CN101026562A - 一种选择后备lsp的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种选择后备LSP的方法和装置，属于网络通信领域。为了充分利用网络资源，本发明提供了一种选择后备LSP的方法，包括：计算网络中所有主LSP的后备LSP，当所述后备LSP优于原后备LSP时，将所述后备LSP确定为当前后备LSP，否则所述原后备LSP为当前后备LSP。本发明还提供了一种选择后备LSP的装置，所述装置包括计算模块、比较模块和当前后备LSP确定模块。本发明所述方案使网络为恢复路径预留的带宽最小，从而提高网络带宽利用率。

Description

一种选择后备LSP的方法和装置

技术领域

本发明涉及网络通信领域，特别涉及一种选择后备LSP(Label Information Base，标签交换路径)的方法和装置。

背景技术

多协议标签交换(MPLS，MultiProtocol Label Switching)技术是随着网络本身的需求而产生的。各种网络通讯服务对网络的性能要求越来越高，同时要求网络能够传输语音、图像等数据，并具有传输速度快，延时少，能够提供较好的服务质量(QoS，Quality of Service)等性能。而MPLS是一种介于第二层和第三层之间的标签交换技术，是专门为IP设计的，将第二层的高速交换能力和第三层的灵活特性结合起来，使IP网具备高速交换、流量控制、QoS等性能，能够很好的满足网络各种业务的需求，参见图1所示，提供了一个由几个路由器组成的MPLS网络的示意图，其中110、111为标签边缘路由器，131、132、133为标签交换路由器。

网络的可生存性指网络出现故障时能够提供持续业务，通过保护和恢复方案及时保证网络正常工作时的QoS性能。网络的可生存性包括两部分：可生存的网络设计和恢复策略。可生存的网络设计提前规划网络的拓扑结构，以及网络链路上的预留带宽，以解决潜在的错误，从而提高可生存性；恢复策略通常是分布式的，提供错误检测、收发信令、迅速恢复失败链接等功能。这两个组成部分相辅相成，提供了更加完善的服务。在网络中，预留带宽的分配(RCD，Reserved Capacity Distribution)问题解决链路上应该预留多少带宽，如何选择合理的恢复路径来保护发生错误的工作路由等问题。

当网络发生故障时，有些可以通过低层协议修复，但这种修复手段往往不能满足MPLS的要求，例如：低层协议只针对链路的保护而没有针对节点的保护。另外，通过第三层的路由协议也可以重新计算出新的路径进行数据传输，但这种方法时间较长(一般需要几秒到几分钟)，对于服务质量要求较高的服务(如语音传输等)会有很大影响。同时，在高速网络中即使网络故障的时间很短，也会造成大量数据留在其他路由器缓存中，从而影响QoS。

MPLS故障恢复机制保证发生故障时能在期望的时间内恢复数据传输，同时在恢复后能保持所需的QoS。由于MPLS是面向路径的，因而比传统的逐级跳的路由模式能提供更快、更可预测的保护和恢复能力。

可生存网络设计需要提前规划网络的拓扑结构，在网络链路上为工作路径建立后备路径，因此，如何合理选择后备路径，以便充分利用网络资源，使总的预留带宽最少是目前需要解决的问题。

发明内容

为了充分利用网络资源，本发明实施例提供了一种选择后备LSP的方法和装置。所述技术方案如下：

一种选择后备LSP的方法，所述方法包括：

计算网络中所有主LSP的后备LSP；

当所述后备LSP优于原后备LSP时，将所述后备LSP确定为当前后备LSP，否则所述原后备LSP为当前后备LSP。

本发明实施例还提供了一种选择后备LSP的装置，所述装置包括：

计算模块，用于计算网络中所有主LSP的后备LSP；

比较模块，用于比较所述计算模块计算出的所述后备LSP与原后备LSP的优劣；

当前后备LSP确定模块，用于当所述比较模块比较出所述后备LSP优于所述原后备LSP时，将所述后备LSP确定为当前后备LSP；否则所述原后备LSP为当前后备LSP。

本发明实施例的技术方案带来的有益效果是：

通过在选择主LSP的后备LSP时，进行合理地分配预留资源(带宽)来保证资源利用率，在保证可生存性的前提下，使网络为恢复路径预留的带宽最小，从而提高网络带宽利用率。

附图说明

图1是现有技术中由几个路由器组成的MPLS网络的示意图；

图2是本发明实施例1提供的选择后备LSP的方法流程图；

图3是本发明实施例1提供的选择后备LSP的具体方法流程图；

图4是本发明实施例2提供的选择后备LSP的装置示意图；

图5是本发明实施例2提供的标签边缘路由器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明不局限于以下实施例。

