一种动态MPLS卫星网络中的标签交换方法

摘要

本发明公开了一种动态MPLS卫星网络中的标签交换方法，包括步骤1：标签分发协议过程中的对等体发现，其具体实现是通过Hello消息邻居的实时更新进行对等体发现；步骤2：建立与维护标签分发协议的会话；步骤3：建立与维护标签交换路径。利用本发明提供的卫星MPLS网络中的标签交换方法，能够有效地解决MPLS标签交换路径上因为卫星通信网络的链路环境、网络拓扑结构变化所导致的卫星链路断开从而使数据无法转发的问题，能够很好的适用于卫星网环境。本发明的实现简单，效果良好，具有广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于卫星多协议标签交换（MPLS）技术领域，特别涉及一种卫星上动态MPLS网络中的标签交换方法。

背景技术

随着卫星通信技术的发展，卫星已由原来的透明转发发展到具有星上交换处理的能力。目前星载交换体制主要有星载ATM交换和星载IP交换等。星载ATM交换方式协议开销较大、可扩展能力不强、信令复杂，且不能与地面IP网络实现无缝连接。星载IP交换基于逐跳的转发策略，每一跳都要进行IP的最长前缀匹配查表，导致星上转发速率慢，且单纯的IP交换QoS保证能力薄弱，与异步传输ATM不同的是：MPLS技术不能单独构成网络体系结构，必须依托IP协议才能使用。参考地面网络交换技术的发展，多协议标签交换技术是为使TCP/IP协议体系结构中的链路层与的网络层相结合而提出的，使针对网络层的全部复杂的操作都可以映射为对标签的操作，有效避免IP协议与网络节点的交互问题。近年国内展开了将MPLS交换技术应用在卫星通信网络中的研究，以满足卫星通信发展的需求。

相比与地面通信环境，卫星通信环境具有鲜明特点：

(1)具有特殊的拓扑时变性。由于卫星节点运动的规律性，因此网络拓扑的变化具有周期性和可预测性，这种特点可用来优化卫星MPLS 网络中LSP 的路由计算或标签的初始化和维护策略；

(2)具有很大的传输时延特性。由于卫星节点分布于很大的空间中，节点间的传输时延比地面网络节点间的传输时延大得多，成为网络通信时延的主要部分。这种长时延特性对于卫星MPLS网络业务QoS 保证、MPLS 对等体的发现与维护、LDP 信息交换以及基于约束的LSP 路径的建立等方面都带来了新的问题；

(3)星上计算资源有限性。由于受供能、体积等因素的限制，卫星节点的计算能力往往远远低于地面节点，这种特性对于卫星MPLS 各种算法的复杂度、协议复杂度以及LER、LSR 的分布策略等都提出了新的要求。

由于上述卫星通信环境，卫星通信网络的应用面临的挑战有：

(1)可变、长时延链路。不同种类的应用业务对时延的敏感程度不同，根据业务传输特点选择全局较优的传输路径是卫星通信网络研究的热点之一；

(2)网络拓扑频繁变化。由于卫星节点的高速运动导致网络拓扑变化，应用数据流量的传输路径需要随着网络拓扑变化而变化；

(3)卫星通信网络资源受限。星际链路与星地链路容量有限，带宽较低，如何解决卫星通信网络资源稀缺与卫星应用业务需求增加的矛盾是今后卫星通信研究的一个方向；

(4)异构网络互连。异构网络互连问题一直是卫星通信的一大难题，多协议标签交换（MPLS）技术能适应不同的数据链路层，为异构网络之间互连提供可能。

正是由于卫星网与地面网的这些差异导致地面上很多的协议直接应用于卫星上会出现各种不可预见的问题，包括如MPLS。在运用MPLS技术的网络中，需要将相同属性的业务流聚合，采用统一的转发等价类FEC（Forwarding Equivalence Class）标识，并为聚合业务流建立可行路径。应用业务进入MPLS网络域边缘时，边缘路由器根据业务数据报文的IP首部信息将数据报文归类于FEC，同时为FEC搜索标签转发路径LSP（Label Switch Path）。当业务数据流进入MPLS网络域中间转发路由器后，中间转发路由器根据标签对数据报文进行转发，而无需复杂的IP路由转发，提高了转发效率。随着卫星网络技术的发展，如何在卫星网络中实现MPLS技术将成为卫星通信网络的一个新的研究方向。

