（计算机应用技术专业论文）基于bfd的mpls网络自愈恢复技术的研究与实现.pdf

酉直童通太堂亟硒窕生堂僮迨室蓥! 夏 摘要 随着i n t e r n e t 上业务流量的快速增长，网络应用的多元化发展，传统i p 网络提供的尽力而为服务已经不能满足承载实时业务的需求。如何在故障发 生时保证网络的连续性和服务质量( q o s ) ，保持高水准的业务可用性，使传 输网络能够自动检测失效并从故障中恢复成为当前迫切需要解决的问题。作 为未来骨干网的核心技术，多协议标签交换( m p l s ) 技术通过标签交换机 制，不仅可以提供比传统口更有效的q o s 保证和流量工程，也具有很强的 网络生存能力。m p l s 网络能够在节点或链路失效后，不需要人为的干预， 就能自动的恢复受影响的业务，使整个网络保持健壮性和高效性。m p l s 网 络自愈恢复技术从故障检测技术和故障恢复技术两方面保证了m p l s 网络 的可用性和稳定性。 目前基于l p 路由协议的恢复机制至少需要几秒到几分钟的时间，这将 导致大量分组的丢失，造成严重的服务质量问题以及网络性能的下降。传统 i p 网络对实时应用( 如语音) 进行准确故障检测方面的能力有限，并且不具 备秒以下的间歇性故障修复功能。伴随着v o l p 应用的激增，实现快速网络 故障检测和修复越发显得必要。m p l s 网络自愈恢复技术能够在故障发生后， 提供比i p 层更快的反应时间，可以快速的检测到网络故障并从故障中恢复 过来，维持网络的服务连续性。本文对m p l s 网络故障检测技术进行深入的 研究，采用双向转发检测b f d 作为m p l s 网络的故障检测技术，详细的设 计和实现m p l sb f d 技术，并将m p l sb f d 技术应用于多核网络设备，使 m p l s 网络故障检测时间达到毫秒级，大大缩短了m p l s 自愈恢复的故障检 测时间。 m p l s 网络检测到故障后，需要有一个较好的方案进行故障恢复。目前 比较著名的两种m p l s 故障方案有m a k a m 方案，h a s k i n 方案。m a k a m 方案 的优点是几乎没有分组的重排序问题，但却有分组丢失和保护时问较长的缺 点。h a s k i n 方案提供快速的路径切换，但是当工作路径上故障清除后，在流 量从备份路径切换回原工作路径时，数据分组的重排序问题比较严重。因此 如何设计出一种新的故障恢复方案，使得故障恢复速度快，报文不丢失，并 且报文不发生重排序仍然是目前研究的热点。 本文在对现有故障恢复方案研究的基础上，提出了一种新的故障恢复方 案基于b f d 的故障恢复方案，新方案利用局部恢复机制，建立备份路 径，当故障发生后流量快速切换到备份路径，减少了由于流量切换而造成的 报文丢失及报文延迟。针对报文失序的问题，本方案提出了一种新的解决方 法一利用失序控制标签实现了对流量顺序地控制，避免了流量切换带来的 报文失序。经过组网测试，新方案具有较快的故障恢复速度，对报文丢失， 报文失序现象都有明显地改善效果。 关键词：标签分发协议；快速重路由；自愈恢复；b f d ；故障恢复 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a li pn e t w o r kn o wf a i l st os e r v et h en e e do fb e a r e rr e a l t i m e s e r v i c ei na l le f f e c t i v ew a yw i t hi t sb e s t e f f o r ts e r v i c ea g a i n s tt h eb a c k d r o po f e v e r i n c r e a s i n gi n t e r n e ts e r v i c et r a f f i ca n dg r a d u a l l yd i v e r s i f i e dn e t w o r k s e r v i c e t h e r ei s a n u r g e n t n e e dt o g u a r a n t e e t h en e t w o r k c o n t i n u i t y a n d q u a l i t y o f - s e r v i c e ( o o s ) a g a i n s tn e t w o r kf a u l ti n o r d e rt oo b t a i ni d e a ls e r v i c e a v a i l a b i l i t yt oh e l pt h ea u t o m a t i cd e t e c t i o no fn e t w o r kf a i l u r ea n dr e c o v e r yf r o m t h a tf a i l u r e a st h ec o r et e c h n o l o g y f o rt h ef u t u r eb a