具有ＱｏＳ保证的ＭＰＬＳ网络生存性策略
发布时间：2015-07-06 10:43
论文关键词：生存性 服务质量 多协议标签交换网络
论文摘要：概述了保证qos的mpls网络生存性中各种保护和恢复策略，包括它们对qos的不同要求、算法思想、应用领域、各自的优缺点等。将mpls网络生存性与diffserv模型结合起来，针对不同的业务要求选出不同的保证qos的生存性方法。
0引言
多协议标签交换（mpls）是将ip层与链路层相结合的一种新的分组转发技术。它可以支持具有qos的流量和更高级别的生存性要求，从而加强ip网络的可靠性。考虑qos的网络设计关键是要考虑网络的生存性。网络生存性可以提供在不同网络层或时间段上运行的不同故障管理机制。在mpls网络中有故障发生时，其流量通常可以重新切换至备份标签交换路径（lsp）上。所以mpls提供的故障检测和故障恢复要比在其他网络协议或技术上更快、更有效。
最近，在互联网工程任务组（ietf）提出的草案［1］中详细描述了有关mpls生存性特有的优势：
(1)与底层恢复相比较，具有更好的恢复粒度；
(2)可以根据不同的服务要求选择相应的生存性策略；
(3)资源利用可行有效（如恢复路径已经降低了对网络性能的要求）；
(4)根据不同业务提供可保证qos的端到端恢复；
(5)利用了更低层的告警信号。
本文着重在于根据具体的要求选择出相应的保证qos的mpls生存性策略。分析了mpls网络生存性和qos恢复之间的关系,比较了mpls生存性中的各种保护模型及其优缺点。
1mpls网络生存性和qos恢复
图1总结了mpls网络生存性和qos恢复之间的关系。其中故障生存性（故障管理）的主要目的是用来预先建立一条路由（保护）、确定故障的位置（检测和定位）以及为受影响的连接重新选路（恢复）。保护是处理故障的首选机制，它在建立工作通路的同时就为受保护的流量预先规划保护资源（光纤、节点等）。恢复则是在检测到故障后，从网络空闲资源中为遭受中断的流量动态地配置另一条路由。
图1mpls中的网络生存性和qos恢复
除此之外，mpls网络中的qos恢复是用来衡量在一条光连接上针对具体业务所提出的生存性方法的性能。在这条光连接上所要求的qos通常是一系列的限制约束条件，如带宽、延迟、抖动性、包丢失性和可靠性等。例如，带宽限制具体是指根据用户需求建立的一条连接上所选择的路径应该具有足够的带宽以满足要求。具体mpls中保证qos的不同生存性策略将在以下几个部分详细介绍。
2保证qos的mpls保护模型
通常mpls网络中提供保护的方法是在故障发生时，依据网络选路方法、工作通路上流量的具体qos恢复要求以及对路径优化管理的考虑，将受故障影响的流量切换至预先建立的一条备份lsp。以图2所示的mpls保护方法模型为例，概述了几种保护模型［1］，详细比较了其优缺点，从而解释了这些保护方法在提出的保证qos的mpls保护策略中的具体应用。
图2保证qos的mpls保护模型
（1）全局保护
在此模型中，保护通常由入口节点（lsr1）开始，而与工作通路（1-3-5-6）上故障发生的位置无关。该方法中每条工作通路（1-3-5-6）都有另一条与之不相连的备份通路（1-2-4-6）。此方法适用于每条工作通路仅建立一条备份通路且仅为保护切换lsr（psl）或保护合并lsr（pml）提供两个lsr的情况。另一方面，由于恢复时间长，全局保护的代价很高。这样很容易导致包丢失现象。该方法可通过建立lsp并按照实际需求预留资源的方法用于保护一些低qos要求的流量。
（2）局部修复
局部修复的目的在于保护工作通路的某一部分（3-5-6）以防发生链路或节点故障。在此方法中，保护过程从故障出现的节点开始，仅利用一条lsp备份子段（3-4-6）就可以完成保护。该方法的缺陷在于多条备份段（任何时候只要有保护要求就会建立备份段）的配置问题上。这将导致保护过程复杂化和资源利用的不合理。局部修复给入口节点提供了透明度且恢复时间比全局模型低。它可通过预先建立lsp并预留资源的方法用于保护一些高qos要求的流量。
