（计算机应用技术专业论文）多协议标记交换网络中的负载均衡.pdf

中文摘要 随着i n t e r n e t 的快速发展，网络的应用范 | 爿越来越广泛，如何保证以及提 高网络的服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，o o s ) 成为至关蕈要的问题。流量工 程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ，t e ) 就是为了解决网络规模发展引起的网络资源小 足等口j 题而产牛的，然而传统的流量工程技术存在管坪复杂性、难以扩展等局 限，需要以一种新的技术来取代它，基于多协议标记交换技术( m u l t i p r o t o c o l l a b e ls w i t c h i n g ，狎l s ) 的流量工程是当前为业界所普遍推崇的下一代流量，1 ： 程主流技术。 存两个节点之间多条并行的流量主干上进行负载分配是一个十分重要的问 题。在许多情况下，可能两个节点之闻的某一业务量无法只由任何一条单独的 链路或路径来承担，一个m p l s 区域内，町以通过在两个节点之1 日j 发起多条流量 主干来解决，这样，总的业务童将可以分担到并条流量主干上。要实现这一过 程，就必须要设计一种能够对多条并行的流量上干灵活地进行负载分配的技术。 本文首先分析了现有的一些并行流量链路之间的负载分配算法。在此基础 上，提出了动态多径负载平衡算法一一基j ：口j 分配流量( d i s t r i b u t a b l e t r a f f i c ，d t ) 的m p i 。s 网络流级多径负载r 衡机制。该机制考虑了实际网络中的 背鄹l k 务，核心的l s r 并小参与执行流砖1 程，存入ul s r 记录流状态和l s p 状态。针对在边界l s r 之问有多条可用的l s i 嘲络，我们引入p r o b i n g 机制来 获得备条路径1 ：的延迟和丢包率，通过采用成本函数最小化原则，计算得到每 条链路卜的可分配流量班，在多条t s p 之 i h j 进行i k 务调整。另外，采用攀，流 级的旗础卜对数据包进行分类，基木卜小会j “牛数据包的乱序 d 题。仿真实验 表明，与泵用动态负载、f 衡前村i 比，刚络的吞吐半徊剑提高，端钊端的延迟及 丢包率有所降低，网络的竹能有了改善。 关键词：多协议标记交换，流量i 。程，服务质量，多径负载均衡 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e t , t h ea p p l i c a t i o n so v e rt h ei n t e m e ti sb e c o m i n g w i d e ra n dw i d e r p r o v i d i n gq o si ni n t e m e ti sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t r a f f i ce n g i n e e r i n gi su s e dt os o l v et h ep r o b l e mo f n e t w o r ki n s u f f i c i e n c yo f a v a i l a b l e n e t w o r kr e s o u r c et h a ti sc a u s e db yt h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r ks c a l e h o w e v e r , t r a d i t i o n a lt r a f f i ce n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yi sl i m i t e db yi t si n h e r e n te o m p l e x i t yt o a d m i n i s t r a t ea n de x t e n d i ti se x i g e n tt os e e kak i n do fn e wt e c h n o l o g yt oo v e r c o m e i t sl i m i t t r a f f i ce n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yb a s e do nm p l si st h em o s tp r o m i s i n g t e c h n o l o g yt h a ti sc o m m e n d e db yt h ei n d u s t r y l o a dd i s t r i b u t i o na c r o s sm u l t i p l ep a r a l l e lt r a f f i ct r u n k sb e t w e e nt w on o d e si sa n i m p o r t a n tc o