（计算机软件与理论专业论文）mpls网络中基于公平性的准入控制算法研究.pdf

摘要 随着网络的高速发展，d 网络正在从当初单纯传送数据向可传送数据、语 音、活动静止图像的多媒体网络转变。从仅提供尽力( b e s t - e f f o r t ) 服务向一个 综合的或者拥有服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，简称q o s ) 保证的区分服务架构演 化。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 ) 是一种能在a t m 和纯口网共存情 况下提供流量工程的技术，在解决网络的扩展性、实施流量工程( t r a f f i c e n g i n e e r i n g ) 、同时支持多种要求特定q o s 保障的p 业务等诸多方面具备得天独 厚的技术优势。 准入控$ 1 ( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 是解决网络q o s 问题的一个重要手段，对于控制 网络流量，提高资源利用率，优化网络性能及确保业务q o s 等方面都起到了积 极的作用。然而多数的准入控制算法设计上忽略了公平性原则，导致对带宽要求 较大的业务往往不能进入网络。一个好的准入控制算法不仅要实现优化网络性能 的目标，也要实现业务流的准入公平性。 参考文 1 】中的算法设计思想，本文提出一种基于公平性的准入控制算法， 将实现准入控制的公平性作为评价准入控制算法的主要标准，该算法提高了带宽 需求较大的业务进入网络的概率，同时兼顾带宽需求较小的业务。按本文的算法 进行准入控制，在实现优化网络性能、提高资源利用率的同时，也确保了不同业 务的准入公平性。 本文首先对m p l s 流量工程的基本原理及相关技术做了简单的介绍，然后总 结了现阶段的各种准入控制算法，最后，在文 1 的基础上，提出了一种新的基 于公平性的准入控制算法，并给出应用仿真软件n s 对该准入控制机制所作的性 能评价。 关键词：准入控制，多协议标签交换，流量工程， q o s a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e m e tn e t w o r k s ，i pn e t w o r ki sc h a n g i n gf r o m c o n v e y i n gt h es i m p l yd a t at oo p e r a t i n gm o r ed y n a m i ca n df l e x i b l er e s o u r c eu t i l i z a t i o n ， f r o mp r o v i d i n gb e s te f f o r ts e r v i c et oo f f e r i n gi n t e g r a t e do rq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) p r o m i s es e r v i c e s m p l si sat e c h n o l o g yo fp r o v i d i n gt r a f f i ce n g i n e e r i n g0 1 1t h e c o e x i s t e n c eo fa t ma n dp u r edn e t w o r k s ，w h i c hh a si t s u n i q u ea d v a n t a g e so n s u p p o r t i n gq o sa n dt e ( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) a n dn e t w o r k se x p a n s i b i l i t y a d m i s s i o nc o n t r o li sa ni m p o r t a n tm e t h o dt os o l v et h eq o sp r o b l e ma n dh a s p o s i t i v e e f f e c to nf l o w c o n t r o l ，e n h a n c i n gu t i l i z a t i o n ，i m p r o v i n gt h en e t w o r k p e r f o r m a n c e a n d a s s u r i n gq o s h o w e v e r ,s e r i o u su n f a i r n e s so c c u r sa m o n g c o n n e c t i o n sw i t hd i f f e r e n tq o sr e q u i r e m e n t s ，t h a ti s ，l a r g e - b a n d w i d t hc o n n e c t i o n sa r e h a r d l ya d m i t t e d ag o o da d m i