具有ＱｏＳ保證的ＭＰＬＳ網(wǎng)絡(luò)生存性策略

摘 要：概述了保證QoS的MPLS網(wǎng)絡(luò)生存性中各種保護(hù)和恢復(fù)策略，包括它們對(duì)QoS的不同要求、算法思想、應(yīng)用領(lǐng)域、各自的優(yōu)缺點(diǎn)等。將MPLS網(wǎng)絡(luò)生存性與DiffServ模型結(jié)合起來(lái)，針對(duì)不同的業(yè)務(wù)要求選出不同的保證QoS的生存性方法。

關(guān)鍵詞：生存性；服務(wù)質(zhì)量；多協(xié)議標(biāo)簽交換網(wǎng)絡(luò)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-3695(2007)06-0306-03

0 引言

多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS）是將IP層與鏈路層相結(jié)合的一種新的分組轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。它可以支持具有QoS的流量和更高級(jí)別的生存性要求，從而加強(qiáng)IP網(wǎng)絡(luò)的可靠性?？紤]QoS的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)關(guān)鍵是要考慮網(wǎng)絡(luò)的生存性。網(wǎng)絡(luò)生存性可以提供在不同網(wǎng)絡(luò)層或時(shí)間段上運(yùn)行的不同故障管理機(jī)制。在MPLS網(wǎng)絡(luò)中有故障發(fā)生時(shí)，其流量通?？梢灾匦虑袚Q至備份標(biāo)簽交換路徑（LSP）上。所以MPLS提供的故障檢測(cè)和故障恢復(fù)要比在其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或技術(shù)上更快、更有效。

最近，在互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）提出的草案［1］中詳細(xì)描述了有關(guān)MPLS生存性特有的優(yōu)勢(shì)：

(1)與底層恢復(fù)相比較，具有更好的恢復(fù)粒度；

(2)可以根據(jù)不同的服務(wù)要求選擇相應(yīng)的生存性策略；

(3)資源利用可行有效（如恢復(fù)路徑已經(jīng)降低了對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的要求）；

(4)根據(jù)不同業(yè)務(wù)提供可保證QoS的端到端恢復(fù)；

(5)利用了更低層的告警信號(hào)。

本文著重在于根據(jù)具體的要求選擇出相應(yīng)的保證QoS的MPLS生存性策略。分析了MPLS網(wǎng)絡(luò)生存性和QoS恢復(fù)之間的關(guān)系，比較了MPLS生存性中的各種保護(hù)模型及其優(yōu)缺點(diǎn)。

1 MPLS網(wǎng)絡(luò)生存性和QoS恢復(fù)

圖1總結(jié)了MPLS網(wǎng)絡(luò)生存性和QoS恢復(fù)之間的關(guān)系。其中故障生存性（故障管理）的主要目的是用來(lái)預(yù)先建立一條路由（保護(hù)）、確定故障的位置（檢測(cè)和定位）以及為受影響的連接重新選路（恢復(fù)）。保護(hù)是處理故障的首選機(jī)制，它在建立工作通路的同時(shí)就為受保護(hù)的流量預(yù)先規(guī)劃保護(hù)資源（光纖、節(jié)點(diǎn)等）?；謴?fù)則是在檢測(cè)到故障后，從網(wǎng)絡(luò)空閑資源中為遭受中斷的流量動(dòng)態(tài)地配置另一條路由。

圖1 MPLS中的網(wǎng)絡(luò)生存性和QoS恢復(fù)

除此之外，MPLS網(wǎng)絡(luò)中的QoS恢復(fù)是用來(lái)衡量在一條光連接上針對(duì)具體業(yè)務(wù)所提出的生存性方法的性能。在這條光連接上所要求的QoS通常是一系列的限制約束條件，如帶寬、延遲、抖動(dòng)性、包丟失性和可靠性等。例如，帶寬限制具體是指根據(jù)用戶需求建立的一條連接上所選擇的路徑應(yīng)該具有足夠的帶寬以滿足要求。具體MPLS中保證QoS的不同生存性策略將在以下幾個(gè)部分詳細(xì)介紹。

