f f i cc o n d i t i o n i n g a g l e e m e n t ) 来实现无缝适应。见图1 - 2 。 图卜2d i f f s e ， v 模型体系结构 在控制策略方面，d i f f s e r v 模型在区域边界路由器上进行流量控制，在区域内部路由器上进 行p h b 映射和转发。边界路由器连接d s 区域和非d s 区域或其他d s 区域，它实现传输数据的 分类和调节，即对进入的i p 报文进行分类并标记不同的d s c p 值，然后根据不同流的预定的流 规格对进入区域的该类流进行调节，使其符台预先与用户签订的s l a 或与上游d s 区域商定的 t c a ，最后根据分组头中的d s c p 值将其映射到p h b 进行调度转发。在区域内部路由器上，实 现了一组或多组的p h b ，对于进入的报文，只需根据其报文头中的d s c p 值选择特定的p h b 进 行调度转发。 与i n t s e r v 模型相比，d i f f s e f v 模型具有良好的可扩展性。这主要源于其“边界复杂，核心简 4 中国农业大学硕士学位论文第一章概述 单”的处理机制。d i f f s c r y 模型区分了网络中不同节点的行为，在网络边缘路由器上进行流量的 分类、监管、整形等操作，在网络核心只根据报文的d s c p 值进行转发，而不需要维护单个数据 流的信息。同时。d i f f s e r v 模型为实现不同粒度的流聚合提供了简单方便的手段，对于需要聚合 并希望得到相同处理的流，只需在网络边缘赋予相同d s c p 值即可，而网络核心只根据d s c p 映 射到特定的p h b 进行调度转发。 1 2 3 多协议标签交换( m p l s ) m p l s 是在集成i p o a ( i po v e r a t m ) 模型的基础上提出的标签交换协议。a t m ( a s y n c h r o n o u s t r a n s f e r m o d e ) 作为一个综合业务平台，是一个单一的、独立于业务的网络，能够保证通信服务 质量，具有强大的网络控制功能。但由于t c p f i p 技术已经成为计算机网络通信的事实标准，骨 干网络组建纯a t m 网络已经不可能，因此，a t m 只能作为i p 网络的物理网络来传递数据业务。 为了解决a t m 技术融入l p 、p 无连接和a i m 面向连接的矛盾等问题，产生了i p o a ( i p o v e r a t m ) 相关技术。各种i p o a 技术可以分为重叠模型和集成模型两种。重叠模型包括c 1 p o a ( c l a s s i c a l i p o a ) 。n h r p 州e x th o pr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) ，l a n e ( l a ne m u l a t i o n ) 和m p o a ( m u l t i - p r o t o c o l o v e r a t m l 等：集成模型包括i p s w i t c h i n g ，c s r ( c e l ls w i t c h r o u t e 0 ，a r i s ( a g g ”g a t e r o u t e - b a s e d i ps w i t c h i n g ) 和1 砧s w i t c h i n g 等。1 9 9 6 年底i e t f 在各种集成模型的基础上提出了标准化的 i p o a 集成模型，即多协议标签交换( 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 i n g ) i t 0 。m p l s 大大简 化了网络的协议层次，不需要再进行复杂的1 p a t m 地址转换，因此网络的运行效率很高。 m p l s 技术的优点就是通过把第二层交换和第三层路由技术有效的结合起来，以简单的方式 完成控制信息和转发信息的传送。三层的路由控制在网络的边缘实施，而在m p l s 的网络核心进 行二层交换。 m p l s 网络自身支持i p q o s 技术的可行思路是将d i 自f s e r v 模型引入m p l s 网络，因为d i f f s c r v 模型和m p l s 都是在网络边缘进行聚合，在网络核心进行处理，因此，可以把i p 报文的d s c p 字段融入到m p l s 标签分配过程中，使m p l s 标签具有区分报文服务质量的能力这样可以实现 m p l s 支持的区分服务( m p l ss u p p o r t o f d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 【l ”。 同时，m p l s 技术还非常适合用来实现流量工程( t e ，t r a f f i ce n g i n e e r o n g ) 。传统的路由协 议注重的是网络的可达性，一般只选择跳数或链路花费作为最短路径计算的根据。而忽略网络当 时的性能，这样极有可能导致网络的负载不平衡和局部拥塞。