（計算機應用技術專業(yè)論文）基于bfd的mpls網(wǎng)絡自愈恢復技術的研究與實現(xiàn).pdf

酉直童通太堂亟硒窕生堂僮迨室鎣! 夏 摘要 隨著i n t e r n e t 上業(yè)務流量的快速增長，網(wǎng)絡應用的多元化發(fā)展，傳統(tǒng)i p 網(wǎng)絡提供的盡力而為服務已經(jīng)不能滿足承載實時業(yè)務的需求。如何在故障發(fā) 生時保證網(wǎng)絡的連續(xù)性和服務質量( q o s ) ，保持高水準的業(yè)務可用性，使傳 輸網(wǎng)絡能夠自動檢測失效并從故障中恢復成為當前迫切需要解決的問題。作 為未來骨干網(wǎng)的核心技術，多協(xié)議標簽交換( m p l s ) 技術通過標簽交換機 制，不僅可以提供比傳統(tǒng)口更有效的q o s 保證和流量工程，也具有很強的 網(wǎng)絡生存能力。m p l s 網(wǎng)絡能夠在節(jié)點或鏈路失效后，不需要人為的干預， 就能自動的恢復受影響的業(yè)務，使整個網(wǎng)絡保持健壯性和高效性。m p l s 網(wǎng) 絡自愈恢復技術從故障檢測技術和故障恢復技術兩方面保證了m p l s 網(wǎng)絡 的可用性和穩(wěn)定性。 目前基于l p 路由協(xié)議的恢復機制至少需要幾秒到幾分鐘的時間，這將 導致大量分組的丟失，造成嚴重的服務質量問題以及網(wǎng)絡性能的下降。傳統(tǒng) i p 網(wǎng)絡對實時應用( 如語音) 進行準確故障檢測方面的能力有限，并且不具 備秒以下的間歇性故障修復功能。伴隨著v o l p 應用的激增，實現(xiàn)快速網(wǎng)絡 故障檢測和修復越發(fā)顯得必要。m p l s 網(wǎng)絡自愈恢復技術能夠在故障發(fā)生后， 提供比i p 層更快的反應時間，可以快速的檢測到網(wǎng)絡故障并從故障中恢復 過來，維持網(wǎng)絡的服務連續(xù)性。本文對m p l s 網(wǎng)絡故障檢測技術進行深入的 研究，采用雙向轉發(fā)檢測b f d 作為m p l s 網(wǎng)絡的故障檢測技術，詳細的設 計和實現(xiàn)m p l sb f d 技術，并將m p l sb f d 技術應用于多核網(wǎng)絡設備，使 m p l s 網(wǎng)絡故障檢測時間達到毫秒級，大大縮短了m p l s 自愈恢復的故障檢 測時間。 m p l s 網(wǎng)絡檢測到故障后，需要有一個較好的方案進行故障恢復。目前 比較著名的兩種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 的優(yōu)點是幾乎沒有分組的重排序問題，但卻有分組丟失和保護時問較長的缺 點。h a s k i n 方案提供快速的路徑切換，但是當工作路徑上故障清除后，在流 量從備份路徑切換回原工作路徑時，數(shù)據(jù)分組的重排序問題比較嚴重。因此 如何設計出一種新的故障恢復方案，使得故障恢復速度快，報文不丟失，并 且報文不發(fā)生重排序仍然是目前研究的熱點。 本文在對現(xiàn)有故障恢復方案研究的基礎上，提出了一種新的故障恢復方 案基于b f d 的故障恢復方案，新方案利用局部恢復機制，建立備份路 徑，當故障發(fā)生后流量快速切換到備份路徑，減少了由于流量切換而造成的 報文丟失及報文延遲。針對報文失序的問題，本方案提出了一種新的解決方 法一利用失序控制標簽實現(xiàn)了對流量順序地控制，避免了流量切換帶來的 報文失序。經(jīng)過組網(wǎng)測試，新方案具有較快的故障恢復速度，對報文丟失， 報文失序現(xiàn)象都有明顯地改善效果。 關鍵詞：標簽分發(fā)協(xié)議；快速重路由；自愈恢復；b f d ；故障恢復 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 西南交通大學 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學 校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查 閱和借閱。