（应用数学专业论文）mpls流量工程故障恢复机制的研究与仿真实现.pdf

河南大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着i n t e m e t 网络规模的迅猛发展和新业务的大量涌现，如何提高网络的服务 质量成为当前迫切需要解决的问题。i p 协议是无连接协议，不能保证足够的吞吐 量和符合要求的传送时延，只是尽最大的努力( b e s t - e 舫n ) 来满足用户的需要。多 协议标签交换技术m p l s ( m l l l t 卜p r o t o c o l l a b e is w i t c l l i n g ) 是下一代i m e m c t 宽带网 络技术，它综合利用网络核心的交换技术和网络边缘的i p 路由技术，对网络流量 进行合理的控制，使得网络流量均衡地分布在网络中，从而提高网络性能，具备 流量工程的功能。 然而，在m p l s 网络中，当网络发生断线故障时，无法象传统i p 网络，数据 包可以通过路由表找到别的路径传送到达目的地，在m p l s 网络中由于断线故障 造成一条l s p 不通时，如果没有另外一条备份l s p ，将会导致业务流传送断掉。 所以m p l s 的故障恢复机制( f h l cr e c o v e r y ) 一直是m p l s 流量工程研究的重点 之一。 本文的主要工作如下： 1 研究了m p l s 技术的相关规范和标准，并分析m p l s 网络的体系结构、运 行机制和关键技术以及m p l s 的故障恢复机制。 2 分析基于m p l s 流量工程的各种快速重路由算法的实现机制，在现有算法 的基础上提出了一种分布式的m p l s 快速重路由算法。算法通过划分自治域，构 建分布式模型，并行预先计算备份路径，从而大大降低了原来算法中对整个拓扑 预先计算备份路径的复杂度。 3 基于n s 设计出m p l s 的故障恢复仿真器，在该仿真平台上对相关算法进 行了仿真验证，并给出了仿真结果的性能分析和比较。 关键词：多协议标签交换：故障恢复；快速重路由；n s 本文受到河南省自然科学基金项目( 0 4 1 10 1 4 1 0 0 ) 与河南省教育厅自然科学基金( 2 0 0 6 5 2 0 0 0 1 ) 的支持 a b s t r a c t w i t l lt l l ee x p l o s i v eg r o w 山o fm ei n t e m e ts c a l ea j l dt h ee m e 唱e n c eo fa l o t0 fn e w s e r v i c e s ，h o wt oi m p r o v et h eq o so f t h ei n t e m e tb e c o m e st h ep r o b l e m ，w h i c hu r g e n t l y n e e df o rs o l u t i o n i pi sac o n n e c t i o n l e s sp r o t o c o la n di tc a t l te n s u r ce n o u 曲m r o u g l l p u t s a n da p p r o p r i a t et r a n s m i s s i o nd e l a y ，a 1 1 dt r yi t sb e s tt 0m e e tt h er e q u i r e m e n to fu s e r s - m p l s ( m u l t i p r o t o c o l l a b e l s 、v i t c h i n 曲o p p o s e d t 0b et h cb a c k b o n en e t w o r k t e c h n o l o g yo fn e x tg e n e r a t i o ni n t c m e t i tt a k e s9 0 0 du s eo f 山es w i t c h i n gt e c l l l l o l o g yo f t l l ec o r eo fn e t w o r ka n dt l l ei pr o u t i n gt e c l l l l 0 1 0 9 yo ft 1 1 ee d g eo fn e t w o r k ，a 1 1 dw i mm e r e 踮o n a b l ec o n t r o lo fn e t 、0 r kt r a 伍cm p l sc a l lh e l pt oo p t i m i z i n gt h eu m i z a t i o no f n e t w o r kr e s o u r c ea i l di m p r o v i n gt 1 1 ep e r f b n n a n c eo f n e t w o r k h o w e v e r ，i ft h e r ei sn ob a c k u pl s pw h e nt h ep r i m a r yl s pf a i l si nm p l sn e t w o r k ， m