卫星MPLS网络中的标签检验方法

摘要

本发明涉及卫星MPLS网络中的标签检验方法，该方法在卫星MPLS网络中利用单奇偶校验码对标签交换路径中各节点使用的标签进行编码；网内的标签交换路由器和标签边界路由器对标签进行奇偶检验，丢弃标签出现错误的分组。本发明能够有效地检测卫星MPLS网络中标签交换路径上因为卫星通信环境中误码所导致的标签差错，进而降低LSP上分组“误插入”事件的发生频率，最终减小LSP业务承载性能的损失，本发明的实现简单，效果良好，可适用于不同的标签设计方法，具有广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星多协议标签交换技术MPLS技术领域，特别涉及卫星MPLS网络中的标签检验方法。

背景技术

为了实现与地面网络的无缝融合，卫星网络的设计逐渐过渡到IP业务为主的框架内。伴随着多协议标签交换技术MPLS(Multi-ProtocolLabel Switching)在地面IP网络中的发展，如何在卫星应用环境中实施MPLS技术成为当前卫星网络研究的一个重要问题。由于卫星无线通信系统和地面有线通信系统在误码特性、传播延时、带宽资源以及设备处理能力等方面存在着差异，因而必须研究这些因素对MPLS技术实施的影响先并针对卫星通信的特点对协议做必要修改和扩展。

卫星MPLS网络中报文交换和转发是基于标签的。针对IP业务，IP包在进入MPLS网络时，入口的路由器分析IP包的内容并且为这些IP包选择合适的标签，然后所有卫星MPLS网络中节点都是依据这个简短标签来作为转发依据。当该IP包最终离开MPLS网络时，标签被出口的边缘路由器分离。标签交换路由器LSR(Label SwitchingRouter)是卫星MPLS网络中的基本元素，所有LSR都支持MPLS协议。一个转发等价类在MPLS网络中经过的路径称为标签交换路径LSP(Label Switched Path)。LSP在功能上与ATM和Frame Relay的虚电路相同，是从入口到出口的一个单向路径。LSP中的每个节点由LSR组成。

相比于地面有线通信环境，卫星通信系统误码性能较差，由于误码而导致的MPLS标签差错的事件将不可避免。如果出现差错的标签不在系统维护的标签列表内，分组被简单地丢弃；反之，如果错误的标签恰好与另一个合法标签交换路径LSP(Label Switched Path)的入口标签相匹配，交换系统根据查表的结果将其发送至对应出接口并将标签置换为LSP对应的出口标签，分组“误插入”错误的LSP中。

采用“垫层”结构设计的MPLS交换系统中，标签差错造成的分组“误插入”以整个IP数据包为单位。由于缺乏路由信息，MPLS域的边界路由器不会将“误插入”的IP数据包传送至LSP承载业务所对应的终端，因而可以认为误插入分组只是简单的占用了LSP管道某一段的一部分带宽资源。假设误插入所带来的流量可以忽略，这种系统中由于标签错误而造成的“误插入”对业务端到端的性能的影响相对较为轻微。将标签嵌入底层数据分组的包头，并依据标签实施交换的系统面临的问题相对复杂。因为分组承载能力的限制，根据标签进行交换的分组载荷可能只是IP数据包的一个片段。MPLS域边界路由器利用掺杂着“误插入”载荷的分组片段数据流重构IP数据包时可能出现失败，由于此时LSP上因为重构失败而导致的IP数据包丢失将影响业务端到端的性能。

