介绍……………………………………………………………………… 2
流量工程………………………………………………………………… 2
流量工程的应用………………………………………………………… 3
展望……………………………………………………………………… 3
过去：传统的路由器核心网络………………………………………… 3
流量工程的性能………………………………………………………… 4
传统路由器核心网络流量工程的局限………………………………… 4
现在：IP覆盖型网络…………………………………………………… 5
IP覆盖型网络的运行…………………………………………………… 5
IP－over－ATM模型在服务提供商网络中的优势……………………  7
IP－over－ATM在OC－48光互联网中的局限…………………………7
未来：Juniper网络公司的流量工程体系 ………………………………9
流量工程解决方案中的组成部分………………………………………9
包转发部分  …………………………………………………………… 10
基于标记交换的LSR包转发……………………………………………10
数据包在MPLS骨干网中传输的例子………………………………… 11
MPLS的优势 ……………………………………………………………12
信息发布部分  ………………………………………………………… 12
路径选择部分 ………………………………………………………… 13
信令部分 ……………………………………………………………… 15
灵活的LSP计算及配置…………………………………………………16
成功流量工程解决方案在操作上的要求 …………………………… 17
Juniper网络公司的流量工程体系的优势………………………………18
结论 …………………………………………………………………… 19
参考 …………………………………………………………………… 20

介绍

 

　　Internet服务提供商面临的挑战主要来自于如何使他们的客户满意并保持高速增长。首先，也是最基本的要求，ISP需要在一定地域内提供许多具有不同带宽的线路。换句话说，ISP必须配置一个能够使他们的客户连接到他们网络上的物理拓扑结构。

 

　　在网络部署完毕后，ISP必须将客户的业务流映射到网络的物理拓扑上。90年代初期，将业务流映射到网络物理拓扑上并不是以一种科学的方法来实现。这种映射的实现只是基于产品的路由配置－－业务流只是简单地被分配到由ISP所使用的内部网关协议（IGP）计算出的最短路径上去。这种不规则映射的局限是通过当某条链路发生阻塞时，提供过量带宽来解决的。现在，ISP网络越来越大，线路上支持的IP越来越快，同时，客户的需求也变得越来越高。因此，将业务流映射到物理拓扑上的任务需要以一种完全不同的方式来实现，只有这样，网络上传输的负载才能通过一种受控和有效的方式得到支持。

 

流量工程

 

　　将业务流映射到现有物理拓扑上的任务被称作流量工程。目前，流量工程作为一个课题在Internet工作组和一些大型ISP内部被热烈地讨论。如果一个流量工程的“应用”能够实现一组正确的功能，它将使ISP在其路由域内对业务流的分布实现精确的控制。特别地，流量工程还可以在ISP网络内实现将业务流从通过IGP选择的最短路径，转移至另一条潜在的、具有更少阻塞的物理路径上去（图1）。

图1：服务提供商网络中的流量工程路径与IGP最短路径比较

 

　　流量工程是ISP的一个强有力的工具，ISP通过它可以在网络中不同的链路、路由器和交换机之间平衡业务负荷，使所有这些成分即不会过度使用，也不会未充分使用。这样，ISP可以有效利用整个网络所提供的带宽资源。流量工程应当被看成是路由结构中的一个辅助，它能够在沿网络中备选路径转发业务时提供辅助信息。

 

流量工程的应用

 

　　由于客户对网络资源需求的空前增长、IP应用中的重要任务的性质，以及Internet市场中不断增加的竞争性，使流量工程在ISP内成为一个重要的问题。现有的IGP在建立转发表时，并未将带宽的可用性和业务特点考虑进去，因此会使网络出现阻塞。ISP清楚流量工程可有效地增强网络的运行和性能。他们希望流量工程具有以下功能：

· 对主路径进行路由时，绕过网络中已知的瓶颈和阻塞点。
· 当主路径发生一个或多个故障时，为业务如何进行重新路由提供明确控制。
· 通过确保网络的附属设备不会被过度使用，同时，潜在的备选路径上的网络附属设备不会未被充分使用，从而对可用的集成带宽和长距离光纤进行有效利用。
· 通过使运行有效性最大化而另运行费用降至最低，使ISP在市场中更具竞争实力。
· 通过使包丢失最小化，将阻塞的保持时间最小化和使吞吐量最大化的方法增强网络中以业务为导向的性能特性。
· 增强网络中将来用于支持多业务Internet的统计约束性能特性（如，丢失率，迟延变化，传输时延等）。
· 为客户提供更多的选择、更低的费用和更好的服务

 

展望

 

　　就在ISP们努力使自己跟上不断增长的Internet业务量的同时，流量控制已成为ISP们一个非常重要的工具。为增强读者对流量工程的理解及其在支持将来的Internet中的重要角色，本白皮书将从如何在传统的基于路由器的骨干网中实现流量工程开始。然后讨论在今天的ATM和帧中继“覆盖”型网络中如何实现流量工程及相关的技术、优势和局限性。

　　在讨论完现在普遍使用的配置解决方案后，白皮书将介绍一种专门为运行在光Internet－一个由密波分复用（DWDM）、OC－48和OC－192速率的接口、IP－over－SONET、IP－over－glass和Internet骨干网路由器组成基础结构的骨干网环境－而设计的流量工程实现方法。最后一部分将介绍Juniper网络公司和IETF的基于多协议标记交换协议（MPLS）和资源预定协议（RSVP）技术的流量工程解决方案。

