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基于m p l s 的选播q o s 路由研究 摘要 选播是一种新型的网络服务，选播给用户的期望是通过一个选播地址 就能访问到该地址所表示的一组服务器中对用户来说距离最近的一个。选 播的应用空间非常广阔，但是，它的实现还面临着许多问题。选播的路由 问题是其根本的问题，它直接决定服务的可用性和效率。随着多媒体业务 的兴起，网络服务要求已超出了网络的服务容量，选播服务如视频点播、 i p 电话等实时业务受到严重影响。服务质量( q o s ) 通过管理网络资源来 改善网络服务和满足更多不同需求的网络应用。选播的q o s 路由成为一个 重要的研究课题。 m p l s ( 多协议标签交换技术) 兼备了i p 技术的灵活性和a t m 技术的 快速交换，被认为是下一代运营商网络的核心技术。显式路由、流量工程 以及q o s 路由功能是m p l s 作为下一代i n t e m e t 宽带技术最为显著的技术优 势。为实现选播服务的q o s 保证，提高网络资源的利用率，我们提出基于 m p l s 关键技术的选播q o s 路由研究。 本文提出一种基于m p l s 的保证q o s 的选播路由算法( a r q m ) 。算法 使用链路状态路由协议，找到一条从服务器到请求客户方向上最小跳数的 最优路径，这条路径能满足选播服务带宽条件。算法中使用的度量为路径 逆向( 即服务器到客户的服务数据流方向) 上的值。仿真结果表明该算法传 输服务数据流时，时延及丢包率性能良好，并能在一定程度上平衡服务器 的负载。 本文对选播服务的网络负载均衡作了研究，提出一种支持流量工程的 选播q o s 路由算法( a r t ) 。a r t 基于最小冲突路由思想，利用选播网络 中的源目的节点对信息，在客户发出选播请求后，a r t 能尽量避免当前 请求与将来请求之间的冲突，选择满足带宽约束并且冲突最小的路径，再 根据所选路径建立l s p ，并预留资源。算法中使用的度量为服务器到客户 方向上的值，由链路的剩余带宽、服务器负载、节点对之间的冲突度结合 起来定义权重，最后使用d i j k s t r a 算法求取最优路径。仿真结果表明该算 法能平衡网络负载，实现网络资源的合理利用。 关键词：选播路由多协议标签交换服务质量流量工程冲突服务器负载 r e s e a r c ho na n y c a s tq o sr o u t i n g i nm p l sn e t w o r k s a bs t r a c t a n y c a s ti san e wi n t e m e ts e r v i c e w l t ha n y c a s ts e r v i c e ，ac l i e n tc a nr e a c h t h em o s ta p p r o p r i a t es e r v e r , w h i c hi so n eo ft h es e r v e r st h a ta c c e p td a t a g r a m sf o r a n y c a s ta d d r e s s a n y c a s th a sn u m e r o u sp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s ，a n di sr e c o g n i z e d a sa l lu s e f u l s e r v i c e h o w e v e r , m a n yt e c h n o l o g i c a lp r o b l e m sh a v el i m i t e d i t s a c c e p t a n c eb y t h e c o m m u n i t y r o u t i n g f o r a n y c a s t s e r v i c ei s v e r y i m p o r t a n t ，w h i c hd e c i d e su s a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo f t h es e r v i c ed i r e c t l y w i t ht h e e m e r g e n c eo fm u l t i m e d i as e r v i c e s ，t h er e q u i r e m e n t so fw e bs e r v i c e sh a v e e x c e e d e dt h en e t w o r kc a p a c i t y a n y c a s ts e r v i c e ss u c ha sv i d e oo nd e m a n d ，i p t e l e p h o n ya n do t h e rr e a l - t i m es e r v i c e sh a v eb e e ns e r i o u s l ya f f e c t e d q u a l i t yo f s e