TWI240518B - System using label switching techniques to support QoS for mobile ad-hoc networks and its label distributing and switching method - Google Patents

Description

1240518 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於行動隨意網路之技術領域，尤指一種適 用於利用標籤交換技術支援行動隨意網路的服務品質之系 5 統及其標藏分佈與交換方法。 【先前技術】 按，無線網路架構主要可分類成基礎建設型 (infrastructure)網路和行動隨意 Ad-hoc Network， 10 MANET)兩類。其中，基礎建設塑網路是在有線骨幹網路末 端設置存取點（Access Point，AP)，行動主機（Mobile Node， MN)利用這些AP可以連結有線骨幹網路，進行資訊通訊’ 無線通訊僅發生於AP與MN之間，其缺點是AP的架設並 不普遍。而行動隨意型網路則不用有線的骨幹網路，沒有 15 AP的支援，MN利用無線網路介面彼此通訊，然而無線網 路介面通訊範圍有限，因此MN之間的通訊有時也需經由其 他中繼的MN來轉送代傳。而根據研究報告所預測，未來的 網路將廣泛使用行動隨意型網路。此外，有鑑於多媒體傳輸 的需求快速增加，未來服務品質控制（Quality of Services， 20 Q〇S)的需求也會出現在行動隨意型網路，以便在此網路和有 線的網際網路（Internet)之間提供端對端（end-to-end)的QoS 保證。但是行動隨意型網路在做路由（routing)時，網路拓撲 (network topology)會因為MN移動而隨時變換，要維持建好 的路由路徑（routing path)進而提供QoS保證其實並不容 1240518 易，所以，行動隨意型網路中負責轉送代傳的MN希望是低 速移動者或是極少移動的半固定節點。 未來 QoS 的支援將傾向藉由差異式服務 (Differentiated Services，DiffServ)來達成，為 了利於達到 5 DiffServ的QoS，大多數研究採用在資料鏈結層（data link layer)加入以標籤（Label)交換為主的多協定標籤交換 (Multi-Protocol Label Switch，MPLS)，藉由建立連線導向的 資料連線，支援與QoS相關的頻寬保留與管理機制。 MPLS 是由 IETF(Internet Engineering Task Force)所提 10出來的新一代IP交換技術，主要是整合標籤交換（Label Swapping)和網路層路由（IP R〇uting)，以用來提昇網路層路 由的效能、網路層的擴充性以及新增路由服務（Routing Services)的便利性，並且能夠支援服務品質控制服務。完整 的MPLS網路是由許多差異服務領域（Differentiated Service 15 Domain ’ DS領域）所建構而成，如圖1所示，每一個ds領 域是由數個標籤交換路由器（Label Switching Router，LSR) 和標籤邊緣路由器（Label Edge Router，LER)所架構出來 的。LSR係負責％帶有標籤（label)的封包進行標籤交換，LER 則可為進入節點（Ingress n〇(je)或連出節點（Egress node)，分 20別放置於MPLS之ds領域的入口處及出口處，當發生信號 路徑的建立或拆建時，LER需要負責IP封包和標籤間的轉 換。若LER為進入節點，則負責將資料封包作分類、監督 管理資料封包、執行連線許可控制、以及和相鄰的DS領域 互動。若LER為連出節點，則負責將資料封包的標籤拿掉。 1240518 當MPLS網路内要傳送資料封包時，會使用標籤分佈協定 (Label Distribution Protocol，LDP)沿路由路徑（Routed Path) 來分佈路由和標籤的對映給LSR，而整條信號路徑就變成一 條專用的標藏交換路徑（LSP)。 5 MPLS協定的優點係在於可在相鄰路由器（router)之間 利用快速且簡易的標籤交換（Label Switch)取代慢而複雜的 IP路由，並且可以輕易地支援各項QoS。雖然目前MPLS在有 線骨幹網路上，已經有相當明確的方法去支援DiffServ的 QoS控制機制，然而，對於行動隨意型網路，由於其是一種 10 廣播式網路，許多MNs會分享一個無線電頻道，而無使用實 體線路連接，因此，MPLS協定在行動隨意型網路中，必需 用MAC位址來對應路由用的標藏，造成原本MPLS協定在有 線網路上所使用的標籤分佈及交換（Label distribution and switching)方法並不適用，然目前在行動隨意型網路中仍然 15 缺乏明確可行的標籤指定方法與QoS控制機制，而隨著行動 隨意型網路之普及，此種需求實有其急迫性。 【發明内容】 本發明之一目的係在提供一種利用標籤交換技術支援 20 行動隨意網路的服務品質之系統及其標籤分佈與交換方 法，俾能將MPLS應用在行動隨意網路中。 