基于IP FRR的MPLS快速重路由實(shí)現(xiàn)

李 駿，曹 敏

（1.武漢郵電科學(xué)研究院，湖北武漢 430074； 2.武漢烽火網(wǎng)絡(luò)有限責(zé)任公司，湖北武漢 430074）

0 引言

多協(xié)議標(biāo)簽交換技術(shù)[1](MPLS－Multiprotocol Label Switching)屬于第三代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，是新一代IP高速骨干網(wǎng)絡(luò)交換的標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在各大運(yùn)營(yíng)商用MPLS技術(shù)承載骨干網(wǎng)的VPN業(yè)務(wù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性有很高的要求，實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的恢復(fù)時(shí)間要求是50ms以內(nèi)，因此，滿足恢復(fù)時(shí)間要求的基于MPLS的故障恢復(fù)方法引起了人們的關(guān)注。

現(xiàn)有的MPLS故障恢復(fù)模型有很多，如Haskin[2]、Makam[3]等，基于這些模型，人們也提出了許多改進(jìn)，為了滿足恢復(fù)時(shí)間的要求，一般采用快速重路由方式進(jìn)行保護(hù)，即在故障之前建立備份路徑，故障發(fā)生時(shí)直接切換到備份路徑的保護(hù)方式，本地保護(hù)具有較短的故障發(fā)現(xiàn)時(shí)間，是理想的保護(hù)方式?；贚FA(Loop Free Alternate無(wú)環(huán))的IP FRR[4]的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)出臺(tái)了幾年，而IP FRR已經(jīng)被許多廠商實(shí)現(xiàn)，本文提出一種基于IP FRR的MPLS快速重路由簡(jiǎn)單軟件實(shí)現(xiàn)方法，有效地保護(hù)MPLS流量。詳細(xì)介紹了信令模塊——LDP[5]模塊和路由協(xié)議模塊以及MPLS模塊的交互和處理方式，并對(duì)典型的MPLS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)測(cè)試，以驗(yàn)證該實(shí)現(xiàn)的可行性。

1 功能模塊結(jié)構(gòu)圖

圖1 系統(tǒng)模塊間關(guān)系圖

圖1所示為組成系統(tǒng)的各模塊之間關(guān)系圖。

(1)路由模塊即實(shí)現(xiàn)路由協(xié)議功能的模塊，該模塊實(shí)現(xiàn)了IP FRR功能，在計(jì)算主用路由的同時(shí)，還會(huì)根據(jù)LFA計(jì)算該路由的備份路由；根據(jù)不同的實(shí)現(xiàn)，使能了IP FRR的路由模塊通告的路由信息可能有兩類，一類是路由信息中有專門標(biāo)識(shí)主用路由和備用路由的標(biāo)志(例如專門設(shè)置標(biāo)志位，表明通告的是主用路由還是備用路由)，另一類是沒(méi)有專門標(biāo)志的(例如主用和備用路由通過(guò)cost路由屬性區(qū)分，cost即開銷，開銷小的為主用，開銷大的為備用)，本文的實(shí)現(xiàn)基于第二類路由信息，信息主要包括目的網(wǎng)段D，下一跳NH，出接口I和開銷C。

(2)LDP模塊，LDP協(xié)議是MPLS的信令協(xié)議，管理標(biāo)簽的分發(fā)與回收，LDP模塊實(shí)現(xiàn)LDP協(xié)議的功能，標(biāo)簽信息主要有FEC(轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)類，在本文中指路由協(xié)議中的目的網(wǎng)段)，入標(biāo)簽IN和出標(biāo)簽OUT，下一跳NH’,出接口I’，本文中LDP模塊工作于自由標(biāo)簽保留模式。

(3)MPLS模塊，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽交換的模塊，根據(jù)LDP模塊通告的標(biāo)簽信息，生成轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)，主要表項(xiàng)有ILM、NHLFE、FTN[6]。

(4)故障檢測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)故障的功能，本文使用BFD(雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測(cè))，故障信息主要包括故障接口。