r v i c e ( q o s ) c a l li m p r o v en e t w o r ks e r v i c e sa n dm e e td i f f e r e n tr e q u i r e m e n t so f a p p l i c t i o n sb yn e t w o r kr e s o u r c e sm a n a g e m e n t a n y c a s tq o sr o u t i n gh a s b e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c t m p l s ( m u l t ip r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) c o m b i n e st h ef l e x i b i l i t yo fi p t e c h n o l o g ya n dt h er a p i de x c h a n g eo fa t mt e c h n o l o g y , a n di sr e g a r d e da sa c o r e t e c h n o l o g yi nt h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k s e x p l i c i tr o u t i n g ，t r a f f i ce n g i n e e r i n g a n dq o s r o u t i n ga r et h em o s ts i g n i f i c a n ts u p e r i o r i t yo fm p l s f o rg u a r a n t e e i n g a n y c a s tq o sa n de n h a n c i n gt h eu t i l i z a t i o no fn e t w o r kr e s o u r c e s ，w ep r o p o s ea s t u d yo f a n y c a s tq o sr o u t i n gb a s e do nm p l s a na n y c a s tr o u t i n ga l g o r i t h mg u r a n t e e i n gq o si nm p l sn e t w o r k s ( a r q m ) i sp r o p o s e d i tp r e c o m p u t e sa n y c a s tp a t hw i t hl e a s th o pn u m b e r s t h i s p a t hc a l lf u l f i l lb a n d w i d t hc o n s t r a i n tb yl i n ks t a t er o u t i n gp r o t o c o lf r o mt h e m d e s t i n a t i o n n o d e ( s e r v e r ) o f a l l a n y c a s td a t a g r a m t oi t ss o u r c e n o d e ( c l i e n t ) a r q mr e s e r v e sb a n d w i d t ho nl s pu s i n gc o n s t r a i n tr o u t i n g - l a b e l d i s t r i b u t i o np r o t o c o l ( c r l d p ) t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a ta r q m r e s u l t sa b o u td e l a ya n dd a t al o s s - r a t ea r eg o o d ，a n dt h ea l g o r i t h ma l s ob a n l a n c e t h es e r v e rl o a dt os o m ee x t e n t t h en e t w o r kl o a db a l a n c i n go fa n y c a s ts e r v i c ei ss t u d i e d a na n y c a s t r o u t i n ga l g o r i t h ms u p p o r t i n gt r a f f i ce n g i n e e r i n g ( a r t ) i sp r o p o s e d 憾i s b a s e do nm i n i m u mi n t e r f e r e n c er o u t i n gs c h e m a w h e ns e l e c t i n gap a t ht om e e t c l i e n t jsr e q u e s t sa n dh a v i n gt h el e a s ti n t e r f e r e n c e 。