由于经常采用承载能力受限的定长分组结构(例如卫星ATM系统，IP Over DVB-S系统)，卫星网络通常需要利用拆装(SAR)和汇聚(CS)处理将一个IP数据包分散到若干个分组内传输。如图1所示，可变长度的IP业务分组在卫星MPLS域的入口边界网关(Ingress LER)进行拆装处理后装载至卫星MPLS网络传输的分组。分组在LSP内传输，当它到达域的出口边界网关(Egress LER)时系统通过汇聚处理恢复IP数据包后继续分组的投递过程。图2给出了SAR和CS处理使用的一种典型的分组和拆装子层协议数据单元(SAR-PDU)结构。分组中标签的长度和MPLS交换系统能够同时维护的LSP的数量相关，可采用“L-LSP”和“E-LSP”的设计方案。在基于IP/DiffServ质量服务体系的MPLS/IP网络中，MPLS协议定义了两种标签构造方法，“E-LSP”除了提供标签用于区分业务流以外还提供附加控制位“EXP”用于标示业务的DiffServ服务类型，“L-LSP”方案则仅使用标签实现上述业务标示功能。“控制位”用来处理前向转发类(FEC)特定关联服务以外的分组传输控制任务，它可用于标示SAR-PDU的边界(与ATM AAL5方案中的分组头部的PTI域的功能类似)；“载荷”用于承载IP数据包的片段。拆装处理单元首先在IP数据包上附加长度、类型以及校验等信息从而构成SAR-PDU，然后再将其分割装载至分组内传输。汇聚处理单元从分组流中重构SAR-PDU，提取IP数据包后继续路由转发处理。汇聚处理单元使用“控制位”对处理缓冲内的SAR-PDU进行定界，并利用长度和校验信息检验获取的SAR-PDU。如果卫星MPLS系统因为标签差错而将一个分组插入到其他LSP中，LSP出口处的汇聚处理单元将因为检测到“误插入”分组所导致的长度不匹配或者校验差错而丢弃当前正在重构的SAR-PDU，IP数据包由此也被丢失。

TCP业务占据了当前Internet上的绝大部分的流量，LSP上因为分组“误插入”而导致的分组丢失将对它的性能造成显著的影响。对于持续时间较短的“短时”TCP会话，IP数据包丢失的主要影响在于拉长了“慢启动”阶段发送窗口增长到最大值所需要的时间；对于持续时间较长的“长时”TCP会话，会话因为IP数据包丢失而错误地启动拥塞控制机制来规避不存在的网络拥塞，缩小的发送窗口降低了带宽资源的利用率。

理论研究表明，可使用差分方程来描述TCP会话的发送窗口与IP数据包的丢失事件的时间间隔之间的关系。假设第“n”次IP数据包丢失事件发生时TCP会话的发送窗口大小为X_n(以TCP会话的最大分段长度(MSS：Maximum Segment Size为单位)，第“n-1-k”次与第“n-1-(k+1)”IP数据包丢失事件的时间间隔为S_n-1-k，链路的往返延时为RTT，如果没有最大的发送窗口限制，根据差分方程解得递推公式对于标准的TCP协议有：

$X_n=\frac{\underset{k=0}{\overset{\infty }{\Sigma }}{\left(\frac{1}{2}\right)}^k{S}_{n-1-k}}{\mathrm{RTT}}.---\left(1\right)$

当{S_k}序列构成的随机过程是平稳过程时，令λ＝1/E(S_k)、R(k)＝E(S_n，S_n+k)，则对于X_n，其均值E(X_n)和方差E(X_n²)有：

$E\left(X_n\right)=\frac{1}{2\lambda \left({\mathrm{RTT}}^2\right)},---\left(2\right)$

$E\left(X_n^2\right)=\frac{4}{3\left({\mathrm{RTT}}^4\right)}[R\left(0\right)+\underset{k=0}{\overset{\infty }{\Sigma }}{\left(\frac{1}{2}\right)}^{k-1}R\left(k\right)].---\left(3\right)$

尽管在拥塞避免阶段TCP会话的发送窗口以一个MSS为单位进行离散化、阶梯型调整，研究过程中通常使用连续时间函数X(t)对其进行近似。假设第“n-1”次IP数据包丢失时刻为t_n-1，第“n”次IP数据包丢失时刻t_n，则在时间区间(t_n-1，t_n]中，X(t)有：

