基于差分服務(wù)的MPLS流量工程優(yōu)化研究

鐘興宇，韓 梅，范琦軍（天津理工大學(xué)聾人工學(xué)院，天津 300384）

1 概述

互聯(lián)網(wǎng)正在經(jīng)歷著從提供盡力而為的簡單服務(wù)向多服務(wù)相互融合發(fā)展的迅速轉(zhuǎn)變［1］。為了應(yīng)對數(shù)據(jù)骨干網(wǎng)中激增的業(yè)務(wù)流量，ISP 必須快速協(xié)調(diào)更多的網(wǎng)絡(luò)資源和引入新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以滿足持續(xù)增長的用戶需求［2］。在此背景下，MPLS網(wǎng)絡(luò)因其在性能上優(yōu)于傳統(tǒng)IP 網(wǎng)絡(luò)，在運營商骨干網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用，但如何實現(xiàn)合理的流量調(diào)配仍然是大規(guī)模MPLS 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中需要考慮的問題。目前，底層采用IGP 協(xié)議承載的傳統(tǒng)MPLS 網(wǎng)絡(luò)采用拓撲驅(qū)動，各節(jié)點之間的路由并不考慮鏈路帶寬、服務(wù)質(zhì)量等因素，僅是簡單地將去往目的地的開銷作為度量值進行累加，通過計算出達到目的地的最短路徑來執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)。這樣，流量往往會集中于最短路徑，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源的整體利用率不高、負載不均衡。

此外，網(wǎng)絡(luò)中的突發(fā)流量和擁塞是難以避免且不可預(yù)測的。業(yè)務(wù)延遲和抖動在網(wǎng)絡(luò)傳輸中隨著距離的增加，呈現(xiàn)出疊加和放大的效應(yīng)，嚴(yán)重時會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量下降甚至不可用。而在現(xiàn)網(wǎng)中，MPLS 網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)多種多樣，如IP 語音、視頻會議、網(wǎng)頁數(shù)據(jù)等，對MPLS 網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量也提出了更高的要求。一旦網(wǎng)絡(luò)擁塞產(chǎn)生，某些實時性較強的業(yè)務(wù)（如語音、視頻會議等）的端到端延遲和抖動也無法得到相應(yīng)的保障。

2 相關(guān)技術(shù)原理

2.1 MPLS-TE簡介

隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，單純地提升MPLS 骨干網(wǎng)的傳輸帶寬已無法滿足日益增長的用網(wǎng)需求。如何采取有效手段將業(yè)務(wù)流量進行精確的引導(dǎo)和管理，使得業(yè)務(wù)能夠獲得更優(yōu)的傳輸鏈路，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的最大限度利用并提升關(guān)鍵業(yè)務(wù)性能，從而達到流量工程的目標(biāo)，是當(dāng)下研究的重點［3-4］。MPLS 網(wǎng)絡(luò)作為一種網(wǎng)絡(luò)疊加模型，具備組網(wǎng)靈活、可擴展性強的優(yōu)勢，可以很便捷地在原有IGP 網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建出一個虛擬的網(wǎng)絡(luò)，然后將業(yè)務(wù)流量映射到這個虛擬網(wǎng)絡(luò)上。因此，將MPLS 與流量工程相結(jié)合的技術(shù)應(yīng)運而生，即MPLS-TE 技術(shù)。由于MPLS-TE 的負載是基于源的路由，并非傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中基于目的的路由，因此它支持對MPLS 網(wǎng)絡(luò)流量進行合理的路徑規(guī)劃、流量調(diào)優(yōu)和故障保護等。這降低了網(wǎng)絡(luò)擁塞產(chǎn)生的可能性，增強了對VPN 業(yè)務(wù)的控制和保護，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)資源的合理調(diào)配。

2.2 DiffServ模型簡介

差分服務(wù)（Differentiated Service，DiffServ）模型由RFC2475 定義，是目前廣域網(wǎng)中應(yīng)用最廣泛的QoS 保障模型［5］。在該模型中，定義了2 種行為：業(yè)務(wù)的分類和調(diào)節(jié)。具體流程是先將IP 頭部中業(yè)務(wù)類型（Type of Service，ToS）字段的前6位重新定義為DSCP字段，后2位為保留位，稱為CU（currently unused）。此時DSCP字段共存在64個可用的服務(wù)代碼點，不同的業(yè)務(wù)類別由DSCP 字段標(biāo)識［6］，總共可定義出64 種不同的服務(wù)類型；邊緣設(shè)備再根據(jù)用戶預(yù)先定義的規(guī)則將網(wǎng)絡(luò)中的不同業(yè)務(wù)進行區(qū)分，將DSCP 優(yōu)先級按類標(biāo)記在報文頭部中。然后，網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點就可以根據(jù)報頭中攜帶的DSCP 優(yōu)先級有差別地提供相應(yīng)的服務(wù)，使其擁有不同的優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)、丟包率、延遲等，這種行為被稱為逐跳行為（Per-hop Behavior，PHB）。

