（光学工程专业论文）城域网中业务模型的研究.pdf

南京邮电学院硕士学位论文 摘要 摘要 随着城域网规模日益扩张，其上所承载的业务，在众多内容提供商、终端用 户的不断投入和增长下，目前城域网的业务已逐渐从以t d m 为主的语音业务向数 据、突发类业务转变，可以预见数据业务成为城域网业务的主导只是时间的问题。 传统的i p 网络由于自身的原因，其执行的路由协议o s p f 、r i p 主要是基于h o p b y h o p 的方式，i p 包在其经历的每一个路由器都要基于它的三层信息查询路 由表，找到下一跳。这种每跳查询3 层路由表的i p 转发方式，不能实现高速转发 数据i p 分组的需求。同时，传统i p 转发技术是一_ 种b e s te f f o r t 模式，采用尽力 而为的数据转发模式，对用户业务q o s 的服务质量和网络流量的管理不是有力的 支持，可以说基本不具备这方面的管理功髓，既造成网络拥塞和流量的不均衡， 又使语音和视频等对时延、抖动和传输质量有特别要求的业务得不到保证，这对 于有i p 话音需求的网络来说显然不满足要求。 本文主要从城域网的m p l s 网络模型的角度出发并着重结合流量工程、r p r 空间复用技术，路径选择机制等方面特点对于目前城域网多业务平台的流量控 制，接入解决方案，路由算法的理论和和技术，进行了深入的研究，并基于几种 城域网结构给出了改进模型及比较，同时进行并得出了大量的仿真实验结果及比 较分析。对于目前城域网中多业务承载的问题和各业务之间的优先等级、分类、 l 资源的争用方面，论文中也给出了业务模型及仿真分析。另外对于具有我国背景 的多业务传输平台m s t p 技术，在论文中也从城域网的角度并结合s d h 及r p r 等 环网技术作出了深入的分析。对于结合m p l s 产生的第三代m s t p 技术，在文章中 也是进行了着重的分析。在对流量主干( t r a f f i ct r u n k ) 选路机制的解决方案 上，提出了基于约束条件的显示路由方式，以此方式尽可能的节省网络资源并合 理分配流量的分布，同时基于源路由的算法给出了几种约束路由算法的深入分 析。在仿真过程中采用了o p n e tm o d e l e r 工具，基于流量工程的城域网平台，对 链路的利用率，网络的弹性机制，数据的吞吐量，l s p 的数据业务分配机制等， 都一一进行了分析，从而得出基于流量工程网络业务平台的优越性效果。 关键词；城域网，流量工程，多协议标记交换，流量主干，弹性分组环 i 南京邮电学院硕士学位论文 b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ee x p a n d i n go fc o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kd a yb yd a y ， n u m e r o u sc o n t e n tp r o v i d e ra n di n c r e a s i n ge n du s e rm a d et h et r a f f i co ft h ep r e s e n t m e t r oa r e an e t w o r kt r a n s f o r m e df r o mt h ev o i c et r a f f i co ft d mi n t od a t aa n db u r s t t r a f f i cg r a d u a l l y w ec a n p r e d i c tt h a td a t at r a f f i cw i l lb e c o m el e a d i n gf a c t o ro ft r a f f i c i n m a n b e c a u s eo fo n e so w nr e a s o n ，p r o t o c o lo ft r a d i t i o n a li pn e t w o r ki sb a s e do n o s p f ，r i p ，a n dt h ep r o t o c o lc a r d e do u tm a i n l yt h ew a yo fh o p - b y h o p p a c k e t s m u s tf i n dt h en e x th o pt h r o u g h3 “l a y e rr o u t e ri n f o r m a t i o ni ne v e r yr o u t e rt h e j ， e x p e r i e n c e d t h ew a yt h a ti n q u i r e d3 “l a y e rf o rp e rh o p ，c a n n o tr e a l i z eh i g hs p e e d f o r w a r df o ri pp a c k e t i na d d i t i o n ，t r a d i t i o n a lf o r w