(毕业论文文献翻译)Daniel Awduche, UUNET MPLS和IP网.doc

MPLS和IP网络流量工程Daniel O. Awduche, UUNET (MCI Worldcom)摘要：人们对于服务质量、可靠性以及高效性越来越高的要求使得流量工程成为了互联网骨干网络设计和运作中必需考虑的一个要素。互联网流量工程解决了网络运作中的性能优化问题，它很重要的一个目的就是使IP流量能够在一个特定的网络中以最高效、稳定、快速的状态进行传输。但是，从历史观点上看，互联网流量工程技术受到了传统IP技术有限的业务承载能力的牵制。近来，MPLS（多协议标记层交换）和业务区分技术的发展已经使突破传统技术的某些限制成为可能。本文讨论了MPLS在IP网络流量工程中的应用。互联网近阶段的增长让人印象深刻。美国商务部的一份报告显示其增长率自该技术被采用之日起已经超越了其他任何一种技术，包括广播、电视和个人电脑。如今，互联网已经成为了辅助、教育、电子商务和娱乐等领域中非常便利和高性价比的一种媒介。人们一致认为互联网将演变成为一种整合语音、视频和数据通信的媒体。虽然从互联网长期以来的市场表现很难预见到这一点，但是互联网工程很明显的正以一种等比级数的速度在成长。据报道，通信流量每年以2至10倍速度递增。大的ISP（互联网服务提供商）已经通过三个层面的补充技术手段来应对互联网发展所带来到的挑战：l 网络体系结构；l 容量扩展；l 流量工程；网络体系结构涉及网络的抽象结构、网络的组成和级别以及它们的功能和之间的关联性。一个好的、稳定的网络体系结构预示着好的结构原理，对于快速进化的互联网环境是非常有必要的。ISP们应对流量增长所采取的第二种手段就是对容量和下层网络结构进行大幅度的扩展。在1996年，美国大多数的ISP通过DS3 (44.736Mb/s)链路来运作骨干网，在97年和98年，则普遍采用了OC-2c (622Mb/s)链路，而在1999年主要的ISP则升级为OC-48c (2.488Mb/s)。截至2000年，一些ISP期望通过OC-192c(9.953Gb/s)链路来部署IP骨干网，直接为DWDM（高密度波分复用）设备做好准备。第三种手段就是流量工程，该学科在近段时间已经引起了人们足够的重视。它的初衷是让人们意识到结构范例和简单的扩容对于要在任何环境下提供高质量的互联网业务都是必需的，互联网流量工程学解决了可操作性网络的性能优化问题。它围绕技术应用和科学原理进行度量、建模、描述，然后控制因特网流量。它也包含通过知识和技术的应用达成特定的性能表现,包括通过网络的稳定且高速的流量，有效的网络资源利用率和网络容量的规划。总之，好的流量工程学实现了服务提供商和用户团体的网络价值。从历史角度看，由于传统IP技术的业务承载能力有限，因此很难在公共IP网络中实现高效的流量工程，一个明显的不足就是传统IP系统的度量功能不完善。例如，很难从IP路由器上的端口状态来获得一个最基本的数据组流量矩阵.内部解析路由控制功能的局限性也是传统IP系统存在的另外一个问题，像IS-IS和OSPF这样的内部网关协议（IGPs）一般被应用于自治网络系统中的流量路由，它们通过拓扑驱动并使用单数据包动态连接控制。每个路由器通过使用一个本地的同步路由区域链路状态数据库实例进行独立路由决策，路由选择以通过附加连接法则进行最短路经估算为基础。这种算法虽然高度分布，具有很高的可升级性，但是存在缺陷，当进行路由决策的时候，这些协议没有考虑到所提供的流量本身固有的特点以及网络容量的局限性。这就导致了网络资源的子集变得拥塞不堪，而其他沿着原有路经的资源却仍没有得到有效的利用。