大规模MPLS网络中的新兴技术

　　一、引言
　　多协议标签交换，即MPLS（Multiprotocol Label Switching），是一种在通信网内利用定长的标签来引导数据高速传输和交换的网络技术。自1997年由IETF（Internet Engineering Task Force）提出以来，MPLS技术得到了迅猛的发展，并被评为1999年十大热门通信技术之一。但是随着网络的规模越来越大，MPLS面临着一些问题亟待解决。首先，MPLS对于一个完善的网络管理框架的需求已经变得非常迫切。网络管理作为网络的重要组成部分，是保证网络高效、安全运行的必要支撑手段，这在大规模通信网络的运行中尤为明显。MPLS作为新一代的通信网络技术，必须借助完善的网络管理功能才能充分发挥其优势。但MPLS技术的实现比较复杂，除了对底层介质的要求很高之外，它还是一个软件密度很大的协议结构。此外，MPLS网络管理要针对MPLS网络的特点，如可变业务等级，多种业务类型，面向连接的环境等，还必须分离设备中软件和硬件的功能管理，因此MPLS网络管理框架的设计既是一个难点，同时又是一个研究热点。目前MPLS可采用的网络管理框架包括SNMPv3（Simple Network Management Protocol version 3）网络管理框架以及基于策略的MPLS管理框架等。SNMP在计算机网络中应用非常广泛，但由于SNMP基于轮询机制，是一种异步请求/响应协议，因此存在一定的性能问题，并不是大规模MPLS网络管理框架的理想选择。相比之下，随着基于策略的管理方法日渐成熟，基于策略的MPLS管理慢慢引起了人们的注意。它采用分层结构，将设备管理、网络管理和服务管理分离，较为适合大规模MPLS网络的管理，因此本文将重点讨论这种方案，并对其与传统网管方案的优劣进行分析比较。
　　
　　除了完善的网络管理框架，在保持甚至提高MPLS网络性能的基础上，如何有效减小每个LSR以及整个网络的标签需求量对于大规模MPLS网络来说也有着至关重要的意义。降低标签需求量，就意味着提高了整个MPLS网络的可扩展性。FEC（Forwarding Equivalent Class）聚合、标签合并等技术可以在一定程度上减小标签的需求量，且这些技术已经比较成熟，在其它很多文献中都有详细介绍，因此本文将重点探讨 Trainet这一最近出现的新技术，它可以有效降低标签需求量，提高整个网络的可扩展性，是在网络规模较大的情况下对MPLS技术的改进与发展。
　　
　　二、基于策略的MPLS管理
　　1．MPLS策略框架
　　
　　所谓策略，根据IETF的定义就是指一系列管理规则的集合。每条规则由条件和操作构成，当网络环境满足规则的条件时执行规则定义的相应操作。而基于策略的管理，就是指网络自动根据已确定的策略，去实施信息存取、传输以及网络设备的监控与配置，提供优化网络所必须的各项服务。
　　

　　　大规模MPLS网络中的新兴技术（图一）
　　
　　IETF策略框架如图1所示，它由策略执行点（PEP，即Policy Enforcement Points）、策略决策点（PDP，即Policy Decision Points）、管理控制台以及用于存储策略集、用户和网络资源信息的目录服务器组成，其中PDP通常又称为策略服务器。PEP是执行和实现策略的实际网络装置，它接收来自设备的策略服务请求并转发给PDP，同时触发位于PDP中的策略决策引擎（PDE，即Policy Decision Engine），PDE将根据请求中的相关参数从目录服务器中读取资源信息和策略模式，通过推理和一致性的检测来进行策略决策，并把结果发往PEP，由 PEP具体执行相关操作。而管理控制台主要用于输入和编辑策略，监控网络的状态。上述IETF策略框架主要通过对设备进行配置来管理基于 DiffServ/IntServ的IP网络，并未考虑MPLS的技术特点，因此必须对现有的策略框架进行相应扩展以实现基于策略的MPLS管理。 MPLS的策略框架［2］不能限于仅仅对单个设备进行管理，而是应该根据相关策略实现对网络元素的一致性配置以支持MPLS网络正常运行，并可实现自动的流量工程。
　　
　　首先需要建立一个MPLS网络模型以便进行探讨。MPLS的设计实际上就是面向区分服务模型的，因此可以将MPLS与 DiffServ结合在一起保证网络QoS（Quality of Service）的实现。本文将基于单区域MPLS/DiffServ模型展开探讨。
　　
　　由于需在不同层次上对不同网络元素进行基于策略的管理，因此可在图1所示IETF策略框架的基础之上设计一个三层结构的策略服务器，从上至下依次为服务级策略、网络级策略和设备级策略。这样既可以明确不同层次的具体功能，又可以更好地定义PDE驱动事件。由于MPLS/DiffServ网络可提供的服务目前还在探讨之中，不很成熟，因此基于策略的服务级管理也还有待作进一步的研究与发展。下面将详细讨论设备级和网络级的管理技术。
　　
　　2．基于策略的设备级管理
　　
　　设备级管理主要是指对MPLS/DiffServ路由器的DiffServ部分进行配置。策略服务器需要根据路由器的性能信息来作出与设备相关的决策并对其进行合理的配置。在MPLS/DiffServ网络模型中，路由器的相关性能信息包括加权包调度器的可用性、可配置的队列、链路带宽、MPLS的信令协议信息等等，而策略服务器将要对转发包调度器的权重、队列的长度以及排队规则等作出合理决策。

