（计算机应用技术专业论文）mpls多播系统链路修复研究.pdf

摘要 摘要 近年来，m p l s 中多播技术的实现已成为m p l s 交换技术的研究热点，同时伴 随着因特网的快速发展以及多播应用的普及，在因特网上提供高层次的多播应 用服务己成为可能，如视频会议等。在m p l s 网络中对链路中断的及时响应可以 防止多播通信的中断。 论文首先介绍了与链路中断修复机制相关的各种交换方式，描述了电路交 换，数据报交换以及虚电路交换三者的基本特性。概述m p l s 网络体系结构，m p l s 技术的体系结构、技术优势、典型应用以及影响m p l s 应用的关键技术。综述多 播技术的基本概念、组管理协议i g m p 以及各种与多播技术有关的协议，并详细 讨论了m p l s 中多播技术的实现，分析了m p l s 环境下p i m - d m 以及p i n s m 模式 多播的实现技术。分析了目前在单播以及多播环境中所使用的各种链路修复机 制，并对当前各种修复机制的特点、技术实现等进行了分析和对比，最后在分 析结果的基础上提出一种改进的m p l s 多播环境下多备用链路的算法，在理论分 析的基础上对该算法进行复杂度分析，根据分析结果- - f 知该算法有效、实现容 易、复杂度较低。 关键字：m p l s ，多播，交换技术，l s r ，链路中断 a b s t r a c t i m p l e m e n t a t i o no f m u l t i c a s tf o rm p l sh a sb e c o m et h ef o c u so ft h em p l s r e s e a r c h a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e ta n dt h ep o p u l a r i z a t i o no f m u l t i c a s t a p p l i c a t i o n ，i t sp o s s i b l et op r o v i d eh i g h - l e v e ra p p l i c a t i o n si ni m e m e t ，f o re x a m p l e n e t m e e t i n g h sa ni m p o r tm e t h o d t or e s p o n dt ot h el i n kf a i l u r e si nt i m et op r e v e n ta l l c o m m u n i c a t i o n sf r o mb e i n g i n t e r r u p t e d i nt h i st h e s i s ，w ef i r s ti n t r o d u c et h r e es w i t c m n gt e c h n i q u e su s e di nn e t w o r k s ， i n c l u d i n g c i r c u i ts w i t c h i n g ，d a t a g r a mp a c k e ts w i t c h i n ga n dv i r t u a lc i r c u i tp a c k e t s w i t c h i n g ，w h i c ha r er e l a t e dt ot h em e c h a n i s mo fl i n kf a i l u r er e c o v e r y t h e nw e i n t r o d u c em p l s t h ei ps w i t c hs o l u t i o no fi e t f a n dt h e nw ed i s c u s s e dt h e a r c h i t e c t u r eo fm p l s ，t e c h n o l o g ya d v a n t a g e so f m p l s ，t y p i c a la p p l i c a t i o na n dk e y t e c h n o l o g yw h i c ha f f e c t st h ea p p l i c a t i o no fm p l si nd e t a i l s w ea l s od i s e a s e d a r c h i t e c t u r eo fm u l t i c a s t ，i n t r o d u c et h ec o n c e p t i o no fm u l t i e a s t ，i o m pa n da l lk i n d s o f p r o t o c o l so fm u m c a s t ，a n dd e s c r i b et h ei m p l e m e n t a t i o no f m u l t i c a s tf o rm p l s ， s u c ha sp i m d ma n dp i m - s m a f t e rt h a tw e c o m p a r e t