融合環(huán)回和源路由的MPLS-TP網(wǎng)絡(luò)高效環(huán)保護(hù)方法

黃 盛，卓 越，金 鑫，任 智，張劍波,張 鵬

(1. 中國能源建設(shè)集團(tuán) 廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510663；2. 中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510623； 3. 重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

融合環(huán)回和源路由的MPLS-TP網(wǎng)絡(luò)高效環(huán)保護(hù)方法

黃 盛1，卓 越1，金 鑫2，任 智3，張劍波3,張 鵬3

(1. 中國能源建設(shè)集團(tuán) 廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510663；2. 中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510623； 3. 重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

環(huán)回和源路由是多協(xié)議標(biāo)簽交換-傳輸應(yīng)用(multi-protocol label switching transport profile，MPLS-TP)網(wǎng)絡(luò)環(huán)保護(hù)的2種基本方式，融合它們有利于減少丟包和降低數(shù)據(jù)時(shí)延。針對(duì)目前融合二者的方法在控制分組傳輸路徑和倒換時(shí)延方面存在冗余的問題，提出一種新的環(huán)保護(hù)方法—高效的環(huán)回和源路由網(wǎng)絡(luò)環(huán)保護(hù)(efficient wrapping and steering，EWAS)，通過精簡控制分組傳輸路徑消除路徑冗余，降低控制分組傳送開銷和倒換時(shí)延，并使中間節(jié)點(diǎn)自動(dòng)倒換數(shù)據(jù)傳送通路以減少數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)。理論分析驗(yàn)證了新方法的有效性，仿真結(jié)果顯示，與環(huán)回、源路由和環(huán)回和源路由網(wǎng)絡(luò)環(huán)保護(hù)(wrapping and steering，WAS)方法相比，EWAS的控制開銷和倒換時(shí)延分別降低20.55%和15.18%以上。

多協(xié)議標(biāo)簽交換-傳輸應(yīng)用(MPLS-TP)；環(huán)保護(hù)；環(huán)回；源路由；融合

0 引 言

多協(xié)議標(biāo)簽交換-傳輸應(yīng)用(multi-protocol label switching transport profile，MPLS-TP)[1-2]是從網(wǎng)絡(luò)間互聯(lián)協(xié)議/多協(xié)議標(biāo)簽交換(internation protocol/multi-protocol label switching，IP/MPLS)發(fā)展而來的一種較新的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，它加強(qiáng)了MPLS面向連接的標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)能力且具有確定的端到端傳送路徑，在建立路由時(shí)不依賴基于IP地址的逐跳轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制和控制平面，從而增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)和操作維護(hù)管理(operation administration and maintenance，OAM)能力，目前受到越來越多的關(guān)注。近年來，國內(nèi)的電信、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域紛紛部署面向IP業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)分組傳送網(wǎng)(packet transport network,PTN)[3-4]，MPLS-TP即為其中一種主流技術(shù)[5]。

環(huán)保護(hù)是MPLS-TP網(wǎng)絡(luò)中一種應(yīng)用廣泛的基本保護(hù)機(jī)制[6-7]，它的主要思路是基于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋺?yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸發(fā)生的故障。環(huán)回(wrapping)和源路由(steering)是MPLS-TP網(wǎng)絡(luò)環(huán)保護(hù)的2種基本方式[8]，它們分別具有操作簡捷和路徑優(yōu)化的優(yōu)點(diǎn)，因此，近來出現(xiàn)了融合二者以集中優(yōu)點(diǎn)的思路[9-10]。但我們通過深入研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有融合環(huán)回和源路由的環(huán)保護(hù)方法在控制分組傳輸路徑和倒換時(shí)延方面存在冗余，為此，提出一種高效的環(huán)保護(hù)新方法，消除上述冗余，降低控制分組開銷和倒換時(shí)延。