这种类型的拥塞问题是差劲的资源配置方式的表现，而这正是流量工程很明确想要纠正的一个问题。近来MPLS方面的发展，展现出新的解决IP系统流量工程方面的局限性的可能性。MPLS框架在A framework for Multi Protocol Label Switching一书中被呈现出来，并在Multi Protocol Label Switching Architecture作了相应的描述。尽管MPLS是一项具有相关性的简单技术（以经典层交换模式为基础）， 但是它使得进入IP网络中的提升流量工程的复杂控制能力成为了可能。MPLS一个典型的特征就是它能有效的支持通过明了标记交换路经进行发源连接控制。当MPLS整合了差异化服务和强制基础路由，它们成为了IP网络 中QoS提供中的非常强大的补充要素。本文讨论了MPLS在IP网络尤其是服务提供商网络通信中的相关应用。首先介绍的是基本概念和互联网流量工程所面临的挑战，这些概念和挑战根据它们使MPLS在网络中的可应用能力进行排列，同时还包括了一种应用于传统互联网流量工程中的老方法（出现于MPLS之前）。本文涵盖了内部解析流量工程，即互联网中单一自治系统的流量工程。本文接下来的章节将对互联网流量工程进行介绍，到时我们会对使MPLS具备可应用性的功能进行阐述，最后一个章节包括了总结性评论。IP网络流量工程的概念和所面对的挑战本小节介绍了IP网络网络中流量工程的概念和实际作用。其在网络自治系统中所面临的挑战引起了高度重视，如今一个经典的基于ATM的IP网络覆盖模型的轮廓已经出现。网络流量工程的概念一般认为，网络工作包括一个需求系统（流量），一个强制系统（互连网元），和一个应答系统（网络协议和进程）。流量工程给存在可操作网络中的这三个方面确立了指定的参数和操作点。因此，从根本上讲，网络流量工程是一个控制的问题。流量工程处理模型网络流量处理的模型可以分为许多阶段。第一个阶段是简化的控制策略。他决定于网络拓扑、成本架构、收入或实用新型，限制管理以及卓有成效的标准。第二个阶段是通过一系列的监控功能所进行的网络状态监测。这是流量工程处理模型的反馈成分，它可能包括类似于数据缩减和数据转换的预处理行为。第三个阶段是对流量的描述和对网络状况的分析，不同（性质和数量）的技术都能被应用于这个阶段，阻碍网络性能发挥的（潜在）的瓶颈和故障也在此阶段得到确认。此结果被用于网络优化、网络控制管理、网络设计和容量规划等工作中。第四个阶段是网络优化工作。可以通过控制手段来完成，并根据需要，把网络驱动到一个我们想要得状态。控制手段可以包括修改或释放网络资源限制（例如：增大容量）和利用流量管理参数，或者是通过修改和配置管理系统相关的路由参数。流量工程是一个适应调整的过程。该模型的四个阶段在上文已作阐述说明。在整个的管理流程中，最好的办法是在任何困难的时候通过自动化分配任务的方式将流量工程中的人为干涉最小化。流量处理模型见图一。图1 流量工程处理流程模型流量工程的目标IP流量工程的最实际功能就是将流量映射到网络基础结构上，从而达到特定的性能表现目标。高服务质量、高功效、强大的存活力、和经济对当今充满商业性、竞争和严峻的互联网来说都是至关重要的。流量工程需要通过基于路由功能的精确控制来达到以上目标，确实，从一个节点到另一个节点的正向路径的计算和建立对与IP网络中的流量工程也是必需的。这个路径必需符合某些需求，并且同时满足网络容量和策略限制，总的来说，性能目标是可以是流量导向和（或）资源导向。流量导向的性能目标与网络通信所提供QoS的提高存在相关性。流量导向的性能评估因素包括学丢包，延迟，延迟变化和良好的吞吐量。这个流量导向策略的效力也能够根据所达到的流量要求的比例进行衡量。