CN1145323C

CN1145323C - 一种简单的自适应快收敛标记交换路径环路预防技术

Info

Publication number: CN1145323C
Application number: CNB001369423A
Authority: CN
Inventors: 邵旭; 丁炜; 石晶林; 张志群
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2000-12-29
Publication date: 2004-04-07
Anticipated expiration: 2020-12-29
Also published as: CN1361612A

Abstract

一种简单的自适应快收敛LSP环路预防技术，属于网络技术中基于ATM的MPLS网络环路控制领域，有效地解决了基于ATM的MPLS网络可能发生的LSP环路问题。根据网络资源的充裕程度和利用过去环路检测经验推算出的当前环路出现概率，建立联合检测参量，网络资源充裕且环路出现概率较大时，采用双向检测机制，尽量提高环路检测效率，反之采用单向检测机制，尽量减少对网络资源的占用。因为检测参量完全是自适应调整的，所以环路预防过程时刻保持了最优。

Description

一种简单的自适应快收敛标记交换路径环路预防技术

本发明涉及一种基于ATM(异步转移模式)的MPLS(多协议标记交换)网络中LSP(标记交换路径)环路控制的新技术，属于网络技术中基于ATM的MPLS网络环路控制领域。

MPLS是最典型的ATM与IP相结合的集成模型技术，被一致公认为是ATM与IP相结合的最佳解决方案。MPLS抛弃了复杂的ATM控制信令，转而采用标准IP路由和控制协议，但保留了ATM的快速交换转发部件。这样，ATM和IP技术就能够各取所长，将ATM的优势用于IP网络，使ATM交换机变成了支持多协议的交换式路由器。在MPLS网络中，支持MPLS协议的ATM交换机被称为ATM标记交换路由器(ATM-LSR)。

由于ATM信元格式的限制，在进行MPLS标记封装时，不能象对运行于局域网的IP包进行封装一样，在第二层和第三层之间嵌入固定长度的标记。IETF负责MPLS标准化工作的MPLS工作组采用了利用信头中现有的VPI/VCI域作为MPLS标记域的方法，但是这样不能象标准的标记头一样引入TTL域。于是，基于这种体制的网络，一旦路由产生暂态环路，进而就会形成带有环路的标记交换路径，这会产生严重的网络阻塞。在基于传统路由器的MPLS网络中，利用IP包头的TTL域的逐跳递减机制，通过抛弃TTL递减为零的数据包，并向源地址发送ICMP出错信息，可以避免数包在环路中无限循环。而终端TCP的基于反馈的流量控制，能够在检测到数据包丢失的情况下，大幅度减小发送窗口，从而避免了数据包大量进入环路，滞留在网络中造成拥塞。所以，基于ATM的MPLS网络环路控制方法研究，是不同于IP网络和ATM网络的崭新课题，成为了基于ATM的MPLS网络不得不首先解决的重要问题。

按照控制能力由低到高、控制过程由简单到复杂可以将环路控制分成三个相对独立的层次，即环路生存、环路检测和环路预防。环路生存是指即使路由协议产生了短时间的暂态环路，但是通过限制环路中数据包消耗的网络资源的数量，减小对其它非环路的流量的影响，能够确保网络不至于发生阻塞。由于基于ATM的MPLS封装没有TTL域，所以即使这种在传统IP网络中广泛采用的机制很有效，在ATM-LSR中却很难沿用。环路检测是指虽然ATM链路可能产生暂态环路，但是通过某种算法可以快速察觉到环路的存在。环路预防机制确保建立的标记交换路径永远不产生环路，也就是说，当路由变更时，首先要确保该路径不存在环路，然后才能显式的建立LSP。相对于前两种方案，环路预防是一种积极主动的控制策略。

鉴于环路控制的重要性，MPLS工作组制定的LDP(标记发布协议)中，规定了路径向量/跳数计数(Path Vector/Hop Count)TLV可以有选择地被携带在标记请求和标记映射消息中，这样就很容易将LSP的建立过程与环路的预防机制牢牢的结合起来。目前，初步提出的环路预防方法大致有两种，路径向量/扩散算法和着色线程算法(CT)。路径向量/扩散算法充分利用LDP中的路径向量机制，在支持VC合并的情况下向发生路由变化的上游路由器发送带有自己特殊标识的检测分组，沿途的LSR将自己的特殊标识依次加入，然后向其上游转发。如果中间LSR再次收到含有自己特殊标识的检测分组，则断定有环路存在。着色线程算法是当LSP的某个中间LSR发现路由下一跳发生变化时，它创建一个线程，并将线程向下游扩展。网络中的每个线程被标识以独一无二的颜色。颜色由两个固定长度的对象组成，即创建颜色的节点地址和在此节点内具有局部意义的唯一标识符。中间节点可以对颜色进行合并，以及创建新颜色。在着色进程中，一些属性，如颜色、跳数和TTL，向下游传递。当颜色传递到出口ATM-LSR时，就可以放心地建立没有环路的LSP。反之，如果中间LSR再次收到含有自己颜色的分组时，则判定网络存在环路。