目前，MPLS技术在卫星通信网络中的研究取得了一定的进步：

(1)卫星MPLS组网方案，即MPLS域的划分，目前一般采用地面站或者应用型低轨道卫星作为MPLS网络的边缘路由器，同步轨道卫星作为中间路由器；

(2)借鉴地面Internet网络，在TCP/IP协议体系下对基于MPLS的卫星通信网络进行相关应用研究；

(3)MPLS/IP框架下卫星应用业务QoS的路由，例如Karapantazis 等人提出了在低轨道卫星LEO星座中的QoS的路由方案，翟立君等人提出的卫星MPLS网络关键技术研究和袁天提出的基于遗传算法的卫星MPLS网络路由协议研究等等；

(4)基于MPLS模式下卫星通信网络的流量工程的架构；

(5)卫星MPLS网络中的标签检验方法。

当前对MPLS卫星网络的研究主要集中在相对静止的GEO骨干网络，没有针对卫星通信网络的链路环境、网络拓扑结构变化特点，考虑动态卫星网络中的标签分发方法。

MPLS是一种将第3层IP和第2层交换结合的交换技术，其核心就是对分组进行分类，依据不同的类别为分组打上不同的标签，建立交换路径，随后仅根据标签在预先建立好的交换路径上传输分组。实现MPLS并提供各种高级扩展功能的关键问题就在于如何对分组分类、如何建立和维护标签交换路径，这些都由标签分发协议解决。在运用MPLS技术的网络中，需要将相同属性的业务流聚合，采用统一的转发等价类FEC标识，并为聚合业务流建立可行路径。应用业务进入MPLS网络域边缘时，边缘路由器根据业务数据报文的IP首部信息将数据报文归类于FEC，同时为FEC搜索标签转发路径LSP。当业务数据流进入MPLS网络域中间转发路由器后，中间转发路由器根据标签对数据报文进行转发，而无需复杂的IP路由转发，提高了转发效率。随着卫星网络技术的发展，如何在卫星网络中实现MPLS技术将成为卫星通信网络的一个新的研究方向。

为了在MPLS网络域中使用标签交换处理转发数据报文，转发路径上的边缘标签交换路由器节点必须建立下一跳转发路由表项（NHLFE），其中包含转发数据报文所需的标签信息、接口信息与IP地址信息，这个过程成为标签分发。

在MPLS标准文档中并没规定在边缘标签交换路由器节点之间标签分发的信号协议，在MPLS网络中有多种协议实现标签的分发，如：边界网关协议（BGP）、标记分发协议（LDP，Label Distribution Protocol）与资源预留协议（RSVP）等等。边界网关协议与标记分发协议采用了TCP协议传输分发标记信息的数据报文，能够保证标签分发的可靠性。

标签分发协议LDP是 MPLS 体系中的一种主要协议。在 MPLS 网络中，两个边缘标签交换路由器节点必须用在它们之间或通过它们转发流量的标签上达成一致。标签分发协议定义了一组程序和消息，通过它们一个边缘标签交换路由器节点可以通知另一个边缘标签交换路由器节点其已经形成的标签捆绑。通过网络层路由信息与数据链路层交换路径之间的直接映射，边缘标签交换路由器节点可以使用标签分发协议通过网络来建立标签交换路径。标签分发协议启动的时候首先发现标签分发协议对等实体，接着触发标签分发协议会话的初始化，之后在2个对等实体之间建立标签分发协议会话并使用各种机制对其进行维护，根据在MPLS域中各边缘标签交换路由器节点上的路由表和有关标签分发协议的配置，触发标记分发过程，形成标签交换路径，并对这些路径进行管理和维护 。通过使用标签分发协议，边缘标签交换路由器节点就可以把不同的特定的分组映射到相应的标签交换路径上，把网络层的路由信息直接映射到数据链路层的交换路径上，从而实现了二、三层的紧密结合。

传统的标签分发协议是MPLS的核心控制协议，并未考虑卫星网络拓扑变化的特点。由于卫星网与地面网的差异，有必要结合卫星网的特点，对标签分发协议进行适应性改进，提出新的标签分发方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种卫星MPLS网络中的标签分发方法。本发明通过借鉴地面MPLS的标签分发方法，对其进行适应性改进，从而实现卫星MPLS网络的标签分发。

本发明所采用的技术方案是：一种动态MPLS卫星网络中的标签交换方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：标签分发协议过程中的对等体发现，其具体实现是通过实时更新标签分发协议的对等体之间的Hello消息进行对等体发现；

步骤2：建立与维护标签分发协议的会话；

步骤3：建立与维护标签交换路径，其具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：建立实时的网络拓扑，搜索正确标签交换路径，其具体实现是数据链路层根据最强导频信号选择底层的链路链接关系，据此链接关系构建网络拓扑结构；

