专利名称：一种基于多协议标签交换的卫星网保护方法
技术领域：
本发明是一种基于MPLS(Multi-Protocol Label Switching,多协议标签交换) 卫星网的故障保护机制，主要用于解决基于MPLS卫星网络发生故障时的QoS (Quality of Service,服务质量)业务流保护问题，属于网络生存性技术领域。
背景技术：
随着IP (InternetProtocol,网际协议)业务的迅速发展以及支持实时业务的 需求，卫星网服务质量的研究得到广泛的关注。基于MPLS的卫星网支持流量 工程，可以很好地适应卫星网络中特有的动态拓扑，星载处理有限，延时抖动等 特点，能够为任何地点的用户提供实时应用服务，能同时支持多种业务，而且有 很好的扩展性，这些优点使得基于MPLS卫星网成为保证卫星网服务质量的重 要组成部分。
基于MPLS的卫星网络要生存，就必须有一系列的措施，使网络在发生故 障后，能将受影响的业务迅速准确地转移到空闲资源上，进而减小故障造成损失， 常用的MPLS网络生存性机制有两类 一种是保护机制，它是采用预先规划的 方法为保护的流量分配网络资源，防止未来可能出现的网络故障；另一种是恢复 机制，它是在网络出现故障以后，动态寻找可用的资源并采用重选路由的方法绕 过失效的链路和节点。其中保护机制失效恢复时间短，对于需要处理高可靠性和 实时性业务的MPLS网络来说，是故障处理的首选机制。现在已有很多地面 MPLS网络保护机制被提出，但由于基于MPLS的卫星网络与基于MPLS的地 面网络不同，它的网络拓扑不停而有规律地变化，那些地面MPLS网络的保护 机制并不能很好地应用到基于MPLS的卫星网络中，其中具有代表性的基于 MPLS地面网络的保护机制主要有
像路径保护为整段业务LSP (Label Switched Path,标签交换路径)进行 保护，建立一条和业务LSP并行的备份LSP，这条备份LSP平时不承载任何业务，
只在主链路失效时，入口路由器把流量切换到该路径。
*局部保护为每个链路和节点进行单独的保护，在建立标签交换路时， 每个节点负责为每条链路或节点计算备份路径。平常备份路径不传输数据，只有 在发生故障时，立即被其直接上游路由器检测到，然后在该路由器上把流量立即 切换到该备份路径。
*反向备份建立业务LSP的正向和反向两条备份路径，当受保护的业务 LSP发生故障时，将流量由一条反向备份路径传至入口节点，再由正向备份路径 完成保护，正、反向备份路径应实现资源预留。
*综合保护同时采用多种保护策略，根据QoS需求的不同，应用不同的 保护策略。
通常的保护机制中备用路径需要资源预留，这样在节点或链路未发生故障 时，浪费了大量的网络带宽资源，而且备用路径是静态的， 一旦发生故障该备
用路径就失效，不适应卫星网动态的拓扑，因此需要新的基于MPLS卫星网的 QoS业务流保护机制被提出。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种基于多协议标签交换的卫星网保护方
法，来解决基于MPLS卫星网络发生故障时的QoS业务流保护问题。通过使用 本发明提出的方法可以在尽量节约卫星网络资源的的前提下，将受故障影响的流 量切换到动态的虚拟备用路径上。
技术方案本发明的基于多协议标签交换的卫星网保护方法中保护链路和
节点的备用路径并不实现真实的资源预留，而是使用虚拟备用路径，在卫星节点 维护一个虚拟路径映射表，在业务路径失效的时候，实现业务路径切换到虚拟备
用路径；在网络发生故障前，虚拟备用路径完成重新选路和信令协议的标签分配 和映射，该虚拟路径并不占用网络中真实的带宽资源，新的业务路径生成时会占 用虚拟备用路径，而且卫星网络的拓扑不断发生变化，对虚拟备用路径进行维护 和更新；
虚拟备用路径生成步骤如下
步骤1:按标签交换路径的生成方法生成所有业务路径的虚拟路径；
