ＭＰＬＳ網(wǎng)絡(luò)下基于兄弟節(jié)點備份的聚合多播故障恢復(fù)方案

（ 1．東華大學(xué) 信息學(xué)院， 上海 201620； 2.山東大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院， 濟(jì)南 250100）

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摘 要：

提出一種基于兄弟節(jié)點備份的MPLS聚合多播故障恢復(fù)方案SBAMM，一方面，能夠以快而準(zhǔn)的方式繞過單鏈路和單節(jié)點故障，另一方面擴(kuò)大了保護(hù)范圍；最后優(yōu)化了保護(hù)樹的開銷。另外，由于該方案是基于MPLS網(wǎng)絡(luò)提出的，此方案也具有MPLS所具有的優(yōu)點。結(jié)果分析表明，此方案具有更好的保護(hù)率、減低多播分發(fā)樹的開銷等優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：多協(xié)議標(biāo)簽交換； 故障恢復(fù)； 聚合多播； 主動式方案

中圖分類號：TP393.01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-3695(2009)02-0733-03

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Aggregated multicast fault-tolerant approach based on sibling backup in MPLS

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ZHOU Yan-ling1，ZHU You-qin2

(1.Institute of Information Sciences， Donghua University， Shanghai 201620， China; 2.Institute of Computer， Shandong University， Jinan， 250100，China)

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Abstract:This paper proposed SBAMM (sibling-based backup aggregated multicast in MPLS) fault-tolerant approach， on the one hand， it could deal with single link and node failure in a quick and nice way， and on the other hand， it would enlarge the protecting area. Finally， it could optimize the cost of maintaining backup tree. In addition， the SBAMM scheme was more excellenf than MPLS. By analysis， the SBAMM scheme has better protecting rate， reducing cost of the multicast deliver tree， and so on.

Key words：MPLS; failure recovery; aggregated multicast; pro-active scheme

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0 引言

隨著延遲敏感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的增加，容錯技術(shù)成為網(wǎng)絡(luò)路由領(lǐng)域內(nèi)一個重要的研究話題。這些技術(shù)的目標(biāo)是以有效的方式確保網(wǎng)絡(luò)通信的無中斷或盡可能少地被中斷。因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)檢測到故障時，故障恢復(fù)技術(shù)必須能夠快速地決定保護(hù)路徑，以便繞過故障點保證正常的網(wǎng)絡(luò)通信。

目前保護(hù)方案可以分成兩類，即被動式和主動式。被動式保護(hù)方案中，在故障出現(xiàn)之前，無須計算保護(hù)路徑，其恢復(fù)過程包括在檢測到故障后發(fā)現(xiàn)保護(hù)路徑、組建保護(hù)路徑及恢復(fù)通信三個階段。在主動式保護(hù)方案中，保護(hù)路徑是預(yù)先計算出的，并有可能提前組建保護(hù)路徑。當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時，保護(hù)機(jī)制能夠?qū)崿F(xiàn)受影響的工作路徑到保護(hù)路徑的轉(zhuǎn)換。

在單播協(xié)議中，故障檢測引起路由信息的交換，進(jìn)而會引起繞過故障的新路徑的計算和組建。在一些多播協(xié)議中，如MOSPF（多播開放最短路徑優(yōu)先）[1]，節(jié)點和鏈路的故障將引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變。因此，多播路由器中的多播轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)信息將被更新，以便建立繞過故障的新的多播樹。另外一些多播協(xié)議如CBT（中心樹協(xié)議）[2]，當(dāng)出現(xiàn)故障時，僅影響一部分多播樹，因此僅為工作多播樹建立部分的多播樹。受影響部分的多播組成員將離開多播樹，并向中心點傳送一個新的join請求，從而通過新的多播路徑加入多播樹。

上面所引用的協(xié)議均是采用被動式保護(hù)方案，這里新路徑均是在故障檢測后建立的。這種類型的故障恢復(fù)機(jī)制能夠很好地處理數(shù)據(jù)包通信，并可充分利用其彈性特征去處理網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓瑫r降低計算樹和維持多播樹的開銷；然而這種類型的故障恢復(fù)方案的恢復(fù)時間較長，不適合一些對時間敏感的應(yīng)用。在當(dāng)今高速網(wǎng)絡(luò)中，長的故障恢復(fù)是難以接受的，并且將引起大量數(shù)據(jù)包的丟失。另外，被動式保護(hù)方案不可能實現(xiàn)帶寬資源的預(yù)留，如果在保護(hù)路徑帶寬不足的情況下，恢復(fù)機(jī)制將失敗，而無法接收發(fā)往受影響的工作路徑的數(shù)據(jù)流。