臌iu s e st h ei n f o r m a t i o n r e g a r d i n gt h es o u r c e d e s t i n a t i o n ( s d ) p a i r st or e d u c ei n t e r f e r e n c eb e t w e e n c u r r e n tr e q u e s t sa n df u t u r er e q u e s t sf o rt h ee s t a b l i s h m e n to fl a b e ls w i t c h e d p a t h sa n dr e s e r v i n gr e s o u r c e 瞰u s e st h ev a l u e so i lt h ed i r e c t i o nf r o mt h e s e r v e r so fa na n y c a s td a t a g r a mt oc l i e n t ，a n da s s i g n sl i n k sw e i g h ta s s o c i a t e dw i t l a - - l i n k r e s i d u a lb a n d w i d t h ，s e r v e rl o a d ，a n di n t e r f e r e n c eo nt h el i n ko fa l ls d p a i r s a r tg e tt h eb e s tp a t hb yu s i n gd i j k s t r aa l g o r i t h mi nt h ee n d 1 1 1 e s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a ta r tc a l lb a l a n c en e t w o r kl o a d ，a n do p t i m i z e n e t w o r kr e s o u r c eu t i l i z a t i o n k e y w o r d s ：a n y c a s tr o u t i n g ；m p l s ；q o s ；t r a f f i ce n g i n e e r i n g ；i n t e r f e r e n c e ； s e r v e rl o a d i v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和 相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本 论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也 不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个 人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：1 。 砌降妇湘 胨风 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：导师签名：年月 日 瞄凤 - l 于g p l s 的选鲁o o s 路由研究 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 随着计算机网络技术的迅速发展，新的应用需求不断出现。越来越多的用户通过 w w w 来实现信息共享和查询，一些流行的站点可能因为访问用户过多而发生阻塞。为 了增强服务的可用性和改善网络的流量分布，通常在网络中复制服务器，将多个具有 相同内容的服务器通过网络连接在一起，共同向用户提供良好的服务。在i n t e r n e t 上， 为了使复制主机或镜像服务器能够提供更好的服务，r f c l 5 4 6 中提出了选播的概念， 选播是一种新型的网络服务，是i p v 6 的一个新特征【l 司。选播给用户的期望是通过一个 选播地址就能访问到该地址所表示的一组服务器中对用户来说距离最近的一个。选播 的应用空间非常广阔，但是，它的实现还面临着许多问题。 选播的路由问题是其根本的问题，它直接决定服务的可用性和效率【4 】。路由选播数 据报可以用两种方法：一种叫单路径路由，它总是为同一个源的选播数据报选择同一 条路径；另外一种称为多路径路由，它则把选播流量分到不同的路径上。研究选播路 由除了需要考虑对服务可用性的支持外，还必须考虑其他方面的支持和制约，还要兼 顾对网络性能、网络设备性能的影响以及同原有路由协议的兼容性。 从用户的角度来看待i n t e r n e t 的问题，诸如带宽缺乏、延迟、数据丢失、抖动等 等，均可以归结为服务质量问题。q o s 技术是指如何在保持i n t e m e t 现有的体系结构、 应用结构、技术结构的基础上，通过实施高层的管理策略，或者采用附加措施，使网 络资源的使用更加合理有效，从而消除服务质量问题。