a r , dt e c h n o l o g yi sak i n do fb e s t e f f o r tm o d e ，w h i c hl a c ks t r o n gs u p p o r tt os e r v i c eq u a l i t ya n dm a n a g e m e n to ft h e t r a f f i c t h et r a d i t i o n a lm o d eh a s a l r e a d y c a u s e dt h en e t w o r k c o n g e s t e da n d u n b a l a n c e di nf l o w t h i so b v i o u s l yd o e sn o tm e e tt h ed e m a n d st ot h es e r v i c eo fv o i c e a n dv i d e o a c c o r d i n gt ot h em p l sn e t w o r km o d e lo ft h em a n ，a n dc o m b i n et r a f f i c e n g i n e e r i n ga n dr p rs p a t i a lr e u s e dt e c h n o l o g y ，t h i sa r t i c l eh a sc a r r i e do nad e e p r e s e a r c h i n g ，a n dp r o v i d et h em o d e lo fi m p r o v i n ga n dc o m p a r e do nt h em a np l a t f o r m i nr o u t ec h o o s em e c h a n i s m ，a c c e s ss o l u t i o na n dt h er o u t ea l g o r i t h m a st ot h ei s s u eo f c l a s ss e r v i c e ，t h i sa r t i c l eh a sp r o v i d e ds i m u l a t i o nm o d e lt o o f o rt h eb a c k g r o u n do f c h i n ai nm s t pt e c h n o l o g y ，a n dc o m b i n e dt h en e t w o r kt e c h n o l o g yo fs d ha n dr p r ， w eh a v em a d ed e e pa n a l y s i si nt h et h e s i s t h et h i r dg e n e r a t i o no fm s t pt e c h n o l o g y t h a te m b e di nm p l s ，h a sb e e nf o c u s e do n ，i nt h ea r t i c l e w ep r o p o s et h es o l u t i o no f e x p l i c i tr o u t eb a s e do nr e s t r a i n i n gf o rt r a f f i ct r u n k ，a n db yt h i sw a yw ec a ns a v e r e s o u r c e so ft h en e t w o r ka n dd i s t r i b u t et h ef l o wb a l a n c e i nt h i sa r t i c l e ，w ea d o p t o p n e tm o d e l e rt o o li nt h ec o u r s eo fs i m u l a t i o n ，b a s e do nm a np l a t f o r m i nt h e s i m u l a t i o n ，w ea n a l y z e dt h eu t i l i z a t i o nr a t i oo ft h el i n k ，t h ee l a s t i cm e c h a n i s mo ft h e n e t w o r k ，t h r o u g h p u to ft h ed a t a ，d i s p a t c hm e c h a n i s mo fl s pe t c ，o n eb yo n e ，a n d i i 南京邮电学院硕士学位论文 t h u sd r a wt h ea d v a n t a g er e s u l tb a s e do nt h et r a f f i ce n g i n e e r i n gp l a t f o r m k e yw o r d ：m e t r oa r e an e t w o r k , t