步骤3.2：在MPLS网络中建立标签交换路径；

步骤3.3：标签交换路径的重路由。

作为优选，步骤1中所述的Hello消息邻居的实时更新，其具体实现过程是当标签交换路径的重路由引发标签重新分发时，首先检索邻居节点信息中的Hello消息是否包含下一跳的邻居信息，若包含，则直接向邻居请求标签；若不包含，则启动MPLS邻居发现进程从而发现邻居，更新hello邻居信息，更新成功后向邻居请求标签。

作为优选，步骤2中所述的建立与维护标签分发协议的会话，其具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：首先在标签分发协议的对等体之间建立TCP连接；

步骤2.2：然后协商标签分发协议的对等体之间的会话参数。

作为优选，步骤3.1中所述的建立实时的网络拓扑，搜索正确标签交换路径，其具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1.1：首先确定在一个周期内的所有链接的链路，根据当前链接确定所需要的标签交换路径；

步骤3.1.2：然后根据链路层拓扑信息，在不同时间段内修改标签转发路径的权重，即改变标签交换路径的使用权限，使其在不同的网络拓扑结构中使用不同的标签交换路径。

作为优选，步骤3.1中所述的建立实时的网络拓扑，在原有地面标签分发协议进程模型中添加了拓扑更新中断，此中断类型为远程中断，拓扑更新中断响应函数的作用是：当MPLS的标签分发协议的进程收到链路层进程发送的链接关系时，更新当前的网络拓扑；更新当前网络拓扑的具体实现包括以下子步骤：

步骤A：建立并初始化邻接表；

步骤B：响应拓扑更新中断，进入中断响应函数；

步骤C：判断链路信息中的两个端点是否存在于邻接表的顶点表中；

若否，则将此端点添加到邻接表的顶点表中；

若是，则顺序执行下述的步骤D；

步骤D：判断链路信息中的链路状态是否有效，更新邻接表中的边表信息。

作为优选，步骤3.1中所述的更新邻接表中的边表信息，其具体实现过程是：

若链路信息中的链路状态有效，则判断边表中是否存在此端点信息；若是，则不用在边表中插入此端点；若否，则将此端点插入边表中；

若链路信息中的链路状态无效，则判断边表中是否存在此端点信息；若是，则此端节点从边表中删除；若否，边表中不存在此端点，不进行删除操作。

作为优选，步骤3.3中所述的标签交换路径的重路由，其具体实现包括以下子步骤：

步骤3.3.1：构建卫星MPLS网络在不同时间段内所需要的标签交换路径；

步骤3.3.2：初始化所有的标签交换路径的权重；

步骤3.3.3：遍历全局变量，判断是否有标签分发路径状态变化；

步骤3.3.4：修改状态变化的标签分发路径的权重。

利用本发明提供的卫星MPLS网络中的标签交换方法，能够有效地解决MPLS标签交换路径上因为卫星通信网络的链路环境、网络拓扑结构变化所导致的卫星链路断开从而使数据无法转发的问题，能够很好的适用于卫星网环境。本发明的实现简单，效果良好，具有广泛的应用前景。

附图说明

附图1 ：本发明实施例的Hello消息的信息更新处理流程；

附图2 ：本发明实施例的更新当前网络拓扑的流程图；

附图3 ：本发明实施例的标签交换路径重路由的处理流程；

附图4 ：本发明实施例的动态MPLS卫星网络仿真场景示意图；

附图5 ：本发明实施例的标签路径入流量速率统计图；

附图6 ：本发明实施例的标签路径出流量速率统计图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所采用的技术方案是：一种动态MPLS卫星网络中的标签交换方法，包括以下步骤：

步骤1：标签分发协议过程中的对等体发现，其具体实现是通过Hello消息邻居的实时更新进行对等体发现；

标签分发过程中对等体是指相互之间使用标签分发协议来交换标签/FEC映射关系的两个边缘标签交换路由器节点。两个标签分发对等体可以同时通过一个标签分发协议会话获得对方的标签映射消息，即标签分发是双向的。

希望建立会话的边缘标签交换路由器节点会向相邻边缘标签交换路由器节点周期性地发送Hello消息，通告自己的存在。通过Hello消息，边缘标签交换路由器节点可以自动发现它周围的边缘标签交换路由器节点邻居，并与其建立Hello邻接关系。地面MPLS网络拓扑结构相对固定，建立的hello邻居节点相对比较固定，而对于卫星MPLS网络中的低轨道卫星节点不断运动，导致网络拓扑处于不断变化，使标签分发协议的对等体之间广播的Hello消息需要不断的更新变化，影响了已建立会话的通断性。因此，需要对维护、更新标签分发协议的对等体之间的Hello消息信息，对更新的Hello消息重新建立会话。