它通过资源预留、预测、分 类、优先级区分等综合控制手段，提高网络基础设施资源的利用率，保证数据以某种 服务级别在网络中一致地传输，提供主机间端到端的服务质量。选播q o s 保证是q o s 领域的一个分支，现有q o s 领域的一些问题在这个分支中同样存在，同时，它自身的 特性也引起一些特殊的问题。如选播地址对应于多个目标结点，这就为q o s 资源预留 和接纳控制提供了更多的选择余地。目前对选播q o s 的研究主要有：1 ) 利用分布式许 可控制机制，通过对多个目标的选择算法的研究提高选播q o s 。2 ) 选播的q o s 路由算 法的研究，根据q o s 路由参数，计算q o s 受限路由。这种方法能在一定程度实现选播 的q o s 。3 ) 在差分服务网络中利用带宽代理实现选播q o s 的体系结构的研究。但是， l 于l i p l s 的选播q o s 路由研完 目前这几个方向仍然是一个活跃的研究领域。 m p l s ( 多协议标签交换技术) 兼备了i p 技术的灵活性和a t m 技术的快速交换， 以其在显式路由、q o s 路由、支持区分服务、流量工程、标签合并等方面所具有的技 术优势，可以解决网络中存在的拥塞、q o s 、v p n 支持和组播等方面的一系列问题， 使其正以绝对的优势倍受多方关注，被认为是下一代运营商网络的核心技术。m p l s 是一种在通信网内利用定长的标签来引导数据高速传输和交换的网络技术。其核心思 想是“一次路由，多次交换”，即由边缘l s r 为到达数据流选择满足参数要求的可达 路由，并为数据报分发标签，建立标签交换路径l s p ，然后在m p l s 网络内部依据标 签实现网络交换，不再进行路由选择1 9 1 。 m p l s 技术用链路动态路由协议进行路由的选择( 如o s p f 或i s i s 等) 。由于 o s p f 技术的应用广泛，且其网络拓扑的动态发现、链路状态数据库的扩散机制和区域 的层次组织等特性给m p l s 提供了良好的可扩展空间，为流量工程和q o s 的实现打下 了基础【1 1 ，c s p f 在o s p f 的基础上实现了q o s ，其基本机制没有变化，它并没有考 虑选播的语义，不能自动支持选播地址的选路，但可以对c s p f 进行扩展实现选播路由 选择，因此，可考虑利用m p l s 的q o s 路由策略，以及流量工程等技术来研究选播 q o s 路由。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1m p l s 的q o s 路由技术研究 m p l s 的q o s 路由技术，也称为m p l s 的约束路由技术。文献【3 0 】提出了在传统的 d i j k s t r a 算法的基础之上，提出了一种新颖的基于遗传优化的q o s 保证的路由选择算 法，此算法在优化网络资源、平衡网络负载是有效而实用的。文献【3 1 】提出了一种 m p l s 流量工程中新的保证带宽的动态路由算法。相对传统的算法如s p f ( s h o r t e s tp a t h f i r s t ) 算法、w s p 算法( w i d e s ts h o r t e s tp a t h ) 等，解决了网络资源使用不充分的问题。文 献 3 2 - 3 4 针对m p l s 支持的流量工程，提出了一些新的约束路由算法。文献【3 5 】分析了 r f c 2 6 7 6 中提出的支持q o s 路由机制的o s p f 扩展，并对r f c 2 6 7 6 建议的两种q o s 路由算 法在n s 2 中与m p l s 模块结合【3 每3 7 1 ，通过实验显示了这两种新算法相对传统s p f 算法的 优越性。 2 墓于m p l s 的选播q 0 , 5 路由研究 1 2 2 选播的q o s 路由研究 选播是一种新型的网络服务，最初定义在1 9 9 3 年的r f c l 5 4 6 中。在1 9 9 8 年的 r f c 2 4 6 0 中【1 3 】，i p v 6 协议正式接纳了选播服务，作为与单播和组播一样的一种m 通 信模式。现在，国内外对选播的研究主要在路由协议，无状态服务问题、组管理协 议、局域网通信、地址结构、安全问题、q o s 保证等方面。从选播服务定义的角度看 出这种服务的主要功能是为用户提供合适的选择，因此，路由问题是根本问题。文献 【1 4 提出了一个选播消息的路由协议，它是一种多路路由算法，由两部分组成：路由表 建立子协议和包转发子协议，此协议能减少拥塞，改善延迟和吞吐量性能，需额外开 销来维护多路径信息。文献【1 5 】提出了在d i f f s e r v 网络上实行端到端集成路由算法。 国内也作了些研究，文献【1 6 】使用了一种特殊复合距离的选路路由算法，这种算法使用 度量在路径逆向上的值，不同于常规从选播数据报的源节点到目的结点，它能在一定 程度上平衡服务器的负载。文献【1 l 】利用扩展的o s p f v 3 协议来实现选播，o s p f 协议 是链路状态协议的代表，该文章通过实验证明了用扩展的o s p f v 3 协议来实现选播的 可行性。