融合环回和源路由的MPLS-TP网络高效环保护方法

黄 盛，卓 越，金 鑫，任 智，张剑波,张 鹏

(1. 中国能源建设集团 广东省电力设计研究院，广东 广州 510663；2. 中国南方电网电力调度控制中心，广东 广州 510623； 3. 重庆邮电大学 移动通信技术重庆市重点实验室，重庆 400065)

融合环回和源路由的MPLS-TP网络高效环保护方法

黄 盛1，卓 越1，金 鑫2，任 智3，张剑波3,张 鹏3

(1. 中国能源建设集团 广东省电力设计研究院，广东 广州 510663；2. 中国南方电网电力调度控制中心，广东 广州 510623； 3. 重庆邮电大学 移动通信技术重庆市重点实验室，重庆 400065)

环回和源路由是多协议标签交换-传输应用(multi-protocol label switching transport profile，MPLS-TP)网络环保护的2种基本方式，融合它们有利于减少丢包和降低数据时延。针对目前融合二者的方法在控制分组传输路径和倒换时延方面存在冗余的问题，提出一种新的环保护方法—高效的环回和源路由网络环保护(efficient wrapping and steering，EWAS)，通过精简控制分组传输路径消除路径冗余，降低控制分组传送开销和倒换时延，并使中间节点自动倒换数据传送通路以减少数据分组转发次数。理论分析验证了新方法的有效性，仿真结果显示，与环回、源路由和环回和源路由网络环保护(wrapping and steering，WAS)方法相比，EWAS的控制开销和倒换时延分别降低20.55%和15.18%以上。

多协议标签交换-传输应用(MPLS-TP)；环保护；环回；源路由；融合

0 引 言

多协议标签交换-传输应用(multi-protocol label switching transport profile，MPLS-TP)[1-2]是从网络间互联协议/多协议标签交换(internation protocol/multi-protocol label switching，IP/MPLS)发展而来的一种较新的网络传输技术，它加强了MPLS面向连接的标签转发能力且具有确定的端到端传送路径，在建立路由时不依赖基于IP地址的逐跳转发机制和控制平面，从而增强了网络的保护和操作维护管理(operation administration and maintenance，OAM)能力，目前受到越来越多的关注。近年来，国内的电信、电力系统等领域纷纷部署面向IP业务的数据分组传送网(packet transport network,PTN)[3-4]，MPLS-TP即为其中一种主流技术[5]。

环保护是MPLS-TP网络中一种应用广泛的基本保护机制[6-7]，它的主要思路是基于环形网络拓扑应对网络传输发生的故障。环回(wrapping)和源路由(steering)是MPLS-TP网络环保护的2种基本方式[8]，它们分别具有操作简捷和路径优化的优点，因此，近来出现了融合二者以集中优点的思路[9-10]。但我们通过深入研究发现现有融合环回和源路由的环保护方法在控制分组传输路径和倒换时延方面存在冗余，为此，提出一种高效的环保护新方法，消除上述冗余，降低控制分组开销和倒换时延。

1 相关研究

作为MPLS-TP网络技术中的2种基本保护方法，环回和源路由能够在环网中出现故障时恢复业务的传输[8,11]，如图1所示。环回方法的基本思路是故障链路或节点两端的相邻节点检测到故障后先切换到保护通路上，然后沿保护通路向对方发送自动保护切换(automatic protection switching，APS)消息,对端节点收到APS分组后也切换到保护通路上(见图1a)；虽然倒换后的路径通常不是最优，但环回方法只需2个节点执行倒换，操作简捷；另一种保护方法源路由的基本思路是故障链路或节点两端的相邻节点检测到故障后先切换到保护通路上，然后沿保护通路向对方发送APS消息；有上、下环业务且业务通路受故障影响的节点收到APS分组后将业务从工作通路切换到保护通路上(见图1b)。源路由方法能够优化数据传输路径，但执行倒换操作的节点相对较多。

图1 基本环保护方法Fig.1 Basic ring protection method

近年来人们对环回和源路由2种方法开展了一些研究和改进工作[9-10,12-13]。为了集中它们的优点，文献[9]提出一种融合它们的MPLS-TP网络环保护机制—先环回再源路由(wrap then steer，WtS)；即在MPLS-TP 网络的链路或节点发生故障后，先执行环回保护倒换，然后切换到源路由保护倒换；WtS虽然能够减少丢包，但在融合环回和源路由方法方面做得稍显简单。文献[10]为了集中环回方法丢包、失序少和源路由方法路径优化的优点，提出了(wrapping and steering,WAS)环保护方法，该方法的原理为与故障点相邻的节点检测到故障后，先从工作通路倒换到保护通路，接着向故障点对端节点发送一个APS分组，然后在保护通路上传送受影响的数据分组；有上、下环业务且业务通路受故障影响的节点收到APS分组后将业务从工作通路切换到保护通路上，如图2所示。