r a f f i ce n g i n e e r i n g ，m u l t ip r o t o c o ll a b e l s w i t c h i n g ，t r a f f i ct r u n k s ，r e s i l i e n tp a c k e tr i n g 南京邮电学院学位论文独创性声明 7 6 5 0 7 6 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：导师签名： 南京邮电学院硕士学位论文绪论 第一章绪论 1 1 城域网及其承载方案的发展 城域网是目前电信网络发展过程中一个热点，最初产生是局域网互联和数据 业务发展的需要，在之后的发展过程中逐渐成为各传统和新兴的网络运营公司的 多业务增值平台。一般来说，城域网主要面向企事业用户，地理范围上最大可覆 盖城市及其郊区范围的，并可以提供多业务多协议的公用网络。实际上城域网也 是一种带有某些广域网特点的本地应用网络平台，为目前各种业务需求提供综合 接入、汇聚和传送的功能。 城域网建设的解决方案中一般包括以下四种： s d h 多业务平台( 狭义m s t p ) ：s d h 多业务平台( m s t p ) 能够在s d h 设施上 支持数据业务的传送，终结多种数据协议，实施数据透传或2 层交换和本地汇聚。 在新一代的m s t p 中将g f p ，l c a s 和r p r 几种标准功能集成在一起，同时配合核 心智能光网络的自动选路和指配功能大大增强了自身灵活有效支持数据业务的 能力，将核心智能光网络的智能扩展到网络边缘，增强整个网络的智能范围。总 的来看m s t p 多业务平台最适合作为网络边缘的融合节点来支持混合型业务量特 别是以t d m 业务量为主的混合型业务量。 r p r 多业务平台( 新一代m s t p 的内嵌功能) ：为了将以太网扩展到电信级的 核心网，需要解决以太网固有的一系列问题，r p r 就是解决方案之一。这是一种 基于以太网或s d h 的分组交换机制，属于中间层增强技术，采用一种新的m a c 层和共享接入方式，无须进行包的拆分重组，简化了数据包的转发过程提高了交 换处理能力，直接将非目的地i p 包前转通过，明显提高了交换处理能力，改进 了性能和灵活性。r p r 既可以工作在s d h 和千兆以太网上，也可以直接工作在裸 光纤上作为路由器的线路接口板。目前的趋势是架构在s d h 上，成为新一代m s t p 的内嵌功能，这样可以充分利用两者的优势。r p r 能确保电路交换业务和专线业 务的服务质量，能做到5 0 m s 的保护倒换时间，增强了自愈能力。r p r 还具有较 好的带宽公平机制和拥塞控制机制。总的看，该技术最适合数据业务量占主导， 南京邮电学院硕士学位论文 而t d m 业务量也需要可靠有效支持的应用场合。鉴于r p r 具有很好的汇聚特性和 优化的数据接入能力，因此最适合于城域网的接入层应用，特别是以太网业务带 宽需求占绝对优势的场合。 以太网多业务平台：以太网技术源自局域网，十分简单，应用多年，为用户 所熟悉。以太网是标准技术，互换互操作性好，具有广泛的软硬件支持，成本低。 以太网是与媒体无关的承载技术，以太网的扩展性很好，容量分为l o m b s ，1 0 0 m b s ，1 g m b s 级，目前1 0 gm b s 以太网系统也已经问世。在网络边缘，通过改 变流量策略参数即可迅速地按需要以6 4 k 至1 m 的带宽颗粒逐步提供所需的带宽， 直至1 g b s 。总的看，以太网多业务平台最适合i p 业务量占据绝对主导的网络 应用场合，也可以在i p 业务量足够大的中小城市作为独立的i p 城域网应用，也 可以在i p 业务量很大的大中城市作为i p 城域网的汇聚和接入层。 w d m 多业务平台：随着技术的进展和业务的发展，w d m 技术正从长途传输领 1 域向城域网领域扩展。当然，这种扩展不是直接的，需要对城域网的特定环境进 行改造。首先，采用w d m 后，容量有了大幅度的增加，可以扩大数十至数百倍， 而且可以提供某种形式的w 1 ) m 波长保护。其次，应用w d m 后，容许网络运营者提 供透明的以波长为基础的业务。用户可以灵活地传送任何协议和格式的信号而不 受限于s d h 格式。特别是对于应用在城域网边缘的系统，直接与用户接口需要能 灵活快速地支持各种速率和信号格式的业务，包括s d h ，a t m ，千兆比以太网和 光纤通路等。还有，城域w d m 平台还应具备波长可扩展性，新的波长应能随时加 上而不会影响原有工作波长，这样，系统可以通过简单地增加波长的方式迅速提 供新的业务，极大地增强了网络扩展性和市场竞争能力。目前w d m 多业务平台的 成本仍然较高，多业务平台主要适用于核心层，特别适用于扩容需求较大，距离 较长的应用场合。为此进一步开发允许不同业务量和不同协议共享同一波长的子 速率复用技术，改进容量利用效率是w d m 向网络边缘扩展的必要手段。总的来说， 对于光纤资源短缺的城域网或者大型城域网的核心层乃至未来的汇聚和接入层 面，城域w d m 多业务平台都将是一种有效而通用的解决方案。 