（计算机应用技术专业论文）基于mpls的故障恢复机制研究.pdf

摘要 随着网络规模的迅猛发展和新业务的大量涌现，如何提高网络的服务质量成 为当前迫切需要解决的问题之一。现有i p 协议的拓扑驱动和无连接等特性对网 络对资源和流缺乏整体控制能力，易造成网络资源使用不均衡，整体利用率不高 等问题。优化网络资源的使用、最大程度避免因资源使用不合理引起的网络拥塞 成为流量工程的主要目标。 多协议标签交换技术m p l s 利用网络核心的交换技术和网络边缘的i p 路由 技术，使网络流量均衡地分布在网络中，提高网络性能。故障恢复机制使大型网 络中利用m p l s 实施性能优化变得十分便利，因此，m p l s 的故障恢复机制一直 是m p l s 流量工程研究的重点之一。为保证可靠业务具备快速恢复能力，m p l s 故障恢复机制需要为l s p 预先配置备份路径。在重载荷下，备份路径配置将消 耗大量的可用带宽资源，导致系统性能下降。 本文从降低带宽资源耗费这个角度研究优化的故障恢复机制，目标是在保证 网络提供连续服务能力的同时，提高网络资源利用率，优化网络的运行性能。 现有各种恢复机制都是基于单一恢复模型的，虽然都有各自的优点，但它们 都只能对所有流量故障按照单一方式实施故障恢复，本文将故障恢复机制和区分 服务模型相结合，提出一种基于m p l s 的分级故障恢复机制。为了对不同业务 流的恢复需求进行分类，本文引入了r d o o s 模型，把需要恢复的流划分成不同 的恢复级别，然后利用m p l s 信令协议将恢复级别需求在m p l s 网络内通告， l s r 根据流的恢复级别需求实施相应的恢复机制。该机制在满足业务流相应恢 复需求的同时，降低恢复系统的资源耗费。文章最后利用n s 2 仿真实现了m p l s 分级故障恢复机制，并对恢复机制进行了性能评估。 关键词：流量工程；多协议标签交换；网络拥塞；故障恢复：n s 2 a b s t r a c t w i t ht h ee x p l o s i v eg r o 叭ho ft h e 矾柳o r ks c a l e 釉dt h ee m e r g e i l c co fal o to fn e w s e n ，i c e s ，h o wt oi n l p f o v e 也eq o so ft h en e 俺，o r kb e c o m e st b ep r o b l 锄t h e 恤d i t i 彻a l h t e m e tp r o f o c o l 脚l st oa d d f c s st b ep r o b l c | no f t o r kc o n g c s t i 衄锄dp e r f o r 蚴c c d e 舯d a t i o nr e s u n i n g 丘o mt h ei n e f f i c i e n tr c s o u r o ca l l 训岫d e rh e a v yt m 伍cl o a d t h c r c f o f c ，l oo p l i m i z em en e 押删kr c s o u r c eu l j l i z a t i o na n dl oa v o i dt h en e 咐0 1 kc o n g e s t j 衄 h a v eb c c o m et h cm a j o rt 嬲ko fm e m e tt r a f f i ce n g n e e r i n g m p l s ( m u l i i - p r o t o c d l 工丑b e ls w i t c h i n g ) t a k 鹳9 0 0 du o ft h cs w i t c h i i l gt c c h n o l o g yo f 山ec 0 陀o fn e 啪r k 锄d t h e m m u t i n g 慨h n o l o 韶o f t h ce d g co fn e 脚。呶“nh e l p t o o p t i i i l i z i n gt h eu t i l i z a t i o no fn e t w o r kr c u c ca n di n l p r o v i n gt h ep c i o 瑚a n c co fn e 呐o 血 佻i n gu o fm u l t i p f o t 0 0 0 l l a b ds w i t c h i n g 诵t hi 协e 伍c i e n ts u p p o n0 fr 啪v e f y m e c h a n i s mp m v i d 酪b 猫i cm e t h o d s 蛋d rf a c i l i t a 曲g1 h f i ce n 舀n e e r i g t h e r c f o 坞，缸i n r e o o v e r yh 鹤b c 伽e 缸i m p o n a n tr e s e a r c ha r c ai nm p l st r a 萤丘ce n g i i l e e r i n 吕t h eb a c k 叩 