2 保證QoS的MPLS保護(hù)模型

通常MPLS網(wǎng)絡(luò)中提供保護(hù)的方法是在故障發(fā)生時(shí)，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)選路方法、工作通路上流量的具體QoS恢復(fù)要求以及對(duì)路徑優(yōu)化管理的考慮，將受故障影響的流量切換至預(yù)先建立的一條備份LSP。以圖2所示的MPLS保護(hù)方法模型為例，概述了幾種保護(hù)模型［1］，詳細(xì)比較了其優(yōu)缺點(diǎn)，從而解釋了這些保護(hù)方法在提出的保證QoS的MPLS保護(hù)策略中的具體應(yīng)用。

圖2 保證QoS的MPLS保護(hù)模型

（1）全局保護(hù)

在此模型中，保護(hù)通常由入口節(jié)點(diǎn)（LSR1）開(kāi)始，而與工作通路（1-3-5-6）上故障發(fā)生的位置無(wú)關(guān)。該方法中每條工作通路（1-3-5-6）都有另一條與之不相連的備份通路（1-2-4-6）。此方法適用于每條工作通路僅建立一條備份通路且僅為保護(hù)切換LSR（PSL）或保護(hù)合并LSR（PML）提供兩個(gè)LSR的情況。另一方面，由于恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，全局保護(hù)的代價(jià)很高。這樣很容易導(dǎo)致包丟失現(xiàn)象。該方法可通過(guò)建立LSP并按照實(shí)際需求預(yù)留資源的方法用于保護(hù)一些低QoS要求的流量。

（2）局部修復(fù)

局部修復(fù)的目的在于保護(hù)工作通路的某一部分（3-5-6）以防發(fā)生鏈路或節(jié)點(diǎn)故障。在此方法中，保護(hù)過(guò)程從故障出現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，僅利用一條LSP備份子段（3-4-6）就可以完成保護(hù)。該方法的缺陷在于多條備份段（任何時(shí)候只要有保護(hù)要求就會(huì)建立備份段）的配置問(wèn)題上。這將導(dǎo)致保護(hù)過(guò)程復(fù)雜化和資源利用的不合理。局部修復(fù)給入口節(jié)點(diǎn)提供了透明度且恢復(fù)時(shí)間比全局模型低。它可通過(guò)預(yù)先建立LSP并預(yù)留資源的方法用于保護(hù)一些高QoS要求的流量。

（3）反向備份

該方法的主要思想是將受保護(hù)LSP（1-3-5-6）上發(fā)生故障時(shí)的流量經(jīng)由一條反向備份LSP（3－1）傳至源節(jié)點(diǎn)（入口節(jié)點(diǎn)LSR1），再經(jīng)由備份通路（1-2-4-6）完成保護(hù)。該方法特別適用于對(duì)包丟失敏感的流量，它可使故障指示簡(jiǎn)化。不足之處在于資源利用率低，因?yàn)槊總€(gè)保護(hù)域中都需要正、反向兩條備份；另一個(gè)缺點(diǎn)是它發(fā)送反向故障指示至入口節(jié)點(diǎn)所花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)。因而可以選擇此種方法，通過(guò)預(yù)先建立LSP并按照實(shí)際需求預(yù)留資源的方式來(lái)保護(hù)一些對(duì)QoS要求不是很高的流量。

（4）動(dòng)態(tài)多級(jí)保護(hù)

與以上單個(gè)保護(hù)方法（全局模型、局部修復(fù)或反向備份）相比，MPLS動(dòng)態(tài)多級(jí)保護(hù)為了滿足網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中高程度的保護(hù)要求，可通過(guò)利用QoS在線方法動(dòng)態(tài)地建立起來(lái)。多級(jí)是指同時(shí)運(yùn)用兩種或兩種以上的保護(hù)方法；動(dòng)態(tài)是指根據(jù)不同QoS參數(shù)可選取不同的保護(hù)方法。