n s i d e r a t i o n i nm a n yp r a c t i c a lc o n t e x t s ，t h ea g g r e g a t et r a f f i cb e t w e e nt w o n o d e sm a yb es u c ht h a tn os i n g l el i n kc a l lc a r r yt h el o a d i na l lm p l sd o m a i n ，t h i s p r o b l e mc a nb ea d d r e s s e db yi n s t a n t i a t i n gm u l t i p l et r a f f i ct r u n k sb e t w e e nt h et w o n o d e s , s u c ht h a te a c ht r a f f i c t r u n kc a r r i e sap r o p o r t i o no ft h ea g g r e g a t et r a f f i c t h e r e f o r e ，af l e x i b l em e a n so fl o a da s s i g n m e n tt om u l t i p l ep a r a l l e lt r a f f i ct r u n k s c a r r y i n gt r a f f i cb e t w e e nap a i ro f n o d e si sr e q u i r e f i r s t l y , w ea n a l y z et h ea l g o r i t h m so fl o a db a l a n c i n g d y n a m i cm u l t i - p a t hl o a d b a l a n c i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e d 一一f l o w l e v e lm u l t i p a t h l o a db a l a n c ei nm p l s n e t w o r kb a s e do nd t t h i sa l g o r i t h mc o n s i d e r sc r o s s t r a f f i ci nr e a in e t w o r k s ，w h i c h c o r el s r sa r en o tr e q u i r e dt op e r f o r mt r a f f i ce n g i n e e r i n ga n di n g r e s sl s r sr e c o r d f l o w s t a t ea n dl s p - s t a t e w eu s ep r o b i n gp a c k e t st oo b t a i nd e l a ya n dd r o pr a t eo f m u l t i p l el s p s w em i n i m i z e da ne f f e c t i v ec o s tf u n c t i o n ，t h e nc o m p u t et h ed t a n d d i s t r i b u t et r a f f i ca m o n gt h el s p s m o r e o v e r w ec a t e g o r i z ed a t ap a c k e t sa tt h ef l o w l e v e l ，a n di td e c r e a s e sp a c k e td i s o r d e r s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t o u ra p p r o a c h i m p r o v e st h et h r o u g h p u t r e d u c e st h ee n d t o - e n dd e l a ya n dt h ep a c k e td r o p r a t e k e y w o r d s ：m p l s t e q o s ，m u l t i p a t hl o a db a l a n c 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，除了中文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，也不包含为获得云洼太堂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己在 论文中作了观确的说职共表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：力师彳沙 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丢蓬太堂有关保留，使用学位论文的规定。 