p a t hs h o u l db cp r e - c o n 丘g u r c df o r t h ep r o t e c t c dl s p b y m p l sf a u n 蝴e r ym c c h a n i s mi n 0 r d c rt oc n s u f ct h a tt h er c l i a b l ea p p l i c a t i c 肌g e tf 敏r e o o v e r y 仃c a t m e n t u n f b r t u n a t e l y ，t i i e b a c h pp a t l l i g l 】t i o nw ml e a dt 0t h ed e 黟a d a t i 0 fn e 咖r kp e 怕m a n f o rt h a ti t c o n s 咖e s a l a r g es 岫o f b 趾d w i d t hr e s 叫f c c s i n c 嬲eo f h e a v y n a 髓c 】o a d 1 kp a l 埘强p l o r c sm ed 船s i f i c df a u nm c 0 v c r ym e c h a n i 锄so fm p l st r a 倚c f h g i n e e r i n g ，i nv i e wo fe n h 卸c i n gm en c 押o f kr e u f u 词j z a t i 彻a n d 聪d u c i n gt h e b 柚d w i d t hc o 璐u m p t i o n 锄de n h a n c i n gt h ep e r f b m a n c co fo p e m t i o n a ln e 似，o r l c ，w h i l e s i m u l t a l l e o u s l yp r o v i d i i l gr c l i a b l e t 、o f k0 p e r a t i o n s p 辩n n ym 缸yf 矗u l tr 啪v c r ym e c h 柚i s ma r eb 弱c do ns i i l g l em o d e l a l t h o u g l lt h e ya l i h a v et h e i ro w na d v a n t a g c s ，t h e yc 锄o n l ya p p l yt h es a m e 饥nr e v e r yo p e r a t i o nt 0f a u l t so f a nn o w 1 1 i i sp a p c rb 由g s 白l l l tr e v e r ym a c h c n j s m 卸dd i 位游f vm o d dt o g c t h 盯i n t 0 c o n s i d 玎a t i o n ，a n dp r o v i d eac h 站i f i e df a l mr e c o 、，c t ym e c h a n i 锄b a s e d m p l s 1 n0 t d 盯t o d 勰s i 匆t l l ed i 量f e 砌t q u i r e m 髓t so fs e n r i c c ，r d - 0 0 si si n t 州u c c d t 1 i em e c h 锄i s m 触t d 鹪s i f yt h en a ww a m n g t 0b e 碥c o v 商e di 丑t od i 缅e n tc i 鹞s 鹳，t l l e nn o t i 6 l ct h er c o a v e r y d a 鼯r 钢u 硫m e n t s 耐t l i i nt h em p 【sn e 柳。文w h i c hi ss h p p o n c db yp f o l ) c 0 1 l s rp f o ，i d c s r c l c v 拙tr e v e r ym 删s m a c 。o r d i n gt 0t h er e c o v c r yc l 勰s nc 蛆m e c t 曲峙r e q u i r c i n c n to f b u s i n e 昭，柚dr c d u c er c u r c cc o n 辄m p t i o n0 fr e c o v c r ys y s t c mi t h em e a nt i i n e a ti 嬲t ，m e p a p e ru s en s 2t of e a l i z ct h ed 船s i f i e df b l l l t c o v e r ym a c h e n i s mb 舔e d m p l s 柚d c v a l u a t et h ep e r f o n n a n c eo f “ k e y w o r d s ：1 r a 蚯ce n 舀n e e r i n gm u h i p m t o c o ll 丑b e ls 耐t c h ；m f w o f kc o n g c s t i o n ；f a u n r e v e r y ；n s 2 n 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：p 旁阮日期：加7 年j 月r 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在 年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“，”) 作者签名可旁轧 导师签名： u? 