s s i o nc o n t r o ls h o u l da c h i e v en o to n l yh i g hu t i l i z a t i o n b u ta l s og o o df a i r n e s s a c c o r d i n gt ot h ed e s i g no fa d m i s s i o nc o n t r o li np a p e r 1 ，t h i sp a p e rd e v e l o p sa a d m i s s i o nc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do nf a i m e s s c o n s i d e r i n gt h ef a i r n e s sr u l e 丛t h e m a i ng o a l t h ea l g o r i t h mg i v e sa t t e n t i o nt ob o t hl a r g e b a n d w i d t hc o n n e c t i o n sa n d s m a l l - b a n d w i d t hc o n n e c t i o n s ；i tc a na c h i e v ea h i g h e ru t i l i z a t i o na n df a i r n e s s a tf i r s t , t h ep a p e rg i v e sai n t r o d u c et ot h er e l a t e d t e c h n o l o g y i n t r a f f i c e n g i n e e r i n ga n dm p l s ，a n dt h e n , s u m m a r i z e sa d m i s s i o nc o n t r o li np r e s e n t , a tl a s t ， b a s e do np a p e r 【1 】，b r i n g sf o r w a r daa d m i s s i o nc o n t r o l ，t h e a l g o r i t h mh a sb e e n i m p l e m e n t e di nn e t w o r k ss i m u l a t e r 2 ( n s - 2 ) ，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 tt h e a l g o r i t h ma c h i e v eh i g hu t i l i z a t i o na n df a i r n e s s k e yw o r d s ：a d m i s s i o nc o n t r o l ，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 ，t r a f f i c e n g i n e e r i n g ，q u a l i t yo fs e r v i 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，除了文中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，也不包含为获得苤姿态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 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：节。纠 签字日期：2 一年2 月岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤注盘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：话别 签字日期：厉刁年7 月岁日 导师签名：砂f 以 签字日期：2 甸年) 月上日 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 流量工程与m p l s 第一章绪论 i e t f 的这两项技术可以作为基础q o s 技术在相关的网络部件上使用，但是 这并没有解决全网的q o s 问题。目前，缺乏一个可以实施的整网q o s 机制，而 从路由器等设备来看，已初步具备基本的q o s 能力。 将业务映射到网络的物理拓扑上的任务被称作流量工程。流量工程的根本作 用在于安排流量如何通过网络，尽量避免不均匀地使用网络而导致拥塞，以保证 q o s 。网络拥塞发生的原因可能有网络资源( 比如链路带宽、缓冲区) 的不足、 以及网络中业务的不均匀分布。当业务量不均匀分布时，则有的链路处于过载状 态而有的链路可能处于欠载状态，此时如果能够对网络中的业务流进行适当引 导，则不必增加网络资源也可能消除拥塞。流量工程的目的就在于：如何有效地 引导业务流通过网络以便消除由于业务量不均匀分布而造成的网络拥塞。 