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北京邮电大学硕士研究生毕业论文 m p l s 故障检测和保护倒换机制的设计与实现 摘要 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 e d ) 技术日益 成为新一代骨干网络中的关键技术，而互联网的骨干网络是关系国计 民生的重要战略资源，网络设施发生的故障或损毁，都会在不同程度 上对生产和生活产生负面影响，特别是在非常时期或特殊环境下，如 战争、大规模自然灾害等极端环境下，因此提高网络的自愈能力以及 生存能力尤为重要，为此，迫切需要在m p l s 网络中添加o a m 机制。 o a m 机制是现代网络管理中的一个重要概念，它能够提高网络可靠 性，简化操作，降低网络运行成本，为网络服务质量提供保障。m p l s 网络中的0 a m 机制能为m p l s 网络中的业务运行提供保障，因此， 该o a m 机制也一直是国# j 夕l - 研究的热点之一。 本论文对现有m p l so a m 技术以及相关的标准规范进行研究和 分析，分别对快速故障检测机制和快速故障恢复机制进行深入的研 究，提出两种基于m p l s 层的故障探测方法一简单l s p 探测机制 和双向f f d 机制，和一种基于链路层的故障检测方法一网卡对物 理连接的监测机制；同时提出一种简单的快速故障恢复方案叫s p 保护倒换机制。简单l s p 探测机制和双向f f d 机制均基于我们自行 设计实现的o a m 内核支持模块，该模块能够处理自定义的特殊的 o a m 分组来进行链路探测，同时在实现跨层设计，绕开复杂的t c m p 协议栈的处理，直接将数据包通过m p l ss o c k e t 接口送入m p l s 层处 理，并使用o a m 标签来在m p l s 层区别处理此类探测包。网卡对物 理连接的监测机制完成对物理连接状态变化的自动告警。在快速保护 倒换机制中，我们通过m p l sn e t l i n k 接口修改m p l s 转发表的信息， 完成对l s p 的切换。最后通过实验来测试了这些故障检测机制或故 障恢复机制的性能并做出了分析。 关键词：多协议标签交换运行管理和维护标签交换路径故障检测 保护倒换 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t l 0 no fm p i f a i l u r e s d e t e c t i o nm e c h a n i s ma n dp r o t e c t e d s w i t c h i n gm e c h a n i s m 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 e d ) i si n c r e a s i n g l yb e c o m i n gt h e k e yt e c h n o l o g y i nn e x tg e n e r a t i o nb a c k b o n en e t w o r k ，t h eb a c k b o n e n e t w o r ko fi n t e m e ti st h ei m p o r t a n tr e s o u r c ew h i c hc a r ea b o u tt h e n a t i o n a le c o n o m ya n dt h ep e o p l e sl i v e l i h o o d ，t h ef a i l u r e so rt h er a i no f n e t w o r ks t r u c t u r em o r eo rl e s sh a v eab a di m p a c to nt h ep r o d u c t i o na n d l i v e l i h o o di n s o c i a t y ，e s p e c i a l l y i n u n u s u a l l yp e r i o d o re x t r e m e l y e v i r o n m e n t ，s u c ha sw a r ，n a t u r a lc a l a m i t i e sa n ds oo n s o ，i ti sv e r y i m p o r t a n tt oi m p r o v et h ea b i l i t yo fs e l f - h e a l i n ga n ds u r v i v i n go fn e t w o r k , f o rt h i s ，o a mf u n c t i o ns h o u l db ea d di n t ot h em p l sn e t w o r k o a m f u c t i o ni sai m p o r t a n tc o n c e p t i o ni nm o d e ma d m i n i s t r a t i o no fn e t w o r k ，i t