（计算机科学与技术专业论文）基于mpls技术的快速重路由与多故障恢复机制研究.pdf

国防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 摘要 随着网络技术的发展，更多的商业应用服务开始由i p 网络承载，这对网络的 可靠性和可用性提出了更高的要求。i p 协议存在一定的鲁棒性和生存性，但故障 恢复依赖收敛时问，往往达不到关键业务和实时流量的要求。多协议标签交换技 术m p l s 具备故障快速响应能力，提供包括重路由和保护切换在内的故障快速恢 复机制。快速重路由结合了重路由和保护切换的优点，具有更好的性能和适用性。 本文深刻研究了快速重路由机制的支撑技术，主要介绍了m a k a m 模型和h a s k i n 模型两种常用的快速重路由算法。 本文首先通过模拟实验验证快速重路由的性能优势。恢复性能与网络状态参 数有密切关系，本文从m a k a m 模型和h a s k i n 模型入手分析了快速重路由性能与网 络的关系，并对两个模型进行了实验模拟，对比其优缺点，验证分析推论，为算 法设计提供指导。 针对当前网络面临的多故障环境，课题考虑设计一种高效的多故障恢复算法。 在深入分析当前多故障恢复技术的前提下，我们认为对网络采取合适的划分，将 多故障恢复分解为局部故障恢复是非常有效的方法。在此基础上，本文提出了多 约束条件下的分域恢复思想，基于多约束条件将网络划分为多s p d ，实现s p d 内 的故障恢复。在该思想的指导下，本文设计了基于多约束条件的分域恢复算法 m c s r ，将恢复时间和共享资源作为约束条件划分s p d ，在域内采用h a s k i n 模型 进行故障恢复。 本文最后对m c s r 算法进行了实验模拟，设置了多个多故障场景测试其恢复 性能。实验结果表明m c s r 算法在对多故障进行恢复时能有效降低恢复时间，减 少报文丢失，提高资源利用率，达到了高效多故障恢复的目标。通过对算法的q o s p 性能分析，对比h a s k i n 模型和m c s r 的q o s p 值，表明m c s r 算法不仅能快速恢 复故障，而且能满足q o s 的要求。 主题词：m p l s ，快速重路由，m a k a m 模型，h a s k i n 模型，多故障恢复， m c s r ，q o s p 第i 页 国防科学技术大学研究牛院硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g y ，i pn e t w o r kc a r r i e sm o r ee c o n o m i c a p p l i c a t i o n st h a ne v e r ，w h i c hr e q u i r e st h ei n c r e a s m e n to fr e l i a b i l i t ya n da v a i l a b i l i t y t h ei pp r o t o c o l sh a v ed e f i n i t er o b u s t n e s sa n ds u r v i v a b i l i t y ，b u tt h er e c o v e r ys p e e d r e l i e so nt h ec o n v e r g e n c et i m e ，w h i c hc a n n o ts a t i s f yt h ec o n s t r a i n t so fs o m ec r i t i c a l s e r v e i c e sa n dr e a l - t i m et r a f f i c m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n gh a se m b e d d e dt h ef a s t r e s p o n s ea b i l i t y f o r t h en e t w o r kf a u l t s ，m e a n w h i l ep r o v i d i n g f a u l t s r e c o v e r y m e c h a n i s m si n c l u d i n gr e r o u t i n ga n dp r o t e c t i o ns w i t c h i n g f a s tr e r o u t i n gc o m b i n e st h e a d v a n t a g e so fr e r o u t i n ga n dp r o t e c t i o ns w i t c h i n g ，s oi t h a sb e r e rp e r f o r m a n c ea n d a p p l i c a b i l i t y t h ea r t i c l ed e e p l yr e s e r