路径向量/扩散算法思路简单，但是耗费网络资源较多，着色线程算法耗费网络资源较少，但沿途的LSR需要记录的状态变量较多，从而使实施过程趋于复杂化，且两种算法都存在收敛速度不快的问题。

本发明的目的在于克服现有环路预防技术的缺点，使环路预防过程具有了自适应和快收敛的特点，从而能够更有效的解决基于ATM的MPLS的环路预防问题。

本发明的技术方案是这样实现的，ATM交换机可以通过软件升级的方法实现对MPLS协议的支持，同时还可以保留ATM的协议，使ITU-T或ATM论坛的ATM信令与MPLS协议以一种互不知晓的“夜行船”的方式共存，从而能够保护电信设备的已有投资，实现向MPLS网络的平滑过渡。本发明可以与IETF现有的草案中所提出的一些环路预防技术共存，如果MPLS域的所有交换机都能够支持该技术，则推荐使用该技术，否则仍然可以使用草案中的其它技术。

中间ATM-LSR如何保留检测分组的标识和如何存储路由变动所产生的环路的概率情况可以由各个交换机生产厂商自行定义，操作系统需要对增加的检测分组标识记录表和路由变动环路出现概率表的实时维护。一般说来，检测分组的格式则需要标准化，但是如果整个MPLS域中的所有ATM交换机都由一家公司提供，那么该厂商可以灵活采用专有的内部分组格式，从而具有更高的效率。目前的交换机都能够实时地对硬件资源、CPU资源和其它资源的占用情况进行监测，这些监测的结果结合以历史上环路出现的概率将直接决定所采用的检测策略。该技术使ATM交换机具有了不同条件下实施不同检测策略的能力，使整个检测方法达到了在约束条件下动态保持最优。

要想彻底理解本技术的设计原则，必须首先探寻环路预防的目标。无论采用什么环路预防技术，最基本的目标就是要在任何情况下，都能够检测到路由环路的存在，从而避免建立的LSP存在环路。目前的环路预防技术，无论是路径向量/扩散法，还是着色线程法，都能达到此基本要求。另外必须要考虑的就是方法的优化，这主要包括两项指标：算法的收敛时间和使用该算法对网络资源的消耗程度。所以，我们要寻求一种新的算法，具有网络资源消耗和收敛时间的双重优化效果。

算法的收敛时间对于提高LSP的建立速度起到了至关重要的作用。采用路径向量/扩散法向发生路由变动的LSR的下游路由器发送检测分组的方法，如果环路存在，收敛时间将是检测分组沿环路转发一圈的周期。但是，如果能够沿着环路的两个方向同时发送检测分组，如果检测分组在某个中间LSR相遇，则判断为产生了路由环路，采用这种方式理论上收敛速度将提高一倍左右。

以路径向量/扩散算法作为参考，设该算法平均收敛时间为，新算法的平均收敛时间为 t，定义收敛改善度p，则

p = \frac{\overset{&OverBar;}{t_{0}} - \overset{&OverBar;}{t}}{\overset{&OverBar;}{t_{0}}} - - - - (1)

网络资源消耗是指检测分组对网络资源的占用情况，尤其是在网络资源紧张的情况下，必须严格限制检测分组对网络资源的消耗。设路径向量/扩散算法平均网络资源占用为

新算法为 s，定义资源损耗改善度q，则

q = \frac{\overset{&OverBar;}{s_{0}} - \overset{&OverBar;}{s}}{\overset{&OverBar;}{s_{0}}} - - - - (2)

其中，q为正值表示资源消耗减少，为负值表示资源消耗增加。

很多情况下，收敛状况的改善往往是以牺牲网络资源为代价的，双向检测的方法，固然提高了检测效率，但是对网络资源的消耗无形中也大大增加。所以，必须要找到两者的最佳结合点。网络资源的状况不是固定不变的，而是复杂的随时间变动的随机过程。衡量网络资源状况有很多指标，处于简单实用的考虑，本技术用交换机中某一时刻剩余排队缓冲区的多少来表征资源的充裕程度。资源的充裕度u(t)表示为