从广义上讲，国内首先提出的m s t p 技术实际包含了以上几种城域网多业务 传送机制。作为传送网解决方案，m s t p 经历了从以太网透传的第一代m s t p 到支 持二层交换的第二代m s t p 再到当前支持以太网多业务q o s 的第三代m s t p 的发展 2 南京邮电学院硕士学位论文 绪论 过程。 第一代m s t p 的主要功能是支持以太网透传业务。第二代m s t p 保证以太网业 务的透明性，包括以太网m a c 帧，v l a n 标记等的透明传送，将来自以太网接口 的信号不经过二层交换，直接映射到s d h 的虚容器( v c ) 中，然后通过s d h 设备进 行点到点传送。在传输保护及自愈的功能方面，直接利用了s d h 提供的物理层保 护。第一代m s t p 的缺点在于：不提供以太网业务层保护：支持的业务带宽粒度受 限于s d h 的虚容器，最小为2 m b p s ；不提供不同以太网业务的q o s 区分：不提供 流量控制；不提供多个业务流的统计复用和带宽共享；不提供业务层( m a c 层) 上 的多用户隔离。第一代m s t p 在支持数据业务时的不适应性导致了第二代m s t p 解决方案的产生。 第二代m s t p 开始做到支持二层的数据帧交换。m s t p 的二层交换功能使得一 个或多个用户以太网接口与一个或多个独立的基于s d h 虚容器的点对点链路之 间实现基于以太网链路层的数据帧交换。第二代m s t p 保证以太网业务的透明性， 以太网数据帧的封装采用g f p l a p s 或p p p 协议：传输链路带宽可配置，数据帧 的映射采用v c 通道的相邻级联虚级联或m l p p p 协议来保证数据帧在传输过程 中的完整性；实现转发过滤以太网数据帧的功能；。提供自学习和静态配置两种 可选方式维护m a c 地址表；支持i e e e 8 0 2 1 d 生成树协议s t p ；支持流量控制， 包括半双工模式下背压机制和全双工模式下8 0 2 3 xp a u s e 帧机制。 在与第一代m s t p 的比较中，第二代m s t p 的突出之处主要在多用户业务的 带宽共享和隔离方面，包括：提供基于8 0 2 3 x 的流量控制；提供业务层上的多 用户隔离和v l a n 划分；提供基于s t p r s t p 等的以太网业务层保护倒换；一些还 提供基于8 0 2 1 p 的优先级转发。但是，第二代m s t p 的缺点也是明显的，包括： 不提供q o s 支持；基于s t p r s t p 的业务层保护倒换时间太慢；所提供的业务带 宽粒度受限于v c ，一般最小为2 m b p s ：v l a n 的4 0 9 6 地址空间使其在核心节点的 扩展能力很受限制，不适合大型城域公网应用；节点处在环上不同位置时，其业 务的接入是不公平的：m a c 地址的学 - 3 维护以及m a c 地址表影响系统性能；基 于8 0 2 3 x 的流量控制只是针对点到点链路，不能提供端到端的流量控制；多用 户业务的带宽共享是对本地接口而言，还不能对整个环业务进行共享。 南京邮电学院硕士学位论文绪论 在目前的第三代m s t p 技术中，支持多业务q o s 成为其最大优势，由此我们 引入了m p l s 和r p r 等技术，它们的嵌入主要是为了克服现有m s t p 技术所存在的 缺陷。在传送网的汇聚及接入层，网络结构主要以环网为主，之前的m s t p 技术 所涉及的一层透传和二层交换的的共享方式很大程度上不能满足多业务对传输 效率和质量的需求。r p r 技术的使用可以为数据业务提供优质的带宽共享和公平 接入服务，通过执行公平算法，使得环上的每个节点都可以公平地占用每段带宽， 大大提高了环路带宽利用率。作为一种专门为环形拓扑结构构造的新型m a c 协 议，r p r 在进行环路上数据处理时，实行源节点剥离和简单前传机制，这种特性 也大大提高了网络的整体性能。 针对r p r 中的一些问题，如，只限于单环传输，跨环必须终结，无法实现整 网的端到端带宽共享、公平机制、q o s 保护功能，为此必须作出补充。除了i e e e 8 0 2 1 7 工作组起草的“i e e e8 0 2 1 d 的r p r 的m a c 桥接”补充标准外，作为解决 端到端的o o s 方案，m p l s 体现出了良好q o s 特点及流量工程的高效管理机制。 它结合了第二层交换和第三层路由的特点，将第二层的基础设施和第三层的路由 有机地结合起来。第三层的路由在网络的边缘实施，而在m p l s 的网络核心采用 第二层交换。 1 2m p l s 及r p r 在传送网中的作用及其实现 从技术发展趋势看，数据业务越来越成为业务的主体。而基于s d h 的m s t p 是 面向t d m 业务设计的，在应付绝大部分是数据类业务时就会力不从心，显示出开 销复杂，效率低的问题。目前交换网正面临着从语音交换向v o i p 演变的过程，相 信经过5 年或更长的一段时间，分组形式的语音和视频流将成为主体业务 r p r 本质是一种基于m a c 层的技术，能够提供多种业务在环型拓扑结构上的高 效传输，随着它的标准化及其功能的完善，r p r 将可能会是下一代分组传送网的 技术基础。