（计算机应用技术专业论文）mpls网络中带宽保证的路由研究.pdf

摘要 目前i n t e m e t 只提供尽力而为的服务，在这种不支持q o s 的网络中实时多媒 体业务和电信服务会产生严重的性能下降。为获得对业务流的q o s 保证，i s p 需 要一种能够支持q o s 的动态路由算法。m p l s 技术有望解决这个问题。为了达 到这一目标，需要对支持q o s 的框架和路由算法进行研究。本文提出了一种新 的框架和算法来动态地建立有带宽保证的路径。受最小干扰路由( m i r a ) 和基 于特征的路由( p b r ) 启发，在我们的工作中利用了预先了解的网络业务知识， 称为“业务p r o f i l e ”。业务p r o f i l e 可以通过测量得到，或者由服务级别约定( s l a ) 得到。它粗略地反映了网络中未来业务的分布。 本文提出的框架有三个主要部分：离线( o f f - l i n e ) 阶段，基于网络运行的统 计数据，计算每个预先定义的业务类所需链路自g 力的预分配，用作在线( o n - l i n e ) 路由阶段用到的准入控制闽值；在线路由阶段，基于离线路由和当前的网络状态， 进行路径选择，并在m p l s 网络中建立l s p ；以及相应的链路状态路由协议，将 链路状态信息在整个网络上发布。在线算法被设计为足够简单，来尽可能减小为 每个流进行路由的计算要求。而离线计算阶段需要对一个多物品网络流问题求 解，它是一个计算量很大的过程，但可以离线进行。链路状态路由协议的作用是 保持网络中每个路由器上的链路状态数据库随时更新。 在n s - 2 仿真软件中我们实现了这个q o s 框架，并进行了大量仿真实验。仿 真结果表明这个新的q o s 框架和路由算法在路由的流数和准入的带宽数等度量 上，比传统的最短路径优先( s p f ) 路由算法有比较大的性能提高。我们工作的 主要贡献在于提供了在基于m p l s 的i s p 网络中动态建立有带宽保证的l s p 的 一种可靠的机制。 关键字：m p l s ，q o s ，q o s 路由，业务p r o f i l e 。 a b s t r c t a b s t r a c t r e a l t i m em u l t i m e d i at r a f f i ca n dt e t e e o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s c a l l e x p e r i e n c e s e v e r eq u a l i t yd e g r a d a t i o ni nq o s - u n a w a r en e t w o r k ss u c ha s t h ei n t e r n e t ，w h i c h p r o v i d e sb e s t - e f f o r ts e r v i c e so n l y i s p s n e e daq o s a w a r ed y n a m i cr o u t i n ga l g o r i t h m t oo v e r c o m et h i sp r o b l e m m p l si sap r o m i s i n gt e c h n o l o g yt h a th a st h ep o t e n t i a lt o p r o v i d es u c hs o l u t i o n h o w e v e r , q o s a w a r ef r a m e w o r k a n dr o u t i n ga l g o r i t h ma r et o b ed e v e l o p e dt oa c h i e v et h i sg o a l i nt h i st h e s i s ，w ep r e s e n tan e wf r a m e w o r ka n d a l g o r i t h mf o rd y n a m i c a l l ys e t t i n gu pp a t h s w i t hb a n d w i d t hg u a r a n t e e s i n s p i r e db yt h e m i n i m u mi n t e r f e r e n c er o u t i n g ( m i r a ) a n dp r o f i l e - b a s e dr o u t i n g ，o u rw o r ku s e sa p d o r ik n o w l e d g eo f t h en e t w o r k ，w h i c hi sc a l l e d t r a f f i cp r o f i l e ”t h et r a f f i cp r o f i l e c a r tb eo b t a i n e db ym e a s u r e m e n to rs e r v i c el e v e la g r e e m e n t s ( s