基于BFD的MPLS隧道故障检测及恢复技术的研究与实现

论文摘要

随着网络规模的日益庞大以及网络应用的多业务、多网络化,要求网络在发生故障时能够快速地检测到网络故障所在,并快速从故障中恢复。但是,传统IP网络无法满足语音多媒体等高实时性业务所要求的秒级以下的快速故障恢复能力。多协议标签交换MPLS作为下一代骨干网络中的核心技术之一,其最重要特征在于当网络发生故障时,MPLS网络比传统的IP重路由有着更快的故障检测恢复速度,及更高的网络可靠性。通过使用MPLS标签交换技术,不仅可以提供比传统的IP网络更有效的QoS保证和流量工程,而且具有更强的网络生存能力。为了减小网络设备发生故障时对当前业务的影响、提高网络的可靠性,网络设备需要尽可能快地检测出与其相邻网络设备之间的网络通信故障,以便能够及时地采取相应的故障措施,从而保证当前业务继续正常进行。双向转发检测BFD协议提供了一种简单、轻量和抽象的故障检测方法,对网络链接能力及网络转发功能进行快速故障检测。与传统的“Hello”故障检测机制相比,BFD故障检测机制具有许多独到的优势。低耗费、短周期的网络故障检测技术是BFD所追求的首要目标。由于BFD故障检测机制的简单、单一性,使得BFD能够专注于对网络设备转发平面的故障检测,使网络故障检测能力提高到了毫秒级,成为网络故障快速检测的最佳方案。为了最大限度地提高网络故障的检测及恢复能力,本论文通过研究基于BFD的MPLS隧道故障检测及恢复技术,来实现网络故障的快速检测和恢复,主要包括基于BFD的MPLS隧道故障检测技术和基于隧道保护倒换机制的故障恢复技术两个方面。对于网络故障的检测,为了弥补BFD故障检测机制无法检测数据平面和控制平面的一致性的缺陷,论文设计和实现了BFD与MPLS LSP-Ping相结合的MPLS隧道故障检测方案,利用“MPLS LSP-Ping”来检测数据平面和控制平面的一致性,而仅仅用BFD检测机制来快速检测MPLS标签交换路径数据平面上的故障,最大限度地发挥BFD协议快速检测数据平面的优点,从而提高网络故障检测的整体能力。对于网络故障的恢复,论文设计和实现了基于隧道保护倒换机制的故障恢复方案,通过预先为被保护的隧道创建保护隧道来快速恢复网络故障,不仅大大缩短了网络故障的恢复时间,在网络丢包率方面也有很大的改善,并通过对MPLS报文内层嵌入一层失序控制标签作为网络报文顺序的标志,有效解决了Haskin方案中出现的网络报文失序问题。论文根据上述的MPLS隧道故障检测方案和故障恢复方案,形成了一个基于BFD的MPLS隧道故障检测及恢复技术的整体实现方案。该方案通过基于BFD的MPLS隧道故障检测机制的检测结果,快速触发MPLS隧道的保护倒换机制,实现了网络故障的快速检测与恢复。经过多次组网测试,本实现方案取得了令人满意的成果,不仅在网络故障的检测恢复速度上有很大的提高,在对报文的失序及丢包率方面也有着很明显的改进效果,满足了语音多媒体等高实时性业务所要求的秒级以下的快速故障恢复能力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 论文背景
• 1.1.1 研究意义
• 1.1.2 国内外研究现状和发展趋势
• 1.2 论文研究内容
• 1.3 论文研究目标
• 2 多协议标签交换（MPLS）技术
• 2.1 MPLS 技术背景
• 2.2 MPLS 网络体系基础
• 2.2.1 MPLS 基本概念
• 2.2.2 MPLS 报文通用格式
• 2.2.3 MPLS 网络系统架构
• 2.2.4 MPLS 转发的基本原理
• 2.2.5 MPLS 网络体系小结
• 2.3 LDP 协议
• 2.3.1 LDP 基本概念
• 2.3.2 LDP 消息类型
• 2.3.3 LDP 工作过程
• 2.4 MPLS 网络的应用及其优势
• 2.4.1 基于MPLS 的流量工程
• 2.4.2 基于MPLS 的QoS
• 2.4.3 MPLS 在VPN 中的应用
• 2.5 本章小结
• 3 双向转发检测（BFD）技术
• 3.1 BFD 产生背景
• 3.2 BFD 技术原理
• 3.3 BFD 报文格式
• 3.4 BFD 运行模式
• 3.5 BFD 报文发送周期及检测时间
• 3.6 BFD 会话状态机及BFD 会话创建过程
• 3.7 本章小结
• 4 基于BFD 技术的MPLS 隧道故障检测方案的设计与实现
• 4.1 MPLS 网络中常见故障检测技术
• 4.1.1 RSVP Hello
• 4.1.2 MPLS LSP-Ping
• 4.1.3 双向转发检测BFD
• 4.2 BFD 与MPLS LSP-PING 故障检测技术的对比
• 4.3 BFD 和MPLS LSP-PING 相结合的故障检测方案的设计与实现
• 4.3.1 MPLS LSP-Ping 协助建立BFD 会话
• 4.3.2 MPLS LSP-Ping 验证控制平面和数据平面的一致性
• 4.3.3 BFD for MPLS 处理流程
• 4.4 本章小结
• 5 基于保护倒换技术的MPLS 隧道故障恢复方案的设计与实现
• 5.1 MPLS 网络故障恢复技术的两种方式
• 5.1.1 重路由技术
• 5.1.2 保护倒换技术
• 5.1.3 保护倒换技术与重路由技术的比较
• 5.1.4 两种常见的MPLS 网络故障恢复方案
• 5.2 基于保护倒换技术的MPLS 隧道故障恢复方案的基本原理
• 5.3 基于保护倒换技术的MPLS 隧道故障恢复方案的总体结构设计
• 5.4 基于保护倒换技术的MPLS 隧道故障恢复方案的流程设计
• 5.5 基于保护倒换技术的MPLS 隧道故障恢复方案的实现
• 5.5.1 隧道使能MPLS 隧道保护倒换功能
• 5.5.2 保护隧道的创建及主备隧道的绑定
• 5.5.3 链路失效时主备隧道的切换
• 5.5.4 故障修复后主备隧道的回切过程
• 5.6 方案实现中的核心数据结构
• 5.7 本章小结
• 6 基于BFD 的MPLS 隧道故障检测及恢复方案的测试验证
• 6.1 测试的总体方案
• 6.2 组网测试与实验平台的搭建
• 6.3 MPLS 隧道基本转发功能测试
• 6.3.1 测试步骤
• 6.3.2 结果验证
• 6.4 基于BFD 的MPLS 隧道故障检测及恢复功能测试
• 6.4.1 测试步骤
• 6.4.2 结果验证
• 6.5 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 详细摘要