基于MPLS网络的流量工程的研究

来源：职称驿站所属分类：电子技术论文发布时间：2011-04-29 14:26:01浏览：次

　　【摘要】文章通过对当前网络发展现状以及用户对网络的要求的深入分析，阐述了MPLS网络的特点和优势，论述了利用MPLS网络实现流量工程的解决方案。
　　【关键词】MPLS，流量工程，路由
　　
　　1、问题的提出
　　目前，随着Internet在全世界范围内的空前发展，越来越多的用户要求IP网络不仅能提供信息传递的可靠性，而且要能对信息的传递过程有可预见性。但是目前的IP网络技术缺乏有效的流量控制手段，不能充分利用现有的网络资源，经常导致有些链路被过度使用，而有些链路却空闲不用的负载不均衡局面，业务的服务质量也无法得到保证。流量工程实施的目标是实现网络操作的高效率和优化网络资源利用，提高业务服务性能。用MPLS实现流量工程目前被认为是最好的解决方案。
　　2、MPLS
　　MPLS是一种基于标签的转发技术，与ATM交换类似，它引入了固定长度的短标签(Label)作为在MPLS网络中进行数据转发的依据。之所以称MPLS为“多协议”，是因为MPLS可以支持网络层层面上的多协议(IPv4、IPv6、IPX、Appletalk、DECnet、CLNP等)，同时MPLS也可以支持第二层上的多协议，如ATM、帧中继、PPP(Point-to-PointProtocol,PPP)、以太网等，它可以支持任何能够在网络层实体间传递网络层分组的第二层媒体，而并非针对任何一种链路层技术。MPLS将第二层交换能力和第三层路由技术完美地结合起来，在IP路由和控制协议的基础上提供面向连接的交换，保持了IP技术的灵活性、可扩展性和ATM的快速交换、流量控制性能。
　　下面是一些在MPLS中经常用到的概念和术语。
　　（1）Label：标签，也称为标记，是一个简短的，固定长度大小的、具有本地意义的标志符；
　　（2）FEC(ForwardingEquivalenceClass,FEC)：转发等价类，具有相同转发处理方式的一组数据分组，属于同一FEC的分组，在MPLS网络中获得的处理方式是完全相同的；
　　（3）LSR(LabelSwitchingRouter,LSR)：标记交换路由器，MPLS网络的核心交换机，位于MPLS网络中部，它提供标签交换、标签分发功能；
　　（4）LER(LabelSwitchingEdgeRouter,LER)：标记边缘路由器，MPLS网络同其它网络的边缘设备，它提供流量分类和标签的映射(作为入口)、标签的移除(作为出口)功能。
　　（5）LSP(LabelSwitchingPath,LSR)：标记交换路径，使用MPLS协议建立起来的分组转发路径，由表示源到目的节点一系列LSR的标记以及他们之间的链路组成；
　　（6）LIB(LabelInformationBase,LIB)：标记信息库，作用类似于路由表，其中包含各个标记所对应的各种转发信息，每个入口标记对应一个条目，包括出口标记、出口接口等信息。
　　（7）LDP(LabelDistributionProtocol,LDP)：标记分发协议，相当于传统网络中的信令协议，负责标记的分发与维护。MPLS定义了一种专门的标记分发协议－LDP，但是IETF并没有规定MPLS只局限于这一种协议，另外还有几种协议也处于标准化进程之中，如CR-LDP(Constraint-basedLabelDistributionProtocol,CR-LDP)、RSVP(ResourceReservationProtocol,RSVP)的扩展等。
　　一个MPLS网络的核心结构由LER和LSR组成。通过LDP，在LER和LSR、LSR和LSR之间完成标签信息的分发。MPLS在网络入口处根据输入分组头查找路由表以确定通向目的地的标签交换路径(LSP)，然后利用某种特定的映射规则将数据流分组头和固定长度的短标签对应起来，这种映射规则不但考虑到数据流目的地的信息，而且也考虑到了有关QoS的信息；然后在数据流的分组头中插入标签信息，再将分组输出到标签标识的路径。在以后网络中的转发过程里，MPLSLSR就只是根据数据流所携带的标签进行交换或转发，无需再查找路由表。出口LER则将分组按一定规则转发至目的地。
　　3、流量工程
　　流量工程是设计流量使之在现有的网络上正常传送。无论如何努力地尝试，实际的网络流量都不会完全和之前预测的一样：有时(例如在20世纪90年代中期到晚期)，流量的增加速度远远超过了预期,而你却无法及时升级网络；有时，突发的事件(体育事件、政治丑闻、非常受欢迎的网站)都会把流量全部引入到你没有事先预料到的链路上去。
　　一般来说，虽然快速的流量增加、突发事件或者网站事故引起某一地点大量的带宽需求，但是同时往往又存在一些没有被充分使用的网络。流量工程的核心就是把流量进行转移，从而使阻塞链路的流量能够转移到那些没有被充分利用的网络上去。
　　4、用MPLS实现流量工程
　　采用MPLS实现流量工程可以概括为以下四个基本组成部分：信息分发、路径计算、信令部分和分组转发，其组成如图1中所示。
　　
　　图1LSR中的流量工程组成示意图
　　分组转发部分负责转发数据，使用的是MPLS技术；信息分发部分负责更新网络状态信息，通过支持流量工程扩展的IGP实现；路径计算部分负责根据收集的链路属性和拓扑信息采用受限路由计算源到目的节点的路径；信令部分负责计算出路径后，使用一定的信令协议在各个节点间就标记达成一致，建立起LSP。
　　从图1中可以看出，每个LSR维护了两个路由信息数据库，一个是IGP链路状态数据库，另一个是流量工程数据库(TED,TrafficEngineeringDatabase)。其中IGP链路状态数据库中维护的是通常的IGP链路状态信息，它与普通的路由器中维护的IGP链路状态信息是一样的；流量工程数据库中维护的是与实现流量工程相关的网络链路属性、资源属性等信息。之所以把这两个数据库设计成分离的模块，是为了使普通的IGP计算能够独立进行，当不需要流量工程时，IGP可以不经修改运行，完成传统的最短路径计算。
　　业务在网络中的传输最终要映射到实际的物理拓扑上，要保证业务流的QoS要求和网络性能的优化，最终也必须通过调整和控制业务流在网络中所走的路径来实现。路由的作用是为数据流找到一条从信源到信宿的可行路径。只有使用了良好的路由机制才能保证流量在网络中的合理分布，避免拥塞的产生，最高效率的使用网络资源。所以路由问题是流量工程中的一个重要问题，也是一个基本问题。
　　负载均衡是流量工程的一个主要目标。如果网络中没有拥塞，QoS就能得到保证，这是流量工程的一个基本出发点。所以，流量工程希望调节网络中的流量分布，使其避开拥挤的链路，充分利用空闲的资源，以减少拥塞的产生，从而保证QoS。从这一点出发，现有的路径求解算法在解决流量工程中的路由问题时，所求解的路径与传统路由协议中确定的最短路径不同，以避开热点链路，也就是说，选择路径的评断标准应该不同于传统的最短路径路由。另外，针对不同QoS要求的业务流建立不同的路径以满足其需要。现有的研究成果中对此有这样的解决方案，即在传统路由计算确定的最短路径的基础上，对可能发生拥塞的链路进行负载均衡，在进行负载分流的时候充分考虑现有网络资源的带宽利用情况，提供满足QoS要求的链路资源。