p l s 行锄e sc 锄o tb ef o 枷e dt od e s t i n a t i o n t h e r e f o r e ，f n l tr e c o v e r yh 髂b e c o m e a ni m p o r t a l l tr e s e a r c ha r e ai nm p l st r a m ce n g m e e r i n g t h em a i nc o n t r i b 皿o n so f t l l i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 s o m es t u d yo nm p l si sc a r r i e do u t a r c h i t e c t u r e ，o p e m t i o n a lm e c h a n i s m sa n d f 孤l tr e c o v e r ym e c h a l l i s m sb a s e dm p l sa r ed i s c u s s e d 2 a l lk i n d so ff a s tr e r o u t ea l g o 珊m sb a s e dm p l s 仃a 伍ce n g i e e r i n g a r e d i s c l l s s e d an o v e lm p l s 缸tr e r o u t i n ga l g o 删l n li sp r e s e n t e di nd e t a i l 1 1 1 ea l g o r i m m i sc h a r a c t e r i z e db yd i v i d i n gm e 、v ：h 0 1 ec o r en e t 、柏r kt o p 0 1 0 9 yi m os e v e m la u t o n o m o u s d o m a i n st om a k ep r c - c o n s t r u c t e db a c k u pp a mi np a r a l l e l ，w h i c hc 锄r c d u c et l l e c o n l p l e x i t yt os o m ee x t e n d 3 t h i sp a p e r d e s i g n e da i l dr e a l i z e dm p l st r a 历ce n g i n e e r i n gf a l j i tr c c o v e r y s i m u l a t i o nb a s e do nn s i tt e s t e dr e l a t i o n a la l g o r i n l m sa n da n a l y z e dm es i m u l a t i o n r e s l l l ti nt h ee n d k e yw o r d s ：m p l s ；f 扎l tr c c o v e r y ；f a s tr e m u t e ；n s y9 1 0 6 9 7 关于学位论文独立完成和内容创新的声明 掌 论 据 太 校学术发展和进行学术交流等目的，可以采取影印、缩即、扫描 和拷贝等复制手段保存、汇编学位论文( 甄质文本和电子文本) 。 ( 涉及保密内容的学位论文在解密后适用本授权书) 学位获得者( 学位论文作者) 签名：砺瓦良 。o 年6 月f 牛日 洼耄：请在相应的“口，内划- ” 河南大学研究生硕士学位论文第1 页 第l 章绪论 1 1 研究背景 近年来，随着互联网( i n t e m e t ) 的蓬勃发展，出现了“e v e 啪i n go v e ri p ”的 局面，话音、数据和图像等各种业务均能在i p 网上进行传输，i p 业务成为通信业 务的主流。但由于i p 协议是无连接协议，不能保证有足够的吞吐量和符合要求的 传送时延，只是尽最大努力( b e s te 肋n ) 来满足用户的需要，所以出现了服务质量难 以保证、路由器成为瓶颈等问题。 a t m 技术是由电信界提出，为实现宽带综合数据业务网( b i s d n ) 而发展起 来的网络技术，使网络能够传输包括话音、数据和图像在内的各种业务。其主要 优势是能保证端到端的服务质量q o s ，具有流量控制和拥塞控制功能，支持多业 务等。但由于协议较为复杂、缺少良好的a p i 接口以及设备价格昂贵等原因，限 制了a t m 技术的进一步推广。 于是，怎样将删技术与i p 技术的各自优势相结合，来解决目前i m e m e t 网 络中存在的问题，就成为了研究的热点。i p 与a t m 的结合技术主要分为两大类： 重叠模型和集成模型。采用重叠模型时，i p 层叠加在a t m 层之上，a t m 端点使 用a t m 地址选择协议将i p 地址映射到a t m 地址，并通过a t m 路由协议为i p 分 组选择路由。但由于i p 技术是无连接的，a t m 技术是面向连接的，两种技术的这 种结合会造成大量的协议转换以及工作方式转换，进而引起许多问题。