（3）反向备份
该方法的主要思想是将受保护lsp（1-3-5-6）上发生故障时的流量经由一条反向备份lsp（3－1）传至源节点（入口节点lsr1），再经由备份通路（1-2-4-6）完成保护。该方法特别适用于对包丢失敏感的流量，它可使故障指示简化。不足之处在于资源利用率低，因为每个保护域中都需要正、反向两条备份；另一个缺点是它发送反向故障指示至入口节点所花费的时间较长。因而可以选择此种方法，通过预先建立lsp并按照实际需求预留资源的方式来保护一些对qos要求不是很高的流量。
（4）动态多级保护
与以上单个保护方法（全局模型、局部修复或反向备份）相比，mpls动态多级保护为了满足网络环境中高程度的保护要求，可通过利用qos在线方法动态地建立起来。多级是指同时运用两种或两种以上的保护方法；动态是指根据不同qos参数可选取不同的保护方法。
多级保护适用于网络中出现多个故障的情况。在图3（a）中，如果在修复过程中节点6或链路1-6、6-7再次出错，流量将会切换至路由（1-2-3-7-5）上以避免备份链路和节点的故障。另一个例子如图3（b）所示，当局部修复和链路3-7出现故障时，如果应用另一条备份机制（如全局模型）就可以避免这些修复时出现的故障。
图3多级保护应用
3保证qos的恢复机制
提供qos保证的关键是如何选取满足qos要求的路径。解决此问题的方法就是qos重新选路（qosrerouting）。这也是mpls生存性策略中恢复机制的核心问题所在。根据恢复范围的不同和恢复路径建立方式的不同分别介绍保证qos的mpls恢复策略。
3.1部分路径恢复和路径恢复
按照恢复范围的不同，恢复可以是仅围绕出错链路或节点局部地修复，也可以是经由入口节点至出口节点的全局恢复。这与保护模型类似。
部分路径恢复试图找出另一条经检测到故障发生的下行lsr至入口lsr的路由，用以恢复任何可能存在的上行链路或节点故障。每一条受影响连接的恢复过程包括以下三个步骤：
（1）检测到故障后，发生故障的下行lsr必须沿备份路由反向发送恢复请求（rr）消息以检查预先选择的备份路由是否有足够的资源。如果没有足够的资源，备份路由上的lsr则会终止rr消息的发送并前向返回一条释放消息至下行lsr。
（2）接收到释放消息后，下行lsr将按照步骤（1）重新检查其他候选备份路由是否有足够的资源。如果rr消息成功地沿着候选路由发送，恢复过程将执行步骤（3）。当一系列可行的候选备份路由都用尽且没有成功，那么保证qos的恢复连接建立失败。
（3）如果rr消息成功传递至入口lsr，那么入口lsr将改变它的路由表，将流量由出错链路切换至备份路由上。
路径恢复比起部分路径恢复更灵活。因为它将整条出错的lsp切换至另一条经出口lsr至入口lsr的通路上。其他的恢复过程类似于部分恢复的三个步骤；不幸的是路径恢复的恢复时间可能要比部分路径恢复长得多。
rr消息和释放消息对于保证qos的部分路径恢复以及路径恢复是相当重要的。前者是用于qos重新选路的标签分配消息。它所含的内容包括识别受影响的连接、标签、qos参数（包丢失率、包延迟等）、流量特征、出错链路以及上行/下行lsr。后者不仅包含前者的一些信息，还包括识别拒绝请求的lsr及原因，这使得备份路由上的资源分配更清晰。
3.2按需建立和预审建立
根据恢复通路建立方法的不同，保证qos的恢复机制还可更进一步地分为按需建立（establish－on－demand）和预审建立（pre－qualified）两类。前者在检测到故障后开始计算并建立一条恢复通路；而后者即便是已经计算好恢复通路却仅在故障发生时才开始建立。