c a ni m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fn e t w o r k ，m a k et h eo p e r a t i o ns i m p l e ，r e d u c e t h eo p e r a t i n gc o s to fn e t w o r ka n dg u a r a n t e et h eq u a l i t yo fs e r v i c ei n n e t w o r k t h eo a mm e c h a n i s mi nt h em p l sn e t w o r kc a ng u a r a n t e et h e s e r v i c eo p e r a t i o nn o m a l l y s oi ti st h eh o tr e s e a r c hp o i n t sa l lt i m ei nt h e w o r l d t h i sp a p a rr e s e a r c h e da n da n a l y z e dr e c e n tt e c h n o l o g y ，s t a n d a r d sa n d c r i t e r i o n sa b o u tm p l so a m ，e s p e c a i l l yi nf a s tf a i l u r e sd e t e c t i o n m e c h a n i s ma n df a i l u r e sr e c o v e r ym e c h a n i s m ，w h i c ha r ed e e p l y r e s e a r c h e di nt h ep a p e r ，t h e nw ep 诚f o r w a r dt w ok i n d sm e t h o do ff a i l u r e s d e t e c t i o nm e c h a n i s mi nm p l sl a y e r t h em e c h a n i s mo fl s pd e t e c t i o n a n dt h em e c h a n i s mo fb i d i r e c t i o nf f d ，a n dam e t h o do ff a i l u r e sd e t e c t i o n m e c h a n i s mi nl i n kl a y e r - - - t h em e c h a n i s mo fp h y s i c a ll i n km o n i t o r i n g ；w e a l s op u tf o r w a r das i m p l em e t h o do ff a s tf a i l u r e sr e c o v e r y l s p p r o t e c t e ds w i t c h i n gm e c h a n i s m b o t ho fl s pd e t e c t i o nm e c h a n i s ma n d b i d i r e c t i o nf f dm e c h a n i s ma r eb a s eo nt h em o d u l eo fm p l so a m 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 w h i c hw ed e s i g n e da n dr e a l i z e db yo u r s e l f , t h i sm o d u l ec a nu s et h eo a m p a c k e t s ，w h i c hd e f i n e db yo u r s e l f , t od e t e c tt h el i n kf a i l u r e s ，a n da v o i d t h ec o m p l e xp r o c e s si nt c m pp r o t o c o ls t a c k ，r e a l i z et h ec r o s s l a y e r d e s i g n ，w h i c hc a ns e n dt h ed a t ap a c k e t st om p l sl a y e rd i r e c t l yb ym p l s s o c k e ti n t e r f a c e t h em e c h a n i s mo fp h y s i c a l l i n km o n i t o r i n gc a nr a i s et h e a l a r mw h e nt h es t a t u so fp h y s i c a ll i n kc h a n g e i nf a s tp r o t e c t e ds w i t h i n g m e c h a n i s m ，w em o d i f yt h ei