（通信与信息系统专业论文）基于mpls流量工程的快速重路由及其机制实现.pdf

摘要 m p l s ( 多协议标签交换) 是一种典型的a t m 支持疋的集成模型技术，它简 化了分组转发，将第二层的交换和第三层的路由技术很好地结合起来、支持有效 的显式路由、能够很好地实现流量工程和v p n 。流量工程( t e ) ，一种充分提高 网络资源利用率的技术，它通过合理控制数据流来通过网络，均匀地使用网络 资源而避免网络的拥塞。 f r r 机制，通过提升网络性能而使m p l st e 备受青睐的一项技术，能在流量 传递路径上的节点或链路失效时，快速将流量转移到备份路径上进行传递。因此， f r r 需要为主l s p 隧道预先建立备份l s p 隧道来进行本地修复，然后当有失效发 生时，流量会在几十毫秒内自动切换往备份l s p 隧道。由于切换及时，几乎能实 现流量的无中断传输。 本文详细介绍了m p l st e 技术以及实现m p l st e 的信令协议r s v pt e 。f r r ， 作为r s v p t i e 功能的扩展，对其原理以及实现都进行了介绍。并使用标准c 语言， 开发了m p l st e 的f r r 功能。本文还以实际使用环境来组网对f i 港进行了测试。 测试结果表明，f r r 技术的实现确实比不配置该功能时，在丢包以及切换时间上都 有很大的优势，这对于网络性能来说是极为重要的一个提高。 关键词：多协议标签交换流量工程资源预留协议快速重路由保护 a b s t r a c t m u l t i p r o t o c o ll a b ds w i s h i n g ，w h i c hi sat y p i c a lm t c g r a t c dm o d e lt c c l m i q u e s u p p o a m g 腰o y c ta t m ，s i m p l m 髂t h ep a c k e tt r a n s m i t t i n g 缸di n t e g r a t e s 1 2 s w i t c h i n gw i m1 3r o u t i n g s oi t c a ns u p p o r te x p f i e i tr o u t i n ga n da c h j e v eh t e m c t t l a f f i ce n g i n e c r i n gf i e ) 髓dv i ne f f e c t i v e l y t 觚co r i g i n a t i n gi sat e e l m o l o g yt o m a k ef i l n 懈eo ft h en e t w o r k 豫砌- l r o 瓯i tc 趾b e 璐e dt om a k et h en e t w o r kr 髂o u r c 鹪 u n i f o r m w h i c hc a l la v i dn e 撕o r kc o n g e s t i o n , b ya r r a n g i n gt h ed a t a 仃a 蚯ct l a r 邮g l ap n e t w 幽r e a s o n a b l y 脚lm c c h a n i s mi s 雅e x 觚i o no fm p l s1 e h 汛c a l ls w i t c ht h e 仃a 塌c1 0 a d i m m e d i a t e l yt ot h eb a c k - u pp a t hw h e n an o d e0 rl i n ki nt h el s pf a i l s ，a n dt h e ni m p r o v e t h ep c r f o 姗卸o fn e t w o r k t h eb a c k u pl s pt u m l e l sf o rl o c a lr e p a i ra r cn e e d e dt 0b e d 黯t a b l i s l i e d a n dt h e nf r re n a b l et h e 坤d i r c d i o n0 ft r a f f i co n t ob a c k u pl s p t t t t m d si n1 0 so fm m i s c c 叫d s ，i nt h ec v e mo fa d cm l i n ki nt h el s pf a i l s i ti s e x t r e m e l yi m p o r t a n tt h a tt h ef l o wo fl 舭l c d 仃a f f i ew n lb en o td i s 邝p t c dd u et 0t h e i m m e d i a t e 哪i t c 4 l o v 盱 1 1 l i sp a p e ri n 仰d u c e st h em p l st et e e l m o l o g y 猫w e u 弱s i g n a l 胛o t o e o lr s v p t et 0 i m p l c m e n tt