步骤2:对每条虚拟路径置一标志；
步骤3:将虚拟路径的信息分配到通过该虚拟路径的各个卫星节点；
步骤4:填写卫星节点的虚拟路径表中的虚拟路径的输入标志、输出标志、
输入接口、输出端口和虚拟路径标志；
步骤5:如果某一时刻用户需要动态地改变某些虚拟路径的保护力度，虚
拟路径发生器为该虚拟路径生成新的局部多备份路径；
步骤6:如果有虚拟备用路径需进行全局更新，重新生成一条虚拟备用路径；
歩骤7:设置一个阀值，即链路资源空闲的虚拟备用路径的数目，当业务
LSP数目太多导致链路资源空闲的虚拟备用路径存在数小于阀值时，虚拟备用路 径得到保护不被占用，直到大于该阀值； 虚拟备用路径维护的步骤描述如下
步骤8:每当有新的业务路径生成时，虚拟备用路径经过的卫星节点发出一
个询问信令检査其相邻的路径是否被业务路径占用或失效；
步骤9:如果询问信令发现路径被占用或失效，则通知被占用路径的相邻节
点修改虚拟路径映射表，同时启动更新模块；
骤10:每隔一段时间虚拟备用路径经过的卫星节点向路径相邻节点发送
一个探测信令，检査虚拟备用路径所在的节点和链路是否失效；
步骤lh如果发现虚拟备用路径所在的节点和链路失效，则向全网发送一
个失效信令，通知其他卫星节点，同时启动更新模块；
步骤12:如果探测信令没发现虚拟备用路径有任何异常，询问QoS业务流
是否结束，倘若QoS业务流还在传输，那么探测信令继续检查虚拟备用路径； 虚拟备用路径更新步骤如下
步骤13:利用卫星链路具有冗余性的特点，由每段被占用或失效路径间的
上游卫星节点生成一段从上游卫星节点到相邻下游卫星节点的局部虚拟备份路
径，并由上游卫星节点和下游卫星节点通知其同一虚拟备用路径相邻的卫星节占.
歩骤14:对生成的虚拟备用总路径进行判断，判断由原虚拟路径和局部虚
拟备份路径组成的虚拟备用总路径是否符合用户的QoS需求，如果符合要求， 更新结束；
步骤15:如果不符合要求，通知虚拟路径撤销模块，撤销原虚拟备用路径， 同时通知虚拟路径发生器，生成一条新的虚拟备用路径。
有益效果本发明的目的是提供一种保证QoS的基于MPLS卫星网的保护 机制，来解决基于MPLS卫星网络发生故障时的QoS业务流保护问题。通过使 用本发明提出的方法可以在卫星节点或卫星链路发生故障的时候，把QoS业务 转移到动态的虚拟备用路径上，该虚拟备用路径并不提前进行资源预留，而是在 每个卫星节点上维护一张虚拟路径映射表，网络并不限制新的LSP占用该虚拟 备用路径，如果有新的LSP占用了虚拟备用路径，该路径上的节点为新的LSP 和被占用的备用路径所保护的LSP生成新的虚拟备用路径，这样， 一方面，节 约了因资源预留而浪费的卫星网络的带宽资源，另一方面，充分利用了网络的空 闲资源实现故障保护。
简易性实行"分布式"的管理，每颗卫星的工作量比较小，对基于MPLS 卫星网络中卫星的星载处理能力的要求不高。
高效性在节点和链路发生故障的前，虚拟备用路径已经完成了重新选路和 信令协议的标签分配和映射，于是故障发生时业务流就能迅速切换到虚拟备用路 径上。每颗卫星维护一个虚拟路径映射表，该表只在业务LSP生成时建立，当 业务LSP撤销时， 一同撤销，同时只保存通过该卫星的虚拟备用路径，因此虚 拟路径映射表的表项很少。
提高卫星网络资源的利用率不提前进行资源预留，而是用"虚拟"的备用路
径进行保护，节约了因资源预留而浪费的卫星网络的带宽资源，充分利用了网络 的空闲资源。
灵活性 一方面，通过虚拟备用路径表，可以根据不同的QoS需求，动态
地改变链路和节点的保护力度，不同的业务LSP或同一业务LSP的不同链路段 可以根据需要应用不同备份策略；另一方面，动态变化的虚拟备用路径适应卫星 网络拓扑的时变性。
可扩展性该保护策略适应卫星星座或卫星节点数目的改变，并可扩展到基
于MPLS的多层卫星网络体系结构。
图1是基于MPLS卫星网的QoS保护策略总体结构图。