r p r 作为一种基于环网结构的二层m a c 技术，与s d h s o n e t 相似，为使 用者提供了小于5 0 m s 的自愈环保护、全面的网络管理以及语音等t d m 业务传送功 能，保证承载业务的q o s 性能，传送平台可以像s d h s o n e t 分插复用器一样，实 现网络节点本地分组业务的上下和分组业务的直通。它目前的应用方式主要以 下三个方面：r p r 集成功能路由器，独立r p r 设备，内嵌式m s t p 设备。 4 南京邮电学院硕士学位论文 m p l s 是结合i p 技术信令简单和a t m 交换高效的优点而发展起来的技术。m p l s 是在网络入口的边缘路由器( l e r ) 为每个数据包加上一个固定长度的标签，核心 路由器根据进入包头的标记值进行标记交换，做出本地转发的决定，相l l i p 技术， 大大提高了转发的效率。m p l s 不仅可以将路由条目、目标地址和标签进行绑定， 还可以将不同属性o o s ，流量，v p n 等分类映射为f e c ( 即转发同等类) 并和标签进 行绑定，从而建立起端到端的面向连接的标记交换路径，灵活地提供q o s 保护、 流量工程和v p n 服务。 传统m s t p 的保护只能提供基于网络拓扑变化的物理层网络保护，而对支持 r p r 和m p l s 技术的m s t p 来说，可以提供基于r p r 的m a c 层和m p l s 层的网络保护。所 谓m p l s 层的保护，是指用一条备份l s p 连接来保护工作l s p 连接。m p l s 保护有m p l s 快速重路由保护和线性l s p 保护。由于r p r 的保护功能只能局限在一个单环，对于 复杂的跨环网络来说，此时必须采用m p l s 层连接保护技术来实现。 通过引入基于m p l s 的虚拟连接技术，实现全网络数据业务的统计复用和提供 透明的端到端v p n 业务，网络效率可以得到很大提升。另外通过引入r p r 的基于环 的路径选择和空间重用技术，可以比传统的m s t p 提高1 0 0 的环路使用效率 1 3 本论文的主要工作 论文的第一章为绪论部分，主要概述了城域网技术的发展过程，针对城域网 业务平台各发展阶段的所产生的问题，引入了m p l s ，r p r 等多种技术，并予以了 简单的论述。在第二章里，首先对m p l s 的模型的原理机制、实现等方面作了详 细的分析，在章节后半部分，论文主要对m p l s 在业务平台的实现方面作了详细 分析，对于v l a n ，v p n 等的业务实现的机制、方法予以了分析。在第三章里对 r p r 技术的特点优势作了阐述，然后从嵌入m s t p 的角度对r p r 的技术进行了细 致的研究。并在与m p l s 结合方面进行了深入的探讨。第四章里，分析了m p l s 流量工程及路径管理技术，在几种基于约束的路由算法方面给出了分析。第五章 里，根据前面的分析结果，在该章里一一作出了m p l s 应用中几种模型的比较， 同时对仿真实验得出的结论进行了分析。 南京邮电学院硕士学位论文 第二章m p l s 的流量工程模型 第二章m p l s 的流量工程模型 2 1m p l s 原理及实现晗“1 随着现在网络规模的快速增长及人们对网络性能日益增长的期望，基于i p 的主干网承受了极大的压力，而m p l s 利用标记技术使得网络业务流量得到快速 有效的传输。对于传统i p 网络存在已久的诸如对拥塞的管理、负载的平均、流 量的监视等问题，m p l s 都基于流量工程提出了多种行之有效的解决途径。另外， m p l s 以e p - r o u t e 显示路由方式提供了面向连接的服务，m p l s 的隧道方式有效地 支持了v p n 业务，保证了在i p 网络上语音视频等实时业务地传输。随着支持m p l s 标准的集团、厂商的增加( 早在1 9 9 9 年就已有厂家推出m p l s 设备) ，m p l s 在主 干网上的作用日益增加，作为下一代最具竞争力的通信技术m p l s 在我国已被大 量运用到网络运营商的各级国家地方骨干建设及企业园区的应用中，以此趋势， m p l s 独有的诸多优势已逐渐成为了构建现有网络及未来网络的一项关键技术。 传统i p 网络采用的是逐跳的面向无连接的工作方式，无需信令为端到端的 业务通信建立连接，基于该种机制可以省去大量的附加的信令，这也就是意味着 大大简化了节点设备的复杂度，节约了成本。这使得以i p 技术为主的因特网得 到了巨大的发展。但复杂度的下降，随之而来的代价是，因特网用户将不能以最 有效的办法确保端到端的业务保障、服务质量( q o s ) 要求。 在传统i p 网络中数据的转发一般依据i g p 协议( 如r i p ，o s p f ) ，在为数据 流选择了路径之后则不管链路是否拥塞，分组数据都将沿此路径传送，如下图： 图2 - 1 网络拓扑 在图2 一l 的网络拓扑中，从节点1 到节点8 的数据传输，如按最短路径选路 南京邮电学院硕士学位论文 第二章m p l s 的流量工程模型 机制，转发顺序将是一一。