1 相關(guān)研究

作為MPLS-TP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的2種基本保護(hù)方法，環(huán)回和源路由能夠在環(huán)網(wǎng)中出現(xiàn)故障時(shí)恢復(fù)業(yè)務(wù)的傳輸[8,11]，如圖1所示。環(huán)回方法的基本思路是故障鏈路或節(jié)點(diǎn)兩端的相鄰節(jié)點(diǎn)檢測到故障后先切換到保護(hù)通路上，然后沿保護(hù)通路向?qū)Ψ桨l(fā)送自動(dòng)保護(hù)切換(automatic protection switching，APS)消息,對(duì)端節(jié)點(diǎn)收到APS分組后也切換到保護(hù)通路上(見圖1a)；雖然倒換后的路徑通常不是最優(yōu)，但環(huán)回方法只需2個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行倒換，操作簡捷；另一種保護(hù)方法源路由的基本思路是故障鏈路或節(jié)點(diǎn)兩端的相鄰節(jié)點(diǎn)檢測到故障后先切換到保護(hù)通路上，然后沿保護(hù)通路向?qū)Ψ桨l(fā)送APS消息；有上、下環(huán)業(yè)務(wù)且業(yè)務(wù)通路受故障影響的節(jié)點(diǎn)收到APS分組后將業(yè)務(wù)從工作通路切換到保護(hù)通路上(見圖1b)。源路由方法能夠優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸路徑，但執(zhí)行倒換操作的節(jié)點(diǎn)相對(duì)較多。

圖1 基本環(huán)保護(hù)方法Fig.1 Basic ring protection method

近年來人們對(duì)環(huán)回和源路由2種方法開展了一些研究和改進(jìn)工作[9-10,12-13]。為了集中它們的優(yōu)點(diǎn)，文獻(xiàn)[9]提出一種融合它們的MPLS-TP網(wǎng)絡(luò)環(huán)保護(hù)機(jī)制—先環(huán)回再源路由(wrap then steer，WtS)；即在MPLS-TP 網(wǎng)絡(luò)的鏈路或節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障后，先執(zhí)行環(huán)回保護(hù)倒換，然后切換到源路由保護(hù)倒換；WtS雖然能夠減少丟包，但在融合環(huán)回和源路由方法方面做得稍顯簡單。文獻(xiàn)[10]為了集中環(huán)回方法丟包、失序少和源路由方法路徑優(yōu)化的優(yōu)點(diǎn)，提出了(wrapping and steering,WAS)環(huán)保護(hù)方法，該方法的原理為與故障點(diǎn)相鄰的節(jié)點(diǎn)檢測到故障后，先從工作通路倒換到保護(hù)通路，接著向故障點(diǎn)對(duì)端節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)APS分組，然后在保護(hù)通路上傳送受影響的數(shù)據(jù)分組；有上、下環(huán)業(yè)務(wù)且業(yè)務(wù)通路受故障影響的節(jié)點(diǎn)收到APS分組后將業(yè)務(wù)從工作通路切換到保護(hù)通路上，如圖2所示。

圖2 WAS保護(hù)方法Fig.2 WAS protection method

通過深入研究，我們發(fā)現(xiàn)融合環(huán)回和源路由的現(xiàn)有方法在控制分組傳輸路徑和倒換時(shí)延方面存在冗余，導(dǎo)致控制開銷和倒換時(shí)延不必要增加，為此在本文中提出了一種新的環(huán)保護(hù)方法加以解決。

2 EWAS方法

為解決現(xiàn)有融合環(huán)回和源路由的環(huán)保護(hù)方法在控制分組傳輸和倒換時(shí)延方面存在冗余的問題，提出一種新的環(huán)保護(hù)方法—高效的環(huán)回和源路由網(wǎng)絡(luò)環(huán)保護(hù)(efficient wrapping and steering，EWAS)，如圖3所示。

圖3 EWAS保護(hù)方法Fig.3 EWAS protection method

2.1 EWAS方法包含的新機(jī)制

EWAS方法包含以下2種新機(jī)制。

2.2.1 精簡控制分組傳輸路徑

在環(huán)保護(hù)過程中，現(xiàn)有融合方法將APS分組從故障處的一端通過環(huán)網(wǎng)傳送到另一端以通知相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行倒換。但我們通過深入研究發(fā)現(xiàn)，從業(yè)務(wù)出口節(jié)點(diǎn)到故障點(diǎn)下游節(jié)點(diǎn)的路徑(圖3中的ED)和從故障點(diǎn)下游節(jié)點(diǎn)到上游節(jié)點(diǎn)的路徑(圖3中的DC)上不會(huì)有需要保護(hù)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通過。因此，故障點(diǎn)下游節(jié)點(diǎn)不需要進(jìn)行通路倒換，于是無需通知；據(jù)此，提出了“精簡控制分組傳輸路徑”的新機(jī)制，在從業(yè)務(wù)出口節(jié)點(diǎn)到故障點(diǎn)下游節(jié)點(diǎn)的路徑上不再傳送APS分組，從而能夠減少控制分組轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)并降低倒換時(shí)延。