图2是虚拟备用路径的示意图。
图3是虚拟路径发生器的工作模型。
图4是虚拟备用路径的维护流程图。 图5是虚拟备用路径的更新流程图。
具体实施方式
一、体系结构
基于MPLS卫星网的QoS保护策略是在网络发生故障时能把QoS业务流切 换到虚拟备用路径的一种方法。该虚拟备用路径不实现真实的资源预留，提高了 卫星网络带宽资源的利用率，而且还能动态地改变链路和节点的保护力度。其中， 虚拟路径发生器，虚拟路径维护模块，虚拟路径更新模块，虚拟路径撤销模块是 实现本发明方法的主要功能部件，下面就对几个具体部分给出说明
业务LSP:业务LSP入口卫星节点和出口卫星节点通过标签交换协议建立 起来的分组标签转发路径。
虚拟备用路径 一条跟业务LSP有相同入端口和出端口、不经过业务LSP中 任何节点、满足用户QoS需求、不实现真实的资源预留、通过标签交换协议建 立起来并不断更新的分组标签转发路径。
虚拟路径映射表在通过虚拟备份路径的卫星节点上保存了虚拟备份路径
的输入标志、输出标志、输入接口、输出端口和虚拟路径标志。虚拟路径映射表
随着虚拟路径的更新而更新，当业务LSP切换到虛拟备用路径时，分组根据虚 拟路径映射表进行转发。
虚拟路径发生器该路径发生器在按照生成业务路径的方法生成虚拟备用
路径，并将虚拟路径的信息分配到通过该虚拟路径的各个卫星节点，在这些卫星 节点中建立虚拟路径表。通过虚拟路径表，当网络发生故障时，业务路径就不用 花费时间进行重新选路和信令协议的标签分配和映射。为了区分虚拟备用路径和
业务LSP，虚拟备用路径带有一标记，当业务LSP失效切换至虚拟备用路径时， 该标记相应地撤销。当用户有新的QoS需求时，比如要增加某个节点或某条链 路的保护力度，路径发生器根据用户的请求，动态地生成局部多备份，同时将修 改后的虚拟路径信息分配到相应的卫星节点的虚拟路径映射表。当业务LSP数 目太多使得链路资源空闲的虚拟备用路径的数目小于设定的阀值时，对这些链路 资源空闲的虚拟备用路径进行保护，业务LSP不再占用这些虚拟备用路径。 虚拟路径维护模块在该模块中，使用了询问信令、探测信令和泛洪信令
来动态地维护虚拟路径。卫星网与地面网络不同，卫星网会发生星间链路切换， 卫星拓扑发生不断的变化，而且由于并不进行真实的资源预留，新生成的LSP 会占用虚拟备用路径，这会导致虚拟备用路径失效，因此应对虚拟路径进行维护， 保证虚拟备用路径的时效性。
虚拟路径更新模块在更新模块中，使用局部更新和全局更新相结合的方 法。以局部更新的方法为主，在局部更新无效的情况下，使用全局更新。在更新 中生成的虚拟备用路径可以跟其他的虚拟备用路径部分或完全重叠。
虚拟路径撤销模块当业务流结束时，业务LSP撤销，或当虚拟备用路径 进行全局更新时，业务LSP发出一个通知信令给相应的虚拟备用路径，删除经 过该虚拟备用路径的卫星节点的虚拟路径映射表表项。
二、方法流程
虚拟路径发生器在每一条业务路径生成的同时，按生成业务LSP的方法生 成所有业务路径的虚拟备用路径，虚拟路径发生器设置一个阀值(链路资源空闲 的虚拟备用路径的数目)，当业务LSP数目太多导致链路资源空闲的虚拟备用路 径存在数小于阀值时，业务LSP不再占用这些虚拟备用路径，直到大于该阔值。 虚拟路径发生器对虚拟备用路径处理流程如下
1) .虚拟路径发生器对每条虛拟备用路径置一标志；
2) .将虚拟备用路径的信息分配到该虚拟备用路径通过的各个卫星节点；
3) .填写卫星节点的虚拟路径表中的虚拟备用路径的输入标志、输出标志、 输入接口、输出端口和虚拟路径标志；
4) .判断是否有用户需要动态地改变某些虚拟路径的保护力度，若有，虚拟
路径发生器为该虚拟路径生成新的局部虚拟备份路径，转到l)，否则，转到5);
5) .判断是否有虚拟备用路径需进行全局更新，若有，虚拟路径发生器为被