为了实现基于路由器的流量工程实施方案，目前最有希望的技术是多协议标 签交换( 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 ) 技术。多协议标签交换，是i p 通信 领域中的一项崭新的传输技术，是对传统i p 网络传输技术( 如i po v e ra t m ) 的 改进。其基本思想表现在m p l s 网络上即为边缘路由和核心交换的结合。这种技 术兼具了i p 的灵活性、可扩展性与a t m 等硬件交换技术的高速性能、流量控制性 能、q o s 性能。 m p l s 网络的基本处理过程如下：标签交换路由器( l s r ) 和标签边缘路 由器( l e r ) 采用标准的路由协议( b g p , i g p ) 识别路由，自动生成路由表； 标签交换路由器( l s r ) 和标签边缘路由器( l e r ) 通过标签分发协议( l d p ) 给用标准路由协议生成的路由表赋以标签并分发，而标签边缘路由器( l e r ) 接 收标签分发信息并建立转发数据库；当标签边缘路由器( l e r ) 接收到需要通 过m p l s 网络转发的d 包后，分析p 包头信息从路由表中给口包选择路由并 打上标签转发到下一节点的标签交换路由器( l s r ) ；标签交换路由器( l s r ) 收到带标签的i p 包后，仅基于标签来进行交换，而不分析网络层头信息；带 标签的p 包到达出口标签边缘路由器( l e r ) 时，去掉标签再通过网络层的路 由选择并按照传统的d 转发方式转发到目的节点。 第一章绪论 实际上，口包是在m p l s 网络中入口l e r 和出口l e r 之间的一条标签交换 路径l s p 上被传送。m p l s 不仅能够解决当前i n t e r n c t 网络中存在的大量问题( 如 带宽瓶颈、q o s 保证以及v p n 支持等问题) ，而且能够支持许多新的功能( 如流 量工程、显示路由等) ，是一种理想的d 骨干网络技术。 1 1 2 存在的问题 m p l s 技术在支持流量工程和提供q o s 保证方面都显示出其得天独厚的优 势。准入控制机制，作为实现q o s 及流量工程的另一个关键技术，在改善网络性 能、优化资源管理及q o s 业务等方面起到了积极的作用，但是大多数准入控制算 法的设计都以优化网络性能、提高资源利用率为主要目标，往往忽略了公平性 ( f a h u e s s ) 原则，导致带宽要求较大的业务不容易进入网络，尤其是在网络中 重度负载时，由于带宽等资源的不足使这些带宽要求较大的业务根本不能进入网 络之中。对于一个好的准入控制算法来说，实现业务之间的公平性也是一个重要 的目标，因此在算法设计过程中应该给予这个问题一定的重视【l j 。 1 2 论文的主要工作 本文中，作者所作的主要工作有以下几个方面： 1 、针对现有的准入控制算法往往忽略公平性原则的情况，本文在 1 基础之 上，提出了一种基于公平性的准入控制算法，该算法在优化网络性能和提高资源 利用率的同时，能更好的实现了业务之间的公平性。 2 、使用仿真软件n s 实现了本文所提出的准入控制算法，在边缘节点加入 了准入控制模块。并通过仿真实验验证了本文提出的边缘准入控制算法的性能。 1 3 论文结构 论文的第二章主要介绍了流量工程和m p l s 技术的基本概念和基本原理，并 分析了基于m p l s 技术的流量工程的核心技术和相关协议，指出了m p l s 流量 工程的优势所在；第三章分析了现有的准入控制算法，针对其中忽略业务见公 平性的现象，结合【1 提出了一种基于公平性的m p l s 网络准入控制算法；第四 章通过仿真实验对该算法的公平性进行了验证；第五章总结全文，分析了该准 入控制算法中的不足之处，并对今后的研究和工作进行了展望。 第二章基于i 埴p l s 的流量工程 第二章基于m p l s 的流量工程 流量工程( t e ，t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 就是一种能将业务流映射到实际物理通 路上，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 宏观调节和微观控制能力的网络工程技术【2 1 。流量工程的目标是避免拥塞问题以 及由此引起的q o s h 艮务等级下降问题；另外它还要实现网络工程自动化。从网络 流量的观点来看，流量工程的功能可以看作是网络中业务流量分布的优化。 m p l s 是近几年发展起来的新型的网络交换技术。它主要是在传统的i p 网 络中增加了面向连接的特性，从而使得在传统d 网络中实施流量工程成为可能。 m p l s 所提供的最关键的优点是能够将p 分组路由到一条标签交换路径l s p ( l a b e ls w i t c h e dp a t h s ) 上，l s p 实质上是建立了一条穿越网络的虚电路。一对 源目的地址之间可以建立多条( 包括一条) 不同的l s p ，每条l s p 的路由可以 独立指定。 流量工程决不是特定于m p l s 的产物，而是一种通用的实现方案。基于m p l s 的流量工程是一种尝试，这种尝试试图最好地利用面向连接的流量工程技术( 例 如a t mp v c 布局) 并且把这些技术和d 路由技术融合在一起。