CN101695053B - 一种改善域内路由ospf算法的ip快速重路由方法 - Google Patents

Abstract

一种改善域内路由OSPF算法的IP快速重路由的方法，该方法包括如下步骤：(a)利用OSPF算法计算出正常路由且导出正常路由表；(b)利用ED-NotVia算法找到NotVia地址，据此生成NotVia转发表；(c)当故障发生且未完成收敛时，由故障上游节点将原始数据包用NotVia地址封装，重新定向到故障点下一跳；(d)当其他路由器收到NotVia包时，配合保护源点实现该包的转发；(e)当NotVia包到达故障点下一跳时，将其解封装，还原为原始路由包，通过正常的路由将其转发到原始目的地址。其中，ED-NotVia首次提出了将“去除无用的NotVia地址”和“提前解封装”结合到一起。该方法具有实现简单、代价小、保护路径优、无解封瓶颈等特点。适用于对较大规模自治域系统在故障下的域内路由性能改善。

Description

一种改善域内路由OSPF算法的IP快速重路由方法

技术领域

本发明涉及互联网网络路由技术领域，尤其是涉及一种改善域内路由OSPF算法的IP快速重路由的方法。

背景技术

对互联网而言，网络故障是不可避免的。故障会导致网络连接中断，危害网络服务，轻则导致分组丢失，重则使网络瘫痪。所以，现在的网络路由器要有对故障的自适应能力，即当故障发生时能够动态地调整路由，适应新的网络拓扑。互联网设计之初就非常重视网络故障对网络健壮性的影响，设计并使用了自适应的动态路由协议OSPF(Open Shortest Path First)、BGP(BorderGateway Protocol)等。这本质上也就是路由自愈能力，只是目前的自愈能力不能够满足实际应用的需求。一方面，随着互联网规模迅速扩大，网络故障数量明显增加。另一方面，各种实时应用大量出现，VoIP(Voice over InternetProtocol)、在线视频等实时应用广泛使用，人们对网络端到端性能的要求越来越高，而目前路由协议的路由收敛时间难以完全满足用户的需求。传统的域内网关协议IGP(interior Gateway Protocols)中，RIP(Routing InformationProtocol)在故障发生后自愈所需时间在100秒的数量级，且存在“无穷计算”问题；OSPF、ISIS的路由收敛时间在几秒到几十秒。在收敛过程中，网络路由可能是错误的，甚至会出现“路由黑洞”，导致分组丢失，影响网络应用。

针对路由收敛慢、收敛过程中分组丢失或延迟等问题，越来越多的研究者开始重新关注网络路由的自愈性，并提出了很多相关方案。在所有的方案中，只有NotVia(IPFRR with NotVia addresses)机制能够提供100％的单节点或单链路故障保护率。在NotVia机制中，当网络中故障发生，导致故障上游节点无法转发IP数据包时，上游节点通过封装的方式将该数据包定位到故障点的下一跳，从而绕过故障点实现保护。NotVia机制的优点是它可以提供100％的单点或单链路保护，但是它也存在一些致命的问题：

1.计算开销和存储开销太大。一个自治域中可能出现的NotVia地址数量是链路数量的两倍，每个路由器都必须计算并保存到这些NotVia地址的路由。首先计算开销是一个问题，其次这些路由存在NotVia转发表中，给路由器带来巨大的存储负担。

2.路径回退问题。

3.解封瓶颈问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种改善域内路由OSPF算法性能的IP快速重路由的方法，该方法在保持NotVia的100％单点或者单链路故障保护的同时，提出了ED-NotVia(Earlier Decapsulated NotVia)机制解决NotVia的上述问题。

为达到上述目的，本发明提供了如下所述的技术方案。一种改善域内路由OSPF算法的IP快速重路由的方法，该方法包括如下步骤：

(a)所有路由器利用OSPF算法计算出正常的路由并且导出正常的路由表；

(b)所有路由器利用ED-NotVia算法找到必需的NotVia地址并计算到该NotVia地址的备份路由，据此生成NotVia转发表，这样NotVia转发表中只有必须的NotVia前缀入口；