本人授權西南交通大學可以將本論文的全部或部分內容編入有關 數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復印手段保存和匯編本學位 論文。 本學位論文屬于 1 保密口，在年解密后適用本授權書； 2 不保密使用本授權書。 ( 請在以上方框內打“4 ) 學位論文作者簽名：罔穆蘭 日期：卿5 、) - 2 指導老師簽名： 日期：秒了3 _ ， 西南交通大學學位論文創(chuàng)新性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是在導師指導下獨立進行研究工作 所得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或 集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻的個人和集體， 均已在文中作了明確的說明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承 擔。 本學位論文的主要創(chuàng)新點如下： 1 ) 研究和實現(xiàn)了m p l sb f d ； 2 ) 將m p l sb f d 應用于多核網(wǎng)絡設備； 3 ) 利用失序控制標簽避免報文的失序。 直直童遵態(tài)堂亟班究壘堂僮迨室簋! 更 第一章緒論 1 1 課題背景 1 1 1 課題研究意義 目前的i n t e m e t 大部分都是基于i p 協(xié)議簇，提供盡力而為的服務，這種 服務可以滿足傳統(tǒng)對時延和抖動不敏感數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務的需求。但隨著網(wǎng)絡應 用的多業(yè)務、多網(wǎng)絡化，以及用戶業(yè)務需求種類的不斷增多和業(yè)務需求的不 斷提高，現(xiàn)有i p 網(wǎng)絡的不足和缺點都日益暴露出來：傳統(tǒng)i p 網(wǎng)絡已經(jīng)不能 滿足承載新增的視頻流媒體及v o i p 等實時業(yè)務的需求，當網(wǎng)絡發(fā)生故障時， 傳統(tǒng)的i p 網(wǎng)絡需要數(shù)秒時間來檢測和恢復網(wǎng)絡故障，這對于實時業(yè)務來說 是不可接受的。i n t e r a c t 上業(yè)務流量的快速增長和新應用的不斷加入給傳輸 網(wǎng)絡提出了新的挑戰(zhàn)，要求必須能夠在故障發(fā)生時保證其連續(xù)性和服務質量 ( q o s ) 。為了保持高水準的業(yè)務可用性，傳輸網(wǎng)絡必須能夠自動檢測失效和 網(wǎng)絡故障并且從中恢復。 作為下一代核心網(wǎng)絡的主要技術，多協(xié)議標記交換( m p l s ) l2 j 通過標簽交 換機制，不僅可以提供比傳統(tǒng)i p 更有效的q o s 保證和流量工程，也具有很 強的網(wǎng)絡生存能力。m p l s 面向路徑的特性使其在故障恢復上比傳統(tǒng)i p 網(wǎng)絡 更具優(yōu)勢，可以提供毫秒級的恢復速度m p l s 網(wǎng)絡能夠在節(jié)點、鏈路失效 后，不需要人為的干預，就能自動地恢復受故障影響的業(yè)務，使整個網(wǎng)絡保 持健壯性和高效性。m p l s 自愈恢復機制在故障發(fā)生以后，可以提供比i p 層更快的反應時間。m p l s 網(wǎng)絡的自愈恢復技術主要包括故障檢測技術和故 障恢復技術兩方面的技術，m p l s 自愈恢復技術對于提高m p l s 網(wǎng)絡的可用 性和穩(wěn)定性具有重要意義。 隨著l p 網(wǎng)絡規(guī)模的r 益龐大，當設備和鏈路出現(xiàn)異常時，要求系統(tǒng)和 網(wǎng)絡能夠快速地恢復。傳統(tǒng)i p 網(wǎng)絡無法在不到1 秒的時間內檢測到故障1 5 5 。 而雙向轉發(fā)檢測( b f d ) 1 1 0 j 具有快速的故障檢測能力，可以使故障檢測時間達 到毫秒級，提高了故障檢測與恢復速度。