第8卷 第4期 Vol.8 No.4 2015 年 2 月 February 2015

一种融合分组转发和虚电路的自适应路由机制 研究

马世聪，王宝生，高先明，张晓哲*

（国防科学技术大学计算机学院，长沙 410073）

摘要：以多协议标签交换（multi-protocol label switching, MPLS）为代表的虚电路传输机制具有转发开销低、

传输时延短的特点。在结合 2 种传输机制优势的基础上，提出了一种融合分组路由计算和虚电路管理的自适

应路由机制，克服了 MPLS 存在引入新层以及静态配置等技术不足。通过性能分析，该机制不仅能提高报文

转发速度和优化网络的传输性能，而且在缓解网络拓扑结构中节点的负载压力和增强网络鲁棒性上具有优势。

关键词：计算机系统结构；分组转发；虚电路；多协议标签交换；路由机制

中图分类号：TP393.0 文献标识码：A 文章编号：1674-2850(2015)04-0331-07

Research on an adaptation routing mechanism of combination of packet forward with virtual circuit

MA Shicong, WANG Baosheng, GAO Xianming, ZHANG Xiaozhe

(School of Computer, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract: Virtual circuit transmission mechanism as represented by multi-protocol label switching (MPLS) has characteristics of low forwarding overhead and short transmission delay. This paper puts forward an adaptation routing mechanism of combination of packet forward with virtual circuits based on combination of the advantages of these transmission mechanisms. It overcomes the shortcomings of MPLS which include static configuration and a new layer introduced. It can not only improve packet forwarding speed and optimize the performance of the network, but also has advantages in reducing load pressure and enhancing network robustness. Key words: computer architecture; packet forward; virtual circuit; multi-protocol label switching; routing mechanism

0 引言

目前，互联网中信息的传输采用分组交换方式，有数据报（datagram）和虚电路（virtual circuit）2 种传输方式[1]。数据报方式在转发路径动态性上相对灵活，能根据网络中链路状况实时调整转发路

径。虚电路方式只需在建立连接阶段进行转发路径的选择；在数据传输阶段，报文沿虚电路转发即

可，无需再次路由查表，具有转发开销低和传输时延短的优势。 为提高报文的转发速度，针对充分汲取虚电路传输机制的转发开销低和时延短的特性，提出了

MPLS[2~3]. MPLS 是一种高性价比和多业务能力的交换技术，解决了传统 IP 分组交换的局限性，在业界

受到了广泛重视。MPLS 是在第二层数据链路层和第三层网络层之间引入独立的网络子层[4~5]。与传统 IP

基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20114307110006） 作者简介：马世聪（1986—），男，博士研究生，主要研究方向：网络虚拟化技术 通信联系人：王宝生，研究员，主要研究方向：计算机网络通信与安全. E-mail: wangbaosheng@126.com

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路由方式相比，MPLS 是一种特殊的转发机制，它为进入 MPLS 网络的 IP 数据包分配标签，并通过标签

的交换来实现 IP 数据包的转发；当数据包离开 MPLS 网络时，数据包被解开封装，按照传统 IP 路由方

式进行报文的转发。同样，MPLS 存在技术层面的不足：MLPS 的全部工作集中在网络层和数据链路层

间增加新的网络子层；MPLS 网的建立须静态配置，无法根据网络拓扑结构中链路状况自动调整标签交

换路径，缺乏灵活性；由标签边缘路由器（label edge router，LER）接收的报文都要分析 IP 包头并分配

标签，决定标签交换路径（label switch path，LSP），这对 LER 的性能提出较高的要求。 结合以 MPLS 为代表的虚电路传输机制转发开销低、传输时延短的特点，以及传统的分组转发机制

