张 骞 庞湘绮 文爱军
西安电子科技大学ISN国家重点实验室
摘要：当前互连网业务量增长迅猛，未来的骨干网必须处理巨大的IP数据流量和实时数据流量，巨大业务流量要求提高网络资源利用率，实时数据流量要求确定的服务质量。为此，未来网络的结构和技术需要新的解决方案。本文论述流量工程对新一代网络的重要性，并且讨论用GMPLS解决流量工程问题的途径。
关键词： 通用多协议标签交换 流量工程
引 言
当前因特网流量增长迅速，远远超过传统话音流量的增长，导致骨干网要同时承受巨大的IP流量和实时流量。网络流量的剧增，特别是突发流量的增加，对有效利用骨干网连接和带宽提出新的要求，传统骨干网主要针对电话业务设计，虽然能够保证服务质量，但不能很好适应突发数据业务需求。另一方面，在现有的Internet中，所有的IP流量都基于IP路由协议进行选路和转发。
传统的IP路由算法会导致对网络资源使用的不均衡，无论是最短路径优先算法（OSPF）还是距离向量算法（RIP）在选路时都是使用最短的路径转发IP分组。这使得短的路径容易阻塞，而较长的路径容易空闲。这种由于网络资源使用不均衡造成的网络拥塞必然致使网络性能降低，服务质量（QoS）无法保证。因此，无论是传统的电信骨干网，还是当前的因特网，都不能很好地同时承载巨大的数据流量和实时流量。
要想解决这种网络资源使用的不均衡就需要引入流量工程（Traffic Engineering）技术。流量工程主要指合理安排业务流量在网络中的流向以避免造成网络资源的不均衡使用。为了实现流量工程，在IETF、ITU-T和OIF等标准化组织，已经逐渐就多协议标签交换（MPLS）和它的扩充（GMPLS：Generalized MPLS）[1]达成共识。MPLS协议最初产生，是为了在使用短标签的核心骨干网络内实现分组的快速转发，但是现在主要是通过一条综合的途径来实现IP层和像ATM、SDH/SONET和WDM[1]这样较低的传输层的流量工程。多协议标签交换（Multi-protocol Label Switching, MPLS）可提供对业务流量很强的控制能力，使流量工程的实施较为便利。MPLS网络利用标签交换路径（Label Switched Path, LSP）实施流量工程。网络运营者或网络管理应用软件可以通过建立显示路由-标签交换路径（Explicit Routing-LSP, ER-LSP）来控制业务流量的流向，从而实现流量工程。
MPLS和GMPLS具有显著的特征，例如，面向连接的传输模式，易于支持流量工程，适当地扩充IP协议。特别是GMPLS支持不同粒度等级的流的快速交换和高效的流量工程，它们支持从单个的IP流到更大的汇合流，一直到时隙、波长和光纤级别。
MPLS和GMPLS的比较
多协议标记交换技术(MPLS)将 IP技术与下层技术结合在一起，兼具了高速交换、QoS性能、流量控制以及 IP技术的灵活和可扩展等特性。它不仅能够解决当前网络中存在的问题，而且能够支持许多新的功能，是一种较为理想的骨干IP网络技术。此外，MPLS也为支持更加先进的路由服务提供了基础，因为它解决了下面一系列复杂的问题：使用 MPLS可以使网络具有很好的可伸缩性能；降低了网络操作的复杂性；促进新的路由技术的发展，提高了IP选路技术；提供了一个标准，促进不同业务提供商之间的合作。
MPLS与传统IP网络的不同主要在于 MPLS域中使用标签交换路由器 (LSR)，域内部 LSR之间使用 MPLS协议进行通信，在 MPLS域边缘由 MPLS边缘路由器 (LER)进行与传统 IP技术的匹配[2]。 LSR是 MPLS网络的基本元素 ,它分控制单元和转发单元两个部分：控制单元主要负责标签的分配、路由的选择、标签转发表的建立以及标签交换路径的建立和拆除等；转发单元则根据标签转发表对收到的标签分组进行转发。
MPLS是一个基于IP的控制协议，因为它采用扩展的IP协议如资源预留协议（RSVP）、开放式最短路径优先协议（OSPF）和标签分配协议(LDP)作为路由和信令协议，而且MPLS域的全体网元都是IP可寻址的。此外，MPLS是一种面向路径的技术，因为它支持显式路由功能。这个功能允许它在建立路径时，选择并预留属于这条路径的资源，以满足不同服务质量的要求。
