PTN网络中标签转发表应用技术研究

丁明吉,鞠　涛，张明宇，李和璋，罗青松

(中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西桂林　541004)

丁明吉(1982—)，男，山东临沂人，工程师，主要研究方向为光传送网技术；

E-mail：jimmydmj1202@163.com；

鞠　涛 (1978—) ，男，山东潍坊人，高级工程师，硕士，主要研究方向为光通信技术；

张明宇(1984—)，男，吉林松原人，高级工程师，博士，主要研究方向为光通信技术；

李和璋 (1958—) ，男，广西桂林人，研究员级高级工程师，主要研究方向为通信工程及网络管理研发；

罗青松(1964—)，男，广西宾阳人，研究员，中国电子科技集团公司首席专家，主要研究方向为光通信技术。



工程与应用

PTN网络中标签转发表应用技术研究

丁明吉,鞠涛，张明宇，李和璋，罗青松

(中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西桂林541004)

摘要：鉴于标签转发表在PTN技术中的重要性，提出在网络邻居节点存储备份标签转发表信息的方法，实现网络受损条件下替换节点业务转发能力的快速恢复。同时，运用数据交织、加密、流量控制等技术，保证网络节点标签转发表信息的安全保密存储，控制关键备份信息的知悉范围；并降低信息存储过程产生的数据流量对网络正常业务的影响。

关键词：分组传送网；标签转发表；标签分发协议；流量工程；数据交织

0引言

在通信网业务逐渐IP化的发展趋势下，以数据包为基本单元进行数据传输和交换的方式将占据统治地位。随着IP网络和MPLS网络与传统TDM技术的结合，分组传送网(PTN)应运而生。PTN技术是光传送网技术领域近几年研究和应用的热点，它集成了灵活性、可扩展性、统计复用等分组特性和网络端到端OAM及保护、面向连接、QoS、定时同步等传送特性[1]。在中国移动的大力推动下，PTN网络已经大规模投入运营，正常条件下如果网络受损，其设计的业务恢复时间能够满足应用需求。所有网络的通信链路及通信节点都有可能发生故障，而且在某种情况下，网络还可能受到蓄意破坏。为保障用户的服务质量要求，网络必须具备快速故障检测和恢复的能力[2]。在特殊地理环境下，例如地质灾害频发地区部署的PTN网络受损严重，原有节点主备设备严重毁坏时，替换设备按现有技术逐步重新建立标签转发表，形成转发能力的时间过长，造成时间上的延误，在紧急情况下可能导致关键敏感信息无法及时传递，造成严重后果。因此，PTN网络受损事件发生后，替换节点能快速建立标签转发表并最大限度的恢复业务转发，同时保障该过程不影响网络中其他节点的业务处理功能并且被替换受损节点的私有信息在安全可控范围内有着较为紧迫的技术需求。有鉴于此，本文提出采用基于网络存储备份标签转发表这一关键信息的方法，实现网络受损条件下替换节点标签转发表信息的快速重建，形成PTN业务转发能力。同时基于网络邻居节点存储标签转发表信息这一技术研究数据交织、加密、流量工程等技术在PTN网络中的应用，实现对标签转发表信息的安全保密存储，控制该关键信息的知悉范围；同时降低因存储标签转发表产生的数据流量对正常业务流量的影响，避免引起网络的拥塞。

1PTN网络标签转发表关键信息备份技术

PTN网络传送业务以成帧的形式进行，传送的帧包括数据帧和OAM帧两类。光纤上传送的数据是标准以太网帧，在不同节点之间传送数据帧和OAM帧时要进行标签替换，对应TMP和TMC标签域数据取值的更改，实现业务交叉连接和分组交换。PTN业务的帧结构如表1所示，目的地址(DA)为下一跳接口地址或广播地址，源地址(SA)为本地接口地址，CRC实现循环冗余校验功能。TMP标签域表示端到端的逻辑连接特性，等效于MPLS技术中的隧道层；TMC标签域表示业务的具体特性，比如连接类型、信息拓扑类型(点到点、点到多点以及多点到多点等)及业务类型等，等效于PWE3技术中的伪线层(或虚电路层)。在PTN网络正常工作时，各网络节点都会建立起各自的标签转发表，该信息主要包含目的地址(DA)、源地址(SA)和TMP标签域、TMC标签域不同取值的对应关系，通过查询该表能够明确网络中经过本节点不同业务转发的路径。