l a s ) i tr o u g h l y r e p r e s e n t st h ef u t u r et r a f f i cd i s t r i b u t i o ni nt h e n e t w o r k o u rf r a m e w o r kh a st h r e em a j o rc o m p o n e n t s ：o f f i i n er o u t i n g ，b a s e do nt h e n e t w o r k r u n n i n g s t a t i s t i c s ，w h i c hc a l c u l a t e s t h ea d m i s s i o nt h r e s h o l d sf o re a c h p r e - d e f i n e dt r a f f i cc l a s sa n d t h ep r e - a l l o c a t i o no fl i n kc a p a c i t i e sf o rt h eo n l i n er o u t i n g p h a s e ；o n l i n er o u t i n g ，b a s e do no f f i i n er o u t i n ga n dt h ec u r r e n tn e t w o r ks t a t e ，w h i c h p e r f o r m sp a t h s e l e c t i o na n dt h e ns e t s u p l s p si nm p l sn e t w o r k ；a n dt h e c o r r e s p o n d i n gl i n k s t a t ea d v e r t i s e m e n tp r o t o c o l ，w h i c hd i s t r i b u t e st h el i n ks t a t e i n f o r m a t i o nt h r o u g h o u tt h ew h o l en e t w o r k t h eo n l i n ea l g o r i t h mi sd e s i g n e ds i m p l e e n o u g ht ok e e pt h ec o m p u t a t i o n a lr e q u i r e m e n tp e rf l o ws e t u pa sl o wa sp o s s i b l e ， w h i l et h eo f f i i n ec a l c u l a t i o np a r ti st os o l v eam u l t i c o m m o d i t yf l o wp r o b l e m ，w h i c h i sa t i m e - c o n s u m i n gp r o c e s s b u tc a l lb ee x e c u t e do t t l i n e a n dt h el i n ks t a t e a d v e r t i s e m e n tp r o t o c o lk e e p st h el i n ks t a t ed a t a b a s eo ne a c ho ft h er o u t e r si nt h e w h o l en e t w o r k u p t o d a t e w eh a v ei m p l e m e n t e do u rq o sf r a m e w o r ki nn e t w o r ks i m u l a t o r 2 ( n s 一2 ) a n d c 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 es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en e wq o s f r a m e w o r ka n dr o u t i n ga l g o r i t h ms i g n i f i c a n t l yo u t p e r f o r m st h ec o n v e n t i o n a lr o u t i n g a l g o r i t h m sl i k es h o r t e s tp a t hf i r s to n t h em e t r i c ss u c ha st h ef r a c t i o no f r e q u e s t sr o u t e d a n dt h ef r a c t i o no f r e q u e s t e db a n d w i d t hr o u t e d ，m o r e o v e r , t h em a j o rc o n t r i b u t i o no f o u rw o r ki st h a ti t p r o v i