c k b o n en e t w o r k ， 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 ( m p l s ) ，b ym e a n so fl a b e l - s w a p p i n gt e c h n i q u e ， i se x p e c t e dt oo f f e rt h eq u a l i t y o f - s e r v i c e ( q o s ) a n dt r a f f i ce n g i n e e r i n gm o r e e f f e c t i v ea n dp o t e n t i a lt h a ne v e rb e f o r e t h em p l sn e t w o r ka u t o m a t i c a l l y r e s u m e st h ei n t e r r u p t e ds e r v i c ea n dm a i n t a i n st h er o b u s t n e s sa n de f f i c i e n c yo ft h e n e t w o r ka saw h o l ee v e ni nt h ec a s eo fn o d ef a i l u r e o rl i n kf a i l u r e t h e s e l f - r e c o v e r yt e c h n o l o g yo fm p l sn e t w o r k i su s e dt o p r o t e c t t h en e t w o r k f e a s i b i l i t ya n ds t a b i l i t yi nt e r m s o f f a u l td e t e c t i o nt e c h n i q u ea n df a u l tr e c o v e r y i tt a k e sa tl e a s ts e v e r a ls e c o n d so re v e nac o u p l eo fm i n u t e sf o rt h ec u r r e n t r e c o v e r ym e c h a n i s mo ft h ei p b a s e dr o u t i n gp r o t o c o l ，t h u sl e a d i n gt oag r e a td e a l o fp a c k e tl o s s ，t h eb a dq u a l i t yo fs e r v i c ea n dt h ed e g r a d a t i o no fn e t w o r k p e r f o r m a n c e d u et o t h et r a d i t i o n a li pn e t w o r k su n d e s i r a b l ec a p a b i l i t y o f a c e s f a t ef a u l td e t e c t i o nf o rr e a l t i m ea p p l i c a t i o n sl i k ev o i c ea n df o rl a c ko f i n t e r m i t t e n tr e c o v e r ya b i l i t yb e l o ws e c o n dl e v e l ，i ti si m p e r a t i v et op u tf a u l t d e t e c t i o na n dr e p a i r m e n tf o rn e t w o r ki n t oe f f e c ti na c c o r d a n c ew i t ht h ee x p a n s i o n o fv o l pa p p l i c a t i o n t h es e l f - r e c o v e r yt e c h n o l o g yo fm p l sn e t w o r kc a n ，i n r e s p o n s et ot h en e t w o r kf a u l t ，o f f e rar e a c t i o nt i m e l e s st h a ni pl a y e ra n dq u i c k l y d e t c ：c tt h en e t w o r kf a u l ta n dr e c o v e rf r o mt h a tf a u l tt or e m a i nt h ec o n t i n u i t yo f t h e n e t w o r ks e r v i c e t h i sp a p e r , o nt h eb a s i so fi n d e p t hd i s c u s s i o no