雙向轉發(fā)檢測b f d 是從基礎傳輸 技術中逐步發(fā)展而來的，它可以用于檢測以太網(wǎng)、多協(xié)議標記交換( m p l s ) 路 徑、普通路由封裝以及i p s e c 隧道在內的多種類型的傳輸正確性。b f d 應用 于m p l s 網(wǎng)絡有效地減少了網(wǎng)絡的故障檢測時間，大大提高了m p l s 網(wǎng)絡發(fā) 現(xiàn)網(wǎng)絡故障的速度。 m p l s 網(wǎng)絡故障后如何快速的恢復，并且保證故障恢復時延較小、流量 不丟包、報文不失序是目前網(wǎng)絡故障恢復的研究重點。 1 1 2 課題研究的目標 m p l s 自愈恢復技術是指在m p l s 網(wǎng)絡環(huán)境中，當傳輸數(shù)據(jù)的工作路徑 出現(xiàn)故障后，網(wǎng)絡迅速檢測到故障，流量被快速切換到未被損壞的路徑( 保護 路徑) 上繼續(xù)傳輸?shù)募夹g。m p l s 網(wǎng)絡的自愈恢復技術主要包括兩方面的技 術：故障檢測技術和故障恢復技術。如何快速的感知網(wǎng)絡故障，故障檢測的 時間是關鍵，如果故障檢測耗時增加，網(wǎng)絡的自愈恢復時間會相應增加， m p l s 故障檢測技術的優(yōu)劣直接影響了m p l s 自愈恢復的時間。m p l s 故障 恢復技術也是m p l s 技術的重要優(yōu)點之一，由于它的快速、高服務質量和易 擴展性，已經(jīng)成為m p l s 領域的研究熱點之一。 m p l s 自愈恢復技術就是為了提高目前路由算法修復時間過長的缺陷而 產生的。它能夠在一個通用的控制和管理平面上提高網(wǎng)絡功能的聚合，對需 要高可靠性的服務提供不同優(yōu)先級別的保護。網(wǎng)絡中，承載了隧道流量的鏈 路和路由器節(jié)點可能會因為內部故障而失效。所有的鏈路或者節(jié)點失效都會 造成網(wǎng)絡中斷、數(shù)據(jù)的丟失。網(wǎng)絡出現(xiàn)問題以后，大型網(wǎng)絡中運行的i g p 協(xié) 議需要相當長的時間進行路由匯聚。在這段時間內，隧道內的數(shù)據(jù)都會發(fā)生 丟失，并且這段時間相當長，可以使用分鐘作為衡量單位。為避免此現(xiàn)象， 本文致力于研究如何使m p l s 網(wǎng)絡提供完善的網(wǎng)絡自愈恢復功能，有效的避 免或者減少因為鏈路或者節(jié)點失效造成的數(shù)據(jù)丟失和中斷。 研究和利用m p l s 自愈恢復機制的目標主要有以下幾點： ( 1 ) m p l s 自愈恢復技術可提供快速的m p l s 檢測技術，大大縮短故障 恢復時間，以更好地滿足實時業(yè)務對時問的要求，使故障檢測時間達到毫秒 級的要求。 ( 2 ) m p l s 自愈恢復技術可以最大限度地提高網(wǎng)絡的可靠性和可用性，盡 可能多地處理m p l s 域內的故障點。 ( 3 ) m p l s 自愈恢復技術有利于加強保護流量的可靠性，通過切換數(shù)據(jù)流 到備份路徑的方法，預防和最大程度地避免數(shù)據(jù)傳輸能力的降低，大大降低 流量切換的時延。 一 ( 4 ) m p l s 自愈恢復技術可以最大限度地減少數(shù)據(jù)報文的丟失和流量的 失序。 ( 5 ) 如果資源條件許可，恢復路徑可以滿足同工作路徑一樣的資源需求， 并達到同樣的運行特征，即q o s 特征。 ， 1 2m p l s 自愈恢復技術的研究現(xiàn)狀 m p l s 自愈恢復技術的發(fā)展現(xiàn)狀主要從m p l s 故障檢測技術及m p l s 故 障恢復技術兩方面進行分析。 m p l s 網(wǎng)絡故障檢測技術方面，目前主要有r s v p 軟狀態(tài)，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 等技術，然而這幾種故障檢測技術所花費的 檢測時間較長，這對某些應用來說時間太長了，當數(shù)據(jù)速率到吉比特時，故 障檢測時間長代表著大量數(shù)據(jù)的丟失，并且對于不允許路由協(xié)議的節(jié)點沒有 辦法檢測鏈路的狀態(tài)。