PHB本質(zhì)上就是設(shè)備通過QoS對業(yè)務(wù)報文執(zhí)行的一系列操作，如流量整形、丟棄、限速等等。IETF 定義了多種PHB，它們大致可以分為3種：BE、AF、EF［7］。

a）盡力而為（Best Effort，BE）PHB：是默認的PHB，僅提供盡力而為的服務(wù)，對轉(zhuǎn)發(fā)的服務(wù)質(zhì)量不做任何要求。

b）確保轉(zhuǎn)發(fā)（Assured Forwarding，AF）PHB：可以提供有保障的帶寬服務(wù)，一般用于分配給需要帶寬保障，且對延遲、抖動要求不敏感的業(yè)務(wù)。

c）加速轉(zhuǎn)發(fā)（Expedited Forwarding，EF）PHB：一般用于分配給低延遲、低抖動、低丟包率和需要帶寬保證的業(yè)務(wù)，如語音、視頻會議等對延遲和抖動十分敏感的實時性業(yè)務(wù)。

3 基于DiffServ的MPLS-TE網(wǎng)絡(luò)模型

新一代骨干網(wǎng)承載了語言、視頻等實時互動業(yè)務(wù)，這些業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的延遲、抖動都非常敏感，因?qū)W(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量提出了更高的要求。而傳統(tǒng)的MPLS 網(wǎng)絡(luò)僅僅提供盡力而為的傳輸服務(wù)，無法滿足實時性業(yè)務(wù)的QoS 需求。在網(wǎng)絡(luò)資源不足時，關(guān)鍵的實時性業(yè)務(wù)無法得到可靠的服務(wù)質(zhì)量保證。

MPLS-TE 和DiffServ 模型是處理網(wǎng)絡(luò)流量的2 個標(biāo)準(zhǔn)。MPLS-TE 能夠根據(jù)需求在報文轉(zhuǎn)發(fā)前建立端到端的LSP，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的合理調(diào)配，但它不能為每個經(jīng)MPLS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)提供差異化的服務(wù)質(zhì)量［8］。而DiffServ 模型可以根據(jù)業(yè)務(wù)類型對報文進行分類，進行優(yōu)先級標(biāo)記后提供特定的服務(wù)，但它缺乏端到端的LSP 路由策略［9］，無法解決網(wǎng)絡(luò)資源分配不合理而引發(fā)的擁塞問題。

然而，它們具有很大的相似性，都是在MPLS 網(wǎng)絡(luò)中的邊緣設(shè)備上對業(yè)務(wù)報文進行分類或標(biāo)記，然后中間設(shè)備根據(jù)標(biāo)記執(zhí)行相應(yīng)的處理。在MPLS 網(wǎng)絡(luò)中，LER 設(shè)備是根據(jù)目的地相同的路由生成FEC，在IP 頭部封裝MPLS 標(biāo)簽，然后LSR 設(shè)備根據(jù)攜帶的MPLS 標(biāo)簽查找標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表，執(zhí)行標(biāo)簽交換和轉(zhuǎn)發(fā)；在DiffServ模型中，邊緣設(shè)備根據(jù)服務(wù)水平協(xié)議（Service Level Agreement，SLA）對報文進行DSCP 優(yōu)先級映射，然后內(nèi)部設(shè)備根據(jù)DSCP 優(yōu)先級進行相應(yīng)的報文調(diào)度和整形?？梢姡琈PLS-TE 網(wǎng)絡(luò)面向連接的特性，非常適合成為DiffServ 模型的載體，可以解決網(wǎng)絡(luò)資源負載不均衡導(dǎo)致的擁塞問題；而DiffServ 模型具有的集中管理、可擴展性強等優(yōu)勢，也非常契合MPLS 網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)控分離的特點，可以解決傳統(tǒng)MPLS-TE網(wǎng)絡(luò)無法根據(jù)業(yè)務(wù)類型為關(guān)鍵業(yè)務(wù)提供QoS的問題。

因此，本文將MPLS-TE 和DiffServ 模型進行結(jié)合，進一步提出了基于DiffServ 的MPLS-TE 網(wǎng)絡(luò)模型，通過將不同服務(wù)類型的業(yè)務(wù)流與LSP 進行映射，對業(yè)務(wù)流量進行精準(zhǔn)的引導(dǎo)及控制，使流量經(jīng)過的路徑符合流量工程的約束條件。這樣能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化MPLS 網(wǎng)絡(luò)資源利用率，提升關(guān)鍵業(yè)務(wù)的傳輸性能的目標(biāo)，增強MPLS網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴展性。

4 仿真實驗

本節(jié)設(shè)計了2個實驗場景，分別為基于MPLS的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和基于DiffServ 模型的MPLS-TE 網(wǎng)絡(luò)，并采用OPNET Modeler 14.5進行模擬。OPNET 是一款仿真精度極高的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，且具有良好的可視化界面和豐富的仿真模型，因而在通信網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用的性能評估中得到了廣泛的應(yīng)用［10-12］。仿真拓撲如圖1 和圖2 所示。