c h e so nt h es u p p o r t i n gt e c h n o l o g yo ff a s tr e r o u t i n g ， a n dm a i n l yi n t r o d u c e sm a k a ma n dh a s k i nm o d e l w ev a l i d a t et h ep e r f o r m a n c eo ff a s tr e r o u t i n gt h r o u g hs i m u l a t i n ge x p e r i m e n t s t h er e c o v e r yp e r f o r m a n c eh a sc o n s a n g u i n e o u sr e l a t i o n s h i pw i t hn e t w o r ks t a t u e s w e a n a l y z et h i sr e l a t i o n s h i pt h r o u g hm a k a ma n dh a s k i nm o d e l s ，a n ds i m u l a t et h et w o m o d e l si no r d e rt oc o m p a r et h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，a sw e l la sv a l i d a t eo u r d e d u a t i o n st og u i d et h ea l g o r i t h m sd e s i g n a st h en e t w o r kh a sb e e nf a c e dw i t ht h em u l t i f a u l te n v i r o n m e n t ，w ec o n s i d e r d e s i g n i n ge f f e c t i v em u l t i f a u l tr e c o v e r ya l g o r i t h m b a s e do nt h es u f f i c i e n ta n a l y s i so f t h ec u r r e n tm u l t i f a u l tr e c o v e r yt e c h n o l o g i e s ，w ed e c i d et h a ts p l i t t i n gt oc o n v e r tt h e p r o b l e mt ol o c a lr e c o v e r yi sa ne f f e c t i v em e t h o d s ow ep r o p o s ea n a i d e ao fs e g m e n t e d r e c o v e r yu n d e rm u l t i c o n s t r a i n t ，a n dd e s i g na na l g o r i t h mn a m e d m c s rw h i c ht a k e st h e r e c o v e r yt i m ea n ds h a r e dr e s o u r c e sa st h ec o n s t r a i n t s t h i sa l g o r i t h ms e g m e n t e dt h e n e t w o r ki n t os e v e r a ls p da n da d o p t st h eh a s k i nm o d e l a st h ei n d o m a i nr e c o v e r y w es i m u l a t em c s ru n d e rs e v e r a ls c e n a r i o st os h o wt h ep e r f o r m a n c e t h er e s u l t i n d i c a t e st h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a nr e d u c et h er e c o v e r yt i m ea n dp a c k e tl o s s e f f i c i e n t l y ，w h i l ee n h a n c i n g t h eu t i l i z a t i o nr a t eo fr e s o u r c e s i tr e a c h e st h er e q u i r e m e n t s o fm u l t i f a u l tr e c o v e r ye 伍c i e n c y t h r o u g ht h eq o s pa n a l y z i n g ，t h ea r t i c l