表1　PTN业务帧结构

现有PTN网络中，MPLS-TP已成为主流的技术选择，在新建PTN网络进行节点配置或现有PTN网络受损后进行替换节点配置过程中，其数据面遵循经过裁剪的MPLS技术，控制面技术则基于GMPLS。以现有网络节点严重受损，使用替换节点进行网络恢复的过程为例，主要涉及的技术包括基于GMPLS的自动发现技术和基于MPLS的标签分发协议技术。自动发现能够实现某些网络设备或终端用户自动识别与自己相连接的网络设备或终端用户的身份，使资源标识相互匹配，即获得相邻节点的控制地址、节点地址和对应本地端口标识的远端端口标识。同时也能够发现本地节点与这些邻居节点之间的接口和链路所承载的业务类型[3]。自动发现又分为自动邻居发现和自动业务发现，自动邻居发现通过链路管理协议(LMP)技术实现IP控制信道的配置、Hello过程的激活以及链路状态信息的确认；自动业务发现实现服务属性的确定，包括信令协议的类型及服务粒度的大小。标签分发协议[4](Label Distribution Protocol，LDP)是标签交换路由器在网络中建立标签交换路径的一系列消息及消息处理过程。其实质是在物理上或者逻辑上相邻的对等LSR之间根据网络层路由信息和其他一些相关协议(如RSVP等)产生具有一定语义的标签，并将这些标签分发到与其相邻的对端LSR上，由此将网络层路由直接映射到数据链路层的交换路径上形成标签交换路径的一系列处理过程。

现有PTN网络恢复技术体制下，替换设备接入受损PTN网络，上电完成后通过自动发现技术进行网络直连邻居节点的识别，获取其IP地址、端口数量及可用资源情况并告知本节点可以提供的服务及端口、存储空间等资源情况。随后通过标签分发协议建立与邻居节点的会话，协商建立本节点与其他节点的业务通道(即标签交换路径)，并形成本节点设备各出入端口与不同业务流向对应的标签转发表，恢复网络节点的业务转发能力。

本文提出的网络存储标签转发表技术是指PTN网络正常工作时在控制面或者管理面功能的作用下，将各网络节点形成的标签转发表信息备份到与其相邻的网络节点中，当网络所在环境发生剧烈变化导致网络节点严重损毁时，其标签转发表信息并不会丢失，而是留存在相邻节点中，替换节点可以向相邻节点请求存储的原节点标签转发表信息，从而快速建立自己的标签转发表。同时，在网络节点中设置定时器，使得网络节点定期向相邻节点发送标签转发表更新信息，保证邻居节点中备份了该节点最新的标签转发表信息。

图1给出了一个7个节点PTN网络的连接拓扑图，以节点G为例介绍在PTN网络中存储标签转发的大致流程。网络正常工作情况下，在控制平面以及相关协议的作用下，各节点逐步产生自己的标签转发表信息。如节点G，将按照目前PTN网络的技术标准，与上下游节点协商，形成自身的标签转发表。节点G在形成标签转发表后，通过扩展的LDP协议与其相邻的节点A、节点E和节点F进行信令交互，协商必要的参数信息，为在这三个相邻节点中存储备份标签转发表信息做准备。