nt h ef a u l t d e t e c t i o nt e c h n i q u eo ft h em p l sn e t w o r k ，s i g n i f i c a n t l yr e d u c e st h ed e t e c t i n g t i m eo fm p l ss e l f - r e c o v e r yt om i l l i s e c o n dl e v e lb ya d o p t i n gb i d i r e c t i o n a l f o r w a r d i n gd e t e c t i o n ( b f d ) a st h ef a u l td e t e c t i o nt e c h n i q u eo fm p l sn e t w o r k ， a n db yc a r e f u ld e s i g na n dr e a l i z a t i o no fm p l sb f da sw e l la si t sa p p l i c a t i o ni n t o m u l t i c , o i er o u t e r t h e r en e e d st ob eab e t t e rs c h e m ef o rf a u l tr e c o v e r ya f t e rt h en e t w o r ki s d e t e c t e db ym p l s o fa l lt h er e c o v e r ys c h e m e s ，t h e r ea i et w om o s tf a m o u so n e s ， n a m e l ym a k a ma n dh a s k i n m a k a m a l m o s ta v o i d st h ep r o b l e mo fp a c k e tr e o r d e r b u ts u f f e r sp a c k e t sl o s sa n dr e l a t i v e l yl o n gp r o t e c t i o nt i m e ，w h i l eh a s k i n p r o v i d e sq u i c kp a t hs w i t c hb u ts u f f e r ss e v e r ep r o b l e mo fp a c k e tr e o r d e ra ss o o n a st h en e t w o r kt r a f f i ci sr e d i r e c t e di n t ot h eo r i g i n a lw o r k i n gp a t ht ob a c k u pp a t h a f t e rs u c c e s s f u lr e p a i ro nw o r k i n gp a t h t h u s ，i th a sb e c o m et h ek e yp o i n to nh o w t od e v e l o pan e wt y p eo ff a u l tr e c o v e r ys c h e m es o a st os p e e du pt h ef a u l t r e c o v e r yw h i l ea v o i d i n gp a c k e tl o s sa n dp a c k e t s d i s o r d e r t h i sp a p e ro f f e r san e wk i n d o ff a u l tr e c o v e r ys c h e m e ，n a m e l yt h e b f d b a s e df a u l tr e c o v e r ys c h e m eo nt h eb a s i so ft h er e s e a r c hi n t ot h ee x i s t i n g r e c o v e r ys c h e m e s t h eb f d b a s e df a u l tr e c o v e r ys c h e m ep o s s e s s e sl o c a lr e p a i r m e c h a n i s mt os e tu p b a c k u pp a t hs ot h a tt h en e t w o r kt r a f f i ci sq u i c k l yr e d i r e c t e d i n t ob a c k u pp a t ho n c ef a u l to c c u r s ，t h u se f f e c t i v e l ya v o i d i n gp a c k e tl o s sa n d p a c k e td e l a yc a u s e db yt r a f f i cs w