h cm p l st ei nd c t a i l , a n d 也i n 删u c e sp r i n c i p l 越d f u n e t i o n a l n i e so ff r r f a c i l i t y ，w h i c ha r em c c h a n i 锄so fr s v pt e 眦n s i o 璐m p l s t ef r rf a d h 哆i si m p l 锄t e d 峭堍a n s ic ，a n d 眦t c s t c di nar e a le 】【p l e d e n t a l n e t w o r k t h et e s t 删t 砌i c a t e dt h a tt h er c a l i z a t i o no ff r rm c c h a n i s mc a ns w i t c h w i l hm i n i m a lm e r e 踮ei nl a t c n a n dr 甜u c cp a c k e tl o s sw h e nl i n k s 们o d e sa 坞m v a l i d s o i t d o e s h a v c a g r e a t i m 芦o v e m c n t 缸t h ep c 触a n o eo f 触 k e y w o r d ：m u l t i - p m t o e o lb b e is w i t c m n g t r a m ee n g i n r i n g r 秭椰r er e s e r v a t i o np r o t o c o l f a s tr e 删t ep r o t e e t d o n 创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下 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：也不包含为获得西安电子科技 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了明确地说明并表示了谢意。 本人鼢叠癣 一 眺一 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰 写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名：盘鱼 导师签名 日期： 2 q q 2 ：! ：5 日期：2 q 皿：! ：5 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 随着网络的快速发展，更快的速度，更好的服务已经成为新网络技术发展的 方向。与此同时，用户对网络服务质量的要求也在不断提高。而目前传统的p 网 络是一种“尽力而为”的服务模型，m p l s ( 多协议标签交换) 技术由于其具备 快速转发，o o s 保证，多业务支持等优势获得了长足的发展，在下一代网络中扮 演着越来越重要的角色【1 1 。为了保证m p l s 网络的可靠性，m p l s 快速重路由f a s t r e - r o u t e 技术扮演了重要角色。 快速重路由是m p l st e ( t r a f f i ce n g i n e e r 流量工程) 中一套用于链路保护和。 节点保护的机制，当l s p ( 标签交换路径) 链路或者节点故障时，在发现故障的 节点进行保护，以使得数据传输不至于发生中断。快速响应、及时切换是m p l s 快速重路由的特点，它可以保证业务数据的平滑过渡，不会导致业务中断，业务。 数据会一直通过保护路径转发。保证m p l s 网络的可靠性，m p l s 快速重路由技术 借助m p l s 流量工程的能力，为l s p 提供快速保护倒换能力，m p l s 快速重路由需 要事先建立本地备份路径，使得被保护l s p 不会受链路，节点故障的影响，当故障+ 发生时，检测到链路，节点故障的设备就可以快速将业务从故障链路切换到备份路 径上，从而减少数据丢失。快速重路由的优势除了可以提高保护恢复的速度外， 通过有选择的在网络薄弱环节配置保护能力，避免了在可靠网络重复保护、无谓 消耗核心网络资源。m p l s 快速重路由技术可提供5 0 m s 内的保护切换，从而满足 人们对网络性能要求不断提高的需求。 互联网的迅速发展是信息技术发展的一个集中体现，随着互联网的规模迅速 扩大，互联网用户的数目成指数增长，与此同时，用户对网络服务的要求越来越 高。而目前的口网络所具备的服务类型已渐渐不能满足用户的需求，随着网络业 务的进一步发展，作为多业务统一承载的口网络在可靠性方面也需不断提高。 m il s 技术自2 0 世纪9 0 年代出现后由于其所具备快速转发，o o s 保证，多业务支持 等优势，被认定为下一代网络技术中的核心技术 2 1 m i l s 快速重路由f a s t r e - r o u t e 技术为保证m i l s 网络的可靠性扮演了重要角色，通过预先建立的备份隧 道来为所需保护的链路提供保护，失效发生时，能实现快速切换，使得所传输业 务流在此时不会中断，满足客户所需。