d e sar e l i a b l em e c h a n i s mt od y n a m i c a l l ys e tu pb a n d w i d t h g u a r a n t e e dl s p s i nam p l s - b a s e di s pn e t w o r k k e y w o r d s m p l s ，q o s ，q o sr o u t i n g ，t r a f f i c p r o f i l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鲞盘鲎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。 ； 学位论文作者签名：琶，饫哥包签字日期：j d d 弓年，二月，1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨连盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 签字日期：。多年f ) 月肛日签字日期：o 州；年f 乞月，。日 第一章绪论 第一章绪论 近年来，随着i n t e m e t 的高速增长和快速普及，网络同人们的生活和工作已 经密切相关。与此同时，诤业务也得到了快速增长和多样化。特别是随着多媒 体业务的兴起，对计算机互联网络也就相应她提出了更高的要求。丽且，网络上 需要传输的数据几乎以与网络发展速度相同的速度增加，甚至超过网络发展的速 度，因此网络资源总是相对有限的，瓶颈问题仍然存在。受到网络资源的限制， 对那些有带宽、延迟、延迟抖动等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 ) 的服务难以提供相应的服务质量( q u a m y o f s e r v i c e s ，q o s ) 保证。因此， 有限的网络资源和q o s 成为i n t e m e t 面临的主要问题之一。 这一问题可以通过在网络中动态建立有资源保证的路径来解决，近年来出现 的多协议标记交换( 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 ，m i l s ) 技术提供了这种可 能性。然而，为了在m p l s 网络中实现这一目标，必须对现有的路由协议进行改 造或替换，以支持有q o s 要求的业务。 本章简要论述了i fq o s 问题和m p l s 网络的发展及研究现状，并讨论了在 网络中提供q o s 保证的机制，最后介绍了作者所做的工作。 1 1 相关研究领域的介绍 1 1 1i f 网络中的q o s 问题 随着互联网的飞速发展和网络业务的丰富，互联网已成为承载多种业务、服 务于多类用户群体的公共信息传输平台。但是由于球协议固有韵无连接特性和 传统p 网络尽力而为的服务原则，传统互联网无法向用户提供有效的服务质量 保障，也不能实现网络资源的有效监控和管理。这种状况严重阻碍了互联网向纵 深方向发展。近十年来，针对疋服务质量，研究人员提出了一系列理论和解决 方案。但是由于i fq o s 问题的复杂性。至今还没有个q o s 方案能在大型商用 网络中全面推行。当前，“p 电信网”已经成为各国电信主管部门和网络运营商 追求的目标，为了提供电信级的业务( 如v o m 、视频和多媒体流传播、未来3 g 的无线应用、可视电话等) ，就必须面对和解决口网络的q o s 问题。目前对通 信网络q o s 的研究集中在i fq o s 体系结构、坤q o s 的资源管理机制及pq o s 对业务可管理性、可运营性的支持机制等问题上；特别是各大电信服务提供商， 正在积极开展电信级业务对i fq o s 的需求分析，研究i f q o s 的关键实现技术， 以及i fq o s 在现有口网络上的部署和实施技术。 第一章绪论 1 1 2i pq o s 的定义及现有的实施方案 i pq o s 的研究目标是有效地为用户提供端到端的服务质量控制或保证。q o s 就是网络单元( 例如，应用程序，主机或路由器) 能够在一定级别上确保它的业 务流和服务要求得到满足。q o s 并没有创造带宽，只是根据应用程序的需求以及 网络状况来管理带宽。口q o s 有一套性能参数【l 】，主要包括： 业务可用性：用户到i n t e m e t 业务之间连接的可靠性。 传输延迟：指两个参照点之间发送和接收分组的时间间隔。 延迟变化：也称为延迟抖动( j i t t e r ) ，指在同一条路由上发送的一组数据 流中分组之间的时间差异。 吞吐率：网络中发送分组的速率，可用平均速率或峰值速率表示。 丢包率：在网络中传输分组时丢弃分组的最高比率。分组丢失一般是由 网络拥塞引起的。 支持q o s 是一个非常复杂的问题，单纯靠增加网络带宽不能完全解决q o s 问题。虽然近年来光纤技术的发展迅速，特别是密集波分复用( d w d m ) 技术 可以达到几十g b p s 带宽，但受技术限制( 如，光缓冲问题) 此项技术短期内还 不适合实际应用。另外，接入网的资源宽带化不易实现。