才形名7 日期：砷年f 月，j 日 日期易哆年一月夕日 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 1 1 1 研究背景 随着i n t e r n e t 的飞速发展，各种新业务以及迎合其需求的专有网络也在不断 发展，i n t e r n e t 在满足各种流的服务质量需求方面越来越显得力不从心，网络拥 塞现象时有发生，i n t e r n e t 的网络性能也开始出现不可控的情况。服务质量q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 和生存性( s u r v i v a b i l i t y ) 成为目前i n t e r n e t 面临的两大问 题。按照a n s i t i a l 2 工作组的定义1 2 l ：网络生存性是指系统发生故障时，网络 仍能维持服务连续性的能力，即网络具有一定的故障恢复能力。由于i p 层依靠 路由协议的收敛来进行故障恢复，恢复效率低且恢复周期长，从故障检测到恢复 一般需要数秒时间，这对于延迟敏感和高可靠业务来说是无法接受的，因而故障 期网络的服务质量更加难以保证1 3 j 。 流量工程的目标是在优化网络性能的同时保证网络提供可靠服务。为达到 这一目标，可以通过实施流量控制，使网络流合理地分布到现有网络拓扑中，避 免因网络资源使用不均衡导致的网络拥塞。同时可引入快速可靠的故障恢复机 制，以保证故障期间网络提供的服务质量不下降。 多协议标记交换m p l s i ( m u l t i - p f o t o c o il a b e ls w “c h ) 在传统的l p 网络中 增加了面向连接的特性，这使得在i p 网络中实施流量工程成为可能。在m p l s 网络中，通过采用显式路由标记交换路径e r l s p ( e x p l i c i ir o u t e l a b e l s w i t c hp a t h ) ，网络管理者可以很容易地对网络资源和流实施控制。此外，面向 路径的特性使多协议标记交换m p l s 在故障恢复上比i p 更具优势，它在原i p 协 议基础上增加少量开销的条件下可以提供毫秒级的恢复速度1 3 j ，从而显著提高网 络的生存性。 将m p l s 用于实施流量工程，是m p l s 最具吸引力的应用。优化网络性能 的同时保障网络可靠运行，提高网络生存性是实施m p l s 流量工程的主要目标。 因此，m p l s 被业内人士认为是下一代i n t e r n e t 骨干网络技术。m p l s 流量工程 的直接用户将是大型i s p ，为了在现有网络上提供尽量好的服务和获得最大利 润，最大程度利用现有网络资源，优化网络的运行性能，i s p 必然借助于流量工 程。m p l s 技术的优势使得在i p 网络中实施流量工程变得十分便利，也使m p l s 技术本身具有良好的发展前景。 1 1 2 意义 在上述背景下，本文针对故障恢复机制这个m p l s 流量工程中的关键问题 进行研究，提出并设计一种改进的基于m p l s 的分级故障恢复机制，目标是在 保证网络提供连续服务的同时，提高网络资源利用率，提高网络生存性，这对于 在大型网络中实施性能优化以及推广和应用m p l s 流量工程具有重要理论价值 和现实意义。 1 2 研究现状 1 2 1m p l s 流量工程研究现状 1 9 9 7 年，i n t e r n e t 工程任务组i e t f 专门成立了m p l s 工作组，负责开发和 制定有关m p l s 的标准，目前形成的标准草案主要是关于m p l s 技术的基本实 现，包括标签的定义和编码、标签分发协议规范、m p l s 体系机构、m p l s 基本 应用等。 目前m p l s 工作组的工作重点己经从原理技术的基本实现，转移到m p l s 技术的应用中来，主要是面向m p l s 如何更有效的提供增值服务，m p l s 在局域 网中的应用、m p l s 与光线传输网的融合、m p l s 流量工程的具体应用等。在流 量工程应用方面，i e t f 已制定了关于m p l s 流量工程要求的标准草案，包括网 络流量主干属性和资源属性的分析，以及约束路由的讨论。 在公司方面，目前许多通信公司，如c i s c o ，j u n i p e f ，n o r t e l 和b e l i 等都在 积极参与m p l s 标准的制定和相关应用的研究，推出了许多m p l s 产品，并依 据这些产品，在美国和欧洲开展了大量的m p l s 实验。