在大型IP网络中采用MPLS实现流量工程

随着Internet持续高速的发展，人们开始对其服务质量、可靠性和效率进行重新思考，其中关键的解决方案之一就是采用多协议标记交换（MPLS）全面提高IP网络性能。这种趋势导致传统的路由协议和ATM的核心技术发生融合，而其中最重要的内容之一就是让MPLS借鉴ATM的流控机制实现MPLS的流量工程（Traffic Engineering）。
流量工程

什么是流量工程呢？流量工程实际上是一套工具和方法，无论是在网络设备和传输线路正常还是失效的情况下，它都能从给定的基础设施中提取最佳的服务。也就是说它要对已安装的资源进行优化。事实上，它是对网络工程或网络规划的一种补充和完善措施。流量工程试图让实际网络业务量以一种最优的方式存在于物理网络之中。 
目前Internet面临两个主要压力。第一，目前的路由协议从本质上讲是无连接的，因此导致了整个网络容量利用率的非最佳特征。现在的路由选择只是基于目的地IP地址和最短路径进行的，忽略了网路可用链路容量和分组流本身的要求。这种情况如图1所示，超级聚合将导致某些链路过载或拥塞，而其它一些链路则处于利用率不足的情况；第二，目前的IP服务从本质上讲是没有服务质量，或称之为Best Effort。但是目前IP技术希望支撑广泛的业务，其中包括话音和视频。这一点对目前的IP技术而言是无能为力的，或者是力不从心。
到目前为止，在骨干网上提供流量工程都是靠的ATM技术，当然ATM是一种面向连接的交换技术，它从其规划和设计的第一天开始就承诺要提供优化网络的流量工程机制，事实上该项技术也做到了这一点。但是由于目前高层应用大部分都是采用基于TCP/IP技术的，ATM技术的流量控制机制对IP业务是间接控制方式，所以IP技术才考虑在自己的功能中增加流量控制，或称之为流量工程，显然这是要提供一种直接方式的流量控制机制。MPLS正是在这种背景下才不得不采纳ATM的思想，发动一场“技术和平演变”。
MPLS的流量工程
在以前相关的MPLS介绍中，我们已经介绍了MPLS的概念，即一个MPLS节点实际上是一个采用标记对其处理业务量进行交换的设备。ATM和帧中继交换机都可以提供这里的交换功能，在采用ATM时，直接将标记映射为ATM信元的VPI/VCI。在IP网络中，流量工程讨论的问题是：解决拥塞，避免由于业务流和资源的无效映射所导致的有些网络资源过渡利用，而其它资源则利用不足的矛盾；根据网络拓扑，快速、准确、有效地动态重新分配业务流，尤其是在发生网络线路或设备故障时更应如此。
高级MPLS的流量工程提供动态、实时的自动资源优化，采用所谓的“智能连接”实现IP网络流量工程的目标，即解决上面提出的两项挑战。
流量工程要解决的问题
智能连接
为了实现对网络资源的优化，减少管理人员的负担，MPLS节点将采用信令协议建立端到端标记交换通道（LSR）。智能连接可以由用户决定（明确路由），也可由通路计算算法实现。目前采用的链路状态数据库可以是OSPF－TE（OSPF流量工程）或IS－IS－TE（IS－IS流量工程）库，但是计算算法是一样的。这里必须明确注意，没有附加限制的通路计算算法将无疑于最小费用路径。如果没有附加限制条件，路径算法只能明显地改善管理人员配置明确路由工作量，但是对改善网络业务量分布并没有实质贡献。 
带宽估计
为了改善路径计算算法分配业务量的有效性，还需要其它参数。估计带宽便是其中之一。事实上，每个LSP都需要一个估计带宽，而且每条链路还要有一个链路拥塞系数，而该系数又是根据该链路容量和已经占用LSP的容量和估值进行计算的结果。当增加新的路径时，每条相关路径都要重新计算其路径拥塞系数。新的连接将选择具有最低拥塞系数的链路构成。
带宽测量
虽然估计带宽对提高网络资源利用率有很大的改进，但是这毕竟还是一种估算。很显然，对实际业务量的估算越准确，路径选择的有效性也就越高。由于前述的路径计算算法采用的是一种静态方式，没有考虑实际的时变链路利用率，所以其结果可能是对一条链路的业务量估计过高或过低。过低的流量估计可能导致实际链路的业务量过载，造成我们希望避免的拥塞和分组丢失；而过高的流量估计则可导致实际链路利用不足，造成网络其它部分不必要的潜在拥塞。 
因此，让估计带宽算法更好地发挥作用的办法将是采用测量带宽。定期测量链路的使用率，使用率波动，缓冲器占用和缓冲器占用率波动将至关重要。这些新的参数可以通过路由协议定期发布或是在超过某一门限时触发发布。籍此，可以动态计算聚合业务量的有效带宽。这种方法比普通的带宽估计更精确，因此进一步提高了网络资源的利用率。 

