（计算机科学与技术专业论文）ldp协议的研究与实现.pdf

国防科学技术人学研究生院学位论文 摘要 m p l s ( m u l t i p l o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g 。多协议标记交换) 技术是随着i n t e m e t 的发展 而涌现出来的网络新技术中的一种。m p l s 利用简单的定长的标记将传统网络层中复杂、 灵活的路由协议与数据链路层便宜高速的交换硬件很好地结合起来。它推动了当代 i n t e r n e t 体系结构的发展，成为当前研究和应用的热点。 i 。d p ( l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c o l ，标记分发) 仂议是m p l s 的技术核心。对l d p 协 议的研究与实现是研制高性能核心路由器中的一个重要步骤。g n u 的l i n u x 操作系统的 普及使我们可以在安装了l i n u x 系统的多网卡微机上对l d p 协议进行实现和研究。 本文研究l d p 协议和它在l i n u x 系统上的实现。具体包括对l d p 协议规范的详细分 析以及对l d p 在l i n u x 操作系统上实现的详细阐述。l d p 协 义原实现屉在以太网环境中 完成的。我们在原实现基础上添加了每端口标记空间功能，使l d p 实现可以向数据链路 层为a t m 或者帧巾继的系统扩展。 如何设计相应的软件结构以及数掘结构来将l d p 协议r f c 文档中描述的协议基本功 能在实际的l i n u x 系统上实现是本文研究的重点。这些思想也可以在基于其它操作系统实 现l d p 协议的时候得到应用。 关键词：多功、汶标记交换标记分发协议l i n u x 协议实现 囤防科学技术人学研究生院学位论文 a b s t r a c t m p l si so n eo ft h en e wn e t w o r k t e c h n o l o g i e st h a tc o m ea l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h e i n t e m e t m p l su s e ss i m p l ea n di n v a r i a b l el e n g t h1 a b e l st oc o m b i n et h ec o m p l i c a t e da n d f l e x i b l e r o u t i n gp r o t o c o l s o fc o n v e n t i o n a ln e t w o r k l a y e r a n dt h e c h e a p a n dh i g h s p e e d s w i t c h i n g h a r d w a r eo fd a t a l i n kl a y e r i ti sp r o m o t i n gt h ee v o l u t i o no ft h ec o n t e m p o r a r yi n t e r n e t a r c h i t e c t u r ea n di so n eo f t h e h o t s p o t so f t o d a y sr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n l d p p r o t o c o li st h ec o r eo f m p l st e c h n o l o g y t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fl d pi s a ni m p o r t a n ts t e po f d e v e l o p i n gh i g hp e r f o r m a n c ec o r er o u t e r t h ep o p u l a r i z a t i o no f g n u s l i n u xo se n a b l e sb st oi m p l e m e n ta n ds t u d yl d po nm u l t i - n 1 cp ci nw h i c hl i n u xi si n s t a l l e d t h et h e s i sd i s c u s s e sl d pp r o t o c o la n dp r e s e n t st h ei m p l e m e n t a t i o no fl d pj nl i n u x s y s t e m t h ec o n t e n ti n c l u d e st h ed e t a i la n a l y s e so f t h el d p p r o t o c o ls p e c i f i c a t i o na n d e l a b o r a t e e x p l a n a t i o n o ft