近年來各標準化組織在l s p 故障檢測和恢復的標準 化方面開展了大量的研究工作，并且分別開發(fā)了不同的實現(xiàn)機制。n u t y 1 7 1 1 規(guī)范了連通性確認( 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 則 正在定義雙向轉發(fā)檢測( 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 ) 機制。本 課題的m p l s 故障檢測技術主要是采用b f d 檢測技術對l s p 進行故障檢測。 m p l s 故障恢復技術方面，目前國內外對m p l s 故障恢復技術的研究主 要集中為兩種基本的機制：重路由和保護交換【剮。重路由和保護交換可以同 時使用，重路由機制是在網(wǎng)絡發(fā)生故障后。利用匯聚后的網(wǎng)絡路由，重新安 排流量的傳輸路徑的方法；保護交換是通過使用m p l s 技術將工作路徑上的 流量切換到一條保護路徑上以實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)流的快速恢復的方法。 重路由方法在故障發(fā)生后，重路由的修復總是按照保護流量的需要建立 新的路徑或路徑段，這種新路徑的建立可以依賴于故障信息、網(wǎng)絡路由策略、 預定義設置和網(wǎng)絡拓撲信息。于是，根據(jù)發(fā)現(xiàn)的故障，旁路故障的路徑或路 徑段是通過信令建立的。故障發(fā)生后，網(wǎng)絡路由算法會重新收斂，產生新的 路由表，此時，所得到的路由可能是較合理的，在許多情況下，通過重路由 的過程優(yōu)化網(wǎng)絡的程度是依賴于目前網(wǎng)絡的狀態(tài)和網(wǎng)絡策略。一般說來，重 路由方法特指第三層重路由。 保護交換依賴網(wǎng)絡路由策略、在工作路徑上流量的恢復要求和管理方面 的考慮，保護交換機制預建立一條保護路徑或路徑段。保護路徑可以部分使 用或完全不使用原工作路徑，當發(fā)現(xiàn)故障后，被保護的流量交換到保護路徑 上同時恢復數(shù)據(jù)傳輸。 目前比較著名的幾種m p l s 故障恢復方案有m a k 鋤f 9 1 方案，h a s k i n 1 0 】 方案等。m a k a m 方案的優(yōu)點是幾乎沒有分組的重排序問題，但卻有分組丟失 和保護時間較長的缺點。h a s k i n 方案提供快速路徑切換，但是當工作路徑上 故障清除后，在流量從保護路徑交換回原工作路徑時，數(shù)據(jù)分組的重排序問 題比較嚴重。因此如何設計出一種新的故障恢復方案，使得故障恢復速度快， 報文不丟失，并且報文不發(fā)生重排序仍然是目前研究的熱點之一。 1 3 課題研究內容 本課題研究的主要內容是基于b f d 的m p l s 網(wǎng)絡自愈恢復技術，分別 對m p l s 網(wǎng)絡故障檢測技術和m p l s 網(wǎng)絡故障恢復技術進行研究。本文系統(tǒng) 的研究了b f d 作為m p l s 網(wǎng)絡故障檢測技術的應用實現(xiàn)，在詳細介紹b f d 協(xié)議原理的基礎上詳細的設計和實現(xiàn)了m p l sb f d ，并首次研究了將m p l s b f d 應用于多核設備。b f d 的采用大大提高了m p l s 網(wǎng)絡故障的檢測速度。 針對目前網(wǎng)絡故障恢復方案如m a k a m 方案存在的丟包問題，h a s k i n 方案存 在的報文失序等問題，本文提出了一種新的故障恢復方案基于b f d 的 故障恢復方案，新方案利用局部恢復機制建立備份路徑，當故障發(fā)生后流量 直接切換到備份路徑，減小由于流量切換而造成的報文丟失及報文延遲。針 對報文失序的狀況，本方案創(chuàng)新地提出了一種新的解決方法利用失序控 制標簽的方式實現(xiàn)了對流量順序的控制，避免流量切換帶來的報文失序。經(jīng) 組網(wǎng)測試，新方案具有較快的故障恢復速度，對報文的丟包，報文的失序現(xiàn) 象都有明顯的改善效果。 