ec o m p a r e s t h ep e r f o r m a n c eb e t w e e nh a s k i n sm o d e la n dt h em c s ra l g o r i t h m 1 1 1 ec o m p a r i n g r e s u l t sp r o v e st h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mf u l f i lt h ef a s tf a u l tr e c o v e r ya sw e l la st h e q o s pr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：m p l s f a s tr e r o u t e ，m a k a m ，h a s k i n ，m u l t i - f a u i tr e c o v e r y ， m c s ra l g o r i t h m ，q o s p 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 表目录 表1 1 网络中断给应用造成的利润损失【2 】2 表2 1 恢复性能指标1 1 表2 2f a s tr e r o u t e 对象字段定义【l o 】1 3 表3 1 故障点对h a s k i n 模型恢复时间的影响2 9 表5 1s p d 域内路径4 3 表5 2 故障恢复传输路径4 4 表5 3 场景2 下两种算法的报文丢失和乱序4 6 表5 4 场景3 下两种算法的恢复时间4 7 表5 5 场景3 下两种算法的报文丢失和乱序4 7 表5 6 场景4 下两种算法的恢复时间4 9 表5 7 场景4 下两种算法的报文丢失和乱序4 9 表5 8q o s 路由和q o s p 25 1 5 0 表5 9 流量参数【2 5 】51 表5 1 0 模拟场景2 下的q o s p 5 1 表5 1 l 模拟场景3 下的q o s p 5 1 表5 1 2 模拟场景4 下的q o s p 5 2 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图目录 图2 1 标签交换转发【8 】6 图2 2 标签格式【引6 图2 3m p l sr e c o v e r yc y c l e 5 8 图2 4d y n a m i cr e r o u t i n gc y c l e 副8 图2 5 故障恢复工作流程9 图2 6 恢复机制分类【11 1 11 图2 7 显式路径建立过程【9 1 1 2 图2 8 拼接1 4 图2 9 标签栈l5 图2 10b y p a s sl s p 保护15 图2 11d e t o u rl s p 保护1 6 图2 1 2m a k a m 模型1 6 图2 13h a s k i n 模型l7 图3 1 仿真网络拓扑2 0 图3 2 平均恢复时间2 1 图3 3 故障链路丢包2 2 图3 4m a k a m 模型模拟环境2 6 图3 5 报文大小对m a k a m 模型恢复时间的影响2 7 图3 6 带宽资源对m a k a m 模型的影响。2 8 图3 7m a k a m 模型的报文丢失情况2 8 图3 8h a s k i n 模型模拟环境2 9 图3 9h a s k i n 模型在不同带宽条件下的恢复时问比较2 9 图3 1 0h a s k i n 模型的乱序报文3 0 图3 1lm a k a m 和h a s k i n 模型的恢复时间比较3 l 图4 1h a s k i n 模型多故障恢复的报文丢失3 5 图4 2h a s k i n 的s h o r t c u t 机制3 6 图4 3m p l s 网络分域3 6 图4 4s e g m e n t e d b a s e dp r o t e c t i o n 2 4 l 3 7 图4 5 工作路径与故障点分布4 1 图4 6 选取s s l 与划分s p d 4 2 图5 1m c s r 算法模拟环境4 3 图5 2 场景l 下两种算法的恢复时间比较4 4 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图5 3 场景1 下两种算法的乱序报文比较4 5 图5 4 场景2 中两种算法的带宽利用率比较4 6 图5 5 场景3 下两种算法的带宽利用率比较4 8 图5 6 场景4 下两种算法的带宽利用率比较4 9 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我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的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术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谢意 学位论文题目： 基王丛竖遮苤鲤迭速重整由兰垒数隍迭墓扭剑盟窒 学位论文作者签名：盘盘 日期：枷3 年i 月7 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；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， 可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：是盘日期：。