当路由的下一跳由从某一节点变为另一节点时，如果环路存在，那么，当下一次出现同样的情况时，出现环路的可能性就比上一次没有出现环路时的可能性要大，这是由网络状态变化的相关性所决定的。利用对一个时间段加窗的方法，可以求得在该窗口内同一路由变化出现环路的概率。设t时刻产生了第n次路由变动，为了用第n-1次及其以前时刻的m个网络的状态预测第n次的网络状态，定义环路出现概率

从以上从分析可以看出，网络空余资源较多时，可以多占用一些网络资源，保证算法有较快的收敛性。而网络资源不足时，在保证收敛性成立的前提下，应尽可能少占资源。而且应该充分利用过去环路预防的经验知识，减少了环路检测的盲目性。如果下一跳路由的改变，使新的路由路径存在环路的可能性很大，那么我们宁可在这个可能的环路上多发送一些有效的检测分组，以少量的网络资源代价换取更快的检测结果。所以收敛改善度p和资源损耗改善度q都是u(t)和v(t)的函数。即

p＝p(u(t)，v(t)) (5)

q＝q(u(t)，v(t)) (6)

定义联系p和q的联合检测参量

η(t)＝α·u(t)+(1-α)·v(t) (7)

其中，权值α和1-α反映了u(t)和v(t)参量在联合检测参量中的重要程度，在应用时根据实际需要设定。

设E[u(t)]＝u₀，E[v(t)]＝v₀，则设置固定的联合检测门限为

η₀＝α·u₀+(1-α)·v₀ (8)

该技术详细算法步骤可以分成五步。第一步：检测路由路径，确保建立无环路的LSP。首先沿出口LSR向其上游的LSR发送包含特殊标识的分组，沿途的每个LSR记录标识，并向其上游转发。当该检测分组顺利到达FEC的入口LSR时，说明该路由路径不存在回路。这时，沿入口向下游的LSR发送ACK确认消息，当出口LSR收到确认消息以后，开始启动LDP建立不含回路的标记交换路径。

第二步：如果已建立的标记交换路径的路由发生变动，那么发生路由变动的LSR将启动路由环路检测进程。该路由器通过查询自己的路由变动和环路产生情况的历史记录，从而了解到当前的环路出现概率v(t)。通过网络资源查询，确定当前网络的可用资源情况u(t)，从而确定检测参量η的值。

第三步：根据判决结果，分两种情况启动检测进程。

(a)如果η＞η₀，启动双向环路检测法，沿着路由变动的方向向下游和上游节点同时发送含特殊标识的分组，沿途的LSR记录标识后，向自己的上游或下游转发。

(b)如果η＜η₀，启动单向环路检测法，沿着路由变动的方向上游节点发送含特殊标识的分组，沿途的LSR记录标识后，向自己的上游转发。

第四步：环路判定。

(a)如果某一LSR发现了包含某特殊标识的分组重新收到，则认为存在环路。

(b)如果所有的入口LSR都收到检测分组，则证明不存在环路，于是启动LSP的建立过程。

第五步：启动该算法的LSR如果得到了LSP建立的消息，则认为的刚才启动的进程没有检测到环路的存在，否则，认为存在环路。然后，修正其环路出现概率的记录。回到第二步。

本技术的完整算法流程图如图1所示。

可以看出，通过联合检测门限的合理设定，能够使环路预防算法达到最优。如果网络资源充裕时，采用双向检测机制，尽量提高环路检测效率，如果网络资源不足时，则尽量减少对网络资源的占用。同时，根据网络状态变动的相关性，充分利用过去环路检测的经验，赋予算法以学习的能力，按照推算出来的当前环路出现的概率，自适应的调整检测参量。该算法比传统的路径向量/扩散算法和着色算法具有更广泛的适应性和灵活性。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本技术首次提出了应用双向检测分组进行环路预防控制的方法，在此之前，无论是路径向量/扩散方法还是IETF MPLS工作组所提出的着色线程方法，都是采用了沿某一方向逐次推进的环路发现策略。双向检测分组的概念新颖实用，使进行路预防时环路发现时间有可能大大缩短，从而使该技术较其它技术具有更快的收敛性。

(2)传统的技术都是静态的，对于不同路由变动情况和当前网络资源状况都采用了相同的环路预防策略。本技术则能够根据不同的情况来权衡达到环路预防最佳目标和所付出代价之间的关系，通过检测门限的合理设定，使实施的方法尽可能达到最优。