$X\left(t\right)=\frac{1}{2}X\left(t_{n-1}\right)+\frac{1}{\mathrm{RTT}}(t-t_{n-1})=\frac{1}{2}{X}_{n-1}+\frac{1}{\mathrm{RTT}}(t-t_{n-1}).---\left(4\right)$

假设S_k是均值遍历的，则X_n和X(t)也是均值遍历的。不失一般性，令t₀＝0、t₁＝t₀+S₀。使用E_N⁰表示求随机过程变量的“Palm均值”，根据Palm分布的均值定理，表征一个长时TCP会话平均吞吐量的期望E(X(t))有：

$E\left(X\left(t\right)\right)=\lambda E_N^0\left[{\int }_0^{t_1}X\left(\tau \right)\mathrm{d\tau }\right]=\lambda E_N^0[\frac{1}{2}{X}_0{S}_0+\frac{1}{2\mathrm{RTT}}{S}_0^2]---\left(5\right)$

根据(1)，将S₀带入(5)，并考虑到$E_N^0\left(S_k\right)=E\left(S_k\right),$$E_N^0\left(S_n{S}_{n-k}\right)=E\left(S_n{S}_{n-k}\right)$则有：

$E\left(X\left(t\right)\right)=\frac{\lambda }{\mathrm{RTT}}[\frac{1}{2}R\left(0\right)+\underset{k=1}{\overset{\infty }{\Sigma }}{\left(\frac{1}{2}\right)}^{k}R\left(k\right)].$

(6)如果{S_k}是独立同分布的随机变量序列，E(S_k)＝ξ，则有：

$E\left(X\left(t\right)\right)=\frac{\xi }{\mathrm{RTT}}(\frac{1}{2}+\underset{k=1}{\overset{\infty }{\Sigma }}{\left(\frac{1}{2}\right)}^k).---\left(7\right)$

由(7)可知，LSP上承载的TCP会话的吞吐随着IP数据包丢失的平均丢失时间间隔的增大而提高。虽然式(7)因为假设TCP窗口没有上限从而与实际应用之间存在着一定差异(TCP一般设定64K字节的发送窗口上限)，它仍然能够作为一个可用的“上界”来估计标签差错条件下LSP承载TCP/IP业务的性能。如果LSP上分组“误插入”事件频繁地发生，它将因为具有较小的ξ参量而造成TCP业务承载性能的极大损失。

尽管卫星MPLS网络面临着误码导致的标签差错所带来的LSP业务承载能力下降的风险，但是当前由于MPLS协议可以运作在多个二层交换系统上，因而标准协议中没有给出差错情况下标签的检验方法。为了将MPLS技术应用至卫星系统，实现与地面网络的融合，设计符合卫星通信特点的MPLS标签检验机制问题成为亟需解决的一个关键问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种卫星MPLS网络中的标签检验方法，通过对标签进行奇偶校验编码检测误码导致的标签差错，解决卫星通信中不可避免的误码导致的标签差错、分组“误插入”、IP数据包丢失以及LSP业务承载能力下降的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种卫星MPLS网络中的标签检验方法，该方法包括以下步骤：