预审建立的恢复方法有很多。文献[4]中介绍的方法是现有预审建立机制的改进。它能减少恢复时间，但是需要频繁更新，以确保当网络状态改变时恢复通路依然保持最优化。在该方法中现存igp的更改用于更新lsr上的网络信息，如具有流量工程扩展的开放最短路径优先协议（ospf－te）。模拟结果表明，这种新方法虽然可以使恢复时间减少，但是它对来自lsr的额外资源要求很高，如cpu、内存等。
一般来说，恢复机制由于需要计算新路由以及为新建立的lsp预留资源，非常耗时。尽管如此但恢复的代价小，因为如果网络中没有故障出现则不需要预留额外的资源。
4mpls中区分业务（diffserv）的生存性策略
mpls生存性要求结合具体服务类型选择合适的生存性策略以保证必需的qos。根据ietf提出的diffserv草案［5］，将业务类型扩展为以下四种类型，即用来传输实时流量的加速转发（expeditedforwarding，ef）类型、针对允许不同丢失程度流量的两种可确定转发（assuredforwarding，af1、af2）类型，还有更一般的即无qos要求的尽力而为（besteffort，be）类型。
根据这些业务类型及其各自的恢复要求和qos要求提出具体业务的生存性策略。表1是所提出的业务类型及其相应的生存性策略的选择。
业务类型efaf1af2be
恢复要求高中等低等无
qos要求实时丢失甚少丢失少无
恢复时间10－100ms100ms－1s1－10s不确定
生存性策略保护恢复恢复优先传送
恢复路径建立预先建立按需，立即按需，延时无
资源分配预留按需（确保）按需（如果有）无
恢复后的qos等同可能暂时降低可能降低无
（1）ef：高恢复要求
像ef这种具有高恢复要求的服务所选择的生存性策略是保护模型（包括局部修复和全局模型）。它应该通过预定义保护路径的方式分配一条lsp。另外，mpls网络利用信令协议中扩展的受限选路方法在另一条与之分离的明晰路由上传递信令。当检测到链路或节点故障后，网络将丢弃低优先级的流量并转换至另一条路由的lsp上。
（2）af1：中等恢复要求
针对af1这种具有中等恢复要求的服务可选择恢复机制，用于检测到故障后建立修复路径的地方。在lsp的建立过程中，仅仅只有一条lsp用于传递网络间的信令。但是资源管理必须要预留出足够的空闲资源，以防出现故障时可以找到另一条满足qos要求的路径。为了达到所要求的恢复时间，此类服务的生存性策略要求快速故障检测在几微秒之内。
（3）af2：低恢复要求
对于af2这种低恢复要求的流量，没有mpls恢复可配置，也没有多余的资源或路径被预留。在故障出现后，网络仅在ef和af1恢复完成后才考虑恢复其受影响的流量。ef和af1在延迟时间内有足够的时间完成恢复，因而可确保在这段时间内供af2可选择的路径没有占用af1恢复时所需用的空闲资源。延迟时间一过，mpls信令才建立一条qos要求可能已经降低了的lsp。
（4）be：无恢复要求
当mpls域内没有故障发生时，be中低优先级的lsp利用更高恢复要求业务（ef或af2）所需的保护资源和空闲资源，被视为额外流量进行传输。如果一旦发现网络故障，它的包很可能被丢弃。这种情况通常发生在没有足够的空闲资源为af1和af2恢复所获得的情况下，或是当be流量传输在ef的保护lsp上的时候。所以be对应的是通信网中低优先级、预先传送的流量。
5结束语
本文主要讨论了具有qos保证的mpls网络生存性策略，包括保护模型和恢复机制。保护为业务提供了快速修复功能但网络利用率较低；恢复能优化恢复路径且能满足更多的工作lsp和恢复lsp的请求，其缺点是恢复速度慢。保护和恢复都有各自的优缺点，所以保证qos的生存性策略的选择要由业务和恢复的具体要求所决定。最后以mpls中diffserv模型的生存性策略为例，根据不同的业务类型分析出各自的qos要求及其特征，选择出保证qos的不同生存性方法。
论文摘要：概述了保证qos的mpls网络生存性中各种保护和恢复策略，包括它们对qos的不同要求、算法思想、应用领域、各自的优缺点等。将mpls网络生存性与diffserv模型结合起来，针对不同的业务要求选出不同的保证qos的生存性方法。