(c)当故障发生并且网络还没有根据此故障完成收敛时，由故障上游节点将原始数据包用NotVia地址封装，重新定向到故障点下一跳，即正常路由的下下一挑；

(d)当网络中的其他路由器收到NotVia包时，配合保护源点实现该包的转发；

(e)当NotVia包到达故障点下一跳，由该下一跳路由器将其解封装，还原为原始路由包，然后通过正常的路由将其转发到原始目的地址。

根据本发明的一个优选实施方案，上述步骤(d)还包括如下步骤：

(d1)根据接收到的IP包，判断是NotVia包还是正常的IP包；

(d2)如果判断是正常的IP包，那么就转到步骤(d3)；如果判断是NotVia包，那么就转到步骤(d4)；

(d3)在正常的转发表中查找目的前缀，找到下一跳，进行正常转发；如果下一跳发生故障，那么就封装为NotVia包，然后转入步骤(d4)；

(d4)在NotVia转发表中查找目的地址前缀，如果该目的地址前缀存在，那么根据该地址前缀信息提供的下一跳进行转发；如果该目的地址前缀不存在，就将NotVia包提前解封装，还原为原来的IP包，转入步骤(d3)。

本发明结合现有的域内路由协议OSPF，提出一种ED-NotVia自愈方案，通过减少NotVia转发表中的NotVia地址数量以及提前解封装，解决了NotVia存在的诸多问题，提高了路由自愈能力，保证了故障发生时数据包的正确转发。该方法具有以下特点：提供100％故障保护率、实现简单、计算及存储代价小、保护路径优、无解封瓶颈等特点。

附图说明

图1是根据本发明的减少NotVia前缀入口数量的状态示意图；

图2是根据本发明的NotVia解封后回退和解封瓶颈问题的状态参考图；

图3是根据本发明的多次封装问题的状态参考图；

图4是根据本方明的改善域内路由OSPF算法的IP快速重路由的方法流程图；

图5是根据本发明的IP快速重路由的方法中步骤(d)的转发流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更加详细地描述根据本发明的改善域内路由OSPF算法的IP快速重路由的方法的具体实施方式。

该发明的主要目标是提出一种改善域内路由OSPF算法的IP快速重路由方法，如图4所示，该方法包括如下步骤：

(a)所有路由器利用OSPF算法计算出正常的路由并且导出正常的路由表；

(b)所有路由器利用ED-NotVia算法找到必需的NotVia地址并计算到该NotVia地址的备份路由，据此生成NotVia转发表，这样NotVia转发表中只有必须的NotVia前缀入口；

(c)当故障发生并且网络还没有根据此故障完成收敛时，由故障上游节点将原始数据包用NotVia地址封装，重新定向到故障点下一跳，即，正常路由的下下一挑；

(d)当网络中的其他路由器收到NotVia包时，配合保护源点实现该包的转发；

(e)当NotVia包到达故障点下一跳，由该下一跳路由器将其解封装，还原为原始路由包，然后通过正常的路由将其转发到原始目的地址。

另外，如图5所示，上述步骤(d)还包括如下情况：

(d1)根据接收到的IP包，判断是NotVia包还是正常的IP包；

(d2)如果判断是正常的IP包，那么就转到步骤(d3)；如果判断是NotVia包，那么就转到步骤(d4)；

(d3)在正常的转发表中查找目的前缀，找到下一跳，进行正常转发；如果下一跳发生故障，那么就封装为NotVia包，然后转入步骤(d4)；

(d4)在NotVia转发表中查找目的地址前缀，如果该目的地址前缀存在，那么根据该地址前缀信息提供的下一跳进行转发；如果该目的地址前缀不存在，就将NotVia包提前解封装，还原为原来的IP包，转入步骤(d3)。

其中，ED-NotVia算法包括如下步骤：

(11)路由器需要计算并且保存必需的NotVia地址，减少不需要的NotVia前缀，生成NotVia转发表；

(22)路由器接收到NotVia包时，如果在其NotVia转发表中能够查到相应前缀入口，那么根据对应的路由转发该包；如果其NotVia转发表中没有对应的前缀入口，那么就将其提前解封装。

本发明针对NotVia机制，提出了两个方面的改进，一是NotVia保护路由计算优化，另一个是NotVia包的转发流程，二者相互关联。NotVia保护路由计算优化主要包括如何减少必需的NotVia地址，从而减小NotVia转发表。基于上述优化，我们在NotVia包的转发流程中以几乎零代价引入提前解封装的方法，解决了路径回退和解封瓶颈的问题。上述步骤中，其中(a)和(b)是对NotVia保护路由的计算，(c)、(d)和(e)是故障发生时的保护过程。

