09MPLS协议与QOS流量计算

第九章MPLS流量工程和QoS机制 9 1流量工程概述9 2MPLS流量工程9 3QoS概念及其实现方案 9 1流量工程概述 网络资源的高昂成本以及Internet领域中激烈的竞争 作为ISP Internet服务提供商 不仅需要改善网络基础设施 如采用光纤满足高速数据传输的需要 但是这只能在一定程度上缓解用户数据传输带宽和QoS保证的压力 9 1 1什么是流量工程由于网络资源不足或者流量分布不均匀都可能造成网络拥塞 在前一种情况下 所有路由器和链路都会过载 惟一的解决办法是升级基础设施 提供更多的网络资源 在实际的网络应用中 流量工程 TE 的重要性体现在两个方面 从ISP的角度来说 流量工程 TE 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 而在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 流量工程 TE 可以保证用户所申请的服务质量得到满足 9 1 2流量工程中的性能指标流量工程 TE 的目标就是在保证网络高效 可靠运行的同时 对网络资源的利用与流量的性能加以优化 1 面向应用的性能指标这是一种与每种特定应用服务流的流量特性相关的指标 面向应用的性能指标包括了增强业务QoS性能的各个方面 2 面向网络的性能指标这是一个与网络资源相关的指标 面向网络的性能指标包括了优化资源利用的各个方面 有效的网络资源管理是实现面向资源优化目标所使用的手段 9 1 3网络拥塞的最小化拥塞的最小化是面向应用和面向网络流量工程的一项重要的性能指标 流量工程所要解决的主要问题也就是减少拥塞的产生 9 1 4流量与资源控制 9 2MPLS流量工程 9 2 1MPLS流量工程技术基础一 选用MPLS实现流量工程的原因理想的流量工程解决方案是根据业务需要分配网络资源 具有将通信流量映射到特殊路径和专用资源上以实现负载均衡的方法 ISP Internet服务提供商 要求IPoverATM方式下的流量工程在纯IP结构的网络中也要得到体现 1 MPLS是一种交换和路由的综合体 它集成了链路层的交换技术与网络层的路由技术 2 MPLS流量工程提供了完整的流量管理方法 3 MPLS流量工程根据业务流所需的资源和网络中的资源可用情况来引导业务流有效通过网络 并采用 基于约束路由的选路 方法 这条约束路由对要调节的业务来说是满足约束条件的最好路由 4 MPLS流量工程可以平滑地将失效链路或节点上的业务流利用新的约束转移到网络的其他通路上进行传输 从而有效地对发生故障的节点和链路进行恢复 二 MPLS流量工程的主要内容1 路径的选择通过采用MPLS实现显式路由的选择方式 可以根据网络资源的合理利用来引导业务的流向 以便使一条拥挤路径上的一部分流量转移到一条负荷较轻的或不太拥挤的路径上 从而避免网络拥塞 2 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级的业务使用 以便在网络资源匮乏的时候 也能对优先级高的业务提供服务保证 3 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 4 路由备份MPLS可以配置两条LSP 一条处于激活主用状态 另一条处于备份状态 一旦主LSP出现故障 业务立刻倒换到备份的LSP 直到主LSP从故障中恢复 业务再从备份的LSP切回到主LSP 5 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 三 MPLS导入模型图和流量工程基本问题表述基于MPLS的流量工程问题可表述如下 1 如何将分组正确映射到转发等价类 FEC 上 2 如何将转发等价类 FEC 正确映射到流量中继上 3 如何通过标记交换路径 LSP 将流量中继正确映射到物理网络拓扑上 四 流量中继的相关描述1 流量中继及其属性流量中继指的是具有同一业务等级 由同一标记交换路径 LSP 传送的一组业务流 流量中继具有下列一些基本属性 1 流量中继是指一 组 具有相同业务级别的业务流的集合 在有些场合 必须放宽这种定义 可以是包含多种业务级别的业务流的集合 2 在单一业务模型中 流量中继可以将入口节点到出口节点间的部分或所有业务封装在一起进行传输 3 流量中继是可以进行路由的对象 类似于ATM的VC 4 流量中继与其所经过的LSP不同 从操作的角度来看 