特授权云洼太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) 学位论文作者签名：搠 签字日期：莎卯多卯 导师签名：客目、 签字日期： 撕苦6 ，z 口 第一章绪论 第一章绪论 随着i n t e r n e t 的飞速发展，i n t e r n e t 上的数据流量特征发生了显著的变化， 无论从规模上还是从流量负荷上都一直呈几何级数增长，且随着网络多媒体业 务和实时业务的不断增加，越来越多的新业务要求i p 网络不仅能提供信息传输 的可靠性。而且要能对信息传输的过程具有可预见性。因此，业务的传递不再 仅仅是需要具有可达性，而更多的用户要求保证业务的服务质量。但是，网络 规模和业务流量迅猛增长的同时，带宽等网络资源的增长速度却远远落后，这 使得以i p 协议为主的计算机网络不能很好地满足q p 务的各种服务质臂( o u a l i t y o fs e r v i c o ，o o s ) 要求。 目前的计算机网络中，服务质最的研究有三个主要的推动力。 ( 1 ) 对o o s 有严格要求业务的相继出现，如交互式实时多媒体业务、i p 电话 等： ( 2 ) 通过对o o s 研究，有助于提高因特网的网络效率，降低网络成本： ( 3 ) 运营商可以通过q o s 机制，按照不列用户对服务质量的不涮要求。提供 多种有区别的服务，提高用户的满意度，同时提高嘲络运蒋商的收益。 凶此，服务质量的研究重点足如何提高嘲络提供o o s 保证的能力，而最终 研究的目标足保证用户对o o s 的要求。 1 1q o s 定义和关键性能参数 服务质量足指恻络服务提供商与用户之间以及嘲络上耳相通信的用户之问 关于信息传输与共享的质的约定( 例如，传输延迟允许时间、最小传输蝤l 而失真 度以及卢像同步等) ，而且在使用时它们必须是始终如一的、可预测的。为了满 足各利t 用户应用的需爱，构缱对i p 最优并其各各种服务质量机制的嘲络是克令 必墼的。广义上讲，网络服务质量可以色括网络r f ：能、可用作、可葬什和安伞 竹等存钟指标因为这一切都和网络使川者感受州的服务质量有关。本文中所 讲的服务质量足狭义i ：的，主要从网络性能角艘束i t l 硷满足用户的雅务要求。 积住能掘关的丰要服务质量参数包括带宽1 、延迟、延迟抖动和分组丢欠串等。 o o s 的关键指标主要包括：列用性、吞吐量、延迟、延迟变化和丢包车。卜 面详细叙述： 可用件( u s a b i 】i t y ) ：楚当用户需要时网络能l t 常1 作的时间百分比。町用 性丰蜚是设备町靠性和网络存活性柏结合的结粜。对它起作用的还有一些其他 第一章绪论 因素，包括软件稳定性以及网络升级时不中断服务的能力。 奋吐率( t h r o u g h p u t ) ：是在一定时间段内对网络l ：能够承载流量( 或带宽) 的度量。一般讲，吞吐量越大越好。 延迟( d e l a y ) ：指一项服务从网络入口到出口的平均经过时间。许多服务， 特别是语酱和视频等实时服务都是高度不能容忍延迟的。当延迟超过2 0 0 2 5 0 毫秒时，交互式会话是非常麻烦的。为了提供高质量话音和视频会议，网络设 备必须能保证低的延迟。产生延迟的因索很多，包括分组延迟、排队延迟、交 换延迟和传播延迟。 延迟变化( d e 】a yc h a n g e ) ：是指同一业务流中小同分组所呈现的延迟小同。 高频率的延迟变化称作抖动( f i t t e r ) ，而低频率的延迟变化称作漂移 ( e x c u r s i o n ) 。抖动主要是由于业务流中相继分组的排队等候时间不同引起的， 是对服务质量影响最大的一个鲫题。漂移是任何同步传输系统都有的。个问题。 在列步数字系列( s d h ) 系统中是通过严格的全网分级定时来克服漂移的。在异步 系统中，漂移一一般不是问题。漂移会造成基群欠帧，饺服务质量的要求不能满 足。 乏包率( d r o pr a t e ) ：每个连接在传输过程中的丢包概率，丢包数与发送的 总包数比值。4 ：管是 e 特丢失还是分组丢失，对分组数据业务的影响比对实时 业务的影响邵大。 1 2 目前关于q o s 的研究状况 目前，已经提出，许多q o s 控制机制，包括集成服务( i n t s e r v ) 。1 和i k 分服 务( d i f f s e r v ) ”体系结构：拥塞拧制机制：分组调度和队列管理算法，m p s 技术 等。下面就这儿个方面的研究状况分别作简要的介绍。 1 2 1 集成服务( i n t s e r v ) 体系结构模型 袋成服务体系结构“1 。般应用存企q p 嘲络的边沿，它使用种类似a t ms v c 的方法，存发送端和接收端之f h j 用r s v p ( 资源预留协议) ”1 作为每个流( f 1 0 w ) 的信 令。r s v p 的信息跨越整个网络，请求预留资源。路径沿途的务路由器( 包括核 心路由器) 必须为每个要求服务质基仪证的数据漉维护个“软状态”：所谓的 “软状态”就足一刖瞄时住状态，1 1 1 资源预甯定期失效来控制，因此儿需申请 拆除辊式路径。