利用多协议标记交换技术实现ＩＰ网的流量工程

近此年来，随着ＩＰ业务流量爆炸性的发展，ＩＰ网络拓扑结构日趋复杂，ＩＰ网络的容量和规模以指数级在增长，ＩＰ 电话、会议电视等实时多媒体应用不断增加，人们对ＩＰ技术关注的热情空前高涨，对应用也提出了更高的需求。是一种集成了ＩＰ和ＡＴＭ技术各自特点，将ＩＰ的智能和ＡＴＭ的高速交换结合在一起，将ＩＰ业务映射到面向连接的ＡＴＭ或帧中继基础设施中的新一代技术，它将成为Ｉｎｔｅｒｎｅｔ核心网络路由／转发技术最为关键的一个发展。

１ ＭＰＬＳ技术基本原理和性能

    ＭＰＬＳ技术就是将第三层技术（如ＩＰ路由）与第二层技术（如ＡＴＭ高速交换）有机结合起来，将第三级的包交换转换成第二级的交换，不再需要采用常规ＩＰ基于最长地址匹配路由查找的ｈｏｐ－ｂｙ－ｈｏｐ数据包转发方式，不再需要对网络中的所有路由器进行第三层路由表的查询，同时，用于转发数据包的标记一般长度为３２位报头： 因此可用硬件实现表项的查找和匹配以及标记的替换，减少了传输路径中后续节点处理的复杂性，大大提高了包的转发性能。

    ＭＰＬＳ网络与传统ＩＰ网络的不同主要在于ＭＰＬＳ域中使用了标记交换路由器（ＬＳＲ），域内部ＬＳＲ之间使用ＭＰＬＳ协议进行通信，而在ＭＰＬＳ域的边缘由ＭＰＬＳ边缘路由器（ＬＥＲ）进行与传统ＩＰ技术的适配。

    通常人们对ＭＰＬＳ的理解是：ＭＰＬＳ可以明显地提高路由器的转发性能。由于ＩＰ转发是基于最长匹配查询的，而ＭＰＬＳ和ＡＴＭ交换机所提供的固定长度查找，是基于精确匹配查询的，按照平常的习惯思维认为通过硬件提供的固定长度查询要比路由器提供的基于软件的最长匹配查询快，但是，随着最新的半导体技术的发展，使得基于ＡＳＩＣ芯片的路由查询引擎与ＭＰＬＳ或ＡＴＭ使用的ＶＰＩ／ＶＣＩ查询引擎的运行速度相当，因为路由器现在可以像ＡＴＭ交换机转发信元那样以０线速转发数据包，转发性能不再是一个问题。而ＭＰＬＳ真正的优势在于它提高了协同流量工程的能力。

２ ＭＰＬＳ技术实现在ＩＰ网络中的流量工程

２．１  流量工程的重要性及主要内容

  （１） 业务流映射到网络的物理拓扑上的任务被称作流量工程，作为ＩＳＰ（网络服务提供商），利用流量工程这一强有力工具，在网络中不同的链路、路由器和交换机之间实现平衡业务负荷，使所有这些资源既不会过度使用，也不会得不到充分利用，这样可以减少网络拥塞并最大程度地利用整个网络所提供的带宽资源；在实际的网络应用中，流量工程的重要性体现在两个方面：从ＩＳＰ的角度来说Ｔｒａｆｆｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ可以保证网络资源得到充分、合理利用，从而避免了整个网络在某个地方网络资源过度利用，而另外一些地方网络资源被闲置不用的不良情况；从网络用户的角度来说Ｔｒａｆｆｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ可以保证用户所申请的服务质量得到满足。

（２）流量工程的主要内容有以下几方面：

      路径的选择：通过采用ＭＰＬＳ实现显式路由的选择方式，可以根据网络资源合理利用以引导业务的流向，以便让一条拥挤的路径上的一部分流量被转移到一条不太拥挤的路径上，从而避免网络拥塞。这种显式路由的选择是通过ＭＰＬＳ采用源路由的方式为ＩＰ包选一条从源到目的地的路径，网络中的中间节点不需要再为ＩＰ包选择路由，仅需根据建立ＬＳＰ的信令中携带的路由信息即可以将建立 ＩＰ转发到下一跳。

      路径优先级的选择：通过设置ＬＳＰ建立优先级和保持优先级来实现当有高优先级的业务流时，即使已为某一业务建立了ＬＳＰ，也应空出网络资源给高优先的业务使用，这使得在网络资源匮乏的时候，对优先级高的业务提供服务保证。