h e i m p l e m e n t a t i o n o fl d pp r o t o c o li nl i n u x s y s t e m s t h eo r i g i n a l i m p l e m e n t a t i o no f l d p p r o t o c o li sc o m p l e t e di nt h ee t h e m e te n v i r o n m e n t ，ca d dt h ef u n c t i o n o fth ep e ri n t e r f a c cl a b e lsp a c eb a s e dout h es o u r c eco d e wh i c hen a b l e stoex t e n di h el d p i m p l e m e n t a t i o nt os y s t e r n si nw h i c h t h ed a t a l i n kl a y e ri sa t mo rf r i ti st h ek e y s t o n eo ft h et h e s i st h a th o wt od e s i g nc o n f o r m a b l es o f t w a r es t r u c t u r ea n dd a t a s t r u c t u r e st ot r a n s f o r mt h eb a s i cm n c t i o no fl d p r f cd o c u m e n ti n t op r a c t i c a ll i n u xs y s t e m s t h ei d e ac a na l s oa p p l yw h e nw e i m p l e m e n tl d pp r o t o c o li no t h e ro s k e y w o r d s ：m p l s ，l d p , l i n u x ，p r o t o c o li m p l e m e n t a t i o n i i 围防科学技术人学研究1 1 j 院学侮论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = i = 1 1 研究背景 第一章绪论 二十l 址纪六十年代术，在美国诞生了世界上第个分组交换网络a r 队n e t ，它 也足i n t e r n e t 的个直接i ) 驱。在此之后，经过商_ k 化的转变和以w w w 为代表的各种 新兴应用的广泛采用使得i n t e r n e t 获得了爆炸性的发展。如今，i n t e m e t 上的主机数已经 达到一亿七千万之多“1 ，它已经成为j 良多人生活当中日益重要的一个组成部分，它也成 为了全球电信基础设旋的个中心部件“1 。 二十世纪八九一t 一年代i n t e m e t 自身网络的迅速增加，层出不穷的新兴应用，不断增 长的业务流量和业务需求使得它在发展中面临技术e 巨大的挑战。 i n t e m e t l 的主机数目的增长造成了i p v 4 地址耗尽问题，通过采用新的地址分配方 法以及n a t 和c i d r 等技术，这一趋势得到了控制”1 。在应用c i d r 之后路由算法发生 了相应的改变，同时采用了更复杂的具有最长前缀匹配规则的转发算法，加上在i n t e m e t 骨干路山器中路由表项在1 9 9 4 年已经达到了2 力条之多，并且以更快的速度继续增 跃“1 ，这些都使得传统的逐跳转发的路i _ b 方式和基于软件处理路山转发的路i b 器不再适 应新的形势。 而在二十世纪八十年代中期，电信界出于对话音、图像和数据业务的综合目的而开 发了a t m 技术。全球各大公司对a t m 巨大的投资导致了大量高性能的a t m 技术的产 生，包括每秒钟可以进行兆兆比特交换的交换机。这种高性能的信元交换技术结合以光 纤为基础的传输技术自然成为了电信网络和i n t e m e t 的新的骨干网基础。然而a t m 设 计的初衷并非足作为一种转发l p 分组的链路层技术，它是基于面向连接的虚电路模型 而i p 则是基于无连接的数据报模型。如何把i p 体系结构简洁高效地映射到a t m 网络 上是一个很复杂的问题”“。 二十l 旦= 纪九十年代术在光通信、a s i c 和交换等各相关技术的发展推动j f 出现了具 有p o s 接口的g s r ”3 。由于g s r 采用了新的体系结构和交换技术以及p o s 接口，这使 得i n t e r n e t 骨干网中省却a t m 交换机面直接采用g s r 互连成为可能，但是大量的投资 和些于多业务以及q o s 方面的考虑，a t m 仍然存在于i n t e m e t 骨干网中间并且继续发 展。 h l t e r n e tj ：的斧种新型应用的f f f 现和各种不同的业务要求使得i n t e r n e t 必须提供各种 扩展的路由功能，而原有的路由转发紧密耦合的体系结构很难演化因而无力提供这些扩 展功能”1 。 