优化网络技术：MPLS流量工程

对于流量工程来说，MPLS是当前最好的解决方案。因为，MPLS以集成模型方式具备了重叠模型的全部功能，是当前性价比最好的最具竞争力的宽带网络技术。更重要的是MPLS使流量工程的自动实现提供了可能性。这主要体现在以下几个方面：

（1）MPLS集成了第二层数据链路层的标签交换技术与网络层的路由技术。分组在MPLS网络入口根据转发等价类被赋予一定长短标签，然后在域内按标签交换方式进行分组转发，这种转发方式为解决因特网中出现的区分服务提供了强有力的技术基础。

（2）MPLS流量工程提供了完整的流量管理方法。业务管理能力可以通过MPLS与第三层集成在一起。如果假定选路方式的局限是源于骨干网络容量和拓扑结构的话，那么这种业务管理方式将可以优化IP业务的选路方式。

（3）MPLS流量工程是基于业务流所需的资源和网络中的可用资源为业务流在穿过网络时进行选路。MPLS流量工程采用基于约束的选路方式，在此方式中业务流经过的通道是满足业务流资源要求的最短通道。在MPLS的流量工程中，业务流选路可有带宽要求、优先级要求等参数。

（4）节点和链路的故障往往使骨干网的拓扑结构发生改变，而MPLS流量工程可以通过适应一系列新的资源约束情况，从而有效地对发生故障的节点链路进行恢复。

MPLS对流量工程产生的巨大吸引力还要归功于下面一些因素：

1）显示标签交换路径的建立可以由管理员配置，也可通过底层协议自动创建，而不必再考虑基于目的地的转发规范。

2）LSP潜在的维护性好。

3）主干业务流可立即应映射到LSP上。

4）在MPLS中可以对流量中继主干线附加一些属性，以便于调节它们的特性。

5）在MPLS网中可以对资源规定一些属性，以约束LSP和穿过它们的流量中继主干线。

6）在MPLS中允许业务流的聚合与分解。

7）MPLS技术更容易实现基于约束的路由集成。

8）用MPLS实现流量工程比其他技术更有性价比方面的优势。

使用MPLS流量工程后，就不必要手工配置网络设备以建立明确的路由。反而可以依靠MPLS流量工程的功能性了解骨干网的拓扑结构和自动信令处理。

对一个网络来说，动态的适应能力是必需的。MPLS流量工程有相应的动态适应机制，这种机制是提供对骨干网的业务进行管理的完整解决方案，使骨干网可以承受一定的故障。

3.5.4.1　MPLS流量工程原理

MPLS集成了第二层数据链路层的标签交换和第三层网络路由技术，它通过入口LER和出口LER之间建立LSP实现的，即在MPLS域中业务流可以汇聚在具有同样服务类别的LSP上。为了有效控制LSP，每个LSP都可以被赋予一个或多个LSP属性，这些LSP属性可用来流量控制的重要参数。其LSP属性如表3.2所示。

表3.2　LSP属性表

LSP的基本流量工程属性是通过赋予它的参数来体现。参数的赋予可以是管理员直接配置，也可以由底层协议的执行中自动获得。但不管怎么样，流量工程应能管理和修改它的属性。主要的一些属性有如下几点：

（1）业务参数属性。

（2）通用路径选择和维护属性。

（3）优先权属性。

（4）抢占属性。

（5）恢复属性。

（6）策略属性。

1.业务参数属性

业务参数可用于获取在中继干线上的传输数据流的FEC特性。这些特性可以包括峰值速率、平均速率、允许突发率等。从流量工程的观点看，业务参数的重要性在于它表明了流量中继主干线的资源需求，这对于资源的预分配和拥塞的预防很有用。

2.通用路径选择与管理属性

通用路径选择与管理属性定义了业务主干线路由的选择和主干线建立后的维护规则。如果流量中继主干线没有协议自动计算得到，也可由网络管理员配置。如果流量中继主干线没有资源需求和其经一些约束要求，那么就采用拓扑驱动的办法建立路径，否则就得采用基于约束的路由选择方案。