本發明之另一目的係在提供一種利用標籤交換技術支 援行動隨意網路的服務品質之系統及其標籤分佈與交換方 法，其可在行動隨意網路中之預設的虛擬骨幹網路上建 1240518 立MPLS随道，而提昇在行動隨意網路傳輸效率、分 享頻寬、及提供經過此隧道之連線服務品質的控 制’並可解決斷線容忍之問題。 依據本發明之—特色，係提出__用標籤交換技術支 援行動隨意網路的服務品質之系統，其包括有多數叢集，每 叢集包3夕數行動節點（Mobile Node, MN)，於每一個叢隽 之行動節點中，至少有—路由代理者（Agent)，且在每一: 叢集之路由代理者中，有一個核心路由代理者（Core)，盆 10 中，每-個核心路由代理者可取得一個唯一的種子數，以產 生其標籤為L=f(S，i，j) = Sx3ix2j，當中，s代表該核心 路由代理者所取得唯子數，為—個除了如外之獨一 無二的質數’冰表不同類別的標籤交換路徑（LSP)，而j代表 同類別但不同編號的Lsp。本發明中之—標藏指派係採 15 用單一標籤’也就是說’任— Lsp只使用上述所產生的單一 才示臧來作路由（routing)。 依據本發明之另—特色，係提出—種在行動隨意網路中 之標籤分佈及交換方法，其包括—種子數產生步驟及_標鐵 f生步驟’於種子數產生步財，每-個核^路由代理者取 付一個唯一的種子數，於標籤產生步驟中，核心路由代理者 2〇產生其標籤為L==f(s，i，」·卜Sx3ix2j，當中，§代表該核 心路由代理所取得的—個除了2及3外數，i 代表不同類別的Lsp，而」·代表同一類別但不同編號的咖。 【實施方式】 1240518 為能讓貴審查委員能更瞭解本發明之技術内容，特舉 一較佳具體實施例說明如下。 有關本發明之利用標籤交換技術支援行動隨意網路的 服務品質之系統與方法，請先參照圖2所示之系統架構圖， 5 其中，所有行動隨意網路的行動節點20 (Mobile Node，MN) 形成為若干叢集21 (cluster)，每一個叢集21之節點20中， 會有至少一個路由代理者22(routing agent)，且在每一個叢 集21之路由代理者22中，會選定一個核心路由代理者 23(core routing agent)，核心路由代理者23的選定可以是靜 10 態的指派，也可以是在路由代理者22之間動態選取，在本 發明中，係以靜態指派行動較慢或半固定的路由代理者22 為核心路由代理者23。 以前述之階層式架構之行動隨意網路（MANET)，核心 路由代理者23與相鄰之核心路由代理者23之間的連線可視 15 為MANET的主幹（backbone)連線，而叢集21内的路由代理 者22與核心路由代理者23之間的連線則可視為MANET的 存取網路（access network)，所有在叢集11内的路由代理者 12都可以經由核心路由代理者23將資料流匯入主幹連線， 轉送到其他叢集11。 20 為在前述之階層式MANET中藉由分佈路由和標籤的 對映以建立標籤交換路徑（LSP)，本發明係以核心路由代理 者23作為低階標籤管理者（L〇w-Level Label Manager ， LL-Manager)，並以外部網際網路之一路由器29作為高階標 戴官理者（High-Level Label Manager，HL-Manager)，其中， 1240518 每一個核心路由代理者23將利用向高階路由器29去取得一 個唯一的種子數（seed)，然後核心路由代理者23再利用一標 籤產生函數（label generating function)來產生標簸’此標籤產 生函數如下所示： 5 Label = f(seed5 i5 j) = seedx3!x2J ^ 其中，seed代表核心路由代理者23向高階路由器29所取得的一 個除了 2及3外之獨一無二的質數，i代表不同類別的LSP，其中： i=〇代表依需求資料LSP (0DD-LSP)， i=l代表預先建立之核心路由代理者與路由代理者間 10 的 S_LSP (Pre-constructed core to agent S-LSP)， i=2代表預先建立之核心路由代理者與相鄰核心路由 代理者間的 S-LSP (Pre-constructed core to core S-LSP for neighboring cores)， i=3代表預先建立之核心路由代理者與不相鄰核心路 15 由代理者間的 S_LSP(Pre-constructed core to core S-LSP for non-neighboring cores) y i—4代表預先建立之主幹資料LSP (Pre-constructed BD-LSP)， 而j代表同一類別但不同編號的LSP。在輸入seed、i、j到標籤產生函 20數後’函數輸出就是核心路由代理者23所產生的標籤值。例如，如 果seed為5，i為2，j為0，經過標籤產生函數的運算後，所產生的 標籤為 5*32*2G=45。 由上述之標籤產生函數可知，如果輸入值中之seed、 i、j其中有一值不同，則產生的輸出值就一定不會相同。而 11 1240518 因為每一個核心路由代理者23都將由高階路由器29配予一 唯一的seed，因此不同的核心路由代理者23將產生不同的 標籤空間（label space)，所以標籤產生函數利用質數所產生 的標籤可保證不會重複，也可藉由seed與i值而辨別出不同 5 核心路由代理者23所產生不同用途的LSP，而能根據不同 LSP提供不同的Q〇S。 