h ei m p l e m e n t t e c h n o l o g ya n d k e yf e a t u r e so f c u r r e n tl i n kf a i l u r er e c o v e r yi m p l e m e n t e di nu r t i c a s ta n dm u l t i c a s t a t l a s t w ep r e s e n ta n a l g o r i t h m w h i c ha i m sa ls e l e c t i n g m u l t i - b a c k u pp a t h si nag i v e n m u l t i c a s tr o u t i n gt r e et oi m p r o v et h er e s i l i e n c eo f t h et r e ef o ra s i n g l el i n kf a i l u r e t h e m u l t i - b a c k u pp a t h ss e l e c t e db y t h ea l g o r i t h mm i n i m i z et h en u m b e r o f g r o u p m e m b e r s d r o p p e df r o m 、am u l t i e a s tc o m m u n i c a t i o no nas i n g l e l i n kf a i l u r e w ep r o v i d ea s p e c i f i c a t i o n ，c o m p l e x i t ya n a l y s i so f t h ea l g o r i t h m k e y w o r d s ：m p l s ，m u l t i e a s t ，s w i t c h i n gt e c h n i q u e ，l s r ，l i n kf a i l u r e 独创性声明 本入声鹱掰莹交的学像论文怒本入在簿拜指导下进行拘研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢乏处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰霉过翁研究成暴，毽苓雹含为获褥苤连盘鲎或其毪教育瓿捣豹学彼或证 书衙使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 伟了餮确静说鞠并袭暴了落意。 学位论文作者镰名：棒对谰签字日期：”哆年，月多日 学位论文版权使用授权书 本学彼论文作者完全了解基连盘璧有关绦留、使用学位论文的勰定。 特授权墨连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褥检 索，并采用影印、缩印或扫攒等复制手段保存、汇编戳供查蠲和借阏。同意学校 向圜家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在辩密后遥稍奉授蔽说萌) 学缀论文侔者签名：德审审阚 签字霹裁：柳，冬，箕鑫 导帮煞名； 许错蒺 签字鞘籀：沙年l 秀；目 薰一鬻缝论 第一孽绪论 1 1 链路失效修复技术原理 在诗算辘潮络中，镳路失效是阏络服务中断的烹簧原因之一。链路失效可 能是由多种原因产生，其中最基本的原因是由于链路物理上的“断开”。如果网 络中的一条镳路失效，那么所有使用该链路的通信郝将暂时中断。因此不论何 _ 耱网络，对予链籍失效郝豢矮骞穗痤戆巯瑾撬裁。 早期的电路交换网络谯物理介质上传输连续的字节流，适用予传输单播通 信的实时数据。然而在电路交换网络中，一条物理链路的失效会导致所有使用 该物理链路的遵信中断。数撂擐交换溺络鲤i n t e m e t 剿遵过将数据瓣装在分组中 缀好蟾解决了这个缺点。在数据擐交换溺络中同一通信漉的两个逑续分组在阙 络中是独立传输的。因此，当一条链路失效时，失效链路上之前发送的数据报 可以被重新路由来避免通信中断。在数擐报交换网络中，链路失效对于终端用 户来说是逶赘熬。嚣贯一秀嚣，由予辩每条鼗据漉缺少攀疆懿警壤撬髑，在数 据报交换网络中对端到端数据流的管璃舞比电路交换阏络困难得多。虚电路交 换，如x 2 5 ，a t m 以及多协议标签交换洲p l s ) ，在靡电路( v c ) 上发送数据报而 不是字节漉，辍弛丽时曩鬻电鼹交换穰数据摄交换熬德点。僵寝魄鼹交换跟毫 路交换一样，也受鼙| 链路失效闯题的困扰。除此醮外，目前正在使用盼，为数 据报交换网络单播通信所设计的链路失效修复技术并不适用于多播通信。因此 在本论文中将给出一个算法，该算法在m p l s 多播环境中计算多祭备用路径， 戳僳护多疆瀵信不受耱毽键鼹孛藜嚣影糖。 下面，我们将首先介绍兰种已应用乎网络中的交换技术：电路交换，数据 报交换以及魔电路交换三衡的基本特性，这些特性赢接影响到三种网络的链路 修复极刳。 1 2 交换技术概述 l 。2 。1 电潞交换 电路交换自从十九世纪第一代通信网络出现时就歼始使用。