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CN100512238C - Mpls网络中的递归bgp路由更新方法 - Google Patents

Mpls网络中的递归bgp路由更新方法 Download PDF

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CN100512238C CNB2004800085095A CN200480008509A CN100512238C CN 100512238 C CN100512238 C CN 100512238C CN B2004800085095 A CNB2004800085095 A CN B2004800085095A CN 200480008509 A CN200480008509 A CN 200480008509A CN 100512238 C CN100512238 C CN 100512238C
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Abstract

本发明公开了一种用于在MPLS网络中提供BGP路由更新的方法。所述路由更新是在具有转发信息表和邻接表的路由器中被执行的，所述转发信息表包含BGP路由和内部标签，所述邻接表包含BGP/VPN标签和所述内部标签。内部标签对应于至少一个IGP路由，并且具有与其相关联的邻接。该方法包括在IGP路由改变之后，更新与内部标签相关联的邻接。

Description

MPLS网络中的递归BGP路由更新方法
技术领域
本发明一般地涉及通信网络，更具体而言，本发明涉及用于处理MPLS(多协议标签交换)网络中的递归BGP(边界网关协议)路由更新的方法和系统。
背景技术
因特网的快速发展以及围绕因特网协议族建立的网络的广泛采用正在产生对IP(因特网协议)网络新能力的需求。MPLS提供了多种有用的能力，例如流量工程等等。对于IP路由器，MPLS节点使用诸如OSPF或IS-IS之类的路由协议来计算网络路径并建立可达性。多协议标签交换由IETF首创，它在特定的自治系统中，将关于网络链路的第2层信息(带宽、延迟、利用率)集成到第3层(IP)中，以便简化和改善IP分组交换。MPLS为网络操作者提供了大量灵活性，以转移并路由流量绕过链路故障、拥塞和瓶颈。基于MPLS的网络对当今的主干因特网变得越来越重要。
在MPLS中，数据传输发生在标签交换路径(LSP)上。LSP是在沿着从源到目的地的路径上的全部节点上的标签序列。LSP在数据传输之前被建立(由控制驱动)。作为下层协议专用标识符的标签使用标签分发协议(LDP)或RSVP或多协议边界网关协议(MPBGP)而被分发。每个数据分组都在它们从源到目的地的旅程中封装和携带标签。由于固定长度的标签被插入到分组或信元的开端处，并且可以被硬件用于在链路之间快速交换分组，因此数据的高速交换是可能的。
利用MPLS，当数据进入MPLS网络时，进入的分组(主要是IP分组)被分配给标签。分组转发是基于MPLS核心网络内的标签信息来实现的。在当今的路由器中，分组通常在ASIC硬件的协助下被转发。在IP分组进入路由器之后，路由器通常通过使用IP分组的目的地址查找路由表来判定分组需要去往的下一跳或路径。
在当前和未来网络的设计和部署中，实现MPLS的网络对当今的服务提供商(SP)来说变得越来越重要。主要起作用的因素在于，MPLS作为一种实现技术，不仅具有将语音、数据和视频汇聚到单个网络的能力，还具有将帧、信元和分组网络汇聚成单个网络的能力。部署并管理单个可扩展网络对服务提供商非常有益。此外，MPLS网络还允许服务提供商执行流量工程，并且在识别出其网络内的链路故障时迅速重路由用户的流量。这对于运营商级网络来说是一个重要特征。
MPLS提供的主要优点之一在于，只在提供商边缘路由器(PE)上需要在SP网络中的所有路由器中必须可获得的大量BGP路由。这是通过组合BGP(用于MPLS/VPN的MP-BGP)和运行在核心中的LDP(标签分发协议)来实现的。BGP是可以用于在不同或相同的自治系统之间交换路由信息的路由协议。用户网络通常使用诸如RIP或OSPF之类的内部网关协议(IGP)在它们的网络内交换路由信息。用户连接到ISP，并且ISP使用BGP来交换用户和ISP路由。当邻居之间的TCP连接最初建立时，BGP邻居交换全部路由信息。当检测到路由表的改变时，BGP路由器只将那些已经改变的路由发送到它们的邻居。BGP路由器不发送周期性的路由更新，并且BGP路由更新只向目的网络宣告最佳路径。