藉由前述之標籤分佈機制，可在MANET中預先建立 LSP 隧道，亦即建立 P-LSP (Pre-constructed LSP)。依照用 途可將P-LSP分為訊號LSP (Signal LSP，S-LSP)以及主幹 10 資料 LSP (Backbone Data LSP，BD-LSP)，其中，S-LSP 分 別會在核心路由代理者23與路由代理者22、以及核心路由 代理者23與核心路由代理者23之間預先建立，以當有行動 節點20向其路由代理者22提出依需求（On-demand)連線要 求的信號封包時，路由代理者22會利用其與路由代理者22 15 之間所建立的S-LSP快速地將此信號封包送至核心路由代 理者23，當核心路由代理者23收到此包含On-demand連線 要求的信號封包時，如果核心路由代理者23不曉得目的端 的位置，則核心路由代理者23會利用與相鄰核心路由代理 者23所建的S-LSP，而快速向相鄰核心路由代理者23提出 20 找尋目的端之要求，並進一步建立依需求資料 LSP(On-demand Data LSP，ODD-LSP)，供稍後資料封包轉 送（forwarding)所用。而BD-LSP主要在核心路由代理者23 與核心路由代理者23之間預先建立，所有的資料封包如果 必需在核心路由代理者23與核心路由代理者23之間轉送， 12 1240518 都將利用BD-LSP來做隧道（tunneling)的動作。 圖3說明建立核心路由代理者c與路由代理者a之間 的S-LSP，對於核心路由代理者c到路由代理者a之η” 2 ’核心路由代理者c首絲得__種子數s=5，然後利用 “戴產生函數決定標籤L=Sx3ix2j=5x3lx2()=i5，此標藏 10 15 20 將分佈在由核心路由代理者c到路由代理者A之路徑上（此 =中為對於由路錢理者A到核心路由代理 C之S LSP而5 ’由於先前已有-正向LSP(j = 〇)，因此， =反向LSP之j值需與正向Lsp之』值不同，假設其為卜 :用標籤產生函數決定標籤L= S齡5χ3ιχ2丨，，而此桿 :l:30將分佈在由路由代理者入到核心路由代理者c之反 :路控上（A4M —〇’藉由前述標籤分佈，可依MpLs規則 建立核心路由代理者〇與路由代理者A之間的MSP，亦 ^在核㈣由代理者點m、與路由代理者八分 建立MAC位址與標籤的對應表。 圖4說明建立核心路由代理者c與相鄰核心路由代理 ^之間的S-LSP，對於核心路由代理者c到核心路由代理 :用二Γ，核心路由代理者C取得-種子數s=5,然後 ^鐵產生函數決定標鐵卜= 5χ32χ2ΰ = 4 5。而對於 由代到核心路由代理者。之咖，核心路 標籀i= i取:—f子數S=7,然後利用標籤產生函數決定 規列建立8Γχ2 7x3 x2 ==63,藉由前述標籤分佈，可依mpls 現貝i建立核心路由代理去 ⑷P，亦即，在核心路由代理者核；;路由代理者D之間的 代里者C與核心路由代理者D分 13 1240518 :別建立MAC位址與標籤的對應表。 而核。路由代理者23與不相鄰核 間的S-LSP之# ☆在咖乂丄 吩街代理肴23之 路由代理者D之間的S_LSP之建立相當’ :^核: 由代理者23與核心路由代 -而核心路 版此、+，从 n理者23之間的bd_lsp之建立係 一刖述核心路由代理者C與相鄰核心路由代 ’、 MSP之建立相當，但i=4。 路由代理者D之間的 當行動節點20接屮w j , ± 杈出 On-demand 連線要求（c〇nnecti〇n ίο 15 equest)以要求建立__Lsp日寺，由於核心 :核心路由代理者23之間、以及核心路由 者3 代理者22間的s-LSP已經建立，故藉由該等s_Lsp、= ⑽_i〇n request由來源端之核心路由代理者傳到目的端 之核心路由代理去，彳隹％ m 士 進而同時建立正向及反向之Lgjp，其 中’對於正向LSP之建立，來源端之核心路由代理者取得 〇種子數S卜其利用標鐵產生函數所決定之標鐵為卜❿ 3 f，而對於反向Lsp之建立，目的端之核心路由代理者 取得種子數S2，其利用標籤產生函數戶斤決定之標 S2x3Gx2x+丨。 本發明中’由於可在預先建立BD-LSP上保留適當的 20頻，資源，俾利用此預先建立BD_LSp隨道其所預先保留的 頻寬，分享頻寬給所有經過此LSp隧道的〇DD_Lsp，進而 做到QoS保證。 除此之外，因為MANET的低可靠度，為了解決搜尋 最適頻寬的QoS路由問題和BD-LSp斷線的問題，可以在任 1240518 ^兩個核心路由代理者之間建立多條不同路徑覆置BUM (Duphcated P_Lsp)隨道，利_ MpLs協定中所定義的保留 (retention)极式’記錄所有可能路徑。藉此，可以首先啟用 、條最知:路徑BD-LSP隧道，並記錄所有覆置BD_Lsp隧 道，一旦MANET的網路拓撲呈現不敎時，原本的路由路 徑可能中斷，便可選擇-條覆置的BD-LSP，快速的替代原 的BD LSP ’藉此解決斷線容忍（fauit w⑽nce)的問題， 達到斷線快速重建的目的。然而，若當覆置的BD_Lsp根本不存 在或都斷掉了，則進行p_LSp重建。 ίο 15 20