实际上，可以通过给LSP指定一个或多个属性来支持不同的服务质量等级，但必须在一个标签交换路径的路由建立期间考虑这些属性，如：网络参数（总体的网络拓扑，链路状态，带宽的用法，每条链路的可用带宽，估计的误比特率，保护和恢复方案）和用户参数（峰值速率，平均速率，允许的突发尺寸，服务等级，优先级，路径抢占）。受限的最短路径优先算法（CSPF）是典型的LSP路由算法之一。
GMPLS是MPLS控制平面利用LSP的分级概念对像TDM和WDM这样的非分组交换技术的扩充。专门定义了不同的LSP接口：分组交换接口、时分复用接口、波长交换接口和光纤交换接口。每一个都能作为一个低等级的LSP而嵌套在高等级的LSP中,如图1.所示。从这个意义上来说，GMPLS为支持不同类型的LSP所做的扩充是对嵌套功能的延伸。该扩充使GMPLS具备了物理传输层的流量工程能力。
GMPLS虽然是由MPLS演化而来的，并继承了几乎所有MPLS的特性和协议，但在本质上两者存在很大的差异。MPLS是一种网络层协议，MPLS网络由单纯的分组交换节点组成，传输网络被浓缩并等同为一个预先配置好的物理线路，这就是标准的重叠式网络架构。分组交换节点无法按照该节点对资源需求的实际情况自动地调节其物理线路资源，必须采用人工方式进行调整，而GMPLS将改变这种状态。在GMPLS网络中，不仅有分组交换（PSC）、时分复用（TDM）和波长交换（LSC）节点，甚至还有光纤交换（FSC）节点。分组交换节点可在任意时刻只需发起一个GMPLS信令过程，便能建立起一条通达其它分组交换节点的电路、波长甚至光纤。
基于GMPLS的流量工程
流量工程主要是将业务流映射到网络的物理拓扑上。现有的大部分IGP协议（内部网关路由协议）在建立转发表时,并未将带宽的可用性和业务特点等因素考虑进去,在一些情况下会使网络出现阻塞,这时就需要流量工程来解决问题。流量工程是一个强有力的工具,通过它可以平衡网络中不同的链路、路由器和交换机之间的业务负荷,使所有这些设备既不会过度使用,也不会未被充分使用。这样就可以有效利用整个网络的资源,流量工程将成为路由结构中一个重要的部分。
GMPLS根据流量参数进行流量工程控制，流量工程还涉及网络性能评估和网络运行优化 [3]。从这个意义上讲，流量工程被定义为通过监测动态响应网络流量变化的能力和为避免拥塞在各个数据流之间分配资源的能力。在执行流量工程功能的过程中，要考虑的一个关键问题是效率，即快速响应流量的变化。这就需要具备动态路由的能力。GMPLS是基于IP的网络控制，可以通过使用IP信令和路由协议来动态地实现网络监测和路由功能，因此具备这种动态特性。
在GMPLS中，流量工程和基于受限的路由概念紧密相关。传统的路由协议采用最短路径算法，只考虑距离，受限的路由根据多个限制条件选择路由。GMPLS技术允许在路径选择中使用基于受限的路由方案。一般每一个节点的受限选路需要将标记交换通道属性、网络资源属性和其它拓扑信息作为输入参数，然后据此计算源于自身的每一条满足要求和限制的显式路由，输出则是满足标记交换通路属性和网络资源限制的一条或多条通路。尽管受限选路算法对网络的实际限制不容易处理，特别是要达到最优化时计算量经常是巨大的，但一般可采用下列算法：（1）首先删除不满足标记交换通道属性要求的网络资源，如链路。（2）在删除后的图中运行最短路径算法。一旦找到可行的通路再考虑采用其它的属性进行优化和选择。[4]互连网的一个主要问题是自动控制功能的实现，自动控制功能能够在维持稳定性的同时快速地适应网络状态的重大变化，而且成本较小。GMPLS是一种适用于不同技术和网络的通用控制方案[1]。这意味着流量工程策略必须包括对不同网元的测量和控制功能，并且针对不同网络采取不同的策略来优化。因此，基于受限的路由就不仅仅是一种根据一些参数计算路径的算法。GMPLS TE比MPLS TE具有更多的特性。