      负载均衡：ＭＰＬＳ可以使用两条和多条ＬＳＰ来承载同一个用户的ＩＰ业务流，合理地将用户业务流分摊在这些ＬＳＰ之间。

      路由备份：采用ＭＰＬＳ配置两条ＬＳＰ，一条处于激活状态，另外一条处于备份状态，一旦主ＬＳＰ出现故障，业务立刻导向备份的 ＬＳＰ，直到主ＬＳＰ从故障中恢复，业务再从备份的ＬＳＰ切回到主ＬＳＰ。

      故障恢复：当一条已经建立的ＬＳＰ在某一点出现故障时，故障点的ＭＰＬＳ会向上游发送消息以通知上游ＬＥＲ重新建立一条ＬＳＰ来替代这条出现故障的ＬＳＰ，由此上游ＬＥＲ就会重新发出消息，建立另外一条ＬＳＰ来保证用户业务的连续性。

２．２传统的流量工程技术

    （１）基于路由器核心网络中的量度（Ｍｅｔｒｉｃ）流量工程技术

在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ 骨干网的规模比较小的时候，对于路由器的数量、路由器之间的链路数以及业务流量都不是很大的情况下，流量工程技术是通过简单地使用路由量度值（Ｍｅｔｒｉｃ）来实现的，同时，Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网的拓扑层次也强制业务通过网络中较为确定的路径，基于量度的流量控制能提供充足的流量工程解决方案，但随着ＩＰ网络规模发展越来越大，基于传统路由器的核心网及基于量度的流量控制则显示出它的局限性： 基于传统的、软件的路由器在高业务流量的情况下可能成为潜在的瓶颈。

    （２） 由于基于传统路由器核心网在流量工程中所存在的局限性，同时伴随着ＡＴＭ技术发展日趋成熟，带有ＳＴＭ－１速率ＡＴＭ接口的路由器的出现，如何将ＡＴＭ的高速交换、流量规划、带宽管理、拥塞控制等优势运用到ＩＰ网络中被人们所关注──ＩＰ ｏｖｅｒ ＡＴＭ重叠型网络由此产生。

    当ＩＰ运行在ＡＴＭ网络上时，路由器位于ＡＴＭ网络的边缘。每个路由器通过一系列经由ＡＴＭ物理拓扑配置的永久虚电路（ＰＶＣ）与其它路由器通信。ＰＶＣ为边缘路由器提供连接，由于ＡＴＭ交换机提供了高速率的接口和明显的高汇集带宽，因此可以在网络的核心部分避免因路由器引起“瓶颈”的潜在可能；同时，基于ＡＴＭ的核心网可以对ＰＶＣ进行明确的路由，完全支持流量工程，使得在ＩＰ ｏｖｅｒ ＡＴＭ网络上通过对ＰＶＣ进行路由以使业务负载分配到所有的链路上去，以致链路可以被平均使用。

    事实上，无论基于怎样模型的ＩＰ网络，都有其一定的局限性，其最根本的局限性是它需要对两个不同的网络进行管理；同时： 每个ＡＴＭ信元中需增加额外的打包开销；另外，在ＩＰ ｏｖｅｒ ＡＴＭ网络中，要为所有的节点建立ＰＶＣ连接，这将会产生Ｎ平方问题，一旦网络规模增大，ＰＶＣ数量，都将是节点数的Ｎ平方倍的数量级，网络将无法承受这种开销。

    随着Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网的迅猛发展和各种新技术的不断出现，使得核心网络完全基于路由器即可完成流量工程的功能得以实现。目前通过采用多协议标记交换（ＭＰＬＳ）技术既解决了ＩＰ ｏｖｅｒ ＡＴＭ网络中存在的问题和局限性，又可以很好地实现基于路由器的流量工程。

２．３基于ＭＰＬＳ的新一代流量工程技术

ＭＰＬＳ的流量工程结构包括下面４个基本组成部分。

（１）包转发单元

    ＭＰＬＳ流量工程结构中的包转发单元就是多协议标记交换。多协议标记交换负责引导ＩＰ包流按一条预先确定的路径通过网络。这条路径被称作标记交换路径（ＬＳＰ），即业务从起始路由器按一定方向流向终止路由器。ＬＳＰ的建立是通过串联一个或多个标记交换跳转点来完成，允许数据包从一个标记交换路由器（ＬＳＲ）转发到另一个ＬＳＲ，从而穿过ＭＰＬＳ域。

