融合環回和源路由的MPLS-TP網絡高效環保護方法

黃 盛，卓 越，金 鑫，任 智，張劍波,張 鵬

(1. 中國能源建設集團 廣東省電力設計研究院，廣東 廣州 510663；2. 中國南方電網電力調度控制中心，廣東 廣州 510623； 3. 重慶郵電大學 移動通信技術重慶市重點實驗室，重慶 400065)

融合環回和源路由的MPLS-TP網絡高效環保護方法

黃 盛1，卓 越1，金 鑫2，任 智3，張劍波3,張 鵬3

(1. 中國能源建設集團 廣東省電力設計研究院，廣東 廣州 510663；2. 中國南方電網電力調度控制中心，廣東 廣州 510623； 3. 重慶郵電大學 移動通信技術重慶市重點實驗室，重慶 400065)

環回和源路由是多協議標簽交換-傳輸應用(multi-protocol label switching transport profile，MPLS-TP)網絡環保護的2種基本方式，融合它們有利于減少丟包和降低數據時延。針對目前融合二者的方法在控制分組傳輸路徑和倒換時延方面存在冗余的問題，提出一種新的環保護方法—高效的環回和源路由網絡環保護(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延，并使中間節點自動倒換數據傳送通路以減少數據分組轉發次數。理論分析驗證了新方法的有效性，仿真結果顯示，與環回、源路由和環回和源路由網絡環保護(wrapping and steering，WAS)方法相比，EWAS的控制開銷和倒換時延分別降低20.55%和15.18%以上。

多協議標簽交換-傳輸應用(MPLS-TP)；環保護；環回；源路由；融合

0 引 言

多協議標簽交換-傳輸應用(multi-protocol label switching transport profile，MPLS-TP)[1-2]是從網絡間互聯協議/多協議標簽交換(internation protocol/multi-protocol label switching，IP/MPLS)發展而來的一種較新的網絡傳輸技術，它加強了MPLS面向連接的標簽轉發能力且具有確定的端到端傳送路徑，在建立路由時不依賴基于IP地址的逐跳轉發機制和控制平面，從而增強了網絡的保護和操作維護管理(operation administration and maintenance，OAM)能力，目前受到越來越多的關注。近年來，國內的電信、電力系統等領域紛紛部署面向IP業務的數據分組傳送網(packet transport network,PTN)[3-4]，MPLS-TP即為其中一種主流技術[5]。

環保護是MPLS-TP網絡中一種應用廣泛的基本保護機制[6-7]，它的主要思路是基于環形網絡拓撲應對網絡傳輸發生的故障。環回(wrapping)和源路由(steering)是MPLS-TP網絡環保護的2種基本方式[8]，它們分別具有操作簡捷和路徑優化的優點，因此，近來出現了融合二者以集中優點的思路[9-10]。但我們通過深入研究發現現有融合環回和源路由的環保護方法在控制分組傳輸路徑和倒換時延方面存在冗余，為此，提出一種高效的環保護新方法，消除上述冗余，降低控制分組開銷和倒換時延。

1 相關研究

作為MPLS-TP網絡技術中的2種基本保護方法，環回和源路由能夠在環網中出現故障時恢復業務的傳輸[8,11]，如圖1所示。環回方法的基本思路是故障鏈路或節點兩端的相鄰節點檢測到故障后先切換到保護通路上，然后沿保護通路向對方發送自動保護切換(automatic protection switching，APS)消息,對端節點收到APS分組后也切換到保護通路上(見圖1a)；雖然倒換后的路徑通常不是最優，但環回方法只需2個節點執行倒換，操作簡捷；另一種保護方法源路由的基本思路是故障鏈路或節點兩端的相鄰節點檢測到故障后先切換到保護通路上，然后沿保護通路向對方發送APS消息；有上、下環業務且業務通路受故障影響的節點收到APS分組后將業務從工作通路切換到保護通路上(見圖1b)。源路由方法能夠優化數據傳輸路徑，但執行倒換操作的節點相對較多。

圖1 基本環保護方法Fig.1 Basic ring protection method

近年來人們對環回和源路由2種方法開展了一些研究和改進工作[9-10,12-13]。為了集中它們的優點，文獻[9]提出一種融合它們的MPLS-TP網絡環保護機制—先環回再源路由(wrap then steer，WtS)；即在MPLS-TP 網絡的鏈路或節點發生故障后，先執行環回保護倒換，然后切換到源路由保護倒換；WtS雖然能夠減少丟包，但在融合環回和源路由方法方面做得稍顯簡單。文獻[10]為了集中環回方法丟包、失序少和源路由方法路徑優化的優點，提出了(wrapping and steering,WAS)環保護方法，該方法的原理為與故障點相鄰的節點檢測到故障后，先從工作通路倒換到保護通路，接著向故障點對端節點發送一個APS分組，然后在保護通路上傳送受影響的數據分組；有上、下環業務且業務通路受故障影響的節點收到APS分組后將業務從工作通路切換到保護通路上，如圖2所示。