已被配置为适合于SP网络的路由器必须能够在非常高的速率上交换数据流量，并且非常有效地处理大量路由信息。通常希望路由器在非常短的时间段(例如50毫秒)内从链路故障中恢复，以便适合于运营商网络间隔。快速重路由是MPLS流量工程的一个应用，它使用户能够在接口或链路发生故障的情况下，建立具有一定带宽需求的备份网络路径，并且沿该路径向下明确地路由流量。
当前，高速数据交换通常是在基于ASIC的交换引擎的协助下被实现的。当IP分组进入PE路由器时，交换引擎查找其可能包含几十万个路由的路由表。对于MPLS/VPN的情况，交换引擎随后在IP分组顶端压入两个标签(顶标签和底标签)。顶标签是用于路由分组穿过网络核心的IGP(内部网关协议)标签。底标签是用于当分组进入出口PE路由器时将其路由到其最终目的地地VPN标签。
当用户的IP分组进入SP的MPLS/VPN网络的入口PE时，PE的转发引擎需要查找其路由表(使用分组的IP目的地址)。如果存在匹配，分组将在其离开入口PE并进入MPLS核心网络时携带两个标签。对于这种情形的ASIC中的转发通常涉及使用分组的IP目的地址而执行的由硬件协助的查找。如果存在匹配，查找结果则向转发引擎提供在其中存储了两个标签和流出接口信息的硬件邻接条目的位置，以在发出分组之前，利用正确的标签信息来重写分组。
当穿越核心网络以到达其最终目的地时，分组的IP目的地址不再使用。改为使用顶(IGP)标签将分组发送到出口PE，并且出口PE使用底(BGP/VPN)标签到达用户网络内的最终目的地。例如，如果存在500000个不同的BGP/VPN路由，就将存在500000个不同的BGP/VPN标签，但是只存在一些路由(如果考虑了负载共享路径)供入口PE将用户分组传送到出口PE。
入口PE用于转发分组的传统方法如下所述。用户路由(BGP/VPN)中的每一个都被编程到其ASIC FIB(转发信息库)表中。然后每个路由与一个ASIC邻接条目相关联，其中IGP标签、BGP/VPN标签和源/目的地MAC被重写到流出分组中。它们的关系和相依性被概括在图1中。前缀100.1.1.0/24、100.1.2.0/24等是BGP路由。通常存在几十万个路由。标签10001和10002是BGP/VPN标签。标签100和200是IGP标签。在本示例中，每个BGP路由存在两个负载共享路径，分别由标签100和200代表。
上述传统方法即使在存在大尺寸路由表时，也很好地工作以用于非常快速地交换分组。但是，当PE和其中间提供商路由器之一之间的链路发生故障时，该方法无法修正。这是因为它使用了相当大量的时间来重新编程ASIC交换引擎，以使用新的IGP标签到达其路由表中的每个BGP路由的可替换提供商路由器。BGP表的尺寸可以包含数十万的路由。因此，在更新ASIC转发引擎中的延迟通常会导致用户流量的长时中断。
因此，需要用于转发引擎的可扩展方案，其例如处理提供商边缘路由器及其相邻提供商路由器之间的链路何时停止或启动，并且在转发引擎中只有用于网络核心的IGP路由器(通常是少量BGP路由器)需要被重新编程。
发明内容
本发明公开了一种用于在MPLS网络中转发分组的方法。该方法一般地包括在路由器处接收分组以及向接收到的分组插入BGP/VPN标签和标识出IGP路由的内部标签。该方法还包括在转发信息表中创建以内部标签作为查找关键字的条目以及在邻接表中创建至少一个与所述内部标签相关联的邻接。使带有BGP/VPN标签和内部标签的所述分组再循环到所述转发信息表。然后使用内部标签在转发信息表中查找匹配的条目，并且以IGP标签替代所述内部标签。然后从路由器发出分组。其中所述内部标签不被提供到路由器的邻居。
本发明还公开了一种用于在MPLS网络中提供BGP路由更新的方法。所述路由更新在包括转发信息表和邻接表的路由器处被执行，所述转发信息表包含BGP路由和内部标签，所述邻接表包含BGP/VPN标签和内部标签。所述内部标签对应于至少一个IGP路由，并且具有与内部标签相关联的一个或多个邻接。所述方法包括在IGP路由改变之后更新与内部标签相关联的邻接。其中所述内部标签不被提供到路由器的邻居。
在本发明的另一方面中，公开了一种用于在MPLS网络中转发分组的系统。该系统一般地包括转发单元，该转发单元包含BGP路由和内部标签的转发信息表，以及包含BGP/VPN标签和内部标签的邻接表。所述内部标签对应于至少一个IGP路由，并且具有与内部标签相关联的邻接。转发单元被配置为将BGP/VPN标签和内部标签插入到传入的分组中，使包含BGP和内部标签的分组再循环到转发信息表，使用内部标签在转发信息表中查找匹配的条目，用IGP标签替代内部标签，以及发出分组。