l u c e n t ( 朗讯) 在全美 2 3 个大城市间的n e t 2 实验网上进行m p l s 技术实验，以测试m p l s 与其它a t m 网、帧中继网等的互连互通、m p l s 对语音、实时视频传输的支持能力和m p l s v p n 性能等。 欧洲国家1 9 9 9 年在其欧洲国家研究网上实现a t m 、p v p c 、p v c c 、s d h 、 g 级以太网、d w d m 等传输网络技术统一在m p l s 下进行互连互通，并作了语 音传输、视频服务和多媒体业务等实时业务传输和v p n 增值服务的实验。 1 2 2m p l s 故障恢复研究现状 在故障恢复方面，m p l s 作为未来骨干网的核心技术，其故障恢复机制对于 保证整个网络的运作以及保证关键应用的服务质量( q o s ) 都至关重要，因此 m p l s 工作组将m p l s 故障恢复机制作为重要研究目标之一。目前i e t f 给出了 m p l s 故障恢复的框架( r f c 3 4 6 9 ) ，定义了故障恢复的一些基本概念、故障保 护的类型、故障恢复的基本原则等，但具体的实现机制、策略、方案、多层修复、 跨不同网络的故障恢复以及各种不同的算法仍在研究之中。 国外方面，在已提出的各种具体方案中，k i n i 等给出了使用共享的备份l s p 进行故障恢复的多种模型。m a k a m 等提出在发生故障时向上游发送故障指示信 号将流量切换到备份l s p 。h a s k i n 等提出在建立备份l s p 时构成回路，用以实 现快速重路由。r a b b a t 等研究了m p l s 用于区分服务时，根据不同类别和优先 级进行故障恢复的方案。c h e n 等研究了修改l d p 消息的分布式快速故障恢复方 法。通过对已有方案的总结，s h a r m a 等给出了m p l s 故障恢复的框架。a w d u c h e t s 等将m p l s 故障饿复分为链路保护、结点保护，路径保护和网段保护4 种类型 分析了l s p 信道属性的恢复属性，并根据备份l s p 和被保护的l s p 的数量分析 了几种选项。为了使m p l s 信令支持故障恢复，h e l l 3 t r a n d 等扩展了c r u ) p 和 r s v p t e 信令协议，o w e n s 等扩展了m p l s 信令协议r s v p t e ，使其支持建立 备份l s p 并可在l s p 发生故障时传播故障指示信号。仿真实验方面，s r i k i t i a 等 通过扩展网络仿真器n s 对两种故障恢复机制作了性能比较，为每个q o s 连接 事先建立可共享的备份路径和仅在收到故障通知时进行动态恢复。 国内对于m p l s 故障恢复的研究也已多年，主要有：王勤民进行了基于链 路监控的m p l s 的保护机制的研究；杨天乐，杨爱英进行了m p l s 网络中m ：n 方式保护与恢复方案的研究；黄维华对m p l s 网络的可靠性及恢复机制进行了 研究；常新杰对m p l s 网络中的故障保护措施进行了研究；黄河等人针对故障 恢复与区分服务相结合的故障恢复模型进行了研究 袁泉进行了m p l s 网络中 错误恢复机制的研究与分析；朱树人等人进行了基于m p l s d i f f s e r v 流量工程的 故障恢复模型的研究；许先斌研究了基于快速重路由机制的m p l s 故障恢复模 型等。 1 3 论文研究内容 目前m p l s 流量工程的研究内容主要集中在以下两个问题上：一是提高网 络资源利用率，即实施面向资源的流量工程1 4 】，二是研究高效的m p l s 故障恢复 机制以提高网络的生存性。 对于第一个问题，由于流量工程的实施分为面向资源和面向流两种，面向流 的流量工程着重解决流的服务质量问题，即给特定的业务流提供满意的服务质 量。它可以通过使用约束路由算法为特定流计算满足其o o s 需求的路径来实 施；而面向资源的流量工程着重解决资源的平衡和合理使用的问题，它可以采用 动态流量工程m 和显式路由1 6 】优化等方法来实施。 为了故障发生时保证网络的连续性和服务质量，网络生存性已经成为互联网 中的一个重要问题。当前基于i p 路由协议的故障恢复机制至少需要几秒到几分 钟的时间，这将导致大量分组的丢失，从而造成严重的服务质量问题以及网络性 能的下降，因此故障恢复也是实施m p l s 流量工程需要解决的另一个重要问题。 故障恢复机制可以由多层来实现。当网络出现故障时，传统i p 路由协议虽然可 以通过重新计算路由来实现动态恢复，但恢复过程往往需要数秒甚至数十秒的时 间，从而导致大量分组丢失，出现严重的服务质量退化问题。依赖低层协议进行 故障恢复虽然恢复速度较快。但往往满足不了m p l s 所要求的恢复粒度以及针 对节点的保护等。面向路径的特性使m p l s 在故障恢复上比i p 更具优势m p l s 能够提供比传统i p 逐跳路由更快、更可预测的保护和恢复能力。同时，基于m p l s 的故障恢复机制还可以使m p l s 网络屏蔽下层网络的差异，为网络提供统一的 3 恢复能力，从而提高网络的可靠性和生存性。