路中支k QoS控制之階層式路由架構，由上述在每一叢 中的核心路由代理者和相鄰叢集中的核心、路由代理者間 連形成所明虛擬主幹（Vlrtual Backb〇ne)，然後利用Μρι

=籤堆疊的原理建立LSP㈣，讓原本在行動隨意網力 端點到端點的單層LSP訊息傳送，轉變成雙層Lsp心 傳輸的溝通方式(如圖2所示)，第-層係發送端之叢集路E 代理者地。路㈣理者（Agent t。c⑽)和接收端之核 由代理者1集路由代理者（c。則。Agent)、第二層係心 路由代理者外心路由代理者（c⑽t。c。叫之Lsp隨道。義 此發明特色可達到虛擬主幹網路頻寬分享的目的，並且可诗 少信號（signal)封包的數量以及降低傳送f料封细 packet)時的路由延遲，並可達到斷線快速重建的目的。 上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本 主張之權利範圍自應以f請專利範圍所述為準，而非僅限於 15 1240518 上述實施例。 【圖式簡單說明】 圖1顯示MPLS網路之一差異服務領域。 5 圖2顯示本發明之利用標籤交換技術支援行動隨意網路的服 務品質之系統的架構圖。 圖3顯示依據本發明以建立心路由代理者與路由代理者之 間的S-LSP之示意圖。 係本發明一較佳實施例之。 10 圖4顯示依據本發明以建立核 代理者之間的S-LSP之示意圖 心路由代理者與相鄰核心路由

