MPLS技术提升带宽价值Word格式.docx

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　　随着Internet的快速发展，人们对网络服务质量的要求越来越高，如何高效利用网络资源，人们提出利用流量工程来解决这些问题。

实施流量工程的重要目标之一是建立一个快速的故障恢复机制，以提高网络系统的可生存性，而多协议标记交换技术MPLS是公认的实施流量工程的核心技术，它具有比IP协议更快的故障恢复能力。

　　本文设计了一种支持多种故障恢复方案的多级别MPLS故障恢复机制，该机制可以将故障恢复级别携带在MPLS消息中进行通告，在故障发生时按需进行故障恢复，在满足故障恢复能力的前提下有效提高系统的资源利用率。

　　本文提出基于MPLS的多级别故障恢复机制，给出了多级别故障恢复系统的体系结构、框架和实施方法。

引入RD-QoS（RestorationDifferentiated-QualityofService）模型[1][2]，对不同业务流的恢复需求进行分类，形成不同的恢复级别，然后利用MPLS信令协议将恢复级别需求在MPLS网络内通告，根据业务流的恢复级别需求实施相应的恢复机制。

　　一、多级别故障恢复机制的引入

　　基于对现有各种恢复机制的性能分析可知，各种单一恢复机制在性能上有各自的优缺点，没有一种机制能够在故障通告时间、恢复操作时间、网络资源消耗等恢复系统的主要性能度量值上同时优于其它的恢复机制。

而Internet骨干网络所承载的业务具有不同的服务质量需求（如带宽、延迟等），同时也具有不同的恢复需求（如故障恢复时间等）。

有的业务流，如VoIP和视频流，需要快速恢复机制来保证业务不中断，而FTP和EMAIL等业务对恢复时间要求不严格，因此不需要使用高可靠的快速恢复机制。

高可靠的快速恢复机制会因资源预留或信令传播等带来网络资源的耗费，而慢速恢复机制又不能满足延迟敏感性业务的快速恢复需求。

因此，如果能够根据业务流的恢复需求实施不同级别的恢复机制，则可以节省因实施故障恢复而带来的网络资源耗费，在有效使用网络资源的同时保证网络具有一定的存活性，提高网络的整体性能，从而更有效地实施MPLS流量工程。

　　本文提出的多级别故障恢复机制可以按照恢复级别对不同的业务流实施不同的恢复机制：

对高恢复级别业务流的备份路径进行资源预留以便实施快速恢复，对低恢复级别的业务流不进行备份路径资源预留，并且在发生冲突时，其上的资源还可以被高恢复级别的业务流抢占，因此这种恢复机制可以在保证业务恢复需求得到满足的条件下，降低网络的整体资源耗费。

　　要实现多级别故障恢复，首先要解决恢复级别的识别问题。

Autenrieth等人在RD-QoS（RestorationDifferentiated-QualityofService）模型中提出了将IP网络的恢复需求合并在其QoS需求中，并由QoS信号在网络内发布的简单构想，但RD-QoS未给出恢复需求划分及通告的实施方法，并且该模型是基于IP网络的[1][2]。

本文利用RD-QoS模型实施MPLS多级别恢复机制中的恢复级别分类和通告：

将业务流的恢复级别按照恢复时间要求的高低分为4类，然后利用RSVP或CR-LDP信令在LSP建立时对流的相应恢复级别进行通告。

由于恢复级别通告包含在现有信令协议（RSVP-TE或CR-LDP）的标记请求过程中，不会增加额外的网络流量。

在集成服务模型中，使用RSVP-TE扩展协议进行每流端对端的恢复需求通告；

在区分服务模型中，则可以使用每包逐跳（PerPacketandhop-by-hopSignaling）恢复需求标识和服务级别协定SLA（ServiceLevelAgreements）来识别不同的恢复级别，例如可以采用显式MPLS标识位，或IP协议的ToS（TypeofService）字段来说明和区分不同的恢复级别。

　　除了引入恢复级别通告机制外，一个实际的恢复系统还需要指定恢复级别和具体的MPLS恢复方法或恢复机制之间的映射关系，称为恢复级别映射规则。

并且每个LSR上需要保存这种映射规则，当LSR从信令协议中接收到特定流的恢复级别时，它将按照映射规则给该流配置相应的恢复方法。

例如一个MPLS域的边缘节点（如PSL）收到一条高恢复级别的恢复需求信息后，可以直接为该流配置备份路径（全局模型），或将该恢复级别需求信息传递到其它中间节点，由本地节点为其配置相应的恢复路径（本地模型）。

　　此外，恢复级别通告信息还可以用来配置本地资源管理，以实施高恢复级别的资源抢占，这些都是本文需要解决的问题。

　　二、多级别故障恢复系统的框架

　　如图1所示，多级别故障恢复系统由多级别恢复配置和故障恢复实施两部分构成。

其中，恢复配置部分是整个系统的核心，它根据业务流的恢复需求、恢复级别映射规则等信息，利用MPLS信令协议完成业务流的恢复机制配置，恢复配置包括恢复策略、恢复级别通告、保护域和恢复机制配置和资源管理等模块；