出一j 对i n t e r n e t 增长和演化的需要，出于对【p 路由扩展功能的需要，出于对在路由 器中采用交换技术以提高性价比的需要，出于对1 p o v e r a t m 解决方案的考虑，在总结 了各种i p 交换技术的基础上，i e t f 于1 9 9 7 年提出了m p l s 技术。现今i e t f 已经就 m p l s 技术产生了大量的协议草案和r f c 提议标准，并且基本的r f c 提议标准将在2 0 0 3 年底丌始转变为草案标准。1 。同时i t u t 和m p l s 论坛这两个组织也在对m p l s 技术进 行着标准化和产：“i n 化的工作。全球各大网络设备公司也纷纷在其产品中添新fm p l s 功 能，并i i 进行了多次成功的产品互操作实验。当前以v p n 应用为先导的m p l s 技术的 “泛采用已经仝瓶铺开，m p l s 技术已经逐步进入电信级f 勺基础网络，并且随着与光网 第1 页 j 国防科。学技术人学研究小院。学f 口 文 络技术的进一步融合必将成为新的i n t e r n e t 骨干网的重要组成部分。 m p l s 技术的核心叻，议是l d p 协议，它的主要功能是在m p l s 网络中的l s r 之间 进行标记交换以便建立、维护和撤销l s p 。l d p 是i e t f 的m p l s 工作组创立的一个新 协议，它也是m p l s 中用于支持单播路出的两个协议中的一个。i u t - t s g 1 3 工作组同 意将l d p 及其扩展协议c r l d p 作为公共网传输标准信令”。 对我国来说，骨干路由器和c u p 、操作系统一样是具有战略意义的高技术，我们 ! 必须掌握其核心技术，掌握拥有自主知识产权的产品。对m p l s 技术及其核心协议l d p 的研究和实现具有重大的现实意义。 1 2 研究内容 本课题主要是研究如何在基于l i n u x 操作系统的具有多个网络接口卡的微机上实现 l d p 协议。m p l s 功能的实现包括对l i n u x 内核所做的修改和l d p 协议本身的实现这 两个部分。研究的具体工作包括对m p l s 技术发展背景和l d p 协议规范的分析；对l i n u x 内核、t c p i p 协议栈以及添加了m p 。s 功能后的分析；对l d p 协议实现源代码的详细 分析和调试改进；使用s n i f f e r 等工具对l d p 实现进行简单的测试i 提出了如何在基于 网络处理器的分布式路由器上实现m p l s 功能的设计；最后是对l d p 协议的扩展及其 相关协议做了简单的介绍。 1 3 论文结构 论文共分为7 章。各章节的内容结构如下： 第章为绪淦，分析了课题的研究背景，简述了课题的研究内容并给出了论文结构。 第二：章揭示了m p l s 技术产生的背景。 第：i 章解释了m p l s 体系结构中的基本概念、基本原理和基本功能。 第心章详细分析了l d p 协议规范。 第五章详细分析了l d p 的实现以及对协议实现功能的完善，总结了协议测试工作并 就在新体系结构路由器上实现m p l s 功能提出了自己的设想。 第六章简单介绍了b g p 4 扩展以及c r l d p 协议。 第七章对课题工作做了总结，并提出了今后工作方向。 第2 页 = ：些丝兰鳖坠兰堡垒塑丝竺堡垒一 第二章m p l s 产生的背景 2 1 路山和交换技术的发展 在o s i 七层模型巾，路山功能属于第3 层即网络层，交换则是属于第2 层即数据链 路层的概念。而m p l s 技术与这两者都密切相关，被称为第2 5 层的技术，它是在路由 和交换技术大发展的背景下产生的“。 对i n t e r n e t 来说它的网络层有3 个主要部分。第一个是i p 协议，它定义了网络层寻 址方式、网络层p d u 格式以及路出器和主机对p d u 所采取的相应动作。i p 协议提供了 一种不可靠，无连接的传输机制。第二二个部分是路由协议，它决定了一个分组从源端到 目的端传送所经过的路径。最后部分是处理出错消息和提供信息汇报的1 c m p 协议a 这几个部分有机结合在一起，相互促进，相互影响。 最初的网络和路由器数目都不多，因而采用i p v 4 简单的有类地j t j l ：方案，同时使用 如r i p 等简单的路由协议。随着l a n 的迅速发展，为每个物理网络分配一个唯一网络 前缀的做法不能适应形式了，因此出现了子网化技术。而在8 0 、9 0 年代i n t e m e t 的迅猛 发展下，出现了i p 地址耗尽的问题，c i d r 和相应的新地址分配方案缓解了这一趋势。 网络地址从有类地址发展到无类地址，路由表的查找算法也成为了复杂的采用最长前缀 匹配规则的算法。路由协议一般分为距离向量和链路状态两种。随着网络规模的扩大， 网络数目和路由器数目急剧扩大，使得路由表计算、存储、查找和路由表信息交换的代 价无法接受；同时出于管理独立的需要逐渐出现了层次路由。在自治系统内部运行内部 网关协泌，如o s p f ；而在自治系统之日j 运行外部网关协议，如b g p 4 “。 2 1 2 交换 交换技术包括在交换机之问选择路由的技术和在交换机内部如何进行交换的技术。 最早出现的交换网络是电话网络，它采用电路交换技术。