而集成模 型是使用第2 层信令与路由协议，直接通过一定的机制使用i p 协议来控制第2 层 交换媒体，避免了复杂的协议转换和地址解析过程。多协议标签交换( m p l s ) 技术 就是一种典型的集成模型技术，它是综合了网络核心的交换技术和网络边缘的i p 路由技术各自的优点而产生的，与传统i p o a ( i p0 v e r a t m ) 技术相比具有很多的优 势。m p l s 提供了一种新的思维：r o u t e0 n c e ，s w i t c he v e 呵o n e 一起始路由器负 责选路，中间路由器负责转发，取代了传统i p 网络对每一个路由器都要查找路由 表进行选路，所以数据包可以更快速的到达目的地。m p l s 通过建立合适的标签交 第2 页河南大学硕士研究生学位论文 换路径l s p 实现对网络流量和资源的合理控制，根据流量的q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 要求选择一条优化的边缘到边缘的路径，能够在网络范围内做负载均衡，甚至可以 通过显式路由来控制业务流可以提供流量工程的保障。m p l s 技术的快速标签转发 以及良好的可扩展性，特别是在流量工程方面和0 0 s 的应用，使得m p l s 技术成 为下一代i p 骨干网的关键技术。 然而，m p l s 数据包都要通过事先建立的l s p 来传送，当网络发生故障时造 成l s p 不通，数据包就无法到达目的地。如何在l s p 断线时仍能正确地将数据包 送达目的地，一直是m p l s 流量工程研究的重点之一。本论文即针对m p l s 的故 障恢复机制( f a u l tr e c o v e r y ) 作相关的研究。 1 2 研究现状 1 9 9 7 年，i n t e m e t 工程任务组i e t f 专门成立了m p l s 工作组，负责开发和制 定有关m p l s 的标准，目前形成的标准草案主要是关于m p l s 技术的基本实现， 包括标签的定义和编码、标签分发协议规范、m p l s 体系机构、m p l s 基本应用等。 目前m p l s 工作组的工作重点己经从原理技术的基本实现，转移到m p l s 技 术的应用中来，主要是面向m p l s 如何更有效的提供增值服务，m p l s 在局域网 中的应用、m p l s 与光线传输网的融合、m p l s 流量工程的具体应用等。 在流量工程应用方面，i e t f 已制定了关于m p l s 流量工程要求的标准草案， 包括网络流量主干属性和资源属性的分析，以及约束路由的讨论。 在公司方面，目前许多通信公司，如c i s c o ，j 吼i p e r ，n o n e l 和b e l l 等都在积极 参与m p l s 标准的制定和相关应用的研究，推出了许多m p l s 产品，并依据这些 产品，在美国和欧洲开展了大量的m p l s 实验。l u c e n t ( 朗讯) 在全美2 3 个大城市 间的n e t 2 实验网上进行m p l s 技术实验，以测试m p l s 与其它a t m 网、帧中继 网等的互连互通、m p l s 对语音、实时视频传输的支持能力和m p l sv p n 性能等。 欧洲国家1 9 9 9 年在其欧洲国家研究网上实现删、p v p c 、p v c c 、s d h 、g 级 以太网、d w d m 等传输网络技术统一在m p l s 下进行互连互通，并作了语音传输、 视频服务和多媒体业务等实时业务传输和v p n 增值服务的实验。 在故障保护方面。目前i e t f 给出了m p l s 故障恢复的框架( r f c 3 4 6 9 ) ，定义 河南大学研究生硕士学位论文第3 页 了故障恢复的一些基本概念、故障保护的类型、故障恢复的基本原则等，但具体 的实现机制、策略、方案、多层修复、跨不同网络的故障恢复以及各种不同的算 法仍在研究之中。 m p l s 作为未来骨干网的核心技术，其故障恢复机制对于保证整个网络的运作 以及保证关键应用的服务质量( q o s ) 都至关重要，因此m p l s 工作组将m p l s 故障恢复机制作为重要研究目标之一。m p l s 快速故障恢复是m p l s 流量工程的 重要研究内容。 1 3 研究内容 通常，m p l s 流量工程的基本过程是通过采集网络中流量分布状况和资源利用 情况，利用网络优化理论，将现有的的网络流量在网络中优化分布，以达到平衡 网络负载、优化资源利用的目的。其中网络流量的优化分布主要通过调整网络流 的物理路径，即网络流的重路由来达到。而一个好的重路由算法在进行流量重路 由时应该不中断现有的业务流、较少的影响网络流的q o s ，同时也必须尽可能少 的占用额外网络资源。 本文分析了m p l s 协议的相关技术，对m p l s 的故障恢复机制进行了详细的 归纳和整理。在分析现有m p l s 快速重路由算法基础上提出了一种分布式的m p l s 快速重路由算法，并给出了算法描述。算法通过划分自治域并行预先建立备份路 径，从而降低了原来算法中对整个拓扑预先计算备份路径的复杂度。仿真试验表 明该算法在丢包、逆序、重路由成功率等方面取得了较好的性能。 