為了克服前面所面臨的問題，故障恢復(fù)的研究趨勢轉(zhuǎn)向了主動保護(hù)方案。在這種保護(hù)方案下，恢復(fù)時間短，保護(hù)路徑已事先計算和提前組建，并且提前組建保護(hù)路徑確保了足夠的帶寬供應(yīng)，因此能成功地實現(xiàn)故障恢復(fù)。在端到端的保護(hù)機(jī)制中，在源點到目的點整個路徑保護(hù)中僅通過一條與節(jié)點無關(guān)的保護(hù)路徑[3，4]實現(xiàn)。在1：1保護(hù)機(jī)制中，工作路徑被分成一系列段，每一段均有自己的一條保護(hù)路徑，并且這些保護(hù)路徑可以短到鏈路的長度[3，5]。

對于多播通信而言，需要保護(hù)的路由結(jié)構(gòu)為樹型結(jié)構(gòu)，多播保護(hù)機(jī)制復(fù)雜于單播保護(hù)機(jī)制。在多播通信中，一個網(wǎng)絡(luò)故障可能會影響它下游所有多播組成員的正常通信。

第一個簡單的多播主動式故障恢復(fù)方案中指出，按照單播主動式故障恢復(fù)方案[6，7]將多播樹中源—目的點對的路徑抽取出來，并分別為它們建立保護(hù)路徑。該多播故障恢復(fù)方案不能確保鏈路中的數(shù)據(jù)不被多次復(fù)制以及不能避免出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)路問題。

近年來，多播故障恢復(fù)的研究集中于尋找能夠保護(hù)工作多播樹的所有節(jié)點和鏈路的保護(hù)多播樹。文獻(xiàn)[8]中提出了多播容錯方案——雙樹方案，此方案通過相互連接工作多播樹中的葉子節(jié)點，而不使用工作多播樹內(nèi)部的節(jié)點和鏈路來建立保護(hù)多播樹，這種樹用于故障恢復(fù)后的保護(hù)多播樹；但這種方案存在缺陷，只能有效地處理鏈路故障，而不能處理節(jié)點故障。因此，本文在此基礎(chǔ)上提出了SBAMM方案，它不僅可以處理鏈路故障還可以有效處理節(jié)點故障、擴(kuò)大保護(hù)范圍、優(yōu)化故障恢復(fù)后的多播分發(fā)樹的開銷、降低建立備份路徑的開銷。

1 SBAMM方案具備的兩個必然性因素

1. 1聚合多播技術(shù)在容錯方案中存在的必然性

由于快速恢復(fù)的優(yōu)點，主動式容錯技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用，但這種類型的多播技術(shù)一般開銷比較大，尤其是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有大量的多播組時。本文首先對AMFM（基于MPLS聚合的多播容錯方案）進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并在分析和比較的基礎(chǔ)上，對存在的問題進(jìn)行了詳細(xì)的說明，從而實現(xiàn)了對AMFM算法的改進(jìn)。

AMFM[9]機(jī)制屬于主動式容錯多播的范疇，它使用聚合多播[8]的概念。建立和維持多播樹的多播路由比單播路由更具有挑戰(zhàn)性，其主要表現(xiàn)在：a)建立多播樹需要建立路由狀態(tài)，且這些狀態(tài)需要安裝在參與多播通信的路由器處，通常情況下，路由狀態(tài)的數(shù)量正比于活動多播組成員的數(shù)量；b)多播通信的可靠性和容錯性也由于多播組成員數(shù)量的增加，其復(fù)雜性呈指數(shù)增加。單播閉環(huán)反饋容錯算法不能簡單地應(yīng)用于多播通信，需要做大量的改進(jìn)工作。SBAMM方案中應(yīng)用聚合多播技術(shù)，其核心思想是提高容錯多播方案的效率，其效率表現(xiàn)在快速恢復(fù)、可擴(kuò)展、節(jié)省網(wǎng)絡(luò)開銷、提高網(wǎng)絡(luò)性能等方面。

AMFM方案將多播樹和多播組進(jìn)行了分離：樹成為一個路由的提取，多播組成為通信的提取。多播組被臨時映射成多播樹，在網(wǎng)絡(luò)域的邊緣節(jié)點處進(jìn)行顯式映射。當(dāng)多播路由出現(xiàn)故障時，多播組將重新映射為一棵新的多播樹，并且映射過程僅在網(wǎng)絡(luò)域的邊緣路由器處發(fā)生改變，所以映射過程快速且高效。聚合多播最初為減少網(wǎng)絡(luò)中多播的轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)目的而設(shè)計，這里將成為多播通信中的一個強有力的容錯工具。AMFM方案明顯通過采用聚合多播技術(shù)降低網(wǎng)絡(luò)中的維護(hù)開銷，易于大量多播組成員的擴(kuò)展。