    当一个未被标记的ＩＰ包到达ＭＰＬＳ边界路由器ＬＥＲ时，ＬＥＲ通过检查进入包的包头信息作出分类和转发决定，根据分类给包分配标记，并将其转发到下一跳的标记交换路由器ＬＳＲ，核心ＬＳＲ接收到标记包后，将标记抽出并作为索引查找ＬＳＲ中的转发信息表，如转发信息表中有相应的项，则将输出标记添加到包头，并将替换了标记的包发给到下一跳的输出接口；当数据包从核心ＬＳＲ到边界ＬＥＲ时，边界ＬＥＲ发现该包的出口是一个非标记接口，将ＩＰ包中的标记去掉后继续进行基于第三层的ＩＰ转发。从中可以看到，ＭＰＬＳ技术的真正优势在于它提供了控制和转发的完全分离。

（２）信息发布单元

    ＭＰＬＳ流量工程的计算需要有关网络拓扑和网络负荷的动态信息细节，每个ＬＳＲ通过一个特殊的流量工程数据库（ＴＥＤ）对网络链接特性和拓扑信息进行管理。ＴＥＤ专门用于计算ＬＳＰ通过物理拓扑时的外在路径，并通过ＩＧＰ所使用的标准扩展算法可以保证链接特性被发布到ＩＰ网络路由域中的所有路由器：ＴＥＤ是一个分离的数据库，以使并发的流量工程计算与ＩＧＰ和ＩＧＰ链接状态数据库相独立，同时，ＩＧＰ继续无改变地运行，基于路由器ＩＧＰ链接状态数据库所包含的信息进行传统的最短路径计算。

（３）路径选择单元

    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进行扩散并存储到ＴＥＤ中去之后，每个起始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计算输出的一个外在路由包含了一组通过网络的最短路径并满足约束的ＬＳＲ地址，这个外在路由随即传递给信令部分，信令部分在ＬＳＰ中的ＬＳＲ建立转发状态。

（４）信令部分

    因为驻留在起始ＬＳＲ的ＴＥＤ内关于网络状态的信息在任何时候都是过期的，ＣＳＰＦ计算出的路径只是被认为是可以接受的。只有在ＬＳＰ被信令部分真正建立之后，才能知道这条路径是否真正可以工作。负责建立ＬＳＰ状态和标记分配的信令部分依赖于资源预留协议（ＲＳＶＰ）的一些扩展（也可使用ＣＲ－ＬＤＰ）。ＲＳＶＰ能够在ＭＰＬＳ环境中可靠地建立和维护ＬＳＰ，并且ＲＳＶＰ允许将网络资源明确地预定和分配给一条给定的ＬＳＰ。

    随着ＩＰ业务的发展，网络的规模日趋庞大，网络的拓扑结构也更加复杂，这使得早期依赖于使用量度来对网络业务流分布进行管理，实现流量工程显得较为困难。与此同时，伴随着ＡＴＭ核心交换机和具有ＳＴＭ－１及ＳＴＭ－４接口的路由器的出现，通过ＡＴＭ技术解决ＩＰ网络所需更多带宽以承载不断增加的业务需求，并合理控制业务流被应用到了ＩＰ重叠型的网络中来。当ＩＰ网络发展到ＳＴＭ－１６以至更高速率时，基于ＭＰＬＳ的流量工程技术既提供了ＡＴＭ网络的业务管理功能，同时又避免了ＩＰ ｏｖｅｒ ＡＴＭ重叠模式在性能和可扩展性方面的局限性。

３ 实际ＩＰ网络中的流量工程

    下面以深圳ＩＰ城域网规划为例，来说明运用ＭＰＬＳ技术实现ＩＰ网络流量工程。整个ＩＰ城域网网络结构分为两层：核心交换网层和城域服务接入网层。核心交换网由骨干汇接层组成，作为网络连接和交换平台，完成用户汇聚接入，实现全网业务的汇接、转接和业务疏通；接入层执行业务接入、延伸、覆盖功能，完成各种业务的接入。在核心骨干层采用高端ＩＰ 骨干路由交换机ＧＳＲ１２０１２，骨干节点之间以２．５Ｇ ＰＯＳ（Ｐａｃｋｅｔ Ｏｖｅｒ ＳＤＨ）相联，这样简化了网络体系结构，提高了传输效率，降低了成本；接入层路由器Ｃｉｓｃｏ ７５０７或７５１３以ＧＥ千兆以太网上联至ＧＳＲ。