为了解决i p q o s 问题， i e t f 已经提出了几种服务模型和机制，主要有： 综合服务( i n t s e r v ) 【2 1 和资源预留协议( r s v p ) 【3 ：以r s v p 信令向网 络提出业务流传输规格( f l o ws p e e ) ，并建立和拆除传输路径上的业务流状态。 主机和路由器节点建立和保持业务流状态信息。尽管r s v p 经常用于单个流，但 也用于聚集流的资源预留。 区分服务( d i f f s e r v ) 【4 】：在区分服务网络中，边界路由器根据用户的流 规格( s t r e a m p r o f i l e ) 将用户流划分为不同的级别，再聚合成流聚集，聚集信息 存放在坤分组头的d s 标记域，称为d s 标记( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sc o d e p o i n t ， d s c p ) 。内部节点则根据d s c p 提供不同质量的调度转发服务。 多协议标记交换( m u l f i p r o t o c o ll a b l es w i t c h ，m p l s ) i s ：根据分组头的 标记，通过网络路径控制来提供流聚集的带宽管理。 子网带宽管理( s u b n c tb a n d w i d t hm a n a g e m e n t ，s b m ) 6 ：负责o s i 第 二层( 数据链路层) 的分类和优先级排列，同i e e e8 0 2 网络进行共享和交换。 1 1 3m p l s 技术 m p l s 技术是一种转发机制，它在无连接的p 网络中引入了面向连接的机 制。它将标记交换的框架与网络层路由相结合，位于第二层和第三层之间。m p l s 第一章绪论 是由上世纪9 0 年代i p s i l o n 公司的口交换、c i s c o 公司的t a g 交换等类似技术发 展而来的。i b t f 成立了一个m p l s 工作组，对这些技术进行了标准化。在i b m 、 c i s c o 、n o t e l 、j u n i p e l 等公司的参与下，目前m p l s 已经在以下方面取得了标准 和共识：标记的语义和格式、分组的类别、标记编码、正向和堆栈的操作、通道 选择、基于拓扑的操作、防止循环。 在m p l s 网络中传输的每个分组都包含一个m p l s 头，也就是标记( l a b e l ) 。 标记是一个固定长度的用于转发分组的标识符。当业务流进入一个m p l s 域时， 这个流的分组并未带标记，由入口处的标记交换路由器( l a b e ls w i t c hr o u t e r ， l s r ) 分析其分组头，确定由一条标记交换路径( l a b e ls w i t c hp a t h ，l s p ) 来转发它们。同时以标记形式给分组加上一个本地l s p 识别符，然后转发到下 一跳。后续l s r 收到一个带有标记的分组后，利用标记作为索引查找路由表相 关条目，从而按要求处理分组并用出口标记替换原入口标记，然后发送到下一 l s r 。由于在中间节点的分类和转发只依据标记和业务等级进行，因而大大简化 了转发过程，显著提高了性能和可扩展性。 m p l s 以固定长度的标记的精确匹配来替换可变长度的i p 目标地址的查找， 这一技术最初用于实现分组在网络中的快速转发。在确保可靠性的同时，m p l s 取消了对专用连接的需要，特别是它可以根据网络或流量特性( 如拥塞或q o s 要求) 来规定每个数据分组的转发路径，其动态性优于电话网上应用的动态路由 选择。同时m p l s 具有很强的业务量工程的能力，因此被广泛地用于实现高速 礤网络中服务质量的保证。 1 1 4m p l s 网络中的q o s 路由 m p l s 是一种转发机制，它与路由策略是相互独立的。为了在m p l s 网络中 实现对有q o s 要求的业务提供保障，需要研究相应的支持q o s 的路由算法。目 前i n t e r n e t 上应用的路由协议如o s p f 等有较强的健壮性，但它们的工作方式都 是“尽力而为”地转发分组。特别是，它们使用“最短路径”路由算法，针对一 个单一的度量，如带宽或跳数做优化。这经常会导致网络中一部分链路严重拥塞 而另一部分链路的资源闲置。 在m p l s 网络体系结构中发展支持q o s 的路由算法是解决通信网络中q o s 趣题的关键之一，也是目前关于q o s 的一个重要研究方向。大部分交互式多媒 体应用是多方应用( m u l t i - p a r t ya p p l i c a t i o n s ) ，需要网络的多点投递支持。如果 能通过有效的方法找出既满足应用的q o s 需求，又具有最小成本的路由，再利 用相应的资源预留协议，那么将显著提高网络的效率。由此可以看出，一个优化 的q o s 路由选择策略显得格外重要。 第一章绪论 q o s 路由的定义是：根据网络中已知的一些资源可用信息，以及业务流的 q o s 要求，来为业务流进行选路的机制。相对于传统的路由算法，目前进行的 q o s 路由研究主要关注以下方面的问题：首先，两个节点之间存在多条路径，在 选路时要考虑各路径能满足的不同的服务需求，如带宽、延迟等。