2 原理與設(shè)計(jì)方案

本文中MPLS的重路由路徑與IP FRR的路徑是完全相同的，所以保護(hù)性能和IP FRR一樣。

如圖2所示，交換機(jī)A到達(dá)3.3.3.3有兩條路由，下一跳分別為10.1.1.2和10.1.2.2，設(shè)前者cost為5后者為10，則前者為主用路由后者為備用。LDP模塊工作于自由標(biāo)簽保留模式，因此，交換機(jī)A既保留C發(fā)送的關(guān)于3.3.3.3的標(biāo)簽L1也會(huì)保留B發(fā)送的關(guān)于3.3.3.3的標(biāo)簽L2，按照之后描述的LDP模塊和MPLS模塊處理方式，LDP模塊會(huì)把標(biāo)簽信息通告給MPLS模塊，使得MPLS模塊使用L1作為主用標(biāo)簽，L2為備用(C是主用路由的下一跳，B是備用路由的下一跳)。故障前使用L1轉(zhuǎn)發(fā)，故障后，MPLS收到BFD模塊的故障通告，使用L2轉(zhuǎn)發(fā)MPLS流量到B，B發(fā)現(xiàn)是自己為3.3.3.3分配的標(biāo)簽L2，按照從B到C的主LSP進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，故障恢復(fù)后，LDP模塊根據(jù)路由模塊的通告決定繼續(xù)使用L2作為主用標(biāo)簽，還是使用新的標(biāo)簽。

2.1 LDP模塊的擴(kuò)展設(shè)計(jì)

LDP模塊只需擴(kuò)展與路由模塊的接口(在下面介紹)和與故障檢測(cè)模塊的接口(接收故障消息即可)，其它的協(xié)議流程處理，如會(huì)話建立和標(biāo)簽分配不變。

路由協(xié)議模塊通告的路由信息要么是添加路由信息，要么是刪除路由信息，主備通過(guò)路由信息里的cost字段區(qū)分，cost小為主用，cost大為備用，所以LDP模塊跟路由協(xié)議模塊的交互由對(duì)路由添加和路由刪除這兩種事件的處理來(lái)描述。路由協(xié)議通告路由消息有5種情況(D表示某個(gè)目的網(wǎng)段)：

(1)之前沒(méi)有通告過(guò)關(guān)于D的路由添加消息，現(xiàn)在通告關(guān)于D的路由添加消息給LDP模塊；

(2)在通告關(guān)于D的路由刪除消息前，LDP模塊中只有一條關(guān)于D的路由記錄，現(xiàn)在通告關(guān)于D的路由刪除消息；

(3)主用和備用路由已經(jīng)通告，現(xiàn)在通告關(guān)于D的備份路由刪除消息，然后再通告關(guān)于D的備份路由添加消息；

(4)主用和備用路由已經(jīng)通告，現(xiàn)在通告關(guān)于D的主用路由刪除消息，然后再通告關(guān)于D的主用路由添加消息；

(5)主用和備用路由已經(jīng)通告，現(xiàn)在通告關(guān)于D的主用路由刪除消息，然后再通告關(guān)于D的備用路由添加消息。

這里的主備并沒(méi)有標(biāo)識(shí)，只通過(guò)cost值區(qū)分。

上面的這5種情況是在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓淖兊那闆r下，使能IP FRR的路由協(xié)議根據(jù)計(jì)算得到主備路由并通告給LDP模塊的情況，根據(jù)這些情況，設(shè)計(jì)出LDP模塊對(duì)路由添加和路由刪除事件處理流程圖如下，圖3和圖4分別為路由添加消息和刪除消息的處理流程(這兩個(gè)流程圖可以正確處理上述的5種情況)：

(1)FEC_RT變量記錄了與FEC相關(guān)的信息，包括路由信息和標(biāo)簽信息，route_list是FEC_RT變量中的一個(gè)鏈表頭，所有關(guān)于FEC的路由(主用和所有備用)信息，都存在該表中，鏈表根據(jù)路由信息中的cost屬性從小到大排序(路由協(xié)議可能會(huì)通告若干關(guān)于某個(gè)目的網(wǎng)段但cost相等的路由，即ECMP，這時(shí)，需要選擇鏈表添加方式，使得若鏈表中存在某個(gè)cost值的表項(xiàng)，新加的cost值相同的表項(xiàng)在原來(lái)表項(xiàng)的后面)，這樣，主用路由總是為鏈表頭結(jié)點(diǎn);