这个方案需要满足以下几个特性：

1)必须提供足够高的单点或者单链路故障保护率。

2)计算保护路径的算法开销必须足够小，这样保护路径才能够根据拓扑变化迅速调整。

3)保护路径要尽量接近收敛后的最优路径，减少因故障带来的抖动和网络拥塞。

为了论述方便，我们做出如下说明：

R：自治域内的任意路由器，R具有ED-NotVia功能；

D：我们要提供保护的IP包的目的前缀；

S：保护源点，也就是故障点F的上游节点；

F：我们要讨论的故障点，一般是S到D的下一跳；

Q：NotVia隧道终点，一般是S到D的下下一跳；

Q_F：我们要讨论的NotVia地址，指到达Q不经过F；

保护路径：针对故障F，从S到D的路径；

NotVia路径：针对故障F，S到D的保护路径中S到Q的那一段，也就是NotVia隧道。

“Q_F”表示一个地址，这个地址表示目的是Q节点，但是不要经过F节点。NotVia本身的意思就是不经过的意思。在实际的实现中，NotVia转发表和正常的转发表是分开存储的。

根据上述目标，本发明所提出的自愈方案ED-NotVia的基本方式如下：

R首先完成正常的路由计算，得到正常的转发表。除此之外，R还需要为可能经过它的NotVia保护包(以下简称NotVia包)提供路由。R通过相关性判断，得到必需的NotVia地址，然后利用iSPF算法为这些地址前缀计算出NotVia路由，并导出相应的NotVia转发表。为了保持说明的流畅性，本文将如何利用iSPF有效地找到NotVia地址并计算相应NotVia路由表的算法，即ED-NotVia算法放在后面来说明。故假设网络中任意路由器R已经如上所述计算出了NotVia转发表。

在故障发生且路由协议尚未完成全网收敛时，网络路由器启动保护路由完成相关转发任务。假设讨论的目的前缀为D。D的转发树是以D为根的一棵树，在该树中直接可达D的节点为D的孩子，通过其孩子可达D的为其孩子的孩子，以此类推。

首先，在D的转发树中，故障F的上游节点即F的孩子--我们称为保护源点S--检测出F出现故障，然后会产生故障更新报文，广播出去，并针对新的拓扑计算路由，进而完成收敛。在未完成收敛之前的这段时间，保护源点S将收到的到达D的IP包以特殊的NotVia地址--即Q_F封装，重定向到正常路由下下一跳Q，并在IP报头中设置特定的标志位表示这是一个NotVia包，根据已经计算好的NotVia路由表进行转发；R收到封装后的NotVia包后，发现这是一个NotVia包，因此查NotVia转发表；如果在R的NotVia转发表包含Q_F表项，那么根据该表项对应的下一跳继续转发该NotVia包；如果R的NotVia转发表中没有Q_F表项，那么R可以将该包提前解封装，还原为到D的包；如果这个NotVia包在到达Q之前没有被解封装，那么Q作为NotVia隧道终点，负责将其解封装，还原为到D的IP包。NotVia包一旦被解封装还原为原来的目的地址，就意味着已经绕过故障点，然后通过正常的转发表就可以到达目的地。

下面分别讨论如何减少NotVia前缀的数量和如何实现提前解封装，然后综合考虑二者，提出实现它们的简单实用的方法。

1.减少NotVia前缀的数量

在这部分，我们将给出R需要Q_F前缀入口的充要条件。

定义：Q_F对R是正常的：R到Q_F的下一跳和到Q的下一跳是一致的，否则称Q_F对R是异常的。

当Q_F对R是正常的，此时R不需要Q_F前缀入口，因为R直接根据Q前缀路由该包就可以了。但是，Q_F对R是异常的并不意味着就需要Q_F前缀入口。如图1所示，虽然Q_F对R是异常的，但是唯一的保护源点S到Q_F的路径不经过R，也就是说R不会收到前缀为Q_F的NotVia包，故R不需要Q_F前缀入口。故需引入下一个定义来确定什么条件下R需要Q_F前缀入口。其中图1中所标数字为链路权值。

定义：如果R不可能收到前缀为Q_F的NotVia包，称R与Q_F是无关的；否则称R与Q_F是相关的。更准确的说，无关意味着对任意一个保护源点S，S到Q_F的路径都不经过R；否则R与Q_F是相关的。

如果R与Q_F是无关的，R必然不需要Q_F前缀入口。但是R与Q_F相关并不意味着R就需要Q_F前缀入口，比如图1中的A是与Q_F相关的，但是A就不需要Q_F前缀入口，因为Q_F对A是正常的。