n f o r m a t i o no fm p l sf o r w a r d i n gt a b l eb v m p l sn e t l i n ki n t e r f a c e ，t or e a l i z es w i t h i n ga m o n gl s p s a tl a s t ，w e m a d es o m ee x p e r i m e n t st o t e s ta n da n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo ft h e s e f a i l u r ed e t e c t i o nm e c h a n i s ma n df a i l u r er e c o v e r ym e c h a n i s m k e y w o r d s ：m p l s ，o a m ，l s p ，f a i l u r e sd e t e c t i o n ，p r o t e c t e d s w i t c h i n g m 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 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- i 碜1 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， 本人签名： 本人承担一切相关责任。 日期：迦垄：；丛。 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年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学 本人签名 导师签名 - 1 适用本授权书。 日期： 泌蔓：；：丛 日期： 汤菩逃 ， 一 一 目 一 一 黼二 密 一一、骼一褒慨 瓣悔 论 一 一 位 ： ： 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 1 1 研究背景和方向 第一章绪论 随着信息技术的不断发展，以及它在人类生活中影响力的日益加深，社会各 部门、各领域对互联网的依赖程度也是空前提高。互联网的基础设施已经成为关 系国计民生的重要战略资源，网络中发生的故障或损毁，都会在不同程度上对生 产和生活产生负面影响，因此网络中的o a m 机制对提高网络资源的利用效率和 保障重大业务的服务质量有着重大意义【1 1 。 o a m 机制的首要任务是能检测出网络中的故障，在固定网络上，传统的路 由协议主要依靠在相邻路由器之间定时发送h e l l o 包以及链路状态信息或目的 地可达信息的方式监测网络的当前状态，为了减少信令开销，h e l l o 包的发送 频率受到严格控制，因而反应滞后的时间通常可以达到l o o m s 级别。h e l l o 包 检测机制的另一个缺陷是只能提供口层的网络状态信息，当检测到异常状态时， 路由器既不能判断故障原因是来自节点还是链路，也无从知晓故障是发生在物理 层、数据链路层还是网络层。这样，在固定网上，路由结构的稳定性就显得至关 重要，为了避免由于信息不精确而造成的误判、误操作，路由器通常延迟对链路 失效和目的地不可达信息的处理，以牺牲反应速度为代价规避风险。在和平时期， 固定网络的故障率被控制在极低的水平，传统路由协议的网络状检测机制完全能 够满足一般运营维护的要求。但在自然灾害、战争等极端条件下，网络环境瞬息 万变，路由协议必须有能力及时准确地感知网络状态变化并迅速做出反应1 1 1 。这 时，固定网络需要灵敏、高效的快速故障检测机制来监测。 0 a m 机制中，除了故障检测机制外，对重要业务的路径保护或路径恢复机制 也非常重要。最近2 0 年间所爆发的历次高技术局部战争以及波及范围广大的地 震、海啸已经充分证明，在灾难爆发的最初几天乃至几个小时内网络基础设施恢 复的程度和速度对于减小财产损失和人员伤亡意义重大。 m p l s 技术作为一种工作于链路层与网络层之间的技术，向网络层屏蔽物理 层与链路层结构变化，维持了网络层拓扑的稳定性，因此能够提高了业务的性能 与网络的效率以及网络的可运营能力。在m p l s 层实现o a m 机制，对比于i p 层网络管理和维护机制，在对链路状态的感知速度、网络故障恢复、提高网络抗 毁性和生存能力方面都具有一定的优势。 于是本课题依托国家自然科学基金项目“抗毁自愈路由及动态业务分级转发 理论与技术研究 ，对m p l so a m 机制，特别是在m p l s 的快速故障检测机制 第1 页 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 和保护倒换机制方向上做出研究，并在l i n u x 平台上，对m p l s 的快速故障检测 机制和保护倒换机制做出简单实现，为m p l s 层抗毁自愈技术的实现奠定基础。 