MPLS網絡的生存性技術

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　　周衛華 倪縣樂 丁煒 北京郵電大學
　　 　　目前，網絡上的應用越來越多，網絡就必須能夠在故障發生時保證其連續性和服務質量。因此，網絡生存性已經成為互聯網中的一個重要問題。另一方面，隨著光纖技術的發展，鏈路傳輸速率已達數10Gb/s。

一條鏈路的損壞將影響大量的應用,而當前基于IP路由協議的恢復機制至少需要幾秒到幾分鐘的時間，這將導致大量分組的丟失，從而造成嚴重服務質量問題以及網絡性能的下降。
　　
　　 　　網絡的生存性是流量工程的重要方面。按照ANSI TIA1.2工作組的定義，網絡生存性就是在故障發生的情況下，網絡仍能維持服務連續性的能力。以前有關網絡生存性的研究主要集中在SDH和ATM自愈恢復方面。但IP/MPLS網絡生存性研究還處于初期階段，IETF提出了兩個相關草案，但只是提出了有關網絡生存性的框架，并沒有提出具體的恢復算法。
　　
　　 　　MPLS網絡自愈機制的基本原理是在節點檢測到故障發生之后，立即通知相關的LSR（Label Switch Path）重新選擇路由，將受影響的流量轉移到備用路徑上，完成故障恢復。要成功完成故障恢復需要兩個方面的保證：①能夠建立用來傳送受故障影響的業務量的備用路徑；②該備用路徑要能夠滿足受影響業務對QoS的要求。這兩個問題的解決需要結合網絡設計規劃以及故障恢復算法。
　　
　　 MPLS恢復模型
　　
　　 　　為了提高MPLS網絡的生存性，每一條LSP都應受保護，避免故障的影響。LSP有兩類：承載正常業務的工作路徑和發生故障時使用的備用路徑。當網絡發生故障時，MPLS把工作路徑倒換到備用路徑上，從而提供了比基于盡力而為的IP網絡更快的恢復。
　　
　　 　　IETF提出兩種恢復模型：保護倒換和迂回路由。圖1是在MPLS網絡中使用備用路徑實現保護倒換機制的例子。工作LSP和備用LSP同時建立。當工作LSP上的某一LSR檢測到故障時就向入口LSR發送FIS故障信息，并且，由LSR1把業務倒換到備用路徑上。在備用LSP上可以使用LDP信息預留資源，也可以在故障發生后捕獲。但是，為了提高資源的利用率，在網絡正常時可以在備用LSP上承載低優先級的業務（如盡力而為業務）。當發生故障時，資源可以被高優先級的業務搶占，或者不在備用LSP上預留資源。而如果不預留資源，當故障發生時就不能保證備用LSP能夠滿足期望的QoS的需求。另外，為了提高故障恢復的成功率，備用路徑最好能夠根據網絡狀態的變化及時更新。保護倒換對于常見的故障，如單鏈失效，節點預先結算備用路徑，在出現故障時，直接倒換到備用路徑上。這樣可以實現與SONET相當的恢復水平，達到數十毫秒的恢復時間。
　　
　　 　　為了提高正常情況下的資源利用率，還可以使用迂回路由機制，它是在故障發生后建立恢復LSP，而不是與工作路徑同時建立。當LSR收到故障通知信息后，如果下游LSR保留了QoS路由信息，則可以選擇合適的恢復路徑并使用MPLS信令（如CR-LDP）建立恢復LSP。如果下游LSR沒有路由信息，則下游LSR通過向上游LSR散發通知信息來尋找恢復路徑，此機制與ATM相似。一般來說，不推薦使用散發方法，因為擴散的信息會對網絡造成額外的負擔以及時延，但是，當缺乏路由信息時卻非常有用。
　　
　　 　　一般來說，迂回路由恢復機制適應性較強，不需要預先計算，并且可以計算出一條優化的路徑，對于網絡資源的利用和業務量均衡更具優勢，但恢復時需要進行較多的信息交換，比保護倒換機制恢復時間長。而保護倒換恢復機制需要節點預先計算并存儲有關整個網絡拓撲以及網絡流量分布情況的數據。
