基于GMPLS的新一代網(wǎng)絡(luò)流量工程

2019-11-03 10:21:09

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供稿：網(wǎng)友

張騫　龐湘綺　文愛(ài)軍
西安電子科技大學(xué)ISN國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　　摘要：當(dāng)前互連網(wǎng)業(yè)務(wù)量增長(zhǎng)迅猛，未來(lái)的骨干網(wǎng)必須處理巨大的ip數(shù)據(jù)流量和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流量，巨大業(yè)務(wù)流量要求提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流量要求確定的服務(wù)質(zhì)量。為此，未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和技術(shù)需要新的解決方案。本文論述流量工程對(duì)新一代網(wǎng)絡(luò)的重要性，并且討論用GMPLS解決流量工程問(wèn)題的途徑。

　　關(guān)鍵詞：通用多協(xié)議標(biāo)簽交換流量工程

引言

　　當(dāng)前因特網(wǎng)流量增長(zhǎng)迅速，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)話音流量的增長(zhǎng)，導(dǎo)致骨干網(wǎng)要同時(shí)承受巨大的IP流量和實(shí)時(shí)流量。網(wǎng)絡(luò)流量的劇增，特別是突發(fā)流量的增加，對(duì)有效利用骨干網(wǎng)連接和帶寬提出新的要求，傳統(tǒng)骨干網(wǎng)主要針對(duì)電話業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)，雖然能夠保證服務(wù)質(zhì)量，但不能很好適應(yīng)突發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求。另一方面，在現(xiàn)有的Internet中，所有的IP流量都基于IP路由協(xié)議進(jìn)行選路和轉(zhuǎn)發(fā)。

　　傳統(tǒng)的IP路由算法會(huì)導(dǎo)致對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源使用的不均衡，無(wú)論是最短路徑優(yōu)先算法（OSPF）還是距離向量算法（RIP）在選路時(shí)都是使用最短的路徑轉(zhuǎn)發(fā)IP分組。這使得短的路徑容易阻塞，而較長(zhǎng)的路徑容易空閑。這種由于網(wǎng)絡(luò)資源使用不均衡造成的網(wǎng)絡(luò)擁塞必然致使網(wǎng)絡(luò)性能降低，服務(wù)質(zhì)量（QoS）無(wú)法保證。因此，無(wú)論是傳統(tǒng)的電信骨干網(wǎng)，還是當(dāng)前的因特網(wǎng)，都不能很好地同時(shí)承載巨大的數(shù)據(jù)流量和實(shí)時(shí)流量。

　　要想解決這種網(wǎng)絡(luò)資源使用的不均衡就需要引入流量工程（Traffic Engineering）技術(shù)。流量工程主要指合理安排業(yè)務(wù)流量在網(wǎng)絡(luò)中的流向以避免造成網(wǎng)絡(luò)資源的不均衡使用。為了實(shí)現(xiàn)流量工程，在IETF、ITU-T和OIF等標(biāo)準(zhǔn)化組織，已經(jīng)逐漸就多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS）和它的擴(kuò)充（GMPLS：Generalized MPLS）[1]達(dá)成共識(shí)。MPLS協(xié)議最初產(chǎn)生，是為了在使用短標(biāo)簽的核心骨干網(wǎng)絡(luò)內(nèi)實(shí)現(xiàn)分組的快速轉(zhuǎn)發(fā)，但是現(xiàn)在主要是通過(guò)一條綜合的途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)IP層和像ATM、SDH/SONET和WDM[1]這樣較低的傳輸層的流量工程。多協(xié)議標(biāo)簽交換（Multi-PRotocol Label Switching, MPLS）可提供對(duì)業(yè)務(wù)流量很強(qiáng)的控制能力，使流量工程的實(shí)施較為便利。MPLS網(wǎng)絡(luò)利用標(biāo)簽交換路徑（Label Switched Path, LSP）實(shí)施流量工程。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)者或網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用軟件可以通過(guò)建立顯示路由-標(biāo)簽交換路徑（Explicit Routing-LSP, ER-LSP）來(lái)控制業(yè)務(wù)流量的流向，從而實(shí)現(xiàn)流量工程。

　　MPLS和GMPLS具有顯著的特征，例如，面向連接的傳輸模式，易于支持流量工程，適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)充IP協(xié)議。特別是GMPLS支持不同粒度等級(jí)的流的快速交換和高效的流量工程，它們支持從單個(gè)的IP流到更大的匯合流，一直到時(shí)隙、波長(zhǎng)和光纖級(jí)別。