本文的主要工作如下： 对m p l s 的故障恢复机制进行了详细的归纳和整理，并对基于m p l s 流量 工程的快速重路由算法m a l 【a m 算法，h a s k i n 算法，r s v p 算法，l t 算法进 行分析和比较。 在现有算法的基础上提出一个改进的基于m p l s 的分布式快速重路由算 法n e w l t ，详细分析了算法的理论基础，给出了算法的实现过程，并进 行了算法分析。 在n s 平台上m p l s 的故障恢复算法进行了仿真验证。扩展n s 设计出支 持m p l s 的仿真器m n s ，并基于该仿真平台实现m p l s 故障恢复算法 h a s k i n 算法，u 算法以及n e w u 算法进行仿真验证。 第4 页河南大学硕士研究生学位论文 1 4 组织结构 本论文分为五章。 第一章是绪论，概述了m p l s 的产生背景、国内外的研究现状以及本文主要 的研究内容与所做的工作。 第二章是m p l s 及其故障恢复机制的相关研究，首先介绍了m p l s 实现架构 的关键技术、工作原理以及m p l s 流量工程的实现机制。接下来对各种m p l s 故 障恢复机制作了分类介绍。最后对基于m p l s 流量工程快速重路由算法作了较为 详细地分析和比较。 第三章是基于m p l s 的分布式快速重路由算法，在分析现有算法的基础上提 出了一种分布式的m p l s 快速重路由算法，给出了算法描述。通过和原有算法进 行分析比较指出本算法的可行性和优越性。 第四章是基于n s 的m p l s 故障恢复的仿真实现，通过对网络仿真平台n s 2 进行扩展，设计和实现了一个支持m p l s 故障恢复的仿真器m n s ，分别对h a s l 【i n 算法、u 算法以及n e 、肌l t 算法进行了仿真验证，并对三种算法的性能进行了分 析和比较研究。 第五章是结论与未来研究方向，总结全文，指出今后的研究方向。 1 5 本章小结 首先，介绍了论文的研究背景；其次，对国内外相关研究现状作了详细介绍 按下来指出本文的研究内容及本文的主要工作；最后，介绍了论文的具体安排。 河南大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章m p l s 及其故障恢复机制的相关研究 随着i n t e m e t 网络的迅猛发展，以及各种各样实时业务的大量涌现，网络可靠 性( r e l i a b i l i t y ) 同益成为互联网的一个重要问题。m p l s ( m u l t i p r o t o c 0 1l a b e l s w i t c h i n g 【卜3 】( 5 0 5 3 1 是新一代骨干网络技术，其萃取了a t m 快速交换的精神，并对 目前最普遍的i p 网络环境相整合，且具有流量工程( t r a 踊ce n g i n c e 曲g ) 【4 棚的功能， 可提供更多、更稳定、更有效率的网络环境。然而，m p l s 数据包要通过事先建立 的l s p 来传送当网络发生故障时造成l s p 不通，数据包就无法到达目的地。如 何在l s p 断线时仍能f 确地将数据包送达目的地一直是m p l s 流量工程研究的 重点之一。本章我们就来详细地分析m p l s 的故障恢复机制( f a u l tr e c o v e r y ) 。 2 1m p l s 概述 2 1 1m p l s 的关键技术： 2 1 1 1标签( l a b e l ) 标签是由一段简短且长度固定的字节( b ”e s ) 所组成，主要是为了辨别不同的数 据流，他只在两个相邻的l s r 问有意义，对于其他l s r 而言没有任何意义。 例如上游l s r 要传送封包到下游l s r ，则上游l s r 与下游l s r 问必须同意 使用某一个标签l 来代表某一个数据流s 的封包，使得下游l s r 在收到该标签l 时能够知道此包是属于哪一个数据流的。对于上游l s r 而言，此标签l 是他的出 口标签对应相应的数据流s ，而对于下游l s r ，此标签l 是对应数据流s 的入口 标签。 如图2 1 所示为m p l s 标签的格式。标签以2 0 b i t s 来表示，e x p 表示此标签 为实验用途，s 表示是否为标签s t a c k 的最后一个标签，因为在l s pt u 衄e l 里，每 一个封包的头部可能存在一个以上的标签成为一个标签栈l a b e ls t a c k ，每进入一条 新的l s p ，l s pt u 眦e i 便在最外层加入新的标签，离开时便在最外层删除一个标 签因而以sb i l 来表示是否为标签栈的最后一个标签，r r l 代表生存期t i m et o 1 i v e 。 第6 页河南大学硕士研究生学位论文 图2 1m p l s 的标签结构 如图2 2 所示标签建立的过程，当要建立一条l s p 从l s r 。到l s r c 时，l s r 。 首先向l s r 。送出要求设定标签，l s r 。收到要求后也向l s r c 送出要求，l s r c 收 到要求后便将设定标签的相关数值传给l s r 。例如此标签的值为l o ，l s r b 收到 l s r c 的标签值后便告诉l s r 。到l s r 。