软状态被定期的r s v p 信息更新。通过r s v p 信息的预留，各路由 器可以判断足含有足够的资源可以预甯。 奋所有的路由器都给r s v p 提供j ，足 够的资源，“路径”力+ 町建讧：否则，将返回并拒绝信息。 第一章绪论 集成服务能够提供有保证的q o s ，但其缺点也很明显： 扩展性不好。山十它是基于流的、与状态相关的服务模型，维护麓每个流 的状态信息。因此随着流数目的增加，状态信息的数鲢将成比例地增长。这将 占用过多的路由器存储窄间，前带来更大的歼销。 对路由器的要求较高，实现复杂。由下需要进行端到端的资源预留，要求 从发送者到接收者之日j 的所有路由器都支持必要的信令协议，因此所有路由器 必须实现r s v p 以及准入控制等机制。 不适合用于业务量较小的流。因为这种情况下为业务流预留资源的开销很 可能大于处理有效数据的开销，当这些流需要一定程度的o o s 保证时，集成服 务模型的效率很低。 1 2 2 区分服务( d i f f s e r v ) 体系结构模型 区分服务体系结构l l i n t s e r v 更具可扩展性，它可用于企业的广域网中，并 在运营商网络中发挥蕈要的作用，因为它可以根据应用或业务类型排出不同的 优先级别。业务区分结构使 j i p v 4 报头。 j 的业务类型( t o s ) 字段“1 ，并将8 位t o s 字段重新命名，作为i ) s ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 字段，其中6 位可供目前使 用，剩余2 位以备将来使_ j 。通过该字段的标记，下行节点玎j 。以获取足够的服 务质鼍信息，以对到达浚端几的数据包做出相应的“处理”，将它们正确地转发 给下跳的路由器。这甲- 需要注意，t o s 字段映射剑d s 字段的定义是不同的。边 缘路由器可以将t o s 字段映射到d s 字段。 d if f s e r v 充分考虑了1 p 网络本身网络灵活、可扩展性强的特点，将复杂的 服务质量保证通过d s 字段转换为先进的单跳行为，从而人人减少了信令的工作。 冈此，d i f f s e r v 升i 侗适合运营商环境使j h j ，而且也人人加快了i po o s 在实际网 络中应用的进程。另外，除去单个可信域的定义外，d if f s e r v 还描述了个更 大秕架的结构原理，旨在供应商之问提供协议秕架，这样- l 丁以使尊个网络域向 外扩展，进一步增加厂d if f s e r v 在运营商环境中的可用性。 d i f f s e r v 体系结构和幕于区分服务的硎究足q o s 领域的热点问题i “，l 司时 1 ) i f f s e r v 的缺点在丁无法为每个用户提供细力度的服务质每，无法实现端到端 的灵活的o o s 。 1 2 3m p l s 技术 多协议标记交换技术( m p i ，s ) 将灵活的3 层l p 选路和高速的2 层交换技术完 第一章绪论 美地结合起来，从而弥补了传统i p 网络的许多缺陷。它引入了“显式路由”机 制对q o s 提供了更为可靠的保证。 多协议标记交换m p l s 在路出寻址方面同传统路由器有明显的不同。m p l s 支 持特殊路由到达同一耳的地的数据包日j 沿不同路径进行转发。m p l s 网络主要 由标记边缘路由器l e r 和标记交换路由器l s r 组成：m p l s 技术的q o s 保证机娜如 下： 标记交换( l a b e ls w i t c h ) 机制 当数据流进入m p l s 网络时，入口标记边缘路由器l e r 首先将数据流映射到 某个转发等价类f e c 。再根据f e c 为每个分组加上固定长度的短标记。每个f e c 对应的标记是由基于限制路由的标记分发协议c r - l d p 根据路由协议( 如o s p f ， r i p ，b c , p 协议) 以及考虑到带宽的可用性和业务特性分发绘各个l s r 和l e r 的。 进入m p i s 网络以后，标记交换路由器i 。s r 不再根据原来的分组中的信息转发数 据，而只是仅仅根据分组所携带的标记进行交换式转发。由于分组在通过网络 时只需一次路由，转发时无需傲传统意义t 的路 j 判断( 如查找路由表) ，从而 提高了转发速度。另外，c r - l d p 避免了以前1 d p 协议分发标记时只是根据传统 路由协议来分发标记：而传统路由协议是基于最短路径算法的，容易导致多条标 记交换路径l s p 选用同一系列l s r ，进而可能使部分嘲络出现拥塞，而例络的其 它部分仍有可用资源，极大地浪费丫网络资源。c r l d p 在分发标记时允分考虑 了带宽的可用性和q k 务特性，避免了拥塞的发生，充分利用了嘲络带宽资源。 m p l s 技术对o o s 的保证 m p l s 有两乖i ，途径对o o s 支持：一是让标记本身就具有服务质量t o s ( t y p eo f s e r v i c e ) 的意义：l e r 事先把标记空问分成多个区闷，不同区问的标记具有不同 的服务质量，在为新数据流分配标记时，根据其o o s 的不同为其分配棚应间 的标记：另一途径足让标记条甘中的e x p 域来标识传送分组的t o s 。