而使用m p l s 技术实现的m p l s 流 量工程( m p l st e ) 【1 “，它可以基于显式路由建立具有带宽预留的m p l st e 隧道，通过配置合 理引导网络流量的分布，使网络在全局上达到负载平衡，优化网络性能，从而间接的改善网络的 服务质量。 目前各种商用网络设备已经开始支持m p l s ，m p l s 也已经在运营商骨干网和城域网中得到 大量部署和应用。可以说m p l s 已成为现今网络技术发展的一大热点。 1 3 论文主要内容及章节安排 论文在传统i pq o s 技术的基础上，通过研究m p l s 支持的区分服务和m p l s 流量工程技术 5 中国农业大学硕士学位论文 第一章概述 研究并提出了一个感知区分服务的m p l s 流量工程( d s - t e ，d i f f s e r v - a w a r et r a f f i ce n g i n e e d n g ) 的实现方案，论述了该方案的系统结构及设计。约束路由选择作为d s - t e 的核心技术之一，论文 也进行了重点的研究，论文系统论述了约束路由选择理论，并针对m p l st e 及d s t e 的要求， 通过对传统i g p 协议进行扩展和对d 日k s 弧算法进行增强，分析了基于约束的路由选择过程，论 文最后对n s 2 进行扩展，实现了基于约束的路由选择。 论文的章节安排如下： 第一章简要介绍了课题的背景、概述了当前mo o s 的主要实现技术 第二章介绍了m p l s 相关技术，主要对m p l s 支持的区分服务模型、m p l s 流量工程技术进 行了概述和介绍。 第三、四章是论文的重点，第三章针对d s - t e 的要求研究并提出了一个d s - t e 的实现方 案，并进行了详细阐述。第四章论述了约束路由选择的理论并对d i j k s t r a 算法进行增强实现 d s t e 要求的约束路由计算。 第五章介绍了对h s 2 仿真工具进行扩展实现基于m p l s 流量工程的约束路由计算。并对 仿真的结果进行分析。 第六章对论文工作进行了总结，并对未来工作进行了展望。 1 4 小结 网络服务质量已成为网络运营商和用户关注的热点之一，随着m p l 8 技术的不断成熟和广泛 部署应用，在m p l s 网络支持q o s 能力已经成为现实的要求。本章简要介绍了i p 网络的o o s 控 制模型：综合服务模型和区分服务模型，和当前m p l s 实现i pq o s 的主要途径。在下一章将 详细论述m p l s 技术及m p l s 网络中的现有口o o s 技术。 6 中国农业大学硕士学位论文第二章# f f l s 及g p l s 流量工程 第二章m p l s 及m p l s 流量工程 m p l s 作为下一代宽带骨干网的数据业务承载技术能够有效的提高骨干网网络资源的使用 效率同时简化网络管理，降低网络运营成本。 m p l s 技术主要从以下几个方面提升网络的o o s 能力：在网络中执行标签转发，而不是传统 i p 转发；在m p l s 网络中引入区分服务机制，实现m p l s 网络对报文提供区分服务；通过m p l s 流量工程合理分布网络流量，在全局上平衡网络负载，并对网络带宽资源进行有效控制。 本章首先介绍了m p l s 的基本原理，然后详细论述了目前m p l s 网络支持的i p o o s 的技术， 包括m p l s 支持的区分服务模型和m p l s 流量工程技术。 2 1 多协议标签交换( m p l s ) 2 1 1m p l s 重要概念 下面先介绍m p l s 中的一些重要概念1 1 q 。 1 、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 ) 转发等价类，是在转发过程中以等效的方式处理的一组数据分组。在传统的l p 转发机制中， 每个路由器对到达的数据报文都要分析其报文头部信息，根据三层目的地址查找路由表，然后决 定转发出接口，进行转发。如果对于某一类数据报文这些处理都完全相同，则在m p l s 中称这些 数据报文属于同一个转发等价类，即对于这些数据报文在m p l s 网络的转发处理是一样的。 f e c 可以理解为系列属性的集合，将数据报文归类为某个f e c 的过程也就是检查报文的 这些属性是否相同，如果相同即属于同一个f e c 。因此，f e c 的归类方法可以各不相同。粒度也 可以不同，例如，可以把具有同一目的地址前缀的i p 分组按其d s c p 值划分为具有不同q o s 的 f e c 。 2 、标签( l a b e l ) 标签。是一个简短的、定长的、非结构化的、通常只具有局部意义的标识。标签是m p l s 引 入的最核心的概念，用来识别f e c ，m p l s 的许多优点都直接或间接地来自于标签的使用。在 m p l s 网络中进行报文转发的过程实际上就是标签交换操作的过程。 m p l s 可以工作在两种模式下，分别是帧模式和信元模式，这两种模式下定义的标签格式及 封装并不相同。 