MPLS和GMPLS的比較

　　多協(xié)議標(biāo)記交換技術(shù)(MPLS)將 IP技術(shù)與下層技術(shù)結(jié)合在一起，兼具了高速交換、QoS性能、流量控制以及 IP技術(shù)的靈活和可擴(kuò)展等特性。它不僅能夠解決當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中存在的問(wèn)題，而且能夠支持許多新的功能，是一種較為理想的骨干IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。此外，MPLS也為支持更加先進(jìn)的路由服務(wù)提供了基礎(chǔ)，因?yàn)樗鉀Q了下面一系列復(fù)雜的問(wèn)題：使用 MPLS可以使網(wǎng)絡(luò)具有很好的可伸縮性能；降低了網(wǎng)絡(luò)操作的復(fù)雜性；促進(jìn)新的路由技術(shù)的發(fā)展，提高了IP選路技術(shù)；提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)不同業(yè)務(wù)提供商之間的合作。

　　MPLS與傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)的不同主要在于 MPLS域中使用標(biāo)簽交換路由器 (LSR)，域內(nèi)部 LSR之間使用 MPLS協(xié)議進(jìn)行通信，在 MPLS域邊緣由 MPLS邊緣路由器 (LER)進(jìn)行與傳統(tǒng) IP技術(shù)的匹配[2]。 LSR是 MPLS網(wǎng)絡(luò)的基本元素 ,它分控制單元和轉(zhuǎn)發(fā)單元兩個(gè)部分：控制單元主要負(fù)責(zé)標(biāo)簽的分配、路由的選擇、標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表的建立以及標(biāo)簽交換路徑的建立和拆除等；轉(zhuǎn)發(fā)單元?jiǎng)t根據(jù)標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表對(duì)收到的標(biāo)簽分組進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

　　MPLS是一個(gè)基于IP的控制協(xié)議，因?yàn)樗捎脭U(kuò)展的IP協(xié)議如資源預(yù)留協(xié)議（RSVP）、開(kāi)放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議（OSPF）和標(biāo)簽分配協(xié)議(LDP)作為路由和信令協(xié)議，而且MPLS域的全體網(wǎng)元都是IP可尋址的。此外，MPLS是一種面向路徑的技術(shù)，因?yàn)樗С诛@式路由功能。這個(gè)功能允許它在建立路徑時(shí)，選擇并預(yù)留屬于這條路徑的資源，以滿(mǎn)足不同服務(wù)質(zhì)量的要求。

　　實(shí)際上，可以通過(guò)給LSP指定一個(gè)或多個(gè)屬性來(lái)支持不同的服務(wù)質(zhì)量等級(jí)，但必須在一個(gè)標(biāo)簽交換路徑的路由建立期間考慮這些屬性，如：網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（總體的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌溌窢顟B(tài)，帶寬的用法，每條鏈路的可用帶寬，估計(jì)的誤比特率，保護(hù)和恢復(fù)方案）和用戶(hù)參數(shù)（峰值速率，平均速率，允許的突發(fā)尺寸，服務(wù)等級(jí)，優(yōu)先級(jí)，路徑搶占）。受限的最短路徑優(yōu)先算法（CSPF）是典型的LSP路由算法之一。

　　GMPLS是MPLS控制平面利用LSP的分級(jí)概念對(duì)像TDM和WDM這樣的非分組交換技術(shù)的擴(kuò)充。專(zhuān)門(mén)定義了不同的LSP接口：分組交換接口、時(shí)分復(fù)用接口、波長(zhǎng)交換接口和光纖交換接口。每一個(gè)都能作為一個(gè)低等級(jí)的LSP而嵌套在高等級(jí)的LSP中,如圖1.所示。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，GMPLS為支持不同類(lèi)型的LSP所做的擴(kuò)充是對(duì)嵌套功能的延伸。該擴(kuò)充使GMPLS具備了物理傳輸層的流量工程能力。

　　GMPLS雖然是由MPLS演化而來(lái)的，并繼承了幾乎所有MPLS的特性和協(xié)議，但在本質(zhì)上兩者存在很大的差異。MPLS是一種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，MPLS網(wǎng)絡(luò)由單純的分組交換節(jié)點(diǎn)組成，傳輸網(wǎng)絡(luò)被濃縮并等同為一個(gè)預(yù)先配置好的物理線路，這就是標(biāo)準(zhǔn)的重疊式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。分組交換節(jié)點(diǎn)無(wú)法按照該節(jié)點(diǎn)對(duì)資源需求的實(shí)際情況自動(dòng)地調(diào)節(jié)其物理線路資源，必須采用人工方式進(jìn)行調(diào)整，而GMPLS將改變這種狀態(tài)。在GMPLS網(wǎng)絡(luò)中，不僅有分組交換（PSC）、時(shí)分復(fù)用（TDM）和波長(zhǎng)交換（LSC）節(jié)點(diǎn)，甚至還有光纖交換（FSC）節(jié)點(diǎn)。分組交換節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻只需發(fā)起一個(gè)GMPLS信令過(guò)程，便能建立起一條通達(dá)其它分組交換節(jié)點(diǎn)的電路、波長(zhǎng)甚至光纖。