3.优先权属性

优先权属性定义的是流量中继主干线的相对重要性。当在MPLS中应用基于约束的路由选择方案时，优先权就显得很重要。因为，优先权将决定选用哪条路径以及各路径的选取顺序，优先权在作路径抢占的时候也起着关键性的作用。

4.抢点属性

抢占属性决定一条流量中继主干线能否从给定的路径上抢占另一条主干线的能力。或者说是抢占另一整条的流量中继主干线。这个属性对面向资源和面向业务的性能优化目标都很有用。它也确保了高优先权的流量中继主干线在区分服务网络环境中能选用它有权选用的路径作信息传输。

抢占也可用于各种优先恢复策略。

抢占属性规定了4种流量中继主干线的抢占模式：①抢占器使能；②无抢占器；③抢占使能；④无抢占使能。

抢占器使流量中继主干线能抢占更低优先权的配置为可被抢占的流量中继主干线。一个指定为不能抢占的流量中继干线不能被其他流量为中继干线抢占，而不管其优先权的高低。

一条流量中继主干线A只有在下面的条件下能抢占另一条主干线B的资源：①A的优先级仅比B高；②A与B发生了资源使用冲突；③资源不能同时满足A与B的一起使用；④A的抢占使能器已打开；⑤B被规定为可以被抢占。

5.恢复属性

该属性决定了主干线所经路径或节点发生故意时，网络系统将采取的行为。通常情况下，这些行为包括：①故障检测；②出错通知；③恢复与服务重建。显然，MPLS需要把这些都结合在一起去完成故障的解决。

一个基本的恢复属性指明流量中继主干线的路径发生故障时的恢复过程。特别的是基本的恢复属性是一个二值变量，它用以指明当目标流量中继主干线部分路段出错时是否重选路由，扩展的恢复属性可用于规定故障情况下网络应采取的详细行为。例如，指定另一个要备用路径。

6.策略属性

该属性当流量中继主干线不适于实际情况时底层协议应采取的动作，也就是说，当业务流超过中继主干线参数约定时，网络应采取的措施。通常，策略属性可以指明对一个不遵守的约定的流量中继主干线是采取速率限制或是不作任何处理的转发出去。

7.资源属性

该属性是网络拓扑状态参数的一部分，它用以约束流量中继主干线去使用指定的资源，它又由下面几部分组成：

（1）最大分配增效器MAM。资源的最大分配增效器（Maximum Allocation Multiplier，简称MAM）是一个可管理配置的属性。它决定了分配给流量中继主干线的资源占可用资源比例。这个属性常用于链路带宽，也可用于LSR中缓冲资源的分配。

（2）资源类型属性。资源类型属性是由管理员设置的参数，这些参数表示各资源的具体概念，也可以看作是对不同资源的标识，对资源做分类后就可按资源的不同类型做策略调度。最关键的资源是链路，相应的参数是链路状态参数。一般情况下，资源类型属性用法如下：

1）对于同类型的资源使用相同的策略，而且这些资源不必位于同一拓扑区内。

2）可以为流量中继主干线制定各资源使用的优先顺序。

3）对某些类型资源可做显示约束。

4）可应用归纳式的排除/包含策略。

5）增强了流量本地包容策略，也就是说如何将本地业务局限在本地加以解决。

3.5.4.2　MPLS流量工程的优势

MPLS本身已具备了完成重叠模型所实现的各种流量工程能力。不同的是，它使用的是集成模型，其成本和扩展性较之重叠模型及其他同类技术更为理想。MPLS实施流量工程的优势如下几点：

（1）MPLS中，可以很容易地建立不受传统逐跳路由限制的显式路由。(www.chuimin.cn)