电路交换在通 信之兹，呼# q 学必须建立到被睁列者之瓣兹连接；轰逐接建立辩，簿鹾者霹被 睁嘲者之闷耩预留了通信所需的资源。遴常资源分配方式采用频分笈用( f d m ) 或时分复用( t d m ) 方式。为一个连接所分配的资源被称为一条电路。数据所经 过的路径取决于其所属的电路，该电路在整个连接期间都不会变化。当连接关 闭时，电路连接也随之中止。 电路交换中，预留的资源在整个通信过程都小会变化。即使在电路中没有 数据流，预街的资源也不会减少，因此造成了链路带宽的浪费。这对于采用f d m 或t d m 的有限链路带宽来说是一个很严熏的问题，同时电路连接的建立也占 用了链路上的一段频率或时间槽，造成当网络中存在大量数据量较小的通信流 时，网络无法建立新的连接。 电路交换的另一个特点是连接的建立需要时间。电路交换的每个通信过程 都必须在连接建立过程中进行路由。连接建立过程就需要决定电路交换的路径， 同时通过在路径上交换机之间的交换消息以决定预留资源的多少以及转发表的 建立。在电路交换中，转发表的建立是由硬件实现的，因此各个交换机上的数 据转发几乎是瞬时的。电路交换适合于长时间的通信连接在这种连接中，较 低的转发时间平衡了初始化的电路连接建立时闽。 每个交换机上的电路标识符( f d m 中的频率范围或t d m 中的时间槽分配) 都是不同的因此交换机不需要知道网络上所有已建立的电路，而只需要知道 本地链路上的电路连接。使用本地标识符而不是电路的全局标识符也使网络可 以处理大量的电路连接。既然电路交换为每条数据流分配固定的路径，那么流 量t 程( t e ) 就可以很方便地决定电路采用哪条路径进行连接。 另一+ 万而，电路交换网络却不能对网络拓扑结构的变化及时地产生响应。 例如，当网络中的一条链路失效时，所有失效链路上的通信连接都被断歼，造 成通信的中断。而t e 可以通过失效修复机制减轻链路失效对刚络造成的冲击。 在一个通信流的主电路连接建立的同时，可以建立一条备用连接一旦主电路 连接失效，数据流就可以重新路由至备用连接。电路连接由于其本身特性，对 于链路失效是非常敏感的，重新路由必须由附加的t e 机制来实现。 1 2 2 数据报交换 在6 0 年代，分组交换的出现解决了电路交换的缺点：需要为每个电路预留 资源而导致在电路上没有数据流的时候造成链路资源的浪费。分组交换将数据 流“切割”成包进行传输而在网络上不对通信预留资源。如果一个通信流某个 时刻没有数据，那么网络中就没有分组，因此不会造成资源的浪费。分组交换 又分为两类：数据报交换和虚电路交换。这里，我们首先回顾一下数据报交换。 与电路交换不同，数据报交换不需要在数据传输之前建立连接，也不需要 在数据传输后结束连接。踌由器对每个数据报都在路出表中进彳j ：查找。路由表 2 第一章雏论 包括了数据报可能的目的地与出口链路的映射关系。由于以可能的目的地作为 索引，因此鼹由表可能非鬻大，造成路妇查找和决策过程的低效。每个数据报 罄必须携豢嚣豹主瓿逡缝箨使爱该缝竣邈嚣疆峦。掰黻稳峦器在襞发_ 蘧程孛菸 不需要修改数据报的目的地址。 既然每个数据报都是由路由器独立处理，那么所宵由一台主机发送到另一 卺主枧豹数攒缀藏不能摄诞使用同一条物理连接避露馋辕。翔果农两个数摄摄 发送的间隙，路由嚣路由箨法决定改变鼯由表，箨么这些数据报就可能经过不 间的路径，鼷至是不同的蒯达顺序。此外，对于网络拓扑结构的变化，如链路 失效，踌由协议将自动报搬新的拓扑结构米重薪计算踌出表，以避免失效链路 瓣阏终逶痿逡凌捧击。与壤籍交换不瓣，鼗撵掇交涣湖络逶售熬熬赫路壶不需 要附加的t e 算法来实现。 在数据搬交换网络中，路由器独立嫩对每个数据报进行路由，黼不考虑数 据援辑爨静数擐滚。透j l 乏，t e 技寒缀犬粳疫上依赖于对路由豹控嬲，t e 在数 据擐交换中的窭现较电路交换要复杂褥多。 1 2 3 虚电路交换 虚电路变换( v c 交换) 怒一种融合数据报交换和电路交换特点，以消除两者 缺点的分组交换技术。v c 交换与数据撤交换不同，数据流在虚电路上进行传 输，蒡不为每祭数据流分酝露定鼓频率躐黠疑糖这样晌物理资源。每个分缎都 携带一个本绣标识符，在传输过程中，该标识符被其疑过的每个交换税所更薪。 我们已缀看到在电路交换和数据报交换中连接建娆时间和转发时间两者之 间的关系。程v c 交换中，踌由在虚电路建立时就已完成，因此数据包转发速 痰攘浚。v c 交换豹箕毽爨焦还蕊鏊麴窍耄蘧交换魏挟速转发缝力器鼗蕹擐交 换的资源荦j 甩率。然而，v c 交换的一个主要问题是对于网络拓扑结构发生变 化时的响应。虚电路交换与数据报交换自动重新计算路由表不同，当拓扑结构 发生变纯，鲤链路失效对，经过该链路鹣掰毒虚电路被蟥开。因鼗，v c 交换 的重薪路由依赖子t e 的实现。 在实际中，v c 交换的主要实现为x 2 5 1 4 3 ，a t m e 4 4 以及多协议标签交换 ( m p l s ) f 4 5 】。而i n t e r n e t 嬲全建立在i n t 掰n c t p r o t o c o l ( i p ) 上。由于狳在i n t c m c t 孛豹棱心燕穗，我稻瑷在滔论一下a t m 鞠m p l s 每鬻熬交互。 目前i n t c m e t 上使用的网络层协议撼l p 协议，i p 协议有两个版本：使用3 2 使地址的i p v 4 和使用1 2 8 位地址的i p v 6 。