基于GMPLS的流量工程

　　流量工程主要是將業(yè)務(wù)流映射到網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)渖稀，F(xiàn)有的大部分IGP協(xié)議（內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議）在建立轉(zhuǎn)發(fā)表時(shí),并未將帶寬的可用性和業(yè)務(wù)特點(diǎn)等因素考慮進(jìn)去,在一些情況下會(huì)使網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)阻塞,這時(shí)就需要流量工程來(lái)解決問(wèn)題。流量工程是一個(gè)強(qiáng)有力的工具,通過(guò)它可以平衡網(wǎng)絡(luò)中不同的鏈路、路由器和交換機(jī)之間的業(yè)務(wù)負(fù)荷,使所有這些設(shè)備既不會(huì)過(guò)度使用,也不會(huì)未被充分使用。這樣就可以有效利用整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的資源,流量工程將成為路由結(jié)構(gòu)中一個(gè)重要的部分。

　　GMPLS根據(jù)流量參數(shù)進(jìn)行流量工程控制，流量工程還涉及網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行優(yōu)化 [3]。從這個(gè)意義上講，流量工程被定義為通過(guò)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量變化的能力和為避免擁塞在各個(gè)數(shù)據(jù)流之間分配資源的能力。在執(zhí)行流量工程功能的過(guò)程中，要考慮的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是效率，即快速響應(yīng)流量的變化。這就需要具備動(dòng)態(tài)路由的能力。GMPLS是基于IP的網(wǎng)絡(luò)控制，可以通過(guò)使用IP信令和路由協(xié)議來(lái)動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)和路由功能，因此具備這種動(dòng)態(tài)特性。

　　在GMPLS中，流量工程和基于受限的路由概念緊密相關(guān)。傳統(tǒng)的路由協(xié)議采用最短路徑算法，只考慮距離，受限的路由根據(jù)多個(gè)限制條件選擇路由。GMPLS技術(shù)允許在路徑選擇中使用基于受限的路由方案。一般每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的受限選路需要將標(biāo)記交換通道屬性、網(wǎng)絡(luò)資源屬性和其它拓?fù)湫畔⒆鳛檩斎雲(yún)?shù)，然后據(jù)此計(jì)算源于自身的每一條滿(mǎn)足要求和限制的顯式路由，輸出則是滿(mǎn)足標(biāo)記交換通路屬性和網(wǎng)絡(luò)資源限制的一條或多條通路。盡管受限選路算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際限制不容易處理，特別是要達(dá)到最優(yōu)化時(shí)計(jì)算量經(jīng)常是巨大的，但一般可采用下列算法：（1）首先刪除不滿(mǎn)足標(biāo)記交換通道屬性要求的網(wǎng)絡(luò)資源，如鏈路。（2）在刪除后的圖中運(yùn)行最短路徑算法。一旦找到可行的通路再考慮采用其它的屬性進(jìn)行優(yōu)化和選擇。[4]互連網(wǎng)的一個(gè)主要問(wèn)題是自動(dòng)控制功能的實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)控制功能能夠在維持穩(wěn)定性的同時(shí)快速地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的重大變化，而且成本較小。GMPLS是一種適用于不同技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的通用控制方案[1]。這意味著流量工程策略必須包括對(duì)不同網(wǎng)元的測(cè)量和控制功能，并且針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)采取不同的策略來(lái)優(yōu)化。因此，基于受限的路由就不僅僅是一種根據(jù)一些參數(shù)計(jì)算路徑的算法。GMPLS TE比MPLS TE具有更多的特性。