（2）可以使MPLS完成流量中继并映射到LSP上。

（3）通过MPLS，可以给流量中继规定一套属性来调整流量中继的行为特征。

（4）通过MPLS可以与DiffServ配合更好地实施QoS。

（5）MPLS对QoS/CoS支持，即一个LSP可以具有QoS/CoS的属性使流量控制更加容易。

（6）MPLS流量工程的开销比其他同类流量控制技术低得多。

（7）支持流量的聚集与分离，而传统按目的地址的转发只支持流量聚集。

3.5.4.3　MPLS流量工程对信令的选择

1.流量工程的实现对信令系统的要求

要在一个网络系统中支持上面所有的特性，就需要给需完成流量工程任务的信令协议增加一些约束条件具体如下：

（1）鲁棒性的信令系统，在网络发生拥塞或部分失效的情况下保护信令系统的正常工作是维护网络不致崩溃的基本前提。一个具有鲁棒性的信令系统应该在任何情况下都能正确传送信令消息，并在网络出错时及时准确地将消息通知出去。

（2）扩展性好的信令系统，由于承载网规模的不断扩大，就要求在每个信令节点都能支持大量的LSP。这就要求信令系统的扩展性要好，才能在维护网络增长的同时保证网络服务的性能。

（3）业务流和QoS参数的规范，这些参数通常包含了服务类型规范、输入业务流的流量特性描述，延迟要求等。

（4）LSP建立、拆卸与维护的信令，这主要是便于对LSP进行有效的管理，它靠大量的业务流参数控制消息来实现。

（5）具有抢占和优先权设置的信令，路径抢占是流量工程为保证高优先权的用户在网络资源不够时仍能按原先的约定进行传输的一种措施。

（6）具有灵活的路径建立选择能力，这主要是路径的建立既可以采取严格路由的方法，也可以使用松散路由的方法。

（7）具有重选路由能力和路径切换选择能力，对客户提供可靠的路径保护和路径优化是网络的基本特征。尤其是在故障发生时，要求信令系统可迅速恢复数据传输，并且这种恢复所需的控制信息应尽可能做到最小化。

2.CR-LDP和RSVP的选择

IETE MPLS工作组对流量工程的支持与建立提出了两种控制方法：基于约束的标签分发协议CR-LDP和扩展的资源预留协议RSVP。

CR-LDP信令最初设计的目的是为了支持区分服务和QoS类型的配置的要求，同时还考虑了与ATM服务类型的相互融合。为了满足流量工程的要求，CR-LDP提供路径建立的优先权控制，路径抢占与恢复，路径重优化等。CR-LDP信令允许各种类型的业务流在核心网中传输，通过FEC来实现。

RSVP的目的则是为运行IP协议的网络提供一定QoS保障服务，但RSVP的扩展性较差。为了在MPLS网络中支持ER-LSP与TE，RSVP又增加了支持标签分配，分发与绑定的对象，与CR-LDP相比，扩展的RSVP也能支持路径优先权，路径抢占，路径重路由等功能。

CR-LDP是一个开放性的标准协议，它是由MPLS工作组制定的独立协议，这使得它能适应网络的变化，也提高了其互操作性，它代表着MPLS的未来，但目前仍在发展着，许多公司的路由尚不支持CR-LDP。相反RSVP是经过扩展来支持MPLS的，目前许多厂家骨干路由器都支持RSVP，因此在现阶段使具有RSVP的LSP为基于约束的路由和流量工程提供了一个理想的范例。

3.5.4.4　基于RSVP-TE信令的MPLS流量工程

MPLS流量工程最核心的实现方法是利用约束路由计算显示路径，利用显示路径建立标签交换路径（LSP），利用LSP进行流量分配。MPLS流量工程在结构上由多个LSR组成，每个LSR包括4个基本组成部分，即包转发单元，信息发布单元，路径选择单元和信令单元，如图3.22所示。