因此，对高效的m p l s 故障恢复 机制和故障恢复算法的研究具有重要意义，也是目前m p l s 流量工程研究中的 一个热点问题。 本文针对以上第二个问题中的关键技术进行研究，重点是从降低带宽资源耗 费这个角度出发，研究高效的m p l s 故障恢复机制。主要研究内容包括以下几 个方面： 一1 研究了m p l s 技术的相关规范和标准，并分析m p l s 网络的体系结构、 运行机制和关键技术以及m p l s 的故障恢复机制。 2 将故障恢复机制和区分服务模型相结合，研究区分恢复级别的分级故障 恢复机制，在满足业务流相应恢复需求的同时，降低恢复系统的资源耗费。 3 利用n s 2 仿真实现了m p l s 分级故障恢复机制，并对恢复机制进行了性 能评估。 1 4 论文结构 本课题来自湖南省教育厅科学研究项目m p l s 流量工程体系结构优化 研究。本论文内容为课题研究内容中的一部分。 本文围绕m p l s 流量工程故障恢复机制这个主要问题展开研究。本文详细 介绍了现有的多种典型的单一故障恢复机制，分析了单一模式存在的问题，然后 提出了一种基于m p l s 的分级故障恢复机制。研究主要通过降低恢复配置的资 源耗费来提高故障期的网络性能，在保证网络提供可靠恢复能力的同时提高其整 体性能。 全文共分为五章，各章的主要研究内容包括： 第一章绪论介绍课题研究背景和意义、研究现状以及论文的研究内容等。 第二章是对m p l s 流量工程及其相关技术的研究。首先介绍了流量工程的 概念、基本思想和传统i p 技术实施流量工程的局限性，接着介绍了多协议标记 交换m p l s 技术、m p l s 基本原理及m p l s 网络构成，说明了m p l s 的优点，在 介绍了m p l s 流量工程的实施方法后介绍了m p l s 故障恢复的基本概念。 第三章对m p l s 故障恢复进行了分级设计，引入了r d q o s 模型，把需要 恢复的流划分成不同的恢复级别。并比较了现有典型的恢复方法，分析了单一恢 复机制各自特点和适用范围，在此基础上提出了恢复机制映射规则。 第四章对基于m p l s 的分级故障恢复机制进行研究，设计了恢复规则和链 路资源分配的方法，并提出了利用r d q o s 模型进行恢复需求通告的方法。然后 从保护域配置、故障检测、故障通告、保护切换四个方面设计了一个分级的m p l s 故障恢复机制。 第五章对本文提出的基于m p l s 的分级故障恢复机制进行仿真实现，并对 实验结果进行了分析比较。 第二章m p l s 流量工程及相关技术 本章主要介绍了m p l s 流量工程的一些相关技术，包括流量工程、m p l s 技 术以及m p l s 流量工程的实施方法等。 2 1 流量工程 2 1 1 流量工程概述 将业务流有策略地映射到现有物理链路上的任务称为流量工程1 4 l 。流量工程 是通过对网络资源的合理配置，对路由过程的有效控制使得网络的资源得到更优 的利用，使网络的运用效率得到提高，流量工程还致力于提供用户端到端的服务 质量。现有的大部分i g p 协议( 内部网关路由协议) 在建立转发表时，并未将 带宽的可用性和业务特点等因素考虑进去，它只基于一个简单附加量度，如跳数 或某个管理值，并不发布类似于带宽可用性和业务特征等信息。这就意味着，当 i g p 计算其转发表时并不考虑网络上的业务负载，可能导致业务不能在网络连接 中均匀分配，造成部分网络资源未被充分使用，另一部分网络资源被过度使用。 流量工程是一个强有力的工具，通过它可以平衡网络中不同的链路、路由器和交 换机之间的业务负荷，使所有这些网络设备既不会过度使用，也不会未被充分使 用。这样i s p ( i n t e r n e ts e r v i c ep r o v i d e r ) 就可以有效利用整个网络的资源，在 未来的主干网络中，流量工程将成为路由结构中一个重要的辅助部分，它能够在 沿网络中备选路径转发业务时提供辅助信息。 流量工程是目前理论研究的热点，流量工程的最终目标是将业务流合理地映 射到网络物理拓扑中，从流和资源两个层面上优化网络性能，同时使网络提供可 靠服务。 2 1 2 流量工程的基本思想 流量工程系统由系统( 流量) 、受限系统( 互连的网络单元) 和响应系统( 网 络协议及其处理) 组成。流量工程为网络的四个方面建立参数和操作点。从根本 上说，它是个控制问题。流量工程处理模型包含四个阶段：第一个阶段是表达控 制策略，从网络环境、成本结构、收益模型、操作条件和标准几方面决定；第二 个阶段是监控网络状态，由反馈控件完成；第三个阶段是分析网络状态和描述流 量特征，其结果用于网络性能优化、运行控制、结构设计和容量规划；第四个阶 段是通过控制操作实现网络性能优化。该操作涉及网络资源限制的修改( 如增大 容量) 、处理流量管理参数、或者修改与路由选择有关的参数。流量控制管理是 一个适应过程，上述四个阶段需循环往复。在实际运行环境下，最好减少人工干 预，尽可能自动完成。 流量工程的主要性能指标可以分为两种： 5 1 面向流量 2 面向资源 面向流量的性能指标包括了增强流量q o s 功能的各个方面。