的标签值为1 2 ，此时l s r 。也会将从l s r c 收到的属性完整地传给l s r 。 l a b c im a p p i n g ( 1 2 jl a b c lm 印p i “g ( 1 0 j 图2 2m p l s 的标签设定 2 1 1 2转发等价类f e c ( f 0 r w a r de q u i v a l e n tc l a s s ) 转发等价类f e c 的主要目的是分类数据包，将有相同目的地的数据包分成同 一类，例如将不同数据流间具有相同的目的地的数据流归于同一类。分类的好处 是我们可以让不同的f e c 有不同的q o s ，可以将相同的f e c 的数据流用相同的标 签，如此可以减少标签的使用数量，不需要每一条数据流都用一个标签来表示。 l s p 所经过的l s r 无需辨别该封包属于哪一个数据流，因为当到达目的地出口路 由器时，脱去标签以后就可由i p 的头部来分辨了。 2 1 1 3 下一跳的标签转发入口n h l f e ( t h e n e x th o ph b e if o r w a r d i n ge n t r y ) 下一跳的标签转发入口主要在往前转发数据包时使用，它包含了以下几点信 息：1 ) 数据包的下一跳路由；2 ) 在传送封包时用哪种封装方式。3 ) 传送时如何对标 签栈编码。4 ) 封包采用下列一个动作：a ) 用新的标签替换最外层的标签。b ) p o p 最 外层的标签c ) 用新的标签替换最外层的标签，并p u s h 进一个或多个新的标签到此 标签栈里。 河南大学硕士研究生学位论文第7 页 2 1 1 4 入口标签映射表i l m ( i n c o m i n gl a b e lm a p ) i l m 负责将封包最外层标签的标签值映射n h l f e 。当带有标签栈的封包到达 时，取该封包最外层的标签来对应到相应的n h l f e ，以知道处理该封包的方式。 因为l s p 里除e g r e s sr o u t e r 外的其余的l s r 都是只知道读取最外面的标签，标签 以外的都被认为是该封包的数据，并且e g r e s sr o u t e r 也是在读取最外面的标签后， 经由n h l f e 才知道该再读取封包罩的下一标签。因为在n h l f e 里储存每一个封 包该如何往前转发的信息，所以，当l s r 收到一个数据包后，由i l m 负责将封包 最外层标签的标签值来对应n h l f e 罩的某个值来得知浚如何转发此封包。 2 1 i 5 数据流到n h l f e 的映射表s t n ( s t m a m t o - n h l f em a p ) 当一个新的数据流要进入m p l s 域时首先将未加标签的数据包对应到 n h l f e 某个值，从而取得该数据包的处理信息。对于带有标签的封包必须为他选 取其应走的l s p ，因而透过s t n 取得n h l f e 里的信息我们可以得知该如何为此 数据包加标签使得它能沿着某条l s p 传送。 2 1 1 6 标签交换标签s w a p p i n g 标签交换的过程是这样的： l 、如果此数据包属于标签栈，则执行“( 1 ) ”，否则执行“( 2 ) ”： ( 1 ) l s r 会利用i l m 去找对应的n h l f e 。 ( 2 ) l s r 会分析此数据包的i p 头部，并根据头部的信息利用s t n 找出对应的 n h l f e 。 2 、根据n h l f e 的信息决定此数据包应往哪个方向转发，并对最外层的标签 做处理： 3 、最后将处理完的数据包重新封装，依照n h l f e 的信息转发到下一跳路出。 由以上步骤可以发现标签交换主要是根据n h l f e 的信息来对加了标签或是未 加标签的数据包作处理。 2 1 1 7标签交换路径l s p ( 1 a b e ls w i t c h e dp a t h ) 第8 页河南大学硕士研究生学位论文 一个m 等级的标签交换路径l s p 表示对某一个数据包而言，该数据包有m 个 标签，且此路径是以一连串的路由组成 ，其中，r 1 称为入口 路由器i i l g r e s s l s r ，r 。称为出口路由器e g r e s s l s r 。i n g r c s s l s r 处数据包的标签 个数为m 个，e g r e s sl s r 处的标签为m 1 个。而对于r i r 称为l s r ，收到该 数据包的标签个数均为m 个。并且数据包从r 传送到r 。通过最外层的标签作为 i l m 的目录。对于某个数据包由r ；送出在未到达r 。前，被其他的路由所接收 则此路由对此标签的处理方式是根据新加入的标签而做出的。 也就是说在某条l s p 里可能包含有另一条l s p ，这被包含着的另一条l s p 就 被称之为t u r u l e l e dl s p 。随着l s p 的出现。在数据包里有多少个标签，表示此数 据包经过多少个n l n n e ll s p 。 2 1 1 8l s p7 i 、l n n e l 以图2 3 所示，假设有一条l s p 由 ，假设l s r 接收到一个未放置标签的数据包，然后将一个标签放进此数据包。