0引言
多协议标签交换（mpls）是将ip层与链路层相结合的一种新的分组转发技术。它可以支持具有qos的流量和更高级别的生存性要求，从而加强ip网络的可靠性。考虑qos的网络设计关键是要考虑网络的生存性。网络生存性可以提供在不同网络层或时间段上运行的不同故障管理机制。在mpls网络中有故障发生时，其流量通常可以重新切换至备份标签交换路径（lsp）上。所以mpls提供的故障检测和故障恢复要比在其他网络协议或技术上更快、更有效。
最近，在互联网工程任务组（ietf）提出的草案［1］中详细描述了有关mpls生存性特有的优势：
(1)与底层恢复相比较，具有更好的恢复粒度；
(2)可以根据不同的服务要求选择相应的生存性策略；
(3)资源利用可行有效（如恢复路径已经降低了对网络性能的要求）；
(4)根据不同业务提供可保证qos的端到端恢复；
(5)利用了更低层的告警信号。
本文着重在于根据具体的要求选择出相应的保证qos的mpls生存性策略。分析了mpls网络生存性和qos恢复之间的关系,比较了mpls生存性中的各种保护模型及其优缺点。
1mpls网络生存性和qos恢复
图1总结了mpls网络生存性和qos恢复之间的关系。其中故障生存性（故障管理）的主要目的是用来预先建立一条路由（保护）、确定故障的位置（检测和定位）以及为受影响的连接重新选路（恢复）。保护是处理故障的首选机制，它在建立工作通路的同时就为受保护的流量预先规划保护资源（光纤、节点等）。恢复则是在检测到故障后，从网络空闲资源中为遭受中断的流量动态地配置另一条路由。
图1mpls中的网络生存性和qos恢复
除此之外，mpls网络中的qos恢复是用来衡量在一条光连接上针对具体业务所提出的生存性方法的性能。在这条光连接上所要求的qos通常是一系列的限制约束条件，如带宽、延迟、抖动性、包丢失性和可靠性等。例如，带宽限制具体是指根据用户需求建立的一条连接上所选择的路径应该具有足够的带宽以满足要求。具体mpls中保证qos的不同生存性策略将在以下几个部分详细介绍。
2保证qos的mpls保护模型
通常mpls网络中提供保护的方法是在故障发生时，依据网络选路方法、工作通路上流量的具体qos恢复要求以及对路径优化管理的考虑，将受故障影响的流量切换至预先建立的一条备份lsp。以图2所示的mpls保护方法模型为例，概述了几种保护模型［1］，详细比较了其优缺点，从而解释了这些保护方法在提出的保证qos的mpls保护策略中的具体应用。
图2保证qos的mpls保护模型
（1）全局保护
在此模型中，保护通常由入口节点（lsr1）开始，而与工作通路（1-3-5-6）上故障发生的位置无关。该方法中每条工作通路（1-3-5-6）都有另一条与之不相连的备份通路（1-2-4-6）。此方法适用于每条工作通路仅建立一条备份通路且仅为保护切换lsr（psl）或保护合并lsr（pml）提供两个lsr的情况。另一方面，由于恢复时间长，全局保护的代价很高。这样很容易导致包丢失现象。该方法可通过建立lsp并按照实际需求预留资源的方法用于保护一些低qos要求的流量。
（2）局部修复
局部修复的目的在于保护工作通路的某一部分（3-5-6）以防发生链路或节点故障。在此方法中，保护过程从故障出现的节点开始，仅利用一条lsp备份子段（3-4-6）就可以完成保护。该方法的缺陷在于多条备份段（任何时候只要有保护要求就会建立备份段）的配置问题上。这将导致保护过程复杂化和资源利用的不合理。局部修复给入口节点提供了透明度且恢复时间比全局模型低。它可通过预先建立lsp并预留资源的方法用于保护一些高qos要求的流量。
（3）反向备份
该方法的主要思想是将受保护lsp（1-3-5-6）上发生故障时的流量经由一条反向备份lsp（3－1）传至源节点（入口节点lsr1），再经由备份通路（1-2-4-6）完成保护。该方法特别适用于对包丢失敏感的流量，它可使故障指示简化。不足之处在于资源利用率低，因为每个保护域中都需要正、反向两条备份；另一个缺点是它发送反向故障指示至入口节点所花费的时间较长。因而可以选择此种方法，通过预先建立lsp并按照实际需求预留资源的方式来保护一些对qos要求不是很高的流量。