    通过将核心骨干层的７台ＧＳＲ１２０１２骨干路由交换机用作ＭＰＬＳ核心标记交换路由器，同时将城域网接入层Ｃｉｓｃｏ７５０７／７５１３路由器用作ＭＰＬＳ边缘标记交换机构建成一个ＭＰＬＳ域，多协议标记交换负责引导ＩＰ包流按一条预先确定的路径通过网络，例如从黄木岗至南山的路由选择，位于黄木岗的边界路由器通过对流量工程数据库ＴＥＤ中的信息使用约束最短路径优先（ＣＳＰＦ）算法来决定ＬＳＰ的物理路径是从黄木岗——新安——南山，由此可以看出，ＬＳＰ的物理路径并不为通过ＩＧＰ选择的最短路径黄木岗——南山所制约，从而运用多协议标记交换技术实现流量工程。无论是设计得再好的网络，如果不能合理分配和利用网络带宽来承载业务流量，也不可避免地会造成网络拥塞，这就需要我们在问题发生之前重视它，并运用可行的技术手段去防止它，以求达到为用户提供一个稳定、高质量的网络，使用户对我们的服务感到满意。

４ 总结

    随着因特网持续高速的发展，实时多媒体应用的增加，人们开始对网络的服务质量、可靠性和效率进行了重新思考。在 ＩＰ ｏｖｅｒ ＡＴＭ技术的发展过程中，集成模式在性能和效率上都要优于叠加模式，目前的趋势也是朝着集成模式发展。ＭＰＬＳ将基于标记交换的数据转发机制与网络层的选路机制结合在一起，以实现适应多种协议与不同规模的网络，同时在网络高速增长的时期，ＭＰＬＳ技术能提供对可用资源进行精确控制的能力，在阻塞及故障情况下具有稳定性；并能够为ＩＰ运营服务商开展增值服务提供便利，可以全面提高ＩＰ网络的性能。ＭＰＬＳ真正的优势在于它提高了协同流量工程的能力，基于ＭＰＬＳ的流量工程技术既提供了ＡＴＭ网络的业务管理功能，同时又避免了ＩＰ ｏｖｅｒ ＡＴＭ的重叠模式在性能和可扩展性方面的局限性。在我们的实际网络应用中，通过运用ＭＰＬＳ技术实现ＩＰ网络流量工程，能够更好地减少网络拥塞和最大程度地利用网络资源，实现ＱＯＳ的关键因素之一，是为用户提供优质服务的重要保障。

参考文献

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５ Ｂｒｕｃｅ Ｄａｖｉｅ： Ｐａｕｌ Ｄｏｏｌａｎ： Ｙａｋｏｖ Ｒｅｋｈｔｅｒ．Ｓｗｉｔｈｃｉｎｇ Ｉｎ ＩＰ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ＩＰ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ： Ｔａｇ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ａｎｄ Ｒｅ-ｌａｔｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ．Ｍｏｒｇａｎ Ｋａｕｆｍａｎｎ Ｐｕｌｉｓｈｅｒｓ Ｉｎｃ： １９９８

６  陈山枝．从另一个角度谈ＩＰ与ＡＴＭ．电信科学，１９９９，１５（４）

７ 赵慧玲，胡琳等．宽带Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络技术．北京：电子工业出版社，１９９９

（收稿日期：２０００－０８－３１）

[摘要] 文章概述了基于集成模式的新一代技术——多协议标记交换技术（ＭＰＬＳ）产生的原动力及其良好的应用前景，并通过对ＩＰ网络中流量工程技术发展阶段的分析，比较了各种流量工程技术的差异及优缺点，重点研究了基于ＭＰＬＳ技术实现ＩＰ网络中流量工程的工作原理，并以深圳市ＩＰ城域网为例作了具体说明。

[关键词] ＡＴＭ上的ＩＰ模式 多协议标记交换 标记交换路由器 标记交换路径 流量工程

[Abstract] Ｅｍｅｒｇｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＩＰ ｏｖｅｒ ＡＴＭ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ： ＭＰＬＳ ａｓ ａ ｎｅｗ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎｔｅ-ｇｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉ-ｃａｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｏｐｔｉｍｉｓｔｉｃａｌｌｙ ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ． Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｒａｆ-ｆｉｃ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ： ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｄｉｆ-ｆｅｒｅｎｔ ｔｒａｆｆｉｃ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ． Ｅｍｐｈａｓｉｓ ｉｓ ｐｕｔ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａ-ｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｔｒａｆｆｉｃ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ ＩＰ ｎｅｔｗｏｒｋｓ． Ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ： ｔｈｅ Ｓｈｅｎ-ｚｈｅｎ＇ｓ ＩＰ ＭＡＮ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ｓｈｏｗ ｈｏｗ ｔｈｅ ｔｒａｆｆｉｃ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ ＩＰ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＭＰＬＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．

[Keywords] ＩＰ ｏｖｅｒ ＡＴＭ ＭＰＬＳ ＬＳＲ ＬＳＰ Ｔｒａｆｆｉｃ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