圖2 WAS保護方法Fig.2 WAS protection method

通過深入研究，我們發現融合環回和源路由的現有方法在控制分組傳輸路徑和倒換時延方面存在冗余，導致控制開銷和倒換時延不必要增加，為此在本文中提出了一種新的環保護方法加以解決。

2 EWAS方法

為解決現有融合環回和源路由的環保護方法在控制分組傳輸和倒換時延方面存在冗余的問題，提出一種新的環保護方法—高效的環回和源路由網絡環保護(efficient wrapping and steering，EWAS)，如圖3所示。

圖3 EWAS保護方法Fig.3 EWAS protection method

2.1 EWAS方法包含的新機制

EWAS方法包含以下2種新機制。

2.2.1 精簡控制分組傳輸路徑

在環保護過程中，現有融合方法將APS分組從故障處的一端通過環網傳送到另一端以通知相關節點進行倒換。但我們通過深入研究發現，從業務出口節點到故障點下游節點的路徑(圖3中的ED)和從故障點下游節點到上游節點的路徑(圖3中的DC)上不會有需要保護的數據業務通過。因此，故障點下游節點不需要進行通路倒換，于是無需通知；據此，提出了“精簡控制分組傳輸路徑”的新機制，在從業務出口節點到故障點下游節點的路徑上不再傳送APS分組，從而能夠減少控制分組轉發次數并降低倒換時延。

另一方面，現有融合方法規定故障處兩端的節點都要向對方發送APS分組，因而中間節點(圖3中的F，B)有可能會2次轉發通告同一故障的APS分組，造成冗余轉發。因此，EWAS的“精簡控制分組傳輸路徑”新機制對這個問題同樣設計了解決方法，具體為中間節點收到通告同樣故障的APS分組時不再進行轉發。這樣便能減少控制分組的冗余轉發次數及其帶來的開銷。

2.1.2 中間節點自動倒換數據傳送通路

當MPLS-TP網絡的鏈路或節點發生故障時，現有融合方法(如WAS)在故障點上游節點(圖3中的C)將工作通路倒換為保護通路；因此，在業務入口節點收到APS分組并進行倒換之前，由于中間節點未做倒換，送往故障點下游節點的數據分組都會被送到故障點上游節點并被原路送回，這種操作導致數據傳輸路徑存在冗余?！爸虚g節點自動倒換數據傳送通路”新機制讓入口節點和故障點上游節點之間的中間節點(圖3中的B)能在有數據分組傳送時自動地從工作通路倒換到保護通路(圖3中B處帶箭頭粗線)，從而使數據分組不再被送到故障點上游節點，能夠降低數據分組傳送開銷。

2.2 EWAS的操作

EWAS方法的主要步驟如下。

步驟1故障處一端的節點(圖3中的C)將工作通路倒換到保護通路；然后向出口節點(圖3中的E)發送APS分組；并將受故障影響的數據倒換到保護通路上傳送。

步驟2業務入口節點(圖3中的A)和故障一端節點之間的節點(圖3中的B)收到APS分組后，如果有受影響的數據，則將工作通路倒換到保護通路；然后在保護通路上傳送這些數據。

步驟3業務入口節點收到APS分組后，將工作通路倒換到保護通路；然后在保護通路上將數據出口節點。

步驟4業務出口節點收到APS分組后，將保護通路倒換到工作通路。至此，環保護倒換工作完成，數據傳輸路徑得到優化且數據也避免了無謂的丟失。

2.3 性能和復雜度分析

關于EWAS方法的性能，我們推導出如下引理。

引理當出口標簽交換路由器(label switching router，LSR)與故障節點或鏈路不相鄰時，EWAS方法的控制開銷少于環回、源路由和WAS方法。

證明定義控制開銷V為環中每個節點源發或轉發的控制分組的bit數，即

(1)

當環路發生故障時，EWAS，WAS、環回和源路由方法都會讓鄰近故障點的節點向對端發送一個同樣的APS分組，因此有

LEWAS=LWAS=LWrapping=LSteering=LAPS

(2)

nEWAS=nWAS=nWrapping=nSteering

(3)