1 2 研究工作 本课题的主要研究工作首先是对l i n u x 下的m p l s 实现技术进行分析，然后 分析现有的故障检测机制技术和保护倒换技术，提出m p l so a m 机制的大体框 架，并提出在m p l s 层进行快速故障检测和保护倒换的技术方案，设计并实现在 l i n u x 平台下的快速故障检测机制和保护倒换机制。 在实验中，我们实现了简单l s p 探测机制和双向f f d 机制的运作，同时在 l i n u x 内核中添加了物理链路监测模块，利用网卡的链路中断信号去监测物理链 路。在简单l s p 探测机制和双向f f d 机制中，我们传输的都是自己定义的简短 的m p l so a m 包，减少了网络中的数据流量，简化了节点的处理流程。目前对 保护倒换机制的研究，主要是在l s p 入口处进行l s p 的切换，从而达到业务流 量的快速切换。 1 3 章节介绍 论文的第一章是绪论，第二章则先简单介绍了m p l s 协议的机制，然后介绍 了m p l so a m 技术的相关机制，并比较了他们之间的优缺点。第三章介绍了 l i n u x 平台下m p l s 模块的工作流程，并对其实现机制进行源码级的分析，为后 续的m p l s 故障检测机制的设计和保护倒换机制提供基础。第四章、第五章分别 提出了切实可行的m p l s 故障检测机制和保护倒换机制的设计方案，并介绍我们 如何在l i n u x 平台下做出具体的实现。第六章先分别对m p l s 故障检测机制中的 简单l s p 探测技术、双向f f d 技术以及物理链路监测技术的实现进行了测试和 实验结果分析，然后对保护倒换机制进行实验测试，并分析讨论了实验结果。第 七章对本论文进行总结，提出了未来研究的方向。 第2 页 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 第二章m p l s 原理与m p l so a m 技术的介绍 m p l s 是新一代的确保网络通信服务质量的协议，它是一种工作于链路层与网 络层之间的技术，向网络层屏蔽物理层与链路层结构变化，维持了网络层拓扑的 稳定性，同时采用基于标签交换的机制，能够提高了通信业务的性能与通信网络 的效率。因此，在m p l s 层实现o a m 机制，在对链路状态的感知速度、网络故 障恢复、提高网络抗毁性和生存能力方面都比在口层进行网络管理和维护操作 更具有优势。 2 1 相关名词解释 在m p l s 网络中引入o a m 机制的目的正如绪论所述，旨在提高网络资源的 利用效率和保障重大业务的服务质量。目前，在国际上，m p l so a m 机制一直 m p l s 技术领域的一个研究重点，最具代表性的研究组织i e t f 和i t u t 也分别 对m p l so a m 机制进行了功能定义，并提出了相关的标准。在介绍m p l so a m 机制之前，我们先对相关的名词作一个简单的解释。 1 o a m ( o p e r a t i o n , a d m i n i s t r a t i o na n dm a i n t e n a n c e ) ：操作、管理、维护，在电 信名词解释中指的是提供系统或网络错误显示、运行监控、安全管理和 检测的一组管理功能。 2 l s r ( l a b e ls w i t c h i n gr o u t e r ) ：标签交换路由器，能够建立标签交换路 径l s p ，并具有进行标签交换，标签分发，分组转发的能力。 3 l e r ( l a b e le d g er o u t e r ) ：标签边缘路由器，l e r 是m p l s 网络同其他 网络相连的边缘路由器，它提供流量分类和标签的映射( 作为i n g r e s s ) 、 标签的移除( 作为e g r e t ) 功能。 4 l s p ( l a b e ls w i t c h e dp a t h ) ：标签交换路径，l s p 指由入口l e r 流入至 出口l e r 流出，加上沿途所经历的所有l s r 组成的一条通路。 5 n h l f e ( t h en e x th o pl a b e lf o r w a r d i n ge n t r y ) ：即下一跳标签转发条目， l s r 可利用n h l f e 中的信息向下一跳转发标签分组，n h l f e 主要包含 下列信息：下一跳地址及到达下一跳的出接口；出标签；标签操作码。 6 i l m ( i n c o m i n gl a b e lm a p ) ：入1 3 标签映射表，可将入口标签映射到 n h l f e 上。 7 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，指将具有某些相同 或相似属性的分组归为一类，它们可能具有相同的出标签，会被同样的 转发方式处理。 第3 页 北京邮电大学硕：l 研究生毕业论文 8 i n g r e s s ：l s p 的入口，指入1 3 的l e r ，入口l e r 的功能是能够将普通数 据包打上标签，形成m p l s 数据包，并送往出口l e r 。 9 e g r e s s ：l s p 的出口，指出1 3l e r ，出1 3l e r 的功能是能够将m p l s 数 据包的标签剥离，解析成普通网络数据包的格式，并送往普通网络中。 