本发明实施例提供了一种选择后备LSP的方法和装置，用以提高网络的资源利用率。

实施例1

为了防止故障发生，对于网络现有的所有主LSP都需要找到其相应的后备LSP。本实施例将为所有主LSP求解后备LSP的问题分解，转化成分别为每条主LSP求解后备LSP，求出的后备LSP满足使网络需要的预留带宽最小，通过改变求解顺序，得到不同的结果，从而得出每条主LSP的最优后备LSP。参见图2，该方法包括以下步骤：

步骤201：计算网络中所有主LSP的后备LSP；

步骤202：判断新计算出的后备LSP是否优于原后备LSP，如果是，执行步骤203，否则执行步骤204；

步骤203：用新计算出的后备LSP替换原后备LSP，则后备LSP为当前后备LSP；

步骤204：不替换原后备LSP，原后备LSP为当前后备LSP。

为了使选择的后面LSP逼近最优，首先将当前网络上所有主LSP进行随机排序，再逐一计算后备LSP，为每条主LSP一一找到后备LSP，因为不同随机顺序可能会产生不同的解，变换所有主LSP的排列顺序，再针对变换后的顺序为每条主LSP一一求解后备LSP，若新找到的后备LSP比之前的更优化，本实施例描述的后备LSP更优化是指占用预留带宽更小，也可以指路径的跳数更少，则用新的后备LSP取代之前的后备LSP，否则不取代。这样产生的一组后备LSP将逐渐趋近最优解。

在求解最优后备LSP的过程中会用到如下一些量，其定义及物理意义如下：

在计算时，将使用LSP的业务抽象为流。

定义1：节点-链路关联矩阵A_N×L＝[a_ij]是一个N×L矩阵，它的每一行对应着图G的一个顶点，它的列分别对应着图G的各条边。它的元素a_ij定义如下：

定义2：流-节点关联矩阵B_R×N＝[b_ij]是一个R×N的矩阵，它的每一行对应着图G的一个流，它的列分别对应G的每个顶点。矩阵元素定义如下：

对于不同时刻的网络状态此矩阵也不同，流-节点相关矩阵和整个网络的工作路径(数据的传输路径)有关。

定义3：链路故障矩阵T_L×L＝[t_ij]是一个K×L的矩阵。用二进制行向量f_i来刻画网络链路故障，其中f_i是一个行向量，它含有和L条链路相对应的L个元素，1表示故障，0表示没有故障，具体定义如下：

对于只考虑单一链路故障的情况K＝L，对于考虑所有链路故障的情况K＝2^L，只用一个二进制向量就可以刻画所有故障，这里为了计算方便将其所有情况展开写成矩阵形式。

定义4：流故障矩阵U_R×K＝[u_ij]是一个R×K矩阵。它表示当前流和故障之间的关系，其元素定义如下：

流故障矩阵与整个网络的工作路径(数据的传输路径)，以及当前流的状态有关。

定义5：当前流工作路径矩阵C_R×L＝[c_ji]是一个R×L矩阵。它表示当前流的工作路径和各个链路的关系，其元素定义如下：

矩阵C是随当前业务流不同而实时改变更新的。

定义6：当前流恢复路径矩阵D_R×L＝[d_ij]是一个R×L矩阵。它表示当前流的恢复路径和各个链路的关系，其元素定义如下：

矩阵D是随当前业务流不同而实时改变更新的。

定义7：备用预留矩阵S_L×K＝[s_ij]是一个L×K矩阵。它表示为了保护网络传输以及网络可生存性，针对不同故障，对应的链路需要预留的带宽。它的元素s_ij表示当第j种故障发生时，链路i为了保护此故障需要预留的带宽。当保护所有的单链路故障时，K＝L。

定义8：流带宽矩阵W＝Diag({w_r}_R×l)是一个R×R方阵。它是用来描述所有流的带宽单位的对角线矩阵。如果流的保护等级低于/高于100％，在W中的元素可以通过控制恢复路径上预留部分/额外的预留带宽的等级参数来调整。