由于i p v 4 怒目前i n t e m e t 上普遍配置 的弹舨本，我们在论文巾将主要讨论i p v 4 。因为虚激跨交换技拳豹优点和摆 液用的西益璨长，许多i n t e m c t 服务摄供褥都使用盛电路来发送i p 数据报。露 第一章绪论 前在i n t e r a c t 上正在使用的虚电路交换技术包掇a t m 以及最近的m p l s i p0 v e r a t m a t m 是8 0 年代洙开始标准化的一种虚电路交换技术。a t m 使用长度固定 为5 3 字节斡信元，彀括4 s 字节黪受载和5 字节的头。在馈霜戆4 0 位头部髂患 中，鸯2 8 馑瑙律僚元所属虚毫爨瀚标识符，该域也被称为v c i v p i 。v c i v p i 在每个交换机都会被更新。 在a t m 虚电路交换网络上发邀i p 数据掀所遇到的第一个问题是需要褥l p 鼗撂搬瓣装在a t m 蘩元建。嚣装建峦适配层a a l ) 完藏【甜】。然嚣大多数l p 数 据掇稽对于5 3 字节豹a t m 信元来说都太大，翻此i p 数据报必须在封装进a t m 信元之前被分割。最后一台路由器必须将a t m 债元重组为胤始i p 数据撤，分 片和重缀( s a r ) 是一个复杂和费时的过程。 在a t m 上发送玲数据掇被添甥是菲常复杂豹，远琵嶷稳路交换中的链路 修复问题要复杂的多，i po v e ra t m 除了上述阔题，由于还没有出现兼容的口 路由器删交换机，i po v e r a i m 还需要引入附加的硬件采实现。 m p l s 多协议标签交换( m p l s ) 是种康电路i p 分组交换技术，与a t m 相比，它 更加逶念予发送瑶数攘擐。m p l s 冒在许多已露在豹弼络中逡费，如戳太阙甚 至是a t m ，m p l s 逐支持在盎毫潞t 转发i p 数瓣壤，甚至可以在l p 路蠢器上 实现m p l s 。 m p l s 的每个包都携带一个虚电路标识符，称为标签。橼楚被插入题鲍l p 头与泰a e 羲路屡燕之阗。一令懿鬻羧携带多个耩签。数豢掇掰携带静援蠢褥 签被称为m p l s 标签棱。 i 。3 论文主要工作 m p l s 中多播技术的实现己成为m p l s 交换技术的研究热点。多播技术的 概念第次出现在1 9 8 8 年，1 9 9 2 年的i e t f 会议上对多播进橼了较大规模的实 验，露农疆磊举行懿爹一藩t e t f 衾议上，实瑷了翟频会浚。嚣蔫，在i n t e m e t 中的多撩实现主要依靠m b o n e ( m u k i c a s tb o n e ) 上的实验。髓蒲诸如视频会议 、网上教学等应用需求的不断增加，多播技术的发展也越来越迅速，预计在未 来的i n t e m e t 中，会蠢上万个多援缀弱时进行多播透痿。 与健统豹电路交羧和数据毽交换技术相魄，m p l s 通过袋爝“标签”进行 转发，强连接建立时间和转发时间两者之间折中，克服了电路交换和数据包交 4 第一章绪论 换的缺点；与a t m 技术相比，m p l s 更适合于目前已广泛使用的i p 交换。 i e t f 嶷1 9 9 6 颦1 2 箕专门减立了多浚议标签交换王雩擎缝( m p l sw g ) 。它 的主要任务是整合各种技术的优点。对i p 交换技术的方寨进行标猴化。m p l s 壹予疆立于弼络鬃貉渡秘链路层蛰议、提供q o s 缳涯、其寄流量羧秘蕤力，嚣 此作为一种新的技术正在迅速发展。 m p l s 尽管在键定标壤瓣考虑了慰多攒按寒懿实瑗，整嚣蠢摹还没骞在m p l s 中具体的多播实现，而在研究当中已为m p l s 中的多播技术实现掇出了几种方 素，我们将对这些方案进镪详细分撰彝毙较，在魏基础上，我粕戆主要王终是 对现有的多播链路修复算法进行改进，并逡用数学工具分析该算法的复杂度， 以诞明箕浚鲍可行性及其傀点。 论文首先介绍多协议标签交换( m p l s ) 体系结构，然后概述多播技术威用， 分糖现有的各种链鼹修复极制，势 e 较其优缺点，在此基皴上提蹬一静m p l s 多攒通信多备用路径的算法，并对算法进行复杂度分析，以证明该算法的可行 性和有效性。 第二章m p l s 技术概述 2 1m p l s 体系结构 第二章m p l s 技术概述 1 9 9 6 年1 2 f l 份i e t f 成立了一个从事综合选路和交换问题研究的工作组，以 多协议标箍交换工作组( m p l sw g ) 来命名。m p l s 工作组的主要目标是开发一个 综合选路和交换的标准。 2 1 1m p l s 体系结构概述 m p l s 源于早期的i p 交换解决方案，因此它的体系结构是基于已经提出的i p 交换的想法、概念和组件。它的基本目标是简化转发i p 分组的机制。在传统i p 转发机制中，每个路由器分析到达的每个分组，解析i p 组头、提取目的地址、 查询路由表、决定下一跳地址、计算校验和、递减t t l 、出口链路层封装，最后 发送分组。m p l s 中入口路由器不是将分组映射到下一跳路由器，而是在分组上 添加表示分组归属f e c ( 转发等价类) 的一个标签。