使得此数据包沿 着路径往前转发。假设在l s r ，与l s r ，间不是直接相邻，而是经由另一条虚拟的 路径连接，使得l s r 。经过的路由顺序成为 ，当数据包经过l s r 到l s r ，时他拥有的标签数量只有一个，但在 经过l s r ：。到l s r ，时他有的标签数量变成两个，此 就是一条l s pt u l l i l e l ，其起点在l s r ，终点在l s r ，。在l s r ，时他会替换 l s r ，传输过来的标签成为对l s r ，有意义的标签，然后在加入新的标签，此新标签 只对l s r ：，有意义。在接下来l s r l s r ：，l s r 都会将最外层的标签替换 成它们下游路由有意义的标签。在l s r 、时他会将最外层的标签去掉，因为此l s p t i l l l l l e l 在l s r ，会发现此数据包的下一跳路由是他自己，因而他根据标签直接利用 i l m 取得n h l f e 的信息将标签换成对l s r 。有意义的标签并将他传送给l s r 。 河南大学硕士研究生学位论文第9 页 囝2 3 l s p t l l n n e i 随着l s pt 咖e l 愈来愈多，标签的数量随着l s pt 咖e l 的数量增加，因而可 从标签的数量得知目前此数据包在第几层的l s pt u r u l e i 路径上。至于数据包上的 标签是否为最后一个，可以从标签的s 位得知，假如是0 则代表后面还有标签连 接着，此标签并非最后一个，如s 位为1 则表示此标签为此数据包的最后一个标 签。 2 1 1 9 基于约束的标签分发协议c r - l d p c r - l d p ( c o n s t m i n t - b a s e dr o u t el a b e ld i s t m u t i o np r o t o c 0 1 ) 是一组l d p 协议的 扩展，它使得基于约束的路由和预留能够在一个m p l s 网络中实现。其主要用在 流量工程t e ( t r a 伍ce n g i n e e r i n g ) 。 c r l d p 采用显式路由方式建立l s p ，需要建立l s p 的l e r 发送请求消息 r e q u e s t ，消息中携带转发等价类f e c 、显式路由信息e r - h o p 以及q o s 参数等 t l v 信息。r e q u e s t 沿着e r h o p 指明的路径向下游节点发送，下游节点会根据n 中携带的参数做接纳允许控制c a c ( c o 衄e c t i o na d m i s s i o nc o 腑0 1 ) ，为特定q o s 要求的l s p 预留出资源。r e q u c s t 一直发送到出口l e r ，出口l e r 返回一个 m a p p i n g 消息，通知入口l e r ，保证每条l s p 得到所申请的网络资源。这种显式 路由的优点是：网络管理者可以根据网络资源合理地引导业务的流向，可以避免 网络数据流向已经拥塞的节点。 2 1 2m p l s 的工作原理 如图2 4 所示，当一个未加标签的数据包进入m p l s 域时，首先由i n g r e s s l s r 堕口9薯霪蓼 一 第1 0 页河南大学硕士研究生学位论文 对此数据包做分类，看他属于哪一个f e c ，并根据s t n 对应找到所属的n h l f e ， 根据n h l f e 的信息对数据包做相应的处理。在i n g r e s sl s r 时会对数据包做标签 进栈操作。以后的l s r 将只根据最外层的标签利用i l m 对应到相应n h l f e ，然 后根据从n h l f e 中取得的信息做相应处理，在l s r 只会做交换处理。当到达e g r e s s l s r 后，e g r e s s l s r 将会使标签出栈，并根据n h l f e 的信息处理。因为e 酽e s s l s r 是该l s p 的最后一个l s r ，所以标签出栈后，数据包还是会转发给e g r e s sl s r ， 如果出栈的标签是数据包的最后一个标签则e g r e s sl s r 再将数据包往上层运送， 否则便将数据包根据n h l f e 的信息往下一个l s r 转发。在1 1 1 伊e s sl s r 除了标签 进栈外，还要为该数据流设定一条显式路由，设定方法可以使用c r l d p 协议或 扩展的r s v p 协议。让以后属于此数据流的数据包能沿此路径到达目的地，此路 径的找法通常是利用最短路径的方法，但也有一些方法被提出，主要目的都是为 了能增加网路建立连线数目。 图2 4 数据包在肝l s 域的传送 2 1 3 m p l s 流量工程 2 1 3 1m p l s 流量工程的体系结构 多协议标签交换m p l s ( m u l t i p r a t o c o ll a b e ls 、i t c h ) 实现流量工程包括四个 河南大学硕士研究生学位论文第11 页 主要功能组件：包转发组件、消息发布组件、路径选择组件和信令组件。每个功 能组件都是一个独立的模块。