m p l s 数据 包的服务质醚类颦就由t o s 等参数来决定。l e r 楸据t o s 来决定输出队列和丢包 优先级，如对于剑达同一目的地的l p 色，可根掘设胃在标记巾e x i ，域的t o s 值 米矬扛不同的转发路径，不同的转发路径对应不同的拥笨控n q t $ l j 和丢包优先 级，达到其对传输质量的要求。同时，通过对特殊路由的管珲，逊能有效的职 决网络中的负载分担和拥塞问题，如当刚络l | f 出 蛇拥摩时，m p l s 町实时的建t 新的转发路由米分担其流量，或通过强划丢包、通如信源降低数据发送率笛手 段米缓解网络拥塞，从而实现了对q o s 的保。 第一章绪论 1 3m p l s 流量工程 m p l s 流量j ：程”1 是一种宏观的流量控制机制，是m p l s 嘲络进行流量控制的重 要手段。m p l s 能够根据流量的q o s 要求选择一条优化的边缘到边缘的路径，也能 够在网络范围内傲负载均衡，甚至町以通过显式路由来控制业务流。m p l s 将具 有相同业务等级且由同一l s p 传送的业务流的集合称为流量中继，并针尉流量中 继进行选路。在选蹄的时候，m p l s 通过在信令消息中加入一些约束的条件( 流量 中继属性等) ，为不同等级的流量中继分配不同的资源，从而保证了所建立的l s p 能够满足汇聚于流量中继的各业务流的q o s 需求，避免了网络拥寒。从而提高 了网络的服务质量。 流最分配是m p i 。s 流量j 二程研究的一个重要课题，它主要研究如何在入几i ，e r 到出口l e r 之间的多条并行l s p 之开j 进彳亍合理的负载均衡。动态流苗分配是m p i 。s 状态相关流量工程研究的一个重要分支，目前m p l 。s 动态流量分配机制大多通过 直接测量l s p 延迟或丢包率等指标来实现，在很大程度上均衡了负载，与传统 i p 髓络流量工程技术相比，m p l s 流蹙工程更加简单灵活，m p i 。s 在流量工程方面 体现出来的优势己成为m p l s 发展的主要动力。 1 4 传统路由算法导致服务质量问题 在当前的i p 网络中，通常使用的路由算法o s p f “是拓扑驱动的，因此它不 考虑l 旬9 络可用的带宽和流量特征。最短路径路由的优点足实现起来非常简单， 但足在这种选路方式下，所有到同一且的的i p 地址的数据包所遵循的路径都是 相同的。当m 现以下情况时就会发牛拥塞导致网络的服务质量下降”。； 当来自不同源的多条最短路径部使用菜一链路时，该链路将发牛拥塞： 当源剑目的问的业务流超过最短路径上的链路容最时，最短路径将发牛 拥塞而它们之问的较长路径却不被使用。 为了对最缔路径造成的负载不均衡进行改善， j m o y 等入提出了e c m p ( e q u a lc o s tm u l t i p a t h ) 算法”一的方法。即如果存在多条代价辛r i 等的最短路 径，那么这么多条路径都将破选择，负载在它们之间均摊。这种方法j 。以纪一 定科发上均鹜网络中的负载分布，能够解决最短路径路由造成的第一二个问题， 但是删无法解决第一个问题。同时，由j - e c m i ) 要求每条代价拥等的最圭f ；路径承 担相同份额的负载，嘶刁i 能根据每条路径的拥塞情况动态修改返牡芏；l 径1 日j 负载 分担的比例，所以当米一多个源业务流都经过某条路径时，这条路径的负载就 会比其他路径高，造成拥塞。另外，e c m p 耍求负载只能在具有相m 代价的路径 第一章绪论 间分担，不同代价的路径不能分担。所以，e c m i ，对负载分布的调节作用是非常 有限的。 1 5 课题的提出 传统路由算法之所以造成拥塞问题，其中一个主要的原因是选择路径时没 有考虑网络当前的町用资源状况以及业务流本身的要求，只是根据业务流要去 往的目的选择度量值( m e t r i c ) 最小的一条路径。商目前网络通常使用的是静 态度量值。这样，在传统蹄由算法的作用下，当多个业务流经过网络传输时， 它们将争夺网络资源的使用。如果在一段时间内数据包的至达率超过了资源的 处理能力，那么网络将发生拥塞。拥塞导致数据包的延迟，甚至丢失。这样， 将增加整个传输过程的传输延迟、延迟抖动、丢包率，降低对用户的服务质量， 目前造成网络服务质量下降的原闶主要有两个“”，一个是网络资源不允足， 不能满足用户流量的需求：另一个就是传统路由算法导致的流量集中到部分链 路上造成拥寒。对于第一种拥寨可以通过网络扩容或使用经典的拥塞控制技术 解决。对于第二种拥塞，是南负载的分布小均衡引起的，单纯靠增加嘲络容罱， 显然不是根本的解决方法，必须通过网络的调节和控制功能，使流晕分在更加 合理，才能有效的解决这一鲫题。流每工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ，t e ) 是一 种可用来拧制嘲络资源，提高网络性能，解决上述| 口j 题的嘲络资源调拧技术“。 在琵个结点之闯多条并行的流量主干上进行负载分配足流量工程中一个十分重 要的问题。