在网络负载不大的情况下分组将得快速有效的 转发，然而，一旦数据量增加到一定限度时，某些链路，如一一，发生拥 塞的可能性大大增加，转发性能将下降，甚至发生退服的现象。而与此同时，其 他一些链路( 可能不是最短路径) ，如一一一和一一一一却 得不到充分利用，网络利用率下降。 基于以上i p 网中出现的问题，i e t f 工作组提出了几种支持因特网o o s 服务 的的体系结构模型： 1 基于资源预留的集成服务模型( i n t s e r v ) 2 基于优先等级的区分服务模型( d i f f s e r v ) 3 基于流量工程的多协议标记交换( m p l s ) m p l s 是一种利用路由选择信息并基于标记交换的i e t f 转发标准。它包括2 个主要组件：控制组件和转发组件，如图2 2 所示“： 图2 2m p l s 控制及转发结构 控制组件使用标记分发协议维护m p l s 网络中所有目的地的标记转发信 息并且负责相邻l s r 之间交换路由状态信息i 更新路由表。这部分工作需 要i g p 、b g p 等路由协议完成。 南京邮电学院硕士学位论文 第二章m p l s 的流量工程模型 转发组件则利用分组中的标记信息和控制组件维护的标记转发信息对分 组进行标记交换。 m p l s 基本工作过程主要可分为以下3 个步骤( 如图2 3 ) ： ( 1 ) 由l d p ( 标记分发协议) 和传统路由协议( 如o s p f 等) 一起， 在l s r 中建立路由表和标记映射表。 ( 2 ) l e r 接收i p 分组数据，完成第3 层功能，并在分组数据包上加 入标记，在出口l e r 上将分组中的标记去掉后继续进行转发。 ( 3 ) l s r 对分组不在进行第3 层处理，只是依据分组上的标记通过交 换单元对其进行转发。 图2 3m p l s 基本工作过程 从工作过程上来看，m p l s 相比于传统的i p 组网具有以下优点： ( 1 ) m p l s 在标记的定义下简化了数据转发过程，通过类似于一次路由多次交 换的方式大大提高了网络数据的传输效率。这种将路由和分组转发相分 离的思想可以使目前网络得到非常平滑的过渡，不需要改动现有的路由 技术及设备，保护了运营商的投资、节省了用户的费用。 ( 2 ) m p l s 最重要的优势也是最主要的应用是在流量工程方面。通过引入流量 工程机制，可以实现网络负载的均衡、解决网络的拥塞并能极大的提高 8 南京邮电学院硕士学位论文 第二章m p l s 的流量工程模型 网络带宽的使用效率，提高网络传输质量，最终满足用户日益增长的对 网络性能的要求。 2 2m p l s 在城域网业务平台上的实现 2 2 i 基于m p l s 的多业务传送平台( m s t p ) 产生背景 一般来说，m p l s 应该是i p 骨干网的技术。现在，之所以在第三代的m s t p 中采用m p l s ，我们主要从以下几个方面来考虑。 从主设备角度来看，无论是固定网络从p s t n 向n g n 的演进还是移动网络从 g s m 向w c d m a 的演进，核心技术分组化已有一致的标准。对于数据链路层的分组 数据传送技术而言，m p l s 是非常突出的技术选择。 从功能角度来看，传输网定位于提供端到端连接的能力，为主设备提供承载 通道。传统s d h 可以提供各种速率的实电路，而m s t p 需要在此基础上增加提供 虚电路的能力，具体的说就是要解决如何更好地实现e t h e r n e t 业务的传送。采 用m p l s 提供的l s p 的特性非常类似于a t m 网中的p v c ，它可以很好地将核心路 由器交换机有效连接起来组建宽带i p 城域网。 从网层之间的关系而言，新一代m s t p 与主设备r o u t e r s w i c t h 之间采用叠 加模式，这样可以提供清晰的逻辑界面。在分组数据进入m s t p 网络后，m p l s 可 为根据v l a n i d m a c 地址端口为不同的e t h e r n e t 业务分配相应的l s p 来承载， 便于网络管理和维护。 另外大量的传统环型拓扑结构的光纤网决定了分组环网技术存在的必然性， 那就是采用r p r 技术的原因所在。而组网时大量环环相套跨环传输需求让r p r 很难大规模应用，引入m p l s 则可以轻松实现业务跨环转接和传输。因此，面向 分组业务传送时，m p l s + r p r 技术是必然选择，其中r p r 面向环内的带宽资源管 理，m p l s 以其标签透传的能力实现具有端到端的q o s 保证管理。 2 2 2m p l s 交换的技术特点 m p l s 技术结合了第二层交换和第三层路由的特点，将第二层的基础设施和 第三层的路由有机地结合起来；第三层路由在网络的边缘实施，而第二层交换则 由m p l s 网络的核心完成。