综上可知，R需要计算并保存Q_F前缀路由当且仅当：R与Q_F相关且Q_F对R是异常的。

2.提前解封装

NotVia存在两个问题影响路由的效率，其分别是解封装后回退和解封瓶颈问题。如图2所示，S到D的保护路径是S-X-Y-Z-A-Q-A-D，解封后的回退虽然不会引起回路，但是如果实际中A这样的点很多，那么路由效率将受到很大影响。此外，S、B和P封装产生的Q_F包会汇聚到Q点，所有的解封任务都由Q来完成，这需要很大的开销。当故障发生时，Q点就会成为影响整体转发速度的瓶颈。因此我们提出提前解封的思想，并给出了提前解封的判断依据。当R收到Q_F包时，可以提前解封的充要条件是：R到D不经过F。其中图2中所标数字为链路权值。

按照上述条件，图2中当S和P产生的前缀为Q_F的NotVia包分别到达Y和O点时，因为Y和O到D的路径都不经过故障点F，故可以此NotVia包提前解封装还原为到D的包，此时故障点已经不会再影响该包的路由。这样，只有B产生的Q_F包需要Q来解封装。Q的转发负担和解封装负担都得到有效缓解，而且还优化了路径，回退问题因此也不复存在。

但是这个条件不具有实用价值，因为D本身被封装在包内。所以我们提出一个提前解封装的充分非必要条件：R到Q的路由不经过F。可以证明如果R到Q不经过F，那么R到D也不经过F。反证如下：如果R到D经过F，由于F到D的下一跳是Q，故R到D也经过Q。

3.综合考虑减少NotVia前缀入口数量和提前解封装问题

为了简化提前解封装的判断，我们提出以下方案：如果R收到前缀为Q_F的NotVia包，其在其NotVia转发表中没有Q_F前缀入口，那么Q_F对R是正常的，我们认为此时可以提前解封装。

大多数情况下，这种简化方式可以工作得很好。因为Q_F对R是正常的意味着R到Q的路由下一跳不受F的影响，隐含着可以解封装的意思。

深入思考后发现存在一个问题：就是多次封装问题。如图3所示，B发现到D的下一跳不通，于是封装产生Q_F包交给R。R没有Q_F前缀入口，故解封装，然后R按照目的D路由到达S。S发现F出故障，又将该包封装为Q_F包交给A，由A进行解封装，然后一直路由到D。

这个问题有两种处理方式。第一种方式，将R不保存Q_F的条件改为R与Q_F无关或者R到Q不经过F。这样虽然会多保存一些NotVia前缀入口，但是消除了多次封装问题。另外一种方式就是不管它，因为它不影响路由结果的正确性。多次封装不会产生回路，因为第二次封装的点比第一次更接近Q_F而不是Q。如果是B到F的链路出现故障的话，也不会有多次封装问题，此时的路径会得到优化。而且，如图3所示，网络中像A这样的节点要远远多于R这样的节点。所以实现过程中怎么选择这样的节点只是一个工程问题。其中图3中所标数字为链路权值。

现在，网络中的任意路由器R接到一个Q_F包的处理过程为：查Q_F前缀，如果该前缀不存在，即将该包解封，然后通过正常路由转发；如果存在，那么直接转发。此处我们可以看到，R并不需要Q和F地址。

接下来一个关键的问题是如何有效地找到对R来说必要的NotVia地址并计算这些地址的NotVia路由表，这也是我们下面要讨论的内容。

关于ED-NotVia的部署，需要在网络中的任意路由器R中实现我们的NotVia路由计算及转发算法。这样，一方面保证NotVia路由表及转发表的建立，另一方面确保当故障发生时能够顺利切换到NotVia转发处理流程。

首先，我们给出实现ED-NotVia功能的路由器R的路由计算框架，包括正常路由表的计算和NotVia路由表的计算。然后我们给出实现ED-NotVia功能的路由器R对IP包的具体转发流程。从而，通过这两个步骤搭建起具有ED-NotVia自愈功能的域内路由体系。

1.具有ED-NotVia功能的路由器R的路由计算

R首先通过OSPF--最短路径算法，计算出正常的路由并导出正常的转发表。由于ED-NotVia的需要，此处的转发表中应该有下下一跳的信息，这只要对SPF算法稍加修改即可。然后在正常计算得到的最短路径树的基础上，运用iSPF算法，计算出相关的NotVia地址前缀路由信息，并导出NotVia转发表。此处路由计算过程已经实现了上述的优化，过滤掉了对R来说不必要的NotVia前缀路由，这样为提前解封装的实现提供了判断依据。

