MPLS網(wǎng)絡(luò)的生存性技術(shù)

2019-11-04 22:40:03

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供稿：網(wǎng)友

　　周衛(wèi)華倪縣樂丁煒北京郵電大學(xué)
　　　　目前，網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用越來越多，網(wǎng)絡(luò)就必須能夠在故障發(fā)生時(shí)保證其連續(xù)性和服務(wù)質(zhì)量。因此，網(wǎng)絡(luò)生存性已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)中的一個(gè)重要問題。另一方面，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，鏈路傳輸速率已達(dá)數(shù)10Gb/s。一條鏈路的損壞將影響大量的應(yīng)用,而當(dāng)前基于ip路由協(xié)議的恢復(fù)機(jī)制至少需要幾秒到幾分鐘的時(shí)間，這將導(dǎo)致大量分組的丟失，從而造成嚴(yán)重服務(wù)質(zhì)量問題以及網(wǎng)絡(luò)性能的下降。
　　
　　　　網(wǎng)絡(luò)的生存性是流量工程的重要方面。按照ANSI TIA1.2工作組的定義，網(wǎng)絡(luò)生存性就是在故障發(fā)生的情況下，網(wǎng)絡(luò)仍能維持服務(wù)連續(xù)性的能力。以前有關(guān)網(wǎng)絡(luò)生存性的研究主要集中在SDH和ATM自愈恢復(fù)方面。但I(xiàn)P/MPLS網(wǎng)絡(luò)生存性研究還處于初期階段，IETF提出了兩個(gè)相關(guān)草案，但只是提出了有關(guān)網(wǎng)絡(luò)生存性的框架，并沒有提出具體的恢復(fù)算法。
　　
　　　　MPLS網(wǎng)絡(luò)自愈機(jī)制的基本原理是在節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到故障發(fā)生之后，立即通知相關(guān)的LSR（Label Switch Path）重新選擇路由，將受影響的流量轉(zhuǎn)移到備用路徑上，完成故障恢復(fù)。要成功完成故障恢復(fù)需要兩個(gè)方面的保證：①能夠建立用來傳送受故障影響的業(yè)務(wù)量的備用路徑；②該備用路徑要能夠滿足受影響業(yè)務(wù)對(duì)QoS的要求。這兩個(gè)問題的解決需要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)劃以及故障恢復(fù)算法。
　　
　　 MPLS恢復(fù)模型
　　
　　　　為了提高M(jìn)PLS網(wǎng)絡(luò)的生存性，每一條LSP都應(yīng)受保護(hù)，避免故障的影響。LSP有兩類：承載正常業(yè)務(wù)的工作路徑和發(fā)生故障時(shí)使用的備用路徑。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，MPLS把工作路徑倒換到備用路徑上，從而提供了比基于盡力而為的IP網(wǎng)絡(luò)更快的恢復(fù)。
　　
　　　　IETF提出兩種恢復(fù)模型：保護(hù)倒換和迂回路由。圖1是在MPLS網(wǎng)絡(luò)中使用備用路徑實(shí)現(xiàn)保護(hù)倒換機(jī)制的例子。工作LSP和備用LSP同時(shí)建立。當(dāng)工作LSP上的某一LSR檢測(cè)到故障時(shí)就向入口LSR發(fā)送FIS故障信息，并且，由LSR1把業(yè)務(wù)倒換到備用路徑上。在備用LSP上可以使用LDP信息預(yù)留資源，也可以在故障發(fā)生后捕捉。但是，為了提高資源的利用率，在網(wǎng)絡(luò)正常時(shí)可以在備用LSP上承載低優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)（如盡力而為業(yè)務(wù)）。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，資源可以被高優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)搶占，或者不在備用LSP上預(yù)留資源。而假如不預(yù)留資源，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)就不能保證備用LSP能夠滿足期望的QoS的需求。另外，為了提高故障恢復(fù)的成功率，備用路徑最好能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化及時(shí)更新。保護(hù)倒換對(duì)于常見的故障，如單鏈?zhǔn)В?jié)點(diǎn)預(yù)先結(jié)算備用路徑，在出現(xiàn)故障時(shí)，直接倒換到備用路徑上。這樣可以實(shí)現(xiàn)與SONET相當(dāng)?shù)幕謴?fù)水平，達(dá)到數(shù)十毫秒的恢復(fù)時(shí)間。
　　
　　　　為了提高正常情況下的資源利用率，還可以使用迂回路由機(jī)制，它是在故障發(fā)生后建立恢復(fù)LSP，而不是與工作路徑同時(shí)建立。當(dāng)LSR收到故障通知信息后，假如下游LSR保留了QoS路由信息，則可以選擇合適的恢復(fù)路徑并使用MPLS信令（如CR-LDP）建立恢復(fù)LSP。假如下游LSR沒有路由信息，則下游LSR通過向上游LSR散發(fā)通知信息來尋找恢復(fù)路徑，此機(jī)制與ATM相似。一般來說，不推薦使用散發(fā)方法，因?yàn)閿U(kuò)散的信息會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成額外的負(fù)擔(dān)以及時(shí)延，但是，當(dāng)缺乏路由信息時(shí)卻非常有用。
　　