聚合多播減少了核心網(wǎng)絡(luò)中建立和維持的多播樹的數(shù)量，同時，備份樹計算、建立及維護(hù)開銷有所降低。另外，組—樹映射為暫時性的，網(wǎng)絡(luò)入/出口節(jié)點處實現(xiàn)顯式映射，在出現(xiàn)故障時可以快速恢復(fù)。聚合多播從本質(zhì)上提高了故障恢復(fù)的可擴(kuò)展性、有效性并降低了網(wǎng)絡(luò)延遲。

1. 2 MPLS技術(shù)在容錯多播方案中存在的必然性

依照IP網(wǎng)絡(luò)盡最大努力服務(wù)的思想，傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)通常采用被動式故障恢復(fù)方案，恢復(fù)的過程是通過更新路由表來實現(xiàn)的。主動式故障恢復(fù)方案在發(fā)現(xiàn)路由出現(xiàn)故障后，其恢復(fù)過程包括建立備份（保護(hù)）路徑和激活備份路徑兩個主要的過程。但實際中，IP網(wǎng)絡(luò)不能提供有效的手段來支持這些過程的實現(xiàn)，這樣就需要一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來解決這一問題。虛擬電路交換技術(shù)因此而產(chǎn)生了。

用在骨干網(wǎng)絡(luò)中的虛擬電路交換技術(shù)有ATM[10]和MPLS[11]。其中，ATM技術(shù)是在1980年被正式標(biāo)準(zhǔn)化的，但是在ATM網(wǎng)絡(luò)中傳送IP流量卻變得相當(dāng)復(fù)雜。幸運的是，MPLS技術(shù)的出現(xiàn)克服了這一尷尬的局面，MPLS技術(shù)可以很好地支持IP協(xié)議，它可以支持網(wǎng)絡(luò)中絕大多數(shù)協(xié)議，廣受網(wǎng)絡(luò)提供商的歡迎。因此，越來越多的骨干網(wǎng)均使用MPLS技術(shù)。

MPLS技術(shù)整合了數(shù)據(jù)報交換和虛擬電路交換這兩種交換技術(shù)的優(yōu)點。在MPLS域內(nèi)，具有相同F(xiàn)EC或標(biāo)簽的數(shù)據(jù)流在同一條路徑上傳輸，這條路徑成為LSP（標(biāo)簽交換路徑），它是MPLS網(wǎng)絡(luò)通過標(biāo)簽分發(fā)信令協(xié)議建立的（如LDP）。在MPLS域內(nèi)入口LSR處分配標(biāo)簽，這一過程稱做數(shù)據(jù)包的封裝；然后繼續(xù)向下游LSR傳遞，在中間的LSR處僅以標(biāo)簽為索引來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，在出口LSR處彈出標(biāo)簽，通常這一過程稱數(shù)據(jù)包解封裝；最后，IP數(shù)據(jù)包傳到目的地或目的網(wǎng)絡(luò)邊緣路由器處。為了分發(fā)多播數(shù)據(jù)流，需要在MPLS網(wǎng)絡(luò)中建立MPLS多播樹。MPLS多播樹可以直接映射到L3（IP層）[12]，也可以通過顯式路由建立[13]。

由于MPLS技術(shù)的多方面優(yōu)勢，如QoS、流量工程、VPN等，MPLS容錯多播技術(shù)近來也引起了廣泛的關(guān)注。一個成功的工程——MPLS多播快速重路由方案在Virginia大學(xué)[14]已經(jīng)投入使用，它被應(yīng)用在多媒體網(wǎng)絡(luò)中，是采用主動式多播容錯方案，屬于鏈路保護(hù)方案的一種。其中的備份路徑選擇算法是對以往鏈路保護(hù)方案中路徑選擇算法的改進(jìn)。對一條被保護(hù)的路徑而言，在鏈路關(guān)聯(lián)的兩個節(jié)點之間選擇最短路徑，因此，在出現(xiàn)鏈路故障時，方便減少多播組成員的數(shù)量。同時，一個改進(jìn)的單播MPLS快速重路由[15]故障容錯算法也適用于多播通信。在通信過程中采用了虛擬電路交換技術(shù)，MPLS技術(shù)在很大程度上實現(xiàn)了快速重路由機(jī)制。本文研究MPLS網(wǎng)絡(luò)下的多播故障恢復(fù)方案。

