流量工程对IP路由器的要求

王瑞丰 吕航 宋学军

摘要：流量工程（TE）是目前IETF和大型的Internet服务商正在深入讨论的热门话题。

本文介绍了在流量工程环境网络中的IP路由器应具有的路由和转发功能，以及目前关于流量工程问题讨论中的主要解决方案。

关键词：流量工程 路由 转发 MPLS

一、引言

近年来，网络服务的激烈竞争和大规模的经济、教育和社会活动要求的迅速增长，使得优化大型IP网络、尤其是公共Internet骨干网的性能成为一个非常迫切的问题。对网络的需求越来越多元化和复杂化，这就使得流量工程问题变得更具挑战性。在流量工程的要求下，路由器的路由和转发功能在很多方面出现了重大的发展，许多新的技术和解决方案已经应用或者提出，用以改进网络的运行性能、满足各种各样的服务要求。

二、流量工程概述

流量工程是一种有力的工具，用以平衡网络中各种链路、路由器和交换机上的负载，使其中任何一个组成部分都不会发生过载或者未充分利用。这样，ISP可以对目前网络中主要依照IGP协议进行路由和转发的网络流量提供更精确的控制，更经济、更有效地使用整个网络的带宽资源，提高网络的性能、效率和可靠性。Internet流量工程是Internet网络工程的一部分，处理IP网络操作中的性能估价和性能优化。

多数的流量工程解决方案中，将多协议标记交换（MPLS）作为流量工程的转发机制。

1．流量工程的体系结构

MPLS上的流量工程包括四个功能部分：基于MPLS的分组转发模块；基于约束（满足资源约束和服务需求）的路由模块；基于拓守「变化和资源使用的统计数据等网络即时状态的信息发布模块；用以建立和保持LSP的信令模块。功能模块之间相互独立，模块之间设有清晰的接口。这种模块性和清晰接口的结合为今后每个单独组成部分的新方案和改进提供更大的灵活性。

信息发布模块中包含了路径选择模块用到的拓扑信息、资源使用信息和路径选择量度等信息。我们可以扩展IGP，例如使用链路状态广告（LSA）和链路状态协议的扩展来得到这些信息，并把他们存放到流量工程数据库（TED）中。利用这些信息，我们可以适应性地启动路径选择模块来为通过网络的分组计算路由。信令模块根据计算出的路由为分组建立标记交换路径（LSP），然后转发模块快速且准确地沿着已建立的LSP转发分组。

2．流量工程的要求

（1）一般要求

Internet主干网路由器应当具有先进的动态路由和转发的算法，能够提供TOS路由；具有高度的可靠性、从失败中快速恢复的能力，高度的健壮性和可操作性、处理拥塞和网络资源失效的能力；具有尖端的操作和管理手段，以提供监控和测量流量和其他事件以及诊断错误的功能。全双工操作的高性能在将来更高的速度上全速运行。

流量工程系统中进一步的要求包括：

·灵活性：允许代化策略的变化，提供可以植入特定环境中的有效的配置选择；

·可观测性：从网络中收集统计数据并做出分析，用以评价网络运行的状况；

·简单性：对预期的应用尽可能地简单；

·拥塞控制：将流量映射到网络上并使拥塞最小化，可能使用资源预留技术；

·可扩充性：TE系统应当可以扩展以保持网络发展，包括路由器和链路的数量和流量的总量扩大时的可用性。

·生存性：从网络失败中迅速恢复并保持现存服务的QOS要求，要求在网络的多层支持对失败的监测和恢复能力。

（2）路由要求

流量工程系统要求网络提供QOS能力。QOS路由是根据网络中可以使用的资源和流量的QOS需求计算流量路径的机制。传统的Internet中的路由协议如 OSPF协议、 RIP协议和 BGP协议只计算到目的节点的最短路径，容易造成网络拥塞；另外，业务量在新的最短路径与正在使用的旧的最短路径之间的频繁的切换会引起路由震荡。针对这些不足，QOS路由的目的有三个：