另一方面，現(xiàn)有融合方法規(guī)定故障處兩端的節(jié)點(diǎn)都要向?qū)Ψ桨l(fā)送APS分組，因而中間節(jié)點(diǎn)(圖3中的F，B)有可能會(huì)2次轉(zhuǎn)發(fā)通告同一故障的APS分組，造成冗余轉(zhuǎn)發(fā)。因此，EWAS的“精簡控制分組傳輸路徑”新機(jī)制對(duì)這個(gè)問題同樣設(shè)計(jì)了解決方法，具體為中間節(jié)點(diǎn)收到通告同樣故障的APS分組時(shí)不再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。這樣便能減少控制分組的冗余轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)及其帶來的開銷。

2.1.2 中間節(jié)點(diǎn)自動(dòng)倒換數(shù)據(jù)傳送通路

當(dāng)MPLS-TP網(wǎng)絡(luò)的鏈路或節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，現(xiàn)有融合方法(如WAS)在故障點(diǎn)上游節(jié)點(diǎn)(圖3中的C)將工作通路倒換為保護(hù)通路；因此，在業(yè)務(wù)入口節(jié)點(diǎn)收到APS分組并進(jìn)行倒換之前，由于中間節(jié)點(diǎn)未做倒換，送往故障點(diǎn)下游節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組都會(huì)被送到故障點(diǎn)上游節(jié)點(diǎn)并被原路送回，這種操作導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸路徑存在冗余?！爸虚g節(jié)點(diǎn)自動(dòng)倒換數(shù)據(jù)傳送通路”新機(jī)制讓入口節(jié)點(diǎn)和故障點(diǎn)上游節(jié)點(diǎn)之間的中間節(jié)點(diǎn)(圖3中的B)能在有數(shù)據(jù)分組傳送時(shí)自動(dòng)地從工作通路倒換到保護(hù)通路(圖3中B處帶箭頭粗線)，從而使數(shù)據(jù)分組不再被送到故障點(diǎn)上游節(jié)點(diǎn)，能夠降低數(shù)據(jù)分組傳送開銷。

2.2 EWAS的操作

EWAS方法的主要步驟如下。

步驟1故障處一端的節(jié)點(diǎn)(圖3中的C)將工作通路倒換到保護(hù)通路；然后向出口節(jié)點(diǎn)(圖3中的E)發(fā)送APS分組；并將受故障影響的數(shù)據(jù)倒換到保護(hù)通路上傳送。

步驟2業(yè)務(wù)入口節(jié)點(diǎn)(圖3中的A)和故障一端節(jié)點(diǎn)之間的節(jié)點(diǎn)(圖3中的B)收到APS分組后，如果有受影響的數(shù)據(jù)，則將工作通路倒換到保護(hù)通路；然后在保護(hù)通路上傳送這些數(shù)據(jù)。

步驟3業(yè)務(wù)入口節(jié)點(diǎn)收到APS分組后，將工作通路倒換到保護(hù)通路；然后在保護(hù)通路上將數(shù)據(jù)出口節(jié)點(diǎn)。

步驟4業(yè)務(wù)出口節(jié)點(diǎn)收到APS分組后，將保護(hù)通路倒換到工作通路。至此，環(huán)保護(hù)倒換工作完成，數(shù)據(jù)傳輸路徑得到優(yōu)化且數(shù)據(jù)也避免了無謂的丟失。

2.3 性能和復(fù)雜度分析

關(guān)于EWAS方法的性能，我們推導(dǎo)出如下引理。

引理當(dāng)出口標(biāo)簽交換路由器(label switching router，LSR)與故障節(jié)點(diǎn)或鏈路不相鄰時(shí)，EWAS方法的控制開銷少于環(huán)回、源路由和WAS方法。

證明定義控制開銷V為環(huán)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)源發(fā)或轉(zhuǎn)發(fā)的控制分組的bit數(shù)，即

(1)

當(dāng)環(huán)路發(fā)生故障時(shí)，EWAS，WAS、環(huán)回和源路由方法都會(huì)讓鄰近故障點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)向?qū)Χ税l(fā)送一個(gè)同樣的APS分組，因此有