转发路径动态性的优势，提出了一种融合分组路由计算和虚电路管理的自适应路由机制。该路由机制在

选择转发路径方面具有较好的灵活性，当某网络段的流量超过设定阈值时，能够“自动”地建立隧道提

高分组转发速度。通过性能分析，该机制不仅能提高报文转发速度和优化网络的传输性能，而且在缓解

网络拓扑结构中节点的负载压力和增强网络的鲁棒性上具有优势。

1 自适应路由机制的基本原理

互联网中报文的传输存在局部性特征（时间局部性特征和空间局部性特征），是指到达某个网络的报

文在一段时间内沿着同一条转发路径多次或持续传输，其原因在于一个连接或者回话可能需要多次报文

传送，尤其是在当前流媒体、网络电话（voice over internet protocol，VoIP）等应用普遍盛行的情况下。

同时，根据对互联网中路由器的 Trace 数据发现 10%的主机占据了 90%的网络流量。虽然 MPLS 能够有

效地提高报文转发的性能，但是 MPLS 网络则要对 100%主机传送的报文进行封装、解析，这不仅增加

了标签边缘路由器的负载，而且增加了对 MPLS 网隧道维护的难度。因此，提出了一种自适应路由机制，

既融合以 MPLS 为代表的虚电路传输机制的转发开销低、传输时延短的特性，又汲取了传统的分组转发

机制在转发路径动态性上的优势。该机制只需要对大约 10%的主机发送的报文建立隧道，对剩余主机则

无需建立隧道，降低了网络拓扑对隧道维护的开销。 定理 1 自适应路由机制中到达同一网络的隧道间只存在隧道覆盖情形。 证明：由于叶子节点属于任意经过该叶子节点的隧道，故到达同一网络的隧道间不可能存在隧道不

重叠情况。假设隧道 X 是从以节点 A 为根节点到叶子节点 C 的单向虚拟链路，而隧道 Y 是跟隧道 X 到

达同一网络 N 的，则隧道 Y 是从以节点 B 为根节点到叶子节点 C 的单向虚拟链路，且节点 A 和节点 B是属于最短路径优先（shortest path first，SPF）树上到达网络 N 的同一最佳路径 L. 当隧道 X 经历节点数

大于隧道 Y（即在最佳路径 L 上 A 到 C 跳数大于 B 到 C 跳数）时，就称隧道 X 覆盖隧道 Y，反之称隧道

Y 覆盖隧道 X. 可证的同一网络的隧道间只存在隧道覆盖情形。 定理 2 自适应路由机制不会引起网络拓扑结构的改变。 自适应路由机制中隧道是节点根据自身链路状态库生成的 SPF 树中最佳路径计算出的，而网络拓扑

结构则是节点根据自身的链路状态数据库生成，自适应路由机制没有更改节点发送链路状态通告（link state advertisement，LSA）的信息和引起链路状态数据库的改变。换句话说：网络拓扑结构是物理层所

决定的，而自适应路由机制是在物理层之上实现的。 定理 3 自适应路由机制不会在开放式最短路径优先（open shortest path first，OSPF）协议划分的域

内形成路由自环。 证明：对于该定理，结合 OSPF 协议从网络拓扑结构的获取和路由计算 2 个方面出发进行论述。 1）网络拓扑结构的获取 在 OSPF 协议中，任意路由器在生成的 LSA 中标记了自身标识（router ID），其他路由器只负责传输

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LSA 信息，不会进行更改，且由自身链路状态数据库来获取网络拓扑结构。这保证了任意路由器都可以

准确无误地获得区域的网络拓扑结构。当网络拓扑结构发生改变时，会有一台（或多台）路由器获悉这

一变化，通知其他路由器。每台路由器接收到更新信息后，获取新的网络拓扑结构。 自适应路由机制并没有影响到路由器获取网络拓扑结构（如定理 1 所示），路由器在自适应路由机制

下获取的网络拓扑结构与 OSPF 协议一致。 2）路由计算 在 OSPF 协议中，下一跳由 SPF 树中叶子节点确定，且从根节点到叶子节点是单向不可回复的路径。

同样，自适应路由机制中的隧道是在 SPF 树中最佳路径基础上建立的，隧道的方向是单向的且与路径方

向一致，而且隧道上节点间的次序和间隔与最佳路径相同。 由于 OSPF 协议在自治域内不会形成路由自环，同样，自适应路由机制也不会在 OSPF 协议划分的

区域内形成路由环路。 定理 4 自适应路由机制的算法时间复杂度与 OSPF 协议是一致的。 证明：在 OSPF 协议中，为克服距离矢量路由算法存在收敛速度慢等缺陷，采用 Dijkstra 算法计算