i t c h t h i sp a p e rp r e s e n t san e wt y p eo f s o l u t i o n t ot h ep r o b l e mo fp a c k e td i s o r d e r , n a m e l yu t i l i z i n gd i s o r d e r - c o n t r o l l a b e lt o c o n t r o lp a c k e t so r d e ra n dt oa v o i dp a c k e td i s o r d e r t e s t e di nar e a le x p e r i m e n t a l n e t w o r k ，t h en e wt y p eo ff a u l tr e c o v e r ys c h e m ei sp r o v e dt ob eq u i c ki nf a u l t r e c o v e r ya n de f f e c t i v ei na v o i d i n gp a c k e tl o s sa n dp a c k e td e l a y k e yw o r d s ：m p l s ；f r r ；s e l f - r e c o v e r y ；b f d ；f a u l tr e c o v e r y 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：罔穆兰 日期：卿5 、) - 2 指导老师签名： 日期：秒了3 _ ， 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 ) 研究和实现了m p l sb f d ； 2 ) 将m p l sb f d 应用于多核网络设备； 3 ) 利用失序控制标签避免报文的失序。 直直童遵态堂亟班究垒堂僮迨室簋! 更 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 课题研究意义 目前的i n t e m e t 大部分都是基于i p 协议簇，提供尽力而为的服务，这种 服务可以满足传统对时延和抖动不敏感数据传输业务的需求。但随着网络应 用的多业务、多网络化，以及用户业务需求种类的不断增多和业务需求的不 断提高，现有i p 网络的不足和缺点都日益暴露出来：传统i p 网络已经不能 满足承载新增的视频流媒体及v o i p 等实时业务的需求，当网络发生故障时， 传统的i p 网络需要数秒时间来检测和恢复网络故障，这对于实时业务来说 是不可接受的。i n t e r a c t 上业务流量的快速增长和新应用的不断加入给传输 网络提出了新的挑战，要求必须能够在故障发生时保证其连续性和服务质量 ( q o s ) 。为了保持高水准的业务可用性，传输网络必须能够自动检测失效和 网络故障并且从中恢复。 作为下一代核心网络的主要技术，多协议标记交换( m p l s ) l2 j 通过标签交 换机制，不仅可以提供比传统i p 更有效的q o s 保证和流量工程，也具有很 强的网络生存能力。m p l s 面向路径的特性使其在故障恢复上比传统i p 网络 更具优势，可以提供毫秒级的恢复速度m p l s 网络能够在节点、链路失效 后，不需要人为的干预，就能自动地恢复受故障影响的业务，使整个网络保 持健壮性和高效性。m p l s 自愈恢复机制在故障发生以后，可以提供比i p 层更快的反应时间。m p l s 网络的自愈恢复技术主要包括故障检测技术和故 障恢复技术两方面的技术，m p l s 自愈恢复技术对于提高m p l s 网络的可用 性和稳定性具有重要意义。 随着l p 网络规模的r 益庞大，当设备和链路出现异常时，要求系统和 网络能够快速地恢复。传统i p 网络无法在不到1 秒的时间内检测到故障1 5 5 。 而双向转发检测( b f d ) 1 1 0 j 具有快速的故障检测能力，可以使故障检测时间达 到毫秒级，提高了故障检测与恢复速度。双向转发检测b f d 是从基础传输 技术中逐步发展而来的，它可以用于检测以太网、多协议标记交换( m p l s ) 路 径、普通路由封装以及i p s e c 隧道在内的多种类型的传输正确性。b f d 应用 于m p l s 网络有效地减少了网络的故障检测时间，大大提高了m p l s 网络发 现网络故障的速度。 m p l s 网络故障后如何快速的恢复，并且保证故障恢复时延较小、流量 不丢包、报文不失序是目前网络故障恢复的研究重点。 1 1 2 课题研究的目标 m p l s 自愈恢复技术是指在m p l s 网络环境中，当传输数据的工作路径 出现故障后，网络迅速检测到故障，流量被快速切换到未被损坏的路径( 保护 路径) 上继续传输的技术。m p l s 网络的自愈恢复技术主要包括两方面的技 术：故障检测技术和故障恢复技术。如何快速的感知网络故障，故障检测的 时间是关键，如果故障检测耗时增加，网络的自愈恢复时间会相应增加， m p l s 故障检测技术的优劣直接影响了m p l s 自愈恢复的时间。