在电话网络中为了进行一对终 端系统问的通信，在通信前要建立物理线路连接，而且沿其路径所需的资源在整个会话 期间必须预留。f t l 路交换采用时分或肯空分多路复用，其交换机采用交叉点交换机、空 分交换机或者时分交换机。 针对电路交换空闲时低效和实现复杂的不足，人们提出了分组交换技术。分组交换 网络中分组也经过一系列通信链路传送，但是网络没有为传送该分组预留任何带宽。如 果其中一条链路因为同时有其它分组需要经由它传送而变得捌塞，那么该分组将不得不 在该链路入口点的缓冲区中等待。分组交换一般采用统计多路复用技术。分组交换网络 分为按照虚也路 路山分组的虚电路网络和按照主机目的地址路山分组的数据报网络。 a t m 是自u 者的代表，而i n t e m e t 则是后者的代表。分组交换网络中的交换机采用存储转 发( s t o r ea n df o r w a r d ) 的机制转发分组，也可以采用多种快速转发方式，比如短径转发 ( c u t t h r o u g hf o r w a r d ) 等等。 第3 页 国防科学技术人学研究! i ：院学位论文 2 1 3 a t m a t m 全称是异步传输模式，它是为了能够将实时音频与视频数据和文本、电子邮 件、图形文件样传输而设计的一种刚络技术。它采用虚电路进行分组交换，实际上是 电路交换和分组交换的一种折衷。a t m 采用定长的5 3 字节信元进行数据传输和交换。 在信元传输之前，它通过人工配置或者a t m 信令形成在源端主机和目的端主机之间的 一条路径。这条路径是由该路径上的每条链路的虚电路号串成的，这些虚电路号存在于 此路径上的每台a t m 交换机上的虚电路号转换表中。传输路径确定好之后a t m 将要 传输的p d u 分割成信元进行传输，在目的端主机又将其组装送到网络上层。a t m 采用 统计多路复用传输方式“1 。a t m 交换机是由相同数量的输入线路和输出线路以及连接它 们的交换结构组成，其中还设有输入输出队列。典型的a t m 交换机有白切尔一榕树交 换机“。由于a t m 采用定长信元，虚电路号转换表是局部有效的因而很小，而且转发 算法简单，同时转发过程本身是出特殊硬件实现的，所以经过精心设计的a t m 交换机 可以达到很高的交换速率。币因为a t m 的这种高性能，因此它出现之后很快成为了 n t e m e t 的骨干网络。当传输以i p 分组为主的流量的时候，a t m 网络被认为是一种数据 链路层的技术。 2 1 4 路山器 i n t e r n e t 是分维交换网络，它由通信子网和路山器组成。路山器是利用网络层地址 进行分组传送的存储一转发分组交换机。路由器主要功能是确定路径和对分组进行交 换，它集路由功能和交换功能于一身。 路山器有4 大部件：输入端1 3 、交换结构、输出端口和路由选择处理器。输入输出 端口执行和它们相连链路的数据链路层和物理层功能；交换结构实现输入端口和输出端 口之间的连接；路由选择处理器在路由器内部执行路由选择协议、维护路由表，并且执 行网管功能”1 。路由器体系结构的发展过程中，先后出现了单总线单c p u 结构路由器、 单总线多c p u 结构路由器、交叉丌关结构的路由器，以及达到t 比特容量的多级交换 路由器。路由器的交换结构也先后出现了纵横制交换结构、三维交换矩阵结构和基于光 纤的分斫j 交换矩阵等。 路由器工作于o s i 模型的下3 层，它在物理网络之间提供互连。路由器运行各种路 由 办议与其它路山器交换路由信息来了解网络拓扑，然后形成路由表。它从输入端口接 收到分甜i 之后根据分组的目的地址查找路山表，找出下一跳地址，通过相应的输出端口 对分组进行转发。分组从源端主机出发，通过这种逐跳转发的方式被中间的路由器依次 转发直到发送给同的端主机。从上面的描述可以看出，路山器包含两种基本的功能器件， 即控制功能器件和转发功能器件。其i p 控制功能器件是由一个或者多个路由协议组成， 它们提供路出器之问路由信息的交换，并且将这些信息转换并写入路由表，同时对路由 表进行维护。转发功能器件由一系列的算法组成，路由器利用这些算法对来自路由表和 分组自身携带的信息进行分析和转发决策”1 。 传统的路出器在转发分组之外还经常执行广泛的功能，它通常支持许多的协议以及 非常广泛的接口类型和速度。路由和转发之间的紧密耦合使得路山功能的发展对转发功 能算法影响臣大，比如c i d r 的出现就使得转发算法使用最长前缀匹配规则。用软件来 执行这样一个复杂的任务同时需要对不断增大的路出表进行维护，这样就造成了路由器 第4 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 的速度比实际所需要的差很多。在各利，榍关技术的推动下路由器出现了更多引入硬件实 现交换和转发功能，并行化和向光网络发展的趋势。9 0 年代中期出现的i p 交换技术正 是这种发展的个成果。 2 ，2i p 交换技术 i n t e m e t 的发展使得传统路由器不堪重负，因此a t m 交换技术产生之后很快成为l p 网络的核心。但是a t m 上的i p 集成问题又突显了出来。虽然有很多组织提出了各种解 决方案，比如经典i p o a 、l a n e 和m p o a 等等，但是这些方案都是基于叠加模型。