 

过去：传统的路由器核心网

 

　　90年代初期，ISP的网络通过使用租用线－T1（1.5Mbps）和T3（45Mbps）链接－将路由器互连而组成网络。当Internet开始它的爆发性增长时，对带宽需求的增长要比单条网络链接速率快得多。ISP们对这个挑战的反应是提供更多的链接以提供额外带宽。从这一点上看，流量工程对ISP变得越来越重要了，因此，当存在多条并行或备选路径时，ISP们可有效地使用集成网络带宽。

 

流量工程的功能

 

　　在早期基于路由器的核心网中，流量工程是通过简单地使用路由量度值来实现的。因为那时无论从路由器数量、链接数及业务流量来讲，Internet骨干网都是非常小的，所以，基于度量的控制在那时是足以胜任的。同时，在万维网普遍流行之前，Internet拓扑层次也强制业务通过网络中较为确定的路径及事件，不会产生临时的热点。

图2：基于量度的流量控制

 

　　图2描述了基于量度的流量工程是如何运行的。假设网络A发送了大量业务给网络C和网络D。参考图2所示的量度值，链接1和链接2可能发生阻塞，因为网络A－网络C和网络A－网络D的业务都将流过这些链路。如果链接4的量度值变为2，网络A－网络D的流量将转移至链接4，但网络A－网络C的业务将继续留在链接1和2。结果，在不中断网络中任何处理的情况下修正了“热点”。

 

　　一直到1994或1995年，基于量度的流量控制都提供了充足的流量工程解决方案。但从那以后，ISP的网络规模越来越大，他们无法再通过使用基于量度的流量控制和基于传统路由器的核心网来继续发展自己的网络。在一个巨型网络中，对网络某个局部的量度值进行调整是否会引起网络其它部分的新问题将变得非常难以判断。同时，对于基于传统路由器的核心网，当ISP计划增大他们的核心网时，路由器无法提供ISP们所需的高速接口和确定的性能。

 

传统路由核心网流量工程的局限性

 

传统的路由核心网在为流量工程提供可扩展性的支持上存在着许多局限：

· 由于传统路由器的汇集带宽和包处理能力有一定的局限性，因此，传统的、基于软件的路由器在高负荷的情况下可能成为潜在的瓶颈。
· 基于量度处理的流量工程不具有可扩展性。当ISP网络变得具有更多的链接时（即，更大、更密集的结网和更多的冗余），这种情况下很难保证对网络某个部分量度的调整而不致在网络的其它部分引起问题。基于量度处理的流量工程对于增加的复杂问题提供的是一个跟踪－纠错的解决方式，而不是一个科学的解决方案。
· IGP计算是通过拓扑驱动的，它只基于一个简单附加量度，如跳数或某个管理值。IGP并不发布类似于带宽可用性和业务特征等信息。这就意味着，当IGP计算其转发表时并不考虑网络上的业务负载。结果，业务不能在网络连接中平均分配，导致昂贵的资源未能被有效使用。一些链路可能发生阻塞的同时，另一些链路未被充分利用。这种情况在稀疏连接的的网络中也许能满足客户的需求，但对于一些复杂连接网络，对业务所使用的链路进行控制以确保链路的负荷均衡变将得非常必要。

 

现在：IP覆盖型网络

 

　　在1994或1995年左右，Internet业务量的不断增长使ISP需要令他们的网络主干能够支持高于T3（45Mbps）的速率。幸运的是，这时在交换机和路由器上OC－3（155Mbps）速率的ATM接口出现了。为了获得所需的速率，ISP被迫重新设计他们的网络，使他们能够使用由交换（ATM和帧中继）核心网提供的更高速率。一些ISP将他们的网络从DS－3点到点连接转移至在网络边缘使用带有OC－3速率ATM接口的路由器，而在网络核心部分使用OC－3速率的ATM交换机的网络结构。大约在9个月之后，ATM交换机之间的连接速率升级到OC－12（622Mbps）。另一些ISP开始在他们的DS－3帧中继网络中增加节点。当他们开始从帧中继转移至ATM时，他们在网络边缘使用OC－3链接，但不久便在核心部分配置了OC－12速率的交换机间的连接。（见图3）
 
图3：1997年和1998年典型的大型ISP核心网物理拓扑结构

 

IP覆盖型网络的运行

 

　　当IP运行在ATM网络上时，路由器在ATM网络的边缘环绕。每个路由器通过一系列经由ATM物理拓扑配置的永久虚电路（PVC）与其它路由器通信。PVC就象逻辑电路一样工作，为边缘路由器提供连接。路由器并不能直接访问ATM结构中PVC的具体物理拓扑信息。路由器仅了解特定的PVC就象出现在两个路由器之间的简单的点到点电路。图4说明了ATM核心网物理拓扑与逻辑IP覆盖拓扑的区别。

图4：ATM物理拓扑与第三层覆盖拓扑比较

 