其保护的业务LSP重新生成一条虚拟备用路径，转到l)，否则，转到6);
6) .是否有新的业务LSP生成，若有，生成虚拟备用路径，否则，虚拟路径 发生器暂时休息。
虚拟备用路径建立后，就应对虚拟路径进行维护，具体流程如下
1) .每当有新的业务路径生成时，虚拟备用路径经过的卫星节点发出一个询
问信令检查其相邻的路径是否被业务路径占用；
2) .如果询问信令发现路径被占用，则通知被占用路径的相邻节点修改虚拟
路径映射表，同时启动更新模块；
3) .每隔一段时间虚拟备用路径经过的卫星节点向路径相邻节点发送一个探 测信令，检査虚拟备用路径所在的节点和链路是否失效；
4) .如果发现虚拟路径所在的节点和链路失效，则向全网发送一个失效信令， 通知其他卫星节点，同时启动更新模块；
5) .如果探测信令没发现虚拟路径有任何异常，询问业务流是否结束，倘若 业务流还在传输，那么探测信令继续检査虚拟路径；否则，启动虚拟路径撤销模 块。
一旦虚拟备用路径发生改变，虚拟路径的更新模块被启动，更新模块执行的 具体流程如下
1) .利用卫星链路具有冗余性的特点，由每段被占用或失效路径间的上游卫 星节点生成一段从上游卫星节点到相邻下游卫星节点的局部虚拟备份路径，并由 上游卫星节点和下游卫星节点通知其同一虚拟备用路径的卫星节点；
2) .对生成的虚拟备用总路径进行判断，判断由原虚拟路径和局部虚拟备份 路径组成的虚拟备用总路是否符合用户的QoS需求，如果符合要求，更新结束；
3) .如果不符合要求，通知虚拟路径撤销模块撤销原虚拟备用路径，同时通 知虚拟路径发生器，重新生成一条虚拟备用路径。
本发明的方法是通过动态的虚拟备用路径来实现卫星节点和链路的保护。一 旦卫星节点和链路失效，QoS业务流就切换该动态的虚拟备用路径上。本发明 的保护策略包括虚拟备用路径的创建、维护、更新、撤销几个部分。通过动态 的虚拟备用路径的创建，为经过虚拟备用路径的卫星节点建立虚拟路径映射表， 由于该虚拟路径不实现真实的资源预留而且卫星网络拓扑是动态变化的，因此对 该路径进行动态维护，通过维护，若发现有新的业务LSP占用了该虚拟备用路 径或网络拓扑发生变化导致虚拟路径失效时，则对该虚拟备用路径进行更新，进 一步，若业务流结束或业务LSP重新生成，保护该业务LSP的虚拟备用路径随 之撤销。该保护策略执行流程如下-
1).某一时刻，入口卫星节点接收到一业务流，入口卫星节点根据链路状态 数据库、路由策略、业务的QoS需求生成业务LSP和虚拟备用路径，并在虚拟 备用路径所通过的节点建立虚拟路径映射表。
2).卫星节点动态地维护虚拟备用路径，当有新的业务LSP生成时，卫星节点发出一个询问信令跟相邻的相关卫星节点进行会话，如果询问信令发现虚拟备 用路径被占用或失效，则询问信令通知卫星相邻节点，同时对虚拟备用路径进行 更新。在没有新的业务LSP生成时，卫星节点会每隔一段时间发出一个探测信
令，如果发现虚拟路径中有链路失效，则产生一个泛洪信令通知全网，同时对虚 拟备用路径进行更新。
3) .如果新生成的业务LSP占用了虚拟备用路径或虚拟备用路径失效，对虚拟用路径进行更新，更新规则如下
3a).只是虚拟备用路径的其中一部分被占用或失效，按照局部更新原则，只 生成被占用段或失效段的新虚拟备用路径，所得到的新虚拟备用路径是原来未修 改的虚拟备用路径和被占用段或失效段新备用路径的集合，如果该备用路径符合 业务的QoS需求，那么只需修改被占用路径相邻节点的虚拟路径映射表。
3b).若占用了整条备用路径或按照局部更新原则并不能生成符合要求的备 用路径，那么就重新生成一条虚拟备用路径。
4) .当业务流结束或业务LSP重新生成时，原业务LSP撤销，随之撤销保 护该业务LSP的虚拟备用路径所通过的卫星节点的虚拟路径映射表表项；
5) .可以设置一个阀值(链路资源空闲的虚拟备用路径的数目)，使得由于 业务LSP数目太多导致链路资源空闲的虚拟备用路径存在数小于阀值时，虚拟 备用路径的占用停止，直到大于该阀值。