快速重路由即为一种保护的过程1 3 1 ，为所 需保护的重要网络环节提供保护本文着重陈述的是快速重路由所能提供的关于 局部保护的优势，其中包括节点保护和链路保护。在实现该功能过程中，灵敏的 2基于m p l s 流量工程的快速重路由及其机制实现 隧道故障检测和切换机制是其实现的关键。 下一代互联网的核心能力在于：高可扩展性、高可用侄、多业务融合承载能 力、区分服务提供能力、可管理性和安全性。这些能力对应到设备上就转换为一 个完整的指标体系，包括：设备可用性及其控制转发平面的稳定性、交换容量和 路由，标签组播容量、流量转发能力、快速路由收敛和快速重路由能力、服务质 量保证能力、m p l sv p n 和组播业务能力、i p v 6 能力、网络管理和安全能力等。 由中不难发现m p l s 技术、流量工程技术以及快速重路由技术在下一代互联网中 的核心技术地位，其发展应用已越来越白热化。如在目前广受关注的c n 2 网络中， 其核心技术即为m m p l s 。为其提供核心路由器的都是世界顶级的设备生产商， 如恩科、上海贝尔阿尔卡特、j u n i p e t 等。全网采用了m p l s 、保证8 个等级的q o s 以及i p v 6 硬件转发等代表当今邛尖端技术的技术，在m p l s 层面，核心节点之间5 0 条链路部署了f r r ，可实现5 0 m s 的保护切换。这些资料表明思科、l t m i p e r 等都有 基于f r r 功能的可实现，以及论文所涉及的实习所在国内某公司课题组的研究现 状，可见快速重路由功能在国内外的主流设备生产商中都已有基于理论的可实现， 但距离具体的商业应用还有多远，仍需拭目以待。总之，目前快速重路由技术正 处在发展时期，基于理论的实现在国内外都已有初步实现，但真正意义上的应用 至少国内目前是还没有。所以，h 汛技术的发展仍任重而道远，其技术的完善是 我们工作的意义所在。 1 2 论文的主要内容及结构安排 论文共分六章，各章节的具体安排如下； 第一章绪论部分对论文相关背景进行了概述，大概描述了本课题的选题意义、 技术的发展现状以及章节编排。 第二章分别对m p l s 和流量工程( t e ) 都进行较为基础的介绍，针对m p l s 是什么以及有些什么优势所在后，描述了m p l s 的结构及其工作原理，然后针对 其应用方面引出流量工程，概要的描述了流量工程的发展史，其构成的部件以及 具备流量工程能力的流量主干所具备的属性。然后对我们快速重路由的直接应用 相关的基于r s v p ( 资源预留协议) 的流量工程及其建立t s p ( 标签交换路径) 的过 程亦进行了较为详尽的描述，最后给出的是关于用在信息检测中的h e l l o 消息的 介绍。本章来源于对现有参考文献【1 】至文献1 1 0 等文献的综合学习以及自己工作 中对m p l st e 的理解，然后针对后述章节所需具备的基础理论而进行的归纳整 理。 第三章对f r r ( 快速重路由) 的产生原因进行了描述，然后针对它其实就是 一个保护的过程，引出保护的方式，即f i 浪所具备的方式，局部保护和全局保护， 第一章绪论 我们着重介绍的是局部保护中的节点保护和链路保护。描述了保护过程的几个介 绍以及最后f r r 在切换途中的消息过程以及流量在其上面传递时的切换过程。本 章主要来自于项目组对融c 文档的学习而做出的总结上，参考文献由【9 】至【2 6 】等 文献，根据自己的理解以及结合论文所需知识点来进行描述。 第四章讲述了关于f r r 功能中的局部保护的具体实现，先概要的描述了f r r 功能的实现基础t e 功能的体系结构，接着对课题组具体需要实现的f r r 几个功能 进行了介绍，后面介绍了具体实现所涉及的模块间接口，最后才描述了其从数据 结构，处理流程以及代码实现这几个方面来阐述基于f r r 真正意义上的实现。其 具体开始实现于我进入课题组之前，进去后有幸跟踪其进展，由此对课题组的整 体实现功能都有涉及，根据内部资料，在此基础以及自己的理解上进行的描述。 第五章借助测试仪对所实现的功能进行了验证，证明f r r 技术的实现在实际 路由器应用上有比不配置该功能时的丢包以及切换时间上都有很大的优势。本章 工作是个人在课题组中的主要工作，通过验证其实加深了自己对于整个项目所需 实现的理解。整篇文章的叙述理解几乎都是在此工作过程中得出的学习总结。 第六章概括性的对论文进行总结。 第二章m p l s 的流量工程技术5 第二章m p l s 的流量工程技术 2 1m il s 多协议标签交换 m p l s ( 多协议标签交换) ，一种旨在解决联网环境中使用的分组转发技术相 关等许多问题的技术。这一技术结合了二层交换和三层路由的特点，将第二层的 基础设施和第三层的路由有机地结合起来，在m p l s 的网络中采用的是边界路由， 核心交换的方案。 2 1 1m p l s 的优势所在 m p l s 主要目标是为集成标记交换中继方案和网络层路由的技术制定标准。标 记交换将改善网络层路由技术的性价比，提高网络层的可缩放性，并在路由服务 方面提供更大的灵活性。