图3.22　LSR组成框图

流量工程的本质是将业务流映射到物理拓扑上去。这意味着通过MPLS提供流量工程的核心是为每条LSP决定物理路径。

在网络链接特性和拓扑信息通过IGP进行扩展并存储到流量工程数据库（TED）中，之后，每个LSR可以基于TED计算出属于它的穿过路由域的一组LSP路径。每个LSP的路径可以表示成精确的或疏松的外在路由。一个外在路由是通过作为LSP物理路径一部分的一系列LSR做预先设置而成的。如果，输入LSR只规定了LSP中所有的LSR，则LSP被认为是通过精确的外在路由确定的；如果LSR只规定了LSP中的几个LSR，则LSP是通过疏散的外在路由描述的。同时，支持精确和疏松外在路由允许路由选择处理在可能的情况下给予最大的自由度，又可以在需要的情况下给予约束。

每个LSR通过对TED中的信息使用约束最短路径优先（CSPF）算法来决定每条LSP的物理路径。CSPF是一种改进的最短路径优先算法。它是一种在计算通过网络的最短路径时，将特定的约束也考虑进去的算法。特定的约束包括：链路状态拓扑信息（通过IGP获得，网络资源属性由扩展IGP携带并存于TED中），如总链路带宽，预留链路带宽，可用链路带宽等支持流量属性的管理属性。根据上述原理和图3.23网络拓扑结构，从A路由器到C路由器最短路径是A→C 40Mbit/s的LSP，则它将选择的路径应该为A→B→C，因为最短路径A→C不能满足带宽的约束。

图3.23　约束路由原理图

3.5.4.5　MPLS 流量工程与IGP的关系

MPLS流量工程一般以约束路由（IGP扩充部分）为基础，根据可用资源计算显式路由，然后利用该显示路由，通过信令（如RSVP-TE）建立LSP。当标签交换路径一旦建立，如果该LSP的属性设置使它与资源状态变化无关，则该标签交换路径不受IGP状态的影响，除非路径发生故障。

在目前的流量工程实现中，对于ISP的广域网络，最有效的流量到标签交换路径的映射方式是利用IGP捷径，即标签交换路径的入口路由器在进行本地SPF树计算时，把该标签交换路径作为一种链路考虑在内。在这种情况下，一方面，IGP状态的变化会影响本地的SPF计算；另一方面，要仔细考虑标签交换路径的Metric设置，以避免产生虚假的等价最小路径，如图3.24所示。假定图中每个物理链路的Metric为1，则路由器A到路由器E的Metric为3，其最短路径为A→B→C→E。如果，沿路径A→B→C→D建立一条LSP并设置Metric值为1，那么，从A→E将出现两条等价最小路径A→B→C→E和LSP（A→B→C→D）→C→E。这样，路由器A把负载分享到这两条等价路径上。但浪费了路由器C和D之间的带宽资源，没有获得任何益处。这是设计中应当避免发生的。因此，在实际应用要考虑每条链路最大预留带宽和每条LSP标签交换路径的分配宽要求两个因素，这就避免了在约束路由计算时把许多LSP建立在某一个链路上造成拥塞的状态。

如图3.25所示，说明了这个道理。首先，路由器A到E之间建立一条LSP，其带宽为120M，如果在路由器B到E之间有60Mbit/s的业务量需求时，则当建立LSP B→E路径时，为了避免在C→E间的拥塞（因为路由器C到E之间的链路总带宽为155Mbit/s），就必须在路由器B→C→D→E建立60Mbit/s的LSP，而不是路由器B→C-E建立LSP。因此，在建立静态LSP时候，必须规划好LSP带宽，链路带宽以及重叠路径上LSP总带宽等因素。

图3.24　虚假等价路径问题示意图

图3.25　LSP与拥塞控制图

3.5.4.6　MPLS自愈恢复

自愈恢复是指在网络发生故障时，如何及时进行故障切换，以保障网络应用不受影响。传统的SONET/SDH的恢复时间数量约在50ms，而传统IP路由的恢复时间数量约在几十秒，而MPLS自愈恢复时间数量约介于二者之间，其恢复方式有以下几种：