(2)FEC_RT-＞nexthop，指明主用路由的下一跳，每次收到路由添加或刪除消息時(shí)，若route_list的頭結(jié)點(diǎn)發(fā)生變化，則修改該值以保證該值為當(dāng)前主用路由的下一跳，發(fā)生故障時(shí)，該值在LDP的標(biāo)簽分發(fā)流程中會(huì)被用到(可參見(jiàn)RFC5036中的A.1.1，A.1.2等)，F(xiàn)EC_RT-＞if_unit是對(duì)應(yīng)于nexthop的出接口，它與nexthop同時(shí)修改，故障時(shí)，BFD模塊發(fā)送故障通告，包含接口信息，對(duì)于某個(gè)FEC_RT，若if_unit等于通告的值，則該FEC_RT的route_list的頭結(jié)點(diǎn)被加入到鏈表尾，第二的節(jié)點(diǎn)成為頭結(jié)點(diǎn)，這一點(diǎn)與之后描述的MPLS模塊中的處理方式對(duì)應(yīng);

(3)記錄被添加到FEC_RT-＞ need_label_from_peer鏈表中，添加記錄是應(yīng)對(duì)收到路由添加通告時(shí)，還沒(méi)有收到對(duì)應(yīng)peer關(guān)于FEC的標(biāo)簽的情況，當(dāng)收到某個(gè)peer的標(biāo)簽信息時(shí)，查找記錄，記錄存在，則封裝標(biāo)簽信息通告MPLS模塊，并刪除該記錄，在收到peer的標(biāo)簽信息之前，如果收到路由模塊的相應(yīng)路由刪除消息時(shí)也刪除該記錄。

流程圖中一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

(1)FEC_RT變量的結(jié)構(gòu)類型

sLdpFecRt{

PREFIX route; //路由消息中的目的網(wǎng)段

SOCK_IN_ADDR nexthop; //主用路由的下一跳

UINT4 if_unit; //主用路由的出接口

struct sLdpLblMap *local_label_map; //本地分配的標(biāo)簽

struct tree remoteLblMapAvl; //peers為該FEC分配的標(biāo)簽

struct list route_list; //路由信息鏈表

struct list need_label_from_peer; //需要來(lái)自peer的標(biāo)簽記錄鏈表

}tLdpFecRt;

(2) route_list中的節(jié)點(diǎn)

sLdpFecRouteInfo{

SOCK_IN_ADDR nexthop; //路由信息中的下一跳

UINT4 if_unit; //路由信息中的出接口

UINT4 cost； //路由信息中的開銷屬性

struct sLdpLblMap * label_map; //nexthop對(duì)應(yīng)peer分配的標(biāo)簽

}；

(3)封裝的標(biāo)簽信息

sLdpLabelInfo{

PREFIX route; //目的網(wǎng)段即FEC

SOCK_IN_ADDR nexthop; //標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的下一跳

UINT4 if_unit；//標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的出接口

UINT4 cost； //路由信息中的開銷屬性

struct sLdpLblMap * inlabel; //本地分配的標(biāo)簽

struct sLdpLblMap * outlabel; //peer分配的標(biāo)簽

};

2.2 MPLS模塊的擴(kuò)展設(shè)計(jì)

MPLS模塊原來(lái)的表項(xiàng)是，一個(gè)ILM對(duì)應(yīng)一個(gè)NHLFE，表項(xiàng)通過(guò)處理LDP模塊通告的標(biāo)簽信息得到，擴(kuò)展支持快速重路由可以仿照LDP模塊中的route_list方式，即一個(gè)ILM對(duì)應(yīng)一個(gè)NHLFE鏈表，在NHLFE中添加cost字段保存sLdpLabelInfo中的cost信息，鏈表按cost值從小到大排序，對(duì)于ECMP也采用LDP模塊中的處理方式，減少路勁切換，主用轉(zhuǎn)發(fā)條目始終為鏈表的頭結(jié)點(diǎn)，這樣，當(dāng)一個(gè)打了標(biāo)簽的MPLS包送到MPLS模塊，根據(jù)標(biāo)簽找到ILM表項(xiàng)，ILM表項(xiàng)對(duì)應(yīng)一個(gè)NHLFE鏈表，使用這個(gè)鏈表的頭節(jié)點(diǎn)指示的方式進(jìn)行標(biāo)簽操作(交換標(biāo)簽、壓入標(biāo)簽)，然后繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)。