最短路径树。Dijkstra 算法采用广度优先的搜索策略，在获得网络拓扑结构后，生成根节点到其余各点的

最短路径，其时间复杂度为 2( )O n ．在适应路由机制中，最佳路径的计算是在 Dijkstra 算法生成最短路径

树的基础上得出的。故自适应路由机制的算法时间复杂度也为 2( )O n ，与 OSPF 协议一致。

2 自适应路由机制具体算法

自适应路由机制不再局限于利用技术提高路由器性能的思维，而是融合分组路由计算和虚电路管理

的优势，对网络拓扑结构中影响到网络传输性能的节点采用了“疏导”的方式，为提高报文转发速度的

研究提供了一种新思维。由于自适应路由机制中同样采用隧道技术，对于隧道的维护（包括建立、删除、

更新等操作）是自适应路由机制面临的挑战。为了避免隧道的重复建立造成额外的系统开销，采用如下

维护隧道的策略： 1）当节点到某网络在 SPF 树对应叶子节点的跳数为 1 时，则不建立隧道，当且仅当两节点间跳数

大于 1 时，则在该节点到叶子节点间建立隧道； 2）当到达同一网络的隧道间存在隧道覆盖情况时，选择经过节点数少的隧道，删除被覆盖的节点。

比如隧道 X 覆盖隧道 Y，则删除隧道 X，保留或者建立隧道 Y. 转发路径生成算法和更新算法是自适应路由机制的核心算法。转发路径生成算法是负责到达某网络

的流量超过阈值时计算出最佳转发路径并负责维护隧道，而更新算法则是当网络拓扑结构发生改变时如

何维护隧道。以下对自适应路由机制的 2 个算法进行具体描述。

2.1 转发路径生成算法

如图 1 所示，转发路径生成算法的输入为到网络段的流量超过阈值 K，首先由 Dijkstra 算法计算出

SPF 树[6]，并得出达到网络对应的最佳路径中叶子节点 C. 根据节点到达叶子节点 C 间的隧道存在情况

确定采取的操作：若已存在隧道且其对应最佳路径的节点间隔和次序发生改变，则必须拆除该隧道；否

则，根据维护隧道策略决定相应操作。 在成功建立隧道后，必须向转发平面下发相关配置，保证报文通过隧道实现传输。其中相关配置规

则如下：接口使能是指对接口的使能操作，是报文发送的前提；配置路由器 ID 一般是指定接口的 IP 地

址作为路由器 ID，确保其唯一性；配置会话保持时间是指隧道的有效时间，超出保持时间，对隧道进行

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维护，保持时间为 160~65 535 s；配置邻接节点间保持时间是指向邻接节点发送 hello 报文的间隔，以确

保隧道的有效性；配置标签分发规则制定允许向哪些路由器分发标签，通过上述一系列的规则配置，实

现报文转发路径的建立。

图 1 转发路径生成算法 Fig. 1 Routing path generation algorithm

2.2 更新算法

如图 2 所示，由节点故障或者操作错误导致的单点故障发生后，势必会引起网络拓扑结构的改变。

自适应路由机制相对于 MPLS 来讲，其可根据网络拓扑结构“自动”调整转发路径，以适应网络的改变，

而无需管理员进行配置。更新算法的输入为 LSA，首先节点判断接收到的 LSA 与自身链路状态库中信息

是否一致：如果不一致，将重新生成 SPF 树，遍历所有隧道并进行维护；否则，直接退出程序。相关的

配置含义与在转发路径生成算法中一致。 由自适应路由机制中转发路径生成算法和更新算法可知，该算法的设计相对容易。为确保隧道的有

效性，引进了会话保持时间和邻接节点保持时间 2 个参数：在会话保持时间失效后，重新检查到网络段

的阈值是否超出来决定隧道的保留；邻接节点间保持时间主要目的是在隧道传输报文期间能够保证隧道

的有效性。这些必然会引起系统开销的增加。

K

A

L

N

A

X Y

Y

X

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图 2 路由更新算法 Fig. 2 Routing updation algorithm

阈值 K 的选择：实际应用中，阈值 K 不仅与网络段间的流量比 p 和链路使用率 q 这 2 个参数相关，

而且要考虑最佳路径的改变频率（或者链路的故障率）。因为，最佳路径的改变势必会引起该机制对隧道

的维护，增加额外的系统开销。同时，阈值的选择对于该机制的性能有着重要影响，若阈值选取较小，

系统开销的代价就会很大；否则，无法达到优化网络传输性能的目的。

3 自适应路由机制的性能分析

实现自适应路由机制中，可以利用成熟的 OSPFv3 协议[7~8]和 MPLS 的隧道技术。在转发路径生成算

法和更新算法中，一方面利用 OSPFv3 协议计算出 SPF 树，并得出到网络段对应最佳路径，相对于 OSPF协议，自适应路由机制只是增加了最佳路径的计算，没有对 OSPF 协议核心算法进行修改；另一方面，