LEWAS=LWAS=LWrapping=LSteering=LAPS

(2)

nEWAS=nWAS=nWrapping=nSteering

(3)

(4)

故障點(diǎn)上游節(jié)點(diǎn)先發(fā)出APS分組的概率為0.5；2個(gè)APS分組在途中相遇的概率p為

p=t/T

(5)

(5)式中：t，T分別為APS分組從故障點(diǎn)一端節(jié)點(diǎn)傳送到另一端節(jié)點(diǎn)所需時(shí)間；T為節(jié)點(diǎn)檢測故障的周期。

∵t>0,∴p>0

根據(jù)各算法原理，有

(6)

(6)式中：m為環(huán)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)。而對(duì)于EWAS方法，有

(7)

(7)式中，a為故障點(diǎn)下游節(jié)點(diǎn)到出口LSR的跳數(shù)，a>0。

分項(xiàng)對(duì)比(5)，(6)式可得

(8)

于是有

VEWAS

(9)

證畢。

3 仿真分析

選取環(huán)回、源路由和WAS方法作為比較對(duì)象，以O(shè)PNET軟件[14]為仿真平臺(tái)，在相同的仿真參數(shù)條件下，比較4種機(jī)制的控制開銷、倒換時(shí)延、丟包率和數(shù)據(jù)分組平均端到端時(shí)延性能。

3.1 仿真統(tǒng)計(jì)量

3.1.1 控制開銷

控制開銷是指環(huán)保護(hù)方法在控制方面的消耗，反映方法的效率，可定義為環(huán)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)源發(fā)或轉(zhuǎn)發(fā)的控制分組的bit數(shù)，根據(jù)(1)式計(jì)算。

3.1.2 倒換時(shí)延

倒換時(shí)延是指從節(jié)點(diǎn)檢測到鏈路發(fā)生故障開始到環(huán)中節(jié)點(diǎn)完成保護(hù)倒換的時(shí)間。計(jì)算公式為

Tdelay=Tend-Tbegin

(10)

(10)式中：Tend為保護(hù)倒換結(jié)束時(shí)間；Tbegin為檢測到故障時(shí)間。

3.1.3 丟包率

環(huán)保護(hù)的丟包率是指從發(fā)生故障開始，到達(dá)出口LSR的數(shù)據(jù)分組數(shù)與從入口LSR發(fā)送的數(shù)據(jù)分組數(shù)之比，計(jì)算公式為

(11)

(11)式中：C表示到達(dá)出口LSR的數(shù)據(jù)分組數(shù)；D表示所有從入口LSR發(fā)送的數(shù)據(jù)分組數(shù)。

3.1.4 數(shù)據(jù)分組平均端到端時(shí)延

指網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包到從入口LSR到達(dá)出口LSR的時(shí)間，計(jì)算公式為

(12)

(12)式中，Ti是第i個(gè)數(shù)據(jù)分組從入口LSR到達(dá)出口LSR的時(shí)延。

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

根據(jù)文獻(xiàn)[9]設(shè)置節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)模型，主要的仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 主要仿真參數(shù)設(shè)置

3.3 仿真結(jié)果及分析

3.3.1 控制開銷

控制開銷比較如圖4所示。

圖4的仿真結(jié)果顯示，EWAS方法的控制開銷少于其他3種方法，差值在20.55%以上。這是因?yàn)镋WAS方法通過采用“精簡控制分組傳輸路徑”新機(jī)制，在2種情況下縮短了APS分組的路徑和轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，因此，控制開銷得以明顯降低。

3.3.2 倒換時(shí)延

倒換時(shí)延比較如圖5所示。

圖4 控制開銷比較Fig.4 Compare the overhead

圖5 倒換時(shí)延比較Fig.5 Compare the switch time delay

從圖5可看出，EWAS方法的倒換時(shí)延比其他3種方法小15.18%以上，這是因?yàn)镋WAS方法采用了“精簡控制分組傳輸路徑”的新機(jī)制，環(huán)路上出口節(jié)點(diǎn)之后的節(jié)點(diǎn)不用再執(zhí)行倒換，因而節(jié)點(diǎn)執(zhí)行倒換所需的總時(shí)間得以減少。