當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，BFD模塊通告故障信息給MPLS模塊，信息中包含故障對(duì)應(yīng)的接口，所有以該接口為出接口的主用NHLFE將被替換，替換方式是把主用NHLFE加入到NHLFE鏈表的尾部，原來(lái)的第二個(gè)表節(jié)點(diǎn)自動(dòng)成為頭結(jié)點(diǎn)，作為主用轉(zhuǎn)發(fā)條目。為了降低故障恢復(fù)時(shí)間，需要為每一個(gè)接口建立一個(gè)鏈表，主用NHLFE條目的出接口是該接口的條目所在的鏈表頭(route_list)作為該鏈表的節(jié)點(diǎn)，這樣，發(fā)生故障時(shí)，不用遍歷所有的NHLFE鏈表，只用對(duì)該故障對(duì)應(yīng)接口的鏈表中的每一個(gè)route_list做替換即可，減少完成所有替換的時(shí)間，從而減少故障恢復(fù)時(shí)間。

MPLS模塊收到刪除的標(biāo)簽信息時(shí)，根據(jù)route和nexthop兩個(gè)字段即可找到NHLFE節(jié)點(diǎn)，刪除即可。

3 驗(yàn)證

圖5為測(cè)試用拓?fù)鋱D，A、B、C為交換機(jī)，接口配置在圖上標(biāo)明，儀表從I1接口發(fā)送不帶MPLS標(biāo)簽的流量，經(jīng)過(guò)中間的環(huán)形MPLS網(wǎng)絡(luò)，由I2接口接收，發(fā)流的速率為100Mbps，包長(zhǎng)為1024Bytes。測(cè)試時(shí)，在交換機(jī)A上經(jīng)過(guò)路由協(xié)議計(jì)算，得到到達(dá)接口I2的主用路由下一跳是C，備用路由下一跳為B，拔掉AC之間的網(wǎng)線以模擬故障，在此期間，儀表統(tǒng)計(jì)得到的丟包數(shù)為728個(gè)，之后重復(fù)測(cè)試5次得到的丟包數(shù)為688、701、715、734、690。下面估計(jì)一下故障恢復(fù)時(shí)間：

發(fā)包速率為100Mbps/1024Bytes = 12800Packets/s，那么每10ms應(yīng)該發(fā)送128個(gè)包，計(jì)算6次測(cè)試的平均丟包數(shù)為709，709/128的值在5和6之間，即恢復(fù)時(shí)間在50ms到60ms之間。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了一種基于IP FRR的MPLS快速重路由的軟件實(shí)現(xiàn)方法，以流程圖的方式說(shuō)明了LDP模塊對(duì)路由消息的處理過(guò)程，給出了關(guān)鍵表節(jié)點(diǎn)的定義，給出以鏈表來(lái)組織MPLS的轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)的思路，最后組網(wǎng)驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的可行性，結(jié)果表明MPLS流只中斷了50ms到60ms，該設(shè)計(jì)具有故障恢復(fù)功能，對(duì)實(shí)現(xiàn)基于IP FRR的MPLS快速重路由有一定參考價(jià)值。

[1] 華為3com公司.網(wǎng)絡(luò)之路N03MPLS技術(shù)?？痆DB/OL].

[2] D. Haskin，R.Krishnan. A Method for Setting an Alternative Label Switched Paths to Handle Fast Reroute. draft-haskin-mpls-fast-reroute-05.txt，2000.

[3] S. Makam，V.Sharma，et al. Protection/Restoration of MPLS Networks. draft-makam-mplsprotection-00.txt，1999.

[4] A. Atlas，A. Zinin. Basic Specification for IP Fast Reroute： Loop-Free Alternates[S]. RFC5286，2008.

[5] L. Andersson , I. Minei, B. Thomas. LDP Specification[S]. RFC 5036，2007.

[6] E. Rosen，A. Viswanathan，R. Callon. Multiprotocol Label Switching Architecture[S].RFC 3031，2001.