它的交换过程如图2 4 ： 南京邮电学院硕士学位论文 第二章m p l s 的流量工程模型 图2 4m p l s 的交换过程 m p l s 标记交换方式 这种路由交换机制使得基于m p l s 的第三代m s t p 网络具有以下技术特点： 1 保留了原有i p 路由算法，并加以改进，保证了m p l s 网络路由的灵活性，另 外，数据传输和路由计算予以分开，支持大规模层次化的网络拓扑结构，具有良 好的网络扩展性，是一种面向连接的传输技术，能够提供有效的q o s 保证： 2 利用a t m 的高效传输交换方式，而且不采用复杂的a t m 信令，通过一个s h i m 层很好地将i p 技术优点与a t m 的高效硬件转发结合起来； 3 网络中的分组转发基于定长标签，简化了转发机制，使得转发路由器容量很 容易扩展到大比特级，同时标签合并机制也可以支持不同数据流的合并传输完成 流量工程，c o s 、q o s 和大规模的虚拟专用网功能； 4 m p l s 不但支持多种网络层技术，而且是一种与链路层无关的技术，它可以支 持多种链路层协议，如x 2 5 、帧中继、p p p 等，保证了多种网络的互连互通，使 得各种不同的网络传输技术统一在同一个m p l s 平台上； 总得来说，m p l s 是一种交换机制和路由机制的高度结合，它将网络层路由 和链路层交换融合在一起。现在，几乎所有主要厂商和标准机构都参与了m p l s 技术标准的制定以便将目前的i p 交换技术和a t m 技术的优势充分体现在m p l s 之中。 1 0 南京邮电学院硕士学位论文 第二章m p l s 的流量工程模型 2 2 3 基于m p l s 的第三代m s t p 网络结构 第三代m s t p 网络可以分为边缘层和核心层，如图2 5 所示。在m p l s 的核 心层( c o r el a y e r ) ，只提供高速的标记交换，面向连接的服务质量、流量工程、 组播控制等功能。边缘层( e d g el a y e r ) 完成分组数据包的分类、过滤、安全和转 发功能，同时将i p 数据包转换为采用标记标识的流连接，提供服务质量、流量 控制、虚拟专网、组播等功能，针对不同的流连接，m p l s 边缘节点采用标记分 配协议( l d p ) 进行标记分配绑定，l d p 具有标记指定、分配和撤消的功能，它在 m p l s 网内分布和传递。在这套交换体系中，m p l s 网络采用a t m 的交换控制等思 想，如a t m 的服务质量分类和控制机制等，满足了网络所需得快速转发、q o s 等要求。 图2 5 第三代m s t p 网络结构( 基于m p l s 交换) 2 2 4 基于m p l s 的第三代m s t p 传输机制 基于m p l s 的第三代m s t p 技术在以太网和s d h 间引入了中间适配层，将以太 网的业务要求适配、映射到s d h 通道上，并采用g f p 等高速封装协议，支持虚级 联和l c a s 。如此，使得基于m p l s 的第三代m s t p 设备具备了以往m s t p 设备所没 有的许多独特优势。 1 q o s 保证及公平带宽接入分配机制 为了克服现有的m s t p 设备存在的不提供不同数据分组网业务的q o s 保证， 及不具备端到端的以太网业务q o s ，第三代m s t p 设备引入了m p l s 技术，使得其 不仅支持环网保护方式、支持拓扑自动发现，更可提供独特的端到端业务q o s 保障机制。当采用r p r 组网时，通过采用m p l s 的机制，能灵活提供具备良好q o s 南京邮电学院硕士学位论文第二章m p l s 的流量工程模型 性能的以太网功能，并提供核心层的环网保护，基于环的保护倒换可保证小于 5 0i l l s ，达到真正的电信级要求。各连接承载的业务都允许具有保证 ( g u a r a n t e e d ) 正常( r e g u l a t e d ) 尽力而为( b e s te f f o r t ) 等不同的业务等级 ( s l a ) 的q o s 并可以同时承载多个q o s 以太网业务流。目前，各业务流的带宽 粒度可以达到5 0 0 k b p s ，不久各业务流的带宽粒度将可小到l o o k b p s 。除了q o s 业务流外，各b e s te f f o r t 业务在网络发生阻塞的情况下可以按照不同的权重因 子( w e i g h t ) 公平竞争余下的可用带宽。 常规m s t p 设备在接入和带宽分配方面采用优先级机制，当网络发生拥塞时， 只要是优先级低的将被限制。显然，这种机制缺乏公平性和合理性。基于m p l s 的第三代m s t p 设备支持带宽公平接入机制和拥塞控制机制，采用加权公平算法 来控制带宽的利用，保证每个节点都获得自己应得的环路带宽份额；由此，既保 证了接入的公平性，又具备带宽动态分配的合理性。这种机制能充分满足电信运 营商进一步细分业务的特殊需要。如图2 6 所示，基于m p l s 的第三代m s t p 设 备支持带宽公平接入机制和合理带宽动态分配机制的一个例子。 