1 0 w o r k i n gp a t h ：工作路径，指在发生保护倒换前，用来传送数据包的l s p 。 1 1 b a c k u pp a t h ：备份路径，指发生保护倒换后，用来代替主工作路径来传 送数据包的l s p 。 2 2m p l s 原理简介 m p l s 是新一代的确保网络通信服务质量的协议，它是一种工作于链路层与网 络层之间的技术，采用基于标签交换的机制，与传统的网络相比，它萃取了a t m 快速交换的思想，并与当前最流行的i p 交换网络进行融合，极大的提高了通信 业务的性能与通信网络的效率。 m p l s 网络由核心部分的l s r 和边缘部分的l e r 组成。l s r 的作用可以看作是 a t m 交换机与传统路由器的结合，由控制单元和交换单元组成；l e r 的作用是分 析i p 包头，用于决定相应的传送级别和传送的l s p 。m p l s 技术遵循的思想就是 边缘路由，核心交换，将路由器移到网络的边缘，将快速、简单的交换机置于网 络中心，对一个连接请求实现一次路由选择，多次交换。采用m p l s 后，对数据 分组进行路由的过程，只进行一次，即在数据分组进入网络时，进行标签映射， 标签可以用来识别这一类数据分组。当数据分组在转发之前被打上标签，标签随 同数据分组一起被发送，下一个l s r 不再分析网络层分组头，只是根据标签来 选择下一跳地址和新的标签，数据的转发通过标签的交换来实现，这样就节省了 路由器的资源和时间，改善了传统i p 网络中的缺剧2 1 。同时，这种基于标签转 发的方式对多种交换类型只需采用唯一一种转发算法，因此可以用硬件来实现非 常高的转发速度。 m p l s 网络中完成数据分组传送的工作过程可概括为以下步骤： 1 由l d p 协议和传统路由协议( o s p f 、i s - i s 等) 一起，在l s r 中建立路 由表和标签映射表： 2 l e r 接收i p 包，完成第三层功能，并给i p 包加上标签； 3 l s r 对分组不再进行任何第三层处理，只是依据分组携带的标签通过交 换单元对其进行转发； 4 在m p l s 出口的l e r 上，将分组中的标签去掉后继续进行普通转发。 整个操作过型3 j 如图2 一l 所示： 第4 页 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 标签交换 图2 - 1 咿l s 网络工作原理示意 从图2 一l 中可以看出： 一般情况下，位于m p l s 网络边缘的边界l e r 对进来的无标签分组按其i p 头 端进行分类划分( c l a s s i f i c a ti o n ) 及转发判决，然后将该i p 分组打上相应的转 发标签，并将该标签分组传送到下一跳l s r 。 在后续的交换过程中，l s r 不再分析i p 分组头，而只是根据分组携带的标 签来选择下一跳地址和新的标签，后续节点同样使用标签进行转发判决，这就是 标签转发，这种交换方式大大简化了节点的处理操作。 当标签分组从m p l s 网络中出来时，出口边界l s r 发现它们的转发方向是一 个无标签的接口，则只需剥离标签分组中的标签，然后采用普通的转发方式将 i p 分组送出m p l s 网络。 2 3m p l so a m 机制的介绍 m p l so a m 机制【4 l 主要可分为两种，一种是故障检测机制，另一种是故障恢 复机制。n u t 和i e t f 分别提出了不同的故障检测机制1 5 l 【6 】，前者提出了连通 性确认以及快速故障检测机制，后者提出了双向前向探测机制1 7 l 以下将分别介 绍。 2 3 1 故障检测机制 2 3 1 1i t u - t 规范的故障检测机制一连通性确认 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 ) 功能的基本思想是在入口l e r 向出e ll e r 周期性( 如每秒一次，可控) 地发送测试分组( 也称c v 分组) ，这些分组具有 第5 页 北京邮电大学硕上研究生毕业论文 相同的入口标签和l s p 。出口l e r 通过分析接收到的c v 分组中的标识信息来 判断该条l s p 是否发生故障。除c v 机制外，新一版r r u ty 1 7 1 1 标准又补充 规定了一种称之为快速故障检测f f d ( f a s tf a i l u r ed e t e c t i o n ) 的机制，以实现更 快速的保护倒换。f f d 机制的思路和功能基本上与c v 机制相同，但在f f d 机 制中，发送的分组是特定的o a m 分组，同时发送的时间间隔更短，因而能够以 更快的速度的检测到l s p 的故障。 2 3 1 2i e t i = 规范的故障检测机制一双向前向探测 与u t 所规定的故障检测机制不同，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，能够快速地在两个网络节点之间 的前向路径上进行故障检测。b f d 机制的基本思想是一对网络节点互相发送确 认分组，随时了解会话双方的状态，以此达到故障检测的目的。