在单一q o s 等级，尽力而为的i n t e f n e t 流量模型中，面向流量的性能指标包括：对分组丢 失的最小化、对时延的最小化、对吞吐量的最大化以及对服务等级协定的增强等。 在这一流量模型中，使分组丢失最小化是最重要的性能指标。而在未来的区分服 务的因特网中，一些与统计数据有关的面向流量的性能指标( 如时延峰值变化、 丢失率等) 也将会越来越重要。 面向资源的性能指标包括了优化资源利用的各个方面。高效的网络管理是达 到面向资源性能指标的重要途径。通常我们都希望能够确保在其他可选路径上还 有可用资源时，一条路径上的网络资源不会被过度的使用。带宽是当前网络上的 一种非常重要的资源。因此，流量工程的一项中心任务就是对带宽资源进行有效 的管理。 无论是面向资源的还是面向流量的流量工程，它们首要的性能指标都是拥塞 的最小化。这罩所关心的拥塞主要是长时间的拥塞，而不是由突发的流量所造成 的短时自j 拥塞。发生拥塞的情况主要有以下两种： 1 当网络资源不足以满足负载的要求时所发生的拥塞。 2 当业务流量与可用资源之间的映射效率不高时，导致一部分网络资源被 过度使用，而另一部分资源却未被充分利用时所造成的拥塞。 第一种类型的拥塞可以用以下方式解决： 1 对网络进行扩充。 2 应用经典的拥塞控制技术。 3 同时使用以上两种方法。 经典的拥塞控制技术是试图对业务请求进行控制，从而保证业务能够和可使 用的资源相匹配。用于拥塞控制的经典技术包括：速率控制、窗口控制、路由器 队列管理、流程控制以及一些其他的技术。 第二种类型的拥塞，即由于资源的不合理分配而引起的拥塞，通常可以用流 量工程来解决。 一般来说，不合理的资源分配所造成的拥塞都可以通过负载均衡来缓解。这 类策略是通过有效的资源分配，减轻拥塞或者是减少资源的使用，使得拥塞最小 化，或资源利用率最大化。当拥塞最小化时，将减少分组丢失，也将缩短传输时 延，同时吞吐量将增大。这样，终端用户所感觉到的服务质量将会有显著提升。 显然，负载均衡是优化网络性能的重要策略。然而，提供给流量工程的策略必须 是足够灵活的，以便网络管理员可以实现兼顾普遍成本结构和效用、税收模型的 其他策略。 2 1 3 传统流量工程的局限性 近年来，随着i p 网络规模越来越大，传统的路由核心网在为流量工程提 6 供可扩展性支持方面的局限性越来越来明显，主要体现在以下几方面1 1 0 l ： 1 由于传统路由器的汇集带宽和包处理能力有限，因此，传统的、基于软 件的路由器在高负荷的情况下可能成为潜在的瓶颈。 2 传统的i p 网络仅可提供有限的、基于量度的流量工程能力，在网络规 模不断扩大的情况下很难提供流量工程支持能力。基于量度的流量工程对于复杂 网络提供的是一种跟踪纠错的解决方法，而不是预先可控的性能优化方法。 3 i g p 计算是通过拓扑驱动的，它只基于一个简单附加量度，如跳数或某 个管理值。i g p 并不发布类似于带宽可用性和业务特征等信息，这就意味着， 当i g p 计算其转发表时并不考虑网络上的业务负载。网络对资源和流缺乏控制 能力，对于具有复杂连接的大型网络，链路资源使用不平衡导致的拥塞问题尤为 突出，并且仅依靠增加单个或部分链路带宽来提升网络整体性能的效果非常有 限，实施面向资源的流量工程变得十分困难。 随着i n t e m e t 网络规模的不断增加以及承载信息量的不断增长，传统的流量 工程实施方法已无法适应网络性能优化的需要。并且，仅提供某类业务服务质量 保障对于优化i n t e m e t 性能来说也越来越显得不足，合理利用网络资源、使拥塞 最小化成为当前i n t e r n e t 流量工程的主要目标。 m p l s 和i p 协议的结合可显著增强传统i p 网络的流量工程能力。显式路由 和面向连接等特性使得m p l s 很容易对流、资源以及服务质量等进行控制，它 可以在满足流的服务质量需求的同时提高网络的整体资源利用率，实施面向资源 的流量工程。同时，面向路径的特性也使得m p l s 具有比i p 更强的故障恢复能 ，力，便于实施快速恢复机制以增强网络提供连续服务的流量工程能力。 2 2 多协议标记交换m p l s 技术 2 2 1m p l s 技术简介 多协议标签交换m p l s 是一项利用绑定在i p 包中的标签( 或叫标记) 通 过网络进行数据包转发的技术。m p l s 把第二层交换技术和第三层路由技术结 合在了一起，其主要目标是建立一个具有更好性能更高稳定性的灵活和易于扩展 的网络框架。在m p l s 上可以实施流量工程和建立v p n ，并能通过多种服务类 型c o s ( c l a s so fs e r v i c e ) ，来提供服务质量保证( q o s ) 。 在一个m p l s 网络】中，入口边界标签交换路由器( l s r ) 为入流量数据包 分配标签。每个数据包沿着标签交换路径( l s p ) 转发，每个标签交换路由器独 立地根据标签的内容做出如何转发数据包的决定。在每一跳上，标签交换路由器 去掉数据包中已有的标签并为之绑定一个新的标签，这个新的标签指明数据包被 转发的下一跳。在出口边界l s r 上，数据包中的标签被去掉，并被按一般的方 式转发到它的目的地。 