　　GMPLS擴(kuò)充了LSP的概念，它允許LSP起始和終結(jié)于同類(lèi)設(shè)備（例如，OXC或SDH交換機(jī)），而不僅僅是路由器。為了控制新的網(wǎng)元，還對(duì)路由（例如，OSPF，IS-IS）和信令協(xié)議（例如，RSVP，CR-LDP）進(jìn)行了擴(kuò)充。此時(shí)，控制信息的數(shù)量需要認(rèn)真考慮。為解決這個(gè)問(wèn)題，GMPLS引入了捆綁的概念，它允許把多條具有同樣特性的鏈路作為一條單個(gè)鏈路來(lái)對(duì)待；但是，即使這個(gè)方案大大減少了信息量，在一個(gè)GMPLS網(wǎng)絡(luò)中使用TE策略仍需要面對(duì)相當(dāng)復(fù)雜的情況。TE分析要進(jìn)一步考慮兩種途徑。第一個(gè)是關(guān)于網(wǎng)絡(luò)資源的整體最優(yōu)化。在這種情況下，需要同時(shí)考慮所有鏈路資源和所有的入口和出口LSPs。這種方法和傳統(tǒng)的重疊網(wǎng)絡(luò)中使用的機(jī)制相似。第二個(gè)是關(guān)于只考慮路徑和資源的一個(gè)子集的局部資源最優(yōu)化。整體的最優(yōu)化需要全面了解網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)和鏈路狀態(tài)更新信息，并且包括所有的網(wǎng)絡(luò)資源。這個(gè)方案需要解決信息數(shù)量的可測(cè)量性問(wèn)題，并且它還需要有非常有效的算法。它所面臨的另一個(gè)問(wèn)題是穩(wěn)定性。事實(shí)上，如果流量變化得非常快的話，TE控制就不能及時(shí)做出反應(yīng)。對(duì)這個(gè)問(wèn)題的解決方案是只考慮路徑和資源的一個(gè)子集，實(shí)現(xiàn)局部資源的最優(yōu)化。

　　可以采用兩種方案來(lái)實(shí)施TE，它們是在線模式和離線模式。在線模式使用路由/信令協(xié)議通過(guò)基于受限的路由算法實(shí)現(xiàn)在線路徑計(jì)算。在這種模式下網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)根據(jù)約束條件參與路徑選擇過(guò)程。約束條件由用戶(hù)設(shè)定，例如某些鏈路不參與流量工程，網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間建立LSP的最大可能數(shù)量以及其他約束條件。離線模式從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源使用的最優(yōu)化來(lái)考慮，首先需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)各鏈路的流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，特別是應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)在擁塞時(shí)流量在各鏈路的分布做詳細(xì)分析，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)流量統(tǒng)計(jì)特性的完整分析，將對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量工程和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃產(chǎn)生決定性作用。其次，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)者應(yīng)找出網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量的約束條件，這些條件有些是網(wǎng)絡(luò)的要求，而有些可能是運(yùn)營(yíng)者自己或用戶(hù)的特殊要求所決定的。第三，將這些條件和基于約束的選路計(jì)算結(jié)合起來(lái)進(jìn)行離線計(jì)算，這可能需要多次重復(fù)。第四，將計(jì)算出的路由通過(guò)網(wǎng)管配置到GMPLS系統(tǒng)中。離線方式是一個(gè)長(zhǎng)期的用來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源整體最優(yōu)化的方案，然而在線方式僅考慮資源的子集，它能夠動(dòng)態(tài)地跟隨流量變化。一個(gè)有效的TE策略必須滿(mǎn)足兩個(gè)必要條件：對(duì)短期的流量變化做出反應(yīng)和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的利用。因此，一個(gè)好的解決方案是使用兩者相結(jié)合的途徑，它可以通過(guò)離線的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的（例如，每天，每周）整體最優(yōu)化；并且在兩個(gè)整體最優(yōu)化之間可以通過(guò)在線方式實(shí)現(xiàn)局部最優(yōu)化。

結(jié) 論

　　本文主要論述在新一代網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架中有關(guān)流量工程的一些主要問(wèn)題。現(xiàn)在很有必要發(fā)展這樣的網(wǎng)絡(luò)以適應(yīng)IP流量的迅速增長(zhǎng)，滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)光資源分配的需要，在較低運(yùn)維成本的基礎(chǔ)上更靈活地使用帶寬，同時(shí)解決不同的服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題。GMPLS被認(rèn)為是MPLS控制平面對(duì)其它網(wǎng)絡(luò)包括光網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)充，它很容易滿(mǎn)足不同服務(wù)質(zhì)量需求，并且重新引入了面向連接的方式，即使在基于IP的網(wǎng)絡(luò)中也能實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，采用GMPLS控制平面可以使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)同樣的控制平面進(jìn)行控制，即使是針對(duì)采用了不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的網(wǎng)元（例如，SDH網(wǎng)元，ATM交換機(jī)，甚至是光的交叉連接設(shè)備）也能實(shí)現(xiàn)。如果使用了基于受限的路由算法，網(wǎng)絡(luò)資源就能得到最佳利用。流量工程可以使網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)地對(duì)流量的變化做出反應(yīng)，防止擁塞的出現(xiàn)，并且從整體上看，它能通過(guò)更靈活的方法來(lái)管理網(wǎng)絡(luò)。由于要控制的信息量是相當(dāng)巨大的，GMPLS雖然對(duì)控制異種網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也產(chǎn)生了復(fù)雜性和可測(cè)量性的問(wèn)題。但是已經(jīng)出現(xiàn)了一些解決該問(wèn)題的方法，例如，鏈路捆綁。

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摘自　通信市場(chǎng)

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