　　
　　 　　根據保護的范圍以及實施備用路徑的節點不同，分為鏈路恢復和路徑恢復。如圖2所示。鏈路恢復在發生故障的上、下游節點之間，一般由下游節點通知故障的發生，由上游節點實施恢復路徑選擇與倒換，此方法的優點是簡單易行，速度快。但是，鏈路恢復不利于處理多個節點或鏈路失效的情況。
　　
　　 　　路徑恢復發生在受影響的LSP的起點與終點之間，恢復路徑與工作路徑完全分離，由發生故障的節點向入口LSR通知故障的發生，由入口LSP實施恢復路徑的選擇和倒換。路徑恢復在入口LSR/出口LSR之間選擇一條備用路徑較為復雜，而且要求較多的信息傳遞、維護，管理備用路徑需要的存儲量也較大。但是，它有三個優勢：①利于全局優化，需要的總空閑容量較少；②可以恢復鏈路故障，也可以恢復節點故障；③能夠容易地處理多個節點或鏈路失效的情況。
　　
　　 　　迂回路由恢復模型是在故障發生后為需要恢復的業務建立另外的備份路徑。建立新的備份路徑要依據故障的位置、路由策略以及當前的網絡拓撲結構。由于保護倒換在故障發生前預先建立恢復路徑，那么一旦檢測到故障，負責在工作路徑和保護路徑之間倒換的PSL（Path Switching LSR）就需要比迂回路由更少的時間來恢復業務。但是，保護倒換的缺點是，在沒有故障發生時不能有效地利用備用路徑上的資源。
　　
　　 　　迂回路由機制可以分成兩類：一、基于請求的恢復，它是在故障發生后選擇一個優化的通路并建立恢復路徑；二、預指定（pre-qualified）恢復，它是在故障發生前指定了恢復路徑，從而節省了故障發生后的路徑選擇時間。它并不為恢復路徑預留資源，并且能減少故障發生后的路徑選擇時間，因此，它的總恢復時間要小于基于請求的恢復方法。
　　
　　 　　保護倒換的類型之一是1+1保護，它能夠在故障發生時承載與工作路徑具有相同的QoS保證的業務，但是不允許在沒有故障發生時承載其它的業務。為了增加備份路徑資源利用率，還可以采用1:1或1:N的保護類型。由于允許備份路徑在沒有故障時承載低優先級的業務，只有故障發生，低優先級的業務的資源才被搶占和代替。因此，1:1和1:N的網絡資源利用率要比1+1高。
　　
　　 　　資源管理 　　MPLS網絡中的資源管理包括空閑資源的設計與分配以及空閑資源的動態管理�？臻e資源的設計與分配是在網絡設計規劃階段計算并預留適當的大小以及適當分布的空閑容量，從而保證網絡發生故障后，恢復機制能有效地工作。
　　
　　 　　目前，空閑資源的設計與分配正在研究之中。
　　
　　 　　有待研究的問題
　　
　　 　　以上我們分析了MPLS網絡基本的生存性機制。在具體實現時，存在著恢復率、恢復速度、算法復雜性及要求的空閑容量大小各方面的折衷。因此，在實際網絡體系中，有待進一步解決的問題包括：
　　
　　 　　1、隨著網絡技術的發展和融合，呈現出一種多層面的網絡結構。每一層面上都有各自的保護和恢復機制，MPLS與多層間的生存機制協調問題就愈顯重要。
　　
　　 　　2、由于DiffServ模型在當前已經被認為是核心網提供QoS保證的最好機制，因此，基于DiffServ的MPLS網絡自愈恢復和優先級恢復算法與實現機制也是研究的一個方向。
　　
　　 　　3、目前越來越多的應用，如電視會議、視頻點播等需要組播通信，因此，MPLS網絡內組播業務的有效恢復機制與算法也是必須解決的問題。

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