基于m p l s 的流 量工程和基于a t m 的流量工程同样有效，而且消除了很多i p o a ( i po v e r a t m ) 的缺点。 2 1 流量工程概述 2 1 1 流量工程的基本组成 在一个分组交换网络中对流量工程来说需要四个基本部分： 1 拓扑信息分发：由于网络是分布系统，它需要一种机制用于向所有的节 点广播关于链路状态的最新信息。一个节点因此可以计算出网络拓扑图。关于链 路和节点失效的消息也必须迅速地在网络中传播，以使重新恢复得以开始。这部 分的工作可以利用标准路由协议来完成，比如i g p ( i n t e r i o r g a t e w a y p r o t o c 0 1 ) 。 2 路径选择：这个包括使用搜集来的拓扑信息计算网络中节点之间的可到 达性。当一条路径被网络中任意节点对所需要时，一条有着最小链路的最短路径 通常被使用，因为它优化了网络资源的使用。其它的限制，包括带宽和延迟，也 应该在路径选择时被考虑在内。这部分的工作可以利用标准的c s p f ( c o n s t r a i n e d 第二章基于m p l s 的流量工程 s h o r t e s tp a t hf i r s t ) 算法。 3 沿着计算好的路径转发分组：一旦位于一个给定的源节点和目标节点之 间的路径被计算出来后，我们需要有能力来引导分组沿着这条特定的路径转发。 通常，这通过建立一个转发表来完成。当一个分组到达一个节点时，利用分组头 中的信息查找转发表。在一个无连接的转发范例中，每个节点独立地建立自己的 转发表。对于面向连接的转发这一步骤包括适应一种信令协议来建立路径。这种 信令协议帮助沿此路径的中间节点建立它们的转发表。在基于m p l s 的流量工程 中，可供适用的信令协议有r s v p 或c r - l d p 。 4 流量管理：流量管理用于处理一些定义，这些定义包括一个框架和相应 的机制，它们使得一个网络可以向用户数据流提供q o s 。q o s 由一些参数来表征， 这些参数包括带宽、延迟、抖动和丢包率。用来实现q o s 的机制包括网管控制， 流识别，流量规划和流量调度。 2 1 2 流量工程的目标和实现过程 1 目标： 将拥塞最小化是流量工程的核心目标，拥塞一般在以下情况出现： 当网络整体资源不足以支撑流量的需求； 当流量不能有效映射到资源上，引起一部分资源过度利用而另外一部分 利用不足。 由第一种情况引起的拥塞问题可以这样解决：增加网络容量，调整或者降低 要求以此来使流量适应可提供的容量( 例如使用政策、流控、速率整形、链路调 度、队列管理、税收等) ；由第二种情况引起的拥塞问题可以通过增加资源分配 的利用率来解决。这种增加资源分配利用率的一个例子是将一些流量从拥塞的资 源路由到相对没有充分利用的资源上。 可靠的网络操作是i n t e r n e t 流量工程的另一个重要目标。多失效恢复能力必须 被设计以保证网络故障后服务连续性。适当的用于服务恢复的容量必须有冗余备 份。同时必须存在可操作能力用于在发生故障时迅速重路由流量到冗余的容量 上。为更有效利用发生故障后的剩余资源，在恢复后的重新优化可能也是需要的。 在网络没有发生问题时利用一部分冗余容量来提高网络性能和效率是有好处的。 流量工程在一个多种类服务的环境变得更加重要，像目前出现的i n t e m e t 区分 服务，在其中有不同服务需求的多个流同时竞争同一网络资源。在这些环境中， 流量工程建立起资源共享参数以便网络按照这个利用模式向一些服务类别提供 优先服务，比v o i p ( v o i c eo v e ri p ) 等一些实时应用。 2 实现过程： 第二章基于y p l s 的流量工程 根据流量工程要达到的目标，可以看出，流量工程问题基本上是一个网络控 制问题f 2 】。实施流量工程的网络包括一系列的网络互连设备、网络性能监测系统 和网络配置管理工具。我们可以把这样的网络看成是由以下三部分组成：需求系 统( 流量) 、受限系统( 互连的网络单元) 和响应系统( 网络协议及处理) 。 针对这三部分组成，流量工程的实现过程如图2 1 所示，可分为以下四个步 骤： 首先，将控制策略模型化。控制策略的制定依赖于网络环境、运行约束 条件、成本结构、收益模型等： 其次，通过一系列的监测系统观测网络状态，并对数据进行预处理，包 括数据转化、数据传输等。它是流量工程处理模型的反馈单元： 第三步，对业务流进行定性描述，并对网络状态进行分析。对有可能阻 塞网络的状况进行识别，找出影响或潜在影响网络性能的瓶颈和症结所在，结果 用于网络性能优化、网络运行控制、网络设计以及容量规划； 第四步，网络性能最优化处理。优化过程通过控制行为完成，使得网络 达到控制策略所预期的状态。控制行为包括校正与资源相关的属性和约束条件、 校正流量管理参数和校正与路由相关的参数等。 图2 1流量工程处理模型 流量工程应该是一个网络自动优化的过程，所以整个过程中人工干预的部分 应尽可能少，通过以上四步的反复运行来达到网络性能的优化。 第二章基于m p l s 的流量工程 2 1 3 流量工程的性能指标 流量工程的性能指标可以分为两类：面向业务的和面向资源的【4 j 。 