g 年，月砂7 日 懒张姓魄一2 月7 日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 随着网络技术的不断发展，新型网络服务和应用日新月异，特别在商业数据 传输中对关键业务的可靠性保证和实时业务的稳定性控制方面对互联网提出了更 高的要求。多协议标签交换技术m p l s 是未来骨干网的核心技术之一，通过在i p 无连接网络中引入面向连接的特点，加速报文转发和网络传输速度。同时m p l s 还提供多种故障快速恢复技术，可以保证5 0 m s 级的路径切换保护能力。当网络在 对恢复时问、报文丢失、乱序报文数量以及资源开销等方面对恢复性能存在约束 时，如何设计并实现恢复算法成为人们研究的热点之一。 1 1 课题背景 最初互联网设计考虑的目标仅仅是将多台主机进行互连，连通性是互连网络 的主要目标，t c p i p 网络仅承载“尽力而为”( b e s t e f f o r t ) 的服务。但随着互联网 技术的发展，特别是1 9 9 2 年互联网进行商业化以来，迅速由实验研究网络发展成 为巨大的公共数据网络。连入i n t e r n e t 的计算机数急剧增加，网站数量不断增多， 截至2 0 0 7 年1 月，全球网站数量已超过l 亿。用户的数量飞速增长，截至2 0 0 7 年1 月1 1 日，世界网民数量已超过1 0 亿【lj 。技术的发展和商业应用的出现，对 网络在传输带宽、主机数量、覆盖面积以及网络容量等多个方面提出了更高的需 求p j 。这对传统i p 网络提出了前所未有的挑战。 在传统i p 交换中路由器是基于目的地址的最长匹配对报文进行转发。在无连 接的网络中，路由器单独对每个报文的路由进行决策，即通过路由协议获取路由 信息，并检查报文头部和目的地址进行路由选择。报文流经网络的过程中，每一 跳路由器都会对报文目的地址进行重复检查和匹配，在相对稳定可靠的网络中这 会大大降低转发速度和网络设备资源的利用率。 同时，互联网开始由b e s t e f f o r t 服务向集成和区分服务框架转变，高优先级和 实时应用流量逐渐由其他数据网络转移到i p 网络，这意味着i p 网络承担着越来越 多的关键业务流量的传输。关键的商业应用对网络性能的要求非常高，一项关键 应用即使只在短时间内不可用或者运行不正确，造成的损失也可能达到成百上千 万美元。表1 1 给出了每小时的网络中断给一些应用造成的平均损失【2 1 。当前的i p 协议，尽管存在一定的鲁棒性和生存性，在发生故障后可进行秒级到分钟级的恢 复，这可能导致严重的服务中断，对于那些高可靠性服务来说是不可接受的【4 1 。 多协议标签交换技术( 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 ) 属于第三代网络 架构，是新一代i p 高速骨干网络交换的标准，由因特网工程任务组( i e t f ) 提出， 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表1 1 网络中断给应川造成的利润损火1 2 j 业务 每小时的平均损失 b r o k e r a g eo p e r a t i o n s $ 6 4 5m i l l i o n c r e d i tc a r da u t h o d z a t i o n$ 2 6m i l l i o n c a t a l o gs a l e s $ 9 0 ，0 0 0 a i r l i n er e s e r v a t i o n s $ 8 9 ，5 0 0 t e l e t i c k e ts a l e s $ 6 9 ，0 0 0 p a c k a g es h i p p i n g$ 2 8 ，0 0 0 a t mf e e s $ 1 4 ，0 0 0 由c i s c o 、a s c e n d 、3 c o r n 等网络设备厂商主导。m p l s 将面向连接的机制引入 到无连接网络中，将i p 基于目的地址的逐跳路由机制替代为标签交换转发机制， 降低了路由和转发的耦合度。报文进入m p l s 网络即被分配隶属于某f e c 的标签， 路由器在进行报文交换时利用这个标签作为索引在转发表中进行匹配，匹配结果 指定报文转发出口和新的标签。