可以把一个流量中继从一条通路转移到另一条通路上 5 流量中继是单向的 实际应用中 一个流量中继可以通过它的入口和出口LSR来描述 将FEC映射到它上面 并且有一个属性集来决定它的行为特性 2 对流量中继的基本操作为了满足流量工程的要求 应该能够对流量中继执行以下基本操作 1 建立 创建一个流量中继 2 激活 使一个流量中继开始传送业务量 从逻辑上来说 流量中继的建立与激活是两个分离的事件 但它们可以在原始操作中被激活或实现 3 去激活 使一个流量中继停止传送业务量 4 更改属性 使一条流量中继的属性发生改变 5 重新选路 使一条流量中继的路径发生改变 这一过程可以通过网管实现 也可以通过下层协议自动实现 6 拆除 从网络中删除一条流量中继 并释放为其分配的所有网络资源 包括标记空间 可用的带宽等 7 记账和性能监测 该功能对于网络的计费与业务特征描述来说是非常重要的 通过记账和性能监测可以获取系统性能统计数据 这些数据可以为网络的流量性能描述 网络性能优化和容量规划提供参考 由于从流量中继上获得统计数据的能力的重要性 在MPLS的流量工程实现中 此功能应当是一项最基本的要求 3 流量中继的基本流量工程属性流量中继属性是与一条流量中继相关并且影响其行为特征的参数 1 业务量参数属性业务量参数可用于获取在流量中继中传输数据流的FEC特性 包括峰值速率 平均速率 允许突发率等 2 通用路径选择与管理属性通用路径选择与管理属性定义了流量中继的选路规则和对已经建立的路径进行管理维护的规则 为了完成路径选择与管理过程 需要有如下所述的一整套属性 通过网管指定的显式路由 多重路径优先级别 资源类别亲和属性 适应性属性 平行的流量中继之间的负载分配 3 优先权属性优先权属性定义了流量中继之间的相对重要性 4 抢占权属性抢占权属性决定一条流量中继能否抢占另一条流量中继的路径 或者是该流量中继的路径能否为其他流量中继所抢占的性质 抢占权属性有4种模式 允许抢占 不允许抢占 允许被抢占 不允许被抢占 5 恢复属性 6 策略属性策略属性是指某一流量中继在不再符合路径建立时约定的情况下 决定底层协议应采取的动作 五 资源属性资源属性是网络拓扑状态参数的一部分 它们的作用是对特定资源上的流量中继选路过程加以限制 资源属性通常由以下几部分组成 1 最大分配因子最大分配因子 MaximumAllocationMultiplier MAM 的概念类似于帧中继或ATM中的预订与注册因子 SubscriptionandBookingFaction 2 资源等级属性资源等级属性是由管理员配置的参数 它表明资源的 等级 资源等级的概念可以看作是一种 颜色 的概念 具有相同 颜色 的资源都属于相同等级 六 约束路由约束路由是一种命令驱动并具有资源预留能力的路由算法 它能够使按需驱动的路由规范与基于拓扑驱动的逐跳式路由规范在同一网络中共存 1 约束路由的基本特征约束路由技术应当能自动获得为流量中继路径建立的可行方案 2 对具体实现的考虑在FR和ATM交换机的很多商业应用中 已经实现了一定的约束路由功能 9 2 2MPLS流量工程组成部件流量工程是MPLS的一个重要应用 将MPLS应用于一对入口和出口LSR之间配置的多条路径 允许入口LSR将流量分配到不同的LSP上 1 分组转发部件MPLS流量工程结构中的分组转发部件就是多协议标记交换 2 信息分发部件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 3 路径选择部件MPLS提供流量工程的核心是为每条LSP决定物理路径 在网络链路属性和拓扑信息由IGP传播扩散并存储到流量工程数据库 TED 中去之后 每个入口LSR使用TED计算穿过IP路由域的LSP 每个LSP的通路能由严格或松散显式路由代表 4 信令部件因为驻存在入口LSR的TED中特定时间内网络状态信息是会过时的 所以CSPF计算得到的通路只是被认为是可以接受的 流量工程的本质是将业务流映射到实际的物理通路上去 对于MPLS来说 其中心思想也就成为每个LSP确定物理通路 9 2 3MPLS流量工程的实现1 MPLS的流量工程实施方法 l 整条LSP的通路经离线计算后 分别在每个LSR中进行设置 这种方法与传统的IPoverATM相似 2 离线计算静态配置在入口LSR中 然后 入口LSR利用RSVP协议动态建立LSP 3 在线动态计算约束路由 网络自动选取通路 4 部分静态离线计算 配置与动态建立相结合 5 完全按普通的路由方法建立 