多級(jí)保護(hù)適用于網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)多個(gè)故障的情況。在圖3（a）中，如果在修復(fù)過(guò)程中節(jié)點(diǎn)6或鏈路1-6、6-7再次出錯(cuò)，流量將會(huì)切換至路由（1-2-3-7-5）上以避免備份鏈路和節(jié)點(diǎn)的故障。另一個(gè)例子如圖3（b）所示，當(dāng)局部修復(fù)和鏈路3-7出現(xiàn)故障時(shí)，如果應(yīng)用另一條備份機(jī)制（如全局模型）就可以避免這些修復(fù)時(shí)出現(xiàn)的故障。

圖3 多級(jí)保護(hù)應(yīng)用

3 保證QoS的恢復(fù)機(jī)制

提供QoS保證的關(guān)鍵是如何選取滿足QoS要求的路徑。解決此問(wèn)題的方法就是QoS重新選路（QoS Rerouting）。這也是MPLS生存性策略中恢復(fù)機(jī)制的核心問(wèn)題所在。根據(jù)恢復(fù)范圍的不同和恢復(fù)路徑建立方式的不同分別介紹保證QoS的MPLS恢復(fù)策略。

3.1 部分路徑恢復(fù)和路徑恢復(fù)

按照恢復(fù)范圍的不同，恢復(fù)可以是僅圍繞出錯(cuò)鏈路或節(jié)點(diǎn)局部地修復(fù)，也可以是經(jīng)由入口節(jié)點(diǎn)至出口節(jié)點(diǎn)的全局恢復(fù)。這與保護(hù)模型類(lèi)似。

部分路徑恢復(fù)試圖找出另一條經(jīng)檢測(cè)到故障發(fā)生的下行LSR至入口LSR的路由，用以恢復(fù)任何可能存在的上行鏈路或節(jié)點(diǎn)故障。每一條受影響連接的恢復(fù)過(guò)程包括以下三個(gè)步驟：

（1）檢測(cè)到故障后，發(fā)生故障的下行LSR必須沿備份路由反向發(fā)送恢復(fù)請(qǐng)求（RR）消息以檢查預(yù)先選擇的備份路由是否有足夠的資源。如果沒(méi)有足夠的資源，備份路由上的LSR則會(huì)終止RR消息的發(fā)送并前向返回一條釋放消息至下行LSR。

（2）接收到釋放消息后，下行LSR將按照步驟（1）重新檢查其他候選備份路由是否有足夠的資源。如果RR消息成功地沿著候選路由發(fā)送，恢復(fù)過(guò)程將執(zhí)行步驟（3）。當(dāng)一系列可行的候選備份路由都用盡且沒(méi)有成功，那么保證QoS的恢復(fù)連接建立失敗。

（3）如果RR消息成功傳遞至入口LSR，那么入口LSR將改變它的路由表，將流量由出錯(cuò)鏈路切換至備份路由上。

路徑恢復(fù)比起部分路徑恢復(fù)更靈活。因?yàn)樗鼘⒄麠l出錯(cuò)的LSP切換至另一條經(jīng)出口LSR至入口LSR的通路上。其他的恢復(fù)過(guò)程類(lèi)似于部分恢復(fù)的三個(gè)步驟；不幸的是路徑恢復(fù)的恢復(fù)時(shí)間可能要比部分路徑恢復(fù)長(zhǎng)得多。

RR消息和釋放消息對(duì)于保證QoS的部分路徑恢復(fù)以及路徑恢復(fù)是相當(dāng)重要的。前者是用于QoS重新選路的標(biāo)簽分配消息。它所含的內(nèi)容包括識(shí)別受影響的連接、標(biāo)簽、QoS參數(shù)（包丟失率、包延遲等）、流量特征、出錯(cuò)鏈路以及上行/下行LSR。后者不僅包含前者的一些信息，還包括識(shí)別拒絕請(qǐng)求的LSR及原因，這使得備份路由上的資源分配更清晰。