以前我们常提到其一个优点就是快速转发，但随着路由 技术的发展，转发速度已不是其显著优势，m p l s 依然是下一代网络的核心技术， 因为其优点并不只体现在快速转发上，它将为运营商和大型企业带来众多的利益。 国内外的一些运营商以及大型企业已经开始在它们的骨干内部利用m p l s 来提高 网络资源的使用率。作为一个大规模运营商网络的未来关键技术，m p l s 可以为运 营商或者大企业带来的好处有【5 】： 1 ) 功能上的独立性按照m p l s 的思想，转发功能和路由功能试分开的， 这样m p l s 的核心只简单地执行转发功能，而无须检查包的全内容，这就 允许了仅在网络的边缘实施一次路径以及策略的选择。使整体运营商骨干 网络性能地提高得到了保证。 劲性能的优化m p l s 很好地结合了第二层交换的高效性以及第三层路由 的灵活性，既简化了口路由的操作，也高效地利用了网络的资源，从而使 网络的性能得到优化。 3 ) 资源的控制m p l s 允许你可以很好地控制资源，可以使流量工程自动 化成为可能。 钔网络的演进- - m p l s 正在演进到一个强大的骨干网络中去。在这个网络 中，m p l s 作为唯一一个运行在多种第二层媒质之上的协议，将成为承载 第三层业务( i l i ) 的一项关键技术。 分支持面向连接的0 0 s 保证，解决了传统口骨干网络的服务质量保证问题。 国可以提供i pv p n 业务。 6基于m p l s 流量工程的快速重路由及其机制实现 刀简化、，6 实施。 2 1 2 什么是m p l s l 4 i n m p l s 是一个可以在多种第二层媒质上进行标签交换的网络技术。这一技术结 合了第二层交换和第三层路由的特点，将第二层的基础设施和第三层的路由有机 地结合起来。第三层的路由在网络的边缘实施，而在m p l s 的网络核心采用第二层 交换。 通过m p l s ，第三层的路由可以得到第二层技术的很好补充。充分发挥第二层 良好的流量设计管理以及第三层“h o p - b y - h o p ”( 逐跳寻径) 路由的灵活性，以实 现端到端的q o s 保证。 一个形象的比喻： 我们从a 地走到b 地的方法大体有三种：一种是大概朝着一个方向走，走不通就 换，直到走到了为止；另外一种方式却截然相反，就是每过一个街区就问一次路， “我要去b 地，下一步怎么走? ”，就像我们去一个陌生的地方，生怕走错了路会 遇到危险；最后一种情况就是在出发前就查好地图，知道如何才能到达b 地，“朝 东走5 个街区，再向右转第6 个街区就是”。 这三种情况如果和我们的包传输方式关联的话，不难想像分别是广播、逐跳 寻径以及源路由。 当然，如果我们是跟在向导后面走，就会存在第四种走法。向导可以在走过 的路上做好标记，你只要沿着标记的指示走就可以了。而这，就是“标记交换”， 也可以理解为参加了旅行团。见图2 1 ： 标记交挠路径( l s p ) 图2 1 标记交换路径 第二章m p l s 的流量工程技术7 2 1 3m p l s 结构及工作原理1 5 1 s l m p l s 体系结构有两个独立的组件组成：转发组件( 也叫数据层面) 和控制组 件( 也叫控制层面) 。见图2 2 。其中数据层面使用标记交换机维护的标签转发数 据库，根据分组携带的标签执行数据分组的转发任务，其更多的侧重与各链路层 媒质配合的问题，包括标记和标记封装等相关规定。控制层面负责在一组互联的 标记交换机之间创建和维护标签转发信息( 被称为绑定) ，它负责标记交换路径 的建立、拆除、保护、重建立和重路由等，是整个m p l s 理论的核心。 幽2 2 执行口路由的m p l s 节点的基本体系结构 m p l s 由l s r ( 标签交换路由器) 和l s p ( 标签交换路径) 组成。其中l s r 除 了可以执行第3 层路由选择和第2 层交换外，还可以交换带有标签的数据包。依据 l s r 所处的位置和功能，可以分为l e r ( 边缘标签路由器) 和l s r ( 专指核心标签 交换路由器) ，其中l e r 完成对球分组进行分类、标签绑定、转发等功能，l s r 只对标签包进行标签交换和转发。 从结构上说，l s r 有两个结构平面：转发平面和控制平面。每个l s r 维护着与 m p l s 转发相关的两张表：l i b 表和l f i b 表，l i b 表包含了由本地m p l s 节点分配的 所有的标签，以及这些标签与从邻接m p l s 节点收到的标签之间的映射关系；l f i b 使用l i b 中所含标签的一个子集来进行实际的数据包转发其中l s r 控制平面负责 维护l f i b 表和向u 强表添加条目。l s r 转发平面负责根据所附标签内的值查找自 己的l f i b 表c a 标签、出标签、出接口、下一跳地址) 来转发该带有标签的数据 包。 8基于h 砰l s 流量工程的快速重路由及其机制实现 m p l s 其基本工作原理为：在m p l s 网络的边缘对收到的分组进行分类，按照 分类的结果给分组加上一个定长的标签，该标签将对应于与对该分组的处理方式 ( 使用的路由、资源预留、业务量参数、业务等级等) 有关的一切信息，在m p l s 网络中，将完全依赖这一标签对分组进行转发以及有关的处理，在m p l s 出口，去 除分组标签并转发该口包。