　　对于大型ISP，ATM核心网由ISP完全拥有，并专用于支持Internet骨干网业务。这种核心网的基础结构与运营商的其它专用数据业务完全分离。因为网络由ISP完全拥有并专门用于 IP业务，所有的业务通过ATM核心时使用不确定比特率（UBR）ATM服务等级－没有策略，没有业务整形，没有峰值信元率，没有维持信元率。ISP只是简单地将ATM交换结构作为一个高速传输系统，而并不依赖ATM的业务和阻塞控制机制。对于ISP们，没有什么理由需要他们使用这些先进的“特性”，因为每个ISP都拥有自己的骨干网，他们不需要对自己加以限制。

 

　　PVC覆盖的物理路径通常通过离线配置计算获得的，它使用基于需求的方式－－当阻塞发生，新增一条干线或配置一个新的POP。一些ATM交换机厂商在考虑流量工程时，会使用一些专有的技术对PVC进行路由。但是，这些方案并不成熟，ISP经常需要进行完整的离线状态路径计算以达到预期的结果。PVC路径和特性通过使用基于链接容量和历史业务参数配置而对其进行整体优化。离线状态配置的使用也可以帮助设定一组备用PVC，以在故障条件下准备作出反应。最后，在完成PVC结网的整体优化计算后，配置将被下载到路由器和ATM交换机以提供单个或两个全闭合结网的逻辑拓扑。

图5：ATM核心网上的逻辑IP拓扑

 

　　当ATM的PVC被映射到路由器的子端口时，分离的ATM网络和IP网络相遇。路由器子端口与ATM网的PVC互相协调，然后路由协议在子端口上与IP报头（路由）协调工作。实际上，离线配置的使用生成了路由器和交换机的配置，确定PVC号码的一致性，并且进行了适当的映射。

 

　　最后，通过在PVC中运行IGP以建立对等关系并交换路由信息，使ATM的PVC集成到IP网中去。在任何一对路由器间，主PVC的IGP量度配置要比备用PVC配置更为首选。这便保证了只有在主PVC无效时才会使用备用PVC。同时，如果主PVC在故障后重新恢复，业务将从备用PVC回到主PVC上。

 

IP－over－ATM模型在服务提供商网络中 的优势

 

　　90年代中期，ATM交换机可提供解决ISP需要更多带宽以应付不断增加的业务负载需求的方案。那些决定转移到基于ATM核心网以继续经历成长的ISP们发现，ATM的PVC提供了当业务通过网络时对其进行明确控制的工具。ISP开始依赖于ATM交换机所提供的高速接口、确定的性能和PVC功能性，以成功地对其网络的运行进行管理。

 

　　当与传统的基于软件的路由器进行比较时，ATM交换机提供了更高速率的接口和明显的更高的汇集带宽，因此避免了在网络核心部分因路由器引起瓶颈的潜在可能性。同时，速率和带宽为ISP提供了确定的性能。在那时，路由器是不可能提供类似功能的。

 

　　一个基于ATM的核心网完全支持流量工程，因为它可以对PVC进行明确的路由。PVC的路由是通过在网络底层的物理拓扑上提供随机的虚拟拓扑实现的，而在网络底层的物理拓扑上，通过对PVC进行路由以使业务分配到所有链路上去，以致链路被平均使用。这种实现避免了业务全部汇集到低花费路由上去，从而避免了链路的过分使用或未充分使用。由ATMPVC提供的流量工程性能使ISP在他们的市场范围内更具竞争性，允许他们为其客户提供低费用和更好的服务。

 

　　由ATM交换机提供的每条PVC的统计信息，简化了监测用于优化PVC布局及管理的业务参数的过程。网络设计者最初为支持特定的流量工程目的而提供每条PVC，然后，他们将连续监测每条PVC上的业务负载。当一条特定的PVC发生阻塞时，ISP具有所需要的信息，使其能够通过修改虚拟或物理拓扑结构以适应偏移的业务负荷，对发生的事件进行补救。

 

在OC－48光互联网中，IP－over－ATM模型的局限性

 

　　在过去几年中，ATM交换机增强了ISP，允许他们扩大市场份额并增加利润。90年代中期，ATM交换机因其独一无二的高速接口、确定的性能，和通过对PVC进行明确的路由以实现流量工程的性能而被选择。但是，今天，曾一度只为ATM交换机所拥有的一些特性，同样也能被Internet骨干网路由器所支持。路由技术的最新发展，使ISP重新评价其是否要继续容忍覆盖模型的局限性：管理费用，设备费用，运行可靠性和扩展性。

 

　　基于ATM的核心网的一个最根本的局限性是它需要对两个不同的网络进行管理：ATM基础结构和逻辑的IP覆盖。通过在ATM网上运行IP网络，ISP不仅增加了网络的复杂性，而且加倍了开销，这时因为ISP必须管理和协调两个分离网络的运行。同时，路由和流量工程分别在不同的系统上来完成－－路由在路由器上执行，流量工程则在ATM交换机上完成－－因此，将流量工程完全与路由集成在一起将是非常困难的。最近的新技术发展使Internet骨干网路由器能够提供以往只能在ATM交换机上才能发现的高速链接和确定的性能。当考虑将来需要升级至OC－48速率时，ISP们必须要决定是继续使用昂贵和复杂的设计，还是用一套设备即可完成相同功能的基于路由器的完全集成的核心网。

 

