基于差分服務的MPLS流量工程優化研究

鐘興宇，韓 梅，范琦軍（天津理工大學聾人工學院，天津 300384）

1 概述

互聯網正在經歷著從提供盡力而為的簡單服務向多服務相互融合發展的迅速轉變［1］。為了應對數據骨干網中激增的業務流量，ISP 必須快速協調更多的網絡資源和引入新型網絡架構，以滿足持續增長的用戶需求［2］。在此背景下，MPLS網絡因其在性能上優于傳統IP 網絡，在運營商骨干網中得到了廣泛的應用，但如何實現合理的流量調配仍然是大規模MPLS 網絡設計中需要考慮的問題。目前，底層采用IGP 協議承載的傳統MPLS 網絡采用拓撲驅動，各節點之間的路由并不考慮鏈路帶寬、服務質量等因素，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行轉發。這樣，流量往往會集中于最短路徑，導致網絡資源的整體利用率不高、負載不均衡。

此外，網絡中的突發流量和擁塞是難以避免且不可預測的。業務延遲和抖動在網絡傳輸中隨著距離的增加，呈現出疊加和放大的效應，嚴重時會導致網絡傳輸質量下降甚至不可用。而在現網中，MPLS 網絡承載的業務多種多樣，如IP 語音、視頻會議、網頁數據等，對MPLS 網絡的傳輸質量也提出了更高的要求。一旦網絡擁塞產生，某些實時性較強的業務（如語音、視頻會議等）的端到端延遲和抖動也無法得到相應的保障。

2 相關技術原理

2.1 MPLS-TE簡介

隨著現代網絡的飛速發展，單純地提升MPLS 骨干網的傳輸帶寬已無法滿足日益增長的用網需求。如何采取有效手段將業務流量進行精確的引導和管理，使得業務能夠獲得更優的傳輸鏈路，實現網絡資源的最大限度利用并提升關鍵業務性能，從而達到流量工程的目標，是當下研究的重點［3-4］。MPLS 網絡作為一種網絡疊加模型，具備組網靈活、可擴展性強的優勢，可以很便捷地在原有IGP 網絡上構建出一個虛擬的網絡，然后將業務流量映射到這個虛擬網絡上。因此，將MPLS 與流量工程相結合的技術應運而生，即MPLS-TE 技術。由于MPLS-TE 的負載是基于源的路由，并非傳統網絡中基于目的的路由，因此它支持對MPLS 網絡流量進行合理的路徑規劃、流量調優和故障保護等。這降低了網絡擁塞產生的可能性，增強了對VPN 業務的控制和保護，實現了網絡資源的合理調配。

2.2 DiffServ模型簡介

差分服務（Differentiated Service，DiffServ）模型由RFC2475 定義，是目前廣域網中應用最廣泛的QoS 保障模型［5］。在該模型中，定義了2 種行為：業務的分類和調節。具體流程是先將IP 頭部中業務類型（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個可用的服務代碼點，不同的業務類別由DSCP 字段標識［6］，總共可定義出64 種不同的服務類型；邊緣設備再根據用戶預先定義的規則將網絡中的不同業務進行區分，將DSCP 優先級按類標記在報文頭部中。然后，網絡中的各個節點就可以根據報頭中攜帶的DSCP 優先級有差別地提供相應的服務，使其擁有不同的優先轉發、丟包率、延遲等，這種行為被稱為逐跳行為（Per-hop Behavior，PHB）。

PHB本質上就是設備通過QoS對業務報文執行的一系列操作，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，對轉發的服務質量不做任何要求。

b）確保轉發（Assured Forwarding，AF）PHB：可以提供有保障的帶寬服務，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務。

c）加速轉發（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務，如語音、視頻會議等對延遲和抖動十分敏感的實時性業務。

3 基于DiffServ的MPLS-TE網絡模型

新一代骨干網承載了語言、視頻等實時互動業務，這些業務對網絡的延遲、抖動都非常敏感，因對網絡的傳輸質量提出了更高的要求。而傳統的MPLS 網絡僅僅提供盡力而為的傳輸服務，無法滿足實時性業務的QoS 需求。在網絡資源不足時，關鍵的實時性業務無法得到可靠的服務質量保證。

MPLS-TE 和DiffServ 模型是處理網絡流量的2 個標準。MPLS-TE 能夠根據需求在報文轉發前建立端到端的LSP，實現網絡資源的合理調配，但它不能為每個經MPLS網絡傳輸的業務提供差異化的服務質量［8］。而DiffServ 模型可以根據業務類型對報文進行分類，進行優先級標記后提供特定的服務，但它缺乏端到端的LSP 路由策略［9］，無法解決網絡資源分配不合理而引發的擁塞問題。