可见，m p l s 的基本思想是对网络设备的简化和对分组 的分类转发。每个m p l s 节点都必须运行一种或多种口路由协议( 或依赖静态路由 技术) ，以便与网络中的其他m p l s 节点交换i p 路由信息。m p l s 通过每一个节点 的标签交换来实现包的转发。m p l s 允许不改变现有的路由协议。 m p l s 可在多种第二层的物理媒质上实施，目前有a t m 、f r ( 帧中继) 、e t h e m e t 以及p p p 。m p l s 是一种特殊的转发机制，它为进入网中的口数据包分配标签，并 通过对标签的交换来实现口数据包的转发。标签作为m 包头在网络中的替代品而存 在，在网络内部m p l s 在数据包所经过的路径沿途通过交换标签( 而不是看口包头) 来实现转发；当数据包要退出m p l s 网络时，数据包被解开封装，继续按照m 包的 路由方式到达目的地。m p l s 可以看作是一种面向连接的技术。通过m p l s 信令或 手工配置的方法建立好m p l s 标记交换连接( l a b e ls w i t c h e dp a t h ，简称l s p ) 以后， 在标记交换路径的入口把需要通过这个标记交换路径的报文打上m p l s 标签，中间 路由器在收到m p l s 报文以后直接根据m p l s 报头的标签进行转发，而不用再通过 礤报文头中的口地址查找。在m p l s 标记交换路径的出口( 或倒数第二跳) ，弹出 m p l s 报头，还回原来的职包。 m p l s 技术兼有基于第二层交换的分组转发技术和第三层路由技术的优点，将 第二层的基础设施和第三层的路由有机地结合起来。第三层的路由在网络的边缘 实施，而在m p l s 的网络核心采用第二层交换。贯穿整个网络的转发机制是标记交 换，在这种技术中，数据单元( 如分组或信元) 携带一个长度固定的短小标签， 该标签告诉分组路径上的交换节点如何处理和转发数据。 下面我们主要来介绍一下标签的分配、控制及其保持方式： 夺m p l s 标签分配方式 按照分配标记与接收上游请求之间有无必然因果关系可以把m p l s 标签分发 方式分为两种：下游自主标签分发方式和下游按需标签分发方式。 下游自主标签分发方式：d u ( d o w n s t r e a mu n s o l i c i t e d ) ，对于特定的一个f e c ， l s r 无须从上游获得标记请求信息即进行标记分配与分发的方式。 下游按需标签分发方式d o d ( d o w n s t r e a mo nd e m a n d ) ：对于特定的一个f e c ， l s r 从上游获得标记请求信息之后才进行标记分配与分发的方式。这种方式在l d p 中几乎已不用，但r s v p 只采用下游按需标签分发方式。 具有标记分发邻接关系的上下游l s r 之间必须对使用哪种标记分发方式达成 一致。 第二章m p l s 的流量工程技术9 夺m p l s 标签控制方式 按照节点与下游节点发送标记映射有无前后顺序关系可以把标签控制方式分 为两种：有序标签控制方式和独立标签控制方式。 有序标签控制方式：除非璐r 是路由的始发节点，否则l s r 必须等收到下一跳 的标记映射才能向上游发出标记映射。它的优点是不会造成带宽和标签资源预留 浪费的情况，不容易形成环路，但建路速度较慢。 独立标签控制方式：l s r 可以向上游发出标记映射，而不必等待来自l s r 下一 跳的标记映射消息。它的优点是建路迅速，但在建路出错的时候会在一段时间内 浪费一定数量的标签资源和带宽等资源，且容易造成环路 目前比较流行的是有序标签控制方式。 m p l s 标签保持方式 标签保持方式有两种：保守标签保持方式和自由标签保持方式。 自由标签保持方式：保留来自邻居的所有发送来的标签；它的优点是当i l i 路由 收敛、下一跳改变时减少了l s p 收敛时间；缺点是需要更多的内存和标签空间。 保守标签保持方式：只保留来自下一跳邻居的标签，丢弃所有非下一跳邻居 发来的标签；它的优点是节省内存和标签空问；缺点是当口路由收敛、下一跳改变 时l s p 收敛慢。 目前比较流行的是自由方式。 这边也略提一下基于两个特殊标签：显式空标记0 ，和隐式空标记3 ”。这两个 标签都是出n l s r 分配给倒数第二跳l s r 的。显式空标记的使用是倒数第二跳给分 组包加上显式空标签叼”，出c i l s r 替换标记和出接口的时候发现入标签是“o ，就 弹出标签，把不带标签的分组包从对应的出接口转发出去。隐式空标记的使用是 倒数第二跳在替换标签的时候发现新标签是“3 ”，就舍弃新标签( 弹出标签) ，把 不带标签的分组包从对应的出接口转发给出n l s r ，出i z i l s r 直接基于口分组头对 分组包进行转发( 不再有查找标签表的过程) 2 1 4 m p l s 的应用 一般地，人们可以看到m p l s 对网络的影响主要在三个方面：在口网络的q o s 方面，在口网络的流量工程方面，以及在口网络的新业务方面( 如v p n ) 。下面我 们主要来介绍一下其在流量工程方面的应用。 流量工程可以说是m p l s 的最大优点之一。流量工程( t e ) 主要是优化运行网 络的性能。