定义9：链路回避矩阵M_R×L＝[m_ij]是一个R×L矩阵。其元素定义如下：

定义10：备用预留向量h＝{h_i}_L×l是一个L行的列向量。它表示为保护故障链路i所需的最小备用带宽。根据定义7，S矩阵的第i行，j列的值，表示出现故障j所需要的预留带宽，现在h的定义是出现任何故障所需要的预留带宽，则是事先应该尽量预留大些，才能保证出现最坏的故障时，也能有足够的预留带宽。即向量h中的元素至少要取矩阵S中对应行的最大值。

U＝C□T^T

M＝U□T

其中，“□”号表示矩阵的二进制乘法算符，其元素间的运算遵从布尔运算规律。使用这个二进制运算符，有关链路、路径和故障情况的复杂逻辑关系就简化为两个矩阵之间的运算。

定义11：链路度量向量v_r＝{v_rl}_L×1，其中v_rl表示对新增流r来说，链路l需要增加的预留带宽值。

参见图3，本实施例提供了选择后备LSP的具体方法，该方法包括以下步骤：

步骤301：从数据库获取当前网络状态，包括网络中的所有FEC(等价转发类)以及它们的主LSP、后备LSP、带宽需求等信息，随机排列业务流，并将排列好的业务流压入堆栈ST。

步骤302：判断堆栈ST是否为空，如果为空，则返回步骤301；否则，执行步骤303。

步骤303：从堆栈ST获取当前要计算的业务流r，进而找到其主LSP。

步骤304：利用网络状态信息，计算当前主LSP相应的流故障向量u_r和链路回避向量m_r。

在求每一个后备LSP过程中，针对当前主LSP，首先根据公式U＝C□T^T计算出u_r，根据公式M＝U□T计算链路回避向量m_r，即得知哪些链路不能构成此业务的后备LSP；然后在网络拓扑中删除这些链路使网络简化。

计算m_r时考虑到后备LSP不能和主LSP有重合链路，同时也考虑到链路故障的可能发生情况。

根据对网络可生存性的实际要求和所需的带宽开销情况，分别针对只保护网络中一条链路故障、考虑同时保护多条链路出现故障等情况设定相应的链路故障矩阵T_K×L＝[t_ij]，或通过对网络流量的统计设定T_K×L＝[t_ij]。

步骤305：计算当前预留带宽矩阵S。

步骤306：判断当前主LSP是否有备份路径，如果有，执行步骤307；否则，执行步骤308。

步骤307：令 $S^{-r}=S-S^r,$ $S^r=w_r\left(d_r^T{u}_r\right),$ h^-r＝maxS^-r。

步骤308：令S^-r＝S。

步骤309：计算 $d_r^{*}=e-m_r,$ $S^{r^{*}}=w_r\left(d_r^{*T}{u}_r\right),$ $h^{*}=\max (S^{-r}+S^{r^{*}}).$

步骤310：计算当前的链路度量向量v_r，具体用公式v_r＝Φ(h^*)-Φ(h^-r)进行计算。

步骤3儿：简化网络，具体可以采用将网络中的主LSP和与该主LSP有可能一起发生故障的链路去掉。

步骤312：利用向量v_r的元素作为相对应链路的权值，再为此业务寻求一条最“短”路径(权值和最小)d_r ^new作为新的后备LSP。

步骤313：比较新的后备LSP和原来的后备LSP，衡量标准为占用的预留带宽越小则越好。即判断 $\mathrm{\Φ}\left(v_r^T\right)d_r>\mathrm{\Φ}\left(v_r^T\right)d_r^{\mathrm{new}},$ 如果大于，执行步骤314；否则，不替换原有的后备LSP，返回步骤302。

比较新的后备LSP和原来的后备LSP，可也可通过比较新的后备LSP和原来的后备LSP的跳数，跳数越少越好。

步骤314：用新计算出来的后备LSP替换中心数据库中的原后备LSP，然后返回步骤302，选择堆栈ST中的下一个主LSP的后备LSP。

通过上述循环计算，可以使得到的一组后备LSP越来越趋近最优解，根据不同的排序，将会得到不同的一组解。终止条件由用户自行设定，可以为时间限制或者计算达到一定次数或者预留带宽小于某个值等。

本实施例考虑到后备LSP的特点，将其计算方法独立于主LSP的计算，由一个中心数据库统一存储网络状态信息，每一主LSP的后备LSP由一个中心控制节点根据当前业务状态进行集中计算。当需要用到后备LSP时，中心控制节点从数据库中读取相应的后备LSP，并将后备LSP返回给标签边缘路由器LER。