其次，必须考 虑到网络度量参数是不断变化的，在设计q o s 路由算法时，应避免产生随着某 些网络度量( 如可用带宽) 变化而使业务流在网络的不同路径上频繁转移的后果。 最后，还需要避免和减少由于网络资源信息不足或陈旧而造成的错误选路。 q o s 路由的目标是：动态确定可行路径；优化网络整体的资源利用；对网络 中现有业务的性能影响尽可能小。 m p l s 网络中的q o s 路由问题实际上就是在网络中建立满足到达业务流的 q o s 要求的l s p 。在由q o s 路由算法选择出适合一个业务的路径后，就可以采 用标记分配协议( l d p ) 等信令机制建立l s p ，从而进行业务流在m p l s 网络中 的实际传输。 1 2 课题背景 本论文的课题背景是国家重大自然科学基金项目( 项目编号：9 0 1 0 4 0 1 5 ) 。 “高速宽带无线口网络性能与服务质量研究”。研究内容主要包括无线局域网的 q o s 研究，a dh o c 网络中的路由，无线局域网业务与高速有线网络的结合，以 及基于m p l s 网络的服务质量研究。 其中基于m p l s 网络的服务质量研究是与本论文主要相关的部分。主要研究 内容是：以m p l s 技术为基础，利用电路交换网络中的动态路由思想研究婵网 络中支持面向连接的q o s 保证机制，包括体系结构和路由算法及相关协议。 1 3 作者的工作 在“高速宽带无线口网络性能与服务质量研究”项目中，作者的工作主要 包括以下几个方面： 在目前已有研究的的基础上，作者参考相关资料，提出了在一个i s p 网 络中建立以m p l s 为基础的q o s 框架，并确定了该框架的各组成部分及相应的 功能。 在n e t w o r k s i m u l a t o r - 2 ( n s - 2 ) 仿真软件中，实现了上述q o s 框架的各 个部分，包括：扩充了n s - 2 中链路状态路由协议；增加了业务资料数据库及相 应的维护和更新；实现了在线和离线路由功能。 进行了大量仿真实验，对该q o s 框架及路由算法进行了验证和性能评价。 第一章绪论 1 4 论文结构 论文第二章介绍了m p l s 技术的基本概念；第三章论述了流级q o s 机制和 q o s 路由；在第四章我们提出了一种m p l s 网络中的流级q o s 路由框架和算法； 在第五章我们给出了这个q o s 框架在n s 一2 仿真软件中的实现和仿真实验结果； 第六章给出了全文的研究结论，并对今后的研究和工作进行展望。 第二章m p l s 技术 第二章m p l s 技术 本章的内容是有关m p l s 网络的基础知识。m p l s 是一种转发机制，它将标 记交换和网络层路由集成在一起，在无连接的口网络中引进了面向连接的机制， 具有很大的优点和很强的实用价值。在本章中，我们将介绍m p l s 技术的基本概 念、体系结构、工作细节、优点以及应用。 2 1m p l s 网络体系简介 h a t e m e t 主要由两种类型的计算机网络构成：基于i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 的 网络和基于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 ) 的网络。a t m 网络的主要优点 在于它的高性能和业务管理能力，而高可扩展性和灵活性是口网络的主要优点。 但这两种网络中的任何一种都无法提供另一种所具备的全部优点。为了实现这两 种类型网络优势的融合，i e t f 建立了m p l s 标准化组织来实现这一目标。 m p l s 引入了一种基于固定长度标记的面向连接的转发方式。这种固定长度 的交换概念与a t m 和帧中继网络相似，但也有区别。m p l s 目前应用于基于口 的网络。在o s i 网络七层参考模型中。m p l s 处于数据链路层和网络层之间的位 置。m p l s 在将面向连接的概念引入无连接的口网络的同时，也提供了在这些 网络中进行业务量工程和业务量管理的新方法。a t m 网络中的电路交换( 虚电 路) 模型拥有带宽预留、性能管理以及业务量管理等优点。m p l s 为p 网络提 供了电路交换模型的这些优点，同时保持了口网络中固有的可扩展性和灵活性。 m p l s 源于早期的交换解决方案，因此它的体系结构基于口交换的想法、 概念和组件。其基本目标是简化路由器入口处对网络层帧头的分析过程和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 ) 分配功能的过程，改善选路的性能和成本。尽 管m p l s 面向多协议，然而它主要还是支持口协议。在传统口转发机制中，每 个路由器首先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、决定下一转接点的地址、计算帧头的校验、递减t t l 、完成合适的 出口链路层封装，最后发送分组。 m p l s 网络采用标准分组处理方式对第三层的分组进行转发、采用标记交换 对第二层分组进行交换。