①满足流量的QOS要求。QOS路由可以动态地计算满足流量的带宽和端到瑞延迟等需求的从流量的源节点到目的节点的路径。

②在全网络范围内获得资源使用的高效性。QOS路由可以以不同于最短路径的方式指定业务量在网络中经过的路由，从而提高网络整体的吞吐量和服务质量。

③异常情况时减少性能下降。在网络中发生错误或者网络的某区域拥塞时，使用QOS路由比传统的路由方法能获得更好的性能。

（3）离线的流量工程系统

在线的流量工程系统中网络中的每个路由器都基于自己保存的信息、以分布的方式计算从本机出发的路由；而离线的和集中方式的流量工程支持系统将所有的信道要求、链路属性和网络拓扑信息考虑在内，通常比前者能找到更好的信道布置。为了重新优化，离线系统可能周期地为信道计算路径（如每天一次），然后将计算出的路径下载到路由器。在线流量工程支持系统仍然是需要的，以便路由器可以快速适应各种变化。

（4）区分服务（Diffserv）

为在Internet中提供QOS能力，IETF提出了两种模型，即集成服务IntSery和区分服务DiffServ。Intserv改变了传统的Internet的体系，使在Internet中提供QOS成为可能。但Intserv的可扩展能力差，对路由器的要求比较苛刻，针对这些缺陷，IETF又提出了区分服务模型。

Diffserv模型的基本思想是把业务量分成不同的类别，并根据业务量所属的类别对业务量区分对待。Diffserv相对于Intsery来说，有以下优点：第一，在网络中只有有限的服务类别，状态信息的规模与服务类别的数量成比例，而不是像在Intserv中那样和流的数量成比例。第二，诸如分类、整形等复杂的处理，只要求在边界路由器上实现，Diffserv网络内部的路由器可以有更强的数据转发能力。尤其是在链路带宽和缓存空间等资源发生短缺时，这种优势更为明显。

三、流量工程的解决方案

多数研究和讨论的结果是由MPLS实现流量工程能力，并将他们在来自于不同的运营商的LSR上完成；这些LSR使用一种公用的信令和标记发布协议实现互操作。

1．MPLS

MPLS基于IP路由和控制协议，提供面向连接的基于标记的分组交换，所有的节点使用网络模型的第3层（L3）路由。MPLS提供一套核心的机制，以多种方式提供丰富的功能。MPLS核心技术可以在多个网络层协议得到扩展，而且并不局限于任何一种特定的链路层技术，可以运行于任何L3分组可以在网络层实体之间通过的介质上。

在MPLS网络中的转发可以描述如下：在MPLS域的入口边界，头端LSR检查分组的IP头，并将分组分为不同的转发等同类（FEC）。路由模块从信息发布模块学习基于流量要求、拓扑信息、资源使用统计数据和即时状态等信息，为分组计算路由，然后信令模块为分组建立LSP。分组被指定标记，封装在MPLS头中并转发到LSP的下一跳。在头端LSR属于相同的FEC的分组都沿着同一条LSP转发，沿着LSP的每一个LSR都是用这个标记进行转发而无须借助原始的IP头部信息，而是将输入接口和标记作为MPLS转发表的索引。分组转发到下一跳时用新的标记取代旧的标记。这个过程在沿着LSP的每一个LSR中重复，直至分组的尾端LSR。 在出口去除标记，分组离开MPLS域，然后基于原始的IP头中保留的目的IP地址，按照传统的L3层协议转发。

2．基于约束的路由

为LSP计算路由一般会尽量满足一组LSP的流量要求，同时要考虑管理策略的一组要求和网络的拓扑信息和资源可用性等网络当前状态。计算满足一组约束的流量工程路径称为基于约束的路由（CR）。流量工程利用关于CR的参数，基于服务提供商的策略和参数选择来得到特定的性能目标。基于CR计算的LSP可以不同于传统的IGP得到的最短路径。CR可以以在线和离线的方式运行。

由于约束下的最优路径选择在计算上是昂贵的，可行的做法是使用在线的路由算法计算流量的路径和离线的路由配置相结合的模式。有时需要人工介入直接决定流量工程路径并通过管理策略将其实例化。