然而，它們具有很大的相似性，都是在MPLS 網絡中的邊緣設備上對業務報文進行分類或標記，然后中間設備根據標記執行相應的處理。在MPLS 網絡中，LER 設備是根據目的地相同的路由生成FEC，在IP 頭部封裝MPLS 標簽，然后LSR 設備根據攜帶的MPLS 標簽查找標簽轉發表，執行標簽交換和轉發；在DiffServ模型中，邊緣設備根據服務水平協議（Service Level Agreement，SLA）對報文進行DSCP 優先級映射，然后內部設備根據DSCP 優先級進行相應的報文調度和整形?？梢?，MPLS-TE 網絡面向連接的特性，非常適合成為DiffServ 模型的載體，可以解決網絡資源負載不均衡導致的擁塞問題；而DiffServ 模型具有的集中管理、可擴展性強等優勢，也非常契合MPLS 網絡中轉控分離的特點，可以解決傳統MPLS-TE網絡無法根據業務類型為關鍵業務提供QoS的問題。

因此，本文將MPLS-TE 和DiffServ 模型進行結合，進一步提出了基于DiffServ 的MPLS-TE 網絡模型，通過將不同服務類型的業務流與LSP 進行映射，對業務流量進行精準的引導及控制，使流量經過的路徑符合流量工程的約束條件。這樣能夠實現優化MPLS 網絡資源利用率，提升關鍵業務的傳輸性能的目標，增強MPLS網絡的靈活性和可擴展性。

4 仿真實驗

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

圖1 基于MPLS的傳統網絡拓撲

圖2 基于DiffServ的MPLS-TE網絡拓撲

該MPLS 網絡中配置了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 臺服務器，其中Server1 用于支持視頻會議業務，Server2 用于支持FTP 業務，Server3 用于支持E-mail 業務?？蛻舳伺cLER1、服務器與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絡擁塞現象，各網絡設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，每臺網絡設備都開啟了MPLS 功能，MPLS 網絡底層采用OSPF 協議承載。此外，還設計了3 組標準應用來模擬網絡中的業務流量，它們分別為視頻會議業務、FTP 業務和E-mail 業務。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MPLS 網絡中的所有業務均采用盡力而為的服務質量；而在基于DiffServ 模型的MPLS-TE網絡中，視頻會議業務的DSCP 優先級被設置為EF，FTP 業務被設置為AF，然后定義相應的PHB 處理機制。這里采用基于DSCP 的加權公平隊列（Weighted Fair Queueing，WFQ），并關聯相應的接口。當網絡擁塞產生時，設備能夠根據報文特征將其分類并送入相應的隊列。當出隊時，WFQ 會根據優先級來分配各隊列應占有的出口帶寬，高優先級的視頻會議業務會得到優先的數據傳輸處理，從而實現了對不同業務的差異化服務。

配置完成后，仿真一個小時的網絡活動，選取視頻會議業務作為關鍵業務，收集傳統MPLS 網絡和基于DiffServ 模型的MPLS-TE 網絡中關鍵業務的性能指標，對優化前后MPLS 網絡的傳輸性能進行評估。相關統計結果如圖3 和圖4 所示。其中，藍色的線表示傳統MPLS 網絡，紅色的線表示基于DiffServ 的MPLSTE網絡。

圖3 優化前后的視頻會議延遲對比

圖4 優化前后的視頻會議抖動對比

由圖3 和圖4 可知，盡管設備間的鏈路帶寬僅為2 Mbit/s，承載FTP 業務（4 Mbit/s）和視頻會議（1 Mbit/s）等業務時，引發了嚴重的網絡擁塞。然而，應用了基于DiffServ 的MPLS-TE 網絡模型后，視頻會議的傳輸延遲和抖動始終穩定在很低的水平。由此可見，即使視頻會議業務流和其他業務在同一條擁塞的鏈路上傳輸，基于DiffServ 的MPLS-TE 網絡模型也能為關鍵業務提供所需的服務質量。

綜上所述，基于DiffServ 的MPLS-TE 網絡模型實現了網絡資源的合理調配，解決了傳統MPLS 網絡無法提供QoS 的問題，在優化實時性業務的傳輸性能方面優勢顯著。

5 結束語

MPLS-TE 和DiffServ 模型是提升骨干網絡性能的關鍵方案。在詳細闡述MPLS-TE 和DiffServ 模型的基礎上，本文進一步提出了基于DiffServ 的MPLS-TE 網絡模型，并設計實驗對網絡業務進行仿真分析。實驗結果表明，應用了基于DiffServ 的MPLS-TE 網絡模型后，在網絡擁塞的情況下，實時性業務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越性。