　　ATM路由器接口未能跟上光学带宽的最新发展。已商品化的最快的ATMSAR路由器接口是OC－12。今天，OC－48的POS路由器接口已经实现，但是，OC－48速率的ATM路由器接口在短期内并不会被实现。很快，OC－192（～10Gbps）的POS路由器接口会被推出，但是，OC－192的ATM路由器接口可能永远不会商品化，因为在如此高的速率上实现SAR功能是非常昂贵和复杂的。SAR在扩展性上的这些局限，意味着当ISP们试图使用IP－over－ATM模型提高网络的速率时，将必须定购大型ATM交换机和带有大量较低速率的ATM接口的路由器。当ISP们今后考虑向OC－192转移时，他们将付出巨额开支扩展其网络，而且会增加网络的复杂性。

 

　　以包为导向的协议，如IP，在ATM结构上运行时，将引入信元税的概念。假设有20％的ATM消耗用于组帧，分配包尺寸，则对于一个2.488Gbps，OC－48的链路，1.99Gbps将用于用户数据，而498Mbps，约一个OC－12将被用于ATM开销。当10Gbps，OC－192接口出现时，1.99Gbps－将近一个完整的OC－48－的容量将为ATM开销占用。当ISP业务需要将其网络升级至OC－48和OC－192速率时，他们必须决定是继续支付ATM信元税而使他们处于一个很不利的竞争位置，还是采用一个能将浪费的开销用于客户业务的，基于路由器的核心网络。

 

　　一个配置了全闭合ATMPVC的网络将产生传统的“N2”问题。对于一个小型或中型的网络，“N2”问题并不是一个主要的问题。但是，对于一个具有数百个路由器的核心ISP，这种挑战将变得十分突出。例如，当将一个小型网络从5个路由器扩展到6个时，ISP只需将PVC的数量从20条增加到30条。但是，将路由器的数量从200个增加到201个时，则需要配置400条新的PVC－从39800条增加到40200条PVC。应该强调的是，这个数量并不包括备份PVC或网络在运行多种业务时所需的附加的PVC，因为在提供一些业务时将在两个路由器间需要多于一条的PVC。由于“N2”问题的存在，将导致一系列操作上的问题：

 

· 必须要将新的PVC映射到物理拓扑上
· 必须要协调新增的PVC，以使得他们对已有PVC产生最小的影响
· 巨大数量的PVC可能超出ATM交换机的配置及实现能力
· 必须修改核心部分的每一个交换机和路由器的设置

 

　　90年代中期，因为路由器较低的接口速率和确定性能上的缺陷，避免内部路由器跳转的要求需要一个全闭合的PVC结网。现在，Internet骨干网路由器已经克服了这些历史的局限，将“N2”问题留给了传统的IP－over－ATM结构。

 

　　配置一个全闭合PVC同样也给IGP带来压力。这种压力在于需要维护大量的对等关系，故障时需处理“N3”的链接状态更新，和为一个包含大量逻辑链接的拓扑进行Dijkstra计算的复杂性。任何时候将拓扑配置成为一个全闭合的结构，对IGP产生的压力都会使得拓扑结构难以维护。同时，当ATM核心网扩大时，“N2”将对IGP的复合产生压力。在基于路由器的核心网里避免了“N2”的压力。同信元税一样，IGP压力是IP－over－ATM模型的产物。

 

　　基于覆盖模型的流量工程要求支持交换和PVC的第二层技术的存在。在一个混合媒体网络中，流量工程对于特殊的第二层技术（ATM）的依赖，使其难以提供可行的方案。如果一个ISP希望在POS或光网络中实施流量工程，则第二层传输不能提供流量工程，因为它被跳过了。混合媒体网络的增长和减少IP与光纤间的层数的目的，要求流量工程在第3层实现，以提供一种集成的途径。随着ISP不断地使用光互联网络模型建立他们的网络，IP－over－ATM结构的局限性变得越来越突出。

 

　　总之，最初支持基于ATM核心网配置的基本假设将不再有效。当其它一些可选的模型不断出现时，继续坚持IP－over－ATM模型的诸多不利随之出现。高速接口，确定的性能，和使用PVC的流量工程不再使ATM交换机明显区别于Internet骨干网路由器。而且，基于路由器的核心网络的配置解决了ATM模型的一些固有问题－－协调两个分立系统的复杂性和较高的费用，ATMSAR接口的带宽局限性，PVC的“N2”问题，IGP压力，不能在混合媒体结构中运行的局限性，和不能实现第2层和第3层之间的无缝连接的不利因素等。关于高速接口和确定的路由器性能的题目已在Juniper网络的白皮书“Internet骨干网路由器及相关的Internet设计”中讨论过。本白皮书余下的部分将着重讨论如何在基于路由器的核心网中最好地实现流量工程。

 

未来：Juniper网络的流量工程结构

 

　　当ISP开始计划转移到更高速的网络时，他们应当仔细检查选择的方案，使他们过去的带宽和流量工程决策不会约束将来网络的增长和运行。对于运行在OC－48速率上的高性能骨干网，问题变化得非常快，以至于保持相同策略只采用辅助的（或主要的）增强方式去修改或调整网络方案已不大可能。最后，所有的技术都将到达他们生命周期的某一点，那时，他们将不再能够扩展，网络设计人员将意识到是该停下来、重新开始、考虑新的解决方案的时候了。

 