图2 WAS保护方法Fig.2 WAS protection method

通过深入研究，我们发现融合环回和源路由的现有方法在控制分组传输路径和倒换时延方面存在冗余，导致控制开销和倒换时延不必要增加，为此在本文中提出了一种新的环保护方法加以解决。

2 EWAS方法

为解决现有融合环回和源路由的环保护方法在控制分组传输和倒换时延方面存在冗余的问题，提出一种新的环保护方法—高效的环回和源路由网络环保护(efficient wrapping and steering，EWAS)，如图3所示。

图3 EWAS保护方法Fig.3 EWAS protection method

2.1 EWAS方法包含的新机制

EWAS方法包含以下2种新机制。

2.2.1 精简控制分组传输路径

在环保护过程中，现有融合方法将APS分组从故障处的一端通过环网传送到另一端以通知相关节点进行倒换。但我们通过深入研究发现，从业务出口节点到故障点下游节点的路径(图3中的ED)和从故障点下游节点到上游节点的路径(图3中的DC)上不会有需要保护的数据业务通过。因此，故障点下游节点不需要进行通路倒换，于是无需通知；据此，提出了“精简控制分组传输路径”的新机制，在从业务出口节点到故障点下游节点的路径上不再传送APS分组，从而能够减少控制分组转发次数并降低倒换时延。

另一方面，现有融合方法规定故障处两端的节点都要向对方发送APS分组，因而中间节点(图3中的F，B)有可能会2次转发通告同一故障的APS分组，造成冗余转发。因此，EWAS的“精简控制分组传输路径”新机制对这个问题同样设计了解决方法，具体为中间节点收到通告同样故障的APS分组时不再进行转发。这样便能减少控制分组的冗余转发次数及其带来的开销。

2.1.2 中间节点自动倒换数据传送通路

当MPLS-TP网络的链路或节点发生故障时，现有融合方法(如WAS)在故障点上游节点(图3中的C)将工作通路倒换为保护通路；因此，在业务入口节点收到APS分组并进行倒换之前，由于中间节点未做倒换，送往故障点下游节点的数据分组都会被送到故障点上游节点并被原路送回，这种操作导致数据传输路径存在冗余。“中间节点自动倒换数据传送通路”新机制让入口节点和故障点上游节点之间的中间节点(图3中的B)能在有数据分组传送时自动地从工作通路倒换到保护通路(图3中B处带箭头粗线)，从而使数据分组不再被送到故障点上游节点，能够降低数据分组传送开销。

2.2 EWAS的操作

EWAS方法的主要步骤如下。

步骤1故障处一端的节点(图3中的C)将工作通路倒换到保护通路；然后向出口节点(图3中的E)发送APS分组；并将受故障影响的数据倒换到保护通路上传送。

步骤2业务入口节点(图3中的A)和故障一端节点之间的节点(图3中的B)收到APS分组后，如果有受影响的数据，则将工作通路倒换到保护通路；然后在保护通路上传送这些数据。

步骤3业务入口节点收到APS分组后，将工作通路倒换到保护通路；然后在保护通路上将数据出口节点。

步骤4业务出口节点收到APS分组后，将保护通路倒换到工作通路。至此，环保护倒换工作完成，数据传输路径得到优化且数据也避免了无谓的丢失。

2.3 性能和复杂度分析

关于EWAS方法的性能，我们推导出如下引理。

引理当出口标签交换路由器(label switching router，LSR)与故障节点或链路不相邻时，EWAS方法的控制开销少于环回、源路由和WAS方法。

证明定义控制开销V为环中每个节点源发或转发的控制分组的bit数，即

(1)

当环路发生故障时，EWAS，WAS、环回和源路由方法都会让邻近故障点的节点向对端发送一个同样的APS分组，因此有

LEWAS=LWAS=LWrapping=LSteering=LAPS

(2)

nEWAS=nWAS=nWrapping=nSteering

(3)

(4)

故障点上游节点先发出APS分组的概率为0.5；2个APS分组在途中相遇的概率p为

p=t/T

(5)

(5)式中：t，T分别为APS分组从故障点一端节点传送到另一端节点所需时间；T为节点检测故障的周期。

∵t>0,∴p>0

根据各算法原理，有

(6)