权利要求
1.一种基于多协议标签交换的卫星网保护方法，其特征在于该保护方法中保护链路和节点的备用路径并不实现真实的资源预留，而是使用虚拟备用路径，在卫星节点维护一个虚拟路径映射表，在业务路径失效的时候，实现业务路径切换到虚拟备用路径；在网络发生故障前，虚拟备用路径完成重新选路和信令协议的标签分配和映射，该虚拟备用路径并不占用网络中真实的带宽资源，新的业务路径生成时可以占用虚拟备用路径，而且卫星网络的拓扑不断发生变化，需要对虚拟备用路径进行维护和更新；虚拟备用路径生成步骤如下步骤1按标签交换路径的生成方法生成所有业务路径的虚拟路径；步骤2对每条虚拟路径置一标志；步骤3将虚拟路径的信息分配到通过该虚拟路径的各个卫星节点；步骤4填写卫星节点的虚拟路径表中的虚拟路径的输入标志、输出标志、输入接口、输出端口和虚拟路径标志；步骤5如果某一时刻用户需要动态地改变某些虚拟路径的保护力度，虚拟路径发生器为该虚拟路径生成新的局部多备份路径；步骤6如果有虚拟备用路径需进行全局更新，重新生成一条虚拟备用路径；步骤7设置一个阀值，即链路资源空闲的虚拟备用路径的数目，当业务LSP数目太多导致链路资源空闲的虚拟备用路径存在数小于阀值时，虚拟备用路径得到保护不被占用，直到大于该阀值；虚拟备用路径维护的步骤描述如下步骤8每当有新的业务路径生成时，虚拟备用路径经过的卫星节点发出一个询问信令检查其相邻的路径是否被业务路径占用或失效；步骤9如果询问信令发现路径被占用或失效，则通知被占用路径的相邻节点修改虚拟路径映射表，同时启动更新模块；步骤10每隔一段时间虚拟备用路径经过的卫星节点向路径相邻节点发送一个探测信令，检查虚拟备用路径所在的节点和链路是否失效；步骤11如果发现虚拟备用路径所在的节点和链路失效，则向全网发送一个失效信令，通知其他卫星节点，同时启动更新模块；步骤12如果探测信令没发现虚拟备用路径有任何异常，询问QoS业务流是否结束，倘若QoS业务流还在传输，那么探测信令继续检查虚拟备用路径；虚拟备用路径更新步骤如下步骤13利用卫星链路具有冗余性的特点，由每段被占用或失效路径间的上游卫星节点生成一段从上游卫星节点到相邻下游卫星节点的局部备份路径，并由上游卫星节点和下游卫星节点通知其同一虚拟备用路径相邻的卫星节点；步骤14对生成的虚拟备用总路径进行判断，判断由原虚拟路径和局部虚拟备份路径组成的虚拟备用总路径是否符合用户的QoS需求，如果符合要求，更新结束；步骤15如果不符合要求，通知虚拟路径撤销模块，撤销原虚拟备用路径，同时通知虚拟路径发生器，生成一条新的虚拟备用路径。虚拟备用路径撤销步骤如下步骤16当业务流结束时，业务标签交换路径撤销，或当虚拟备用路径进行全局更新时，业务标签交换路径发出一个通知信令给相应的虚拟备用路径，删除经过该虚拟备用路径的卫星节点的虚拟路径映射表表项。
全文摘要
基于MPLS卫星网的保护策略是一种基于MPLS卫星网的故障保护机制，主要用于解决基于MPLS的卫星网络发生故障时QoS业务流的保护问题。跟传统的保护策略不同，本发明中的虚拟备用路径并不实现真实的资源预留，因此提高了卫星网带宽资源的利用率，还可以动态地改变业务流的保护力度，具有一定的灵活性，进一步考虑到卫星网的特点，通过对虚拟备用路径的维护，使得虚拟路径不会因卫星网拓扑的变化而失效，该保护策略还可以解决星间切换产生的业务LSP失效问题，通过使用本发明提出的方法可以在卫星节点或卫星链路失效的时候，把QoS业务流转移到虚拟备用路径上。
文档编号H04L12/28GK101345651SQ20081002145
公开日2009年1月14日 申请日期2008年8月15日 优先权日2008年8月15日
发明者孙力娟, 张登银, 徐小龙, 萍 林, 王汝传, 彦 郑, 元 饶 申请人:南京邮电大学