S1，由入口标签边界路由器构造其使用的出口标签A；

S2，由入口标签边界路由器为所构造的出口标签A附加校验位，将出口标签A和校验位装载至卫星网络链路层分组的包头内传输；

S3，标签交换路径中的标签交换路由器根据校验位丢弃校验出现差错的分组，并构造该标签交换路由器使用的出口标签B；

S4，由标签交换路由器为出口标签B附加校验位，将出口标签B和校验位装载至卫星网络链路层分组的包头内传输。

优选地，步骤S2，采用奇偶校验编码方法为出口标签A附加校验位；

步骤S4中，采用奇偶校验编码方法为出口标签B附加校验位；

步骤S3中，标签交换路由器根据所述校验为进行奇偶校验丢弃校验出现差错的分组。

优选地，步骤S1中，利用L-LSP标签设计方法构造出口标签A；

步骤S3中，利用L-LSP标签设计方法构造出口标签B。

优选地，步骤S1中，利用E-LSP标签设计方法构造出口标签A；

步骤S3中，利用E-LSP标签设计方法构造出口标签B。

优选地，该方法在步骤S4之后还包括：

S5，出口标签边界路由器根据校验位丢弃校验出现差错的分组，利用其余分组片段重构数据包。

优选地，该方法应用的卫星MPLS网络采用透明转发模式进行卫星网络链路层分组的传输。

优选地，该方法应用的卫星MPLS网络以卫星网络链路层分组包头内标识作为标签交换路径中各节点使用的出口标签。

利用本发明提供的卫星MPLS网络中的标签检验方法，具有以下有益效果：能够有效地检测MPLS标签交换路径(LSP：Label SwitchPath)上因为卫星通信环境中误码所导致的标签差错，进而降低LSP上分组“误插入”事件的发生频率，最终减小LSP业务承载性能的损失。本发明的实现简单，效果良好，可适用于不同的标签设计方法，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1现有卫星MPLS网络中对IP数据包进行拆装和汇聚处理的示意图；

图2为现有卫星MPLS网络中常采用的分组以及拆装子层协议单元的结构示意图；

图3为本发明卫星MPLS网络通信节点使用奇偶校验编码进行标签检验的示意图；

图4为本发明实施例中仿真标签检验加入前网络中受到“误插入”分组干扰的LSP承载TCP Reno业务性能的仿真结果；

图5为本发明实施例中仿真标签检验加入后系统中受到“误插入”分组干扰的LSP承载TCP Reno业务性能的仿真结果。

具体实施方式

本发明提出的卫星MPLS网络中的标签检验方法，结合附图和实施例说明如下。

本发明提出的卫星MPLS网络中的标签检验方法基于采用“拆装”(SAR)和“汇聚”(CS)处理变长IP数据包传输问题的卫星MPLS网络系统。与此同时，在这种系统中标签设计采用嵌入链路层分组的包头的构造方法，而不是采用“垫层”方案的标签构造方法。

如图3所示，本发明提出的卫星MPLS网络中的标签检验方法包括步骤：

S1，由入口标签边界路由器(Ingress LER)构造标签边界路由器使用的出口标签A；

S2，由入口标签边界路由器为所构造的出口标签A附加校验位，将出口标签A和校验位装载至卫星网络链路层分组的包头内传输；

S3，卫星网络链路层分组传输至标签交换路径中的标签交换路由器LSR，标签交换路径中的其中标签交换路由器LSR传输至下一个标签交换路由器LSR，每一个标签交换路由器LSR接收传输过来的所有卫星网络链路层分组，接收的卫星网络链路层分组中的出口标签作为该标签交换路由器的入口标签，此时标签交换路由器LSR对卫星网络链路层分组所持有的入口标签进行校验，直接丢弃校验出现差错的分组，并构造出口标签，为区别开来，将标签交换路径中的其中标签交换路由器LSR构造的出口标签标识为出口标签B；

S4，由标签交换路由器为出口标签B附加校验位，将出口标签B和校验位装载至卫星网络链路层分组的包头内传输，最终传输至出口标签边界路由器(Egress LER)。

优选地，步骤S2，采用奇偶校验编码方法为出口标签A附加校验位；步骤S4中，采用奇偶校验编码方法为出口标签B附加校验位；步骤S3中，标签交换路由器根据所述校验为进行奇偶校验丢弃校验出现差错的分组。除采用奇偶校验编码方法附加校验位和进行奇偶校验进行检验标签是否出错外，也可以采用其它的编码方法和校验方法。但是由于适应特定长度信息位(标签)的线性分组码编码方案(如汉明码、BCH码、RS码)并不总是存在的，卷积码也明显不适合这种环境，因而奇偶校验编码具有更好的适应性。