通过Hello消息邻居的实时更新进行对等体发现，其重点在于节点何时发起邻居发现更新邻居的Hello消息信息。我们通过需求性自中断的方式，即拓扑变化引起标签路径重路由时，判断邻居节点的Hello消息中是否存在完整的下一跳节点信息，若不存在，则启动MPLS发现管理进程，重新发现邻居、更新Hello消息的信息、重新与邻居间建立会话。其优点在于只在需要此邻居节点时，更新邻居节点，建立会话，避免因为hello消息导致的网络性能下降。本发明中采用需求性自中断更新邻居信息的Hello消息。

请见图1，为本发明实施例的Hello消息的信息更新处理流程，当标签交换路径的重路由引发标签重新分发时，首先检索邻居节点信息中的Hello消息是否包含下一跳的邻居信息，若包含，则直接向邻居请求标签；若不包含，则启动MPLS邻居发现进程从而发现邻居，更新hello邻居信息，更新成功后向邻居请求标签。

步骤2：建立与维护标签分发协议的会话；其具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：首先在标签分发协议的对等体之间建立TCP连接；

步骤2.2：然后协商标签分发协议的对等体之间的会话参数。

标签分发协议的对等体发现完成之后，在本地节点上会建立一个邻居节点列表的Hello消息，即用于保存标签分发协议的对等体之间的会话信息。从而本地节点与标签分发协议的对等体建立会话。

步骤3：建立与维护标签交换路径，其具体实现包括以下子步骤：

（1）建立链路层拓扑，搜索标签分发路径的可行路径；

在卫星网络中，数据链路层根据最强导频信号选择底层的链路链接关系，此链接关系真正的反应了网络的拓扑结构。本发明在原有地面标签分发协议进程模型中添加了拓扑更新中断，此中断类型为远程中断，拓扑更新中断响应函数的作用是：当MPLS的标签分发协议的进程收到链路层进程发送的链接关系时，更新当前的网络拓扑。更新当前网络拓扑的流程如附图2所示，其步骤如下所示：

①　建立并初始化邻接表。全局的网络拓扑信息用图的方式组织，采用的数据结构为邻接表，全局网络中的节点共享此邻接表；

②　响应拓扑更新中断，进入中断响应函数；

③　判断链路信息中的两个端点是否存在于邻接表的顶点表中；邻接表的顶点表中包含当前网络拓扑中的所有顶点，并且对此顶点只有一次记录。因此，若邻接表的顶点表中包含了当前更新链路信息中的某个端点，则如需添加此端点到顶点表中，否则，应该添加此端点到顶点表中；

④　根据链路信息中的链路状态信息，更新邻接表中的边表信息；链路信息中标志了当前链路状态，为0时标志此链路处于连通状态，为1时标志此链路处于断开状态。当链路连通，需要修改邻接表中对应顶点的边表；当链路断开，需要在邻接表中对应顶点的边表中删除此端点。

（2）在MPLS网络中建立标签交换路径；

在MPLS网络中建立标签交换的路径，当标签交换路径中的某个节点或者某条链路失效后，将导致标签交换路径失效，之后标签交换路径重新建立，若不能建立，则标签交换路径建立失败，不再建立此条标签交换路径。

（3）标签交换路径的重路由；

标签交换路径的重路由的处理流程如附图3所示，在MPLS的标签分发协议的进程中导致动态标签交换路径重路由的原因是低轨道卫星与同步轨道卫星之间的相对位置发生变化，与当前使用的同步轨道卫星的链路断开，而链接到另外一颗同步轨道卫星上，致使动态标签交换路径需要重新路由，重新组织标签分发路径。标签交换路径的重路由的步骤如下：

①　判断此链接变化是否影响了网络中的标签交换路径的链接状态；由于卫星的运动导致卫星网络拓扑发生变化后，原始的链接状态随之改变，而此链接的变化是否影响了标签交换路径的链接状态，若不影响，即当前变化的链接不包含在标签交换路径中，则无需对标签交换路径进行重路由；若影响了标签交换路径的状态，则需要对此标签交换路径进行重新路由、重新分发标签、维护标签交换路径；

②　判断当前节点是否为标签交换路径的入口边缘标签交换路由器节点；建立标签交换路径的发起者是标签交换路径的入口边缘标签交换路由器节点，因此标签交换路径的重路由，即重新组织标签交换路径必须在标签交换路径的入口边缘标签交换路由器节点上完成。如果当前节点是标签交换路径的中间节点，则必须向上游逐跳通告此标签交换路径的状态发生变化，直至此标签交换路径的入口边缘标签交换路由器节点；