【圖號說明】 (20)行動節點 15 (21)叢集 (22) 路由代理者 (23) 核心路由代理者 P9)路由器 16

Claims (1)

1240518 &、申請專利範圍： 1 · 一種利用標籤交換技術支援行動隨意網路的服務品 質j系統，包括有多數叢集，每一叢集包含多數行動節點， 於每一個叢集之行動節點中，至少有一路由代理者，且在每 一個叢集之路由代理者中，有一個核心路由代理者，其中， 每個核〜路由代理者可取得一個唯一的種子數，該種子數 為一質數用以產生標籤交換路徑（LSp)之標籤。 2·如申請專利範圍第丨項所述之系統，其中，該種子數 係經由下列運算產生標籤： L = f(S，i，j) = Sx3ix2j， 當中，S代表該核心路由代理者所取得的種子數，為一個除 了 2及3外之獨—無二的質數，i代表不同類別的標藏交換 路仏（LSP)，而j代表同—類別但不同編號的LSP。 15 20

、3·如中請專利範圍第2項所述之系統，其中，在核心路 由代理者與其路由代理者之間，由該核心路由代理者產生之 標籤卜抓2'’而預先建立有訊號LSP(S-LSP)。

、4.如申請專利範圍第3項所述之系统，其中，在兩相鄰 路由代理者之間，分別由該兩核心路由代理者產生之標 籤L=Sx32x2」，而預先建立有s_Lsp。 5. 如申請專利範圍第4項所述之系統，其中，在核心肖 :代理者與不相鄰核心路由代理者之間，分別由該兩核心路逢 代理者產生之標籤L=Sx33x2j，而預先建立有⑷卜 6. 如申請專利範圍第5項所述之系統，其中，在兩核心 路由代理者之間，分別由該兩核心路由代理者產生之標籤卜 17 1240518 Sx3 x2j ’而預先建立有主幹資料Lsp (BD_LSp)。 7·如申請專利範圍第6項所述之系統，其中，當行動 節點提出依需求連線要求（〇n_demand c〇nnecti〇n 以 要求建立依需求資料LSP (ODD-LSP)時，係藉由該等S-LSP 5而將連線要求由纟源之核心路由代理者傳至,j目的之核心路 由代理者，據以同時建立正向及反向之Lsp，當中，對於正 向之建立，來源之核^路由代理者所產生之標籤為L=S x3x2 @對於反向Lsp之建立，目的之核心、路由代理所產 生之標籤為L= 〇 10

8·如申請專利範圍第7項所述之系統，其t，在該予】 =建立BD-LSP上係保留有預定的頻寬資源，俾利用此預关 ^ BD-LSP随道其所預先保留的頻寬，而分享頻寬給所有 、、坐過此LSP隧道的〇dd-LSP。 那T明寻利乾圍第8項所述之系統，其 15個核心路由代理去> „, w 隧道。代理者之間係建立多條不同路徑之覆置BD-L 個以〇.如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，在每

20 卜广=路由代理者t所選定之核心路由代理者係為行 車乂丨又或+固定的路由代理者。 如巾請專利範圍第丨項所述之系統，其中，每一 好數代理者係向外部網際網路之—路由器取得該唯-, 中，在行動隨意網路中之標籤分佈及交換方法，： …丁動“網路包含多數叢集，每—叢集包含多數行， 18