下面给出网络中的任意路由器R如何计算其需要的NotVia前缀路由的算法，此算法建立在以R为根的正常最短路径树(SPT-R)计算基础之上，采用iSPF算法为每个需要的前缀计算相应路由。

算法ED-NotVia  //R计算需要的NotVia前缀路由的算法输入：R的正常最短路径树SPT-R输出：所有R需要保存的QF前缀的路由集合Routes1. 根据SPT-R将R的每个孩子压入堆栈S2.do3.   pop(S，F)4.     for F的每个孩子Q5.       push(S，Q)6.         用iSPF算法计算R到QF的路由r

2.具有ED-NotVia功能的路由器R的IP包转发

R收到一个IP包的转发过程如图4所示。

R首先判断该IP包是否为NotVia包：

如果是NotVia包，进入ED-NotVia转发过程。查NotVia转发表，如果存在相应的NotVia地址前缀，那么根据该前缀信息提供的下一跳转发。否则，即此NotVia前缀在R的NotVia转发表中不存在，R就将该NotVia包解封装，还原为原来的IP包，并切换到正常的路由转发流程。如果在NotVia保护路径中再次出现故障，那么根据ED-NotVia不提供二重保护的原则即不为NoVia包提供第二次保护，因此丢弃该包。

如果是正常包，进入正常转发过程。如果正常的下一跳出现故障，根据下下一跳封装将该包封装，转到ED-NotVia转发过程。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (3)

1.一种改善域内路由OSPF算法的IP快速重路由方法，该方法包括如下步骤：

(a)所有路由器利用OSPF算法计算出正常的路由并且生成正常的转发表；

(b)所有路由器利用ED-NotVia算法找到必需的NotVia地址并计算到所述必需的NotVia地址的备份路由，据此生成NotVia转发表，这样所述NotVia转发表中只有必需的NotVia前缀入口；必需的NotVia地址按如下条件判断，Q_F对R而言是必需的NotVia地址当且仅当：网络中有Q_F数据包经过R且R到Q_F的下一跳和R到Q的下一跳不同；其中，

R：自治域内的任意路由器，R具有ED-NotVia功能；

Q_F：我们要讨论的NotVia地址，指到达Q不经过F；“Q_F”表示一个地址，这个地址表示目的是Q节点，但是不要经过F节点；

Q：NotVia隧道终点，一般是S到D的下下一跳；

F：我们要讨论的故障点，一般是S到D的下一跳；

D：我们要提供保护的IP包的目的地址前缀；

S：保护源点，也就是故障点F的上游节点；

所述ED-NotVia算法包括如下步骤：

(11)路由器需要计算并且保存必需的NotVia地址，减少非必要的NotVia地址，生成NotVia转发表；

(22)路由器接收到NotVia包时，如果在其NotVia转发表中能够查到相应前缀入口，那么根据对应的路由转发该包；如果其NotVia转发表中没有对应的前缀入口，那么就将其提前解封装；

(c)当故障发生并且网络还没有根据此故障完成收敛时，由故障上游节点将原始数据包用所述必需的NotVia地址进行封装，重新定向到故障点下一跳，即正常路由的下下一跳；

(d)当网络中的其他路由器收到NotVia包时，配合保护源点实现所述NotVia包的转发；

(e)当所述NotVia包到达所述故障点下一跳时，由所述故障点下一跳路由器将其提前解封装，还原为原始数据包，然后通过正常的路由将其转发到原始目的地址。

2.如权利要求1所述的IP快速重路由的方法，其特征在于，所述步骤(d)还包括如下步骤：

(d1)根据接收到的IP包，判断是NotVia包还是正常的IP包；

(d2)如果判断是正常的IP包，那么就转到步骤(d3)；如果判断是所述NotVia包，那么就转到步骤(d4)；

(d3)在所述正常的转发表中查找目的地址前缀，找到下一跳，进行正常转发；如果所述下一跳发生故障，那么就封装为所述NotVia包，然后转入步骤(d4)；

(d4)在所述NotVia转发表中查找目的地址前缀，如果该目的地址前缀存在，那么根据目的地址前缀信息提供的下一跳进行转发；如果该目的地址前缀不存在，就将所述NotVia包提前解封装，还原为原来的IP包，转入步骤(d3)。

3.如权利要求1所述的IP快速重路由的方法，其特征在于，所述NotVia包是指在未完成收敛之前的这段时间，保护源点将收到的目的地址前缀的IP包以NotVia地址封装形成的数据包，NotVia包以正常路由下下一跳作为目的地址，通过在IP报头中设置特定的标志位来表示。

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