③　开始重路由；当标签交换路径的入口边缘标签交换路由器节点感知此标签交换路径的链接状态发生变化，首先设置此标签交换路径的权重为FAILED，然后调用路由切换函数开始重新组织此标签交换路径；

④　重路由完成，恢复此标签交换路径的权重；当完成标签交换路径的重路由过程，恢复此标签交换路径的权重，此标签交换路径重新可以提供业务流的传输服务。

下面结合仿真实例，说明本发明的使用方法和实施效果：

标签分发协议通过发送标签请求和标签映射消息，在标签分发协议对等体之间通告FEC和标签的绑定关系，从而建立标签分发路径。在卫星MPLS网络环境中，节点利用地面通用路由的路由协议建立的路由表信息不完整，而构建标签分发路径时依赖路由表信息建立标签路由，导致构建标签路由失败，标签无法请求。因此需要建立正确的网络拓扑信息，进而能搜索到正确的标签转发路由，解决此问题的关键在于建立实时的网络拓扑。在卫星网络中，数据链路层根据最强导频信号选择底层的链路链接关系，此链接关系真正的反应了网络的拓扑结构。

为了让对低轨道卫星的应用数据业务能在全时段内与地面站有连通链路，必须采用多条标签交换路径协同工作，在不同时间段内采用不同的标签交换路径，提供全时段的应用业务传输。

对此本发明提出如下解决方案：

（1）首先确定在一个周期内的所有链接的链路，根据当前链接确定所需要的标签交换路径；

（2）然后根据链路层拓扑信息，在不同时间段内修改标签转发路径的权重，即改变标签交换路径的使用权限，使其在不同的网络拓扑结构中使用不同的标签交换路径。

动态标签交换路径是通过标签分发协议组织标签交换路径，分发标签，分配交换接口与所需的下一跳IP地址等等信息，所有有关标签交换路径信息的设定在网络仿真中动态组织。因此，当标签交换路径组织完成后，通过关注动态标签路径是否能正常分发标签，数据流量是否能通过标签分发协议组织的标签交换路径进行转发，从而分析卫星MPLS网络动态标签路径的可行性。

请见图4，为本实施例的动态MPLS卫星网络仿真场景示意图，其中应用型低轨道卫星leo2_orbit2中的sever作为服务器，国际海事卫星船舶地面站ground3中的client作为客户端，两者之间进行视频会议业务（Video Conferencing），地球同步轨道卫星作为中继卫星，为此业务提供通信链路。因为地球同步轨道卫星之间相对运动，所以它们之间的链路始终存在。

动态标签交换路径MPLS仿真实验的步骤如下：

①　设计动态标签交换路径；

动态标签交换路径可以根据实时网络拓扑结构组织标签交换路径，动态标签路径leo2_orbit2-geo2-ground_subnet3建立一条从低轨道卫星leo2_orbit2到地面站ground3_subnet的路径。

②　配置业务模型相关参数；

应用视频会议业务（Video Conferencing）的参数配置：输入输出帧周期发送时间间隔为10s秒钟发送一帧数据；输入输出帧的大小为86.4kbps。

③　配置MPLS相关参数；

动态标签交换路径适应性修改方案配置的业务类型参数，（1）定义了两个转发等价类FEC；（2）流主干（Traffic Trunks）是标签交换路径属性的设置，其中Trunk Details是对流主干细节的设置，包含以下几点属性：Maximum Bit Rate、Average Bit Rate、 Peak Burst Size、Maximum Burst Size。

完成上述仿真实验配置后，统计网络性能参数。为验证动态标签交换路径适应性修改方案的可行性，本实验中收集的网络性能参数有：（1）Flows，表征经LSP转发的流量，流入流量或者流出流量；（2）视频会议数据流量的发送速率、接收速率与端到端的延时。

在使用动态标签交换路径传输视频会议流量的场景下，动态标签交换路径入流量与出流量的统计图。其中蓝色统计线条表示通过标签交换路径（ground_router - space_router ）的数据流量，在整个仿真过程中只有一条标签交换路径。

请见附图5与附图6，流入LSP流量的速率与流出LSP流量的速率大致相等，但是在几个时间点上出现下降后恢复。其原因是：网络拓扑链路发生变化导致使用的标签交换路径失效，需要采取标签交换路径重新路由，重新组织标签交换路径，而经原标签交换路径中传输的数据丢失，导致流出标签交换路径流量的速率下降，当标签交换路径重新建立后，流出标签交换路径流量的速率随之恢复。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。