实际上，路由问题不是一个单一的问题，还应考虑其他方面的支持和制约， 下列文献就在路由选择中考虑了选播的q o s ：文献【1 7 】提出了一种选播流的分布式许可 机制，通过对多个目标的选择算法研究，使系统性能近似于全局或动态信息的集中式 许可机制，但开销却小得多，缺点是这种机制的性能依赖于每个节点的可用信息的数 量。文献【2 5 】提出和分析了基于网络层的分布式选播路由协议，它由两个子协议组 成：路由表建立协议和数据包转发协议。在路由表建立协议中，提出了四种方法( s s a , m i n d ，s b t ，c b t ) 用于增强在路径选择过程中路由器的有序性，从而避免路由环的出 现；在数据包转发协议中，为了平衡网络流，提出了一种用于多路选择的加权随机选 择方法。 q o s 路由是选播研究中的一个重要内容。文献 1 8 1 也提出了一种选播的q o s 算法， 先在链路状态图中剪去不满足带宽要求的链路，再进行选路。文献 1 9 1 也对选播路由的 q o s 保证作了研究，它使用了权重随机选择来协助负载平衡，并在确定期望值的范围内 考虑q o s ，文中用到了r b h 和r b h s 算法。文献【3 8 】提出一种基于遗传算法的选播q o s 路由算法，利用遗传算法具有并行搜索、群体寻优的特点，将路径编码形成染色体， 进行交叉、变异，利用多q o s 约束定义适应度函数进行最优选择，从而得出最佳路 由。文献【4 1 】提出一种在m p l s 网络中单播与选播数据流的健壮性较好的路由机制，它 是特殊的服务器选择算法，能根据选播请求建立单播路由。对于选播流的恢复方面也 3 l 于咿l s 的琏播0 0 s 路由研竞 提出了一种较好的机制，叫做后备服务器机制。 1 3 本文的研究内容 本课题的研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 研究m p l s 的关键技术，包括显式路由、q o s 路由、流量工程等： ( 2 ) 研究o s p f 协议，将它作为m p l s 路由的选择方案，并对o s p f 协议进行 扩展，在其链路状态广播中加入流量特性等q o s 参数，并与m p l s 技术结合，建立 一条基于流量特性的最短路径以供标签分发使用，实现基于约束的显示路由； ( 3 ) 研究现有的能实现选播q o s 的路由算法，包括把改进的o s p f 协议作为选 播的路由选择，考虑其q o s 保证，实现满足带宽约束的选播服务； ( 4 ) 研究实现m p l s 流量工程的路由算法，采用最小冲突路由，在实现带宽约 束的选播服务基础上，使选播服务的网络性能更加优化。 ( 5 ) 对基于m p l s 技术的选播q o s 路由的性能进行分析和仿真实验，分析其资 源预留率、传输延迟以及负载平衡等。 1 4 本文的创新点 ( 1 ) 根据选播q o s 要求，研究m p l s 关键技术，提出“基于m p l s 关键技术的 选播q o s 路由”这一研究课题。并根据c s p f 路由协议中的q o s 路由，提出一种基于 m p l s 的保证q o s 的选播路由算法( a r q m ) 。 ( 2 ) 通过分析基于最小冲突路径选择算法的m p l s 流量工程，发现最小冲突路 径选择算法与选播通信的结合比较合适，提出一种支持流量工程的选播q o s 路由算 法( a r t ) 。 1 5 本文的结构安排 第一章作为整个论文的绪论，分析研究背景，介绍研究现状，阐述论文的研究 内容和我们采用的研究方案；最后简述论文的总体结构。 第二章介绍m p l s 的网络体系结构、m p l s 的工作流程、m p l s 的基本原理以 及m p l s 实现流量工程的相关内容。作者还对m p l s 的一个重要应用v p n 有所研 究。 4 l 于m p l s 的选播q o s 路由研究 第三章介绍选播服务的网络模型、选播通信服务的应用，并分析其路由问题。 第四章为了满足用户的需求，提出一种基于m p l s 的保证q o s 的选播路由算法 ( a r q m ) 。算法使用链路状态路由协议，找到一条从服务器到请求客户方向上最小 跳数的最优路径以供建立l s p ，这条路径能满足选播服务带宽条件。 第五章描述基于m p l s 流量工程的选播q o s 路由问题。通过分析基于最小冲突 路径算法的m p l s 流量工程，结合选播通信的特征，提出一种支持流量工程的选播 q o s 路由算法( a r t ) 。算法基于最小冲突路由，实现了选播服务网络资源的高效利 用。 第六章对整个论文研究的总结，综述我们在基于m p l s 技术的选播q o s 路由算 法研究领域获得的成果，指出我们现有工作的局限性以及有可能做进一步研究的工作 方向。 l 于m p l s 的鼍播q o s 蘑研竞 第二章m p l s 相关技术 本文所做的研究主要是将m p l s 技术应用于实现选播q o s 路由，提供服务质量和 网络负载平衡的保证。因此，本章将对m p l s 的相关技术，包括显示路由、c r - l d p 、流量工程、v p n 支持等基础理论作简单的介绍。 2 1 概述 2 1 1m p l s 网络体系结构 多协议标签交换( m p l s ) 技术是将第二层交换和第三层路由结合起来的一种l 2 l 3 集成数据传输技术。