以上是对本发明的优点的简要描述。对本领域技术人员来说，从以下描述、附图和权利要求中，本发明的其他特征、优点和实施例将变得显而易见。
附图说明
图1示出了现有技术的分组转发方案的图。
图2示出了示例性MPLS/VPN网络拓扑的网络图。
图3示出了利用VPN标签和内部标签封装的IP分组的标签的图。
图4示出了图2的路由器之一的硬件转发引擎的框图。
图5示出了本发明的分组转发方案的图。
图6示出了用于在MPLS网络中执行路由更新的方法的流程图。
图7示出了当分组在PE路由器中被交换时的数据分组流的流程图。
在整个附图中，对应的标号指示对应的部分。
具体实施方式
以下描述用于使本领域的普通技术人员能够实现并使用本发明。具体实施例和应用的描述仅仅作为示例提供，并且本领域技术人员将很容易想到各种修改。这里所描述的一般原理在不脱离本发明的范围的情况下，可以被应用于其他实施例和应用。因此，本发明并不局限于所示实施例，而是适用于与这里所述原理和特征一致的最广阔范围。出于清楚的目的，涉及本发明相关技术领域中公知的技术材料的细节未被详细描述。
本发明工作在包括了多个网络元件的数据通信网络的上下文中。采用本发明的网络中的某些元件可以是诸如路由器和交换机之类的网络设备。例如，某些节点可以是特殊配置的路由器，例如从加州San Jose的思科系统公司可获得的那些路由器。这里所使用的术语“路由器”被用于指代基于网络层和更高层信息来转发分组的设备。路由器例如可以包括主控中央处理单元(CPU)、接口、硬件辅助的转发引擎以及总线(例如PCI总线)。CPU优选地包括存储器和处理器。当在适当软件或固件的控制下动作时，CPU负责诸如路由表计算、网络管理和协议分组处理之类的路由器任务。它优选地在包括了操作系统(例如思科系统公司的互联网操作系统
Figure C200480008509D00081
的一个版本)的软件和任意适当的应用软件的控制下实现所有这些功能。CPU可以包括一个或多个处理器，例如来自Motorola系列的处理器或者来自MIPS微处理器系列的微处理器。在可替换的实施例中，处理器是被特殊设计的用于控制路由器的操作的硬件。存储器可以是非易失性RAM和/或ROM。但是，存储器可以有很多不同的方法被耦合到系统。在可替换的实施例中，路由器或交换机可以被实现在通用网络主机(例如计算机系统)上。
本发明提供了用于MPLS网络中的硬件递归BGP路由更新的可扩展方法和系统。如前所述，对于传统方法，如果在IGP路径中出现任意改变(例如由于FRR或负载共享路径的路径数目改变所引起的路径改变)，则需要更新用于所有BGP/VPN路由的硬件邻接条目的数量。在某些情况下，PE中的BGP路由的数量可以是五十万或更高。在这种情况下，传统方法将需要大量时间更新这些路由的所有邻接条目，从而导致严重的用户流量中断。如下面将详细描述的，本发明将大量BGP路由映射到一些内部标签，从而当IGP路由改变发生时，无需改变用于BGP路由的转发条目。
参考图2，示出了可以使用本发明的系统和方法的网络。该网络包括三个用户边缘路由器(CE1、CE2、CE3)36、三个相关的提供商边缘路由器(PE1、PE2、PE3)38和五个提供商路由器(P)42。每个CE36都与一个VPN(VPN1、VPN2、VPN3)44相关联。在MPLS中，数据传输发生在标签交换路径(LSP)上。LSP是在沿着从源到目的地的路径上的全部节点的标签序列。固定长度的标签被插入到分组或信元的开端处，并且可以被硬件用来在链路之间快速地交换分组。路由器例如可以是边缘路由器38或标签交换路由器(LSR)。LSR参与使用适当标签信令协议的LSP的建立以及基于所建立的路径的数据流量的高速交换。边缘路由器38工作在接入网络和MPLS网络的边缘处并且支持连接到不同网络(例如帧中继、ATM和以太网)的多个端口，并且在建立LSP、在入口处使用标签信令协议并且在出口处将流量分发回接入网络之后，将流量转发到MPLS网络。标签标识出分组应该穿越的路径，并且标签与分组一道被携带或被封装在分组的第2层头部中。接收路由器检查分组的标签内容，并且确定下一跳。一旦分组已经被加注标签，分组通过网络骨干的行程就基于标签交换。