m p l s 是集成式的i po v e ra t m 技术，数据包通过 虚拟电路传送，只需在o s i 第二层( 数据链路层) 执行硬件式交换，取代第三层( 网 络层) 软件式选路。它把i p 选路与第二层标签交换整合为单一的系统，因此可解决 i n t e m e t 的路由问题，缩短数据包传送的时延，加快网络传输速度。 多协议标签交换技术( 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 ) 属于第三代网络 架构，是新一代i p 高速骨干网络交换的标准，由因特网工程任务组( i e t f ) 提出， 由c i s c o 、a s c e n d 、3 c o m 等网络设备厂商主导。m p l s 将面向连接的机制引入 到无连接网络中，将i p 基于目的地址的逐跳路由$ j l , t j 替代为标签交换转发机制， 降低了路由和转发的耦合度。报文进入m p l s 网络即被分配隶属于某f e c 的标签， 路由器在进行报文交换时利用这个标签作为索引在转发表中进行匹配，匹配结果 指定报文转发出口和新的标签。m p l s 是集成式的i po v e ra t m 技术，数据包通过 虚拟电路传送，只需在o s i 第二层( 数据链路层) 执行硬件式交换，取代第三层( 网 络层) 软件式选路。它把i p 选路与第二层标签交换整合为单一的系统，因此可解决 i n t e m e t 的路由问题，缩短数据包传送的时延，加快网络传输速度。 m p l s 具备对网络故障的快速响应和恢复能力，能对关键业务和实时业务提供 可靠性保证。m p l s 能够根据不同流量的优先级定义不同粒度的恢复策略，克服了 底层网络在故障恢复时的粗粒度问题【5 1 。针对i p 网络层协议收敛慢，恢复时间长 的缺点，m p l s 采用预备份路径对流量进行保护，在确保关键业务服务不中断的情 况下显著减少由于故障恢复对网络造成的传输能力下降的影响，提升了网络整体 的可靠性和可用性。作为面向路径的网络技术，m p l s 面向路径的特点使得其可以 实施端到端路径保护，也可以对路径段进行保护，增加了故障恢复的灵活性和扩 展性。 当前对m p l s 恢复技术的研究主要集中于以下几个方面：( 1 ) 如何实施m p l s 第2 页 国防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 故障恢复更有利于流量工程对资源的总体优化；( 2 ) 对m p l s 故障恢复时间的研究； ( 3 ) m p l s 故障恢复如何有效的减少数据包丢失以及失序；( 4 ) m p l s 故障恢复如何 减少为建立以及维护恢复路径而带来的信令开销。快速重路由技术利用备份路径 对业务流量实施保护，是当前使用最频繁的m p l s 恢复技术之一，很多研究者从 网络整体规划出发，着眼于设计高效的快速重路由算法，特别是对网络路由多故 障动态恢复算法的研究将更大的提高网络可靠性，保证服务质量。 1 2 课题研究内容 快速重路由是一种利用预先建立恢复路径的局部保护技术。由于要达到快速 恢复的要求，快速重路由是针对结点或者链路保护的局部修复机制。针对当前网 络环境的大幅度优化，故障易发区域一般只限制在局部范围内，快速重路由技术 得到了广泛的应用。快速重路由算法也在不断创新和发展，以m a k a m 恢复模型1 6 j 和h a s k i n 恢复模型【7 】为代表的恢复算法极大的推动了快速重路由的部署和应用， 但如何进一步减少恢复时间和报文乱序，降低资源开销，提高故障恢复率和多故 障条件下的恢复性能有待继续研究和完善。 课题研究了m p l s 恢复机制的原理和特点，详细分析了故障恢复周期和恢复 路径的构建及其映射，并对各种恢复技术进行分类。深入研究了重路由和保护切 换的工作机制以及实现方式，并对其性能进行了比较和归纳。在此基础上深入研 究了快速重路由技术，具体包括基于c r - l d p 、r s v p 协议的支撑机制、故障检测、 通告机制等方面的研究，分析了目前主流的b y p a s s 和d e t o u r 方式的路径保护机制。 恢复算法是恢复性能的决定性因素。为此课题详细分析了经典的m a k a m 和 h a s k i n 模型，在单故障情况下，从理论和实际模拟的角度分析了两种算法的特点， 比较了各自在恢复时间、报文丢失和乱序、资源开销等方面的恢复性能，而后对 两种算法在多故障恢复场景中的性能进行分析和模拟。 针对多故障动态恢复的需求，在充分分析其研究现状后，课题提出了基于分 域的多故障恢复算法，将m p l s 网络划分为不同的段或域，在不显著增加资源开 销的情况下，在域内对故障进行快速恢复，提高了网络对多故障的恢复成功率， 降低了恢复时间，减少了报文丢失，提高了算法的恢复性能。最后分析了故障恢 复的q o s 保护性能，根据实验结果计算分域恢复算法的q o s p ，通过与h a s k i n 模 型的对比结果表明该算法的q o s p 性能能够满足q o s 要求。 