面向业务的性能指标 面向业务的性能指标是一种与特定应用服务的流量特性相关的指标，它与提 高业务流的服务质量有关。在目前只有单一服务类别的、b e s t - e f f o r t 的i n t e m e t 流量模型中，面向业务的性能指标包括对分组丢失的最小化、对时延的最小化、 对吞吐量的最大化以及对服务等级协定( s l a ) 的增强等。在这一流量模型中， 使分组丢失最小化是最重要的性能指标。而在未来的区分服务的因特网中，一些 与统计数据有关的面向流量的性能指标( 如时延峰值变化、丢包率等) 也将会越 来越重要。 面向资源的性能指标 面向资源的性能指标是一个与网络资源相关的指标，它试图改善网络性能， 包括优化资源利用的各个方面，如网络资源利用率、网络吞吐量等。对网络资源 进行有效的管理是达到面向资源性能指标的重要途径。通常我们希望确保网络资 源均衡使用，避免有些路径过分使用而拥塞，而另一些网络资源却没有得到充分 的利用。带宽是当前网络上的一种非常重要的资源。因此，流量工程的一项中心 任务就是对带宽资源进行有效的管理。 2 。2m p l s 技术介绍 m p l s 技术是在c i s c o 的标签交换技术、i p s i l o n 的i p 交换技术、t o s h i b a 的c s r 技术以及m m 的a r i s 技术等基础上发展起来的，m p l s 在开放的通信网上利用标 签引导数据高速、高效地传输。该技术在一个无连接的网络中引入面向连接的服 务，融合了i p 技术的开放性、灵活性和a t m 高效的硬件交换等优点，极大地提高 了网络的交换速度、减少了网络复杂性、提供有效的q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 保 证并具有流量工程能力，已经得到了越来越广泛的应用，尤其体现在流量工程方 面。 2 2 1m p l s 技术基本概念 m p l s 技术是将分层网络的第二层( 数据链路层) 交换和第三层( 网络层) 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 等，同时可以兼容第二层上 第二章基于m p l s 的流量工程 的多种链路层技术【8 】。 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 叩b y - h o p ( 逐跳寻径) ”路由的灵活性。 下面先介绍一些m p l s 中的相关概念： 1 多协议标签交换( m u l t i - p r o t o c o ll a b e l t c h i n g ，m p l s ) 是一种新的数据包交换机制，它使用第3 层转发信息启动第2 层分组交换，将 第2 层交换的高性能和第3 层转发的高扩展性融为一体。m p l s 依据网络层协 议为每个转发等价类( f e c ) 分配标签，数据包依据长度固定的短小标签处理和 转发数据。每个转发等价类通常情况下可以等同于一个目的地网络，也可对应其 他参数，如q o s 和源地址。 2 f e c ( f o r w a r d i n ge q u i v a l e n c ec l a s s ，转发等价类) m p l s 中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 相同的服务级别等) 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 l s 网络中将获得完全相同的处理。在标签分配过程中，各 种等价类对应于不同的标签，在m p l s 网络中，各个节点将通过分组的标签来识 别分组所属的转发等价类。转发等价类的划分方式非常灵活，可以是源地址、目 的地址、源端口、目的端口、协议类型、v p n 等的任意组合。例如，在传统的 采用最长匹配算法的口转发中，到同一个目的地址的所有报文就是一个转发等 价类。 3 标签( l a b e l ) 标签是一个长度固定、只具有本地意义的短标识符，用于唯一标识一个分组所 属的转发等价类( f e c ) 。在某些情况下，例如要进行负载分担，对应一个f e c 可能会有多个标签，但是一个标签只能代表一个f e c 。标签由报文的头部所携带， 不包含拓扑信息，只具有局部意义，由l s r 用来做转发数据包依据的信息。 l l 2h e a d e rm p l ss h i mh e a d e ri ph e a d e r u s e r d a t a j 、 l a b e l ( 2 0 b i t s ) e x ( 3 b i t s )p s ( 1 b i t s ) t t l ( 8 b i t s ) i 图2 - 2 m p l s 网络中的分组头的格式 图2 - 2 所示是m p l s 网络中的分组头的格式，其中m p l s 嵌入分组头的格式 如下： l a b e l 域：2 0 b i t s ，标签值。 第二章基于i p l s 的流量工程 e x p 域：3 b i t s ，用于实验，大多被设置为c o s ( c l a s so fs e r v i c e ) 域，提供 一种服务分类的机制，影响分组在网络中传输时排队和丢弃算法。 