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。m p l s 之所以称为“多协议”是因为m p l s 不但可以支持多种网络层层面 上的协议，如i p v 4 、i p v 6 、i p x 、a p p l e t a l k 、d e c n e t 、c l n p 等，还可以兼容第二层 上的多种链路层技术。 m p l s 将第二层的交换和第三层的路由技术很好的结合起来。它以十分简洁的方 式完成信息的传送。m p l s 首先根据某种特定的映射规则在网络入口l e r 处将数据流 分组头和固定长度的短标签对应起来；这种映射规则不但考虑到数据流目的地的信 息，而且也考虑到了有关q o s 的信息；然后在数据流的分组头中插入标签信息。在以 后网络中的转发过程里，m p l sl s r 就只是根据数据流所携带的标签进行交换或转 发。然而信息流究竟沿何路由传送，这将由m p l s 设备中采用的第三层路由协议与用 户需求及网络状态来共同决定。缺省情况下，各个m p l s 设备运行路由算法，根据计 算得到的路由在逻辑相邻的对等体间进行标签分配，通过标签的拼接建立起从网络入 口到出口的标签交换路径l s p 。其中，标签的分发过程需要遵循专用的控制协议，如 l d p 或r s v p ，或者搭载在路由协议( 如b g p ) 上进行。m p l s 的网络模型结构如图 2 1 所示。 6 l 于押l s 的选撸0 0 s 路由研完 图2 - 1m p l s 网络体系结构图 f i g u r e2 1 t h ea r c h i t e c t u r eo fm p l sn e t w o r k 1 9 9 7 年4 月，i e t f 首次成立了m p l s 工作组，起草了m p l s 框架工作提纲。1 9 9 7 年8 月，i e t f 于慕尼黑起草了m p l s 体系结构，并完成了标记封装草案。i e t f 引入 m p l s 最初的目的主要是为了改善网络选路的性能，降低高速转发的成本，提高分组 转发的性能，增强i po v e ra t m 网络的扩展性，并使新业务的引进和实施更具有灵活 性。因此m p l s 必须支持下面一系列核心技术： ( 1 ) 兼容各种数据链路层技术，如a t m 、帧中继，p p p 等。 ( 2 ) 兼容各种路由协议，但能独立于路由协议而运行。 ( 3 ) 提供防止环路发生的协议机制，或者保证在有环路的情况下，仍然有一定的网 络资源可供使用，以保证网络的服务性能不至于下降太多。 ( 4 ) 允许用户数据的“集合转发 ，即多个用户的数据径流被汇集到一个径流中作 为一个单元沿单一路径转发出去。 ( 5 ) 对现有i p 网络的o a m 功能进行扩展。m p l s 应可以提供对目前的网络管理和 诊断工具的向下兼容性。在这些工具不能使用的地方，需要采取相应的措施以实现相 同的功能。 ( 6 ) 能够处理单播和组播通信的径流。 ( 7 ) 兼容i e t f 的综合业务模式。 ( 8 ) 能够与非m p l s 设备在同一个网络中共存，不要求非m p l s 设备作额外的配 置。 ( 9 ) 但存在第二层交换协议( 例如，a t m 论坛信令) 时，允许“夜行船力操作， 7 l 于肝l s 的选撸q 0 s 路由研完 使m p l s 与标准的第二层协议同时运行于同一网络中而不知道对方的存在。 m p l s 工作组的重点已经从原来技术的基本实现，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 与光纤传输网( o t n ) 的融合、m p l s 网络流量工程的具体应用。 2 1 2m p l s 基础 2 1 2 1m p l s 的工作流程 1 标签的建立 使用i g p 协议和l d p 协议获取路由信息，在各节点建立局部转发表和标签信息 表。 2 网络的边缘行为 当分组进入m p l s 网络到达入口l e r 时，l e r 提取分组的目的口地址进行f e c 映射，如果对于该口地址没有f e c 与之相对应，则使用l d p 协议进行标签分配，建 立l s p ，再进行映射。对于每一个f e c ，都存在一条穿越网络到达目的地的l s p ，分 组被分配了f e c 后，l e r 就可以在标签信息库( l i b ) 中为分组分配对应的出口标 签。在转发分组时，l e r 检查标签信息库中的f e c ，用标签封装分组，将分组从相应 的端口发送出去。 3 网络的核心行为 当一个带有标签的分组到达l s r 时，l s r 提取其标签，以它为索引查找标签信息 库，找出其对应的出口标签值，使用出口标签代替入口标签封装分组，并将分组从出 口标签对应的端口发送出去。最后当分组到达m p l s 网络的出口l e r ，l e r 剥去分组 携带的标签，按照传统的i p 路由方式将分组传送到目的地。 4 l s p 的建立 建立l s p 的方法有两种，一种是逐跳路由的方式，另一种是显式路由的方式。 