b f d 机制可以 在多种类型的路径和媒介( 如物理链路、虚电路或一对入e l 出口之间的l s p ) 上进行故障检测，同时，b f d 机制所定义的确认分组可以工作于任何协议层【羽， 这样使得b f d 机制成为了一个通用的检测工到引。 通常为了建立或拆除b f d 会话，或确保会话双方能够随时了解状态的变化， b f d 机制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 立被检测l s p 的入口和出口之间，b f d 确认分组承载与被检测l s p 相关联的转 发等价类f e c ( f o r w a r d i n g e q u i v a l e n c yc l a s s ，指一类具有某种相似特性的数据分 组，可以被映射为同一标签) 。相关参数( 如定时器和故障检测的速度等) 在会 话建立初期通过握手协商确定，并在会话进行期间可以由管理者动态改变( 如提 高或降低故障检测速度) 【1 0 l 。 ， i t u t 的故障检测机制针对性强，对l s p 的故障检测简单有效，但f f d 机 制不利于向入口l e r 通告被检测l s p 的状态，以至于入口l e r 在l s p 发生故 障时，难以快速的进行故障恢复操作。相对于f f d 机制，b f d 机制的最大优点 在于它能够精细地调整检测参数，以适应用于特定的检测标准，同时会话双方都 能够了解对方状态。但由于不是采用特定的用于l s p 探测的o a m 分组，所以在 入口l e r 处进行封包时效率较低。 2 3 2 故障恢复机制 i e i t 在故障恢复机制上规定了两种规范：一种是重路由( r e r o u t i n g ) 技术； ”一种是保护倒换( p r o t e c t e ds w i t c h i n g ) 技术。 重路由技术是指在l s p 故障前一个l s r 处，重新计算并建立到出口l e r 的 备份l s p ，然后将发往工作路径的数据流切换到备份路径上1 1 1 l 。其工作示意图如 图2 2 所示。 第6 页 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 一土斗 b a c k u pp a t h w o r k i n gm 图2 - 2 重路由工作示意 保护倒换技术是指标签分发协议在建立工作路径的同时，也将对被保护链路 建立备份路径，并希望工作路径与备份路径的交叉点( 即两条l s p 上重复的l s r ) 越少越好，最好是没有重复l s r ，以免在重复的l s r 上出现故障时，进行p r o t e c t e d s w i t c h i n g 失去意义，工作示意如图2 3 所示【1 2 1 。 l s r _ _ b a c k u pp a t h l s r - - _ _ _ w o r k i n g 小 图2 - 3 保护倒换工作示意 重路由技术是在l s p 发生故障之后才进行路由计算和建立备份路径的操作， 所以进行故障恢复的时间比较长，但由于在l s p 发生故障后再进行计算和备份 路径建立，所以它消耗的资源在整个网络中所占的比例要比保护倒换技术要少， 所以说它的资源利用率是比较高的。另外，由于在故障后进行路由重计算的，故 这个时候的备份路径必然是当前网络状况下最优的路径，因此备份路径的状况是 比较好的i 乃j 。 保护倒换技术主要是基于物理层和链路层保护，主要是物理信道保护倒换和 逻辑信道( 含虚电路) 保护倒换。其工作过程是在建立工作路径的同时，建立备 份路径的，而且在工作路径j 下常工作时，备份路径不会有数据流经过，所以这条 备份路径上的资源被闲置，因此网络资源的利用率较低。另外，由于备份路径是 第7 页 北京邮电大学硕上研究生毕业论文 预先建立起来的，在网络发生故障时，这条备份路径并不一定是当时网络状况下 的最优路径，因此，这条备份路径的状况可能并不太好。然而，由于预先建立了 备份路径，所以在检测到故障发生时，进行数据流的切换的速度比较快，因此可 以满足快速保护倒换的需求1 1 4 l 。 m p l s 网络中的l s p 连接保护倒换技术主要用于向网络层屏蔽物理层与链路 层结构变化，维持网络层拓扑的稳定性。l s p 保护倒换过程由三个环节构成： 1 获取故障信息； 2 寻找或重建备份l s p ； 3 在新旧l s p 之间切换数据流。 第8 页 北京邮电大学硕上研究生毕业论文 第三章m p l so a m 开发平台的分析 m p l so a m 技术可以实现于各种平台，本项目中选用l i n u x 系统平台，l i n u x 系统平台具有以下方面的优势： 1 l i n u x 系统继承u n i x 系统的特点，又有多种改进，拥有出色的运行性 能； 2 l i n u x 系统的源代码开放，便于进行内核系统的开放，同时作为开源软 件系统，能够得到全世界范围的技术支持。 3 l i n u x 系统符合p o s i x 标准，具有良好的移植性。 4 l i n u x 系统作为一个通用的操作系统，广泛应用于各种服务器，路由器， 个人电脑。 研究l i n u x 平台下m p l s 技术【2 1 l 【2 2 l 实现有助于我们掌握m p l s 技术在一个 完整系统中的层次和架构，并从细节上把握m p l s 技术实现的特点【5 1 。