1 3 论文的组织 根据上述研究内容，论文总共分为六章，各章内容如下： 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论，介绍课题相关背景知识。 第二章对m p l s 技术和恢复机制进行了分析，包括m p l s 转发特点和工作方 式，阐述了m p l s 恢复机制的目标和实现方法，重点说明恢复周期、路径构建和 映射以及恢复机制的分类。 第三章对m p l s 快速重路由机制关键技术进行研究，主要分析了支撑协议， 详细描述故障检测和通告机制原理，阐述流量切换技术实现，对比了b y p a s s 和 d e t o u r 两种不同的实现方式即各自的优缺点。而后分析了m a k a m 和h a s k i n 恢复模 型及其改进算法，并简要分析其存在的问题。 第四章在给出恢复周期定义和性能指标的前提下，从理论上分析了m a k a m 和 h a s k i n 模型的恢复性能，并在模拟实验的基础上对比了几种恢复算法的性能，同 时对算法在多故障恢复场景下的恢复性能进行了实验模拟，并分析了恢复性能和 存在的问题及其原因。 第五章在前面几章的基础上，根据多故障恢复的需求，提出了基于分域的多 故障恢复算法，在分域的基础上进行域内的故障恢复。然后构建了多故障恢复的 模拟环境，对算法进行了实验模拟，最后给出了相应的性能评价。 第六章进行总结和展望。 1 4 课题的研究成果 在本课题的研究中主要取得了如下成果： 1 深入研究了快速重路由技术，利用实验模拟手段说明了快速重路由的性能 优势。通过对快速重路由算法的分析与研究，阐述了快速重路由性能与网络状态 参数之间的关系； 2 根据恢复算法的性能指标，对m a k a m 和h a s k i n 提出的快速重路由算法进 行了模拟，在对实验数据定量分析的基础上对比各种算法的优劣，为恢复算法设 计提供一定的指导作用； 3 深入研究了网络动态变化和多故障恢复需求的特点，根据网络限制条件， 提出多约束条件下的分域恢复思想； 4 实现了在m p l s 域内多约束条件下对m p l s 网络和路径进行分域恢复的算 法m c s r ，最后对算法进行实验模拟和评价。模拟结果表明m c s r 算法能快速进 行故障恢复，同时能很好的满足流量的q o s 恢复需求。 第4 页 围防科学技术大学研究生院硕十学位论文 第二章m p l s 故障恢复技术概述 m p l s 的出现源于早期的i p 交换解决方案，它的基本目标之一是简化网络转 发i p 分组的方式。在传统i p 转发机制中，每个路由器分析包含在每个报文中的信 息，然后解析报文头、提取目的地址、查询路由表、决定下一跳地址、计算校验 和、减掉t t l 、完成合适的出口链路层封装，最后发送报文。即每个路由器的处 理过程是：分析报文的网络层头标，根据目的地址前缀为报文分配一个f e c ( 转 发等价类，f o r w a r d i n ge q u i v a l e n c ec l a s s ) ，然后将f e c 映射到下一跳的出口。由 上述可知，报文的每一次转发都要进行封装和解封装的过程，而且存在对目标地 址的重复检查和匹配问题，极大影响了转发速度。后来人们开始寻找一种能集成 i p 和a t m 的方法，i e t f 组织的i p o v e r - a t m 模型将i p 看作是a t m 网络上的层 叠网( o v e r l a y ) ，但只能让i p 和a t m 在各自不修改协议的情况下正常工作，却 不能体现a t m 在性能上的优势，一些a t m 的研究者利用服务器进行地址匹配和 路由，又不能利用a t m 的q o s 特性1 3 】。 m p l s 结合了i p 和a t m 的特点，在提高转发速度的同时，也能满足流量传 输的q o s 要求。i e t f 组织在1 9 9 7 年成立了m p l s 小组，负责对m p l s 的标准进 行协商和发布。本章首先分析m p l s 的基本技术，而后对其恢复技术做了详细阐 述，并重点分析了快速重路由及其支撑技术。 2 1m p l s 基本技术 m p l s 系统由标签转发路由器l s r ( l a b e ls w i t c h i n gr o u t e r ) 和信令协议构成， 其目标旨在简化传统i p 网络中报文的转发方式瞵j 。在m p l s 网络的入口路由器 i n g r e s sl s r 按传统的网络层报文转发方式接收报文，分析报文的i p 头部，然后通 过标签分发协议( l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c o l ，l d p ) 完成l s p ( l a b e ls w i t c h i n gp a t h ) 的建立。i n g r e s s 路由器不是将f e c 映射到下一跳，而是在报文中添加标签。当加 入标签的报文在m p l s 网络中转发时，就不再需要经过网络层的路由选择，而由 标签交换路径上的m p l s 结点在链路层通过标签进行交换转发。