一般来说，它包含了技术的应用、测量的科学准则、模型化、归纳和 因特网流量的控制，以及如何将这些知识和技术应用到实践中来获取一些特定的 性能指标。 基于m p l s 流量工程的快速重路由及其机制实现 流量工程的一个主要目的就是在促进有效、可靠的网络操作的同时，优化网 络资源的利用率和流量的性能。由于网络资源的昂贵和因特网激烈的商业竞争的 本质，流量工程已经成为大型自治系统中一个不可缺少的功能。这些事实都说明 有必要最大限度的提高运行的效率。 利用m p l s 实现流量工程，可以使网络管理员从繁琐的手动调节困境中解脱出 来，使流量工程自动化成为可能。另一方面，m p l s 也使流量工程的目的实现起来 变得很容易，即使是一个复杂的运营商网络。它可以为关键业务避免或减轻拥塞 所带来的影响，并且可以实现端到端的服务质量c o o s ) 保证。下面我们将详细介 绍其在流量工程上的应用。 2 2 流量工程 流量工程就是将流量映射到网络结构中以期获得特定的性能指标。通常，性 能指标可以是面向流量和面向资源的。面向流量的性能指标包括分组丢失率、网 络延迟、延迟变化等，与网络o o s 相联系；面向资源的性能指标与优化网络资源的 利用有关。通过流量工程可以在网络中不同的链路、路由器和交换机之间平衡业 务负载，使所有这些成分既不会过度使用，也不会末被充分使用，实现有效利用 整个网络所提供的各种资源的功能。 2 2 1 流量工程技术的发展过程 路由器流量工程技术大概分为三个发展阶段：基于度量( m e t r i c ) 的i g p 流量 控制、m 慨重叠模型实现流量控制、m p l s 流量工程。 基于度量的i g p 流量控制是在传统i g p 的基础上通过修改链路的度量值来实现 流量的负载均衡，这种方法在1 9 9 5 年前基本能满足要求，但随着网络规模和用户 的迅速增长，人工修改链路度量值已不可能，并且某条链路度量的改变也将严重 影响网络的其它部分，因此这种方法目前已不能满足流量工程的要求。 i p a t m 重叠模型是使用基于a t m 的p 网络来实现流量控制，它可以实现基于 约束的显式路由、呼叫接纳控制、业务整形和流量策略、v c 通路的显式管理配置 等功能。但它在管理费用、设备费用、操作稳定性和扩展性上都有缺陷，表现在： 它需要管理底层的基础a t m 设施和逻辑口网络，管理复杂，协同操作较难；a t m 路由器接口跟不上带宽增长的速度；面向分组的m 协议转为a t m 信元要增加2 0 的信头开销；全网络p v c 配置带来了n 平方问题，不利于扩展。 m p l s 是当前最好的流量工程解决方案，主要体现在以下几个方面：显式l s p 可由管理员配置，也可由底层协议创建；l s p 潜在维护效益好：主干业务流可立即 第二章m p l s 的流量工程技术 1 1 映射到l s p 上；m p l s 对流量中继附加了一些属性，便于调节；m p l s 运行业务流 的聚合和分解；m il s 更容易实现基于约束的路由集成：用m p l s 实现流量工程有 更优的性价比。 2 2 2m p l s 流量工程四大部件 流量工程的本质就是将业务流映射到实际的物理路径上去。对于m p l s 来说， 其中心思想就是为根据当前网络情况为数据包确定合适的物理路径( l s p ) 并在该 路径上快速传送数据包。 使用m p l s 实现流量工程包括四个主要功能部件：信息发布、通路选择、信令 部件和分组转发。 l s r 框图 i g p 路由选择l s p 通路选择 p 建立 链路状态流量工程 l 阱啊 数据库 数据库 信令部件 r 信息息漉 11 i i s i s ，o s p f 路由 ii 一 扭输入 1 r ， 分组蔫 r ”j n f f ，r w 图2 3 ：m i l s 流量工程结构图 信息发布部件：m p i _ s 流量工程使用扩展后的i g p 来获取网络拓扑的细节和动 态的网络负荷信息，扩展后的1 0 p 链路属性里包含了每个路由器的链路状态广播， 这些链路状态被广播发布至路由域中的所有路由器。加到i g p 链路状态广播上的流 量工程扩展部分有：最大链路带宽、最大预约链路带宽、当前预留带宽、当前使 用带宽和链路颜色。 ， 每个l s r 通过一个专门的流量工程数据库( d ) 来管理网络链接属性和拓扑 信息。t e d 是用来计算显式路径的。维护一个独立的数据库是为了使流量工程计 算独立于i g p 和i g p 的链路状态数据库。同时，i g p 可以不经任何修正地继续进行操 作，完成传统的最短路径计算。 通路选择部件：当网络链路属性和拓扑信息由i g p 传播出去并存于t e d 后，每 个入节点( i n l s r ) 使用t e d 计算穿过路由域的l s p ，每个l s p 的路径表示为严格 或松散的显示路由。入d l s r 通过对t e d 的信息使用约束最短路径优先算法来确定 每条l s p 的物理路径。c s p f 算法的约束条件有：链路状态拓扑信息、网络资源状 基于m p l s 流量工程的快速重路由及其机制实现 态属性，如总链路带宽、预留链路带宽、可用链路带宽等支持流量属性的管理属 性。 