在m p l s 中，从p 分组到f e c 的映射只在l s r 入口 处进行此操作，而且f e c 被转换成一个固定长度的标记。标记被粘贴在p 分组 头上。入口路由器不是将f e c 映射到下一节点的路由器，而是在分组上添加表 第二章m p l s 技术 示分组归属f e c 的一个标记。在下一节点的路由器上，因为分组已经与f e c 关 联，所以没有必要再检查网络层的帧头。m p l s 是通过：1 ) 在分组上添加表示 分组归属的f e c 关联标记，2 ) 使用标记值转发分组；3 ) 检索个包含出口和 新标记的连接表并用新标记替换旧标记三步来完成标记交换的。标记是局部有效 的且表达了分组转发的全部行为。执行了标记绑定的数据包按照标记交换路径 ( l s p ) 来转发分组。通常l s p 的建立使用如o s p f 、b g p 等常规的p 选路协 议。另外m p l s 可运行在任何链路层上，例如a t m 、帧中继或点到点( p p p ) 协议。 图2 1 m p l s 网络域 图2 1 是一个m p l s 网络域，它由6 个l s r 组成，其中4 个是l e r ( 边界 l s r ) ，图中还表示出了一条经过三个l s r 的l s p 。分组在m p l s 网络中传输的 过程为：分组在到达入1 ：3 路由器后，入口路由器根据分组的目的地址、q o s 要求 等，为分组分配一个固定长度的标记。标记添加在数据链路层与网络层之间。当 到达下一跳路由器后，只是简单的根据到达分组的标记，在标记表中查找匹配的 输出标记替换原有的标记，然后将分组转发到下一跳路由器。当分组到达出口倒 数第二跳时弹出标记栈，去掉m p l s 头，从出口路由器离开m p l s 域。 2 2m p l s 的各个组成部分 1 ，f e c ( 转发等价类) m p l s 实际上是一种分类转发的技术，它将具有相同转发处理方式( 目的地 相同、使用的转发路径相同、具有相同的服务等级等) 的分组归为一类，这种类 别就称为转发等价类。属于相同转发等价类的分组在m p l s 网络中将获得完全相 第二章m p l s 技术 同的处理。在标记分发过程中，各种等价类对应于不同的标记，在m p l s 网络中， 各个节点将通过分组的标记来识别分组所属的转发等价类。 2 ，多协议标记交换 1 ) 多协议 m p l s 位于传统的第二层和第三层协议之间，其上层协议与下层协议可以是 当前网络中的各种协议。如：p x ，a p p l e t a l k 等。 2 ) 标记 一个长度固定，只具有本地意义的标志。它用于唯一地表示个分组所属的 f e c ，决定标记分组的转发方式。 图2 2m p l s 网络中的分组头格式 图2 2 是m p l s 网络中的分组头的格式，其中m p l s 嵌入分组头的格式如下： l a b e l 域：占2 0 b i t s ，用于承载实际的标记值。 e x p 域：占3 b i t s ，用于实验，大多被设置为c o s ( c l a s so f s e r v i c e ) 域，提 供一种服务分类的机制，影响分组在网络中传输时排队和丢弃算法。 s ( b o t t o mo f s t a c k ) 域：占l b i t ，用于支持标记栈的结构，在标记栈最后一 个实体中设置为1 ，其他标记实体置为0 。 t t l ( t i m et ol i v e ) 域：占8 b i t s ，用于记录该分组实际的寿命值。 3 ) 交换 通过f e c 的划分与标记的分配，m p l s 的标记在网络中进行交换，建立 条虚电路。 3 ，标记交换路由器( l s r ) 支持m p l s 协议的路由器，是m p l s 网络中的基本元素。 4 ，标记交换路径( l s p ) 使用m p l s 协议建立起来的分组转发路径，由标记分组源l s r 与目的l s r 之间的一系列l s r 以及它们之间的链路构成，类似于a t m 中的虚电路。 5 ，上游l s r 与下游l s r 一个分组由一个路由器发往另一个路由器时，发送方的路由器为上游路由 器，接收方为下游路由器。 6 ，标记信息库( l m ) 由f e c t o 1 a b e l 绑定构成。类似于路由表，包含各个标记所对应的各种转发 第二章m p l s 技术 信息。 7 ，标记分发协议( l d p ) 该协议是m p l s 的控制协议，相当于传统网络的信令协议，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。 8 ，标记合并 对于与某一相同f e c 的标记分组，将不同的入标记替换为同一个出标记继续 转发的过程，减少标记资源的消耗。 9 ，t l v ( t y p el e n g t h v a l u e ) m p l s 消息中的子结构，类似于其它协议中各种消息内的对象。 2 3 标记分配 m p l s 标记是第二层和第三层分组头之间的一个短的、固定长度的、具有本 地语义的标志。一般来讲，标记只是用来优化系统性能而不是来控制系统工作的， 是否分配标记并不影响分组能否通过网络，网络使用路由协议而不是标记来决定 数据报经过的路径。