（4）动态多级保护
与以上单个保护方法（全局模型、局部修复或反向备份）相比，mpls动态多级保护为了满足网络环境中高程度的保护要求，可通过利用qos在线方法动态地建立起来。多级是指同时运用两种或两种以上的保护方法；动态是指根据不同qos参数可选取不同的保护方法。
多级保护适用于网络中出现多个故障的情况。在图3（a）中，如果在修复过程中节点6或链路1-6、6-7再次出错，流量将会切换至路由（1-2-3-7-5）上以避免备份链路和节点的故障。另一个例子如图3（b）所示，当局部修复和链路3-7出现故障时，如果应用另一条备份机制（如全局模型）就可以避免这些修复时出现的故障。
图3多级保护应用
3保证qos的恢复机制
提供qos保证的关键是如何选取满足qos要求的路径。解决此问题的方法就是qos重新选路（qosrerouting）。这也是mpls生存性策略中恢复机制的核心问题所在。根据恢复范围的不同和恢复路径建立方式的不同分别介绍保证qos的mpls恢复策略。
3.1部分路径恢复和路径恢复
按照恢复范围的不同，恢复可以是仅围绕出错链路或节点局部地修复，也可以是经由入口节点至出口节点的全局恢复。这与保护模型类似。
部分路径恢复试图找出另一条经检测到故障发生的下行lsr至入口lsr的路由，用以恢复任何可能存在的上行链路或节点故障。每一条受影响连接的恢复过程包括以下三个步骤：
（1）检测到故障后，发生故障的下行lsr必须沿备份路由反向发送恢复请求（rr）消息以检查预先选择的备份路由是否有足够的资源。如果没有足够的资源，备份路由上的lsr则会终止rr消息的发送并前向返回一条释放消息至下行lsr。
（2）接收到释放消息后，下行lsr将按照步骤（1）重新检查其他候选备份路由是否有足够的资源。如果rr消息成功地沿着候选路由发送，恢复过程将执行步骤（3）。当一系列可行的候选备份路由都用尽且没有成功，那么保证qos的恢复连接建立失败。
（3）如果rr消息成功传递至入口lsr，那么入口lsr将改变它的路由表，将流量由出错链路切换至备份路由上。
路径恢复比起部分路径恢复更灵活。因为它将整条出错的lsp切换至另一条经出口lsr至入口lsr的通路上。其他的恢复过程类似于部分恢复的三个步骤；不幸的是路径恢复的恢复时间可能要比部分路径恢复长得多。
rr消息和释放消息对于保证qos的部分路径恢复以及路径恢复是相当重要的。前者是用于qos重新选路的标签分配消息。它所含的内容包括识别受影响的连接、标签、qos参数（包丢失率、包延迟等）、流量特征、出错链路以及上行/下行lsr。后者不仅包含前者的一些信息，还包括识别拒绝请求的lsr及原因，这使得备份路由上的资源分配更清晰。
3.2按需建立和预审建立
根据恢复通路建立方法的不同，保证qos的恢复机制还可更进一步地分为按需建立（establish－on－demand）和预审建立（pre－qualified）两类。前者在检测到故障后开始计算并建立一条恢复通路；而后者即便是已经计算好恢复通路却仅在故障发生时才开始建立。
一种按需建立恢复方法被称之为两步恢复技术［3］。它运用了改进的dijkstra算法，在入口lsr执行恢复程序的位置上建立一条临时旁路隧道。算法利用了现存的信息（如局部节点最短路径树、出错链路和分离的下行节点）以减少故障消息的传递时间和内部网关协议（igp）的更新时间，因而也能降低建立一条旁路隧道所需的时间。一旦所有的lsr都完成了流量的重新选路，建立在出错上行节点上的旁路隧道就被拆毁。实验表明按需建立比起预审建立要快五倍，但是这种恢复策略仅针对的是单个链路故障。