3．RSVP为LSP隧道的扩展

资源预留协议（RSVP）被主机用来为应用数据流量向网络请求特定的服务质量，也可以被路由器用来向流量经由的路径上的所有节点提交QOS请求，建立并维护提供请求的服务的状态。

扩展RSVP支持LSP隧道规范允许使用RSVP作为信令协议实例化标记交换隧道，这种隧道可以自动地绕开网络失败、拥塞和瓶颈点，进而建立显式路由的LSP。这种扩展能够监测两个路由器之间的点到点的流量统计数据，控制流量在给定网络拓扑上的路径的子路径。这种功能的结合使RSVP隧道规范在服务提供网络中的流量工程中非常有用。它包含了所有必要的目标、分组格式以及建立和维持显式路由的措施。

RSVP支持的关于LSP隧道的操作的特性如下：（1）无论有无QOS要求都可以建立LSP隧道；（2）动态地对已建立的LSP隧道进行重路由；（3）观测已建立的LSP隧道实际经过的路由；（4）识别和诊断LSP隧道；（5）支持在管理策略控制下抢占已建立的LSP隧道；（6）执行下游要求的标记分配、发布和绑定。

4．对 IGP的要求

为支持流量工程，必须对IGP进行扩展，加入新的参数使IGP可以发布附加的网络信息。现有的机制必须在实现流量工程的改进之后还可以继续运行。现有的OSPF和IS－IS都有能力满足这一要求。OSPF提供一个Opaque LSA来携带任意的信息，不能识别Opaque LSA的系统会把它的内容忽略；IS－IS把它所有的信息都编码在一个称为类型一长度一值（TLV）的多元组的链路状态分组中，TLV在不能识别它的系统中同样被忽略。这就使每个协议中加入附加的信息后都能够向后兼容。

流量工程中的IGP应当至少支持如下数据要素：最大链路带宽；最大可预留带宽；资源的类属性；已预留带宽。离线计算还需要考虑优先级和抢占属性等因素。这些数据要素中，只有现有预留带宽的数量和实际的带宽使用率希望是动态的，其它数据要素不希望频繁改变。产生动态数据元素的子系统必须谨慎地权衡反应的快速性和稳定性，限制发布这些数据的频率。

5．MPLS组播

类似单播的流量工程，可以在网络中建立MPLS组播树（或者点到多点隧道）来传输组播流量。这个树可以管理指定或者由基于QOS和策略要求的机构自动地建立。

组播分组到达MPLS组播树的树根时，对其分类之后，在分组上加一个MPLS标记。然后在以下各跳中，LSP在转发表中查找输入标记，找到所有的下游路由器和相应的输出标记并复制，使用输出标记转发到下游路由器。MPLS树隧道支持各种网络性能优化的策略，例如可以自动地或人工地路由以绕开网络失败、网络拥塞和网络瓶颈。

6．MPLS多路径最优化

流量工程系统中，希望路由子系统能够使负载在多条路经上按照一定的比例分割开来，这些路径可以是等价的或者非等价的，分割的比例应当是可以配置的。

MPLS入口路由器可能对给定的MPLS域出口建立一条或多条显式路径，这样可以使用MPLS多路径最优化（MPLS－OMP）技术在一个复杂的拓扑上平衡负载。这种技术要求使用扩展的链路状态 IGP，例如 OSPF或 IS－IS扩散负载信息。

MPLS－OMP是对MPLS的扩展，但是不要求

对MPLS协议本身做补充或者修改。在MPLS入口使用OMP算法，在需要的时候选择可选路径并调整转发。转发的调整是逐渐进行的，以保证稳定性；但应当足够迅速跟踪负载的变化。冗余路径提供流量负载分配和减少拥塞的潜力。

四、结束语

本文主要讨论了在流量工程环境中对IP路由器的路由和转发功能的要求，介绍了有关流量工程的主要方面的解决方案。为强调这一领域的研究的发展，先简单地提及了在传统的IP网络中的要求。本文并不涉及关于路由器的硬件要求，尽管这一点同样重要。本文涉及的内容应当依照Internet技术的发展和各种有关研究和实践发展不断地修正。

摘自《数据通信》2001.9