（1）链路或节点保护：这种方式与SONET/SDH的保护类似，它采用的技术是MPLS快速重路由（Fast Reroute）。在这种情况下，为每个链路和节点提供单独的迂回路由进行保护。在建立标签交换路径时，每个节点负责为每条链路或节点计算保护路径。一旦某个节点或链路发生故障，立即会由其上游节点检测到，然后在该路由器上立即把流量切换到迂回的路径。这种方法的切换速度快，但缺点是需要很多备份资源，并且路由器需要维护的状态也比较多。

（2）路径保护：MPLS路径保护由路由重新计算和备份路径恢复两种。路由重新计算是指在标签交换路径发生故障后，通知该路径的入口路由器，该入口路由器再利用CR自动重新计算新的路由，并重新建立一条新的标签交换路径。其主要优点是无需手工安排额外的路径，直接与网络相适应；缺点是由于存在路由计算和重新建立的过程其恢复时间比较长，恢复时间路径与路由恢复时间相当。备份路径恢复是指在建立标签交换路径时指定其备份路径，在主径发生故障时，通知入口路由器把流量切换到备份路径上。其主要优点是恢复时间比较短，缺点是路由器要占用额外资源。影响MPLS自愈恢复保护性能是路由器的负载和需要入口路由器同时切换的标签交换路径的数量。

3.5.4.7　MPLS负载均衡

传统IGP SPF路由负载均衡只能采用ECMPs（Equal-Cost Multi-Paths）方式即在多个路由上分配相同的Metric值，利用链路状态路由协议实现多个路径上的负载均衡。ECMP尽可能地均匀地将流量分布在多条等价的路径上，而不考虑不同路径的拥塞状态，不支持可配置的负载分配比例，所以仍然会导致某些链路过载。另外，ECMP不能在非等价的路径上均衡流量。

图3.26　MPLS网络环境下多LSP的负载均衡图

而MPLS网络环境下的多LSP负载均衡可以在不同路径上不同负载因子下实现，其原理如图3.26所示。

如果现在有160Mbit/s流量从C1到B1很显然单从LSP#1，130Mbit/s路径不能完成，这时它就自动分配30Mbit/s　LSP#2，90Mbit/s　LSP#3 30Mbit/s的流量与原有的LSP#1，130Mbit/s分担负载，有效的实现了负载均衡。由此可以看出利用MPLS约束路由和增强IGP不但实现多路径上的负载均衡，而且可以完成不同路径上不同负载因子下的负载均衡。

在多条并行的显式LSP（可以通过CR-LDP、扩展的RSVP或是手工配置的方式建立）之间合理的分配流量负荷是流量工程研究的一个重要课题，如果两个节点间的流量超过了某条链路的负荷，那么通过流量工程技术就可以分开流量，然后将它们分别映射到并行的其他LSP上。而且在很多情况下，合理的流量负荷分配能够优化整个网络的管理和性能。但如何在两个LSR的多条显式LSP之间合理的自动调配流量，有待于进一步的研究，同时也是目前流量工程研究的热点问题。

3.5.4.8　链路状态路由协议的选择

IS-IS和OSPF是目前最常用两种链路状态路由协议，都是内部网关协议，同样都有域（Area）的概念，并都支持VLSM（Variable Length Subnet Mask），CIDR（Classless Inter-Domain Routing），两种路由协议的比较如表3.3所示。

表3.3　OSPF与IS-IS的比较

在进行大型网络的内部路由协议的选用时，不可避免地会产生OSPF与IS-IS路由协议之争论，从两种路由协议本身来讲，两种路由协议都是被广泛应用的链路状态路由协议，严格地区分两种路由协议的优劣是无意义的。作者建议推荐选用IS-IS路由协作为内部路由协议，其主要原因是：①IS-IS的扩展性要强于OSPF，OSPF是单一骨干域（Backbone Area），而IS-IS可以有多个Area，可以使骨干更容易扩充；②IS-IS占用网络资源较小，路由与恢复时间比OSPF更快；因为IS-IS采用较小的协议数据包承载路由信息，这使得路由信息的繁衍速度更快；③扩展后IS-IS对MPLS支持能力更强。