图2　标签转发表信息网络备份存储实现流程图

PTN网络各节点采用扩展的LDP协议进行信令交互，以网络节点G和F的信令交互过程为例，流程如图2所示，具体步骤包括：

(1)通过发送Discovery[5](发现)消息，网络节点G确认相邻节点F是其直连邻居对等节点；节点G与节点F进行常规参数的协商，如标签分发方式的协商等；

(2)节点G向节点F询问其设备中可以用于存储备份标签转发表信息的剩余存储空间的大小λF;

(3)节点F响应节点G的请求，返回参数值λF；

(4)节点G收到λF，将λF与相应的条件进行比较判断。节点G与其他两个邻居节点A和E进行同样的信令过程，经过上述步骤1、2、3后，节点G得到参数值λA和λE。节点G将所得的三个参数值与存储标签转发表相关信息所需的存储空间的大小进行比较，选择大于存储需求的参数值。假定λA和λF符合大于存储需求的条件，那么节点G就会与节点A和节点F接着进行步骤5到步骤7的流程，而节点G与节点E的信令过程则会直接跳转到步骤7结束流程；

(5)在第4步比较判断的基础上，节点G向节点F请求预留存储自身的标签转发表信息所需的存储资源，并分配发送这些信息所要使用的标签值；

(6)节点F响应请求，为节点G预留所需的存储空间，并分配标签LF(同样，节点A响应节点G的请求，为节点G预留所需的存储空间，分配标签LA)；

(7)节点A和节点F备份存储从节点G发送来的标签转发表信息，会话结束，连接拆除。

2基于网络存储标签转发表的流量控制技术

通过在PTN网络邻居节点存储备份标签转发表这一关键信息能够有效解决网络受损条件下业务转发能力快速恢复的问题，然而这一方法也在PTN网络引入了额外的数据传送负担，增加了网络中的流量，严重时可能造成网络拥塞。需要引入适当的流量控制机制，将该不利的影响降到最低而又不引起网络全局性的流量控制。采用信令实时监测链路状态，对连接相邻节点的链路状况进行统计分析，判定相邻节点通信链路的通信性能和可靠性，从中选择最稳定可靠的链路。只在部分邻居节点进行标签转发表信息的备份，避免在所有相邻节点中都进行备份而产生的不必要额外流量。

在完成图2 所示第1个步骤的流程后，采用改进的CSMA[6](载波侦听多路访问)技术进行链路流量的探测，避免造成链路阻塞，具体实现流程如图3所示。网络节点先通过LDP协议与相邻节点进行信令交互，获知通往它们对应链路的阻塞率Pi和平均业务量Qi(其中0

图3　网络链路状态探测流程图

在网络节点向选定的相邻节点存储其标签转发表信息时，并不是有数据就发送，而是先检测与选定节点相连链路的即时业务流量。如果链路上的即时业务量比较大，链路剩余带宽资源不足，此时发送标签转发表信息有很大的几率造成链路阻塞，影响正常的业务传送。需要在网络节点中设置随机延时器，启动随机延时器一段时间后再检测链路上的流量，决定是否发送数据。如果链路上的即时业务流量比较小，可用带宽资源足以满足网络节点发送标签转发表信息所需带宽，则把待发送的数据包加入到网络节点的发送队列中。通过该机制，避开链路上正常业务流量比较大的情况，防止备份标签转发表信息引起的流量与正常业务竞争资源，引起正常业务传送的阻塞。

完成标签转发表信息的备份后，设置备份信息更新的周期，根据标签转发表中各不同条目的重要性，采用不同的处理方式。对于重要程度不同的转发条目采用不同的更新频率，设置不同的更新周期[7]。比较重要的转发条目，例如与高等级业务相关的转发条目，设置较短的更新周期，保证其正确性；而与低等级普通业务相关的转发条目，可以设置较长的更新周期，尽量减少更新带来的流量增长。当标签转发表中的条目到达更新周期时，先判断该条目是否发生了变化，只更新发生改变的转发表条目并删除已过期转发表条目的备份。对于标签转发表中新产生的转发表条目，立即在选定的相邻节点进行备份，并根据重要程度设置更新周期。