当报文要离开 m p l s 网络时，拆去报文中的标签按传统i p 转发方式进行转发。标签交换及转发 过程如图2 1 所示。 标签交换通过在报文中引入m p l s 层报文头实现。进行标签交换时，只需在 m p l s 层解析标签，根据转发表得到下一跳出口和对应的标签，用新标签替代原报 文标签继续转发。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 髓 l 入u 目的 【l l 标签标签 l 2 0 11 2 一里 竺一副图2 i 标签交换转发【s 】 m p l s 的转发以标签为基础。标签交换是以转发等价类f e c 为单位的，所谓 f e c 指的就是以相同方式进行转发的一系列具有某种共性数据包，在转发的过程 中被l s r 以相同的方式处理，在m p l s 网络中具有相同的路由路径，以及相同的 转发处理过程，正是从转发处理这个角度讲，这些数据“等价”。 将标签指派给某个特定的f e c 就称为“标签映射”，通常是在i n g r e s s 路由器 l s r 处进行。一般来说标签映射是根据网络层目的地址或主机地址来进行的，但 标签并不是对地址的简单编码。i n g r e s sl s r 在对网络层报文头部进行分析之后， 不仅可以得出报文的下一跳地址，而且可以确定报文传输的优先级、服务类型、 q o s 等方面的操作。标签不仅包含了目的地址的信息，也包含优先级和服务类型 等方面的信息。标签格式如图2 2 所示。 l a b e l ：标记值，2 0 位( 旷1 6 位预留) e x p ：服务等级，3 级 s ：栈底指示，l 位( 1 = 栈底) ttl：存活时间，8 位 图2 2 标签格式【8 j 标签一旦被映射到f e c ，就决定了相应报文的路由和转发优先级。报文可以 有单个或多个m p l s 头，当存在多个m p l s 报文头时就被称为标签栈，按照先进 后出的原则对标签进行排序。标签栈主要在报文经由多个路由策略和优先级定义 不同的m p l s 域传输的情况下使用，也可以对故障快速恢复的l s p 隧道提供有效 支持。 为实现标签交换的稳定工作，m p l s 具有相应的信令协议支持机制，主要用于 标签的分配和控制，与相关路由路径的绑定，以及l s p 的建立和拆除等。i e t f 最 初将l d p 协议【9 】作为m p l s 的标签分发和控制协议。后来由于流量工程技术的需 求，c r l d p 和r s v p 1 2 】协议得到了更广泛的应用。信令协议主要完成邻居的发现、 会话和维护，标签的分发和回收，事件处理和状态报告等任务。 l s p 的构建方式由标签发布模式和绑定模式决定。当前m p l s 网络主要采用 下游受请求的顺序标签发布模式( d o w n s t r e a m o n d e m a n do r d e rm o d ) 和控制驱动 ( c o n t r 0 1 d r i v e nm o d ) 绑定模式。在下游受请求的顺序标签发布模式中，标签请 第6 页 国防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 求消息由上游结点向下游结点发送，任一结点只有在收到其下游结点发来的标签 绑定消息后( 或者该结点是m p l s 网络出口结点e g r e s sl s r 时) ，才能根据标签 请求消息向它的上游结点发送相应的标签绑定消息，其过程与面向连接的虚电路 的建立过程十分类似。控制驱动模式是在控制信息到达时绑定标记，控制信息包 括路由协议、信令或静态配置。当有控制信息到达时，如标签请求消息，l s r 根 据路由和转发表即可实现标签的绑定，而不必等待特定数据流到达再进行绑定操 作。控制驱动的标记绑定基于前缀而不是具体流，易于实现聚合f e c ，对新的流 量采用聚合可减少标签的分配空间，因此在稳定的网络拓扑下，控制报文少。l s p 构建先于流量到达的时刻，对所有流量报文都可以进行标签交换。 2 2 m p l s 故障恢复机制 现代高速网络特别是骨干网对网络稳定性和可靠性要求很高，m p l s 具备在网 络故障条件下对数据传输快速恢复的能力。m p l s 在恢复机制、流量保护的粒度、 流量保护策略上具备灵活性，便于管理人员控制流量保护的开销。m p l s 保护机制 能够根据服务需求，针对不同类型的服务提供不同级别的保护，例如基于虚电路 的关键服务和实时服务v o l p 就应当采用链路结点保护，使用预建立 ( p r e e s t a b l i s h e d ) 或预保留( p r e q u a l i f i e d ) 的路径保护。而对于尽力而为的流量 传输，就可以采用按需的路径保护方式，这依赖于i p 层或更高层的保护机制1 5 j 。 快速重路由是利用预建立的保护路径进行流量保护的恢复技术，结合了重路由和 保护切换的优点，因此具有更好的恢复性能。 