3.3.3 丟包率

圖6 丟包率比較Fig.6 Compare the packet loss rate

與源路由方法相比，環(huán)回類方法因?yàn)橐诒Ｗo(hù)通路中傳送已進(jìn)入工作通路的數(shù)據(jù)分組而使丟包率相對(duì)更低。EWAS方法因繼承了上述操作而與環(huán)回類方法具有相同的丟包率，如圖6所示。

3.3.4 數(shù)據(jù)分組平均端到端時(shí)延

數(shù)據(jù)分組平均端到端時(shí)延比較如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)分組平均端到端時(shí)延比較Fig.7 Compare the data packet average end-to-end delay

從圖7可看出，EWAS方法的數(shù)據(jù)分組平均端到端時(shí)延與源路由、WAS方法相同，在每個(gè)場景中均低于環(huán)回方法。這是因?yàn)镋WAS吸收了源路由的路徑優(yōu)化機(jī)制，使保護(hù)通路中入口、出口節(jié)點(diǎn)之間的路徑得到了優(yōu)化。

4 結(jié)束語

為了消除現(xiàn)有融合環(huán)回和源路由的MPLS-TP環(huán)保護(hù)方法在控制分組傳輸路徑和倒換時(shí)延方面存在的冗余，本文提出一種高效的環(huán)保護(hù)新方法，通過精簡控制分組傳輸路徑和中間節(jié)點(diǎn)倒換通路降低控制開銷并減小倒換時(shí)延，理論分析和仿真結(jié)果驗(yàn)證了新方法的有效性，從而有助于將環(huán)保護(hù)的性能提升到更高的水平。未來的研究將在降低丟包率方面深入展開。

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黃 盛(1978-)，男，江西九江人，廣東省電力設(shè)計(jì)研究院高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)通信與同步技術(shù)。E-mail: 15818885895@139.com。

卓 越(1981-)，男，江西宜春人，博士，廣東省電力設(shè)計(jì)研究院工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)通信技術(shù)。 金 鑫(1985-)，男，湖南望城人，中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)通信與維護(hù)技術(shù)。 任 智(1971-)，男，四川隆昌人，博士/后，重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院教授，研究方向?yàn)閷拵ㄐ啪W(wǎng)理論與技術(shù)。

張劍波(1989-)，男，安徽合肥人，碩士研究生，研究方向?yàn)镸PLS-TP網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。E-mail：1025083236@qq.com。

(編輯：劉 勇)

Efficient ring protection for MPLS-TP networks based on merging wrapping and steering

HUANG Sheng1, ZHUO Yue1, JIN Xin2, REN Zhi3, ZHANG Jianbo3, ZHANG Peng3

(1.Guangdong Electric Power Design Institute, Guangzhou 510663, P.R. China; 2. CSG Power Dispatching Control Center, Guangzhou 510623, P.R. China; 3. Chongqing Key Laboratory of Mobile Communication Technology, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, P.R. China)

Wrapping and Steering are two basic ring protection methods for MPLS-TP (Multi-Protocol Label Switching Transport Profile) networks. Merging them can help to reduce the loss and delay of data packets. But the existing merging methods contain redundancy in the transmission paths of control packets and the switch delay. To address the problem, a novel ring protection method, EWAS (Efficient Wrapping and Steering), is proposed. EWAS decreases the path redundancy by simplifying the path of control packets, thus reducing the control overhead and the switch delay. Moreover, EWAS lets the intermediate nodes automatically switch paths of data packets so as to reduce the times of forwarding data packets. Theoretical analysis verifies the effectiveness of EWAS. Simulation results show that EWAS decreases the control overhead and the switch delay by more than 20.55% and 15.18%, respectively, as compared with Wrapping, Steering, and WAS.

multi-protocol label switching transport profile(MPLS-TP); ring protection; wrapping; steering; merging

10.3979/j.issn.1673-825X.2016.06.003

2016-01-26

2016-06-12

張劍波 1025083236@qq.com

國家自然科學(xué)基金(613719159)；南方電網(wǎng)科技項(xiàng)目(K-ZD2013-022)；重慶郵電大學(xué)大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(A2014-32)

Foundation Items：The National Natural Foundation of China(613719159)；The Science and Technology Project of China Southern Power Grid Company(K-ZD2013-022)；The Training Plan of Scientific Research for College Students in CQUPT(A2014-32)

TN926;TM393.04

A

1673-825X(2016)06-0763-06