7 2 2 2m p l s 的基本原理 m p l s 不仅能支持多种网络协议而且与链路层技术无关。它的工作原理1 1 2 1 如下： 1 为数据流加上标签( l a b e l ) 。 2 用短而固定长度的标签来识别流，简化转发处理。 3 在某些情况下，m p l s 直接利用第二层交换，如链路层是a t m 网络或 帧中继时。 4 采用标签分配协议( l d p ) ，使m p l s 节点为每个流加上标签。 5 支持传统的路由协议。 m p l s 旨在简化路由器入口处对网络层帧头的分析过程和f e c ( f o 州a r d i n g e q u i v a l e n c ec 1 a s s e s ) 分配功能的过程，改善选路的性能和成本。尽管m p l s 面 向多协议，然而它主要还是支持i p 协议。在传统i p 转发机制中，每个路由器首 选分析包含在每个分组头中的信息，然后解析分组头、提取目的地址、查询路由 表、决定下一转接点的地址、计算帧头的校验、递减t t l 、完成合适的出口链 路层封装、最后发送分组，这个过程可以被大大简化或由m p l s 取代。 m p l s 引入了转发等价类f e c 的概念，所有需要做相同转发处理、并转发 到相同下一中继点的分组属于同一转发类。在传统的i p 转发处理中，一个路由 器会把符合最长匹配的具有相同网络前缀的目的地址的分组看成是属于同一个 转发类，而到了另一个节点，那里的路由器又要重新选择分组所属的转发类。而 m p l s 在分组进入网络时就将分组划入某一个转发等价类f e c ，并赋予一个短而 固定长度的标签，这个标签随同分组一起转发到下一个中继点。在随后的中继点 上，不再需要分析分组的头标，取而代之的是用标签作为索引在路由表中寻找下 一个中继点，并用新的标签取代老的标签。在m p l s 转发处理中，一旦分组被 划入某一个转发类，在随后的转发节点上不需要分析分组的头标，所有的转发由 标签决定。 m p l s 网络采用标准分组处理方式对第三层的分组进行转发，采用标签交 换对第三层分组进行交换，在m p l s 中，从l p 包到f e c 的映射只在入口l s r ( 标 签交换路由器) 处进行操作，而且f e c 被转化成一个固定长度的标签。标签被 粘贴在l p 包头上。入口路由器不是将f e c 映射到下一节点的路由器，而是在分 组上添加表示分组归属f e c 的一个标签。在下一节点的路由器上，因为分组己 经与f e c 关联，所以没有必要再检查网络层的帧头。m p l s 是通过以下三步来 完成标签交换的l ”】： 1 在分组上添加表示分组归属的f e c 关联标签。 2 使用标签值转发分组。 3 检索一个包含出口和新标签的连接表并用新标签替换旧标签 标签是局部有效的且表达了分组转发的全部行为。执行了标签绑定的数据 包按照标签交换路径( l s p ) 来转发分组，通常l s p 的建立使用如0 s p f ，b g p 等 8 常规的i p 选路协议。另外m p l s 可运行在任何链路层上，例如a t m 、帧中继或 点到点( p p p ) 协议。 m p l s 没有采用a r m 寻址、a t m 选路的a t m 协议，而采用了i p 寻址、动 态i p 选路和标签分发协议( l d p ) ，其中l d p 把f e c 转换成标签而后形成l s p 。 通常，m p l s 只涉及创建和分发f e c 标签绑定信息，这样就可以通过一个网络 的默认或非默认路径更有效地转发i p 业务量。 m p l s 提供的高速转发、流量工程、v p n ( v i r t u a ip f i v a t en e t w o r k ) 等能力 使得其具有良好的发展前景，m p l s 被称为下一代骨干网络交换平台。从网络发 展方向来看，未来的i n t e r n e t 骨干网将采用光交换技术，未来的m p l s 协议也不 再单一存在，它将与底层的光设备相辅相成：利用m p l s 技术，可以把i p 和底 层光设备结合起来，实施基于i p 驱动的波长路由。 如图2 1 所示，m p l s 位于传统五层网络参考模型的第二层与第三层协议之 间，其上层与下层可以是当前网络中存在的各种协议【1 】。 i a t m f l 随m e r e i a y e 也e m e t p p p f d d l 圈2 1m p l s 和其它层的关系 图2 2 m p l s 数据包格式 m p l s 在链路层和网络层之间插入一个3 2 b i t 的m p l s 头部，m p l s 包头的 格式如图2 2 所示l - j 。 其中： 1 2 0 比特的标记字段用来标识标记转发路径。 2 3 比特的e x p 字段通常用做c o s ，表明服务级别。 3 1 比特的s 字段用于标识该m p l s 标记是否为底层标记。 9 。 4 8 比特的t t l 表明t i m et o “v e ，防止环路发生。 2 2 3m p l s 网络构成 图2 3 给出了一个m p l s 网络示意图】。