本节将从恢复周期、拓扑路径构建、模式和机制分类、恢复路径映射等方面 阐述m p l s 恢复机制的大体框架，并具体介绍快速重路由的支撑技术。 2 2 1 恢复周期 r f c 3 4 6 9 1 5 】定义了m p l s 进行故障恢复的三个周期：故障恢复周期( m p l s r e c o v e r yc y c l e ) 、反转周期( m p l sr e v e r s i o nc y c l e ) 和动态重路由周期( d y n a m i c r e r o u t i n gc y c l e ) 。 m p l sr e c o v e r yc y c l e 如图2 3 所示，主要包括故障检测时间、故障保持时间、 故障通告时间、恢复操作时间和流量恢复时间几个过程。 动态重路由周期模型说明了i p 网络在发生故障后，由i p 协议收敛使得网络再 次达到稳定状态所需过程，主要包括协议收敛时间、抑制时间、切换操作时间、 流量恢复时问四个过程，如图2 4 所示。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图2 3m p l sr e c o v e r yc y c l e l 5 1 图2 4d y n a m i cr e r o u t i n gc y c l e l 5 j 根据故障恢复周期的定义，可以简单归纳出m p l s 恢复进行工作时的流程。 网络某处发生故障后，网络随即进入半稳定状态。故障点被邻近的结点检测到后， 进入故障保持时间。如果在故障保持时间内该故障没有被低层的恢复机制修复， 故障检测点生成f i s ，并将f i s 发送给负责故障恢复的结点p s l 。p s l 收到其他结 点发送的f i s 后，确定故障位置，继而对受故障影响的流量传输进行恢复。p s l 首先检查该流量传输是否存在保护路径，如果存在，则将流量重定向到保护路径 上传输；如果不存在对流量的保护路径，则需要根据恢复的需要，通过路由协议 计算得到新的传输路径，而后进行信令呼叫建立该路径，再将受影响的流量转发 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 到新构建的路径上传输，实现对流量传输的恢复，流程图如2 5 所示。 流量传输 网络发生故障 故障被检测 2 2 2 恢复路径构建 生成f i s 迸行故 障通告 p s l 检商是否 薛在 5 l 护路径 将流髓转发到 保护路径传输 流量传输恢复 图2 5 故障恢复工作流程 构建新的保护 路径 由上节内容可以看出，对于流量转发进行保护和故障恢复的核心在于通过备 份的保护路径对受故障影响的流量进行转发，负责进行故障恢复的结点需要根据 不同的保护需求建立相应的保护路径，保护路径的构建方式反映了资源的使用方 式，也是影响恢复性能的因素之一。基于不同服务的数据交换可靠性需求，m p l s 定义了不同的保护路径构建方式，在容错网络中实现不同的工作路径到保护路径 的映射，可以在达到故障恢复性能要求的同时，提高网络的资源利用率，提升网 络的整体可靠性和可用性。 根据具体服务和流量的恢复性能指标，特别是对恢复时间的要求，恢复路径 的构建存在p r e e s t a b l i s h e d 、p r e q u a l i f i e d 、e s t a b l i s h e d o n d e m a n d 三种方式。在 p r e e s t a b l i s h e d 方式中，保护路径根据管理策略或路由计算信息先于工作路径发生 故障建立。p r e q u a l i f i e d 方式与前者类似，但只是将选中的路径作为保护路径的备 选，需要时再对选定的路径通过信令呼叫建立。e s t a b l i s h e d o n d e m a n d 方式是重路 由的路径构建方式，p s l 接收到故障通告后，利用网络层路由协议信息构建保护 路径，这种按需的构建方式很大程度上延长了恢复的时间。 使用保护路径对流量传输进行保护需要消耗额外的网络资源。根据不同的路 径构建方式，网络资源的分配也存在p r e r e s e r v e d 和r e s e r v e d o n d e m a n d 两种不同 的方式。p r e r e s e r v e d 方式适用于p r e e s t a b l i s h e d 、p r e q u a l i f i e d 方式的路径构建， 保护路径在构建时对备选路径每个结点的资源进行预留，预留资源一般来说是专 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 用的，也就足说这些资源不能1 耳川于其他路径的构建需求。预留资源可以被用于 传输已建立l s p 上的流量，不过在故障发生后需要按优先级实施抢占。 r e s e r v e d o n d e m a n d 方式是动态重路由的资源预留方式，故障被通告给p s l 后， 根据e s t a b l i s