m p l s 故障 恢复技术也是m p l s 技术的重要优点之一，由于它的快速、高服务质量和易 扩展性，已经成为m p l s 领域的研究热点之一。 m p l s 自愈恢复技术就是为了提高目前路由算法修复时间过长的缺陷而 产生的。它能够在一个通用的控制和管理平面上提高网络功能的聚合，对需 要高可靠性的服务提供不同优先级别的保护。网络中，承载了隧道流量的链 路和路由器节点可能会因为内部故障而失效。所有的链路或者节点失效都会 造成网络中断、数据的丢失。网络出现问题以后，大型网络中运行的i g p 协 议需要相当长的时间进行路由汇聚。在这段时间内，隧道内的数据都会发生 丢失，并且这段时间相当长，可以使用分钟作为衡量单位。为避免此现象， 本文致力于研究如何使m p l s 网络提供完善的网络自愈恢复功能，有效的避 免或者减少因为链路或者节点失效造成的数据丢失和中断。 研究和利用m p l s 自愈恢复机制的目标主要有以下几点： ( 1 ) m p l s 自愈恢复技术可提供快速的m p l s 检测技术，大大缩短故障 恢复时间，以更好地满足实时业务对时问的要求，使故障检测时间达到毫秒 级的要求。 ( 2 ) m p l s 自愈恢复技术可以最大限度地提高网络的可靠性和可用性，尽 可能多地处理m p l s 域内的故障点。 ( 3 ) m p l s 自愈恢复技术有利于加强保护流量的可靠性，通过切换数据流 到备份路径的方法，预防和最大程度地避免数据传输能力的降低，大大降低 流量切换的时延。 一 ( 4 ) m p l s 自愈恢复技术可以最大限度地减少数据报文的丢失和流量的 失序。 ( 5 ) 如果资源条件许可，恢复路径可以满足同工作路径一样的资源需求， 并达到同样的运行特征，即q o s 特征。 ， 1 2m p l s 自愈恢复技术的研究现状 m p l s 自愈恢复技术的发展现状主要从m p l s 故障检测技术及m p l s 故 障恢复技术两方面进行分析。 m p l s 网络故障检测技术方面，目前主要有r s v p 软状态，r s v p h e l l o 、l s pp i n g t r a c e r o u t e l 3 0 l 等技术，然而这几种故障检测技术所花费的 检测时间较长，这对某些应用来说时间太长了，当数据速率到吉比特时，故 障检测时间长代表着大量数据的丢失，并且对于不允许路由协议的节点没有 办法检测链路的状态。近年来各标准化组织在l s p 故障检测和恢复的标准 化方面开展了大量的研究工作，并且分别开发了不同的实现机制。n u t y 1 7 1 1 规范了连通性确认( c v ，c o n n e c t i v i t yv e r i f i c a t i o n ) 功能，而i e t f 则 正在定义双向转发检测( b f d ，b i r e c t i o n a lf o r w a r d i n gd e t e c t i o n ) 机制。本 课题的m p l s 故障检测技术主要是采用b f d 检测技术对l s p 进行故障检测。 m p l s 故障恢复技术方面，目前国内外对m p l s 故障恢复技术的研究主 要集中为两种基本的机制：重路由和保护交换【剐。重路由和保护交换可以同 时使用，重路由机制是在网络发生故障后。利用汇聚后的网络路由，重新安 排流量的传输路径的方法；保护交换是通过使用m p l s 技术将工作路径上的 流量切换到一条保护路径上以实现传输数据流的快速恢复的方法。 重路由方法在故障发生后，重路由的修复总是按照保护流量的需要建立 新的路径或路径段，这种新路径的建立可以依赖于故障信息、网络路由策略、 预定义设置和网络拓扑信息。于是，根据发现的故障，旁路故障的路径或路 径段是通过信令建立的。故障发生后，网络路由算法会重新收敛，产生新的 路由表，此时，所得到的路由可能是较合理的，在许多情况下，通过重路由 的过程优化网络的程度是依赖于目前网络的状态和网络策略。一般说来，重 路由方法特指第三层重路由。 保护交换依赖网络路由策略、在工作路径上流量的恢复要求和管理方面 的考虑，保护交换机制预建立一条保护路径或路径段。保护路径可以部分使 用或完全不使用原工作路径，当发现故障后，被保护的流量交换到保护路径 上同时恢复数据传输。 目前比较著名的几种m p l s 故障恢复方案有m a k 锄f 9 1 方案，h a s k i n 1 0 】 方案等。m a k a m 方案的优点是几乎没有分组的重排序问题，但却有分组丢失 和保护时间较长的缺点。h a s k i n 方案提供快速路径切换，但是当工作路径上 故障清除后，在流量从保护路径交换回原工作路径时，数据分组的重排序问 题比较严重。因此如何设计出一种新的故障恢复方案，使得故障恢复速度快， 报文不丢失，并且报文不发生重排序仍然是目前研究的热点之一。 1 3 课题研究内容 本课题研究的主要内容是基于b f d 的m p l s 网络自愈恢复技术，分别 对m p l s 网络故障检测技术和m p l s 网络故障恢复技术进行研究。