但是，使用标记可以简化递交，提高转发速率。 标记只在两个相邻m p l s 设备之间的局部范围起作用。多个m p l s 设备之 间，任意两个m p l s 设备使用的标记与其它设备之间使用的标记无关。这种标记 局部化简化了标记的语义，并且最接近纯数据报网络。 1 ，标记分配方法 标记分配是分发f e c 与标记绑定信息的过程。目的是为了形成一个l s p 并 通过标记交换属于特定f e c 的分组。标记分配可以通过单独的标记分配协议l d p 来实现，也可以通过现有的控制协议如r s v p 传输f e c 与标记绑定信息。 m p l s 同时支持拓扑驱动和数据流驱动的标记分配，其中拓扑驱动又可以分 为：基于控制的拓扑驱动和基于控制的请求驱动。 拓扑驱动方式下，标记分配在路由协议对控制信息的正常处理时进行，例如 当l s r 处理o s p f 、b g p 路由信息更新时。拓扑驱动方式有以下特点： 标记的分配、发布计算和带宽的消耗与网络的控制信息流量有关。 标记通常是预先分发的，在数据传输时没有标记建立延迟。 可能比数据流驱动需要更多的标记数量，这取决于支持的数据流的数量。 要求应用程序使用请求机制来得到分配给数据流的标记。 数据流驱动方式下，数据到达l e r 触发标记的分配和分发。如果希望分配 特定的网络资源给特定的标记来支持特定的应用，必须支持数据流驱动。 帧中继只有一个标记( d l c i ，数据链路连接标识符) ，a t m 中只有两个标 记( v p w c i ) 。与之不同，m p l s 允许有任意数量的标记，多个标记采用简单的 第二章m p l s 技术 栈式结构组织在一起。标记操作有三种：p o p 、p u s h 、s w a p 。s w a p 操作与 v p i v c i 交换类似，代表分组在单一层次上传输，包括检查输入标记以决定输出 标记，封装，端口以及其它相关信息如q o s 等。p u s h 操作在标记栈的顶部压入 一个新的标记，表示一个新的控制单元对该分组起作用。p o p 操作从标记栈中弹 出一个标记，这通常表明分组回到先前的控制单元。标记栈的作用在于允许多个 控制单元对分组起作用，使得m p l s 支持分级路由。 标记栈使得标记交换适用于分层选路。比如，第一层的标记可以用b g p 控 制，而第二层的标记支持o s p p 等域内路由协议。一个穿过多个自治区域( a s ) 的数据流，在a s 之内用i g p 或o s p f 等分配的标记来进行交换，在a s 之间用 b g p 分发的标记进行交换。 2 ，标记分配协议l d p m p l sl d p 是一个单独的控制协议，l s r 应用l d p 交换和协调f e c 标记绑 定信息。l d p 规定了消息交换的方法和格式，使得对等l s r 之间就一个特定的 标记的内容达成一致。l d p 在对等的l s r 之间建立一个t c p 连接，以保证l d p 消息能够可靠传输。l d p 映射消息可以从本地l s r 或者从出口l s r 发起，并从 下游l s r 流向上游l s r 。数据流的到达、预留建立消息( r s v p ) 、选路更新消 息都可以触发交换l d p 消息。 l d p 消息分为三类：发现( d i s c o v e r y ) 、邻接( a d j a c e n c y ) 、映射( m a p p i n g ) 。 发现类消息用来广播一个l d p l i n k h e l l o 消息给所有的路由器组地址，通知相邻 链路上其它l s r 它的存在。邻接消息用于建立、维护和终止l s r 对等体之间的 邻接关系，它包括建立一个t c p 连接然后交换对话协商信息的过程。映射类消 息用于建立、修改和删除l s r 对等体之间的流标记映射信息。一个典型的映射 类消息是一个l d p 映射消息，它被一个l s r 用于与相邻l s r 交换一个流标记 映射信息。这个消息将包含一个流标识和相关联的标记，还可能包括一个c o s 值、l s r i d 向量( 用于环路预防) 、h o p 计数和m t u 大小。 h e l l oh e l l 0 l s r 初始化 l s r 二初始化： l s r 萍1 、挖捍3 i d 号ai d ；a 士呆 芦= d 妊j j ：五 u咀：lm：u皿： f e c = af e c = af e c 与a i n = i n - - 4i n = 6 o u t = 4o u t = 6o u t = 图2 3 l d p 协议消息流 图2 _ 3 说明了邻接的三个l s r 之间的l d p 协议消息流。每个l s r 通过发送 第二章m p l s 技术 和接收h e l l o 消息发现在相同链路上一个相邻l s r 的存在，随后建立一个t c p 连接并交换初始化信息。之后，由下游的l s r 产生流标记映射，并传送给上游 相邻l s r 。 3 ，c r l d p l s r 除交换标记和建立l s p 外，还可以进行基于约束( c o n s t r a i n t b a s e d ) 的 路由。c r - l d p 7 】就是这一系列过程的集合。