当发生如下情况时，在中心控制节点启动上述方法：

1)LER检测到新的FEC时；

2)故障发生时；

3)网络状况更新时，例如增加撤销节点链路等。

下面通过建立一个预留带宽分配RCD的数学模型的方式实现后备LSP的选择，其中，MPLS网络的数学模型具体如下：

首先，将网络拓扑定义为一个图G(V，E)，其中V代表节点(LSR)集合，E代表链路集合，即弧集，用e(i，j)表示节点i到节点j的一段链路，为了简化表示后面链路用编号表示，且后面所提到的图均无自环。由于本模型是对于网络基本状态的描述，所以定义集合F＝{f₁，f₂，…，f_R}表示网络中的数据流，其中每一个f_i表示一条数据流，为了书写简便，某一条流f_r用标号r来表示，集合F是一个随时间不同而不断变化的。这里的流是以单播或多播方式在源宿间传输的数据码流，它为不同服务提供类似连接的逻辑通道。某一条流r的目的节点和源节点分别用d(r)和o(r)来表示。

本模型中的网络由一个无向图表示，该无向图由N个节点，L条链路，R条流构成。

其次，将问题用数学描述如下：

从网络流的整体出发，为恢复路径预留带宽，预留带宽可由多条恢复路径共享，从而达到在故障发生时能够保护工作路径且对网络其他路径产生的影响较小。即：工作路径已知，需要找到恢复路径来保护工作路径，为恢复路径预留带宽，并且使得所有链路的预留带宽总和最小。通过求解预留带宽的分配问题以寻求满足约束的合适的恢复路径。

令链路1上的预留带宽开销函数表示为Φ_l(hl)，h即定义10所定义的预留带宽向量。总共的恢复预留带宽开销是e^TΦ(h)，e表示所有链路的纵向量。这里假定所有链路的开销函数相同，则预留带宽的总开销就简化为e^Th，其中e是元素全1的纵向量。

基于上面的定义，为保护任意故障，无向网络的预留带宽分配问题可以用如下的数学公式刻画：

$\begin{array}{cc}\stackrel{\min }{D,h}& e^{T}h\end{array}---\left(1\right)$

s.t.h≥S       (2)

M+D≤1         (3)

DA^T＝B(mod2)   (4)

$S^r=w_r\left(d_r^T{u}_r\right)---\left(5\right)$

$S=\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{S}^r---\left(6\right)$

(1)式的目的就是利用选择恢复路径和预留带宽分配来最小化预留带宽的消耗。这个公式可以加以改进，进而允许利用实际的非线性链路消耗函数。

约束条件(2)、(5)和(6)用来确定h和S。

约束(3)保证恢复路径不会使用任何有可能和工作路径一起发生故障的链路。

约束(4)保证在这个无向网络中，给出的恢复路径是一系列可行的通路。

综上所述，问题可以归结为：

条件：给定一个网络，N个节点，L条链路和R条流，流的工作路径在矩阵C中，链路开销在向量Φ，总开销为e^TΦ(h)。

问题：是否有一组恢复路径D，可以保护任意多链路故障，而且总的开销不大于h。称此问题为预留带宽分配(RCD)问题。

然后进行RCD问题求解，关于预留带宽的分配问题是一个NP问题，对于它的求解是一个难题。本发明实施例采用一种启发式算法来对此问题进行求解。动态可生存性路由(DSR，Dynamic Survivable Routing)算法是一种解决RCD问题的启发式的算法。在RCD问题中，工作路径是已知的，需要找到恢复路径来保护工作路径。由恢复路径所保留的预留带宽共享，来使预留带宽的总开销最小。

DSR算法将多个流问题分成为一组单一流问题来求解。用一组随机序列确定不同流的顺序，DSR对此顺序的每条流逐个找到恢复路径。算法应用于不同顺序的流，可能会产生不同的解。对于在某种随机情况下的每一个流，DSR用基于权值的最短路径算法计算它的恢复路径。基于流的顺序的不断随机改变，算法使所有流的恢复路径向各自的最优恢复路径逼近。