1 ) 逐跳路由使用传统的动态路由算法来决定l s p 的下一跳，l s r 之间的标签交换 由l d p 完成，每个节点独立地为f e c 选择下一跳、决定下一跳的改变，修复故障路 径，它在实现上比较简单，可以利用传统路由协议以及现有设备中的路由功能实现， 8 基于肝l s 的毫撸0 0 si q e t e 硼l r 但不具备流量工程能力。 2 ) 显式路由则由流量引导数据分组或手工制定路由，l s r 没有选择下一跳的权利， 显式路由可以根据各种约束参数来计算路径、为不同的l s p 设置优先级、对故障的 l s p 进行快速重路由，能够实现流量工程与q o s 。m p l s 通过将显式路由嵌入到基于约 束的l d p ( c r l d p ) 的信息中来完成路径的建立。其中显式路由又可分为两种：紧密的 显式路由和松散的显式路由。紧密的显式路由是指在l s r 处就规定好l s p 沿途的所有 l s r ，如果只是规定了部分l s r ，则是松散的显式路由。 2 122 标签与转发等价类( f e c ) 标签( l a n e ) 是m p l s 中的一项关键技术，它是一个简短的，具有固定长度和本 地意义的标识符，用以表征转发等价类f e c 。这使得标签的处理可以用高速的a s i c 芯片来完成，分组处理和排队时延由此得以大大减少。标签之所以要维持固定长度是 在权衡了传输效率和交换性能之后确定的。虽然固定标签长度使传输效率略有下降， 但却以此换得了交换性能的很大提高。 标签用以表征转发等价类f e c 。f e c 是一系列具有某些共性的数据流集合，这些 数据在转发的过程中被l s r 以相同的方式进行处理，从转发处理这个角度讲这些数据 “等价一。事实上，可以将f e c 理解为一系列属性的集合，这些属性构成了f e c 要素 集合。一般来说f e c 要素主要包括：地址前缀( a d d r e s sp r e f l x ) ，主机地址( h o s t a d d r e s s ) 。 2 1 2 3 标签交换路由器( l s r ) 与标签边缘交换路由器( l e r ) 如图2 1 所示，标签交换路由器( l s r ) 是运行m p l s 的网络节点。它位于 m p l s 网络中部，主要运行m p l s 控制协议和第三层路由协议，他负责与其它标签交 换路由信息来建立路由表，实现转发等价类与m 分组头的映射，建立f e c 和标签之间 的绑定，分发标签绑定信息，建立和维护标签转发表等工作。l s r 除了支持标签交换 以外，还支持第三层的i p 分组逐跳式转发。 标签边缘交换路由器l e r 主要完成连接m p l s 域和非m p l s 域以及不同m p l s 域 的功能，并实现对业务进行分类、分发标签( 作为出口l e r 时) 、剥去标签等；它甚 至确定业务类型，实现策略管理，接入流量工程控制等工作。l e r 是实现m p l s 网络 的关键功能设备之一。 9 l 于8 p l s 的选撸0 0 sm m a 峨 2 1 2 4 标签分发协议l d p 标签分发协议l d p 是控制标签交换路由器之间交换标签与f e c 绑定信息，协调 l s r 间工作的一系列规程。两个使用标签分发协议交换f e c ! 标签绑定的l s r 就称之为 “标签分发对等体l d pp e e r 。如果两个l s r 是标签分发对等体，那我们就说它们在 标签分发意义上是相邻的。 标签分发协议作为m p l s 技术的核心部分被用来在两个l s r 间转发流量，实际上 m p l s 并不只是采取一种标签分发协议，很多标签分发协议已经被标准化，现存的协 议被扩展支持标记分发的功能，新的协议被定义支持显式分发标签的功能。l d p 是 m p l s 缺省的标签分发协议，l s r s 使用l d p 将网络层路由信息与链路层交换路径相映 射，建立穿越m p l s 网络的l s p s 。这些l s p s 中的节点可以是两个直接的l s r ，也可 以一个是入口l e r ，另一个是只有通过标签交换穿越网络中的l s r 才能到达的出口 l e r 。l d p 将f e c 与其创建的每条l s p 相关联，f e c 决定了将分组映射到哪一条 l s p ，每个l s r 都将特定的f e c 对应的入口标签与下一跳的出口标签相接合，从而建 立起一条穿越网络的l s p 。 2 2m p l s 的服务质量保证 i p 网络上的多媒体业务的出现对i p 环境中的服务质量( q o s ) 提出了更高的要 求。i pq o s 是指i p 的服务质量，是指口数据流通过网络的性能。它的目的就是向用户 的业务提供端到端的服务质量保证。他有一套度量指标，包括业务可用性、延迟、可 变延迟、吞吐量和丢包率。 m p l s 到目前为止还没有一个全新的设备支持，主要还是在a t m 交换机上，或者 大规模骨干路由器上刷新软件来实现。所以用m p l s 来实现服务质量保证，并没有一 套新的服务质量保证体系，而是采用d i f f - s e r v 模型作为m p l sq o s 中的体系结构。同 时可采用下面两项技术。 2 2 1 c r - l d p 实现端到端的q o s m p l s 要实现服务质量，实现流量工程设计，就需要通过一个很重要的概念一 “显示路由的标记交换路径( e r l s p ) 一来实现。