　　　　一般來說，迂回路由恢復(fù)機(jī)制適應(yīng)性較強(qiáng)，不需要預(yù)先計(jì)算，并且可以計(jì)算出一條優(yōu)化的路徑，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)資源的利用和業(yè)務(wù)量均衡更具優(yōu)勢(shì)，但恢復(fù)時(shí)需要進(jìn)行較多的信息交換，比保護(hù)倒換機(jī)制恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)。而保護(hù)倒換恢復(fù)機(jī)制需要節(jié)點(diǎn)預(yù)先計(jì)算并存儲(chǔ)有關(guān)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约熬W(wǎng)絡(luò)流量分布情況的數(shù)據(jù)。
　　
　　　　根據(jù)保護(hù)的范圍以及實(shí)施備用路徑的節(jié)點(diǎn)不同，分為鏈路恢復(fù)和路徑恢復(fù)。如圖2所示。鏈路恢復(fù)在發(fā)生故障的上、下游節(jié)點(diǎn)之間，一般由下游節(jié)點(diǎn)通知故障的發(fā)生，由上游節(jié)點(diǎn)實(shí)施恢復(fù)路徑選擇與倒換，此方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，速度快。但是，鏈路恢復(fù)不利于處理多個(gè)節(jié)點(diǎn)或鏈路失效的情況。
　　
　　　　路徑恢復(fù)發(fā)生在受影響的LSP的起點(diǎn)與終點(diǎn)之間，恢復(fù)路徑與工作路徑完全分離，由發(fā)生故障的節(jié)點(diǎn)向入口LSR通知故障的發(fā)生，由入口LSP實(shí)施恢復(fù)路徑的選擇和倒換。路徑恢復(fù)在入口LSR/出口LSR之間選擇一條備用路徑較為復(fù)雜，而且要求較多的信息傳遞、維護(hù)，治理備用路徑需要的存儲(chǔ)量也較大。但是，它有三個(gè)優(yōu)勢(shì)：①利于全局優(yōu)化，需要的總空閑容量較少；②可以恢復(fù)鏈路故障，也可以恢復(fù)節(jié)點(diǎn)故障；③能夠輕易地處理多個(gè)節(jié)點(diǎn)或鏈路失效的情況。
　　
　　　　迂回路由恢復(fù)模型是在故障發(fā)生后為需要恢復(fù)的業(yè)務(wù)建立另外的備份路徑。建立新的備份路徑要依據(jù)故障的位置、路由策略以及當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于保護(hù)倒換在故障發(fā)生前預(yù)先建立恢復(fù)路徑，那么一旦檢測(cè)到故障，負(fù)責(zé)在工作路徑和保護(hù)路徑之間倒換的PSL（Path Switching LSR）就需要比迂回路由更少的時(shí)間來恢復(fù)業(yè)務(wù)。但是，保護(hù)倒換的缺點(diǎn)是，在沒有故障發(fā)生時(shí)不能有效地利用備用路徑上的資源。
　　
　　　　迂回路由機(jī)制可以分成兩類：一、基于請(qǐng)求的恢復(fù)，它是在故障發(fā)生后選擇一個(gè)優(yōu)化的通路并建立恢復(fù)路徑；二、預(yù)指定（PRe-qualified）恢復(fù)，它是在故障發(fā)生前指定了恢復(fù)路徑，從而節(jié)省了故障發(fā)生后的路徑選擇時(shí)間。它并不為恢復(fù)路徑預(yù)留資源，并且能減少故障發(fā)生后的路徑選擇時(shí)間，因此，它的總恢復(fù)時(shí)間要小于基于請(qǐng)求的恢復(fù)方法。
　　
　　　　保護(hù)倒換的類型之一是1+1保護(hù)，它能夠在故障發(fā)生時(shí)承載與工作路徑具有相同的QoS保證的業(yè)務(wù)，但是不答應(yīng)在沒有故障發(fā)生時(shí)承載其它的業(yè)務(wù)。為了增加備份路徑資源利用率，還可以采用1:1或1:N的保護(hù)類型。由于答應(yīng)備份路徑在沒有故障時(shí)承載低優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)，只有故障發(fā)生，低優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)的資源才被搶占和代替。因此，1:1和1:N的網(wǎng)絡(luò)資源利用率要比1+1高。
　　
　　　　資源治理　　MPLS網(wǎng)絡(luò)中的資源治理包括空閑資源的設(shè)計(jì)與分配以及空閑資源的動(dòng)態(tài)治理。空閑資源的設(shè)計(jì)與分配是在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)劃階段計(jì)算并預(yù)留適當(dāng)?shù)拇笮∫约斑m當(dāng)分布的空閑容量，從而保證網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障后，恢復(fù)機(jī)制能有效地工作。
　　
　　　　目前，空閑資源的設(shè)計(jì)與分配正在研究之中。
　　
　　　　有待研究的問題
　　
　　　　以上我們分析了MPLS網(wǎng)絡(luò)基本的生存性機(jī)制。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，存在著恢復(fù)率、恢復(fù)速度、算法復(fù)雜性及要求的空閑容量大小各方面的折衷。因此，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)體系中，有待進(jìn)一步解決的問題包括：
　　
　　　　1、隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和融合，呈現(xiàn)出一種多層面的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。每一層面上都有各自的保護(hù)和恢復(fù)機(jī)制，MPLS與多層間的生存機(jī)制協(xié)調(diào)問題就愈顯重要。
　　
　　　　2、由于DiffServ模型在當(dāng)前已經(jīng)被認(rèn)為是核心網(wǎng)提供QoS保證的最好機(jī)制，因此，基于DiffServ的MPLS網(wǎng)絡(luò)自愈恢復(fù)和優(yōu)先級(jí)恢復(fù)算法與實(shí)現(xiàn)機(jī)制也是研究的一個(gè)方向。
　　
　　　　3、目前越來越多的應(yīng)用，如電視會(huì)議、視頻點(diǎn)播等需要組播通信，因此，MPLS網(wǎng)絡(luò)內(nèi)組播業(yè)務(wù)的有效恢復(fù)機(jī)制與算法也是必須解決的問題。

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