在许多情 兕下，可能曲个结点之问的某业务量尤法只由任何条 单独的链路或路径来承担，然而，该业务流量所需要的资源可能低于喇络巾所 自呵用路径所能提供的总量，此时，难一的方法足将业务流量分锯为一些流量 了集，再将这些流量了集通过多条路径加以传输。 在一个m i ，l s 域内，上述问题可以通过在两个结点之问发起多条流量丰下 来解决，这样，总的业务景可以由多条流量丰于分担。但足，要实现这一过程 就必须设汁一利，能够对多条并行的流量辛t 灵活地进行负载分配的技术。m p l s 的流量t 再 要是通过它的约束路山能力米吱现的， l s 能够舣据流量的( 1 0 s 耍求选择优化的边界刮边界的路径，也能够住网络范用内做负载均衡，甚奄可 以通过锓式路由来控制业务流。m j ) l s 技术的快速标记转发以及良好的町扩展性， 特别是存流缱l 程方孤的应用使得 l s 技术成为f 一代i p 钌一十嘲的关键技术。 1 6 论文结构及研究内容 本文针对避免网络拥塞提高网络服务质量问题，在简单分析m p i s 流量工程 第章绪论 的主要特点基础上，对并行流量主i ：之间的负载分配算法进行研究，分析了基 于资源和基于状态的流量丁程机制，设计和实现了一种基于可分配流量的m l ，l s 网络漉级多径负载平衡算法，对这种机制进行了仿真实验，证明了基】：1 分配 流量的m p l s 网络流级多径负载、r 衡算法的优越性。 第一章，首先筒述了网络流量特性的变化，分析了当前对o o s 的研究状况， 指出了传统路由算法的局限性，提出了进行m p l s 流量上程研究的必要性。 第二章，对l i p l s 的体系结构进行了研究。 第三章，分析了现存的并行流量链路之间的负载分配算法。 第四章，提出了一种基于可分配流量的m p l s 网络流级多径负载平衡算法， 即根据探测到的延迟和丢包率，在流级实现负载平衡，核心l s r 并不参与执行 流鼍工程。 第五章，对这种算法进行了仿真实验，结果表明，我们的动态负载平衡机 制根据网络状况实时调整业务在不j 司路径上的分配，不但充分利用了网络资源， 而且负载的分配可以随网络状态的变化动态调整，避免了拥寨的发生，从而进 一步提高了吞叶率，降低了端到端平均延迟。 第六章，总结了本论文的研究工作。 第二章m p l s 与流量工程 第二章m p l s 与流量工程 m p l s 是一种将网络层的转发与链路层的交换相结合的快速分组转发技术， 它的核心思想是将分组转发与控制相分离，基于标记对分组进行转发。m p l s 技 术提出的最初目的是加快数据报的转发速度，改善网络中的分组转发性能。而 当前更令人感兴趣的是它对流量工程和o o s 的支持。流量工程的目的是实现网 络的有效和可靠运行，同时优化利用网络资源。m p l s 的最大优势在于：利用显式 路由技术易丁实现满足约束的路由，并且这个过程可以自动完成，这使得在m p l s 系统中实施流量工程十分便利。 2 1m p l s 产生的技术背景 随着i n t e r n e t 网络规模的快速增长，人们越来越认识到i n t e r n e t 技术的巨 大生命力。它采用了广泛应用的t c p i p 协议，i p 数据报的传送平台可以是任何 现有分组交换网络。但是传统的i n t e r n e t 技术仍然面临着一些6 q 题。”。 1 、路巾交换方面负于髓过重 随着i n t e r n e t 规模的继续扩大，全球路由农项急剧膨胀，用于路由表维护 的开销相应加大，其负担很重。当路巾器进行分组转发时，采取最长匹配原则 来查询路由表，这更增加丫路由器的负担。i p 分组也每经过一个路由器，郜要 经过第三层协议完成路由的寻址，这大大增加了i p 包的传输延迟。 2 、不提供对o o s 业务的支持 l p 技术采用的数据转发模式，在流量和嘲络，；皆宽管理上功能很弱，可以说 基本不具备这方面的管理功能。由于i n t e r n e t 缺乏有效的流量管理手段。喇络 经常会发7 二拥塞，而这牲拥塞使得网络管理旨难以控制。当前很多应用( 如语 音和视频等) 对 正迟、抖动和传输质量有特别嘤求，爿前的1 1 技术对于这样的 要求可以说是心存余而力不足。凶此解决i p 网络对o o s 的支持已成为下一代 i n t e r n e t 技术发展的主要方向之一。 针对j i ，网络存在的问题，m i l s 协议应运l 由q 三，它纡。合了第二三层路由的灵活 作与第二j z 的快速变换特性，它j 以使用各种第- 二层的涛议，如帧t ；继、p ， 以太嘲等。m p l s 技术的主要发展方向之一是流牮钙理，以提供良好的o o s 服务 保障。 第二章m p l s 与流量工程 2 2 m p l s 技术 2 2 1m p l s 的主要组件 l s 平台中引入了相当多的组件，下面足些主要组件： l 、标记交换路由器( l s r ) 标记交换路由器类似一个通用i p 交换机，它具有第三层转发分组和第二层 交换分组的功能。它也能运行传统i p 选路协议并可能执行一个特殊控制协议以 与邻接l s r 协调f e c 标记的绑定信息。一个l s r 可以是一个传统的交换机( 如 a t m ) 扩充l i ，选路，或者升级为支持m i ，l s 的一个传统路由器。