这对我们 研究在l i n u x 平台下如何设计和实现m p l so a m 机制有着重要的帮助。 3 1l i n u x 平台下m p l s 技术实现的架构 内核对m p l s 功能的支持是通过打入m p l s 补丁及对内核选项的配置来实现 的，该补丁能够为基于l i n u x 平台的l s r 接口提供m i l s 功能，且通过一定的 参数配置，可以启用或关闭此接口，即开启或关闭m p l s 功能【1 5 】【1 6 1 。 内核中m p l s 技术实现的架构如图3 - 1 所示： 第9 页 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 图3 - 1l i f l u x 平台下m p l s 技术实现的架构 从图中可以看出：m p l s 层位于网络( i p ) 层和数据链路层之间，向网络层 屏蔽了数据链路层接口的差异。从我们的静态配置m p l s 网络实验中分析，当网 络( i p ) 层将封装好的p d u ( 协议数据单元，指i p 数据报) 在i p 层进行路由查 找时，如果发现该数据报需要转入特殊协议处理程序( 此次是指是否转入m p l s 处理模块) ，则将该数据报送入m p l s 处理模块，进行标签栈的填写后，将该m p l s 协议数据单元递交到链路层接口处理函数。而当从链路层收到的数据包的帧头类 型为m p l s 封包类型时，该数据包将由m p l s 层的收包函数接收，然后解析交换标 签以决定是向网络层递交该数据包，还是转发该数据包。 3 2 平台实现分析 上面从宏观上介绍了l i n u x 平台下m p l s 技术实现，使得我们从整体上了解 了l i n u x 平台下m p l s 技术实现的整体框架结构和设计思路，了解了在l i n u x 平 台下，m p l s 模块在整个l i n u x 网络结构中的层次和功能。下面我们将从细节上 分析l i n u x 平台下m p l s 技术实现，把握l i n u x 平台下m p l s 技术实现的特点， 为后续的m p l s 模块的修改工作打下基础。 第1 0 页 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 3 2 1m p l s 初始化模块 3 2 1 1 初始化流程 m p l s 模块的初始化工作在系统初始化阶段完成，代码主要在 n e t m p l s m p l s i n i t c 中，初始化工作的主要任务有： 1 向系统注册m p l s 子系统，并取m o d u l e s u b s y s t e m 的信息； 2 为m p l s 和分配i l m m p l s n h l f e c a c h e ； 3 添加一个特殊的下一跳的h a n d l e r ，并为m p l su n i c a s t m u l t i c a s tt r a f f i c 注 册一个p a c k e th a n d l e r 。 工作流程图3 2 如下： 3 2 1 2 相关数据结构 图3 - 2m p l s 模块初始化工作示意 1 特殊( m p l s ) 下一跳的注册信息( 管理m p l s 单播包的下一跳动作) 数据结构： s t a t i cs t r u c ts p e c _ n hm p l s _ u c _ s p e c _ n h = 1 l a m e = ( c h a r 幸) m p l s _ f u l l n a m e ， 该下一跳管理器名称 t y p e = m c o n s t a n t _ h t o n s ( e t h _ p _ m p l s _ u c ) , 接收m p l s 单播包类型 f u n c = m p l ss e tn e x t h o p ， 对应的处理函数木 ； 2 m p l s 单播包对应的数据结构： s t a t i cs t r u c tp a c k e t _ t y p em p l s _ u c _ _ p a c k e t _ t y p e = 第1 1 页 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 t y p e = _ _ _ c o n s t a n t _ h t o n s ( e t h _ p _ m p l s _ u c ) ，尸m p l s 单播包类型搴 d e v = n u l l ,| 表明可以处理任意设备 传送的数据包 f u n c = m p l s _ s k b _ r e c v ,尸m p l s 单播包接收处理函 数事 ) ； 3 m p l s 组播包对应的数据结构为： s t a t i cs t r u c tp a c k e t _ t y p em p l s _ m c _ p a c k e t _ t y p e = t y p e = _ _ c o n s t a n t _ h t o n s ( e t hpm p l s _ m c ) ，im p l s 组播包类型宰 d e v = n u l l ,表明可以处理任意设备 传送的数据包事 f u n c = m p l s _ s k b _ r e c v _ m c ， m p l s 组播包接收处理函 数幸 ) ； 3 2 1 3 相关函数 1 m p l ss y s f s函数：子系统的初始化函数。