信令部件：信令部件负责根据通路选择信息建立l s p 并分发标签，这个信令可 以是r s 扩展的资源预留协议或l d p c r - l d p 标签分发协议。 分组转发部件：在已建成的i s p 上采用m p l s 对数据包进行标签交换和转发操 作。 2 3r s v p t e 协议 r s v l d l 5 】是基于集成服务模型的一种用于预留资源的协议，由于其本身提供一 整套资源预留机制( 特别是消息交互机制) ，可以很好的被m p l s 利用来进行标签 交换路径l s p 的建立，仅仅需要在现有的r s v p 消息中加入有限的几个新的对象就 可以利用其资源预留过程方便的建立l s p ，同时也继承了r s v p 与生俱来的资源预 留能力，可以提供o o s 保证。 i e t f ( 互联网工程任务组) 为扩展r s v p 提出了r s v pt e 嘲，即基于流量工程 的r s v p 扩展协议，在已有的r s v p 协议基础上加入了几个新的消息对象，用于在 m p l s 网络中发起标签请求和分发标签绑定来建立和维护l s p ，并提供重路由l s p 和增加己建立的l s p 的带宽的能力。 r s v p 协议使用u d p 数据报或者原始口发送消息，不受d o s ( 拒绝访问式攻击) 的影响，本身设计有准入控制和加密措施，安全基础很好。r s v p 错误定义灵活， 可以精确定义各种错误类型，方便错误处理。r s v p 的这些良好特性被r s v pt e 所 继承。 2 3 1 r s v p t e 与r s v p 的比较 r 与传统r s v p 相比，r s v p1 e 作了如下几个方面的改进： ( 1 ) r s v pt e 新增了一些对象【1 s l ：标签请求对象、标签对象、e r o 、r r o 等 以支持显式路由标记交换路径的建立和管理； ( 2 ) r s v pt e 是针对聚集流的资源预留，通过汇集众多主机到主机业务流至 一条l s p 隧道，r s v pt e 明显减少了管理所需的r s v p 状态的数量； ( 3 ) r s v p1 e 支持高优先级l s p 抢占低优先级l s p 的资源； ( 4 ) 通过r s v pt e 建立的路由将不再是传统的面向目的地的路由，而是基于 各种约束的显式路由； ( 5 ) r s v pt e 不仅为l s p 建资源预留状态，还配置转发状态； ( 6 ) r s v p1 e 会话不再局限于一对主机之间，可在一对l s r 间进行； 第二章m p l s 的流量工程技术 ( 7 ) r s v pt e 提供m a k e - b e f o r e - b r e a k 方式重路由功能； ( 8 ) r s v pt e 对传统r s v p 软状态模型的扩展、延迟以及业务开销等问题， 都增加了相应的补充，减少了刷新信息的数量及相关的信息处理需求。 2 3 2r s ，t e 的新增对象 r s v pt e 的新增对象包括：标签请求对象( l a b e l _ r e q u e s t ) 、标签对象 ( l a b e l ) 、显式路由对象( e r o ，e x p l i c i t _ r o u t e ) 、记录路由对象( r r o ， r e c o r dr o u t e ) 、会话属性对象( s e s s i o na t i r i b u t e ) 等。 r s v p i e 通过在原有r s v p 的p a t h 消息中加入l a b e l m p l s 网络中的上游节点可以向下游节点请求标签分配，而下游节点则可以通过在 r s v p 的r e s v 消息中加入l a b e l 对象向上游节点通告标签绑定。p a t h 消息在m p l s 网络中的传输通路就是所要建立的璐p 通路。 为了能够由管理员人工指定路由来建立l s p ，或在m p l s 网络边缘入口节点由 路由协议计算路由来建立l s p ，r s v pt e 在p a t h 消息中增加了e ，u c i t r o u t e ( 显式路由) 对象，通过该对象可以实现基于显式路由建立l s p 。所以r s v p 坡 持两种l s p 建立方式，一种是逐跳路由方式，即在各个m p l s 节点通过扩展的路由 协议单独计算下一跳的路由，确定下一跳节点，这与传统口网络的常规路由方式基 本相同；另一种是显式路由方式，即在入口节点，根据管理员指定或由扩展的路 由协议计算一条由入口到出口节点的明确节点序列构成的路由通路，然后将该节 点序列封装成e x p l i c l t _ r o u t e 对象加入p a t h 消息中，仅在该节点序列构成的通 路上传输p a t h 消息和返回相应的r e s v 消息，从而达到根据显式路由建立l s p 的目 的。 显式路由对象是r s v pt e 实现流量工程的最重要方式，借助显式路由对象， 可以在边缘入口节点通过流量工程策略确定显式路由( 通过人工指定或者路由协 议实时计算得出) ，然后由r s v pt e 完成具体的l s p 建立。