s ( b o t t o mo f s t a c k ) 域：l b i t ，用于支持标签栈的结构，在标签栈最后一个 实体中设置为l ，其他标签实体置为0 。 t r l ( t i m et ol i v e ) 域：8 b i t s ，记录分组的存活时间。 4 标签栈 标签栈比特用于实现m p l s 标签堆栈功能，它的意义在于可以有一个以上的 标签头附加在一个p 数据包上。数据包转发是根据标签栈顶部的标签值来实现 的。 5 标签分组 包含了m p l s 标签封装的分组。标签可以使用专用的封装格式，也可以利用 现有的链路层封装，如：a ：蹦的v c i 和v p i 。 6 l s r ( l a b e ls w i t c h i n gr o u t e r ，标签交换路由器) 支持m p l s 协议的路由器，是m p l s 网络中的基本元素。l s r 基于数据包 中封装的标签值来转发数据包。l s r 由两部分组成：控制单元和转发单元。控制 单元负责标签的分配、路由的选择、标签转发表的建立、标签交换路径的建立、 拆除等工作；而转发单元则依据标签转发表对收到的分组进行转发。 7 l e r ( l a b e ls w i t c h i n ge d g er o u t e r ，标签边缘路由器) m p l s 网络同其它网络的边缘设备，它提供流量分类和标签的映射( 作为入 口) 、标签的移除( 作为出口) 功能。 8 上游l s 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l s r ， 接收方为下游l s r 。 9 l s p ( l a b e ls w i t c h e dp a t h ，标签交换路径) 使用m p l s 协议建立起来的分组转发路径，由标签分组源l s r 与目的l s r 之间的一系列l s r 以及它们之间的链路构成，类似于a t m 中的虚电路。l s p 既 可以是动态的，也可以是静态的。 1 0 l i b ( l a b e li n f o r m a t i o nb a s e ，标签信息库) l i b 包含了由本地m p l s 节点分配的所有标签，以及这些标签与从邻接 m p l s 节点收到的标签之前的映射关系。由f e c t o - l a b e l 绑定构成，类似于路由 表，包含各个标签所对应的各种转发信息。 1 1 f l i b ( l a b e lf o r w a r d i n gi n f o r m a t i o nb a s e ，标签转发信息库) f l i b 由m p l s 节点维护，用来转发带有标签的数据包，它使用l i b 中所含 标签的一个子集来进行实际的数据包转发。 第二章基于衄l s 的流量工程 1 2 l d p ( l a b e l d i s t r i b u t i o n p i o t o c 0 1 标签分配协议) 该协议是m p l s 的控制协议。用来和标准网络层路由选择协议联合在标签交 换网络中的l s r 设备之间发布标签绑定信息。相当于传统舟络的信令协议，负 责f e c 的分类，标签的分配，以及分配结果的传输及l s p 的建立和维护等。m i l s 可蚍使用多种标签发布协议。包括专为标签发布而制定的协议，例如：l d p ( l a b e l d i s m 3 m f i o n p r o t o c 0 1 ) 、c r - l d p ( c o n s t r a i n t - b a s e d r o u i i n g u 曲珥l d p ) ： 也包括现有协议扩展后支持标签发布的，例如：b o p ( b o r d e r g a t e w a y p r o t o c 0 1 ) 、 r s v p ( r e s o m e e r e s e r v a t i o n p r o t o c 0 1 ) 。 1 3 l d p p e e r s ( 标签分发对等实体) 进行l d p 操作的l s r 为标签分发对等实体。 1 4 标签合并 对于某一相同f e c 的标签分组，将不同的入口标签替换为相同的一个出口 标签继续转发的过程，减少标签资源的消耗。 1 5 t l v ( t y p e l e a g t h v a l u e ) m p l s 消息中的子结构，类似于其它协议中各种消息内的对象。 2 2 2m p l s 的工作原理 图2 - 3 包转发示意图 m p l s 网络的基本单元是m p l s 标签交换路由器( l s p ) 。如图2 _ 3 所示 在网络边缘的节点称为l e r ( l a b e l 瑚g e r o u t e r ，标签边缘路由器) ，而网络的 核心节点就称为l s r 。l e r 节点在m p l s 网络中完成的是口包的进入和退出过 程：l s r 节点在网络中提供高速交换功能。在m p l s 节点之问的路径就叫做l s p ， 一条l s p 可以看作是一条贯穿网络的单向隧道。 在m i l s 中，所有进入网络的分组都被指定到某个特定的f e c 中去，每个 第二章基于_ i p l s 的流量工程 特定的f e c 都被编码为一个短而定长的值，即标签。