当引入服务等级协议时，保护通信流量，使那些不遵守的人的流量达到与服务等级所对应的流量相对应，成为了达到流量导向性能目标的一个很重要的因素。资源导向的性能表现目标和利用网络资源进行的优化有关，充足的资源配置是保证资源导向性能目标的基本方法。如果一个流量工程系统可以在有效使用网络资源的同时解决流量导向性能问题，就可以说它是“合理的”。最小化拥塞是流量工程的一个中心目标。拥塞出现在以下几种典型的情况下：l 当网络资源不足以或是不恰当地处理提供的负载量时l 当流量无效率地映射资源，使得子资源被过度利用而其它资源却仍未充分使用。由不足或是不恰当的资源引起的拥塞问题可以通过以下办法解决：增大网络容量, 或调制, 调节, 或压制需求以使得流量符合有效容量(即使用管制, 流程控制, 比率调整, 链接预定, 队列管理, 价格管理等办法) 。由流量无效映射资源而引起的拥塞问题可以通过提高资源配置效率来解决。一个提高资源分配效率的例子是将一些流量从被充塞的资源中发送到相对未被充分利用的资源中。可靠的网络运作是互联网流量工程的另一个重要目标。必须设计多重故障修复方案以确保网络损伤跟随服务的连续性。必须提供充分容量进行服务恢复, 而且，当发生故障时，必须有运算能力能够透过多余容量迅速地改变流量线路。恢复后可能需要进行重新优化以便更有效利用剩余的故障后容量。当网络没有故障时，利用所有的剩余容量来改善网络性能和效率可能是有利的。流量工程在一个多元的服务环境中显得更为重要，比如新兴的差异化服务互联网络，这类网络中带着不同服务需求的通信流量在争夺网络资源。在这些环境中,流量工程建立起资源共享的参数, 使得网络按照一个实用模型对一些服务组提供优惠待遇。 网络流量工程所面临的挑战常规IP网络流量工程是一个具有挑战性的问题。互联网增长具有奇异性和不连续性的特点，非常迅速的增长都发生在相对较短的时间间隔中，在这种迅速增长过后较长的一段时间间隔内将温和增长。因此要准确预测增长是相当困难的。而且，互联网流量呈现非常动态的行为，其特征尚未被很好地了解。流量也倾向于高度不对称。新资源不断增长，操作环境也在不断变化。资源也定期地被舍弃。在全球具有重大影响力的新的有带宽要求的互联网应用软件不断地被引入。设置地点也是一个问题，有时候由于设置限制网络资源被放在不够理想的位置。还有跨域流量穿越自治系统界限时会带来另外的影响因素。这些环境因素导致网络拓扑与流量矩阵通常不相关。要解决这些问题要求对公共IP网络进行持续的监控和性能优化。经典叠加模型和流量工程叠加模型是先于MPLS被采用的一门技术，用于绕过一些与流量工程有关的IP系统的局限。其基础是将一门具有虚拟电路和流量管理功能的次级技术引入一个叠加配置的IP基础结构。这一次级技术的虚拟电路在IP路由之间实现点到点的连接。图2所示的叠加模型在核心部分带有ATM转换器，表层被由ATM 固定虚拟连接(PVCs) 逻辑上互联的IP路由围拢。图2 经典叠加模型叠加模型快速地扩充了设计并允许任意的虚拟拓扑被定义并叠加到物理网络拓扑中。叠加模型还允许根据连接路由的PVCs上的统计数据对未发生流量矩阵进行估计。流量工程也可以通过改变PVCs一个分支上的指定传输列表将流量从过载的链接移动到相对未被充分利用的链接上。IP与ATM叠加模型有一些基本的弊端。可能其中最主要的问题是需要使用不同的技术建立和管理两个网络。叠加模型也增加了网络结构和网络设计的复杂性。可靠性仍需要关注，因为现在路径上存在更多的一连串的网络元素。可测量性是另一个问题，由于叠加模型上的连接点数量呈路由数量的二次方增长，因而CPU和网络资源消耗的增加与路由选择紧密相关。