　　3．基于策略的网络级管理
　　
　　网络级管理主要针对标签交换路径（LSP，即Label Switched Path），包括生存周期管理、信令控制、从流量到LSP的映射、LSP之间的映射以及LSP角色指定等内容。
　　
　　生存周期管理是指将基于策略的管理思想植入LSP的整个生存周期，包括建立、释放和更新LSP等一系列操作。这些操作的触发和中止都应该由策略服务器来控制。
　　

　　大规模MPLS网络中的新兴技术（图二）
　　
　　信令协议必须在策略管理的控制下实现（参见图2）。举个简单的例子，当建立一条有QoＳ参数要求的LSP时，策略服务器根据网络资源情况以及其它性能参数将会做出允许、拒绝或者是更为精细的决策，例如提供一个较小的带宽值。
　　
　　流量映射主要由MPLS域的边缘LSR完成，但是如果建立了隧道，那么核心LSR也有可能建立流量到LSP的映射。流量映射的策略可以根据实际需要制定，例如可以将去往同一出口LSR的流量映射到同一条LSP上。
　　
　　MPLS的一个重要应用就是流量工程，在基于策略的MPLS管理技术中，流量工程的实现可以视为从LSP到其它LSP的映射。这种映射的原理和流量映射近似，只是在策略服务器中需要进行映射的对象不同而已，由此可以容易地实现自动流量工程。
　　
　　4．基于策略的MPLS管理与传统网管的比较
　　
　　通过对基于策略的MPLS管理和传统MPLS网管运行机制的分析可以将两者的优劣做如下比较：
　　
　　(1)在基于策略的管理方案中，整个网络被视为一个整体，可利用策略信息模型对其进行建模，策略信息存放在一个逻辑意义上集中的服务器内，易于进行全局管理。而在传统网管模式中，网络设备、接口、队列等对象的管理都基于设备级数据模型，其控制方式也彼此独立，难以进行全局管理与协调；
　　
　　(2)可以在基于策略的MPLS管理中引入面向对象的策略信息模型，这样网络发生的变化可通过策略结构体的形式进行描述。基于策略的管理系统可以自动修改网络行为，从而避免了在多个LSR中分别修改管理信息，提高了网管的效率。而在传统网管模式中，一旦网络状况发生变化或引入新的业务，相关LSP中所有 LSR的管理信息库都要进行相应的修改，效率十分低下；
　　
　　(3)在基于策略的MPLS网络管理中，还可根据网络元素角色的不同制定相应的策略，这是传统网管所难以实现的。例如可以为每条LSP指定一个“LSP角色”，以便于策略服务器根据不同LSP的角色进行合理决策，实现相应的操作。一条LSP可以是“首要”、“次要”、“备份”以及“隧道”等不同角色。“次要”LSP可以用来分担“首要”LSP的流量，使网络资源的利用趋于均衡。当“首要”LSP出现故障时，可以启用“备份”LSP，这样网络将更加可靠。而“隧道”LSP可以用来为其它LSP提供路由服务，实现流量工程。
　　
　　通过上述比较可以发现，基于策略的MPLS管理降低了网管的复杂性，符合网络运行的内在规律，提高了大规模MPLS网络的性能。但是应当看到这种网管模式也存在着一些有待改进的问题。目前基于策略的MPLS管理框架中检测策略冲突的机制不够完善，同时策略条件和相应操作的定义通用性不强，因此在不同的网络区域内可能导致策略编辑出现不一致的现象。此外，还应该继续完善基于策略的服务级管理，实现用户请求到相关服务的映射，并且在多区域中实现互操作。
　　
　　三、Trainet技术
　　1．Trainet技术思想
　　
　　Trainet是MPLS的一个扩展方案，因其运行机制类似大型市区的地铁网络而得名。Trainet技术对MPLS的改进主要基于两点。首先，引入〈标签，跳数〉对代替传统MPLS网络中使用的标签，其中跳数表示在标签指定的LSP上数据包还要经过的LSR个数。这就如同地铁乘客在中途需要知道还有几站才能到达目的地一样，所以在Trainet方案中LSP被称作列车线路（TL，即Train-Line）。当跳数值为0时，数据包到达目的LSR。第二个改进思想是利用多个〈标签，跳数〉对组成序列使得不同TL前后衔接，构成一条多TL路由，就如同地铁乘客在到达目的地之前要多次换乘不同列车一样。下面将详细讨论拓扑驱动的TL建立和多TL路由技术。
　　
　　2．拓扑驱动的TL建立
　　
　　讨论拓扑驱动的TL建立有2个前提条件。首先，在Trainet中任意2个LSR之间都有TL直接互通；其次，这条TL由最短路径算法建立。