采用固定长度的标签加快了 m p l s 交换机查找路由表的速度，减轻了交换机的负担。在下一跳路由器上，因 为分组已经与f e c 关联，所以没有必要再次检查网络层头部，只需对一个标签表 进行索引，旧标签即被新标签取代，然后转发至下一跳路由器，因此避免了任 何第三层操作。所有第三层操作只在数据流的第一个数据报上完成。 图2 1m p l s 头部位置 2 1 2 m p l s 基本概念 转发等价类( f e c ) 在相同路径上转发，被l s r 以相同方式进行处理，并且被l e r 映射到同一 标签的一组i p 分组。 标签交换路由器( l s r ) l s r 是具有在第三层转发分组和第二层进行标签交换分组功能的设备，它 在i p 层上运行路由协议，进行路由；在第二层上进行标签交换，由标签分配协 议l d p 负责分发、回收、管理标签和交换标签消息。位于m p l s 域边缘的l s r 被 6 第二章m p l s 技术概述 称为标签交换边缘路由器( l e r ) ，当i p 分组到达l e r 后，l e r 分析i p 分组的 目的地址、端口、q o s 要求等，然后为i p 分组指定一个f e c ，并分配一个与此 f e c 相对应的标签，此后l s r 只需根据标签对分组进行转发而无需处理任何第 三层的信息，这大大加快了分组转发的速度。 标签分发协议( l d p ) m p l sl s r 之间交换f e c 标签关联信息的协议。后面中我们详细介绍。 标签 标签是包含在每个分组i p 头和链路层头之间固定长度的标记，用于标识一 个数据流，l s r 根据标签来交换分组。标签格式如下图所示： 图2 2m p l s 分组标签格式 m p l s 标签头部由4 个子节组成。 l a b e l ( 2 0 b i t s ) ：用来标识与特定f e c 绑定的数据流 c o s ( 3 b i t s ) ：服务类型( c l a s so fs e r v i c e ) s ( 1 b i t s ) ，标签栈( s t a c k ) 指示符 t t l ( 8 b i t s ) ，生存期( t i m et ol i v e ) o 1 5 标签值为保留值，其中0 、2 值表明此标签为无效标签，l s r 必须将此 标签弹出栈，然后使用第三层路由功能根据i p 头部信息来转发此分组。0 用于 i p v 4 ，2 用于i p v 6 。 标签栈 标签栈使得m p l s 支持分级选路( 如一个标签用于e g p 而另一个标签用于 i g p ) ，极大的提高了l s p 的扩展性。当已经分配标签的分组进入另一个网络域 时，此网络的l e r 只是简单的在原有的标签上增加一个新的标签，当离开此网 络域时，出口l e r 将此标签弹出。s 域用来指示当前标签时是否是栈底标签。 7 笺量塞坚! ! ! 垫查! 堕 一 2 1 3 一个m p l s 网络的实例 图2 3m p l s 网络实例 2 2m p l s 网络的技术优势 2 2 1m p l s 与传统i p 相比的技术优势 转发的简化 标签交换提供了一个慕予短的、固定畿度的、精确嚣配的分组转发过程， 而不同于传统路由器的匹配壹找过程。此外。m p l s 使用的标签头部比i p 头部 娶蕊攀静多，这意昧著m p l s 可戳采簿一个诧i p 受简单豹转发视制，从而构造 更快的m p l s 路由器。 寒效豹显式黠豳能力 显式路由( 源路由) ，是一种用途广泛且功能强大的技术。在i p 技术中， 路穗器器娶诗算逶避该路巍器豹每个分组豹显式路囱，出于这种诗算开镑，使 得这种技术不具可行性。而m p l s 中只需在l s p 建或的时候计算一次，后续的分 缀簸霹黻芙辜怼l s p ，瑟举蹙怼酝骞翡务缀舔避褥诗算。遂毽镬褥箍式黯斑成 为可能。 滚薹工程能力 流量工程能力怒指为了平衡不同链路、路由器、交换机上的负载而为数据 滚逡择路径豹能力，流量王程缝力对于提蹇大型爨络熬蛙魅菲鬻羹簧。当麓使 用a t m 技术的核心网络都是采用人工配置p v c 来平衡网络中的负载。m p l s 允许 单独定义从经氮入鞠蔑点到殛俺出瑟节点的数据滚，因藏m p l s 提供了一秘豢接 的机制来测照一对入口路由器、出阴路由器间的流激情况。除此之外，m p l s 的 8 第二章m p l s 技术概述 显示路由能力可以保证任何特定的数据流具有通过指定路径的能力。 q o s 路由 q o s 路由是指路由器根据数据流的q o s 要求来进行路由。在许多情况下，q o s 路由需要利用显示路由技术。 将i p 报文映射到f e c 在m p l s 中，将i p 报文映射到f e c 只需在入口节点处进行一次，正如前边 所讨论过的，在i p 路由器网络中，每经过一个路由器都要进行相同的操作。 功能分布 m p l s 支持不同的标签粒度( g r a n u l a r i t y ) ，可以将处理功能分级分布在不 同的网络设备，在网络边缘，靠近客户的一端承担更重的处理任务，而核心网 络只是简单的、纯粹的基于标签的转发。 支持多种服务类型的单一转发机制 m p l s 标签转发机制可在相同的网络中提供不同的服务，而不管标签交换路 由器标签库的控制平台协议是a t m ，f r 等等。 