(3)本文通过对路由变动规律的深入考察和分析，创造性的提出了可以利用过去环路检测的经验，并给出了具体的方法，这也为使用经典的或现代的预测手段提供了可能，这是其它技术所不具备的。

下面结合附图详细描述本发明的一个实施例。

图2为仿真路由结构图。

图3为不同η值的收敛时间。

图4为不同η值的资源消耗。

如图2所示，R1、R5、R8、R13为MPLS域的入口LSR，R11为出口LSR，R4为R3的下一跳LSR。仿真过程中假定R3和R4之间的链路发生故障，R3的下一跳LSR将变为R14。而R14的下一跳路由器为R12，R13，R15，R16，且几率相等，这些可能的路由情况在图中用虚线表示。

从图中可以看出，R3的下一跳路由变动时，出现环路的情况为R3-R14-R12-R1-R2-R3、R3-R14-R13-R1-R2-R3或R3-R14-R16-R13-R1-R2-R3，不出现环路的情况为R3-R14-R15-R4-R11。

仿真开始时，首先启动LSP的初始化过程。出口路由器R11向上游发送检测分组，入口路由器R1、R5、R8和R13收到后，回送确认消息，当R11收到确认消息后，启动标记的分配过程，建立如如实线相连接的LSP。其实，本算法不受LSP建立过程的约束，可以使用目前MPLS工作组的任何LSP建立过程建立，如也可以采取入口路由器向下游分配标记的方法。

接下来我们假设R3与R4之间的链路连接发生故障，于是R8的下一跳路由转向R14。当R3检测到路由变化时，启动环路检测算法。从图中我们可以看到，当环路检测次数足够多时，环路出现概率将趋向于为75％。假设资源的平均充裕度为60％，加权系数为0.5，那么检测门限η₀＝0.5*0.75+0.5*0.6＝0.675。当η＞0.675时，使用双向检测分组法，否则使用单向分组检测法。在仿真过程中，收敛时间用检测到环路所需的跳数来表示，资源占用启动本算法的LSR所发送的检测分组个数来表示。图3和图4分别列出了不同η的情况下，采用本算法所得到的平均网络资源的消耗和平均收敛收敛时间。

可以计算出，使用路径向量/扩散算法的平均收敛时间和资源消耗将等同于使用本算法在η＜η₀时的情况。在网络资源相对紧张，环路出现概率相对比较低的情况下，本算法并不多消耗网络资源。而在网络资源空余较多，环路出现概率大的情况下，相对于路径向量/扩散算法检测效率提高了78％，虽然资源消耗也增加了33％，但此时网络资源充裕，所以这点有限的资源消耗是值得的。

Claims

1.一种简单的自适应快收敛的标记交换路径(LSP)环路预防技术，其特征在于包括以下步骤：

(a)根据资源的充裕程度和环路可能的出现概率；

(b)定义联合检测门限；

(c)判定是进行双向检测机制还是进行单向检测机制；

(d)自适应地调整检测参量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的资源的充裕程度u(t)可以表示为

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的环路可能的出现概率v(t)可以表示为

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的联合检测参量n(t)可以表示为η(t)＝α·u(t)+(1-α)·v(t)。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于设置固定的联合检测门限为η₀＝α·u₀+(1-α)·v₀。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，判定进行双向检测机制还是单向检测机制的步骤包括：如果η＞η₀，启动双向环路检测法，沿着路由变动的方向向下游和上游节点同时发送含特殊标识的分组，沿途的标记交换路由器(LSR)记录标识后，向自己的上游或下游转发，如果η＜η₀，启动单向环路检测法，沿着路由变动的方向向上游节点发送含特殊标识的分组，沿途的标记交换路由器(LSR)记录标识后，向自己的上游转发。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，自适应调整检测参量的原则是：将平均收敛时间和资源消耗状况共同作为衡量环路预防算法优劣的标准。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为确保建立无环路的标记交换路径(LSP)，首先沿出口标记交换路由器(LSR)向其上游的标记交换路由器(LSR)发送包含特殊标识的分组，沿途的每个标记交换路由器(LSR)记录标识，并向其上游转发。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果某一标记交换路由器(LSR)发现了包含某特殊标识的分组重新收到，则认为存在环路，如果所有的入口标记交换路由器(LSR)都收到检测分组，则证明不存在环路，于是启动标记交换路径(LSP)的建立过程。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，启动该算法的标记交换路由器(LSR)如果得到了标记交换路径(LSP)建立的消息，则认为刚才启动的进程没有检测到环路的存在，否则，认为存在环路。