在帧模式下，标签位于m p l s 帧头中，标签是一个长度为2 0 b i t 的无符号整数，再加上3 b i t 的实验位，1 b i t 的栈底标志位和8 b i t 的丁r l 组成m p l s 帧头，俗称垫层( s h i mh e a d e r ) 。m p l s 帧头插入数据链路层的数据链路层封装头和三层i p 头之间，形成m p l s 报文。图2 1 显示了帧模 式下m p l s 帧头格式及m p l s 报文格式。 7 中国农业大学硕士学位论文 第二章i h p l s 及m p l s 流量工程 b b e l d ( pst t l = 屡协议头 l s 头 三层协议头 载衙 图2 - i帧模式下m p l s 帧头及m p l s 报文格式 信元模式是在a t m 节点组成的m p l s 网络中使用，在控制平面使用a t m 的v p i v c i 作为 m p l s 标签使用。 3 、标签交换路由器( l s r ) 和标签交换边缘路由器( l e r ) 标签交换路由器( l s r ，l a b e ls w i t c h i n gr o u t e r ) ，是具有m p l s 能力的、处于m p l s 网络内 部的节点，在l s r 上，根据事先建立好的相关表项进行标签交换( l a b e ls w a p p i n g ) 操作。 标签交换边缘路由器( l e r ，l a b e ls w i t c h i n ge d g er o u t e r ) ，是具有m p l s 能力的、处于m p l s 网络边缘的节点，是m p l s 网络中和其他网络相连的边缘设备，提供流量分类和标签的映射等功 能。 4 、标签交换路径( l s p ，l a b e ls w i t c h e dp a t h ) 标签交换路径。是m p l s 网络中一系列节点组成的一条路径，并在该路径的入口节点，将 个f e c 映射到此路径上，属于此f e c 的报文将沿着这条路径进行标签的交换转发。 l s p 一般是根据路由表中的信息由标签分发协议( 如l d p ) 逐跳建立起来( 逐跳路由方式， h o p b y - h o pr o u t e d ) ，在这种情况下，l s p 的路由选择和l p 传统路由选择相同。l s p 路径也可以 通过显式路由方式( e x p l i c i t l yr o u t e d ) 指定并通过信令协议建立( 如c r l d p ，r s v p - t e ) ，在 这种情况下，l s p 的路由选择可以和l p 传统路由选择不同，以优化网络负载平衡、清是业务流 量的特定需求。图2 - 2 给出了逐跳路由方式和显式路由方式的例子。 图2 2逐跳路由方式和显式路由方式 5 、m p l s 信令协议 m p l s 信令协议用于在m p l s 髓络各节点之闻完成标签的分配、分发、撤销功能，以建立、 维护、删除l s p 。目前使用的m p l s 信令协议有l d p 、c r l d p 、r s v p - t e 、m p b g p 等。 8 中国农业大学硕士学位论文 第二章 i p l s 及m p l s 流量工程 圈岛曼基墨曼皇詈甚罡蔓曼舞曼量量毫罡曼曼舅曼曼曼詈蔓量曼曼黑量曼量量皇皇曼量蔓邑舅量一i i i 量量皇罡量曼皇蔓蔓罡皇 r f c 3 0 3 6 定义了l d p 协议( l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c 0 1 ) ，它是m p l s 的一种主要的标签分发 协议。l o p 定义7 邻居发现、会话建立帮缝护、通告( a d v e r t i s e m e n t ) 、遁知( n o t i f $ c s i o n ) 殴类 消息及系列的规则和操作来完成l s p 的建立、维护和删除功能。r f c 3 2 1 2 扩展了l d f ，称为 c r - l d p 其总体结构与l d p 基本相同，只是增加了一些参数，以实现基于约束的l s p 的 建立。 r f c 3 2 0 9 定义了r s v p - t e 资没( r e s o c e r c s e l v u t i o n p m t o c o _ l - i r d 嚣c e n g i n e e r i n g ) ，邵基于 流量工程扩展的资源预留协议，该协议对r s v p 协议进行了扩展，用于在m 1 l s 网络中建立 c r l s p 。该协议主要用于在有或者没有资源预留的情况下支持基于显式路由l s p 的建立。同时 还支持l s p 重路由、优先权及环路检测等，实现m p l st e 。 m p b g f 协议是对b g f 协议台q 扩展，目前主要用于m p l sv p n 实现， 2 i 2m p i s 基本原理 m p l s 网络在逻辑上可以分为l 正r 和l s r 其中l e r 是m p l s 网络同其他网络的边缘设备， 提供流量分类和标签映射、标签移除功能，而l s r 是m p i s 网络的核心设备，可以是路由器， 也可以由a t m 交换机担当，它提供标签交换( l a b e ls w a p p i n g ) 、标签分发功能。