图2 - 6 基于m p l s 的动态带宽分配 在图例中2 6 中，三个客户端( c l i e n t ) 同时向中心路由器转发数据，根据 业务分级协议( s l r ) ，每个客户端将有三类等级业务保证机制，在处理服务器拥 塞时，对于较低级别的数据将采用b e s te f f o r t 方式，予以控制，并在全网流量 的角度对各客户端公平分配带宽。基于m p l s 的第三代m s t p 设备可对整个环业务 进行带宽共享而不是在以前的m s t p 设备中带宽共享只针对对本地接口而言，不 能对全网进行共享。 南京邮电学院硕士学位论文 第二章m p l s 的流量工程模型 2 端到端的流控机制 传统的m s t p 设备的流控机制主要基于8 0 2 3 x 的p a u s e 机制或背压控制，只 是针对点到点链路，没有端到端的流量控制能力。第三代m s t p 设备通过m p l s ， 不但支持常规的8 0 2 3 xp a u s e 机制，而且使设备具有了对整个环路进行流量控 制的独特功能。在产生阻塞时，能够根据权重因子调整每个b e s te f f o r t 连接的 带宽，实现端到端的流量控制。 3 扩展后的v l a n 支持机制 众所周知，v l a n 有4 0 9 6 的地址空间限制。在常规m s t p 实现中，v l a n 地址 不允许被重用，例如：如果v l a ni d = i 给用户a 使用了，那么另外一个用户b 就不能使用同一个v l a ni d = i 。 基于m p l s 的第三代m s t p 设备具有经扩展的v l a n 支持能力。通过嵌入二层 m p l s 技术，可以从根本上解决了4 0 9 6 的v l a n 地址空间限制，允许不同的用户 使用同样的v l a ni d ，使设备所支持的v l a n 数目达到现有设备的2 5 6 倍。这是 实现用户隔离并最终实现光城域公网的最佳技术。图2 7 显示了基于m p l s 的第 三代m s t p 设备对v l a n 的支持能力。 南京邮电学院硕士学位论文 第二章m p l s 的流量工程模型 图2 7 基于m p l s 的v l a n 结构 第三代m s t p 设备( 基于m p l s ) 具有对以太网的q o s 质量保证机制，另外， v l a n 用户隔离技术使得v l a n 地址通过m p l s 的隧道方式得到了多次复用。 2 2 5 基于m p l s 的第三代m s t p 设备的v p n 实现 同传统的v p n 不同，m p l s v p n 不依靠封装和加密技术，而是使用转发表和数 据包的标记来创建一个安全的v p n 。基于m p l s 的v p n 是将用户和服务提供之间的 无连接的v p n 与网络核心内的面向连接的v p n 结合起来。此外，还实现了一些附加 的机制以允许用户使用重叠的地址空间。 m p l s 的核心思想是“边缘的路由，核心的交换”。其思想就是利用第二层的 交换来实现第三层路由的功能，结合了第三层路由的灵活性和第二层交换的高速 性，是一个应用前景广阔的技术。m p l s 技术的出现为v p n 的各种问题提供了很好 的解决方案，由m p l s 的工作流程可以看出，在m p l s 网络中数据包只在第二层进行 南京邮电学院硕士学位论文 第二章m p l s 的流量工程模型 交换，其安全性完全可以达到租用专用线路的水平。这样就可以使用m p l s 技术提 供v p n 服务，而且使用m p l s 建立的v p n 能够替代使用a t m 、帧中继建立永久性虚电 路的方案，大大节约了成本“1 。 1 ) m p l sv p n 模型结构1 一个标准的m p l sv p n 结构包括了p _ r o u t e r ( 运营商网络路由器) 、p e _ r o u t e r ( 运营商网络边缘路由器) 和c e _ q u i p m e n t ( 客户边缘设备) 三类节点。其中p 路 由器与p e 路由器运行统一的i g p ( 内部网关协议) ：如o s p f 、i s - i s 、r i p 等； p e 路由器之间运行m p i b g p 协议( 不同v p n 用户具有地址空间重叠的问题，所以必 须扩展b g p 协议) 。p e 路由器通过静态路由器、r i p 、o s p f 、e b g p 、e i g r p 等路由 协议从c e 处获得客户路由信息，选择适当的路径完成数据包的标记转发。 2 ) m p l sv p n 实现机制 要更好地实现v p n ，除了合理部署p 路由器、p e 路由器、c e # f ，还需以下机制 进行保障： ( 1 ) v p nr o u t i n g f o r w a r d i n g ( v r f ) 在每个p e 路由器中，每个v p n 都需要一个单独的v r f ( 路由转发表) ，以保证 v p n 路由信息的隔离以及不同v p n 之间使用重叠的私有地址。 ( 2 ) r o u t et a r g e t c o m m u n i t i e s ( r t ) m p l sv p n 是通过r t 这个扩展的m p - b g p 的c o m m u n i