2 2 2m p l s 与a t m 相比的技术优势 路由协议的可扩展性 m p l s 消除了i p o a 网络中链路的n2 问题，因此提高了路由协议的可扩展性， 也提高了网络的可扩展性。 由于l s r 运行标准的路由协议，需要通信的对等路由器的数量减少至给定 l s p 直接连接的路由器和交换机数量。同时，边界路由器并不需要同m p l s 域中 其它的边界路由器建立对等关系。 数据帧和信元介质的相同的操作 m p l s 在帧和信元介质上使用相同的路由和转发方法，因此可采用相同的途 径来提供流量工程能力以及q o s ，这意味着在a t w 等等不同的链路层技术中也 可以采用相同的标签分配策略。 网络易于管理 m p l s 应用于不同的链路技术时采用相同的标签分配策略。因此简化了网络 的管理和标签的管理。 消除了路由云( r o u t i n go v e rl a r g ec l o u d s ) 问题 m p l s 消除了i p o a 重叠模型技术中i p 和a t m 分别维护网络拓扑，互相之间 互不知晓的问题，消除了建立直通路径的高延迟问题。 9 第二章m p l s 技术概述 2 。3 标签分配 m p l s 标签是短的、固定长度的具有一定语义的信元头部。一般来讲，标 麓只是蔫| ；圭饶往系统毪魏褥不是采控制系统工箨的。潮络使翊路出协议两不是 橼签来决定数据报经过的路径，是否分配标签并不影响一个第三朦数据报的转 浚。毽楚，霞瘸拣签胃戳麓纯交换、支掩源爨宙戮及受载平衡。 标签只在两个相邻m p l s 节点之间的局部范闱内起作用。多个m p l s 结点 之瓣，任塞嚣拿m p l s 繁患瑗搜蘧楚标签与其它繁焘之鬻傻焉豹轹签无美。这 种标签局部化简化了标签的语义，并且最接近纯数据报网络。缺点是不知道数 攥是否迸入繇鼹。 2 3 。1 标签分飘方法 标签分配是分发f e c 标签绑建信息的过程。爨的是形成一个l s p 黉邋过标 蛰来交换桶于特定f e c 韵分组。标签酌分配可以通过单独的标签分配协议l d p 来实现，也可以通过现有的控卷i 协议，如r s v p 。 l s r 必须为舔个需要通过标签交换转发的业务流指寇一个标缀，分淡至其 相应的f e c ，m p l s 支持题种标然分配方式：拓羚驱动和数据流驱动，其中拓 矜驱动又w 以分为：基于控制的拓扑驱动和基予控制的请求驱动( 如r s v p ) 。 拓扑驱动方式下。标签分配基于路由协议对控制信息的正常处理，比如当 l s r 处理o s p f 、b o p 路魏詹意受新对，在更新递交表中添加入翻的同时，为 添加或更改的入口分配一个标签。 t r r 毒lt 冀r i 垃 路由协议受新 l 舳l 卜rtl ，mk 一选路蜘谈| l 瑞路协议f 。- 1 fk il d p l i b lll i bl 联| o u tp - 叫i n o u t | i 圈2 4 拓扑驱动方式的标签分配 整2 4 嚣录了魏由表信麓嚣荻皴发f e 搿标签绑宠信意豹交换过程。当l s r # 2 收到路由表慰新信息时，触发计算新路径的过程，引发在路由表中插入或修改 掇佟，l s r # 2 谈裂这令避程，劳髂改裰瘦翡l i b 输入蟪掰信惑，然螽与游 l s r 通过l d p 进行通信，l s r # 1 将相应的信息放谯l i b 中对应的输出端口上。 第二章m p l s 技术概述 请求驱动标签分配方式下，当l s r 处理r s v p 路由信息时，在更新表中添 加入口的同时，为添加或更改的入口分配一个标签。这种方式有以下特点： 标签的分配、发布计算和标签分发带宽的消耗与网络的控制信息流量有关。 标签通常是预先分发的，在数据传输时没有标签建立的延迟。 需要的标签数量可能比拓扑驱动要多很多，这取决于所支持的数据流数量。 要求应用程序使用请求机制来得到分配给数据流的标签。 数据流驱动方式下，数据到达l e r 触发标签的分配和分发。如果希望分配 特定的网络资源给特定的标签来支持特定的应用，必须支持数据流驱动。 2 3 2 标签栈和标签交换 与之不同，m p l s 允许有任意数量的标签，多个标签采用简单的栈式结构 组织在一起。标签操作有三种：p o p 、p u s h 、s w a p 。标签栈的作用在于允许 多个控制单元对分组起作用，使得m p l s 支持分级路由。 标签栈使得标签交换适用于分层选路。比如。第一层的标签可以用b g p 控 制，而层次二的标签支持o s p f 等域内路由协议。一个穿过多个a s 的数据流， 在a s 之内用i g p 或o s p f 等分配的标签来进行交换，b o p 分发的标签用来在 a s 之间进行交换。如图2 5 所示： 广广1 i 甲，：回謦 乜u 倒 d o m a i n # l q 亘卜岖一 圆圆圆圆圃圃 图2 5 标签栈的使用 由r l 到r 8 的分组，首先由r 1 分配标签a ，然后发送到r 2 。r 2 检查l i b 后换为标签b 发送到r 3 ，r 3 除了将标签b 换为c 外，还压入一个新的标签y 进行域内交换，y 表示的目的地址为r 6 。标签到达r 4 后，只对第一层标签交换 后发送到r 5 ，在r 5 将第一层标签弹出，发送到r 6 。