预审建立的恢复方法有很多。文献[4]中介绍的方法是现有预审建立机制的改进。它能减少恢复时间，但是需要频繁更新，以确保当网络状态改变时恢复通路依然保持最优化。在该方法中现存igp的更改用于更新lsr上的网络信息，如具有流量工程扩展的开放最短路径优先协议（ospf－te）。模拟结果表明，这种新方法虽然可以使恢复时间减少，但是它对来自lsr的额外资源要求很高，如cpu、内存等。
一般来说，恢复机制由于需要计算新路由以及为新建立的lsp预留资源，非常耗时。尽管如此但恢复的代价小，因为如果网络中没有故障出现则不需要预留额外的资源。
4mpls中区分业务（diffserv）的生存性策略
mpls生存性要求结合具体服务类型选择合适的生存性策略以保证必需的qos。根据ietf提出的diffserv草案［5］，将业务类型扩展为以下四种类型，即用来传输实时流量的加速转发（expeditedforwarding，ef）类型、针对允许不同丢失程度流量的两种可确定转发（assuredforwarding，af1、af2）类型，还有更一般的即无qos要求的尽力而为（besteffort，be）类型。
根据这些业务类型及其各自的恢复要求和qos要求提出具体业务的生存性策略。表1是所提出的业务类型及其相应的生存性策略的选择。
业务类型efaf1af2be
恢复要求高中等低等无
qos要求实时丢失甚少丢失少无
恢复时间10－100ms100ms－1s1－10s不确定
生存性策略保护恢复恢复优先传送
恢复路径建立预先建立按需，立即按需，延时无
资源分配预留按需（确保）按需（如果有）无
恢复后的qos等同可能暂时降低可能降低无
（1）ef：高恢复要求
像ef这种具有高恢复要求的服务所选择的生存性策略是保护模型（包括局部修复和全局模型）。它应该通过预定义保护路径的方式分配一条lsp。另外，mpls网络利用信令协议中扩展的受限选路方法在另一条与之分离的明晰路由上传递信令。当检测到链路或节点故障后，网络将丢弃低优先级的流量并转换至另一条路由的lsp上。
（2）af1：中等恢复要求
针对af1这种具有中等恢复要求的服务可选择恢复机制，用于检测到故障后建立修复路径的地方。在lsp的建立过程中，仅仅只有一条lsp用于传递网络间的信令。但是资源管理必须要预留出足够的空闲资源，以防出现故障时可以找到另一条满足qos要求的路径。为了达到所要求的恢复时间，此类服务的生存性策略要求快速故障检测在几微秒之内。
（3）af2：低恢复要求
对于af2这种低恢复要求的流量，没有mpls恢复可配置，也没有多余的资源或路径被预留。在故障出现后，网络仅在ef和af1恢复完成后才考虑恢复其受影响的流量。ef和af1在延迟时间内有足够的时间完成恢复，因而可确保在这段时间内供af2可选择的路径没有占用af1恢复时所需用的空闲资源。延迟时间一过，mpls信令才建立一条qos要求可能已经降低了的lsp。
（4）be：无恢复要求
当mpls域内没有故障发生时，be中低优先级的lsp利用更高恢复要求业务（ef或af2）所需的保护资源和空闲资源，被视为额外流量进行传输。如果一旦发现网络故障，它的包很可能被丢弃。这种情况通常发生在没有足够的空闲资源为af1和af2恢复所获得的情况下，或是当be流量传输在ef的保护lsp上的时候。所以be对应的是通信网中低优先级、预先传送的流量。
5结束语
本文主要讨论了具有qos保证的mpls网络生存性策略，包括保护模型和恢复机制。保护为业务提供了快速修复功能但网络利用率较低；恢复能优化恢复路径且能满足更多的工作lsp和恢复lsp的请求，其缺点是恢复速度慢。保护和恢复都有各自的优缺点，所以保证qos的生存性策略的选择要由业务和恢复的具体要求所决定。最后以mpls中diffserv模型的生存性策略为例，根据不同的业务类型分析出各自的qos要求及其特征，选择出保证qos的不同生存性方法。
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