此外，r s v pt e 通过抽 象节点的概念扩展了显式路由，对于边缘入口节点而言，抽象节点表现的就是一 个普通的l s r 节点，尽管其可以是一个自治系统或者由一串l s r 构成，而这个自治 系统或一串l s r 的实际拓扑对边缘入口节点而言是无关紧要且无需了解的，这就简 化了边缘入口节点计算显式路由，使得显式路由更加灵活。t r s v pt e 通过在p a t h 消息中增加r e c o r d对象使入口 可以知道_ r o u t e l s r 到l s p 隧道穿过的实际路由信息，可用于环路检测。 r s v p1 e 在p a t h 消息中增加s e s s i o n - a t r r i b u l e 对象，该对象包括建立优先 权、保持优先权、标志位( 0 - - 以定义本地保护、标记记录、请求s e 预留风格) 、 会话名长度、会话名等字段。 “ 基于m p l s 流量工程的快速重路由及其机制实现 2 3 3 运用r s v p t e 建立l s p 条典型的l s p 通路如图2 a 所示，l s r l 和l s r 4 分别是m p l s l i i j 络的边缘入口 和出口节点，l s r 2 和l s r 3 则是m p l s n 络中的中间节点( 抽象节点) 。假设显式 路由即为璐r 1 一l s r 2 一l s r 3 l s r 4 。 图2 4 1 采用r s v p t e 建l s p ( 1 ) 当m p l s 网络入口节点如l s r l 根据c s p f 计算出了一条显式路由( 即1 2 3 4 路由) ，l s r l 作为入口节点将根据该显式路由封装e x p l i c i tr 0 u 1 e 对象 ( e r o ) 和l a b e lr e q u e s t 对象，将这两个对象加入新建立的p a t h 消息并沿显 式路由发送到下游节点l s r 2 ： ( 2 ) l s r 2 为收到的p a t h 消息建立p a t hs t a t eb l o c k ( p s b ，路径状态块) ，p a t h 消息里的l a b e lr e q ir e s t 对象会触发璐r 2 预先分配一个标签3 0 ，然后l s r 2 从消 息的e r o 中去除自身的节点信息，按照显式路由将修改后的p a t h 消息发向下游节点 l s r 3 1 ( 3 ) l s r 3 的处理与l s r 2 相同，预先分配的标签5 0 ： ( 4 ) l s r 4 收到p a t h 消息后，根据其中的目的地址发现自己就是这条l s p 的出 口节点，于是l s r 4 为这个p a t h 消息建立p s b ，并为这条显式路由在本节点分配一个 隐式空的标签3 ，将该标签值3 封装a l a b e i 对象后加入r e s v 消息，为r e s v 消息建 立一个r e s e r vs t a t eb l o c k ( r s b ，预约状态块) ，沿着显式路由逆向发向上游节点 l s r 3 1 ( 5 ) l s r 3 在收到该r e s v 消息后，将标签值3 和岱r 4 的地址填入这条璐p 对应 的标签转发表目的出口项中，同时将先前分配的标签5 0 替代r e s v 消息中的标签3 ， 并将新标签5 0 填入转发表目的入口项中，从而构成标签5 0 映射到标签3 且包含下一 跳地址( 即l s r 4 ) 的一条完整转发表目，最后建立r s b 并将修改后的r e s v 消息按 显式路由逆向向上游发向l s r 2 ； ( 6 ) l s r 2 在收到该r e s v 消息后，将标签值5 0 和l s r 3 的地址填入这条l s p 对应 第二章m p l s 的流量工程技术 的标签转发表目的出口项中，同时将先前分配的标签3 0 替代r e s v 消息中的标签5 0 ， 并将新标签3 填入转发表目的入口项中，从而构成标签3 0 映射到标签5 0 且包含下一 跳地址( 即l s r 3 ) 的一条完整转发表目，最后建立r s b 并将修改后的r e s v 消息按 显式路由逆向向上游发向l s r i ； ( 7 ) l s r l 收到r e s v 消息后，知道指定l s p 己经建立成功，且各节点都为该l s p 分配并绑定了标签，建立了标签转发表目；l s r l 将r e s v 消息携带的l s r 2 分配的标 签值3 0 填入转发等价类f e c 的表目中，属于该f e c 的数据包都将贴上标签3 0 并转发 到璐r 2 ，此时，l s p 已经可以分配用于传输数据流量。 ( 8 ) l s p 建立完成后，l s r l 需要定期重新发送p a t h 消息刷新显式路由中所有 节点的p s b ，l s r 4 则定期重新发送r e s v 消息刷新显式路由节点的r s b 。如果在一 个确定时间间隔内，显式路由中的节点没有收到刷新消息，将会导致节点删除超 时的p s b 或r s b ，收回已分配标签和资源。l s r l 也可以显式发送p a t h t e a r d o w n 消 息来拆除已经建立的l s p ，使得显式路由上的各个节点删除p s b 和r s b ，收回已分 配标签和资源。 ( 9 ) l s p