2 一種兄弟節(jié)點備份的MPLS聚合多播容錯方案

2. 1 概述

本文提出了一種兄弟節(jié)點備份的MPLS聚合多播容錯方案SBAMM，它是在MPLS網(wǎng)絡(luò)中，提供快速的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，利用聚合多播技術(shù)來減少多播樹的建立和多播狀態(tài)的維護(hù)。MPLS[11]和聚合多播[8]在各種文獻(xiàn)均有涉及，由于空間限制，本文只詳細(xì)地討論SBAMM方案。此方案的主要思想是不管MPLS網(wǎng)絡(luò)下的聚合多播樹是節(jié)點故障還是鏈路故障，備份節(jié)點始終是尋找最近的兄弟節(jié)點。此方案由三個算法組成：算法1為決定故障是鏈路故障還是節(jié)點故障；算法2為鏈路故障恢復(fù)算法，通過尋找兄弟節(jié)點進(jìn)行路徑的備份；算法3為節(jié)點故障恢復(fù)算法，通過尋找父節(jié)點的兄弟節(jié)點來進(jìn)行備份路徑的工作。此方案既可以處理鏈路故障，又可以處理節(jié)點故障。在故障恢復(fù)后的多播樹與原多播樹的形狀并無太大的變化，并且在故障出現(xiàn)到故障恢復(fù)這一段時間很短，一般情況下這一段恢復(fù)時間小于50 ms。往往在這個極短的時間內(nèi)，多播成員是無法察覺多播樹的故障。資源的消耗有了明顯減少，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他的故障容錯方案，同時在建立備份路徑方面成功率非常高。

本容錯方案中引進(jìn)了一個邏輯實體——節(jié)點鄰接表管理系統(tǒng)（NLMS）。其中存儲的是多播樹中節(jié)點的關(guān)聯(lián)關(guān)系。節(jié)點鄰接表中的節(jié)點用三元數(shù)據(jù)（cur_node， flag， next_node ）表示。其中：cur_node代表當(dāng)前節(jié)點地址；flag為一個標(biāo)志，當(dāng)flag=0時代表本節(jié)點為基本多播樹中的節(jié)點，當(dāng)flag=1時代表本節(jié)點為故障恢復(fù)時用做備份的多播樹外節(jié)點；next_node代表的是下一個節(jié)點的地址。另外，多播樹中節(jié)點的關(guān)聯(lián)關(guān)系也保存在NLMS中。此系統(tǒng)中通過節(jié)點的查詢信息來確定出現(xiàn)的是鏈路故障還是節(jié)點故障，并通知相應(yīng)受到故障影響的節(jié)點。圖1、2為本容錯方案所采用的多播樹的結(jié)構(gòu)以及NLMS代理中的此多播樹的節(jié)點鄰接表信息。SBAMM容錯方案主要按以下步驟執(zhí)行：

a)系統(tǒng)初始化，其中主要任務(wù)為建立備份路徑。

b)故障類型的查詢，主要由NLMS代理執(zhí)行算法1來決定。

c)備份路徑的激活。一旦NLMS代理檢測出故障的類型，它會通知相應(yīng)的節(jié)點，并且相應(yīng)的節(jié)點會根據(jù)故障的類型調(diào)用相應(yīng)的備份路徑并激活。

d)NLMS代理信息的更新。在故障恢復(fù)后，發(fā)生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變的節(jié)點會將改變的信息通知NLMS代理，這樣NLMS代理會由此更新相應(yīng)的節(jié)點連接表信息。

e)路由器配置。多播樹中的路由器快速配置使原來通過故障的數(shù)據(jù)流流經(jīng)備份路徑，同時備份路徑臨時改為工作路徑。

2. 2 兄弟節(jié)點備份多播容錯算法

算法1 故障檢測算法。

此算法中出現(xiàn)通信故障的節(jié)點向NLMS發(fā)出故障信號。這是NLMS根據(jù)其鄰接表的信息判斷鏈路故障或節(jié)點故障，當(dāng)兩個相鄰的節(jié)點x、 y分別向NLMS發(fā)出故障信號，說明此聚合多播樹出現(xiàn)的是鏈路故障，并且出現(xiàn)故障的鏈路為(x， y)。如果NLMS收到故障信號的節(jié)點非相鄰的節(jié)點，說明出現(xiàn)了節(jié)點故障，且故障點為與兩個節(jié)點均相鄰的節(jié)點。