其它问题包括量子化和与ATM相关的高层封装，以及微电子学发展中的固有技术难点，即以非常高的速度（0c-48c 及以上）分割和重组，还有，由ATM核内单一互交换连接故障后产生的多重PVCs故障引起的IP域内路由选择不稳定的可能性。因此，发展的趋势是使核心IP网络演化脱离叠加模型成为更为完善的解决方案。如今，由于MPLS的发展和近来的高性能吉比特/兆位路由器和光学互联网工作系统的发展，这种演化成为可能。图3所示的是预期的核心IP网络的技术层演进，从基于同步光纤网络的异步传输IP网络到基于高密度波分多工的同步光纤网络之上的多协议标记层交换IP网; 最后，再到基于一个与通用光学传输网络(OTN)连接的适应层的多协议标记交换IP网络。图3 技术层演化MPLS和IP网络流量工程这部分介绍了使得MPLS对IP网络流量工程具有吸引力的可操作功能。MPLS技术本身的概论在IETF NPLS工作组的文档中有很详尽的介绍2, 5, 8。MPLS使先进的路由控制功能能够被引入到IP网络中。这些功能是由MPLS通过明确的标记转换路径(LSPs)有效地支持源链接控制而得到支持的。明确的标记转换路径指的是该标记转换路径的路由是在源节点中确定的。源链接控制允许独立于基于目的地的IP最短路径路由选择模型来创建明确路径。一旦一个明确路径确定下来，signaling protocol就被用来安装I.S。通过明确的标记转换路径，一个准线路转接功能就被添加到IP路由模型中2。该功能在基于高密度波分多工的同步光纤网络之上的多协议标记层交换IP网的配置中使用时，传统的L3和L2功能就在一个称为标记转换路由（LSR）的网络元素中被实现。比起使用叠加方法，该方法需要的网络元素更少，可靠性更高，运行费用更低，队列延迟也减短了。而且MPLS简化了与叠加模型有关的网络结构和网络设计。带有区分服务和基于约束的路由选择的MPLS根本上改变了核心IP网络的设计和对流量的处理。图4描绘了带有SONET信息包的LSRs 界面取代前面图2中所示的叠加网络时的简化拓扑。图4 简化的MPLS IP网络拓扑图IP网络流量工程的一个特征是通信干线的概念。一条通信干线是同一级通信线路的集合。这实际上是对允许参数化流量的某些属性的通信线路的一种抽象描述。它与底层的技术无关。将通信干线映射到一个给定的网络拓扑中是流量工程的一个核心问题。在MPLS网络中，通信干线通过明确标记转换路径的路由选择映射到网络拓扑中。LSP通道和流量工程通道两个词通常被用来指代通信干线和MPLS中的明确标记转换路径这两个概念的合成。LSP通道使得一个运转中的网络可以以多种方式进行性能优化。例如，假设检测到由于路由选择不够理想而引起的拥塞问题，LSP通道可以重新选择路由来缓解这个问题。LSP通道可以被参数化，而且可以根据这些参数将给它们配置网络资源。两个节点之间可以建立多重LSP通道，两节点之间的流量根据某些当地政策被分配到各通道。LSP通道使得灵活和高性价比的存活能力选择成为可能。来自LSP通道的数据可以用来创建一个未发生的流量矩阵。图5说明了如何利用LSP通道来重新分配流量以解决由最短路径内部网关协议（IGPs）所引起的拥塞问题。图5 LSP隧道路径寻址问题 a）ISP引起的寻址 b）通过LSP隧道重分布流量MPLS网络流量工程原型的组成部分一个MPLS网络流量工程模型由以下几个基本的功能组件组成：l 路径管理l 流量分配l 网络状态信息转发l 网络管理这些是MPLS控制平面的组成元素，这和转发平面是截然不同的。路径管理路径管理设计到外部路由选择的各个方面，以及LSP隧道的实际应用和维护。一个路径管理策略定义了路径选择标准和用于支撑已经建立好的LSP隧道的章程。路径管理包括三个首要功能：路径选择、路径定位、路径维护。