然后依次发送到r 8 。 2 3 3 标签分配协议l d p m p l s l d p 是一个单独的控制协议，l s r 使用l d p 来交换和协调f e c 标签 第二掌m p l s 接零撰述 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 之间必须就一个 特定蠡签熬肉客遮藏一致。l d p 京霹簿l s r 之闼建立一个t c p 连接，疆搽诞 l d p 潜意越够霹嚣黄簸。l d p 获戴溃爨霹疆获奉壤l s r 绫灌获褰鏊l s r 笈怒， 并扶下游l s r 滚两三游l s r 。鼗攥流鹣翻这、保留建立溃惑( r s v p ) 、邃爨爨 新消息都聊以触发交换l d p 消息。一旦对l s r 交换辫1 于一个f e c 的l d p 消息， 锤令l s r 郡关联l i b 中豹一个入鞠舔熬窝攘痊豹遗弱椽鍪，之嚣，就形或了一 个飙入目瓣融口的l s p 。 l d p 瀵感分梵三类；发瑗( d i s c o v e r y ) 、邻接( a d j a c e n c y ) l 美及跌瓣 ( m a p p i n g ) 。发现消息斓来广播个l d p l i n kh e l l o 消息缭所霄的路由器组地 蟪，逶翔溺一链赣上其它l s r 鑫已鹣存在。罄禳清基罨予建鼗、维护露终缝 l s r 对等体之间的邻接关系，它包括建巍一个t c p 逸接以及之盾的交换对话协 蕊信息的i j 臻穰。映射类消息用于建嶷、修改和删除l s r 对镣体之阕的滤艨签姨 瓣薅惠。令典型静获射粪漤患燕一个l d p 浚射淤患，窀羧一个l s r 攒予与 裙邻l s r 交换一今滚t 舔签浃_ 囊重信感。这个游息将惫禽令流标识邸相关联黥嫁 舔，还可熊骰括一个c o s 值、l s r i d 陶鬣( 用于环路颧跣) 、h o p 计数和m t u 大小。 m p l s 审爨考惩熬痰攥靛是烫务薰工程黎c o s q o s ，这舔嚣簧建立显式路 径。有两种建立最式路裰的方法。成用l d p 或r s v p 。在m p l s 中应用l d p 建立显示路径( e r - - l s p ) 对，出出翻l s r 发超弗转发势| 上游猫r ，它访问一 令特定l s r 譬烈上貔每个璐袋，羹裂到达入叠l s r 。该港怠包食e r 聪p 港 息必矮经过静l s r 黧 表、个标簸、一个s m d 鞭殿c o s f q o s 值。该方案鹩 描述见下蹦。利用r s v p 建立显式鼹校的过程我们谯后砸将有具体的描述，见 灏2 ，7 。 _ - ，一+ 。 _ 燃i 堑r 。a l 2 转) l s r # a l s r # 1 l s r # 2l s r # b l 入口 _ 一b b 一裹墨 l -_-_-。_。_。hh_h_-_-_h-_-。_-。一 嚣2 。6r s v p 曩示路径 2 4 目前m p l s 麴主要浅用 2 。4 1 蛾务量工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 透鬻i s p 采取瑷下三个接蘧寒满足麓户黯蚕凝壤长魏甏求：t ) 教进瓣臻薅 系臻褥；2 ) 灞燕带宽和容蘧；3 烛务熬王程。兔了提供受努的鞭务，改避鼹 1 2 第二章m p l s 技术概述 络体系结构、增加带宽和容量是必要的，但仅仅如此还不够。因此业务璺工程 佟为疑够究分弱溪瑷骞掰络资源鹃技术裁变褥越来越重簧。 传统的i p 选路协议是基于目的地址的，路径的选择往往基于单一的因素， 妇转接数秘，链鼹残零等。这缀爵能导致一条链籍已经黟耄超载鹃同露，秀另 一条链路却没有充分利用。i p 叠加模型怒在第二层引进舆有q o s 和业务量管 囊功毙戆技术( 芰要是a t m ) ，枣嫠二鬃焱路垂嚣润挺供煮甓点戆连接。这农一 定程度上扩展了业务量管理功能，但正如我们前边提到的，存在如下缺点：1 ) 嬲络体系缨梅积嬲络设计复杂；2 扩震馁不好；3 ) 额终魏量健黢越装开销。 叠加模型的缺陷是由于采用了与i p 截然不同的第二层技术来提供业务星管 理。m p l s 允诲炊务量管壤宠全掌握在臻鼷鲍控锱下，露越解决了叠燕模型懿 不足。m p l s 可以为共享一个入羽和出口点的径流建立独虚的l s p ，可以在任 何数据链路上轻松的为一个径流预定和建嶷一条黢焱躜径。m p l s 走诲农显式 路径上应嗣q o s 特性；可以人工额定和利用路由协议维护的拓扑信息动态计算 显式路径；包含显示路径的l s p 序号只是农建立时间传送，两传统l p 显式鼹径 率，每个分组都镪含整个路径序弼号；比藏加模数更具扩餍性：可以同时在面 向连接的网络和基于分缌无连接网络中支持显戏路径的功能秘特性。因此 m p l s 成为解决业务量工程的熟煮技术。 2 。4 2 s s m p l s 秘终努须提供豹另一个覆要簸务是q o s c o s 。m il s 蓠先在阏络边 界识别客户流( 通避分组头部字段) ，然后根据数嘏流的不同属性分别将这魑数 据流分配剃霹戆其有灌是蔡c o s 躐q o s 满毪瓣特定l s p 主。m p l s 采取两种 方法来支持c o s q o s 。 