通过调用系统的init0 l i n u x s u b s y s t e m _ r e g i s t e r 0 进行注册，再调用l i n u x 系统的s u b s y s _ c r e a t e _ f i l e o g i j 建 新的d e b u g 、l a b e l s p a c e 、v e r s i o n 和f u l l n a m e 的文档。当所有新的文档都创建 失败时返回没有注册成功。 2 m p l si l mi n i t o i 函数：入e l 标签映射的初始化函数。对i l m 进行了注册， 为i l md s t 分配了缓存。ops 3 m p l sn h l f ei n i t o i 垂i 数：下一跳标签转发入口函数。对n h l f e 进行了注 册，给n h l f e _ d s t _ _ o p s 分配了缓存，如果缓存分配失败则报错，否则返回0 值。 4 m p l sd s ti n i t o 区i 数：m p l s 目的地址条目分配的函数。函数中建立了目 的地址操作的缓存，写入了目的地址操作集的k m e m 中，当此值为空cachep 时返回分配目的地址缓存失败的消息。 5 s p e c n ha d d o i 函数：添加一个管理m p l s 单播通信的下一跳的h a n d l e r 。 6 d e va d dp a c k o i 函数：添加处理m p l s 包的处理h a n d l e r 。功能是将m p l s 类型的数据加入接收数据报的类型数组中，同时加入该类包的接收函数。 3 2 2 路由表和转发表 由于从网络层向m p l s 层发包时，首先需要进行n h l f e 的查找，然后才能 第1 2 页 北京邮电大学硕上研究生毕业论文 进入m p l s 层的发送函数。而l i n u x 平台下m p l s 实现中，n h l f e 的查找是在 函数i p中完成的，而这个函数的调用是在i p 层进行的，而且r o u t e 用于查找o u t p u 的ts l o w n h l f ek e y 值是从路由表中得到的，所以我们需要先介绍路由表 和转发表之间的关系。弄清楚路由表和转发表之间的关系有助于了解i p 层和 m p l s 层之间的接口，利于后面所做的跨层设计。 l i n u x 内核中查找路由表的过程如下：首先在函数i pr o u t eo u t p u t根据key 数据报的源地址、目的地址、入接口、t o s 和f w m a r k 值查找路由缓存表，如果 缓存表中存在相应的路由条目，则返回，如果缓存表中没有对应的项，则在函数 i pr o u t e _ o u t p u t _ s l o w 中去查找本地路由表i pf i bl o c a l _ t a b l e ，如还没找到再去查 找主路由表i pf i bm a i n t a b l e ，查找到对应路由条目后，则将该条目经过哈希， 然后插入到路由缓存表中i r 刀。 3 2 2 1 路由表 路由表相关数据结构【1 7 l 1 结构体s t r e e tf i bt a b l e f i b _ t a b l e 是系统中所有路由表的索引数组。系统另外定义了两个路由表指针 i p _ f i b _ l o c a l _ t a b l e 和i pf i bm a i n _ t a b l e ，分别指向默认定义的两个路由表。当路由 查找在c a c h e 中未命中时，系统将先去查找本地路由表i p _ f i b _ l o c a l _ t a b l e ，如还 没找到再去查找主路由表i pf i bm a i nt a b l e 。 f i bt a b l e 的结构如下： s t r u c tf i b t a b l e u n s i g n e dc h a rt b _ i d ； u n s i g n e dt b _ s t a m p ； i n t ( * t b _ l o o k u p ) ( s t r u c tf i b t a b l e 奉t b ，c o n s ts t r u c tf l o w i 掌t i p ，s t r u c t f i b r e s u l t r e s ) ； 路由表查找操作 i i l t ( 宰t b _ i n s e r t ) ( s t r u c tf i b _ t a b l e 难t a b l e ，s t r u c tr t m s g 木r s t r u c tk e r n _ r t a 奎r t a ，s t r u c tn l m s g