但无论哪种方法都应建立备份的LSP 2 成功解决流量工程的操作要求 1 完成大量的LSP建立操作规范 如建立LSP 激活LSP 静默LSP 校正LSP属性 重选路由LSP和拆卸LSP 2 严格和松散显式LSP的配置 3 支持物理通路的选择变化 有一个通路列表 4 允许或禁止LSP的重新优化 5 规定LSP能使用的资源类型 6 LSP应具备优先级差别 7 能通过一定操作获取LSP的布局问题 8 具有流量统计功能 9 3QoS概念及其实现方案 QoS技术的出发点在于充分发挥网络的目标性能 满足用户对服务的需求 并优化对网络资源的利用 9 3 1QoS概念及实现过程一 QoS的概念QoS就是通常所说的服务质量 QualityofService QoS 原CCITT对QoS下的定义是 QoS是一个综合指标 用于衡量使用一个服务的满意程度 QoS具有很高的精确性 它是对各种性能参数的具体描述 二 QoS的实现过程QoS的实现过程分为连接建立 数据传输和连接断开三个阶段 1 连接建立阶段图9 5所示为QoS连接建立阶段的示意图 在连接建立阶段 网络所要做的工作主要有以下几个方面 图9 5QoS连接建立阶段示意图 1 具有QoS数据发送要求的节点 首先向网络提出申请并对所需的QoS性能参数进行描述 2 进行QoS的翻译与映射 也即QoS要求在不同层及各节点间进行协商和映射 3 将翻译映射后的QoS参数传递给网络QoS资源管理实体 由该管理实体调用资源使用许可判决 以判定是否有足够的资源来满足QoS要求 4 资源管理实体进行资源分配 按要求建立一条数据传输通道 并监测通信过程 保证QoS要求的实现 2 数据传输过程连接建立过程结束后 若成功建立连接 则进入数据传输过程 3 连接断开阶段当数据传输结束后 信源发出连接断开消息 接收到该消息的节点将释放网络资源 完成一系列的资源回收 修改网络资源参数 断开网络连接 9 3 2MPLS的QoS实现方案流量工程是一种间接实现QoS的技术 它通过对资源的合理分配和对路由过程的有效控制 使得网络资源能够得到最好的利用 一 综合服务模型RFC1633对综合服务模型 Int serv 进行了定义 包括对服务质量要求 资源共享要求和业务模型 分组丢弃 dropping 用途反馈 预留模型及业务控制机制等进行了基本描述 按QoS要求的流量控制功能是通过接纳控制 分类控制器和分组调度器三个部件的配合来完成的 目前Int serv模型定义了三种业务类型 1 保证型业务 该类型业务将提供时延 带宽与丢包率等参数的保证 网络使用加权公平排队 WeightedFairQueuing WFQ 算法 2 控制负载型业务 该类型业务能够提供最小的传输时延 对排队算法没有特别的要求 没有固定的排队时延上限 3 尽力而为型业务 实际上就是传统的Internet所提供的业务 该业务不提供任何服务质量保证 与前两种业务类型相比 尽力而为型业务不遵从接纳控制 对服务模型的最终评价不是在于底层的分类 而是在于它是否有足够的能力满足各种应用的要求 二 差分服务模型为了解决Int serv模型所存在的问题 IETF又制定出了相对功能较强的差分服务 Diff serv 模型 Diff serv与Int serv的本质不同在于 它将不是针对每一个业务流进行网络资源的分配和QoS参数的配置 而是将具有相似要求的一组业务归为一类 然后 对这一类业务采取一致的处理方式 在每个支持Diff serv的网络节点中 分组DS字段的值将被映射到每跳转发行为 PerHopBehavior PHB 中去 PHB可以看成是一个合理的缓存和带宽资源分配粒度许可证 因而 可以根据PHB将分组在转发中区别对待 1 Diff serv模型的功能模型如图9 10所示为Diff serv模型的功能模型示意图 边缘路由器的作用有两个 一是对来自于用户或其他网络的非Diff serv业务流进行分类 为每一个IP分组填入新的差分服务代码 DifferentServiceCodePoint DSCP 字段 同时 在网络的边缘路由器中建立起与每一业务相对应的服务等级协定 SLA 以及PHB 并开始应用 二是对来自用户或其他网络的Diff serv业务流 依据分组中的DSCP字段 为相应的业务选择特定的PHB 1 业务量调整单元根据RFC2475文件 业务量调整单元的结构图如图9 11所示 主要包括分类 标记 测量及调整 丢弃等基本单元 2 分类排队单元在每一个路由器中 对应于每一个服务质量等级 都