标签交换边缘路由器l e r ( l a b e le d g er 0 u t e r ) 是 m p l s 域内的边缘路由器，它负责为l s p ( l a b e ls 、v i b c hp a m ) 请求计算显式路由e r ( e x p l i c i tr o u t e ) ，然后通过信令协议沿着该e r 建立标签交换路径l s p ，支持分 布实施m p l s 流量工程。各功能模块之间的关系如图2 - 5 所示。 消息 漓璧剥 l s p 建立 一 消雇 4 堕_ 埘 r 包进入 包离 图2 5 肝l s 组件l 职的体系结构 数据包转发组件即m p l s 。m p l s 负责引导i p 数据包沿一条预先确定的标签 交换路径l s p 通过网络，数据包从一个标签交换路由器l s r ( l a b e ls w i t c hr d u t e r ) 转发到另一个l s r ，从而穿过m p l s 域。当起始l s r 收到一个i p 包后，它为该包 加上一个m p l s 报头，然后将其转发到l s p 上的下一个l s r 。被标记的数据包被 每个l s r 沿l s p 进行转发，直至到达l s p 的终止处。 流量工程通过消息发布组件获知网络拓扑的细节和动态的网络负荷信息。这 个组件通过对i g p 消息进行扩展，使原来的链路状态广播l s a ( l i n ks t a t e a d v e m s i n g ) 包含新的链路信息如最大链路带宽、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等。l e r 将从消息发布组件收到的扩展l s a 信息和 网络拓扑信息存放在流量工程数据库( t e d ) 中，t e d 维护网络链路属性和拓扑 信息，用于计算显式路由e r 。 路径选择组件利用流量工程数据库( t e d ) 中的信息计算穿过路由域的l s p ， 对每个l s p ，由边缘路由器( l e r ) 使用基于约束路由选择算法，为l s p 请求计 算显式路由。 信令组件负责l s p 的建立和标签的分发，目前能够支持流量工程的信令主要 第1 2 页河南大学硕士研究生学位论文 是扩展的资源预留协议r s v p ( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o i ) 和扩展的标签分发 协议c r l d p ( c o n s t r a i n t - b a s e dr o u t i n gl a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c 0 1 ) 。 2 1 3 2基于m p l s 流量工程的功能 m p l s 在网络中通过约束路由建立显式路由而引入了流量工程。控制i p 包在 网络中的转发路径，将流量在网络中合理的分配，有效的利用网络资源。并且保 证用户申请的服务质量得到满足。主要体现在： 显式路由：采用标签形式为i p 数据包建立一条从源到目的的显式路由，网 络中的中间节点不需要选择路由，仪需根据标签值携带的路由信息将数据包转发 到下一节点。路由的选择由m p l s 入口l e r 上完成。 负载均衡：一个l s p 可以承载多种f e c ，一个f e c 也可以分在多个l s p 来 转发。 路径备份：配置主要和备份两条l s p ，主要l s p 发生故障后，启用备份l s p 。 故障解除后，数据重新回到主要路径。 故障恢复：已经建立的l s p 发生故障后，故障点向此条l s p 的入口l e r 发 送故障消息，通知其重新建立一条l s p 以取代原来的l s p ，入口l e r 会重新确 定另外一条l s p 柬保证用户业务的连续性。 路径优先级及碰撞：通过设置l s p 的建立优先级和保持优先级，对高优先级 的业务优先保证其使用网络资源。一旦发生争抢网络资源的情况，建立优先级高 的l s p 先建立，保持优先级低的l s p 断丌连接释放资源。 2 2m p l s 故障恢复机制 m p l s 的故障恢复( f a u l tr e c o v e r y ) 一直是m p l s 流量工程( t r 墒c e n g i n e e r i n g ) 【4 刮的研究重点之一。2 0 0 3 年2 月，i e t f 对m p l s 故障恢复机制的 架构定义了r f c 3 4 6 9 【7 l ，在介绍m p l s 故障恢复技术之前，首先介绍一下m p l s 故障恢复机制相关的专有名词。 河南大学硕士研究生学位论文第1 3 页 l s r 2 l s r 4 - - 卜t - - w o r k m gp 砒h b a c k u pp a t h 图2 6 肝l s 网络 2 2 1 m p l s 故障恢复相关名词介绍 l s r ( l a b e ls w i t c h i n gr o u t e r ) ：标签交换路出器，如图2 6 所示。m p l s 网 络里的路由器，负责建立标签交换路径与利用标签交换传送数据包。 i n g r e s sl s r ：入口路由器，如图2 ，6 所示。