图1所示的PTN网络中，假定网络节点G有一张包含3个转发条目的标签转发表，主要由条目编号，入端口，出端口，入标签，出标签，优先级等几项内容构成，如图4所示。其中优先级包括EF(Expedited Forwarding)、AF(Assured Forwarding)和BF(Best Effort)三个等级，快速转发类EF为最高优先等级，保证转发类AF次之，尽力而为类BF为最低等级。网络节点在建立标签转发表时分别为这三个优先等级设置更新周期TE、TA、TB，且TE

图4　标签转发表条目更新示意图

如图4所示，编号为601和603的转发表条目出端口分别由201和203变为101和204，与之对应的出标签由96和36变为88和32。节点G检测到上述条目的变化后， 不会立即更新变化的条目或整张标签转发表的备份，而是等待601和603转发条目更新周期TE和TB的到来。由于转发条目601对应的优先级为最高等级的EF，其对应的更新周期TE将更早到来。在更新周期TB到来后，探测对应链路上的即时业务流量，在不影响链路正常业务的情况下，将转发条目601和603更新后的内容封装成数据包发送到A和F两个相邻节点，更新原有备份。对于编号为602的转发条目，由于其内容没有变化，所以即便更新周期TA到来，节点G也不会向相邻节点发送数据更新信息。

3基于网络存储标签转发表的信息安全加固技术

网络受损条件下，通过在PTN网络邻居节点存储备份标签转发表信息，替换节点能够基于备份的原节点信息快速重建自身的标签转发表，形成PTN业务转发能力。然而，当PTN网络中部分节点出于信息安全的考虑，不希望相邻节点知道其备份的标签转发表内容时，需要对备份的信息采用特定的安全加固技术，控制其知悉范围。在PTN网络节点存储标签转发表信息的过程中，各网络节点实时获取相邻节点剩余存储空间的大小，对需要安全加固的转发表信息进行数据交织和加密等技术处理，然后按照剩余存储空间大小按比例随机将数据包发送到不同的相邻节点，提高标签转发表这一关键信息的安全性和保密性。

数据交织是通信系统中进行数据处理而采用的一种技术，从其本质上来说就是最大限度的改变信息结构而不改变信息内容，是对一串数据进行位置上的重新排列。交织可认为是一种序列到序列的映射，映射前后的序列元素类型及数量相同，序列元素中的位置发生了变化[8]。数字通信中常用的交织技术按交织方式可分为分组交织和随机交织等，按交织对象分可分为字节交织和位交织。对于不同的交织技术而言，区别只是交织表不一样，在电路中表现为读写地址的顺序不同。

图5描述了标签转发表信息交织处理的过程，原标签转发表包含n个转发条目，对应表格中的n行，各转发条目数据包包含k个字节，对应表格中的k列，转发表包含的总字节数为k*n。本文采用字节交织的方式进行处理，图5中所示的交织处理规律为最简单的行列置换法，即将转发表中处于同一列的各字节提取出来封装成一个新的转发条目，最终得到新的标签转发表。该表包含k个转发条目，各转发条目的数据包由n个字节构成，交织后转发表的字节总数不变。在实际应用过程中，需要采用更为复杂的交织规律进行标签转发表信息的处理，所采用的交织规律由网络节点决定，不通告其相邻节点，使得邻居节点无法通过反交织获知备份信息的具体内容。

图5　标签转发表信息交织处理示意图

经过交织处理的标签转发表信息在节点G还需要进行加密处理，加/解密算法和密钥都不通告相邻节点，进一步提高信息存储的安全性。随后开始如图2所示的存储备份流程，经交织和加密处理的各转发条目数据包需要添加邻居节点分配的转发标签和本节点生成的顺序号，顺序号使得节点G以后从相邻节点获取自己备份的标签转发表信息数据包时，能区分这些数据包的先后顺序。节点G的标签转发表信息可以在节点A和节点F中各备份1份，也可以选择按比例随机地将备份信息发送到节点A和F进行备份，分散了邻居节点信息存储和链路发送流量的压力。更为重要的是，随机存储的方式使得通过其中一个节点无法获得所有的备份数据包，也就不可能得到完整的标签转发表，进一步增强了在网路中存储标签转发表的安全保密性能。