3.2 按需建立和預(yù)審建立

根據(jù)恢復(fù)通路建立方法的不同，保證QoS的恢復(fù)機(jī)制還可更進(jìn)一步地分為按需建立（Establish－on－Demand）和預(yù)審建立（Pre－qualified）兩類(lèi)。前者在檢測(cè)到故障后開(kāi)始計(jì)算并建立一條恢復(fù)通路；而后者即便是已經(jīng)計(jì)算好恢復(fù)通路卻僅在故障發(fā)生時(shí)才開(kāi)始建立。

一種按需建立恢復(fù)方法被稱(chēng)之為兩步恢復(fù)技術(shù)［3］。它運(yùn)用了改進(jìn)的Dijkstra算法，在入口LSR執(zhí)行恢復(fù)程序的位置上建立一條臨時(shí)旁路隧道。算法利用了現(xiàn)存的信息（如局部節(jié)點(diǎn)最短路徑樹(shù)、出錯(cuò)鏈路和分離的下行節(jié)點(diǎn)）以減少故障消息的傳遞時(shí)間和內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（IGP）的更新時(shí)間，因而也能降低建立一條旁路隧道所需的時(shí)間。一旦所有的LSR都完成了流量的重新選路，建立在出錯(cuò)上行節(jié)點(diǎn)上的旁路隧道就被拆毀。實(shí)驗(yàn)表明按需建立比起預(yù)審建立要快五倍，但是這種恢復(fù)策略?xún)H針對(duì)的是單個(gè)鏈路故障。

預(yù)審建立的恢復(fù)方法有很多。文獻(xiàn)[4]中介紹的方法是現(xiàn)有預(yù)審建立機(jī)制的改進(jìn)。它能減少恢復(fù)時(shí)間，但是需要頻繁更新，以確保當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變時(shí)恢復(fù)通路依然保持最優(yōu)化。在該方法中現(xiàn)存IGP的更改用于更新LSR上的網(wǎng)絡(luò)信息，如具有流量工程擴(kuò)展的開(kāi)放最短路徑優(yōu)先協(xié)議（OSPF－TE）。模擬結(jié)果表明，這種新方法雖然可以使恢復(fù)時(shí)間減少，但是它對(duì)來(lái)自LSR的額外資源要求很高，如CPU、內(nèi)存等。

一般來(lái)說(shuō)，恢復(fù)機(jī)制由于需要計(jì)算新路由以及為新建立的LSP預(yù)留資源，非常耗時(shí)。盡管如此但恢復(fù)的代價(jià)小，因?yàn)槿绻W(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有故障出現(xiàn)則不需要預(yù)留額外的資源。

4 MPLS中區(qū)分業(yè)務(wù)（DiffServ）的生存性策略

MPLS生存性要求結(jié)合具體服務(wù)類(lèi)型選擇合適的生存性策略以保證必需的QoS。根據(jù)IETF提出的DiffServ草案［5］，將業(yè)務(wù)類(lèi)型擴(kuò)展為以下四種類(lèi)型，即用來(lái)傳輸實(shí)時(shí)流量的加速轉(zhuǎn)發(fā)（Expedited Forwarding，EF）類(lèi)型、針對(duì)允許不同丟失程度流量的兩種可確定轉(zhuǎn)發(fā)（Assured Forwarding，AF1、AF2）類(lèi)型，還有更一般的即無(wú)QoS要求的盡力而為（Best Effort，BE）類(lèi)型。

根據(jù)這些業(yè)務(wù)類(lèi)型及其各自的恢復(fù)要求和QoS要求提出具體業(yè)務(wù)的生存性策略。表1是所提出的業(yè)務(wù)類(lèi)型及其相應(yīng)的生存性策略的選擇。

表1 提出的業(yè)務(wù)類(lèi)型及其相應(yīng)的生存性選擇

業(yè)務(wù)類(lèi)型EFAF1AF2BE

恢復(fù)要求高中等低等無(wú)

QoS要求實(shí)時(shí)丟失甚少丟失少無(wú)

恢復(fù)時(shí)間10－100 ms100 ms－1 s1－10 s不確定

生存性策略保護(hù)恢復(fù)恢復(fù)優(yōu)先傳送

恢復(fù)路徑建立預(yù)先建立按需，立即按需，延時(shí)無(wú)