　　我们可以非常清楚地看到，任何基于路由器的流量工程的实现方案，必须要提供与现存的IP－over－ATM等同的功能性。ISP已经知道如何依赖于ATM的高速接口，确定的性能以及PVC配置能力的流量工程，如果没有什么其它过人之处，他们将保持现状不变。基于路由器的实现必须提供一套集成的方案，使之能够避免对两个分离网络进行协调和管理的复杂性和费用。最后，被提议的方案必须能够提供自动流量工程处理选项，使ISP能够提供增强的客户服务和可靠性，同时减少运行费用。

 

　　为在一定时间内满足ISP的需求，任何将来的实现途径都可以通过IETF工作组提供的已存在的工作结果来支持。如果方案中的一些组成部分已经存在，则被鼓励采用他们，而不是回避，努力地“重新启动车轮”。需要进行开发的新技术应相应地简单和明确，使得他们在执行和配置过程中具有最小的风险。最后，新的流量工程方案的开发应该组合相关的简易性和方便的配置技术，为光互联网增长的可扩展性提供稳定的方案。

流量工程方案的组成部分

 

　　为实现基于路由器的流量工程实施方案，Juniper网络公司一直积极地参与多协议标记交换（MPLS）标准的制定及相关的IETF工作组。我们认为使用MPLS的流量工程的策略包

括4个基本组成部分：

 

· 包转发
· 信息发布
· 路径选择
· 信令

 

　　每个功能单元都是一个独立的模块。Juniper网络公司的流量工程体系在四个功能模块之间提供了开放的接口。这种模块化的组合与开放的接口，为单个模块在有更好的方案出现时，按需要进行更改提供了灵活性。

 

包转发单元

 

　　Juniper网络流量工程结构中的包转发单元是多协议标记交换（MPLS）。MPLS负责引导IP包流按一条预先确定的路径通过网络。这条路径被称作标记交换路径（LSP）。LSP本质上与ATMPVC相似，即业务从起始路由器按一定方向流向终止路由器。双工业务需要两条LSP，每条LSP用于承载一个方向上的业务。LSP的建立是通过串联一个或多个标记交换跳转点来完成，允许数据包从一个标记交换路由器（LSR）转发到另一个LSR，从而穿过MPLS域（图6）。LSR是一个支持基于MPLS转发的路由器。

图6：穿过MPLS域的LSP

 

　　当起始LSR收到一个IP包后，它为此包加上一个MPLS报头，然后将其转发到LSP上的下一个LSR。被标计的包被每个LSR沿LSP转发，直至到达LSP的终止处，在那一点上，MPLS报头被去除，包基于第3层的信息进行转发，如基于IP目的地址。这个过程中的关键之处在于，LSP的物理路径并不为通过IGP选择的到达目的IP地址的最短路径所制约。

基于标记交换的LSR包转发

 

　　每个LSR进行的包转发处理都是基于标记交换的概念。这个概念与发生在ATM交换机中的PVC相似。每个MPLS包都带有一个4个字节的封装头，其中包含了20个比特的固定长度标记区域。当一个包含标记的包到达LSR时，LSR检验标记并且将它在MPLS转发表中作为索引。每个转发表中的条目都包含了一个接口－内部标记对，其映射了所有在特定接口上到达并具有相同内部标记包的一系列转发信息。

 

MPLS转发表
输入接口	输入标记	输出接口	输出标记
--	--	--	--
3	21	4	18
3	56	6	135
--	--	--	--

图7：MPLS转发表的例子

 

　　图8描述了LSR使用的标记交换算法的运行情况。LSR在接口3上收到一个包，其包含的标记为21。LSR使用图7中转发表所包含的信息，将标记值更换为18并将包从接口4转发到下一跳的LSR。

图8：LSR转发一个包

 

包如何在MPLS骨干网中传输的例子

 

　　这一部分将阐述一个IP包在MPLS骨干网中传输时是如何被处理的。我们将在网络中的3个分立点上检测包运行的情况：1.当包到达MPLS骨干网的输入边缘时，2.当包沿着LSP被每个LSR转发时，3.当包在到达MPLS骨干网的输出边缘时。

 

　　在MPLS骨干网的输入边缘，起始LSR检验IP报头。基于这个分析，包被分类，并分配给它一个标记，以MPLS报头进行封装，然后转发给LSP的下一跳。MPLS在为IP包分配LSP的方法上提供了极大的灵活性。例如，在Juniper网络公司的流量工程实现中，所有到达起始LSR且在同一输出LSR离开MPLS域的包都会沿同一条LSP转发（见图9）。

图9：MPLS骨干网络

 

　　一旦包开始在LSP中传输，每个LSR使用标记作出转发决定。要记住，MPLS的转发决定并未考虑最初的IP报头。而且，输入的接口和标计在MPLS转发表中被用作查找关键字。旧的标记被新标记替换，然后，包沿LSP转发至下一跳。LSP中的每个LSR都重复同样的处理，直到包到达终止LSR。

 

　　当包到达输出LSR时，标记被去除，包离开MPLS域。包接着按原来IP报头中包含的目的IP地址和由传统的IP路由协议计算出的最短路径进行转发。

 

　　在这部分里，我们并没有讨论标记是如何在沿LSP的LSR中进行分配和发布的。我们将在Juniper网络公司流量工程结构中的信令部分中讨论这个重要的任务。

 

MPLS的优势

 