只需根据 MPLS 的隧道技术往转发平面发送相关的配置规则即可，至于隧道技术的具体实现则无需太多

研究。所以，自适应路由机制的实现相对较为容易，能更好地与 IP 网紧密融合。 研究利用支持 IP 网和 MPLS 网的路由器对长度不同的报文分别测试了 IP 网中路由器和 MPLS 网络

中路由器处理时间，如图 3 所示。通过测试的实验数据可以清晰地发现：IP 网路由器的处理时间比 MPLS网中路由器处理时间长，而且随着报文长度的增加，无论是支持 IP 网还是支持 MPLS 网的路由器处理时

间都会相应的增加。 研究利用 NS2 模拟器仿真网络拓扑结构，假定链路传输时延为 0，且拓扑中节点的处理时延相同。

并利用以上测量的实验数据对 NS2 中路由器的处理时延进行配置，当报文由隧道进行传输时，则路由器

处理时间采用支持 MPLS 网路由器测试结果；否则，采用支持 IP 网路由器测试结果。这样能够较为真实

P

A

A

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地模拟网络环境，突出自适应路由机制在优化网络传输存在的优势。在 NS2 模拟网络拓扑的直径为 8，分别对自适应路由机制中隧道长度不同情形（长度为 2，4）进行测试，实验结果如图 4 所示。

图 3 处理时延 图 4 测试结果 Fig. 3 Processing delay Fig. 4 Testing results

由图４可知：自适应路由机制中，自适应路由机制的隧道长度越长，则报文转发的时延越短，自适

应路由机制的优越性越能更好地体现。同时，自适应路由机制相对于传统分组转发而言，报文长度越短

则自适应路由机制提高报文传输的效能越高，优势越能更好地体现。 通过上面实验分析，可以得出自适应路由机制在降低报文传输时延方面的确存在优势。为进一步

证明自适应路由机制在降低网络拓扑节点负载和优化网络传输性能上优势，利用 NS2 搭建一个实验环

境，用来验证文中自适应路由机制的实用性。如图 5 所示，拓扑中节点仅支持 60 Mb/s 的处理能力，

节点 A—C 与 B—C 间链路带宽均为 50 Mb/s，当节点 A 和 B 尽力向节点 C 发送 64 字节报文时，节点 C接收到报文则为 100 Mb/s，超过了其能支持的最大处理能力，丢包率为 40%. 研究分 2 个情形讨论：1）仅在 A—C—D—E 建立隧道；2）分别在 A—C—D—E 和 B—C—D—F 建立隧道。

图 5 网络拓扑结构 Fig. 5 Network topology

在 NS2 模拟器中，针对不同的场景获取节点 C 的报文丢包率，实验结果如表 1 所示。可以发现，自

适应路由机制在能够有效地降低网络拓扑中部分节点的负载，优化网络的性能。即使在仅建立一条隧道

的情况下丢包率也极低，完全可以满足因特网的需求。同时，可在不需要为网络拓扑中节点的硬件升级

情况下，满足网络对于节点性能的要求。这也为以后优化局部或者整体网络传输性能提供了一种借鉴方

法。

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表 1 节点 C 丢包率 Tab. 1 Ratio of packet-disarded in node C

场景 节点 C 丢包率/%

传统分组转发 40.00

自适应路由机制：情形一 1.82

自适应路由机制：情形二 0

另外，针对自适应路由机制、传统分组转发和 MPLS 的特性进行对比。通过对比可知：自适应路由

机制既有传统分组转发在转发路径上的灵活性，又有 MPLS 的转发开销低、时延短的特性。该路由机制

相对于其他传输机制而言，在缓解网络拓扑结构部分节点的负载压力和优化局部或者整体网络传输性能

方面具有很大的优势。

4 结论

通过深入分析和研究传统分组转发和以 MPLS 为代表的虚电路方式下报文分组转发过程优缺点，提

出一种融合分组路由计算和虚电路管理的自适应路由机制，为优化网络传输性能提供了新的思维方式。

通过模拟仿真，自适应路由机制能够提高报文转发速度；而且在缓解网络拓扑结构中节点的负载压力和

优化网络传输性能上存在优势。但也要指出，自适应路由机制引入隧道技术会增加一定程度的系统开销。

这里仅仅是在自适应路由机制探讨与研究上迈出了第一步，还有很多的相关研究内容尚需进一步完善。 [参考文献] （References）

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