(6)式中：m为环上的节点数。而对于EWAS方法，有

(7)

(7)式中，a为故障点下游节点到出口LSR的跳数，a>0。

分项对比(5)，(6)式可得

(8)

于是有

VEWAS

(9)

证毕。

3 仿真分析

选取环回、源路由和WAS方法作为比较对象，以OPNET软件[14]为仿真平台，在相同的仿真参数条件下，比较4种机制的控制开销、倒换时延、丢包率和数据分组平均端到端时延性能。

3.1 仿真统计量

3.1.1 控制开销

控制开销是指环保护方法在控制方面的消耗，反映方法的效率，可定义为环中每个节点源发或转发的控制分组的bit数，根据(1)式计算。

3.1.2 倒换时延

倒换时延是指从节点检测到链路发生故障开始到环中节点完成保护倒换的时间。计算公式为

Tdelay=Tend-Tbegin

(10)

(10)式中：Tend为保护倒换结束时间；Tbegin为检测到故障时间。

3.1.3 丢包率

环保护的丢包率是指从发生故障开始，到达出口LSR的数据分组数与从入口LSR发送的数据分组数之比，计算公式为

(11)

(11)式中：C表示到达出口LSR的数据分组数；D表示所有从入口LSR发送的数据分组数。

3.1.4 数据分组平均端到端时延

指网络的数据包到从入口LSR到达出口LSR的时间，计算公式为

(12)

(12)式中，Ti是第i个数据分组从入口LSR到达出口LSR的时延。

3.2 仿真参数设置

根据文献[9]设置节点的业务模型，主要的仿真参数设置如表1所示。

表1 主要仿真参数设置

3.3 仿真结果及分析

3.3.1 控制开销

控制开销比较如图4所示。

图4的仿真结果显示，EWAS方法的控制开销少于其他3种方法，差值在20.55%以上。这是因为EWAS方法通过采用“精简控制分组传输路径”新机制，在2种情况下缩短了APS分组的路径和转发次数，因此，控制开销得以明显降低。

3.3.2 倒换时延

倒换时延比较如图5所示。

图4 控制开销比较Fig.4 Compare the overhead

图5 倒换时延比较Fig.5 Compare the switch time delay

从图5可看出，EWAS方法的倒换时延比其他3种方法小15.18%以上，这是因为EWAS方法采用了“精简控制分组传输路径”的新机制，环路上出口节点之后的节点不用再执行倒换，因而节点执行倒换所需的总时间得以减少。

3.3.3 丢包率

图6 丢包率比较Fig.6 Compare the packet loss rate

与源路由方法相比，环回类方法因为要在保护通路中传送已进入工作通路的数据分组而使丢包率相对更低。EWAS方法因继承了上述操作而与环回类方法具有相同的丢包率，如图6所示。

3.3.4 数据分组平均端到端时延

数据分组平均端到端时延比较如图7所示。

图7 数据分组平均端到端时延比较Fig.7 Compare the data packet average end-to-end delay

从图7可看出，EWAS方法的数据分组平均端到端时延与源路由、WAS方法相同，在每个场景中均低于环回方法。这是因为EWAS吸收了源路由的路径优化机制，使保护通路中入口、出口节点之间的路径得到了优化。

4 结束语

为了消除现有融合环回和源路由的MPLS-TP环保护方法在控制分组传输路径和倒换时延方面存在的冗余，本文提出一种高效的环保护新方法，通过精简控制分组传输路径和中间节点倒换通路降低控制开销并减小倒换时延，理论分析和仿真结果验证了新方法的有效性，从而有助于将环保护的性能提升到更高的水平。未来的研究将在降低丢包率方面深入展开。

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黄 盛(1978-)，男，江西九江人，广东省电力设计研究院高级工程师，研究方向为电力系统通信与同步技术。E-mail: 15818885895@139.com。

卓 越(1981-)，男，江西宜春人，博士，广东省电力设计研究院工程师，研究方向为电力系统通信技术。 金 鑫(1985-)，男，湖南望城人，中国南方电网电力调度控制中心工程师，研究方向为电力系统通信与维护技术。 任 智(1971-)，男，四川隆昌人，博士/后，重庆邮电大学通信与信息工程学院教授，研究方向为宽带通信网理论与技术。

张剑波(1989-)，男，安徽合肥人，硕士研究生，研究方向为MPLS-TP网络通信技术。E-mail：1025083236@qq.com。

(编辑：刘 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

张剑波 1025083236@qq.com

国家自然科学基金(613719159)；南方电网科技项目(K-ZD2013-022)；重庆邮电大学大学生科研训练计划项目(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