标签加在分组前成为标签 分组，再转发到下一跳。在后续的每一跳上，不再需要分析分组头，而是用标签 作为指针，指向下一跳的输出端口和一个新的标签，标签分组用新标签代替旧标 签后经指定的输出端口转发。 在每个节点处，标签的建立是路由协议和m p l s 控制信令共同作用的结果。 m p l s 中的路由仍然使用第三层的路由协议，如o s p f 、b g p 等，l s p 与普通的 路由器一样也要不断的更新和维护路由表，不同的是l s r 还要根据这些路由信 息在m p l s 的控制信令下分配标签，建立并维护标签信息库l i b ，将第三层的路 由信息映射到第二层。l s r 的功能结构可以简单的由图2 _ 4 所示。 盛由更新 路由协议肝l s 控制信令 标记分旌 ( 0 s p f 、b g p ) 。1 r ( l d p 、c r l d p 、r s v p ) 士士 叶 主i l i b ( 标记信息库) 跆田衣i + 入数据流 出数据瀣 交换结构 图2 _ 4 l s r 功能模块图 m p l s 的工作流程可以分为几个方面：网络的边缘行为、网络的中心行为以 及如何建立标签交换路径。 1 网络的边缘行为 当m 数据包到达一个l e r 时，m p l s 第一次应用标签。首先，l e r 要分析 口包头的信息，并且按照它的目的地址和业务等级加以区分。 在l e r 中，m p l s 使用了f e c 的概念，将输入的数据流映射到一条l s p 上。 简单地说，f e c 就是定义了一组沿着同一条路径、有相同处理过程的数据包。这 就意味着所有f e c 相同的包都可以映射到同一个标签中。 对于每一个f e c ，l e r 都建立一条独立的l s p ，穿过网络，到达目的地。 数据包分配到一个f e c 后，l e r 就可以根据l i b 来为其生成一个标签。标签信 息库将每一个f e c 都映射到l s p 下一跳的标签上。如果下一跳的链路是a t m ， 则m p l s 将使用a t mv c c 里的v c i 作为标签转发数据包，l e r 检查标签信息 库中的f e c ，然后将数据包用l s p 的标签封装，从标签信息库所规定的下一个 接口发送出去。 第二章基于邺的流量工程 2 网络的核心行为 当一个带有标签的包到达l s r 的时候，l s r 提取入口标签同时以它作为 索引在标签信息库中查找。当l s r 找到相关信息后，取出出口标签，并由出口 标签代替入口标签，从标签信息库中所描述的下一跣接口送出数据包。 最后，数据包到达了m i l s 域的另一嫱，在逸一点，u 弧鞘去封装的标签， 仍然按照口包的路由方式将数据包继续传送到目的地。 3 如何建立标签交换路径 建立l s p 的方式主要有两种： ( 1 ) b y h o p f 抽 一个h o p - b y - h o p 的l s p 是所有从源节点到一个特定目的站点的疋树的一 部分。对于这l s p ，m p l s 模仿d 转发数据包的面向目的地的方式建立了一组 树。 从传统的口路由来看，每一台沿途的路由器都要检查包的目的地址，并且 选择一条合适的路径将数据包发送出去。而m p l s 则不然数据包虽然也沿着 口路由所选择的同一条路径进行传送，但是它的效据包头在整条路径上从始至 终都没有被检查。在每一个节点，m p l s 生成的树是通过一级一级为下一跳分配 标签，而且是通过与它们的对等层交换标签而生成的。交换是通过l d p 的请求 以及对应的消息完成的。 ( 2 ) 显式路由 m p l s 最主要的一个优点就是它可以利用流量设计q i 导”数据包，比如避免 拥塞或者满足业务的q o s 等。m p l s 允许时络的运行人员在源节点就确定一条 显式路由的l s p ( e x p l i c i t r o u t e l a b e l s w i t c h e d l a t h e r - l s p ) ，以规定数据包将 选择的路径。与h o p - b y - h o p 的l s p 不同，e r - l s p 不会形成口树。e r - l s p 从 源端到目的端建立一条直接的端到端的路径，如图2 - 5 所示。 图2 5 e r - l s p 第二章基于m p l s 的流量工程 一个数据在具有m p l s 功能的网络中传递可由以下四步完成。 第一步：网络可自动生成路由表，因为路由器或删交换机可参与内部网 关协议如o s p f i s i s 信息交换。l d p 使用路由表中的信息去建立相邻设备的标签 值，这个标准创建了l s p ，预先设置了与最终目的地之间的对应关系，不象a t m 永久虚电路，需要人工设置p i c i ，m p l s 的标签是自动分配的。 第二步：一个数据包进入边缘l e r 时，它会被处理，决定需要哪种第三层 的业务，如q o s 和带宽管理。基于路由和策略的需求，边缘l e r 有选择地放入 一个标签到数据包头中，然后转发。 第三步：位于网络核心的l s r 读每一个数据包的标签，并根据交换表替换 一个新的，这个动作将会在所有中心设备中重复。 第四步：在出口边缘的l e r ，除去标签，读数据包头，将其转发到最终目 的地。 