本文系统 的研究了b f d 作为m p l s 网络故障检测技术的应用实现，在详细介绍b f d 协议原理的基础上详细的设计和实现了m p l sb f d ，并首次研究了将m p l s b f d 应用于多核设备。b f d 的采用大大提高了m p l s 网络故障的检测速度。 针对目前网络故障恢复方案如m a k a m 方案存在的丢包问题，h a s k i n 方案存 在的报文失序等问题，本文提出了一种新的故障恢复方案基于b f d 的 故障恢复方案，新方案利用局部恢复机制建立备份路径，当故障发生后流量 直接切换到备份路径，减小由于流量切换而造成的报文丢失及报文延迟。针 对报文失序的状况，本方案创新地提出了一种新的解决方法利用失序控 制标签的方式实现了对流量顺序的控制，避免流量切换带来的报文失序。经 组网测试，新方案具有较快的故障恢复速度，对报文的丢包，报文的失序现 象都有明显的改善效果。 本文的创新点主要有： ， 1 ) 研究和实现了m p l sb f d ； 2 ) 将m p l sb f d 应用于多核网络设备； 3 ) 利用失序控制标签避免报文的失序。 具体的工作及全文的组织结构如下： 第一章为绪论，首先对m p l s 自愈恢复技术进行简单描述，然后对课 题背景，研究意义，研究目标等进行简单介绍。 第二章对m p l s 的相关技术进行详细分析，包括m p l s 的工作原理， 标签分发协议。详细介绍了m p l s 流量工程的原理及快速重路由原理，为 m p l s 故障恢复技术做好理论铺垫。 第三章详细分析m p l s 故障检测技术，介绍了目前存在的几种故障检 测技术。 第四章详细介绍了双向转发检测协议b f d ，主要介绍了b f d 的原 理，b f d 的检测模式及b f d 报文格式等。 第五章主要介绍了b f d 如何应用于m p l s 网络，具体介绍了m p l sb f d 的详细设计与实现过程，并首次将m p l sb f d 应用于多核设备，详细研究了 m p l sb f d 应用于多核设备的实现过程。 第六章提出了一种新的基于b f d 的故障恢复方案，新方案针对目前故 障恢复方案存在的丢包及报文失序问题，创新地提出了利用失序控制标签控 制报文的顺序，并对新故障恢复方案的具体设计进行详细说明。 第七章对新故障故障恢复方案进行组网测试，并进行测试结果分析。 第二章m p l s 及快速重路由技术 2 1m p l s 产生 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 多协议标签交换技术) 是继i p 技术以来的下一代广域网传输技术之一。它是一种充分利用数据标签引导数 据包在开放的通信网络上高速、高效传输的新技术。它是在一个无连接的网 络中引入连接模式从而减少了网络复杂性，并且兼容现有各种主流网络技 术，能大大降低网络成本。在提高i p 业务性能的同时，能确保网络通信的 服务质量和数据传输的安全性。 1 9 9 7 年i e t f 提出m p l s 以后，到目前为止，有关m p l s 技术的协议标 准草案和规范已经有1 0 0 多个，并且在1 9 9 9 年就有厂商推出m p l s 设备。 这种进展速度是以前任何一种技术所没有的。目前主要有几个小组对m p l s 技术进行标准化。 ( 1 ) 互联网络工程组( i e t f ) 在2 0 0 0 年以前，m p l s 的标准化制定工作仅由i e t fm p l s 工作组完成。 m p l s 工作组成立于1 9 9 7 年3 月，当时的主要任务和工作重点是研究制定 m p l s 技术的实现规范，使得这种新的网络技术能够达到： t 灵活的网络层路由选择； 高效的分组交换转发( o o s 保障) ； 幸有效的网络管理； 卑强大的网络扩展能力； 宰有效的增值服务提供能力； 宰兼容性好。 这些目标现在看来由m p l s 技术实现已基本没有问题。目前，m p l s 工作组的工作重点已从原来技术的基本实现转移到m p l s 技术的应用上来。 主要是m p l s 如何更有效地提供增值服务、m p l s 在局域网中的应用、m p l s 与光纤传输网( o t n ) 的融合、m p l s 网流量工程的具体应用等。 ( 2 ) 国际电信联盟( i t u t ) i p 技术到现在已经在i n t e r a c t 上占了绝对的领导地位，m p l s 技术的提 出又使得i p 可以为用户提供如语音传输、视频会议、多媒体等实时业务， 并且其q o s 保障可以达到电信级；因此，u - t 各研究组在1 9 9 9 年底的总 结会上进行了未来研究工作的战略转移，全面开展有关i p 标准化方面的研 究工作，其中作为全球信息基础设施( g i i ) 和b i s d n 的主导研究组一i t u t s g l 3 小组将m p l s 列为2 0 0 0 - - 2 0 0 3 年的重点研究课题，并一致同意将 l d p c r l d p 作为公网传输标准信令。 ( 3 ) m p l s 论坛 为了更好地研究发展m p l s 技术，协调各厂商之间的利益和统一思想， 2 0 0 0 年3 月以l u c e n t 公司为首的有关机构联合成立了m p l s 论坛。论坛的 基本成员为计算机网络及电信通信软件、设备制造商和i s p 及研究开发机构。 论坛的工作重点主要在以下四个方面： 流量工程( t e ) ； 服务等级( c o s ) 宰服务质量( q o s ) ； 宰虚拟专用网( v p n ) 。 到目前为止，m p l s 还在处于不断的发展之中，m p l s 技术涉及的面广， 内容多，而且很多技术和业务本身也在不断的发展中，因此，m p l s 技术也 将是不断发展和改进的。 2 2m p l s 技术原理 m p l s 引入了转发等价类f e c 2 ( f o r w a r d i n ge q u i v a l e n c ec l a s s e s ) 的概念， 所有需要做相同转发处理、并转发到相同下一跳的分组属于同一转发类。一 个f e c 是在网络中遵循同样的转发路径的报文的集合，这些报文在转发的过 程中被l s r ( 标签转发路由器) 以相同的方式进行处理，正是从转发处理这 个角度讲这些报文“等价”。f e c 为一系列属性( f e c 要素) 的集合，包括： 源地址、目的地址、源端口、目的端口、协议类型、c o s 等。m p l s 域的入 口l s r ，对每一个进入m p l s 域的i p 报文确定一个f e c ，然后根据f e c 查 找相应的标签值封装进口报文中，形成标签报文，在m p l s 域中传输。 在传统的l p 网络中，按照“最长匹配 的原则查找路由表，以确定下 一跳的地址，这一原则可能导致多次查找匹配，因而在一定程度上影响路由 器的性能。在m p l s 中，每个数据包都带有标签，每个数据包根据其标签被 转发，不需要将数据包分析到网络层，而且，由于数据包使用的标签具有转 发的唯一性，降低了转发表的查找次数，因而m p l s 提高了包的转发速度。 m p l s 基本的路由方式是逐跳路由，允许比数据包更简单的转发机制，可以 实现更高速的路由。由于在多种类型媒介( 如分组、信元和帧等媒介) 上使 用标记分配的通用方法和通用路由协议，m p l s 支持高效的、可用于各种目 的的明确路由( 如q o s 路由) 和通用的流量工程方法，以及其他操作方法。 i p 数据包通过m p l s 主干的传播过程如下：入口边界l s r 接收数据包， 将数据包归为一个转发等价类( f e c ) ，并使用该f e c 对应的出站标签来标 志该数据包。对于基于目的地址的单播i p 路由，f e c 对应于一个目标子网； 主干l s r 接收到被标志的数据包，查找标签转发表，使用新的出站标签代替 输入数据包中的标签。出口边界l s r 接收到该标签数据包，它删除标签，对 i p 数据包执行传统的第三层查找。 2 2 1m p l s 体系结构 m p l s 技术的优势在于它提供了路由层面和转发层面的完全分离。 m p l s 这种叠加模型，可以方便地在物理的网络拓扑上建立一个不依赖于路 由的虚拟的拓扑，然后将流量映射到这个拓扑上。m p l s 体系结构被分为两 个独立的单元：控制单元和转发单元。如图2 - 1 所示： 图2 - 1m p l s 体系结构 控制单元使用标准的路由协议( 如o s p f 、b g p 4 等) 同邻居交换路由信 息和维护路由表，同时使用标签控制协议( 如l d p 、m p b g p 、r s v p 等) 同互联的标签交换设备之间交换标签转发信息( 被称为绑定) 来创建和维护 标签转发表。 转发单元决定一个报文的转发处理，即根据报头中的信息，查找标签转 发表，根据查找结果进行标签处理并转发。 2 2 1 1 标签( l a b e l ) 在m p l s 网络域中，标签分组的转发是根据分组所携带的标签进行，标 签被插入到第三层分组和第二层报头之间，被称为m p l s 标签头【3 1 ，其格式 如图2 2 所示： o 1 6 3 l l a b e lv a l u c e x p s t t l 标记值，2 0 b i t 试验使用，3 b i t 栈底，1b i t 生存时间，8 b i t 图2 - 2m p l s 标签 个m p l s 分组上也可以承载多个标签头，这种结构叫做标签栈，这些 标签按照“后进先出”的方式来组织，最外面的标签称为栈顶标签，最罩面的 标签称为栈底标签( 简单的i p 单播路由不使用标签栈，但其他基于m p l s 的应用，包括m p l s v p n 等严重依赖于标签栈) 。每个标签由下列字段组成： 生存期( 订l ) 该字段为8 b i t ，用于生存时间值的编码，与i p 首部中的1 r l 字段作用 一样，用来防止由于配置不当、故障或路由算法慢收敛造成的转发环路以及 限制分组范围等其他功能。 栈底位( s ) 该字段为l b i t ，该位置“1 ”，表示相应的标签是标签栈中的最后一个标签 ( 栈底) ；置“0 ”表示除栈底标签之外的所有其他标签； 一服务类信息( e x p ，也叫试验位) 该字段为3 b i t ，主要用来承载c o s 信息( 作用类似于i p 分组中的t o s 数 据) 。 