c r - l d p 是一个由入口l s r 发起的 端到端的c r - l s p ( c o n s t r a i n t - b a s e dr o u t e dl s p ) ，即显式l s p 的建立机制。它 还提供了使用l d p 来预约资源的能力。c r - l d p 具有以下能力 7 】： 严格的和宽松的显式路由：在一个标记请求消息中，一条显式路由 ( e x p l i c i t r o u t e ，e r ) 被表示为一组节点或是一组节点群体。当c r - l s p 建立后， l s p 会经过节点群体的全部或部分。显式路径中的每一条叫做一个e r - h o p 。严 格的e r - h o p 只包含一个节点，松散的e r - h o p 可以由一个节点群构成。这样 的节点群称为“抽象节点”。 维护l s p i d ：l s p i d 是m p l s 网络中对一条c r l s p 的唯一标识。l s p i d 被用于网络管理，c r - l s p 的修复，以及使用一个已建立的c r - l s p 作为某个 e r t l 中的一跳。l s p i d 被用来表示隧道入口点是e r 的下一跳。这个e r - h o p 允许将新的c r - l s p 并入一个己建立的c r - l s p 。 对业务参数的规范：一条l s p 路径的业务特性可以定义为峰值数据速率 ( p d r ) ，峰值突发速率( p b r ) ，提交速率( c d r ) ，和服务粒度( c b s ) 。峰值 数据速率和提交速率描述了一条路径的带宽限制，服务粒度可以被用来指定 c r - l d p i v i p l s 域可能对一条路径上的业务带来的对延迟变化的限制。除此之外， 还有频率和权重。频率说明在什么粒度下，分配给这个c r - l s p 的c d r 是有效 的。用户通过设定服务频度的值来说明不同类型的应用对延迟的不同要求。权重 决定了c r ，l s p 超出它的提交速率时，能得到的带宽量。 通过建立保持优先级实现c r l s p 抢占( p r e - e m p t i o n ) ：如果不能发现一 条具有足够资源的路径，现有的路径可能会被重路由( r e r o u t e ) 来重新分配资源 给新路径。这个过程就是路径抢占。建立优先级和保持优先级被用来给已有的路 径( 保持优先级) 和新路径( 建立优先级) 设定级别来决定新的路径是否可以抢 占一个已有的路径。 r o u t e p i n n i n g ：如果即使在一个l s p 的松散路由部分中的某个l s r 上存 在一个更好的下一跳的情况下，一个c r - l s p 也不想改变它的路径，可能会使用 r o u t ep i n n i n g 来建立这个l s p 。 包含以上所有能力的信息与l d p 消息相结合，就构成了c r l d p 消息。 c r - l d p 的l s p 的建立过程与l d p 中的一样。对约束的处理如下： 一 里三兰竺兰! 苎查 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ h _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一一 如果一个l s r 收到标记请求信息，而且l s r 能够支持c r l s p 业务参数， 那么这个l s r 就要为该c r - l s p 预留相应的资源。如果在经过可能的业务参数 协商后，一个l s r 不能支持c r - l s p 业务参数，那么这个l s r 必须发送一个包 含“资源不可用”状态码的通知消息。由一个包含一条显式路由信息的标记请求 消息来决定下一跳。 一个l s r 在收到一个标记匹配消息时，如果业务参数与相应标记请求消 息中的业务参数不同，就应当根据标记匹配消息调整它为c r - l s p 预留的资源。 如果一个l s p 收到一个c r l s p 的通知消息，它应当释放它可能为这个 c r - l s p 预留的所有资源。 2 4 约束路由 路由计算在m p l s 网络中起核心作用。路由选择必须超越简单的最短路径方 法，需要根据业务需求、拓扑结构和链路状态信息计算出最佳路由。我们称这类 路由算法为约束路由( c o n s t r a i n t - b a s e dr o u t i n g ) l b i 。 约束路由有两种实现方式：在线和离线。离线方式根据当前信息对所有路由 进行周期性计算，在维护期间完成路由更新。在离线方式中，所有路由在改变之 后都要进行重新优化，所以，网络路由结果更好。但是，对网络连接进行频繁、 大规模的重新路由会导致数据流数激增，从运营角度来看并不理想。此外，由于 路由计算是周期性进行的，所以当网络增加新的流量需求时，容易产生额外延迟。 在线方式的路由计算以增量方式进行，即收到一条新请求后，路由计算模块只为 新需求计算最佳路由，当前需求下的路由并不会被调整。在线方式的资源利用率 没有离线方式高，但现有业务流的重新路由率却被降到最低。在线和离线方式可 以结合使用。例如，在网络繁忙时，新的路由需求可以采用增量方式建立，当网 络不太繁忙时，再用离线