也 就是将i p 建立在a t m 之上，两层协议完全独立，它们之问通过一系列协议实现互通。 叠加模型存在两个地址空间，必须维护两个独立的拓扑结构，同时使用路由协议和a t m 信令协议“”。虽然此模型可以使得i p 不加改动地在a t m 上运行，但是这样的叠加使得 协议很复杂，低效而且存在严重的可扩展性问题。 基于硬件实观的交换技术的商效和廉价与基于软件实现的传统路由器的低效与昂 贵形成了鲜明的对比，如何把这两者结合起来使得新设备既具备灵活的路由功能又拥有 高效的交换功能成了9 0 年代初各大厂家追求的目标。在此基础上，9 0 年代中期诞生了 所谓的i p 交换技术。i p 交换技术是利用第二层交换作为传送i p 分组通过一个网络的主 要转发机制的组协议和机制。l p 交换利用高带宽和低延迟优势尽可能快地传送一个分 组通过删络。各种i p 交换解决方案的基本特征是它们都试图通过一个交换组件重定向 所有或部分分组，从而避免执行任何第三层处理。而且这些方案大多采用a t m 作为交 换组件m 。 i p 交换技术可分为流驱动和拓扑驱动两种。简单来讲，流驱动方案是指对于具有相 同源、目的i p 地址以及端口号的一个i p 分组序列，路由器对其第一个分组采用传统的 第三层转发方式，同时根据此i p 分组的特性触发一个重定向过程，形成一条基于第二 层交换技术的直通路径，当这之后，又有此分组流的i p 分组到达时就直接采用直通路 径转发分组而不通过第三层处理了。流驱动方案有i p s i l o n 的i p 交换技术等。拓扑驱动 的方案基于运行一个i p 交换机里的i p 路由协议所维护的i p 网络拓扑结构，产生反映一 个目的网络l pj j 缀的标签并且将它们分发致路由区域的其他i p 交换机，形成条虚连 接路径，然后所有指定到一个特定目的网络的业务流遵循此条路径转发。拓扑驱动方案 有c i s c o 的标签交换等。 这些i p 交换方案都是基于对等模型的，与叠加模型相比，对等模型只使用一个地址 空m ，一种路幽协议，它使用特殊控剃协议将i p 业务流映射到直通路径上。对基于a t m 交换技术实现的i p 交换方案来说，它们抛弃了复杂的a t m 信令和路由协议，而直接使 用传统的i p 路山技术通过特殊信令机制来控制a t m 交换硬件，这样就实现了将便宜、 高容量的转发硬件和灵活的口路由结合起来的初衷。 2 3m p l s 协议的出现 在各大公司的番种i p 交换技术不断涌现的背景下，i e t f 于1 9 9 7 年成立了以m p l s ( 多协议标记交换) 来命名的从事综合路由和交换问题的工作组。所谓的多协议是指， 对网络层m p l s 可以支持i p 协议，也可以支持其它多种网络层协议；而对数据链路层， m p l s 可以在a t m 、p p p 、帧中继以及广播l a n 比如以太网上运行。m p l s 以简单的 第5 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 标记交换作为底层转发机制。m p l s 技术将网络层路由和基于硬件的标记交换结合形成 了一个单一的解决方案，它改善了传统路由的性能和成本，提供了传统叠加模型路由的 扩展性，出于它将路由的控制平台和转发平台分离丌，使得引进和实施新业务时更具灵 活性。 m p l s 包含了许多i p 交换方案巾的技术。一个m p l s 网络采用标准分组方式对第三 层的分组运行转发，采用标记交换对第二层分组进行交换。它基于对等模型，即每一个 m p l s 设备运行一个单一的i p 路由协议，交换路由表更新信息并维护一个拓扑结构和 一个地址空问。它把转发等价类( f e c ) 映射成标记。为了在标记交换路由器( l s r ) 问分发f e c 标记绑定信息，制定了个标记分发协议( l d p ) 。一旦l d p 完成它的任务， 从入口到出口就建立了一条标记交换路径。当分组进入网络，入口l s r 检奄分组头的 多个字段来确定分组属于哪个f e c 。如果存在一个f e c 标记关联，入口l s r 就给分组 贴上一个标记然后引导到合适的出口。分组经标记交换通过网络到达出口l s r ，而后去 除标记并处理第三层分组。由于第三层处理被推移到边缘( 入口) 并只被处理次，因 此提商了性能。丽在中f n j 节点的处理包括：将分组中固定长度的标汜与l s r 连接表中 的个干应项目进行匹配，然后交换标记，这通常是由基于硬件的高性能交换机完成“7 j 鲫 下丽两章将详细叙述m p l s 的基小概念和l d p 协议规范。 第6 页 ：= ：= 堡丝垒垒壁垒兰些型篓兰垒堡堇一 第三章m p l s 的体系结构 m p l s 协议组产生的r f c 文档和草案很多，但是m p l s 基本核心文档是m p l s 系结构和l d p 协议规范两部分。本章我们介绍m p l s 的基本概念、基本原理和基本 能，下一章详细分析l d p 协议规范。 3 1m p l s 基础 在一个由标记交换路出器( l s r ) 组成的m p l s 域中，l d p 在传统路由协议的基砒 上进行标记的分发和控制，从而形成标记交换路径( l s p ) 。