l s r 是m p l s 系统 中的核心部件，m p l s 中l s i i 的选路过程如卜- ： 执行标准路由传播协议，以获得网络拓扑； 为每个f e c 分配一个标记； 执行l d p ，并根据从其他结点获得的标记信息建立标记信息库( l 】b ) ； 后续分缀获得l i b 中相应的标记，并按照指定动作处理，沿相应豹l s p 传输。 2 、标记边缘路由器( l e r ) i 隙是从一个m p l s 域转发分针i 的传统路山器。它的作用是分析i p 分维又， 片i 于决定相廊的传送级别和标记交换路径( l s p ) 。 3 、标记 一个长度固定，只具有本地意义的标志。它用丁- 唯一的表示一分组所蝎的 f e c ，决定标记分组纳转发方式。 1 1l 2h e a 倌 m p l ss h u a h e a d e r i p h e a d e ru s 置由i a i 、 i l a b df x pigt t l 网2 - 1 ”l s 网络中的分纽义的格式 陶2 1 是 l s 网络中的分组头的格式其中m i l s 嵌入分组头的格式负j 卜： l a b e l 域：占2 0 b i t s ，用f 乐载实际的标记值。 - e x p 域：占3 b i t s ，h j ，实验，大彩数设旨为c o s ( c l a s so i 。s e r v i c e ) 域， 提供种服务分类的机制，影响分组在网络q ，传输r 寸排队和丢弃算法。 第二章m p l s 与流量工程 s ( b o t t o mo fs 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8b i t s 。用- f 记录分组实际的寿命值。 4 、标记分发协议( l d p ) 该协议是n 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。标记分发协议( l d p ) 是在m p l s 网络中定义的、专门用于标记交换路由器( l s r ) 之间交换“标记转 发等价类( f e c ) ”绑定信息以便建立和维护标记交换路径( l s p ) 的控制信令。 l d p 中定义的消息可以分为四大类： 发现消息。用丁i 公告和表示在网络中一个l s r 的存在。 会话消息，用于在1 ，d p 对等方之间建立、维护和终止1 d p 会话的一组 消息。 公告消息，当某个i 。s r 创建、改变和删除标记转发等价类映射信息， 它利用公告消息通知其他1 d p 对等方。 通知消息，l s r 用该消息对等方通知某个事件的发生，如某些事件发生 错误、对其他消息的处理情况以及i ，d p 会话的状态等。 5 、标记交换路径( l s p ) l s p 足指具有一个特定的f e c 的分组，在传输经过的标记交换路由器集合构 成的佶输通路。它由m p l s 结点建立，目的足采用一个标记交换转发机制转发一 个特定的f e c 分组。简单来说，l s p 就足由标记分组源l ，s r 与日的l s r 之问的 系列l s r 以及他们之问的链路构成，它类似于a t m 中的虚电路。从另一个角度 来说，l s p 时问上足路径一卜各个节点上标记转发表中的栩关条耳构成的。下面为 l s p 建立过程示意图。 圉圉圉 图2 - 2 标记交换路径示意图 如图所爪，入口标记交换路由器向出口标记交换路由器发送“标记请求” 消息，这个消息是沿着经过路山汁算过的路径( l s p ，标记交换路径) 进行传输 第二章m p l s 与流量工程 的，当出口标记交换路由器收到“标记请求”消息后，向源标记交换路由器发 送“标记映射”消息，当m 口标记交换路由器接收到该消息后一条标记交换路 径就建立起来了。 6 、标记信息席( l i b ) l i b 是保存在一个l s r ( l e r ) 中的连接表，在l s r 中包含有f e c 标记绑定 信息和关联端口以及媒体的封装信息。l i b 通常包括卜面内容：入、出口端口； 入、出口标记：f e c 标识符；下一跳l s r ：出口链路层封装等。 7 、转发等价类( f e c ) 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 i ，s 网络中将获得完全 相同的处理。在i d p 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。 8 、流束( s t r e a m ) 属于同一个f e c 的一组分组流，它们流绛同一个结点，从相同的通道传输， 并以相同方式转发到目的地，它们在m p i s 里被称为“流束”。 9 、标记合并 对于某”相同f e c 的标记分组，将不问的入标记替换为卡h 同的。个出标记 继续转发的过程，减少标记资源的消耗。 1 0 、上游1 f i 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。 2 2 2m p l s 的核心技术 l 、标记变换 标记交换利荆分组中所携带的标记信息和杯记路m 器维护存储的转发信息 库( l i b ) 来转发分组。