本文的創(chuàng)新點主要有： ， 1 ) 研究和實現(xiàn)了m p l sb f d ； 2 ) 將m p l sb f d 應用于多核網(wǎng)絡設備； 3 ) 利用失序控制標簽避免報文的失序。 具體的工作及全文的組織結構如下： 第一章為緒論，首先對m p l s 自愈恢復技術進行簡單描述，然后對課 題背景，研究意義，研究目標等進行簡單介紹。 第二章對m p l s 的相關技術進行詳細分析，包括m p l s 的工作原理， 標簽分發(fā)協(xié)議。詳細介紹了m p l s 流量工程的原理及快速重路由原理，為 m p l s 故障恢復技術做好理論鋪墊。 第三章詳細分析m p l s 故障檢測技術，介紹了目前存在的幾種故障檢 測技術。 第四章詳細介紹了雙向轉發(fā)檢測協(xié)議b f d ，主要介紹了b f d 的原 理，b f d 的檢測模式及b f d 報文格式等。 第五章主要介紹了b f d 如何應用于m p l s 網(wǎng)絡，具體介紹了m p l sb f d 的詳細設計與實現(xiàn)過程，并首次將m p l sb f d 應用于多核設備，詳細研究了 m p l sb f d 應用于多核設備的實現(xiàn)過程。 第六章提出了一種新的基于b f d 的故障恢復方案，新方案針對目前故 障恢復方案存在的丟包及報文失序問題，創(chuàng)新地提出了利用失序控制標簽控 制報文的順序，并對新故障恢復方案的具體設計進行詳細說明。 第七章對新故障故障恢復方案進行組網(wǎng)測試，并進行測試結果分析。 第二章m p l s 及快速重路由技術 2 1m p l s 產生 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 多協(xié)議標簽交換技術) 是繼i p 技術以來的下一代廣域網(wǎng)傳輸技術之一。它是一種充分利用數(shù)據(jù)標簽引導數(shù) 據(jù)包在開放的通信網(wǎng)絡上高速、高效傳輸?shù)男录夹g。它是在一個無連接的網(wǎng) 絡中引入連接模式從而減少了網(wǎng)絡復雜性，并且兼容現(xiàn)有各種主流網(wǎng)絡技 術，能大大降低網(wǎng)絡成本。在提高i p 業(yè)務性能的同時，能確保網(wǎng)絡通信的 服務質量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?1 9 9 7 年i e t f 提出m p l s 以后，到目前為止，有關m p l s 技術的協(xié)議標 準草案和規(guī)范已經(jīng)有1 0 0 多個，并且在1 9 9 9 年就有廠商推出m p l s 設備。 這種進展速度是以前任何一種技術所沒有的。目前主要有幾個小組對m p l s 技術進行標準化。 ( 1 ) 互聯(lián)網(wǎng)絡工程組( i e t f ) 在2 0 0 0 年以前，m p l s 的標準化制定工作僅由i e t fm p l s 工作組完成。 m p l s 工作組成立于1 9 9 7 年3 月，當時的主要任務和工作重點是研究制定 m p l s 技術的實現(xiàn)規(guī)范，使得這種新的網(wǎng)絡技術能夠達到： t 靈活的網(wǎng)絡層路由選擇； 高效的分組交換轉發(fā)( o o s 保障) ； 幸有效的網(wǎng)絡管理； 卑強大的網(wǎng)絡擴展能力； 宰有效的增值服務提供能力； 宰兼容性好。 這些目標現(xiàn)在看來由m p l s 技術實現(xiàn)已基本沒有問題。目前，m p l s 工作組的工作重點已從原來技術的基本實現(xiàn)轉移到m p l s 技術的應用上來。 主要是m p l s 如何更有效地提供增值服務、m p l s 在局域網(wǎng)中的應用、m p l s 與光纖傳輸網(wǎng)( o t n ) 的融合、m p l s 網(wǎng)流量工程的具體應用等。 ( 2 ) 國際電信聯(lián)盟( i t u t ) i p 技術到現(xiàn)在已經(jīng)在i n t e r a c t 上占了絕對的領導地位，m p l s 技術的提 出又使得i p 可以為用戶提供如語音傳輸、視頻會議、多媒體等實時業(yè)務， 并且其q o s 保障可以達到電信級；因此，u - t 各研究組在1 9 9 9 年底的總 結會上進行了未來研究工作的戰(zhàn)略轉移，全面開展有關i p 標準化方面的研 究工作，其中作為全球信息基礎設施( g i i ) 和b i s d n 的主導研究組一i t u t s g l 3 小組將m p l s 列為2 0 0 0 - - 2 0 0 3 年的重點研究課題，并一致同意將 l d p c r l d p 作為公網(wǎng)傳輸標準信令。 ( 3 ) m p l s 論壇 為了更好地研究發(fā)展m p l s 技術，協(xié)調各廠商之間的利益和統(tǒng)一思想， 2 0 0 0 年3 月以l u c e n t 公司為首的有關機構聯(lián)合成立了m p l s 論壇。論壇的 基本成員為計算機網(wǎng)絡及電信通信軟件、設備制造商和i s p 及研究開發(fā)機構。 論壇的工作重點主要在以下四個方面： 流量工程( t e ) ； 服務等級( c o s ) 宰服務質量( q o s ) ； 宰虛擬專用網(wǎng)( v p n ) 。 到目前為止，m p l s 還在處于不斷的發(fā)展之中，m p l s 技術涉及的面廣， 內容多，而且很多技術和業(yè)務本身也在不斷的發(fā)展中，因此，m p l s 技術也 將是不斷發(fā)展和改進的。 2 2m p l s 技術原理 m p l s 引入了轉發(fā)等價類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， 所有需要做相同轉發(fā)處理、并轉發(fā)到相同下一跳的分組屬于同一轉發(fā)類。一 個f e c 是在網(wǎng)絡中遵循同樣的轉發(fā)路徑的報文的集合，這些報文在轉發(fā)的過 程中被l s r ( 標簽轉發(fā)路由器) 以相同的方式進行處理，正是從轉發(fā)處理這 個角度講這些報文“等價”。f e c 為一系列屬性( f e c 要素) 的集合，包括： 源地址、目的地址、源端口、目的端口、協(xié)議類型、c o s 等。m p l s 域的入 口l s r ，對每一個進入m p l s 域的i p 報文確定一個f e c ，然后根據(jù)f e c 查 找相應的標簽值封裝進口報文中，形成標簽報文，在m p l s 域中傳輸。 在傳統(tǒng)的l p 網(wǎng)絡中，按照“最長匹配 的原則查找路由表，以確定下 一跳的地址，這一原則可能導致多次查找匹配，因而在一定程度上影響路由 器的性能。在m p l s 中，每個數(shù)據(jù)包都帶有標簽，每個數(shù)據(jù)包根據(jù)其標簽被 轉發(fā)，不需要將數(shù)據(jù)包分析到網(wǎng)絡層，而且，由于數(shù)據(jù)包使用的標簽具有轉 發(fā)的唯一性，降低了轉發(fā)表的查找次數(shù)，因而m p l s 提高了包的轉發(fā)速度。 m p l s 基本的路由方式是逐跳路由，允許比數(shù)據(jù)包更簡單的轉發(fā)機制，可以 實現(xiàn)更高速的路由。由于在多種類型媒介( 如分組、信元和幀等媒介) 上使 用標記分配的通用方法和通用路由協(xié)議，m p l s 支持高效的、可用于各種目 的的明確路由( 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 數(shù)據(jù)包通過m p l s 主干的傳播過程如下：入口邊界l s r 接收數(shù)據(jù)包， 將數(shù)據(jù)包歸為一個轉發(fā)等價類( f e c ) ，并使用該f e c 對應的出站標簽來標 志該數(shù)據(jù)包。對于基于目的地址的單播i p 路由，f e c 對應于一個目標子網(wǎng)； 主干l s r 接收到被標志的數(shù)據(jù)包，查找標簽轉發(fā)表，使用新的出站標簽代替 輸入數(shù)據(jù)包中的標簽。出口邊界l s r 接收到該標簽數(shù)據(jù)包，它刪除標簽，對 i p 數(shù)據(jù)包執(zhí)行傳統(tǒng)的第三層查找。 2 2 1m p l s 體系結構 m p l s 技術的優(yōu)勢在于它提供了路由層面和轉發(fā)層面的完全分離。 