資源分配預(yù)留按需（確保）按需（如果有）無(wú)

恢復(fù)后的QoS等同可能暫時(shí)降低可能降低無(wú)

（1）EF：高恢復(fù)要求

像EF這種具有高恢復(fù)要求的服務(wù)所選擇的生存性策略是保護(hù)模型（包括局部修復(fù)和全局模型）。它應(yīng)該通過(guò)預(yù)定義保護(hù)路徑的方式分配一條LSP。另外，MPLS網(wǎng)絡(luò)利用信令協(xié)議中擴(kuò)展的受限選路方法在另一條與之分離的明晰路由上傳遞信令。當(dāng)檢測(cè)到鏈路或節(jié)點(diǎn)故障后，網(wǎng)絡(luò)將丟棄低優(yōu)先級(jí)的流量并轉(zhuǎn)換至另一條路由的LSP上。

（2）AF1：中等恢復(fù)要求

針對(duì)AF1這種具有中等恢復(fù)要求的服務(wù)可選擇恢復(fù)機(jī)制，用于檢測(cè)到故障后建立修復(fù)路徑的地方。在LSP的建立過(guò)程中，僅僅只有一條LSP用于傳遞網(wǎng)絡(luò)間的信令。但是資源管理必須要預(yù)留出足夠的空閑資源，以防出現(xiàn)故障時(shí)可以找到另一條滿足QoS要求的路徑。為了達(dá)到所要求的恢復(fù)時(shí)間，此類(lèi)服務(wù)的生存性策略要求快速故障檢測(cè)在幾微秒之內(nèi)。

（3）AF2：低恢復(fù)要求

對(duì)于AF2這種低恢復(fù)要求的流量，沒(méi)有MPLS恢復(fù)可配置，也沒(méi)有多余的資源或路徑被預(yù)留。在故障出現(xiàn)后，網(wǎng)絡(luò)僅在EF和AF1恢復(fù)完成后才考慮恢復(fù)其受影響的流量。EF和AF1在延遲時(shí)間內(nèi)有足夠的時(shí)間完成恢復(fù)，因而可確保在這段時(shí)間內(nèi)供AF2可選擇的路徑?jīng)]有占用AF1恢復(fù)時(shí)所需用的空閑資源。延遲時(shí)間一過(guò)，MPLS信令才建立一條QoS要求可能已經(jīng)降低了的LSP。

（4）BE：無(wú)恢復(fù)要求

當(dāng)MPLS域內(nèi)沒(méi)有故障發(fā)生時(shí)，BE中低優(yōu)先級(jí)的LSP利用更高恢復(fù)要求業(yè)務(wù)（EF或AF2）所需的保護(hù)資源和空閑資源，被視為額外流量進(jìn)行傳輸。如果一旦發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，它的包很可能被丟棄。這種情況通常發(fā)生在沒(méi)有足夠的空閑資源為AF1和AF2恢復(fù)所獲得的情況下，或是當(dāng)BE流量傳輸在EF的保護(hù)LSP上的時(shí)候。所以BE對(duì)應(yīng)的是通信網(wǎng)中低優(yōu)先級(jí)、預(yù)先傳送的流量。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要討論了具有QoS保證的MPLS網(wǎng)絡(luò)生存性策略，包括保護(hù)模型和恢復(fù)機(jī)制。保護(hù)為業(yè)務(wù)提供了快速修復(fù)功能但網(wǎng)絡(luò)利用率較低；恢復(fù)能優(yōu)化恢復(fù)路徑且能滿足更多的工作LSP和恢復(fù)LSP的請(qǐng)求，其缺點(diǎn)是恢復(fù)速度慢。保護(hù)和恢復(fù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，所以保證QoS的生存性策略的選擇要由業(yè)務(wù)和恢復(fù)的具體要求所決定。最后以MPLS中DiffServ模型的生存性策略為例，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類(lèi)型分析出各自的QoS要求及其特征，選擇出保證QoS的不同生存性方法。

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