圖1 基于MPLS的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲

圖2 基于DiffServ的MPLS-TE網(wǎng)絡(luò)拓撲

該MPLS 網(wǎng)絡(luò)中配置了5 臺路由器，其中3 臺LSR和2 臺LER。此外，還配置了3 臺PC 和3 臺服務(wù)器，其中Server1 用于支持視頻會議業(yè)務(wù)，Server2 用于支持FTP 業(yè)務(wù)，Server3 用于支持E-mail 業(yè)務(wù)?？蛻舳伺cLER1、服務(wù)器與LER2 間均采用PPP_E3 相連，帶寬為34.368 Mbit/s；為了更容易地模擬網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象，各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間均采用帶寬為2.048 Mbit/s 的PPP_E1進行連接。所有IP 地址均采用自動配置方式，每臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都開啟了MPLS 功能，MPLS 網(wǎng)絡(luò)底層采用OSPF 協(xié)議承載。此外，還設(shè)計了3 組標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用來模擬網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)流量，它們分別為視頻會議業(yè)務(wù)、FTP 業(yè)務(wù)和E-mail 業(yè)務(wù)。其中PC1 和Server1 之間的視頻會議流量為1 Mbit/s，PC2和Server2之間的FTP 流量為4 Mbit/s，PC3和Server3之間的E-mail流量為1.5 Mbit/s。

其中，傳統(tǒng)MPLS 網(wǎng)絡(luò)中的所有業(yè)務(wù)均采用盡力而為的服務(wù)質(zhì)量；而在基于DiffServ 模型的MPLS-TE網(wǎng)絡(luò)中，視頻會議業(yè)務(wù)的DSCP 優(yōu)先級被設(shè)置為EF，F(xiàn)TP 業(yè)務(wù)被設(shè)置為AF，然后定義相應(yīng)的PHB 處理機制。這里采用基于DSCP 的加權(quán)公平隊列（Weighted Fair Queueing，WFQ），并關(guān)聯(lián)相應(yīng)的接口。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞產(chǎn)生時，設(shè)備能夠根據(jù)報文特征將其分類并送入相應(yīng)的隊列。當(dāng)出隊時，WFQ 會根據(jù)優(yōu)先級來分配各隊列應(yīng)占有的出口帶寬，高優(yōu)先級的視頻會議業(yè)務(wù)會得到優(yōu)先的數(shù)據(jù)傳輸處理，從而實現(xiàn)了對不同業(yè)務(wù)的差異化服務(wù)。

配置完成后，仿真一個小時的網(wǎng)絡(luò)活動，選取視頻會議業(yè)務(wù)作為關(guān)鍵業(yè)務(wù)，收集傳統(tǒng)MPLS 網(wǎng)絡(luò)和基于DiffServ 模型的MPLS-TE 網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵業(yè)務(wù)的性能指標(biāo)，對優(yōu)化前后MPLS 網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能進行評估。相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果如圖3 和圖4 所示。其中，藍色的線表示傳統(tǒng)MPLS 網(wǎng)絡(luò)，紅色的線表示基于DiffServ 的MPLSTE網(wǎng)絡(luò)。

圖3 優(yōu)化前后的視頻會議延遲對比

圖4 優(yōu)化前后的視頻會議抖動對比

由圖3 和圖4 可知，盡管設(shè)備間的鏈路帶寬僅為2 Mbit/s，承載FTP 業(yè)務(wù)（4 Mbit/s）和視頻會議（1 Mbit/s）等業(yè)務(wù)時，引發(fā)了嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)擁塞。然而，應(yīng)用了基于DiffServ 的MPLS-TE 網(wǎng)絡(luò)模型后，視頻會議的傳輸延遲和抖動始終穩(wěn)定在很低的水平。由此可見，即使視頻會議業(yè)務(wù)流和其他業(yè)務(wù)在同一條擁塞的鏈路上傳輸，基于DiffServ 的MPLS-TE 網(wǎng)絡(luò)模型也能為關(guān)鍵業(yè)務(wù)提供所需的服務(wù)質(zhì)量。

綜上所述，基于DiffServ 的MPLS-TE 網(wǎng)絡(luò)模型實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)資源的合理調(diào)配，解決了傳統(tǒng)MPLS 網(wǎng)絡(luò)無法提供QoS 的問題，在優(yōu)化實時性業(yè)務(wù)的傳輸性能方面優(yōu)勢顯著。

5 結(jié)束語

MPLS-TE 和DiffServ 模型是提升骨干網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵方案。在詳細闡述MPLS-TE 和DiffServ 模型的基礎(chǔ)上，本文進一步提出了基于DiffServ 的MPLS-TE 網(wǎng)絡(luò)模型，并設(shè)計實驗對網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進行仿真分析。實驗結(jié)果表明，應(yīng)用了基于DiffServ 的MPLS-TE 網(wǎng)絡(luò)模型后，在網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況下，實時性業(yè)務(wù)的傳輸性能得到了顯著提升，充分驗證了該方案的可行性和優(yōu)越性。