4结语

PTN网络中基于标签转发表进行各类业务的转发处理,当网络节点主备设备受损严重时，替换设备按现有技术逐步重新建立标签转发表，形成转发能力的时间过长。本文提出在相邻网络节点存储备份标签转发表的方法实现网络受损条件下业务转发能力的快速恢复，同时通过综合运用数据交织、加密、流量控制等技术，实现网络节点标签转发表信息的安全保密存储，并避免该信息备份过程对网络正常业务传输造成影响，提高已部署网络的运维能力和服务水平，充分发挥PTN产业对国民经济的助推作用。

参考文献：

[1]丁明吉,张明宇等. 基于PTN的多路径传输连接建立机制研究[J].光通信技术，2013,37(9):28-31.

[2]蔡芸芸.基于MPLS网络的PWE3实现研究[D]. 南京：南京航空航天大学，2008.

[3]段若琳.基于T-MPLS的分组传送网中拓扑发现技术研究[D]. 北京：北京邮电大学，2010.

[4]AWDUCHE D, BERGER L, GAN D, et al. RSVP-TE：Extensions to RSVP for LSP tunnels[Z]. RFC 3209,2001.

[5]BERGER L. Generalized multi-protocol label switching(GMPLS)signaling resource reservation protocol-traffic engineering(RSVP-TE) extensions [Z].RFC3473,2003.

[6]李聿渊，宋立辉，沈海阔. 基于CSMA/CD以太网的军事通信网实时性分析[J].计算机测量与控制，2009,17(7):1331-1333.

[7]吴昊.LDP协议在光网络中的应用研究[D]. 南京：南京邮电大学，2007.

[8]K Andrews，C. Heegard, D. Kozon．A theory of interleavers.1997 IEEE hat.

丁明吉(1982—)，男，山东临沂人，工程师，主要研究方向为光传送网技术；

E-mail：jimmydmj1202@163.com；

鞠涛 (1978—) ，男，山东潍坊人，高级工程师，硕士，主要研究方向为光通信技术；

张明宇(1984—)，男，吉林松原人，高级工程师，博士，主要研究方向为光通信技术；

李和璋 (1958—) ，男，广西桂林人，研究员级高级工程师，主要研究方向为通信工程及网络管理研发；

罗青松(1964—)，男，广西宾阳人，研究员，中国电子科技集团公司首席专家，主要研究方向为光通信技术。

Research on Application of Label Forwarding Tables in PTN network

DING Ming-ji, JU Tao, ZHANG Ming-yu, LI He-zhang, LUO Qing-song

(The 34th Research Institute of CETC, Guilin, Guangxi 541004, China)

Abstract:For the importance of label forwarding tables in PTN network, a method of traffic forwarding tables information stored on neighbor nodes in the same network is proposed which will help replaced node to provide data path traffic forwarding ability quickly when damage occurred. At the same time, the technology such as data interleaving, encryption and traffic controlling are used to guarantee the secure store of the label forwarding tables, control the knowing range of key backup information, and reduce the influence of traffic produced by Information storing process on the network normal operation.

Key words:Packet Transport Network (PTN); Label Forwarding Tables; Label Distribution Protocol(LDP)；Traffic Engineering; Data Interleaving

作者简介

中图分类号：TP393

文献标识码：A

文章编号：1673-5692(2016)01-045-06

基金项目：广西科技攻关课题(桂科攻14122005-26)

收稿日期：2015-12-07

修订日期：2016-2-10

doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.01.010