优选地，步骤S1中，利用L-LSP标签设计方法构造出口标签A；步骤S3中，利用L-LSP标签设计方法构造出口标签B，L-LSP标签设计方法中每种业务独占一个LSP，卫星MPLS网络中以标签为主要依据对分组进行“交换”和QoS服务，本发明提出的标签检验方法通过对标签进行奇偶校验编码检验系统中作为对分组进行“出接口”判定和QoS服务依据的标签，以保证分组处理过程不会因为标签差错而受到干扰。

优选地，步骤S1中，利用E-LSP标签设计方法构造出口标签A；步骤S3中，利用E-LSP标签设计方法构造出口标签B，E-LSP标签设计方法中具有不同QoS需求的多个业务共享一个LSP，卫星MPLS网络中以标签为主要依据对分组进行“交换”，本发明提出的标签检验方法用于检验系统中作为对分组进行“出接口”判定依据的标签，以保证分组处理过程不会因为标签差错而受到干扰。

优选地，该方法在步骤S4之后还包括：步骤S5，出口标签边界路由器根据校验位丢弃校验出现差错的分组，利用其余分组片段重构数据包。

本发明提出的方法所以应用的卫星MPLS网络采用透明转发模式进行卫星网络链路层分组的传输。还k可用于具有星上处理、星上交换能力的卫星通信系统。

优选地，本发明提出的方法应用的卫星MPLS网络以卫星网络链路层分组包头内标识作为标签交换路径中各节点使用的出口标签。

下面结合仿真实例，说明本发明的使用方法和实施效果。

卫星MPLS网络内标签的差错来自于通信信号衰落带来的误码。在卫星移动通信环境中，终端移动过程中直射信号受到遮挡，信道在Rice和Rayleigh模型间切换。在Ka频带固定卫星终端通信系统中，恶劣的气象环境对信号造成较大的衰减，信道在晴天和雨天状态间切换。因此，设计中可以使用包含“GOOD”和“BAD”两状态的连续时间Markov模型来描述卫星链路的误码率变化所构成的随机过程。在采用了合适的信道编码后，卫星通信链路在“GOOD”状态可以认为近似的无误码，“BAD”状态下终端的误码率为P_e，两个状态的平均持续时间分别为T_GOOD和T_BAD。假设第i个MPLS接入终端的业务量R_i并不受到误码状态的影响，当终端数量足够多且具有相同的信道误码模型时，交换系统内处于高误码环境业务量所占比例的平均值为：

$\mu =\left(\underset{i}{\Sigma }{R}_i\frac{T_{\mathrm{GOOD},i}}{T_{\mathrm{GOOD},i}+T_{\mathrm{BAD},i}}\right)/\underset{i}{\Sigma }{R}_i=\frac{T_{\mathrm{GOOD}}}{T_{\mathrm{GOOD}}+T_{\mathrm{BAD}}}.---\left(8\right)$

处于“BAD”状态时终端所产生的业务流是MPLS交换系统中“误插入”分组的来源，μ是考察分组“误插入”对卫星MPLS交换系统影响的主要参量。根据测量用于移动通信的欧洲1.54GHz、L频带GEO卫星MARECS得到的一个典型结果，城市环境内移动速率60km/h、倾角34度的典型移动终端有T_GOOD＝90.00s、T_BAD＝0.72s，相应的μ＝0.77％＜1％。Ka波段以及V波段固定终端的T_GOOD、T_BAD和μ的计算比较复杂，它依赖于终端所处地域的气候类型、预留功率余量以及载波频率等参数，对于这种系统保证终端的可用度(处于“GOOD”状态)(1-μ)＞99％仍然是一个合理的假设。

MPLS交换系统中受干扰LSP上分组“误插入”事件产生的速率取决于LSP的入口标签和当前系统维护所有入口标签之间汉明距离的分布以及其他LSP承载业务的特征。假设图2所示分组中标签的长度为L_label比特，载荷的长度为L_payload比特，且不考虑控制位。对于持有入口标签为l_i的LSP，当前系统维护的入口标签集合内与l_i之间汉明距离为d的子集内有N_d个元素，且每个元素对应一个承载着参数为{R_d，j，μ_d，j，Pe_(d，j)}业务的LSP。子集内每个LSP产生“误插入”分组的速率有：