将会理解，图2仅仅是示出了MPLS/VPN网络技术的一个示例，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用其他类型的网络。例如，取代MPLS/VPN路由，可以使用本方案来实现纯粹的BGP路由，以在IGP路由改变期间实现很高的可扩展性。在这种情况下，不存在VPN标签。如下面将详细描述的，本发明提供了用于MPLS网络中的硬件递归BGP路由更新的高速可扩展方案。
这里所描述的本发明可以用专用硬件、微代码、软件或光(光学)逻辑来实现。以下描述了利用基于ASIC的转发引擎48(图4)的硬件实现方式。
硬件转发引擎48使用硬件来转发数据分组，以实现高性能。硬件路由表和邻接表是在数据传输之前，在软件的协助下而被编程的。当数据分组到达时，硬件转发引擎48查找硬件路由表，找到用于路由分组的路由条目和邻接，并且据此转发分组。在路由器内用于给定路由的IP路径通常由路由器的下一跳IP地址代表，该地址是一个4字节的值。用于给定路由的MPLS路径通常由被封装的字节串代表，该字节串包含目的地和源MAC地址以及尺寸可变的MPLS标签堆栈。当IP分组进入PE路由器38之一时，转发引擎48查找其路由表。然后，转发引擎48将两个标签压入IP分组52的顶端，如图3所示。顶标签是固定的内部标签56(它替代现有技术的IGP标签)并且标识IGP路由。底标签是用于在分组进入出口PE路由器38时将分组路由到其最终目的地的BGP/VPN标签54。
图5示出了用于本发明的转发方案的一个实施例的FIB(转发信息库)表60、邻接表62以及路由和邻接关系。每个用户路由(BGP/VPN)都被编程在其FIB表中。然后每个路由与一个邻接条目相关联。前缀100.1.1.0/24、101.1.2.0/24和110.1.2.0/24是BGP路由。如上所述，可能存在数十万个这样的路由。标签10001、10002和12002是BGP/VPN标签。在本方案中，用于BGP路由的每个硬件邻接条目中的传统IGP标签(100和200)(图1)被固定的内部MPLS标签1000000所取代。不将内部标签提供给PE的MPLS邻居用于常规的转发目的。
在硬件FIB表中，以内部标签作为查找关键字的单个条目被创建。另一硬件邻接(或者用于负载共享路径的多个邻接条目)被创建，其中存储了PE的相邻提供商路由器的IGP标签和MAC信息。该硬件邻接与基于内部标签的硬件FIB条目相关联。
BGP路由的每个硬件邻接告诉转发引擎48压入BGP/VPN标签和内部标签，然后使分组再循环(图2和图5)。这取代了由邻接指导转发引擎48将分组转发出PE路由器(如图1的传统转发方案所示)。分组的再循环可以在ASIC的协助下以非常高的速度来完成。
分组现在被标注了位于顶部的内部标签以及位于标签堆栈的底部的BGP/VPN标签(图3和5)。经加注标签的分组在再循环之后再次进入转发引擎48，并且分组查找匹配内部标签。然后，转发引擎48使用其邻接条目以内部标签交换IGP标签，并且发出分组。
当IGP路由改变发生时，只有与内部标签相关联的硬件连接需要被更新，而BGP路由和它们的相应硬件邻接条目保持不变。更新单个条目与更新成百上千个条目相比变得非常具有可扩展性，因此可以满足在极短时间内恢复所有网络流量的SP迫切需求。因此，即使考虑负载共享路径，用于BGP路由的每个硬件邻接也只占用一个硬件邻接条目。用于内部标签的硬件邻接可以占用多个硬件邻接条目。
图6示出了上述用于MPLS网络中的路由更新的过程的流程图。在步骤100处，BGP/VPN路由更新到达。与该路由相关联的硬件邻接被创建(步骤102)。邻接包括一个VPN标签和一个内部标签。接下来，在硬件查找表中的用于VPN路由的条目被创建(步骤104)。该条目指向在步骤102处创建的邻接。如果内部标签还未存在，则将其编程到硬件查找表中(步骤106)。而且，用于该标签的邻接条目被创建，以使内部标签与IGP标签相交换(步骤108)。在步骤110处，IGP路由改变到达。然后，为内部标签更新邻接条目(步骤112)。
图7示出了当分组在PE路由器38之一处被交换时的数据分组流的流程图。在步骤80处，用户的IP分组进入SP的MPLS/VPN网络的入口PE。PE的转发引擎查找其路由表并找到匹配(步骤82)。然后BGP路由的每个邻接指示转发引擎压入BGP/VPN标签和内部标签(步骤90)并且使分组再循环(步骤92)。然后，分组查找匹配内部标签(步骤94)。转发引擎使用其邻接条目使内部标签与IGP标签相交换(步骤96)并且发出分组(步骤98)。
将会理解，虽然上述示例描述了用于IP到MPLS路径的BGP递归路由可以如何以高度可扩展的方式被处理，但是本方案也可应用于MPLS到MPLS的路径(例如在运营商的运营商PE处的情况下)，其中在PE和CE之间的接口是以MPLS实现的。