然后进入此m p l s 域的i p 分组被入口l s r 打上标记，这之后在m p l s 域中各l s r 通过标记对此1 p 分组进行基于 硬件的转发，直到此i p 分组到达出口l s r 。这时分组被去掉标汜，再次以第三层路由 转发的方式向非m p l s 域的邻居路出器转发”。这其中标记、标记交换路由器、标记交 换路径是m p l s 的基本概念，下面对它们进行详细介绍和分析。 3 2 标记( l a b e l ) 标记是一个包含在分组中的短的，定长的，只有本地意义的标识符。某一分组的 标记代表它所属的转发等价类，用来在一对l s r 之间进行分组交换。标记可以封装到 现有的数掘链路层分组中，格式取决于分组封装所在的介质。如在a t m 中采用v p u v c i ， 帧中继中采用d l c i ，而在以太网中，采用一个特殊的数值填充在帧头中。l s r 负责从 自己的标记空间中取标记值与f e c 进行绑定，分组所附的标记只在通信的一对l s r 之 问起作用，丽不具有全局意义。对应ff e c 划分的细致程度标记可以有不同的三种颗 粒度，这样具有相当的灵活性。图3 - 1 为通用标记封装的格式，这种格式用于m p l s 专 用的硬件软件“”。 图3 t 通用m p l s 标记封装 其中标记域为2 0 b i t 的真实标电值，这种值只是在分发标记的l s p 对等实体之间本 地有效。e x p 域留作实验用。s 域是栈底指示比特，值1 为栈底标记，否则值为0 。生 存时问域与i p 分组头中的t t l 字段作用相同，用于路由循环检测和限制分组发送跳数。 包含了m p l s 标记封装的分组称为标电分组。而m p l s 域中的每个节点依据标记 分组所携带的标记对标汜分组进行硬件交换叫做标记交换。对予m p l s 域中的l s r 来 、晓，将包含入标融或者没有携带标记的分组通过些转换表转换成包含出标记的分组的 过程称为标记转换( l a b e ls w a p p i n g ) ，标记转换只是标记只身的变更过程。标记只具有 本地有效性，在对标记分发对等实体之例，如果标记仅在每个接口上具有唯一性，则 l s r 的标记空阃g t f 做每接口标记空间，而如果标记在分配标记的l s r 上具有唯一性， 则叫做每平台标汜空i b j 。 第7 页 国防科学技术人学研究! i ：院学位论文 3 3 标记交换路由器( l s r ) 支持m p l st , h 、议的路由器，是m p l s 网络中的基本元素。标记交换路 器由两部 分组成。控制单元与转发单元。控制叽元负责标记的分配、路由的选择、标记转发表的 建立，标记交换路径的建立、拆除等工作。而转发单元则将依据标记转发表对收到的标 记分组进行转发。这艰之所以称这种m p l s 交换设备为路山器，可以说是因为这种设备 从行为表现上更象传统的路由器，其控制方式、路由方式等，与路由器更为相似，区别 只是在于其交换单元。l s r 作为m p l s 交换路由器它在必要时也可以转发原始的第三 层分组，或者升级为支持m p l s 的一个传统路山器”“。图3 2 为l s r 的软硬件结构示 意图1 。 | 品! 一 k 等。i j 。赢j 图3 - 2 标记交换路由器的结构 l s r 的这么一种结构的分离有利于现有的a t m 交换设备向m p l sl s r 的演变，例 如，一个l s r 可以是一个传统的交换机( 如a t m ) 扩充m p l s 控制软件；同时对m p l s 技术本身的演进与升级也是十分有利的。 当一个分组 l 一个路由器发往另一个路由器时，对应于该分组，发送方的路由器就 称为上游( u p s t r e a m ) 路出器，接收方的路由器称为下游( d o w n s t r e a m ) 路由器。而处 于m p l s 域边缘与非m p l s 域连接的l s r 称为标记交换边缘路由器( l e r ) ，相比较起 来。l e r 比m p l s 域中间的其它l s r 行使的功能要复杂，比如它要做对标记进行分类， 分发标记，回收标汜和去掉标记等等： 作。 3 4 转发等价类( f e c ) 转发等价类是m p l s 中最重要的一个概念，甚至可以说是m p l s 技术的基础。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，这种类别称为转发等价类。每个转发 等价类被指定为一个或多个转发等价类单元。属于相同转发等价类单元的分组在m p l s 网络中将获得完全相同的处理。目前有两种已定义的转发等价类单元：地址前缀和主机 阿缀。 将一个标记分配给f e c ，就称为标记映射。标记映射的大致过程为：当有一定属性 第8 页 i 啦 托 ， 挖 0路 柳 1 l 一广 站 。 。 搀 m f p m+jt m c m 跻 t t 卜 国防科学技术人学研究生院学位论文 的数据流( 如i p 分组) 到达l e r 之后，路由器检查分组的包头，根掘此检查所得到的 信息，依据一定的对应原则，如：将分组目的地址与l e r 中路山表的某一条目进行最 长d f 缀匹配，将输入的信息流进行划分，得到多个f e c ，接着在l e r 处根据f e c 进行 映射操作，也就是把标记插入分组头中，最后将分组沿标记所标识的接口转发出去。 