一个m p l s 网络的转发设备由标 记边缘路由器l e r 和标记交换路由器l s r 构成。当一个未标记的数据包进入 m p l s 网络时，l e r 将根据标记策略为该数据包加上m p l s 头部，其中2 0 b “的 标记字段作为标记交换路径的索引隐式地指明该数据包需要经过的路径，中间路 由器l s r 按照该标记值通过查询标记信息库l i b ( l a b e ll n f o r m a t i o nb a s e ) 来确 定标记交换路径l s p ，进行m p l s 数据包的转发。 图中的m p l s 网络中产生两条l s p ：其中l s p l 沿l e r l l s r l l s r 2 l s r 3 l e r 2 ，l s p 2 沿l e r l l s r l 一l s r 2 l s r 4 l s r 3 l e r 2 。当标记包到达出口路由 器l e r 2 时，m p l s 包头被去除，数据包被恢复成原始数据包，并根据路由表转 发到目的地。 路由表和 标记策略 目 路由表 非m p l s 网 目 m p l s 网络 非m p l s 网 未标记包 盈l s p l 标记包 盈l s p 2 标记包 图2 3 一个m p l s 网络示意图 2 2 4m p l s 的优点 标签交换可以在路由器、支持标签交换的a t m 交换机上，仅仅根据一个简 单的标签的内容进行数据包转发，而不必执行基于目的l p 地址的复杂的路由查 找算法。这项技术给i p 网络带来了许多好处： 1 虚拟专用网络( v p n ) ：利用m p l s 技术，服务提供商可以利用其通常的 体系结构，在骨干网上为多个客户创建基于第三层技术的虚拟专用网络，而不需 1 0 要用户端再另外实施加密技术或特别的应用程序。 2 流量工程：可以对网络上的特定流量显式地设定一条或多条路径，也可 以为某类流量设定性能特性参数。对于带宽没有被充分利用的路径，这个特性可 以优化带宽的利用率。 3 服务质量保证：利用m p l s 过硬的服务质量保证技术，服务提供商对v p n 的客户提供多样化的质量保证。 4 集成i p 网和a i t m 网：大多数运营商的网络都采用了重叠模型( o v e r l a v m o d e l ) ：a r m 运行在第二层，i p 运行在第三层。这种实现方式存在着扩展性问 题。利用m p l s ，运营商可以把a t m 的控制平面移入到第三层，因此简化了网 络的控制管理以及网络的复杂性。这项技术提供了非常好的扩展性，消除了承载 i p 流量时a = r m 信元标识的额外负载。 服务提供商和运营商已经认识到了m p l s 较传统的基于a t m 的i p 网络所具 有的优势。当前那些建立在第二层公共a t m 网络上的大型企业网络应该是最先 能从m p l s 技术中受益的。 m p l s 结合了第二层( 数据链路层) 交换的速度、性能和第三层( 网络层) 路由选择的可扩展性。m p l s 使服务提供商能应对现代网络的爆炸性增长所带来 的挑战，在不牺牲现存网络基础结构的前提下提供差异服务。m p l s 支持所有的 第三层协议，并且其可扩展性超越了现今的典型网络。m p l s 可以在a t m 交换 网络上有效的运行i p 服务。m p l s 可以在一个基于路由器的i n t e m e t 骨干网上对 一个给定的源地址和目的地址创建不同的路由。通过集成m p l s 到网络体系中， 许多服务提供商降低了成本，增加了利润，提供了差异服务，在与没有提供 m p l s 服务的，如没有提供基于三层的v p n 或没有提供流量工程的运营商的竞 争中取得了优势。 2 3m p l s 流量工程的实现 2 3 1m p l s 流量工程的实现步骤 流量工程的最终任务i 例是将业务流合理地映射到实际的物理拓扑中。在 m p l s 网络中，流的物理路径是由标记交换路径l s p 决定的。通过显式标记交换 路径e r l s p 对网络流进行合理控制可以达到平衡网络负载，提高网络资源利 用率的目标，为达到这一目标，需要执行如下步骤【1 j ： 1 根据业务流的不同q o s 需求将其划分为不同的等效前传类f e c 。可以 根据管理策略将一组不同目标地址的流汇聚到同一个f e c 中，也可以仅简单地 将同一目标地址的流指定为一个f e c 。 2 针对每个f e c ，采用基于约束的显式路由算法为其计算合理的显式路 由。约束条件可以是流的带宽需求、管理策略以及资源配置要求等。 3 采用支持流量工程的信令协议沿显式路由确定的路径进行标记分发，产 生e r l s p 。m p l s 流量工程信令协议中可以携带流的特征参数，l s r 可根据这 l l 些参数的要求执行准入控制等相应的管理机制。 4 为重要l s p 配雹可靠的故障恢复路径，为可靠业务提供快速恢复能力。 此外，m p l s 流量工程还要求对内部网关协议i g p 进行扩展，通过加入扩 展链路状态信息，为约束路由计算提供可用带宽等资源信息，从而实现对资源和 流的控制，以支持流量工程1 6 l 。 2 3 2m p l s 流量工程信令协