如上所示，上述发明在MPLS网络中提供了更高的网络可靠性、可用性和高度的可扩展性。例如，由于在IGP路由改变的情况下，只需要更新用于IGP路由的硬件邻接条目，因此在链路故障的情况下，可以获得更高的可靠性、可用性和更短的故障时间。如需要更新所有BGP路由的邻接条目的传统方案相比，这里所述的本发明大大减小了更新硬件转发表所需的时间。这种低延迟优点对于注重时间的应用(例如快速重路由)来说很重要。
此外，上述发明提供了高度的可扩展性，这是由于本发明将大量BGP路由映射到对应于IGP路由的一些内部标签，从而使用于BGP路由的硬件转发条目在IGP路由改变期间是完整的。这使硬件表更新时间独立于设备中的BGP路由数量，从而提供了高度的可扩展性。
本发明在负载共享的情况下还能够节省硬件资源。在到其BGP邻居存在多条路径(在SP网络中的常见情形)的路由器中，传统方案对于每个BGP路由要消耗多个硬件邻接条目。本发明将IGP负载共享路径隐藏在由所有BGP路由共享的内部MPLS标签之后，从而使每个BGP路由值需要使用一个硬件邻接条目。在存在成百上千个BGP路由的服务提供商或企业边缘路由器中，这大大节省了硬件资源的使用。而且，由于只需要更新有限数目的IGP路由，因此需要的CPU处理时间更少。这在汇聚时间期间提供了很高的稳定性。
虽然已经根据所示实施例描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将容易意识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对实施例进行修改。因此，包含在以上描述中并在附图中示出的所有内容都将被视为示例性的，而非限制性的。

Claims (10)

1.一种用于在MPLS网络中转发分组的方法，该方法包括：
在路由器处接收分组；
向接收到的分组插入BGP/VPN标签和内部标签，所述内部标签标识出IGP路由；
在转发信息表中创建以所述内部标签作为查找关键字的条目；
在邻接表中创建至少一个与所述内部标签相关联的邻接；
使带有所述BGP/VPN标签和内部标签的所述分组再循环到所述转发信息表；
使用所述内部标签在所述转发信息表中查找匹配的条目；
以IGP标签替代所述内部标签；以及
从所述路由器发出所述分组，
其中所述内部标签不被提供到所述路由器的邻居。
2.如权利要求1所述的方法，其中在转发信息表中创建条目的步骤包括创建查找关键字。
3.如权利要求1所述的方法，其中，当发生IGP路由改变时，还包括更新与所述内部标签相关联的所述邻接。
4.如权利要求3所述的方法，其中在IGP路由改变时，只有与所述内部标签相关联的邻接被更新。
5.一种用于在MPLS网络中提供BGP路由更新的方法，包括：
在包括转发信息表和邻接表的路由器处执行路由更新，所述转发信息表包含BGP路由和内部标签，所述邻接表包含BGP/VPN标签和所述内部标签，所述内部标签对应于一个IGP路由，并且具有与所述内部标签相关联的一个或多个邻接；以及
在IGP路由改变之后更新与所述内部标签相关联的所述邻接，
其中所述内部标签不被提供到所述路由器的邻居。
6.如权利要求5所述的方法，其中在IGP路由改变之后，所述BGP路由不被更新。
7.如权利要求5所述的方法，其中所述邻接表被配置为在所述转发信息表中查找匹配的条目之前，使分组再循环到所述转发信息表。
8.一种用于在MPLS网络中转发分组的系统，所述系统包括转发单元，该转发单元包括：
包含BGP路由和内部标签的转发信息表；以及
包含BGP/VPN标签和所述内部标签的邻接表，所述内部标签对应于一个IGP路由，并且具有与所述内部标签相关联的一个或多个邻接；
其中所述转发单元被配置为将BGP/VPN标签和所述内部标签插入到传入的分组中，使包含所述BGP和内部标签的分组再循环到所述转发信息表，使用所述内部标签在所述转发信息表中查找匹配的条目，用IGP标签替代所述内部标签，以及发出分组，
其中所述内部标签不被提供到所述路由器的邻居。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述转发单元是ASIC转发单元。
10.如权利要求8所述的系统，其中所述转发单元被配置为在IGP路由改变之后，更新与所述内部标签相关联的所述邻接。
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