在l d p 的标记映射过程中，各利t 转发等价类将对应于不同的标记，在m p l s 网络 中，各个节点将通过分组的标记来识刖分组所属的转发等价类。f e c 与标记的结合为 m p l s 技术提供了很大的灵活性和可扩展性。比如：在传统的路由器网络中，对分组实 际上也进行了f e c 的划分，只不过这种划分要在每一跳上进行，丽在m p l s 中只需要 在l e r 上进行一次，这样便大大提高了m p l s 网络的转发性能。 3 5 标记转换巾使用的主要表项 在标记转换t f 使用了下一跳标记发条目( n h l f e ) 、输入标记映射( i l m ) 和f e c 到n h l f e 映射( f t n ) “”。 转发标记分组时将使用下一跳标记转发条目( n h l f e ) ，它将包含下列信息： ( 1 ) 分组的下一跳： 。 ( 2 ) 在分组的标记栈上完成的下列操作之一： 用特定的新标记替换标记栈顶的标记： 一 标记栈执行出栈操作； 用特定的新标记替换标记栈顶的标记然后将一个或多个特定的新标记压入标 汜栈； ( 3 ) 传送分组使用的数据链路封装； ( 4 ) 传送分组时标记栈的编码方式： ( 5 ) 对分组进行适当的处理所需的其它信息。 如果分组的下跳为某个l s r 自身，则该l s r 将栈项标汜弹出并将由此得到的分 组“转发”给自己。此后，如果标记婵出后标记找不空，则l s r 根据标记栈中仍保留 的信息作出另个转发决定；如果标汜弹出后标记栈为空，则l s r 根据i p 分组头转发 该分组。 i l m 将每个输入标记映射到一组n h l f e 。对收到的标记分组进行转发时将使用 i l m 。当i l m 将某特定标记映射到包含多个元索的一组n i l l f e 时，转发孩分组之前 必须从该组中明确地选出一个元素。 f t n 将每个f e c 映刺到一组n h l f e 。对于收到的未打标记但要在转发之前打上标 i 己的分组，将其转发时需要使用f t n 。当f t n 将某一特定标记映射到包含多个元素的 一组n h l f e 上时，在对该分组进行转发之前必须从该组中明确地选出一个元素。 3 6 标记信息库( l i b ) 标记信息库也称为标汜转发信息库( l f i b ) ”，它的作用类似于路由表，其中将包 含各个标记所对应的各种转发信息。每个入口标记对应一个信息条目，而每个条目包括 出口标记、出口接口、出口链路层信息等子条目。l i b 如图3 3 所示： 第9 页 国防科学技术人学研究! i ：院学位论文 入标记入端l ji p 地址段出端u 山标记 4l1 9 2 1 6 80 5 图3 - 3 标记信息库 可以看到，前面的n h l f e 、i l m 和f t n 这三种数据结构是对l i b 的具体化。在 l d p 的实现中，这3 种数据结构都是作为转发器的部分运行于l i n u x 的内核中的。 3 7 标记交换路径( l s p ) l s p 指属于特定f e c 的分组所经过的处于同一层次的多个l s r 所形成的路径。简 单来讲，l s p 是d 】同一层次上由标记分组源l s r 与目的l s r 之自j 的一系列l s r 以及它 们之划的链路构成，它类似于a t mr 1 1 的虚电路。从另一角度来说，l s p 实际上是出路 径上各个l s r 中的标记转发表中的相关条目构成的“。在m p l s 网络中l s p 的形成可 以分为j 个过程： ( 1 ) 网络启动后在路出协议如o s p f 、b g p 4 等的作用下在各节点中建立路由表。 ( 2 ) 根据路l “表，各节点在l d p 的控制下建立标记转发信息库。 ( 3 ) 从入1 1l e r 、中问l s r 和出口l e r 的输入输出标记相互映射拼接起来之后， 就构成了从不同入口点到不同出口点的l s p 。 标记、f e c 和l s p 是三个紧密相关的概念，它们之间有这样的对应关系：具有相同 共性的数据流对应一个f e c ；一个f e c 可以和多个标记相绑定，但是一个标记只能够 属于一个f e c ；l s p 与标记之间则是一对一的对应关系。在一个特定的l s r 中，一个 特定标记分组的l s p 下一跳是由n h l f e 条目选择的，用于转发该分组的下一跳l s r 。 对应于特定f e c 的l s p 的下一跳是d 对应于该f e c 的标记索引的n h l f e 选择的下一 跳。 l s p 下一跳可以有两种选择方式：一种是传统的各节点独立地通过逐跳路由方式选 择l s p 的下跳；另一种叫做l s p 显式路由。显式路由方式中，每个l s r 不是自己独 立决定下一跳，耵是由某个l s r ( 通常是l s p 的入口或者出口节点) 规定好l s p 中的 部分或全部的l s r 。如果指定了部分l s r ，就叫做松散显式路由，如果规定了全部l s r ， 就称之为严格显式路由。显式路由具有相当大的优越性。 l s p 具有层次上的意义，并且这种层次上的意义与下面要讲的标记栈的层次相对应。 