2 2 3m p l s 的技术优势 m p l s 在解决网络的扩展性、实施流量工程、同时支持多种要求特定q o s 保障的p 业务等诸多方面具备得天独厚的技术优势。 满足了a t m 传送i p 技术的网络总体技术要求。a t m 支持p 的网络的强 制性要求包括以下方面：网络的技术方案必须独立于所支持的口协议版本；必 须具备支持大型网络的足够的可扩展性；必须包含在a t m 网络上支持高效而且 具有可扩充性的口组播的能力；必须具有足够的鲁梆性以支持大型网络。 适应于较大规模的网络。众所周知，m p o a 非常适用于小规模的网络， 然而应用于较大规模的网络就要受到限制。而m p l s 正是为满足大规模网络的各 种要求( 如灵活性、可扩充性与可管理性等要求) 而设计的。 路由控制的灵活性。从选路的角度来讲，m p l s 技术可以使我们获得同时 选择使用固定路由或者是动态路由方式的可能性。具体使用哪种方式取决于网络 操作者的选择。 能同时支持m p l s 和a 1 m 控制协议。较理想的情况是有一种独立于链路 层协议的控制技术，同时，同一交换机上也可以使用a t m 控制方式。 支持v p n 业务。m p l s 的主要优点是能够以无连接方式或者是显式路由 方式提供面向连接的业务，这种特点使得m p l s 尤其适用于动态隧道技术。而动 态隧道技术是目前支持v p n 业务的有效传送手段。但目前由于提供基于m p l s 的v p n 的方式不是唯一的，这使得将它同其它i p o a 技术进行比较较为困难。 q o s 方面。i pd i f f s e r v 与m p l s 具有明显的默契，因为它们的设计中都满 足了业务提供商的需求。由于标签的扩展语义可以携带d i f f s e r v 信息，借助于标 第二章基于i 汀p l s 的流量工程 签与端到端的标签交换路径及一定的资源预留机制，将可以保证q o s 机制在特 定m p l s 域中的一致性。 2 3 基于m p l s 的流量工程 m p l s 的流量工程体系包括4 个基本组成部分：包转发单元、信息发布单元、 路径选择单元和信令单元。 1 转发单元 包转发单元负责引导数据包流按照预先确定的路径l s p 通过网络。m p l s 可明 显增强l s r 的转发性能，虽然芯片技术的进步使基于a s i c 的路由查询引擎与 m p l s 或a r m 的标签查找引擎运行速度相近，但是m p l s 技术中路由和转发的完 全分离允许只使用单一的m p l s 转发算法便可对多种业务类型进行配置。 2 信息发布单元 m p l s 流量工程的计算中需要一些有关网络拓扑和网络负荷的动态信息( 如 最大链路带宽、最小预留带宽、当前预定带宽、当前使用带宽和链路属性等) 。 这部分信息是通过扩展i g p 属性实现的，即将网络拓扑和负载的动态特性包含在 每个路由器的i g p 链路状态广播信息中，发布至i p 路由域中的所有路由器。m p l s 中的每个l s r 都保存一个特殊的流量工程数据库( t e d ，t r a f f i ce n g i n e e r i n g d a t a b a s e ) ，对网络链接特性和拓扑信息进行管理，它独立于i g p 的链路状态数据 库。 3 路径选择单元 在网络链路特性和拓扑信息通过i g p 发布并存储到t e d 中去之后，每个入口 l s r 可以基于t e d 计算出属于它的穿过路由域的一组l s p 路径。通过严格和松散 的显式路由，允许路由选择处理既能在可能的情况下给予路由路径选择最大的自 由度，又可以在需要的情况下给予约束。 入d l s r 利用t e d 中的信息，可以使用约束路由( c s p f ) 算法来决定每条l s p 的物理路径。c s p f 是一种改进的最短路径优先算法，它在计算通过网络的最短 路径时，将特定的约束( 如带宽需求、最大跳数和管理策略需求等) 也考虑进去。 c s p f 算法在考虑是否接受某个节点或链路时，它可以基于资源的可用性或所选 资源是否满足用户策略约束而确定接受或拒绝。 除了在线的c s p f 计算之外，为保障全局的资源优化，还需要进行离线的规划 和分析，在线计算结果与l s p 计算次序有关，而离线计算则可以同时检验每条链 路对于资源约束以及每条l s p 的需求。离线计算可能需要花费几个小时来完成， 它通过比较每个计算的结果，为网络选出一个全局性的最佳方案。 第二章基于m p l s 的流量工程 4 信令单元 计算出l s p 的物理路径后，转交给信令部分，由信令单元负责建立和维护l s e m p l s 的信令协议包括l d p 和r s v p ，为实施流量工程，信令协议要进行一定扩展， 亚t f 建议的t e 信令协议是c r - l d p 和r s v p - t e ，增加了对t t 、显式路由等流量 工程能力的支持。 路由计算单元 i g p 路由流量工程 1 选择 路由选择 l 链路状态l l 流量工程| 信令 l s p 建皂 i 数据库ll 数据库l 单元i 篁息发和 i 信鼠骨右堕寻i信息发砸 入数据包 锌鲴圭毒带苴寻 出数据包 一，、 一 图2 - 6l s p 中流量工程