${\eta }_{d,j}=\frac{{\mu }_{d,j}{R}_{d,j}}{L_{\mathrm{label}}+L_{\mathrm{payload}}},---\left(9\right)$

标签因为发生d个比特的差错而恰好等于l_i的概率有：

$P_{d,j,i}={P_{e(d,j)}}^d{(1-P_{e(d,j)})}^{L_{\mathrm{label}}-d}.---\left(10\right)$

由(9)和(10)，则受干扰LSP上分组“误插入”事件产生的速率λ(次/秒)为：

$\lambda =\frac{1}{\zeta }=\frac{\underset{d=1}{\overset{L_{\mathrm{label}}}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{N_d}{\Sigma }}{\mu }_{d,j}{R}_{d,j}{P_{e(d,j)}}^d{(1-P_{e(d,j)})}^{L_{\mathrm{label}}-d}}{L_{\mathrm{label}}+L_{\mathrm{payload}}}.---\left(11\right)$

为了方便考察标签差错条件下交换系统的性能，考虑一种特殊的情况。假设“误插入”分组的标签出现差错之前在整个标签空间内以的等概率均匀地分布；入口标签集合内与l_i之间汉明距离为d的子集内有个$N_d=C_{\mathrm{Label}}^d$个元素；所有产生“误插入”分组的LSP具有相同的链路误码特性，它们聚合产生的业务量为R；则受干扰LSP上分组“误插入”事件产生的速率λ₁(次/秒)有：

${\lambda }_1=\frac{1}{{\zeta }_1}=\frac{\mathrm{\mu R}\left(\underset{d=1}{\overset{L_{\mathrm{label}}}{\Sigma }}{C}_{L_{\mathrm{label}}}^d{P}_e^d{(1-P_e)}^{L_{\mathrm{label}}-d}\right)}{(L_{\mathrm{label}}+L_{\mathrm{payload}})2^{L_{\mathrm{label}}}}.---\left(12\right)$

在随机误码条件下，“1比特错误”是标签差错的主要模式，采用单奇偶校验检测出所有产生“1比特错误”标签差错的分组并直接丢弃。在上述处理后，只考虑标签内偶数重量的错误模式，则LSP上分组“误插入”事件产生的速率λ₂(次/秒)有：

显而易见，当P_e＜＜1时，λ₁≥λ₂，ζ₁≤ζ₂。通常假设多个业务的聚合流为“泊松数据流”，而“误插入”分组流可认为是“泊松数据流”经过“P-稀疏”处理得到的输出，因而由于“误插入”所导致的IP数据包丢失时间间隔满足独立同分布的假设。根据式(7)，系统采用单奇偶校验方案后能够显著的降低LSP上分组“误插入”事件发生的速率，改善其承载业务的能力。

使用NS-2网络仿真软件仿真卫星MPLS网络承载当前使用广泛的TCP Reno协议的性能，设标签的长度L_label＝8，12，16，20比特、载荷长度L_payload＝384比特(类似于ATM协议的短分组)，考察在标签检验加入前后不同误码率P_e条件下一个长时TCP Reno会话中的吞吐量。按照表1配置及仿真中可能生成“误插入”分组的业务流，使其为泊松流，并且在一个具有若干“Gbps”处理能力卫星MPLS交换机中占据大约1％的交换容量。

表1仿真的参数设置

仿真a中处于“BAD”状态的业务流量μR＝40Mbps，且根据卫星环境具有较大延时带宽积的特点采用了较大的发送窗口(128K字节)。相比于仿真a，仿真b中为标签加入了1比特的单奇偶校验码，分组交换之前首先进行校验计算，校验过程中出现标签错误的分组由交换系统直接丢弃。对比图4和图5所示a、b两个仿真的结果，由于随机误码环境中的标签主要差错模式(1bit错误)得到良好的处理，相同误码率P_e条件下LSP所承载的TCP Reno会话的吞吐量得到了显著的提升。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。