m p l s 這種疊加模型，可以方便地在物理的網(wǎng)絡拓撲上建立一個不依賴于路 由的虛擬的拓撲，然后將流量映射到這個拓撲上。m p l s 體系結構被分為兩 個獨立的單元：控制單元和轉發(fā)單元。如圖2 - 1 所示： 圖2 - 1m p l s 體系結構 控制單元使用標準的路由協(xié)議( 如o s p f 、b g p 4 等) 同鄰居交換路由信 息和維護路由表，同時使用標簽控制協(xié)議( 如l d p 、m p b g p 、r s v p 等) 同互聯(lián)的標簽交換設備之間交換標簽轉發(fā)信息( 被稱為綁定) 來創(chuàng)建和維護 標簽轉發(fā)表。 轉發(fā)單元決定一個報文的轉發(fā)處理，即根據(jù)報頭中的信息，查找標簽轉 發(fā)表，根據(jù)查找結果進行標簽處理并轉發(fā)。 2 2 1 1 標簽( l a b e l ) 在m p l s 網(wǎng)絡域中，標簽分組的轉發(fā)是根據(jù)分組所攜帶的標簽進行，標 簽被插入到第三層分組和第二層報頭之間，被稱為m p l s 標簽頭【3 1 ，其格式 如圖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 標記值，2 0 b i t 試驗使用，3 b i t 棧底，1b i t 生存時間，8 b i t 圖2 - 2m p l s 標簽 個m p l s 分組上也可以承載多個標簽頭，這種結構叫做標簽棧，這些 標簽按照“后進先出”的方式來組織，最外面的標簽稱為棧頂標簽，最罩面的 標簽稱為棧底標簽( 簡單的i p 單播路由不使用標簽棧，但其他基于m p l s 的應用，包括m p l s v p n 等嚴重依賴于標簽棧) 。每個標簽由下列字段組成： 生存期( 訂l ) 該字段為8 b i t ，用于生存時間值的編碼，與i p 首部中的1 r l 字段作用 一樣，用來防止由于配置不當、故障或路由算法慢收斂造成的轉發(fā)環(huán)路以及 限制分組范圍等其他功能。 棧底位( s ) 該字段為l b i t ，該位置“1 ”，表示相應的標簽是標簽棧中的最后一個標簽 ( 棧底) ；置“0 ”表示除棧底標簽之外的所有其他標簽； 一服務類信息( e x p ，也叫試驗位) 該字段為3 b i t ，主要用來承載c o s 信息( 作用類似于i p 分組中的t o s 數(shù) 據(jù)) 。 標簽值( l a b e lv a l u e ) 該字段為2 0 b i t ，包含標簽的實際值。當一個l s r 收到標簽分組時，它 將首先查看棧頂?shù)臉撕炛?，在正常情況下，該l s r 通過標簽值可以知道轉發(fā) 分組的下一跳節(jié)點，并用新的標簽取代當前棧頂?shù)臉撕?。標簽? 1 5 作為 保留標簽值【3 l ，具有如表2 - 1 所示的含義： 表2 - 1 預留標簽含義 標簽含義 值 0 表示i p v 4 顯式空標簽。當這一標簽位于棧頂，它指示下一步 的操作是對此標簽進行彈出操作，并根據(jù)新的棧頂標簽進行報 文轉發(fā)；若這一標簽是標簽棧中唯一標簽，即彈出后標簽棧為 空，那么對分組的轉發(fā)基于i p v 4 分組頭進行 1 表示路由器提醒標簽。當收到分組的棧頂標簽為1 時，該分 組被送到本地軟件處理，而對分組的轉發(fā)由標簽棧內的下一條 目決定 2 表示1 p v 6 顯式空標簽。與標簽值0 的用法類似 3 表示隱含空標簽。l d p 利用它來請求上游鄰居彈出標簽( 次 術中繼段彈出) ，該標簽值不出現(xiàn)在標簽封裝中 4 1 5保留 2 2 1 2 下一跳的標簽轉發(fā)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 ) 下一跳的標簽轉發(fā)入口主要在往前轉發(fā)數(shù)據(jù)包時使用，它包含了以下幾 點信息：1 ) 數(shù)據(jù)包的下一跳路由：2 ) 在傳送封包時用哪種封裝方式。3 ) 傳送 時如何對標簽棧編碼。4 ) 封包采用下列一個動作：a ) 用新的標簽替換最外層 的標簽。