　　人们一般都相信MPLS可明显地增强LSR的转发性能。更确切地说，精确查找，例如由MPLS和ATM交换机所提供的，要比由IP路由器提供的最长匹配查找快。但是，最近芯片技术的进步使基于ASIC的路由查询引擎与MPLS或ATM的VPI/VCI查找引擎运行速度相同。

 

　　MPLS技术的真正优势在于它提供了路由（即，控制）和转发（即，转移数据）间的完全分离。这种分离允许只使用单一的转发算法－MPLS－便可对多种服务和业务类型进行配置。将来，当ISP们需要开发一种新的增值服务时，MPLS转发结构可以被保留，新的业务可通过更换包被分配至LSP中的方法而简单地建立。例如，当包被分配至一条LSP时，可基于目的子网和应用类型的组合，源和目的子网的组合，特殊的QoS需求，IP多点传送组，或虚拟专网（VPN）识别号。基于这种方式，新的业务可以简单地被加入到通常应用的MPLS转发结构中。

 

信息发布部分

 

　　因为流量工程需要有关网络拓扑和网络负荷的动态信息的细节，新的流量工程模型的主要需求是用于信息发布的框架。这部分可简单地通过定义相关的IGP扩展来实现，这样，链接特性可包含在每个路由器的链接状态广播中。IS－IS扩展可通过定义新的类型长度值（TLV）来实现，而OSPF扩展可通过不透明LSA来实现。链接状态IGP所使用的标准扩散算法保证链接特性被发布至ISP路由域中的所有路由器。

 

　　每个LSR通过一个特殊的流量工程数据库（TED）对网络链接特性和拓扑信息进行管理。TED专门用于计算LSP通过物理拓扑时的外在路径。一个分离的数据库被维护以使并发的流量工程计算与IGP和IGP链接状态数据库独立。同时，IGP继续无改变地运行，通过路由器链接状态数据库所包含的信息进行传统的最短路径计算（见图10）。

图10：信息发布单元

 

一些需要加到IGP链接状态广播中的流量工程扩展包括：

 

· 最大链接带宽
· 最短预留带宽
· 当前带宽预定
· 当前带宽使用
· 链接着色

路径选择部分

 

　　在网络链接特性和拓扑信息通过IGP进行扩散并存储到TED中去之后，每个起始LSR使用TED计算出属于它的穿过路由域的一组LSP路径。每个LSP的路径可表示成精确的或疏松的外在路由。一个外在路由是通过作为LSP物理路径一部分的一系列LSR预先设置而成的。如果输入LSR确定了LSP中所有的LSR，则LSP被认为是通过精确外在路由确定的。如果起始LSR只规定了LSP中的几个LSR，则LSP是通过疏松的外在路由描述的。同时支持精确和疏松外在路由允许路由选择处理既能在可能的情况下给予最大的自由度，又可以在需要的情况下给予约束。

 

　　起始LSR通过对TED中的信息使用约束最短路径优先（CSPF）算法来决定每条LSP的物理路径。CSPF是一种改进的最短路径优先算法，它是一种在计算通过网络的最短路径时，将特定的约束也考虑进去的算法。CSPF算法的输入包括：

 

· 从IGP获得并在TED中维护的拓扑链接状态信息。
· 由IGP扩展承载并储存在TED中的与网络资源状态有关的特性（如总链接带宽，预定链接带宽，可用链接带宽，和链接颜色）。
· 从用户设置得到的，用来支持当业务通过建议的LSP时所需要的管理特性（如，带宽需求，最大跳转数，和管理策略需求等）。

图11：起始LSR计算明确路由

 

　　当CSPF考虑一条新的LSP的每个备选节点和链接时，它可基于资源的可用性或所选部分是否违反用户策略约束而对特定的路径组成部分接受或拒绝。CSPF计算的输出是一个外在路由，该外在路由包含了一组通过网络的最短路径并满足约束的LSR地址。这个外在路由随即传递给信令部分，信令部分在LSP中的LSR建立转发状态。CSPF算法在每条LSP内被要求发生的起始LSR中重复。

 

　　尽管在线路径计算减少了管理工作，但为了优化全局流量工程，还是需要离线的计划和分析工具。在线计算将资源约束考虑进去，每次计算一条LSP。这种实现的挑战是其确定性。LSP计算的次序在决定LSP穿过网络的物理路径时将作为一个重要的角色。早些计算出的LSP比晚些计算出的LSP具有更多的有效资源，因为早先计算的LSP消耗了网络资源。如果LSP计算的次序改变，则LSP的物理路径结构也会随之改变。

 

　　离线的计划和分析工具同时检验每条链路对于资源约束以及每条输入－输出LSP的需求。离线实施可能需要花费几个小时来完成，它提供全局计算，比较每个计算的结果，然后为网络选出一个全局性的最佳方案。离线计算的输出是一系列优化了的网络资源使用的LSP。在离线计算完成后，LSP可以以任何次序建立，因为LSP的所有安装都是遵循着全局优化方案的规则进行的。

图12：路径选择单元

 

信令部分

 

　　因为驻留在起始LSR的TED内关于网络状态的信息在任何时候都是过期的，CSPF计算出的路径只是被认为是可以接受的。只有在LSP被信令部分真正建立之后，才能知道这条路径是否真正可以工作。负责建立LSP状态和标计分配的信令部分依赖于资源预定协议（RSVP）的一些扩展：