m p l s 网络原 理如图2 3 所示。 、。 ，、_ 。u _ - _ _ j 、v _ - 一 入口l e 乳上映射f e c 压标簦般心岱r 上进行标盔交换出口i 强e 弹出箍 图2 3m p l s 网络原理 与l p 技术不同，m p l s 可以说是一种面向连接( l s p ) 的技术，在m p i s 网络中，标签的分 配、分发实际上藤是连接建立韵过程。按照瓣l s 协议，标签统一由下游( d o w n s u e a m ) 节点分 配并分发到上游( u p s t r e a m ) 节点，但分发的发起者可以是上游节点也可以是下游节点。标签的 分配、分发和维护由信令协议完成。当入e l 节点收到下游分发的某f e c 对应的标签后，即为该 f e c 建立了一条l s p 。 当1 p 报文到达网络边缘l e r 上时，曹先将其归属于某一个f e c ，然后裰据此f e u 为 p 报 空打上标签转发出去在网络核心l s r 上，收到带有标签的m p l s 报文时，直接进行标签的交 9 中国农业大学硕士学位论文 第= 章m p l s 及m f l s 流量工程 曼, i , i i i i 量曼舅曼曼鼍曼曼孽皇曼麓皇曼黑皇鲁 换，并转发出去，而不需要上送到三层进行】p 路由查找。这样一直到网络出口l e r ，网络出口 l e r 将m p l s 报文中的标签弹出，报文恢复为原来的l p 包，然后上送三层查找路由进行普通的 i p 转发。 2 2m p l s 支持的d i f 璐e r v 模型 前面曾提到，j p 网络的d i ：0 s e r v 模型唧对业务流的聚合提供o o s 的处理，由于d i f f s e r v 模型 不需要对每个流进行信令处理，因此扩展性非常好，在实现上也很简单。然而。d i f f s e r v 模型是 定义在i p 网络上的，随着m p l s 网络的不断部署，i p 网络和m p l s 网络不断融合，有必要在 m p l s 网络支持d i f f s e r v 模型以在m p l s 网络为业务流提供区分的o o s 保证。 经过前面的分析，我 】可以看到，m p l s 技术与d i f f s e r v 模型均具有很好的可扩展性，它们 处理过程也类似：在网络边缘聚合，在网络核心处理。因此，如果将的d s c p 字段的设置融 入m p l s 的标签分配过程中，即可实现m p l s 技术与d i f f s e r v 模型结合在m p l s 网络支持 d i f f s e r v 能力。 在d i f f s c r v 阏络中，把基于相同的p h b 转发的一组报文称为行为聚合( b a ，b e h a v i o r s a g g r e g a t e ) ，i p 报文所属的b a 由它的d s c p 字段来确定，d s 节点中属于相同b a 的报文映射到 相同的p h b 进行转发，p h b 指定了报文的排队、调度特征以及缓冲区和带宽资源的分配方式。 p h b 调度类( p s c ，p h bs c h e d u l i n gc l a s s ) 是p h b 的聚合，由一类具有相同队列处理要求和调 度行为、但丢弃优先级不同的p h b 组成。因此，将不同b a 的报文映射到m p l s 两络的l s p 上， 实质上就是如何在m p l s 报文头中携带b a 信息( 即报文的d s c p ) 也就是在m p l s 报文头中 标识报文所属的p s c 和报文的丢弃优先级。 i p 报文头的d s c p 字段对m p l s 核心网络是不可见的，因此需要找到某种机制，在m p l s 网络边缘把i p 报文所属的b a 信息能够传递给m p l s 网络，根据将i p 报文的b a 信息传递给m p l s 网络的方式的不同，目前业界有两种实现方案：由e x p 导出l s p 方式( e - l s p ) 和由标签导出 l s p 方式( l - l s p ) 【l l l 。 2 2 1 由e x p 导出l s p 方式( e - l s p ) e l s p 方式，是在m p l s 网络入口l e r 上将i pd s c p 映射到m p l s 包头的e x p 位，通过 e x p 位向网路核心l s r 表示分组的o o s 要求，这样一个l s p 虽多可支持8 个b a ：l s r 根据标 签来确定l s p ，使用e x p 字段来确定报文的p h b 进行报文的调度、丢弃和转发，同一l s p 中的 报文可能被分到不同的队列。e l s p 是通过l d p 协议建立的普通的l s p 。图2 4 显示了e - l s p 方式下i p 包头到m p l s 包头的映射方式。 1 0 中国农业大学硕士学位论文第二章m p l s 及m p l s 流量工程 蔓量曼量量| 鲁曼曼曼_ ii i i 童曼量量量曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼囊曼! 审鼍曼篁誉曼曼量曼曼曼! 皇曼量曼置曼量曼毫曼置皇蔓璺曼毫 囝2 4 e -