(4)

故障點上游節點先發出APS分組的概率為0.5；2個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分組從故障點一端節點傳送到另一端節點所需時間；T為節點檢測故障的周期。

∵t>0,∴p>0

根據各算法原理，有

(6)

(6)式中：m為環上的節點數。而對于EWAS方法，有

(7)

(7)式中，a為故障點下游節點到出口LSR的跳數，a>0。

分項對比(5)，(6)式可得

(8)

于是有

VEWAS

(9)

證畢。

3 仿真分析

選取環回、源路由和WAS方法作為比較對象，以OPNET軟件[14]為仿真平臺，在相同的仿真參數條件下，比較4種機制的控制開銷、倒換時延、丟包率和數據分組平均端到端時延性能。

3.1 仿真統計量

3.1.1 控制開銷

控制開銷是指環保護方法在控制方面的消耗，反映方法的效率，可定義為環中每個節點源發或轉發的控制分組的bit數，根據(1)式計算。

3.1.2 倒換時延

倒換時延是指從節點檢測到鏈路發生故障開始到環中節點完成保護倒換的時間。計算公式為

Tdelay=Tend-Tbegin

(10)

(10)式中：Tend為保護倒換結束時間；Tbegin為檢測到故障時間。

3.1.3 丟包率

環保護的丟包率是指從發生故障開始，到達出口LSR的數據分組數與從入口LSR發送的數據分組數之比，計算公式為

(11)

(11)式中：C表示到達出口LSR的數據分組數；D表示所有從入口LSR發送的數據分組數。

3.1.4 數據分組平均端到端時延

指網絡的數據包到從入口LSR到達出口LSR的時間，計算公式為

(12)

(12)式中，Ti是第i個數據分組從入口LSR到達出口LSR的時延。

3.2 仿真參數設置

根據文獻[9]設置節點的業務模型，主要的仿真參數設置如表1所示。

表1 主要仿真參數設置

3.3 仿真結果及分析

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。這是因為EWAS方法通過采用“精簡控制分組傳輸路徑”新機制，在2種情況下縮短了APS分組的路徑和轉發次數，因此，控制開銷得以明顯降低。

3.3.2 倒換時延

倒換時延比較如圖5所示。

圖4 控制開銷比較Fig.4 Compare the overhead

圖5 倒換時延比較Fig.5 Compare the switch time delay

從圖5可看出，EWAS方法的倒換時延比其他3種方法小15.18%以上，這是因為EWAS方法采用了“精簡控制分組傳輸路徑”的新機制，環路上出口節點之后的節點不用再執行倒換，因而節點執行倒換所需的總時間得以減少。

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，環回類方法因為要在保護通路中傳送已進入工作通路的數據分組而使丟包率相對更低。EWAS方法因繼承了上述操作而與環回類方法具有相同的丟包率，如圖6所示。

3.3.4 數據分組平均端到端時延

數據分組平均端到端時延比較如圖7所示。

圖7 數據分組平均端到端時延比較Fig.7 Compare the data packet average end-to-end delay

從圖7可看出，EWAS方法的數據分組平均端到端時延與源路由、WAS方法相同，在每個場景中均低于環回方法。這是因為EWAS吸收了源路由的路徑優化機制，使保護通路中入口、出口節點之間的路徑得到了優化。

4 結束語

為了消除現有融合環回和源路由的MPLS-TP環保護方法在控制分組傳輸路徑和倒換時延方面存在的冗余，本文提出一種高效的環保護新方法，通過精簡控制分組傳輸路徑和中間節點倒換通路降低控制開銷并減小倒換時延，理論分析和仿真結果驗證了新方法的有效性，從而有助于將環保護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，廣東省電力設計研究院高級工程師，研究方向為電力系統通信與同步技術。E-mail: 15818885895@139.com。

卓 越(1981-)，男，江西宜春人，博士，廣東省電力設計研究院工程師，研究方向為電力系統通信技術。 金 鑫(1985-)，男，湖南望城人，中國南方電網電力調度控制中心工程師，研究方向為電力系統通信與維護技術。 任 智(1971-)，男，四川隆昌人，博士/后，重慶郵電大學通信與信息工程學院教授，研究方向為寬帶通信網理論與技術。

張劍波(1989-)，男，安徽合肥人，碩士研究生，研究方向為MPLS-TP網絡通信技術。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

國家自然科學基金(613719159)；南方電網科技項目(K-ZD2013-022)；重慶郵電大學大學生科研訓練計劃項目(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