路径选择功能在LSP隧道的源节点为其指定好外部路由，我们可以把外部路由描述为一个多点跳跃序列或者是多抽象节点队列，包含严格和宽松两个方面。抽象节点是一组内部结构相对源节点不透明的节点的集合。外部路由可以通过管理手段进行定义，或者通过强制路由设备进行计算。强制路由是一般化的QoS路由，它被用来计算能够满足一系列需求的路由，使其符合网络和管理策略的约束。强制路由降低了流量工程中的人为干涉等级。路径管理的第二个组成部分是路径定位功能，这个被当作具体例子说明LSP隧道使用信号协议，并且担当标签发行协议。两个MPLS信号协议当前这样定义：资源保留协议(RSVP)引伸3,4并且基于限制的路线LDP(CR-LDP)6。通道管理第三个组分是通道维护作用,承受和终止已经建立的LSP 隧道。 一套属性可能同LSP隧道和网络资源联系在一起引导道路管理作用和提供对基于限制的发送的控制。一个重要操作的能力要求是能操作活跃LSP 隧道属性发生某些转折(即明确路线变动)没有产生有害冲击的网络操作。 LSP 隧道属性包括交通参量、适应属性、优先权属性、先买属性、韧性属性、资源组亲合力属性,和其它政策选择譬如维持属性。交通参量指定LSP隧道的带宽特征,包括高峰率、平均率和爆炸大小或参量可能简单地指定有效带宽。适应属性表明LSP隧道对网络状态动力的敏感。当更好的路线变得可利用时，能适应的LSP隧道可能自动地被改线。除非在错误的情况下，非适应的LSP隧道被别住对它们建立的路线。优先权属性强加部份命令给多个LSP 隧道,路径选择和道路安置程序化。当前, 八个被设定的优先级别被指定。优先属性确定是否一个新LSP 隧道可能获取资源调拨到一个现有的隧道。优先权被实施使用设定和保留优先权的组合。各种各样的给予优先的恢复计划可能被实施在多类环境里使用优先 。韧性属性指定LSP 隧道的反应对冲击它的路线的损伤。一个基本的韧性属性指定是否LSP 隧道将自动地是韧性属性指定是否沿它的建立的道路。延长的韧性属性合并更加老练的补救政策,包括政策例示倍数平行LSP 隧道与规则一起确定他们的相对特选在错误情况下。资源组亲合力属性强加另外的政策制约给套的资格资源为LSP 隧道路径选择亲合力关系在LSP 隧道并且资源组之间表明是否资源组将从LSP 隧道的道路包括或被排除。将网络资源另外的物产进一步压抑LSP 隧道发送通过他们定义为资源属性。资源属性包括最大分派乘算器(MAM), 缺省交通工程学度规,和资源组属性。MAM 概念是类似于在桢中继和ATM 网络中捐款和出售过多定位的因素。缺省交通工程学度规可能使用建立路线优化标准为LSP 隧道独立IGP 度规。资源组属性使用分类资源, 主要链接, 分成不同的类。一致的政策, 譬如包括和排除, 可能然后是适用于各资源组谈到LSP 隧道路径选择 。链接可能属于超过一个资源组。资源组属性是属性可能使用包含交通在网络之内的具体拓扑学地区链接状态参量资源组的一部分。流量分配流量必须被分配到LSP隧道，一旦隧道建立。流量任务包含所有对建立的LSP 隧道的流量分派。它包括分成的作用和分配作用。分成的作用是根据分成进入某一流量分派的原则。分配的作用根据定量被分成的流量对建立的LSP 隧道某一分派的原则。在流量任务的潜在灵活性是MPLS和ATM根本的区别。一种单程自动化交通分配问题的方法是将LSP 隧道作为捷径通过IGP 领域9。另外的属性也许被介绍控制任务作用当有多个道路对一个指定的方式。滤清规则可能被运用制约交通种类被映射一个指定的LSP隧道。滤清规则也许, 例如, 使用定义方式被区分的服务行为聚集体被映射LSP 隧道。装载发行横跨多个LSP 隧道在二个结之间是一个重