3 8 标记栈与分层 m p l s 分组上可以承载一系列按照“后进先出”原则组织起来的标记，这种结构叫 做标记栈“。l s r 收到标记后从栈顶丌始处理标记。如果一个分组的标记栈深度为m ， 则位于栈底的标汜为1 级标记，位于栈顶的标记为m 级标记。未打标记的分组可以看 作标汜栈为空( 即标记栈深度为零) 的分组。 i j 研描述过，l s p 是在一定层次卧l s p ，这种层次也就是对应于标记栈的相应的 第1 0 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 同层次。这种标记栈的使用可以形成l s p 隧道，从而更进一步形成层次路由。通过 使用层次化路i i j ，m p l s 网络将成为一种层次化的网络，这种结构的明显结果就是网络 可扩展性的大火增强，这是因为下层网络中的节点将无需关心高层网络的情况，而高层 网络中的节点也不必了解下层网络中的路由情况。事实上，m p l s 仍然是种连接型的 技术，对于需要相互通信的双方，仍然需要预先建立p v c 连接。然而，借助于层次化 路由技术以及下面将要讨论的标记合f 技术，m p l s 技术能够大大降低网络中路由信息 的传输与计算量和标记的消耗量，使得网络的可扩展性大大提高。 隧道技术和层次化路山使得m p l s 的可扩展性大大增强，同时非常适合于v p n 业 务的实现，实际上m p l s 的大规模应用正是由v p n 业务的广泛部署而开始的。v p n 同 m p l s 网络的q o s 能力一起，构成了m p l s 的两大主要优势。 3 9 循环榆测与预防 m p l s 使j j 毖于分卸式计算的传统i p 路由协议。在网络拓扑结构变化的瞬间，由这 些协议汁算得到的路由可能会产生瞬时环路。分组进入有环路的l s p 传送时，可能会 导致分组无法转发到正确的目的地址或者在网络中造成拥塞。在i p 网络的正常操作中， 捌塞引起的分组丢失可以通过t c p 流量抑制来限制。在发生拥塞的地方，t t l 和环路 分组的最弃删结合，加上输入业务流j 止的减少，就能够限制环路所造成的拥塞对网络的 影响1 。 在m p l s 网络中对路由循环的控制是出循环检测机制和循环防止8 t s u 来完成的。传 统的路山采用t t l 字段来保证在出现路由循环时，循环的分组被自动丢弃。m p l s 也采 用了这种方式。在m p l s 的通用标记封装格式中保留了t t l 字段。m p l s 域边缘的l e r 从第三层分组中拷贝该字段到m p l s 封装的s h i m 中，转接的l s r 将该值减i ，当该值 减到0 时，l s r 将该分组丢弃。而在m p l s 使用的下层转发机制是a t m 或者帧中继交 换机时，由于m p l s 的封装不再使用s h i m ，而是使用a t m 信元或f r 帧，这两种格式 中都没有t t l 字段，所以当某分组来到入口l s r 的时候，在入口l s r 处估算该分组的 l s p 的跳数，并在t t l 中减去相应的值，若t t l 已经小于零，则入口l s r 拒绝在该 l s p 上传递该分组。 m p l s 域中的循环防止机制的核心原理是使用标记请求和标记映射两个路径向量， 在路径建立的过程中，沿着路由的路径传送，经由所有l s r 的l s ri d 表。任何一个 l s r 在收到这利响量时，检查其中是否有本节点的l s ri d ，若有则表明已经出现循环， 此时相应m p l sl s p 的建立过程将终i e 。反之，各节点将在向量中填入自身的d 号后 继续向下一节点传送这一向量。通过这种机制，可以在开始进行分组传输之前，防止大 多数跺循环的产业，这种方式可以人大提高网络的性能。 3 1 0 标记的合并( m e r g e ) 和聚合( a g g r e g a t e d ) 标记虽然足个只具有局部意义的概念，但是由于标记的使用有三种粒度，如果使 用了标皑的最佳粒度，那么必将使用很多个标记。大量标记的使用既不利于提高m f l s 的可扩腮性，也不利于网络资源的利用。因此，m p l s 在进行f e c 映射的时候提供了 多种减少抓址使川的技术。 第1 1 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 主要有标记合并和标记聚合两种技术。标记合并是指对于属于某一相同f e c 的标记 分组，将不同的入标记替换为相同的一个出标记继续转发的过程“0 1 。也就是说当具有不 同标记的分组到达某个l s r 时，l s r 将这多个入标记归为相同的f e c ，然后这些分组 都采用相同的标记输出。这样就降低了m p l s 网络中标记的使用量，使网络的可靠性大 大提高。标记合j f 的一个特点就是在足有不同入标记的分组通过标记合并l s r 之后， 有关这些分组来自于不同接口、先前刁：同的标t 己信息将会丢失。在底层是a t m 的m p l s 域中还存在信元交织问题，存在着不同的解决方案。 如果对于路由表中的每一个目的地址前缀都建立一个不同的f e c ，那么可以将流量 分到不同的f e c 中。而如果采用这种方法，在某些特定m p l s 域中会产生