一耱蠢法是在橼签孛鞠确整会c o s 城，l s r 设备虢魏调度发送分组。为了 在标签交换体系结构中支持c o s q o s ，首先需要对分组进行分类，以确定其应 该接受豹黢务。分类羰磊。激菜秘方式对癸缀进露标滚，攒暴溪终霉要灸癸组 提供的服务级别。这些工作在源端难机到入口l s r 之问的网络节点进行。随后 分缀将避入标记交换，提供颈麓静蒸予等缀懿差分辍务。 一种方法是建焱多个l s p ，分别对应不同的服务等级。可以采用r s v p 来 建立l s p ，颈壁资溪。，当r s v p 淡患到这l s r 嚣重，l s r 受其莰羹q o s 默悫， r s v p 作为控制协议，负责在l s r 之问传送标签倍息，这是捎带标锰分发的一 个燕要应用。r s v p 蛇r e s v 港息从下游开始经过簿令l s r ，其蠹褰传递绘l s r 设铸的流量控制组件，由识来检查l s r 是褥支持数据流的带宽和q o s 特性， 检测通过的话，设鬣适当的资源以支持数搬传送。 第二章m p l s 技术概述 斗 r s v p 路径 r e s v 消息圈圈 图2 7l s p 建立过程 2 4 3m p l s 与v p n ( 虚拟专用网) 虚拟专用网是近年来兴起的一项新的增值业务，是新一代电信业务的基石。 v p n 基本要求是：保证数据安全性、操作的简便性和网络的可扩展性。v p n 网 络必须能够通过应用类型得知数据类型，如语音、重要的应用或电子邮件。m p l s 是一项将v p n 通晓性带入交换式或路由式网络的技术，它使得服务提供商能够 迅速、有效地在同一个网络结构中建立各种大小的v p n 。 在传统的v p n 技术中，第二层v p n 是利用一条或数条a t m f r 虚拟电路 去组成客户的专网。第= 层v p n 满足了v p n 用户的安全性需求。这正是目前 构建v p n 只使用租用线路或帧中继的主要原因。 第三层v p n 完全是点到点的连接，建网复杂，一旦有新的用户加入网络， 无论用户方还是网络方都需要进行很大的修改，大大增加了工作量，同时网络 的可扩展性也极受限制。 m p l sv p n 不仅满足v p n 用户对安全性的要求，还减少了网络方和用户方 的工作量，可以建立任意的连接，且具有很好的网络可扩展性。m p l s 提供了 一种建立i pv p n 的更新、更完美的方法。 m p l s v p n 的工作原理： m p l sv p n 的基本工作方式是采用第三层技术。每一个v p n 具有独自的 v p n i d ，每一个v p n 的用户只能与自己v p n 网络中的成员进行通信，而也只 有v p n 的成员才能有权进入该v p n 。m p l sv p n 的工作过程如下： 在基于m p l s 的v p n 中，服务提供商为每个v p n 分配了一个标识符，称 作路由标识符，这个标识符在服务提供商的网络中是独一无二的。转发表 4 第二章m p l s 技术概述 中包括一个独一无二的地址，叫作v p n i p 地址，是由r d 和用户的i p 地址连 接形成。v p n i p 地址在网络中是独一无二的，地址表存储在转发表中。 在基于m p l s 的v p n 中，b g p 只对同一个v p n 的成员发布信息，通过流 量分离来提供基本的安全性。因为数据是通过使用l s p s 来转发的，l s p 定义一 条特定的路径，不可以被改变，以保证其安全性。这种基于标签的模式可与帧 中继和a t m 一样提供保密性。服务提供商，而不是用户，应用v p n 时将一个 特定的v p n 与接口联系起来，数据包的转发是由用于入1 ：3 的标签决定的，因此 m p l sv p n 就不易受到欺骗攻击。 v p n 转发表中包括与v p n i p 地址相对应的标签。通过这个标签将数据传 送到相应地点。既然标签代替了i p 地址，用户可以保持他们的专用地址结构， 无需进行网络地址翻译( n a t ) 来传送数据。根据数据入口交换机选择一特定的 转发表，该表中只包括在v p n 中有效的目的地址。 这种解决方案的优势在于服务提供商可以通过相同的网络结构来支持许多 种v p n ，并不需要为每一个用户建立单独的网络。而且，这种方案将i pv p n 的能力内置于网络本身，所以，服务提供商可以为所有租用者配置一个网络来 提供专用的碑网服务。q o s 可为每个v p n 提供特有的业务政策，而且q o s 服 务可与基于m p l s 的v p n 无缝结合，因为两者都是基于标记的技术。 繁三肇多攥系统辖系鲢擒 3 1 多播披术概述 第三章多播系统体系缡构 3 。i 1i p 多播技术的产生 i p 多撼酌概念第一次出现是程1 9 8 8 筚，于s t e v ed e e r i n g 的博论文曼， 褥宅繁一次冀茬懿较大瓣援实验辩曼惫1 9 9 2 - 年翁i e t f 会滚上，这次会谈是态 s 8 nd i e g o 举行，岛会者通过一种称为“a u d i o c a s t ”的技术在因特网上遂行了 讨论，这韪程因特网上召滞的第一次离声会议。在隧聪举露姻下鼹i e t f 会议 上，实理了巍叛会议。扶鼗，多攒技术悫惫藏熬。 要讨谂i p 多攒技术，藏不能零褥一