标签值( l a b e lv a l u e ) 该字段为2 0 b i t ，包含标签的实际值。当一个l s r 收到标签分组时，它 将首先查看栈顶的标签值，在正常情况下，该l s r 通过标签值可以知道转发 分组的下一跳节点，并用新的标签取代当前栈顶的标签。标签值0 1 5 作为 保留标签值【3 l ，具有如表2 - 1 所示的含义： 表2 - 1 预留标签含义 标签含义 值 0 表示i p v 4 显式空标签。当这一标签位于栈顶，它指示下一步 的操作是对此标签进行弹出操作，并根据新的栈顶标签进行报 文转发；若这一标签是标签栈中唯一标签，即弹出后标签栈为 空，那么对分组的转发基于i p v 4 分组头进行 1 表示路由器提醒标签。当收到分组的栈顶标签为1 时，该分 组被送到本地软件处理，而对分组的转发由标签栈内的下一条 目决定 2 表示1 p v 6 显式空标签。与标签值0 的用法类似 3 表示隐含空标签。l d p 利用它来请求上游邻居弹出标签( 次 术中继段弹出) ，该标签值不出现在标签封装中 4 1 5保留 2 2 1 2 下一跳的标签转发入口n h l f e f r h en e x th o pl a b e lf 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。 2 2 1 3f t n ( f e ct on h l f e ) f e c t o - n h u 砸( f 1 n ) 是将f e c 映射到n h l f e 。用来转发未标签化的分 组。这种机制只是在传送未标签化的数据包时才使用。如果u m 将某一个标 识映射到包含多个对象的n h l f e ，在数据包发送前必须选择一个特定的对象 与之对应。 2 2 1 4 入口标签映射i l m ( i n c o m i n gl a b e lm a p ) i l m 负责将标签数据包最外层标签的标签值映射n h l f e 。当带有标签 栈的数据包到达时，取该数据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 里除出口路由器外的其余的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数据包的数据，并且出口 路由器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里的 下一标签。因为在n h l f e 罩储存每一个数据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 里的某个值来得知该如何转发此封包。 2 2 2m p l s 网络报文转发 在传统的i p 分组转发中，在网络的每个中继段，路由器都独立地分析 目标i p 地址，执行网络路由算法，在此基础上做出独立的转发决策，确定 分组的下一跳。而在m p l s 中，将所有进入网络的分组划分成不同的f e c ， 然后根据f e c 查找相应的标签值封装到分组中，网络中的路由器根据分组携 带的标签确定分组转发，在整个m p l s 域中，分组的转发都是根据标签进行， 不需要对l p 首部进行任何的操作，标签加入和转发过程如图2 3 所示： ，、 第一步：i p 分组 f 第二步：r l 路由器执行第 到达r 1 路由器 1 三层查找加入标签，并 lj i 将分组转发给r 4 第四步：r 6 路由器查、 ，一一一夕“ 。 找、交换标签。并将分 、纽转发给r 7， i p 分组赫翻i p 分纠ll 1 ，血心? 一m l l l ：l 。一， 参考霞一r 7 屿舭川 r3震。，。纛矽_ ， 7 第五步：r 7 路由嚣查找标、 ， 、 第三步：r 4 路由器查 签、弹出标签，执行第三层 找、交换标签并将分 查找并将分组转发给外部 。组转发给r 6。 、的下一中继段路由器 图2 - 3 标签加入与转发过程 m p l s 网络的基本组成单元是标签交换路由器( l s r ，l a b e ls w i t c h i n g r o u t e r ) 。实现标签分发并能够根据标签转发分组的交换机或路由器都属于 l s r ，根据它们在网络基础设施中提供的功能进行区分，可分为边界l s r ( l e r ) ，核心l s r 。 拥有非m p l s 邻居的l s r 都被认为是边界l s r 。边界l s r 在m p l s 网 络边界执行标签压入或弹出操作，在m p l s 域的入口点，进行标签压入操作， 在m p l s 域的出口点，在将分组转发到m p l s 域之外的邻居前，将分组的标 签弹出； 在图2 3 所示的m p l s 网络结构中，r 1 一r 7 组成一个m p l s 域，其中 r 1 、r 2 、r 3 和r 7 为边界l s r ，r 4 、r 5 和r 6 为核心l s r ，路径r 1 r 4 r 5