故障实施部分由故障检测、故障通告和故障切换构成，负责检测、通告故障并根据恢复配置实施故障恢复操作。

此外，多级别故障恢复系统还需要和路由协议交互，调用其备份路径计算模块，以获取恢复路径。

　　恢复策略包括恢复级别分类和恢复级别映射等信息，恢复策略模块为多级别恢复系统提供恢复策略的配置和管理。

为了支持多级别故障恢复机制，首先需要根据恢复策略为业务流选择不同的恢复级别，然后再将特定的恢复级别通过CR-LDP（或RSVP-TE）协议在标记请求和映射时通告给每个LSR。

恢复策略还决定恢复级别和具体的MPLS恢复机制之间的映射关系，这就是恢复级别映射规则。

恢复级别映射规则作为恢复策略的一部分保存在每个LSR上，LSR按照业务流的恢复级别和相应的恢复级别映射规则，给该流配置指定的恢复机制，在故障发生时采取相应的恢复操作。

　　资源管理根据标记请求消息中的业务流说明字段所指定的QoS需求（系统中转化为带宽需求），以及恢复需求指定的恢复级别，对链路带宽和节点资源进行管理和控制，以保证在故障发生时，高恢复级别的流得到足够的资源进行快速恢复，保证网络提供给它的服务质量不下降。

　　恢复配置部分的合作图如图2所示。

当一个LSP请求达到边缘路由器LER后，LER首先查询恢复策略以确定网络指定的恢复级别种类，然后根据当前LSP请求的业务类型确定其合适的恢复级别，最后将恢复级别RL（RestorationLevel）置于标记请求消息中的TRAFFICParametersTVL（TypeValueLength）中，进行标记请求。

标记请求消息发布的同时，业务流的恢复级别也随即通告给了沿途的LSR，LSR从信令协议得到当前LSP请求的恢复级别RL后，它查询恢复策略中的恢复级别映射规则，获得当前LSP请求需要配置的具体恢复机制，根据恢复机制的需要进行链路资源管理和备份路径配置等工作，多级别故障系统的恢复配置结束。

当故障发生时，恢复实施部分将按照恢复配置实施相应的恢复操作。

　　三、恢复级别分类和通告

　　3.1恢复级别分类

　　如表1所示，按照RD-QoS的建议，将恢复级别划分为4类：

　　恢复级别1（RC1）：

最高级别的恢复需求，恢复时间要求在100ms以内。

在故障发生前后，要求网络提供的QoS不下降。

　　恢复级别2（RC2）：

中级恢复需求，要求恢复时间在1s以下。

由于有一定的恢复延迟，其故障期间的QoS可能会临时下降。

　　5.2故障检测

　　多种机制可用来实施基于MPLS的故障检测，多级别故障恢复框架不限制使用某种特定的故障检测机制。

故障检测可使用LSP错误信号和通告机制，也可使用RSVP和LDP信令协议的Hello或KeepAlive消息。

MPLS-OAM使用一种新的连接验证CV（ConnectivityVerification）消息来监测链路和节点的完整性，CV消息被从LSP的源端向目的端定期发送以检测故障[13]。

在故障发生时，CV机制还负责触发相应的恢复机制。

　　故障检测模块配置在所有LSR上，系统实现时，我们采用CR-LDP协议实施：

使用CR-LDP的KeepAlive消息，周期性发布保活信息，检测邻居节点的存在。

当LSR检测到故障发生时候时，它产生故障指示信号FIS，沿反向通告树RNT进行故障通告。

　　5.3故障通告和故障切换

（1）反向通告树RNT

　　故障通告模块负责传递FIS信号，为提高故障通告效率，本文利用反向通告树RNT（ReverseNotificationTree）传播FIS信号。

　　MPLS保护域中的LSP可能会发生聚合，多条LSP可以汇聚在以同一个PML为汇点的流量干线（traffictrunk）中。

定义以PML为根的这样多条LSP为一个多点RNT，RNT中的任何一个节点发生故障后，故障信息沿反向通告树传播到各PSL和多个LSP，从而避免为每个LSP建立一个通告消息，因此可以节省网络资源，降低恢复通告时间，提高恢复效率。