GMPLS扩充了LSP的概念，它允许LSP起始和终结于同类设备（例如，OXC或SDH交换机），而不仅仅是路由器。为了控制新的网元，还对路由（例如，OSPF，IS-IS）和信令协议（例如，RSVP，CR-LDP）进行了扩充。此时，控制信息的数量需要认真考虑。为解决这个问题，GMPLS引入了捆绑的概念，它允许把多条具有同样特性的链路作为一条单个链路来对待；但是，即使这个方案大大减少了信息量，在一个GMPLS网络中使用TE策略仍需要面对相当复杂的情况。TE分析要进一步考虑两种途径。第一个是关于网络资源的整体最优化。在这种情况下，需要同时考虑所有链路资源和所有的入口和出口LSPs。这种方法和传统的重叠网络中使用的机制相似。第二个是关于只考虑路径和资源的一个子集的局部资源最优化。整体的最优化需要全面了解网络的状态和链路状态更新信息，并且包括所有的网络资源。这个方案需要解决信息数量的可测量性问题，并且它还需要有非常有效的算法。它所面临的另一个问题是稳定性。事实上，如果流量变化得非常快的话，TE控制就不能及时做出反应。对这个问题的解决方案是只考虑路径和资源的一个子集，实现局部资源的最优化。
可以采用两种方案来实施TE，它们是在线模式和离线模式。在线模式使用路由/信令协议通过基于受限的路由算法实现在线路径计算。在这种模式下网络主动根据约束条件参与路径选择过程。约束条件由用户设定，例如某些链路不参与流量工程，网络中两个节点间建立LSP的最大可能数量以及其他约束条件。离线模式从整个网络资源使用的最优化来考虑，首先需要对网络各链路的流量进行统计分析，特别是应对网络在拥塞时流量在各链路的分布做详细分析，对整个网络流量统计特性的完整分析，将对网络流量工程和网络规划产生决定性作用。其次，网络运营者应找出网络业务流量的约束条件，这些条件有些是网络的要求，而有些可能是运营者自己或用户的特殊要求所决定的。第三，将这些条件和基于约束的选路计算结合起来进行离线计算，这可能需要多次重复。第四，将计算出的路由通过网管配置到GMPLS系统中。离线方式是一个长期的用来实现网络资源整体最优化的方案，然而在线方式仅考虑资源的子集，它能够动态地跟随流量变化。一个有效的TE策略必须满足两个必要条件：对短期的流量变化做出反应和优化网络资源的利用。因此，一个好的解决方案是使用两者相结合的途径，它可以通过离线的方式来实现长期的（例如，每天，每周）整体最优化；并且在两个整体最优化之间可以通过在线方式实现局部最优化。
结 论
本文主要论述在新一代网络构架中有关流量工程的一些主要问题。现在很有必要发展这样的网络以适应IP流量的迅速增长，满足动态光资源分配的需要，在较低运维成本的基础上更灵活地使用带宽，同时解决不同的服务质量问题。GMPLS被认为是MPLS控制平面对其它网络包括光网络的扩充，它很容易满足不同服务质量需求，并且重新引入了面向连接的方式，即使在基于IP的网络中也能实现。实际上，采用GMPLS控制平面可以使整个网络通过同样的控制平面进行控制，即使是针对采用了不同网络技术的网元（例如，SDH网元，ATM交换机，甚至是光的交叉连接设备）也能实现。如果使用了基于受限的路由算法，网络资源就能得到最佳利用。流量工程可以使网络动态地对流量的变化做出反应，防止拥塞的出现，并且从整体上看，它能通过更灵活的方法来管理网络。由于要控制的信息量是相当巨大的，GMPLS虽然对控制异种网络具有优势，但同时也产生了复杂性和可测量性的问题。但是已经出现了一些解决该问题的方法，例如，链路捆绑。
参考文献：
[1] E. Mannie et al.,Internet draft , Nov. 2001.
[2] 贺刚、张劲松，“GMPLS-IP层与光层融合的核心技术”，光通信研究，2002年第2期。
[3] D. Awduche et al., “Requirements for Traffic Engineering over MPLS”, RFC2702，Sep. 1999.
[4] 付亚等，“多协议标记交换中的流量工程”，现代电信科技，2000年7月第7期。
摘自 通信市场
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