位于m p l s 网络与其它异质网 络的交接点，负责将未附上标签的数据包加上标签封装成带有标签的数据包，再 放到所属的标签交换路径上传送。 e g r e s sl s r ：出口路由器，如图2 6 所示。位于m p l s 网络与其他异质网 络的交接点，负责从标签交换路径上接收到的带有标签的数据包还原成原来的数 据包。i n g r e s sl s r 为标签交换网络的起点，e g r e s sl s r 为标签交换网络的终点。 l s p ( l a b e ls w i t c h i n gp a c h ) ：标签交换路径，如图2 6 所示。在m p l s 网 络里，数据包从入口路由器到出口路由器阳j 所经过的路径称为标签交换路径。如 图2 6 所示，o r k i n gp a t h ，b a c k u pp a t h 均为l s p 。 w o r k i n gp a t h ：工作路径，如图2 6 所示。入口路由器为数据包所建立到出 口路由器的路径，又称为p r i m a r yp a t h 或是a c t i v ep a t h 。 b a c k u pp a t h ：备份路径，如图2 6 所示。当工作路径发生断线或是故障时， 用来替代工作路径的l s p 。又称为恢复路径r e c o v e r yp a t h ，在全局修复时又称为 a l t e m a t i v ep a t h ，在局部修复时又称为b a c k u pt u l l t l e l 。 p s l ( p a t hs w i t c hl s r ) ：路径切换路由器，当工作路径发生断线或是故障时， 负责将数据流切换到备份路径上。图2 6 中的i n g r e s s 即为p s l ，但p s l 不一定是 i n g r e s sl s r 。 第14 页河南大学硕士研究生学位论文 p m l ( p a l hm e 嬉el s p ) ：备份路径与工作路径的合并的l s r ，负责将备份 路径上的数据转向往工作路径上传送，如图2 6 的e g r e s sl s r 即为p m l ，但p m l 不一定为e g r e s sl s r 。 p o r ( p o i n to f r e p a i r ) ：故障修复路由器。负责执行m p l s 故障恢复的l s r ， 通常为p m l 或是p s l ，根据具体的故障恢复机制而定。 n b 。( n e x t - h o pm u t e r ) ：下一跳路由。与目前路由器距离一跳远的路由器。 n n h o 。( n e x t n e x t h o pr o u t e r ) ：下下一跳路由。与目前路由器距离两跳远 的路由器。 兀s ( f a u i ti n d i c a t i o ns i g n a i ) ：故障指示信号。用来通知w j r k i n gp a t l l 发生 故障的信息，由发生故障的两端的l s r 发现，该信息依照不同机制，往l s p 上游 传送或是下游传送给p o r ，通知p o r 立即做出故障恢复程序。 2 2 2m p l s 故障恢复机制分类 在r f c 3 4 6 9 【7 l 里i e t f 对于m p l s 故障恢复机制的模型分成两大类：重路由 r e r o u t i n g 队保护交换p r o t e c t i o ns w i t c h i n g n 对于备份路径建立分成三大类，分 别为事先选择建立路径p r e e s t a b i i s h e d 、事先选择但不建立路径p 睁q u a l i f i e d 【1 0 l 和等到需求时计算和建立路径e s t a b i i s h o n d e m a r i d 。对于故障恢复的网络依照 拓扑分类有局部修复l o c a ir e p a i r 、全局修复0 l o b a lr e p a i r 【1 3 l 、选择出口修复 a l t e m a t ee g r e s sr e p a i r 。另外，对于工作路径和备份路径之间的关系，定义了三种 关系保护模型，分别是：l + 1 保护模型、1 ：l 保护模型驯和n ：m 保护模型”1 6 1 。 2 2 2 1 p r e - e s t a b i j s h e d 、p r e q u a u n e d 、e s t a b l i s h - o n d e m a n d 在备份路径的建立方法上，i e t f 定义了三种方法分别是事先选择建立路径 p r e e s t a b l i s h e d l 9 1 、事先选择但不建立路径p r e o u a l 讯e o 和等到需求时计算和建立 路径e s t a b l i s h o n d e m 柚d i l “。 p r e e s t a b l i s h e d 【9 】( 事先选择建立路径) 指的是在故障发生前先计算并建立好备 份路径。其优点是故障恢复时问短，但缺点是资源利用率低，且预先建立备份路 径在使用时不见得是最佳的路径，同时还可能会发生带宽不足的情况。该方法适 河南大学硕士研究生学位论文第1 5 页 用于对实时性( r e a l t i m e