算法2 鏈路故障恢復(fù)算法。

在該算法中，NLMS首先在鄰接表中查找此發(fā)現(xiàn)故障的下游節(jié)點是否在聚合多播樹中存在兄弟節(jié)點，如果存在兄弟節(jié)點，就將最近的兄弟節(jié)點作為此下游節(jié)點的父節(jié)點；如果不存在兄弟節(jié)點，這時NLMS會查找鄰接表中最近的旁路節(jié)點，將此旁路節(jié)點作為此下游節(jié)點的父節(jié)點，將發(fā)現(xiàn)故障的上游節(jié)點作為旁路節(jié)點的父節(jié)點。這時，更新鄰接表。

算法3 節(jié)點故障恢復(fù)算法。

該算法中，NLMS首先在鄰接表中查找故障點（發(fā)現(xiàn)故障的下游節(jié)點的父節(jié)點）是否存在兄弟節(jié)點，如果存在兄弟節(jié)點，那么將最近的兄弟節(jié)點作為此下游節(jié)點的父節(jié)點；否則，NLMS會查找鄰接表中的旁路節(jié)點，將最近的旁路節(jié)點作為下游節(jié)點的父節(jié)點，將故障節(jié)點的父節(jié)點作為旁路節(jié)點的父節(jié)點。這時更新鄰接表。

3 算法的實現(xiàn)

圖3是在SBAMM方案下MPLS聚合多播樹下的鏈路和節(jié)點故障恢復(fù)圖。其中（a）~（c）為鏈路故障檢測和恢復(fù)的過程圖。圖3（a）中，節(jié)點B、C向NLMS發(fā)送故障消息（b）為NLMS在鏈路故障時作出判斷，將兄弟節(jié)點E的信息發(fā)送給節(jié)點C，并通知節(jié)點E與C之間的鏈路激活，并將節(jié)點E作為節(jié)點C的父節(jié)點，更新NLMS中的鄰接表信息，繼續(xù)進(jìn)行多播數(shù)據(jù)流的傳輸，這時鏈路故障得以恢復(fù)。圖3（d）（e）為節(jié)點故障檢測和恢復(fù)的過程圖。圖3（d）中為節(jié)點故障檢測的過程，（e）為通知相應(yīng)節(jié)點信息及節(jié)點故障恢復(fù)的過程圖。

4 算法的性能評價

SBAMM方案是對AMFM方案的改進(jìn)，與AMFM方案相比具有最大的優(yōu)點就是故障的檢測和恢復(fù)過程中的時間延遲明顯減少。AMFM方案中，容錯算法采用冗余樹的方案，在這種恢復(fù)機(jī)制中大致存在以下三方面的缺陷：a)發(fā)現(xiàn)的故障需要通知到源點，然后由源點作相應(yīng)的處理，這種方法屬于全局性的故障檢測，它存在的一個最大的缺點就是延遲了故障的恢復(fù)，如果發(fā)現(xiàn)故障的節(jié)點離源點距離較遠(yuǎn)時，問題會變得更嚴(yán)重；b)AMFM方案采用冗余樹的恢復(fù)方法，這造成了一定的資源浪費，并且在冗余樹中的路徑對于每對節(jié)點而言都不是最優(yōu)路徑，因此帶來了網(wǎng)絡(luò)的大量開銷；c)在將基本樹上的數(shù)據(jù)流向備份樹上數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)移的過程中，SBAMM方案明顯好于AMFM方案。SBAMM方案與以往的多播容錯算法相比，不僅可以有效地處理鏈路故障，還可以處理節(jié)點故障。在故障檢測和故障恢復(fù)方面，不僅減少了時間延遲、節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)開銷，并且確保在故障恢復(fù)后，多播樹的結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生全局性的改變，只是局部的改變，同時鄰接表的更新信息始終保持最少，因此節(jié)省了開銷、提高了效率。由于采用了MPLS技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，還可以實現(xiàn)一些服務(wù)保障，如QoS、流量工程等。由于采用了聚合多播技術(shù)，減少了網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)的數(shù)量，提高了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。

5 結(jié)束語

SBAMM方案不僅可以有效地處理鏈路故障，還可以處理節(jié)點故障，它減少了故障恢復(fù)的時間延遲，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)開銷。由于采用了MPLS技術(shù)，實現(xiàn)了快速的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，采用聚合多播技術(shù)，減少了網(wǎng)絡(luò)中維持的轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)的數(shù)量，提高了可擴(kuò)展性。在以后的工作中，需要在多服務(wù)要求的網(wǎng)路下，進(jìn)行有效的多播故障恢復(fù)方案的研究，并結(jié)合MPLS中的流量工程技術(shù)，實現(xiàn)高可靠性的、能夠滿足用戶多方面需要的性能優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)。

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