b ) p o p 最外層的標簽c ) 用新的標簽替換最外層的標簽，并p u s h 進一個 或多個新的標簽到此標簽棧里。 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 ) 是將f e c 映射到n h l f e 。用來轉發(fā)未標簽化的分 組。這種機制只是在傳送未標簽化的數(shù)據(jù)包時才使用。如果u m 將某一個標 識映射到包含多個對象的n h l f e ，在數(shù)據(jù)包發(fā)送前必須選擇一個特定的對象 與之對應。 2 2 1 4 入口標簽映射i l m ( i n c o m i n gl a b e lm a p ) i l m 負責將標簽數(shù)據(jù)包最外層標簽的標簽值映射n h l f e 。當帶有標簽 棧的數(shù)據(jù)包到達時，取該數(shù)據(jù)包最外層的標簽來對應到相應的n h l f e ，以 知道處理該封包的方式。因為l s p 里除出口路由器外的其余的l s r 都是只 知道讀取最外面的標簽，標簽以外的都被認為是該數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，并且出口 路由器也是在讀取最外面的標簽后，經(jīng)由n h l f e 才知道該再讀取封包里的 下一標簽。因為在n h l f e 罩儲存每一個數(shù)據(jù)包該如何往前轉發(fā)的信息，所 以，當l s r 收到一個數(shù)據(jù)包后，由i l m 負責將封包最外層標簽的標簽值來 對應n h l f e 里的某個值來得知該如何轉發(fā)此封包。 2 2 2m p l s 網(wǎng)絡報文轉發(fā) 在傳統(tǒng)的i p 分組轉發(fā)中，在網(wǎng)絡的每個中繼段，路由器都獨立地分析 目標i p 地址，執(zhí)行網(wǎng)絡路由算法，在此基礎上做出獨立的轉發(fā)決策，確定 分組的下一跳。而在m p l s 中，將所有進入網(wǎng)絡的分組劃分成不同的f e c ， 然后根據(jù)f e c 查找相應的標簽值封裝到分組中，網(wǎng)絡中的路由器根據(jù)分組攜 帶的標簽確定分組轉發(fā)，在整個m p l s 域中，分組的轉發(fā)都是根據(jù)標簽進行， 不需要對l p 首部進行任何的操作，標簽加入和轉發(fā)過程如圖2 3 所示： ，、 第一步：i p 分組 f 第二步：r l 路由器執(zhí)行第 到達r 1 路由器 1 三層查找加入標簽，并 lj i 將分組轉發(fā)給r 4 第四步：r 6 路由器查、 ，一一一夕“ 。 找、交換標簽。并將分 、紐轉發(fā)給r 7， i p 分組赫翻i p 分糾ll 1 ，血心? 一m l l l ：l 。一， 參考霞一r 7 嶼舭川 r3震。，。纛矽_ ， 7 第五步：r 7 路由囂查找標、 ， 、 第三步：r 4 路由器查 簽、彈出標簽，執(zhí)行第三層 找、交換標簽并將分 查找并將分組轉發(fā)給外部 。組轉發(fā)給r 6。 、的下一中繼段路由器 圖2 - 3 標簽加入與轉發(fā)過程 m p l s 網(wǎng)絡的基本組成單元是標簽交換路由器( l s r ，l a b e ls w i t c h i n g r o u t e r ) 。實現(xiàn)標簽分發(fā)并能夠根據(jù)標簽轉發(fā)分組的交換機或路由器都屬于 l s r ，根據(jù)它們在網(wǎng)絡基礎設施中提供的功能進行區(qū)分，可分為邊界l s r ( l e r ) ，核心l s r 。 擁有非m p l s 鄰居的l s r 都被認為是邊界l s r 。邊界l s r 在m p l s 網(wǎng) 絡邊界執(zhí)行標簽壓入或彈出操作，在m p l s 域的入口點，進行標簽壓入操作， 在m p l s 域的出口點，在將分組轉發(fā)到m p l s 域之外的鄰居前，將分組的標 簽彈出； 在圖2 3 所示的m p l s 網(wǎng)絡結構中，r 1 一r 7 組成一個m p l s 域，其中 r 1 、r 2 、r 3 和r 7 為邊界l s r ，r 4 、r 5 和r 6 為核心l s r ，路徑r 1 r 4 r 5