 

· 外在路由对象允许RSVP路径（PATH）信息在与传统的最短路径IP路由独立的外在LSR序列中传输。
· 标计请求对象允许RSVP路径（PATH）信息向中间LSR要求提供用于LSP建立的标计捆绑。
· 标计对象允许RSVP在不改变现存机制的情况下支持标计的分配。因为RSVP的RESV信息跟随RSVP路径信息的预定路径，标计对象支持从下行节点到上行节点的标计分配。

 

RSVP作为建立LSP用的信令协议是很理想的：

 

· RSVP是一个标准的Internet资源预定协议，它通过一些附加的新对象类型，特别为支持增强功能而设计。
· RSVP的软件状态能够在MPLS环境中可靠地建立和维护LSP。
· RSVP允许将网络资源明确地预定和分配给一条给定的LSP。
· RSVP允许建立明确路由的LSP，它能够提供与原来由ATM和帧中继所提供的流量工程和负载均衡能力相等同的功能。
· 穿过MPLS域的边缘－边缘RSVP信令是可扩展的，因为LSP与域内边缘LSR数量的关系，要比路由表中的项目数和终端系统业务流量的关系密切得多。

图13：信令单元

 

灵活的LSP计算和配置

 

　　流量工程的本质是将业务流映射到物理拓扑上去。这意味着通过MPLS提供流量工程的核心是为每条LSP决定物理路径。这条路径可通过离线设置来决定或通过在线的基于约束的路由来决定。与物理路径的计算方法独立，转发状态可通过RSVP的信令功能在网络中安装。

 

Juniper网络基于MPLS的流量工程策略支持对LSP的不同的路由和设置方式：

 

· ISP可以离线地对LSP进行全路径计算，并对LSP中的每个LSR单独地进行带有所需的静态转发状态的设置。这与现在的一些ISP们对IP－over－ATM的设置相类似。
· ISP能够离线地对LSP进行全路径计算并对起始LSR进行静态的全路径配置。起始LSR则将RSVP作为动态信令协议，为LSP中的每一个 LSR安装转发状态。
· ISP可依赖基于约束的路由为LSP提供在线的动态计算。在基于约束的路由中，网络管理人员为每条LSP配置约束，然后，网络自己决定能够最好满足这些约束的路径。正如早先讨论过的，Juniper网络公司的流量工程策略允许起始LSR可以基于确定的约束计算全部的LSP，随后在网络中对信令进行初始化。
· ISP可以离线地计算出LSP路径的一部分，使用路径中的LSR的一个子集对起始LSR进行静态的配置，然后，然后允许在线计算决定完全的路径。例如，假设ISP有一个包含两条东西向横穿美国的路径的拓扑：一条在在北部通过芝加哥，另一条在南部通过达拉斯。现在，假设ISP希望在分别位于纽约和旧金山的两个路由器间建立起一条LSP。ISP可以为LSP配置部分路径，其包括在达拉斯的一个具有单一疏松路由条转的LSR，其结果是LSP被按照南部的路径路由。起始LSR使用CSPF计算完全路径，并使用RSVP沿着上面的LSP安装转发状态。
· ISP可以毫无约束地对起始LSR进行配置。这种情况下，通常的IGP最短路径路由被用来决定LSP的路径。这种配置不提供任何流量工程的价值。但是，配置非常简单，它可能在虚拟专网（VPN）等业务中变得有用。

 

图14：离线及在线LSP计算与配置

 

　　所有这些情况中，任何数量的LSP都可以定义为主LSP的备份。为了在故障情况下建立备份LSP，两个或更多的实现可被组合在一起。例如，主路径可通过离线进行明确的计算，第二条路径可以是基于约束的，第三条路径可以是无约束的。如果主LSP的一条线路出现故障，起始LSR从下行LSR收到的错误标志信息或RSVP软件状态超时注意到故障的发生。起始LSR能够动态地将业务转移到一条热备份LSP或请求RSVP为新的备份LSP建立转发状态。

 

成功的流量工程方案的运行要求

 

　　为提供一个强大而且用户友好的工具，Juniper网络公司的流量工程结构是为能够支持大范围的客户需求而设计的。这种实现需要允许网络操作者：

 

· 为LSP提供许多对于流量工程处理非常重要的特殊操作：
· 建立一条LSP。
· 激活一条LSP，使其开始转发业务。
· 终止一条LSP，使其停止转发业务。
· 修改LSP的属性（例如带宽，跳转限制，和CoS）以管理它的性能特性。
· 重新路由LSP，使其改变通过网络的物理路径。
· 拆除一条LSP，使网络收回所有分配给LSP的资源。
· 为LSP配置疏松或精确的明确路由。对于这种选择的支持，允许路径选择处理在可能的情况下获得很大的自由度，或在需要是进行约束。
· 对于给定的LSP，给出支持它的备选物理路径的次序。例如，可建立一个路径列表，列表的第一条路径被认为是主路径，如果主路径未能建立，则次序列表中的第二条路径将被尝试建立。
· 在不工作时允许或不允许对LSP的重新优化。
· 为一条LSP的物理路径定义一组必须明确的被包括或不被包括的资源。一个资源组可被看成是分配给一个链接的一种“颜色”，带有同一种颜色的一组链路属于相同的类。例如，网络策略可以规定一条给定的LSP不能够通过金色的链路。
· 按优先级次序建立LSP，这样可使LSR首先建立优先级高的LSP，然后再建立优先级低的LSP。
· 决定一条LSP是否能够依据LSP的属性和优先级从一个给定的物理路径上抢占另一条LSP。抢占允许网络撤销现存的LSP去支持一个新建的LSP。
· 通过使用基于约束的路由参数，自动获得一个LSP布局问题的解决方案。
· 在每条LSP的级别上访问计费和业务统计。这些统计值可用于表征业务，最佳化性能，和计划容量。