而e r - l s p 需要限制的路由来建 立。目前，正t f 的两种主要标记分配协议都可以提供限制路由。一个是限制路由的标 1 0 l 于y p l s 的选播q o s 路由研究 记分配协议( c r - l d p ) ，另外一个就是扩展的资源预留协议( 扩展r s v p ) 。 c r l d p 沿用了l d p 的工作过程，如果根据工作的步骤，分为标记的请求和标记 的映射两个步骤；如果按消息的功能分，分为发现、建立邻接、标记的分发以及通 知。标记交换路由器l s r 仍然是通过周期性地发送h e l l o 消息表明它在网络中的存 在。通过“发向所有路由器 的子网组播地址，h e l l o 消息以u d p 分组的形式发往普 通的标记分配协议l d p 端口。当标记交换路由器l s r 决定与通过h d l o 消息发现的其 他标记交换路由器l s r 建立普通的标记分配协议l d p 会话时，标记交换路由器l s r 将通过t c p 端口发起c r - l d p 初始化过程。 c r l d p 比l d p 使用更多的消息以及变量来反映管理者所希望传递的限制信息。 c r - l d p 约有十种消息，分别在c r - l d p 的发现、建立邻接、标记的分发以及通知等四 个阶段起着不同的作用。 2 2 2r s v p t e 实现端到端的q o s 为了防止网络阻塞，实现i p q o s ，人们开发了资源预留协议r s v p 。它通过路由 器事先判断网络资源是否能够满足数据流传输的需求，如果可以的话，r s v p 协议将为 数据流预留出相应的资源，以保证其在网络中的服务质量。 扩展的r s v p 信令系统除了支持最基本的标记交换路径l s p 建立，在自动地绕开 网络故障及阻塞等方面有着其独特的优势；同时，扩展的r s v p 通过使流量工程处理 自动化，简化了网络的运行。r s v p 之所以需要扩展，是为了克服原有r s v p 在扩展性 等方面的弊端，以适应运营商网络环境的要求；同时也为了扩展的r s v p 适应在 m p l s 环境中使用，为了扩展的r s v p 可以在更广泛的范围实现流量工程。扩展的 r s v p 支持要求资源预留的和不要求资源预留的显示路由标记交换路径e r - l s p 。扩展 的r s v p 也支持l s p 的重路由，资源抢占和环路检测：并且为了克服其在扩展性方面 的缺陷，还提出了一些卓有成效的解决措施。 2 3m p l s 流量工程 2 3 1 什么是流量工程 流量工程是一种能将业务流映射到网络的实际物理拓扑上，同时又可以自动优化 网络资源以实现特定应用程序服务性能要求的、具有宏观调节能力和微观控制能力的 l 于m p l s 的选撸q o s 路由研完 网络工程技术。它可以在i s p 网络内实现将业务流从用i g p 选择的最短路径，转移到另 一条潜在的、具有更少拥塞的物理路径上去，从而实现网络中不同链路、路由器和交 换机之间的业务负荷平衡，使所有这些资源既不会被过度使用，也不会未充分利用。 而且，通过对各种具有不同q o s 要求的业务流进行适当的路由选择、路由优化，使各种 业务数据流能够在系统内部均匀合理地分布，从而显著地降低链路的拥塞概率，提高 网络资源的利用率。由此可见，流量工程的目的是优化网络资源的利用率，避免出现 网络拥塞，提高网络的服务质量( q o s ) 。 流量工程的性能指标分为两种： ( 1 ) 面向流量 面向流量的性能指标包括增强流量q o s 功能的各方面，在单一等级、尽力服务的 i n t e m e t 服务模型中，关键的指标包括分组丢失的最小化、延迟的最小化、吞吐量的最 大化以及增强服务等级的协定。其中最重要的指标是分组丢失的最小化，一些与数据 统计相关的性能，例如丢失率、最大分组传输延迟等也会在i n t e m e t 的区分服务中变得 越来越重要。 ( 2 ) 面向资源 面向资源的性能指标包括与优化资源利用率相关的各方面。网络资源的有效管理 是实现面向资源性能指标的重要手段，流量工程的中心任务就是要对带宽资源进行有 效的管理，它可以避免一部分网络资源过度被使用，而另一部分资源被闲置的情况发 生。 2 3 2m p l s 实现流量工程 在m p l s 上实现流量工程分为三个步骤：首先将分组映射到f e c ，其次是将f e c 映射到流量主干，最后是将流量主干映射到l s p 4 4 1 。m p l s 提供了如下支持： 1 显式标签交换路径 通过手工配置或自动配置，m p l s 可以很容易建立不受i g p 限制的显式路由，它 是流量工程的基本功能。 2 一组与流量主干相关的，能描述它们行为特征的属性： 流量主干实际上是具有特定流量特征的流量的抽象代表，它是指被放置在一条 l s p 上的具有相同等级的流量的集合，它和l s p 有着本质的区别，流量主干是指流量 1 2 l 于p i p l s 的选撸0 0 s 烙由研完 的集合，而l s p 是指流量集合流经的标签交换路径。 ( 1 ) 流量主干虽然是属于同种等级的流量的集合，但某些情况下我们可以允许流量主 干包含多种类型的流量。 ( 2 ) 在单一等级服务模型中，流量主干指可以封装在入口l s r 和出口l s r 之间或在 期间