f 1 于标让交换不必像传统】p 选路那样分析分组头中的 变长部分，堋而标记交换是个快速和简单的转发过程。标记作为个由交换 机组件处坪，埘以确定对应的输出标记、必要( 1 - 3 1 装和端u 号发其他数据信息 处坪操作。若个分组包含一个标记栈，m p l s 设备j l 处胛栈巾的顶部标记。 2 、标记分发 标记分发足分发f e c 标记绑定信息的过稃，目的是为了形成一个l s p 并月， 标记交换属于特定f e c 的分组。标记分发足通过标记分发协议f l d p ) 来完成的， 第二章m p l s 与流量工程 或通过现有的控制协议( 如r s v p 和b g p ) 来传输f e c 标记绑定信息。m p l sl d p 是一个单独的控制协议。l d p 具有标记指定、分配和撤消功能，与相邻的l s r 协 调f e c 标记的拥绑信息，完成入口到比口标记交换蹄径( l s p ) 的建立。l d p 映 射消息可以从任何本地l s r ( 独市的l s p 控制) 发起，或者从出口l s r 发起，f = 从下行l s r 流向上行l s r 。一个特定数据流的到达、一个保留建立消息( r s v p ) 或选路更薪消息都j 以触发交换l d p 消息，从而形成一个从入口到出口的l s p 。 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 就是一系列过程的稽核。c r i ，d p 是一个由入口i ，s r 发起的湍到 端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 ) ，即显示l s p 的建立机制。它还提供 了使用i 。d p 来预约资源的能力。 c r - l d p 的l s p 的建立过程与i d p 中的样。对约束的处理如下： 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i 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 源小可用”状态码的通知消息。由个包含r 一条显示路由信息的标记请求消息 来决定下跳。 。1 个l s r 在收到一个标记匹配消息时，如果业务参数j j 村l 应标记请求消 息中的业务参数不嗣，就应当根据标记匹配消息调整它为c r l s p 顸留的资源。 如果个l s p 收到1 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 2 3m p l s 的工作原理 m p i 。s 是4 种堆于短标记交换的数据转发方式，它不同于常殷t p 荩于最长地 址旺配路由查找的h o p b y h o p 的数据包转发方式。在常规的t p 路 l 中，每个 讧点都要独立分析l p 包头，并慕于i p 地址做路m 决策。而在l p l s 巾，只是 在分组进入删络的边缘节点处对i p 包头进行分析，后续节点不w 分析包头，路 m 决镱的做出也小仅仅是根据i p 地址，它可以依据多种参数，如o o s 参数、流 基t 羁服务参数等。 存m p l s 中，所有进入网络的分组鄙破指定到某个特定的f e c ，每特定f e c 都被编码为个缱而定的值，即标记，标记加在分组前成为标记分组，再转 ，发到下一跳。存后续的每一跳上，不一需要分析分组头，而足用标记作为指针 指向下一跳的输出端口和一个新的标记，标记分组用新标记代替丌标记j l 亓经指 第二章m p l s 与流量工程 定的输出端口转发。 在每个节点处，标记的建市是路由协议和m p l s 控制信令共同作用的结果。 m p l s 中的路南仍然使用第三层的路由协 义，如o s p f ，b g p 等，l s r 与普通的路 由器一样也耍不断的更新和维护路由表，不同的是l s r 还要根据这螳路由信息 在m p l s 的控制信令下分配标记，建立并维护标记信息库l i b ，将第三层的路由 信息映射到第二层。l s r 的功能结构町以简单地由图2 - 3 所示。 i 龉由防议 lih 旺u 控铡馐令r i 0 s p f b g p ) i 一( l d p c 犯l d p ， i ij 蹄由表卜一u b ( 标记信息蓐) l 数据漉 一 交换结构 卜_ i 冬f2 - 3l s r 功能模块图 m p l s 的丁作过稃为：在m p l s 设备之间运行路由协议( 如o s p f 。1 3 ( ；p 等) ，通 过路由协议获取网络拓 卜信息，建立路由表，并根据路由表使用标记分发拂议 ( 町使用l d p ，r s v p 或c r - i d p ) 在节点问分发标记信息，建立数据传输通道一一 标记交换路径( l s p ) 。当一个数据流到达入口l e r 后，l e r 分析数据包的i p 包头， 把数据包映射到f e c 上，然后再根据它所属的f e c 加上标记。在以后的转发过 程中，l s r 只根据数据流的标记进行杏表、交换，转发，直到剑达出口l e r ，将 标记移去，恢复原始数据流。图2 _ 4 是m p l s 网络中转发数据过程的一个例子