网络弹性
目前Internet服务对企业的成功至关重要，因此用户需要不同的服务可用性。MPLS的控制机制应能提供线路或设备的失效恢复功能。传统的方法是采用超时检测，即一种被动方式，新方法应采用主动方式，对故障进行早期检测和预测。底层的失效信息与路由和信令层应有直接的联系，以便更早地触发恢复对策。
连接优先级 
让某些连接比其它连接拥有更高的优先级显然是一种普遍性的需求，因此在MPLS中的LSR必须具有这种能力，其中包括建立连接的优先级和释放连接的优先级。值得注意的是在故障条件下的优先级处理对缩短高优先级连接的恢复时间十分重要。在有迂回路由的地方，由于网络故障的动态性，最佳迂回路由往往只能在最后一刻才能确定，因此连接的优先级必须动态配置。 
网络重组规则
在现代通信网中，网络线路或设备造成的失效将影响数以百计，甚至是数以千计的LSP。无序的释放，重组路由和二次信令将导致交换机控制系统的过载，造成网络重组时间过长。因此，在MPLS中必须有一种文雅的重组机制，这时必须指定不同优先级LSP组的重组策略。这样做的好处还在于能够更快地将重组后的网络资源占用信息传播至MPLS的相关节点，确保重组过程仍然具有优化网络资源的考虑。
标记堆栈 
MPLS的标记堆栈能力可以明显地改善网络核心的恢复时间。譬如当业务量在核心网络聚合时，通过增加另一层标记可以降低核心网络中LSP的数量。一旦网络核心发生故障，只需对数量较少的LSP进行路由重组，简化了重组任务。
复原恢复/路径优化 
当MPLS网络中的故障设备恢复之后，网络仍应该恢复到原来的最佳资源配置状态。在无连接的网络中，业务量将自动恢复到最短路径面，而在面向连接的网络中则必须采用一种类似机制，复原恢复/路径优化便是在面向连接网络中经常采用的方法。MPLS网络中的LSR可以定期检测是否存在比现有LSP更好的路径，如果存在，则老的LSP应该切换至新的LSP。典型的例子就是在网络故障恢复之后，临时的LSP又恢复至原来的LSP，另一种情况为恢复至用户指定的路径。
信令性能
虽然MPLS是一种拓扑驱动的网络，大部分LSP存在的时间都比较长,对信令性能的要求相对较低。但是由于MPLS的目的是作为一种骨干网技术，必须迅速有效地对故障进行恢复，所以，实际上信令性能的好坏对MPLS的流量工程的自动化水平有至关重要的影响。 
网络服务质量
MPLS的流量工程需要提供服务质量，具体而言是针对不同的服务，尤其是未来的多媒体服务提供可选/可控的网络服务质量。这就要求MPLS的每个LSR都能针对所选的LSP分配特定的缓冲区和调度优先级，并且预留相关的网络资源。显然，一个动态多服务网络的服务质量优化系统对MPLS的最终成功十分重要。
结论
MPLS是在IP网络中提供流量工程的重要工具。虽然在MPLS之前的综合服务（Integrated Services）和差异性服务（Differentiated Services）能够解决一部分服务质量的问题，但只有MPLS才是一种最全面的服务质量保证体系。通过MPLS的流量工程技术，传统的Best Effort IP网络可以平滑地演进为受控的多业务网络。另外，我们必须清醒地认识到MPLS技术实际上是ATM技术的一种化身，而ATM技术的先锋Marconi通信公司在流量工程方面已经积累了大量的经验，而这些经验都可以在MPLS交换机上得到良好的体现。