 

Juniper网络流量工程结构的优势

Juniper网络流量工程结构相对于现在IP－over－ATM模型可提供一些优势：

 

· 支持高速光接口。
· 明确的路径允许网络管理员定义LSP通过服务提供商网络的确切物理路径。
· 支持动态故障恢复到一个预先计算的，热备用的备份LSP。
· 因为LSP和基于连接的虚电路非常类似，LSP可直接用于已有的离线网络计划和分析工具。这些工具的输出可转化为建立LSP物理路径的设置。
· 每条LSP的统计值将作为将来网络扩容计划和分析的工具，用来分析网络瓶颈和中继线的利用率。
· 基于约束的路由提供了许多增强的功能，它允许LSP在其建立前便能满足特定性能的需求。

 

　　除了支持并扩展了覆盖模型的优势，Juniper网络公司的流量工程结构避免了现有的覆盖模型的可扩展性问题上的局限性，允许ISP将他们的网络扩展至OC－48及以上的速率：

 

· 这种结构提供了一个集成的方案，将覆盖模型中的第2层和第3层网络合并成一个单一的网络。这种集成避免了协调两个分离网络的管理负担，允许路由和流量工程发生在同一平台上，减少了网络的运行费用。另外，LSP来自IP状态，而不是第2层状态，所以网络可以更好地反映IP业务的需求。由于ISP继续增长，Juniper网络公司的流量工程策略由于在一个单独的集成网络上提供了相同的功能性，因此不必去定购，配置，管理及调试两套不同的设备。

· 这种结构不会因开发OC－48速率的ATMSAR路由器接口技术上的挑战而被限制在OC－12的链接上。这意味着缺乏高速ATMSAR路由器接口并不能阻止ISP将他们的网络速度提高至OC－48或更高。
· 因为ATM不再作为第2层技术而被需要，信元税被完全避免。这意味着过去被ATM信头所占用的15~25％的带宽，现在可被用于承载其它的客户业务。
· 基于MPLS组成的路由核心网不会有类似于ATM的“N2”PVC全闭合结网的问题，因此也不会对IGP产生压力，进而导致复杂的设置问题。现代的Internet骨干网路由器不再出现为保证网络性能而使ISP将配置全闭合结网放在第一位的性能问题。
· 这种结构不需要支持交换及虚电路的特殊的第二层技术（ATM或帧中继）。因此流量工程可在第三层提供，支持混合媒体网络并减少了IP和“光纤”之间的层数。
· Juniper网络公司基于IGP扩展，CSPF路径选择，RSVP信令和MPLS转发组合结构的开发，在不引入新技术的情况下，促进了IETF进行的工作。这种方案的发明来自于相关的简单而方便的配置技术的组合，它可以提供与需要更多人为参与的流量工程相同的控制等级，但是只需要很少的人为参与，因为网络本身也参与了LSP的计算。
· 最后，Juniper网络公司的结构为ISP如何在其网络中选择流量工程的实现方法提供了极大的灵活性。LSP可以通过离线或在线计算得到，而且他们可以通过手动或由　　RSVP信令动态地安装到LSR。对于全局的优化方案仍然需要离线计算。

 

结论

 

　　几年来，Internet核心网经历着指数级速度的飞速增长。今天，快速增长的业务量迫使一些ISP每3个月就得使其网络的容量加倍。那些在不断的变化环境中不断增加其市场份额的成功的ISP们，正是那些具有洞察力和灵活性的，能够将其骨干网转移至满足不断增长的客户需求的新技术上的人们。

 

　　在90年代早期，ISP们依赖于使用量度来对通过路由器核心网的业务流分布进行管理。基于量度的流量控制提供一个满意的流量工程方案，直到90年代中期，核心拓扑的备份容量开始限制了方案的可扩展性。同时，在1994年或1995年左右，ISP需要增长其网络，配置更宽的通道，并从中间系统中得到确定的性能。这时，ATM核心交换机和路由器的OC－3及OC－12接口出现了，它们可以提供所需的带宽。这在90年代中期成为ISP市场发展的一个重要转折点。那些意识到现存结构的局限性，并通过重新设计其网络而转移到覆盖模型的ISP们能够平滑地扩展他们的市场份额并增加了利润率。

 

　　在90年代后期，ISP在计划将网络升级至OC－48或更高速率时，再次面临选择。继续安照IP－over－ATM模型，其结果是可观的费用和增加的复杂性。Juniper网络公司的流量工程结构提供了ATM核心网的业务管理性能，同时又避免了ATM的性能和可扩展性的局限。那些考虑到现有IP－over－ATM方案的局限性，并且考虑了MPLS/RSVP备选方案的优势的ISP们能够理解：他们过去的流量工程决定会影响他们网络将来的成长和利润率