实施例2

参见图4，一种选择后备LSP的装置，该装置包括：

计算模块401，用于计算网络中所有主LSP的后备LSP；

比较模块402，用于比较计算模块401计算出的后备LSP与原后备LSP的优劣；

当前后备LSP确定模块403，用于当比较模块402比较出后备LSP优于原后备LSP时，将后备LSP确定为当前后备LSP；否则原后备LSP为当前后备LSP。

该装置还包括：

排序模块，用于将所有主LSP进行重新排序。这时，计算模块401将根据重新排序的结果计算网络中所有主LSP的后备LSP。

其中，比较模块确定后备LSP与原后备LSP的优劣的条件为全网预留带宽的总开销最小或全网后备路径跳数最少。

计算模块、比较模块和当前后备LSP确定模块由中心控制节点控制。中心控制节点具体为边缘路由器。

以上实施例中的网络的状态信息可以存储在一个中心数据库中，中心控制节点根据中心数据库存储的网络状态信息，将每一个FEC(Forwarding Equivalence Class，等价转发类)的后备LSP进行集中计算，计算网络中所有主LSP的后备LSP，中心控制节点可以独立，也可以由某一LER(Label Edge Router，标签边缘路由器)承担此功能。参见图5，标签边缘路由器LER由I/O接口501、转换矩阵502、存储器503和控制器504组成。

以上实施例通过在选择主LSP的后备LSP时，进行合理地分配预留资源(带宽)来保证资源利用率，在保证可生存性的前提下，使网络为恢复路径预留的带宽最小，从而提高网络带宽利用率。

以上所述的实施例，只是本发明的一种具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (15)

1.一种选择后备LSP的方法，其特征在于，所述方法包括：

计算网络中所有主LSP的后备LSP；

当所述后备LSP优于原后备LSP时，将所述后备LSP确定为当前后备LSP，否则所述原后备LSP为当前后备LSP。

2.如权利要求1所述的选择后备LSP的方法，其特征在于，所述计算网络中所有主LSP的后备LSP的步骤之前包括：

将所述所有主LSP进行重新排序。

3.如权利要求2所述的选择后备LSP的方法，其特征在于，所述重新排序为随机排序。

4.如权利要求1所述的选择后备LSP的方法，其特征在于，所述后备LSP优于原后备LSP的确定条件为全网预留带宽的总开销最小或全网后备路径跳数最少。

5.如权利要求2或3所述的选择后备LSP的方法，其特征在于，当所述后备LSP优于原后备LSP时，所述后备LSP确定为当前后备LSP，否则所述原后备LSP为当前后备LSP的步骤后进一步包括：

当不满足设定的终止条件时，将所述所有主LSP进行重新排序；计算网络中所有主LSP的后备LSP；

当所述后备LSP优于原后备LSP时，所述后备LSP确定为当前后备LSP，否则所述原后备LSP为当前后备LSP。

6.如权利要求1所述的选择后备LSP的方法，其特征在于，所述计算网络中所有主LSP的后备LSP具体包括：

计算所述所有主LSP的流故障矩阵和/或链路回避矩阵；

根据所述流故障矩阵和/或所述链路回避矩阵计算当前后备LSP的全网链路权值；

根据所述全网链路权值计算网络中后备LSP。

7.如权利要求6所述的选择后备LSP的方法，其特征在于，所述链路回避矩阵包括所述所有主LSP占用的链路。

8.如权利要求1所述的选择后备LSP的方法，其特征在于，启动所述计算网络中所有主LSP的后备LSP条件为：

当标签边缘路由器检测到新的等价转发类时；

或故障发生时；

或网络状况更新时。

9.如权利要求5所述的选择后备LSP的方法，其特征在于，所述终止条件为：

计算达到预定时间时终止，或计算的循环次数达到预定次数时终止，或所有后备LSP的总预留带宽满足预设的约束条件时终止。

10.如权利要求9所述的选择后备LSP的方法，其特征在于，所述预设的约束条件为总预留带宽小于预定值。

11.一种选择后备LSP的装置，其特征在于，所述装置包括：

计算模块，用于计算网络中所有主LSP的后备LSP；

比较模块，用于比较所述计算模块计算出的所述后备LSP与原后备LSP的优劣；

当前后备LSP确定模块，用于当所述比较模块比较出所述后备LSP优于所述原后备LSP时，将所述后备LSP确定为当前后备LSP；否则所述原后备LSP为当前后备LSP。

12.如权利要求11所述的选择后备LSP的装置，其特征在于，所述装置还包括：

排序模块，用于将所述所有主LSP进行重新排序。

13.如权利要求11所述的选择后备LSP的装置，其特征在于，所述比较模块确定所述后备LSP与原后备LSP的优劣的条件为全网预留带宽的总开销最小或全网后备路径跳数最少。

14.如权利要求11所述的选择后备LSP的装置，其特征在于，所述计算模块、所述比较模块和所述当前后备LSP确定模块由中心控制节点控制。

15.如权利要求14所述的选择后备LSP的装置，其特征在于，所述中心控制节点具体为边缘路由器。

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