　　如图7所示，LSR8和LSR6分别是该保护域的PSL和PML。

以PML为根的工作路径共两条：

8-7-4-5-6和2-4-5-6，因此设计的RNT是以LSR6为根，包括上述两条路上节点和链路的树。

当链路（4，5）发生故障时，LSR4产生的故障指示信号FIS分别沿4-7-8和4-2传播到2个PSL，PSL收到FIS信息后实施保护切换。

　　RNT可以通过扩展LSP的标记转发表LIB来实现，在LSP的建立过程中，我们建立如图8所示的数据结构，在逻辑上形成RNT[14]。

　　在标记转发表中增添两个域：

EL_pointer和EI_pointer，构成反向索引表。

其中EL_pointer指向进标记（IngressLabel）相同的条目，同时进标记通过EL_table建立索引；

EI_pointer指向出接口（EgressInterface）相同的条目，由EI_table构成索引表。

这样，根据出标记/出接口可以方便地查到对应的进标记及接口。

当RNT中的LSR收到FIS消息后，使用其携带的标记信息作为索引，查反向索引表，决定下一跳，即LSR的上游节点，这样即可实现FIS信息沿RNT进行通告。

（2）Crankback机制

　　Crankback机制可以在FIS消息中指示故障的具体位置。

当发生故障时，与故障相邻的LSR产生一个携带ReroutingTLV（TypeandLengthValue）的通告消息，在该TLV中指明了故障的具体信息。

上游节点收到该通告消息后，结合故障前的网络拓扑和通告消息中的故障信息，形成新的网络拓扑。

ReroutingTLV还可以携带再路由计算出来的新路径ERTLV，建立一条优化的LSP。

Crankback中的信息还可用来更新内部网关协议的链路状态数据库。

　　ReroutingTLV的消息格式如图9所示。

　　（3）故障切换

　　在收到故障通告信息的触发信号后，故障切换模块根据相应的机制进行再路由或保护切换，实施相应的恢复机制，并且负责将业务流从工作路径切换到恢复路径上。

在保护切换模式下，PSL按照事先配置好的备份路径，实施资源管理，为高恢复优先级的流分配足够的资源，然后实施流切换。

在再路由模式下，需要触发备份路径计算模块，按需进行约束路由计算，根据资源管理状况以及恢复优先级，建立恢复LSP，最后实施流切换。

　　故障通告模块需配置在所有LSR上，在检测到故障发生后，故障通告模块检查保护域配置中关于PSL、PML、RNT以及恢复级别和恢复机制的配置情况。

如果本节点为某类流配置了本地恢复或者本节点是其PSL，则触发故障切换；

否则将故障信息向其上游节点传递，直到入口LSR（PSL）。

　　对于故障切换模块，在全局恢复模型中，它只需配置在入口节点上，在本地恢复模型中，则需配置在每个本地节点上。

　　5.4恢复流程

　　在配置了多级别故障恢复后，对于和故障点直接相邻的LSR，故障发生时按图10所示流程进行故障恢复，即执行保护切换。

对于与故障点相邻的上游LSR，当它检测到故障后，首先判断该LSR是否为该流的本地恢复点PLR（PointofLocalRepair），如果是则说明该LSR配置了本地恢复模型，就直接进行保护切换，在短时间内恢复正常数据传输；

否则根据具体情况，执行下列三种动作：

（1）如果该LSR为当前流配置了路径保护且该节点是PSL，则直接进行保护切换。

（2）如果配置了路径保护且该节点不是PSL，则利用Crankback机制构造故障通告信息，并通过RNT把故障通告信息向其上游节点传递。

（3）如果没有配置路径保护，则实施再路由恢复机制，根据新的网络拓扑计算一条备份路径。

再路由又分为两种情况：

如果该LSR是恢复LSP的起点，则发起标记请求消息，在建立新的恢复LSP后进行保护切换；

否则向上游传递携带ER－LSPTLV的故障通告信息。

　　对于和故障点不相邻的上游LSR，当它收到故障信息后，根据故障保护的配置情况，执行下列三种动作：

如果它配置了路径保护且该节点是PSL，则直接进行保护切换；

如果配置了路径保护而该节点不是PSL，则通过RNT把故障信息继续向上游节点传递；

如果没有配置路径保护，再进一步判断：

若该LSR是故障通告信息中的ER－LSPTLV的起始点，则发起标记请求消息，在建立新的LSP后进行保护切换，否则向其上游节点传递携带ER－LSPTLV的故障通告信息。

　　结束语

　　MPLS流量工程和故障恢复机制的研究是一个非常复杂的问题目前尚处在理论研究和性能模拟阶段。

本文重点是从降低带宽资源耗费上进行以上两个问题的研究，在实用化过程中还有许多问题与实现技术需要研究和解决。

　　参考文献

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　　[2][BN2001]Banerjee,N.;

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　　[3][BR2001]R.BartosandM.Raman.AheuristicapproachtoservicerestorationinMPLSnetworks.ICC2001.IEEEInternationalConferenceon,June2001

　　[4][BR2002]R.Boutaba,W.Szeto,andY.Iraqi.DORA:

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　　[6]《图论常用算法选编》作者：

杨洪

　　[7]《图论的算法与程序设计》作者：

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