基于差分服务的MPLS流量工程优化研究

钟兴宇，韩 梅，范琦军（天津理工大学聋人工学院，天津 300384）

1 概述

互联网正在经历着从提供尽力而为的简单服务向多服务相互融合发展的迅速转变［1］。为了应对数据骨干网中激增的业务流量，ISP 必须快速协调更多的网络资源和引入新型网络架构，以满足持续增长的用户需求［2］。在此背景下，MPLS网络因其在性能上优于传统IP 网络，在运营商骨干网中得到了广泛的应用，但如何实现合理的流量调配仍然是大规模MPLS 网络设计中需要考虑的问题。目前，底层采用IGP 协议承载的传统MPLS 网络采用拓扑驱动，各节点之间的路由并不考虑链路带宽、服务质量等因素，仅是简单地将去往目的地的开销作为度量值进行累加，通过计算出达到目的地的最短路径来执行转发。这样，流量往往会集中于最短路径，导致网络资源的整体利用率不高、负载不均衡。

此外，网络中的突发流量和拥塞是难以避免且不可预测的。业务延迟和抖动在网络传输中随着距离的增加，呈现出叠加和放大的效应，严重时会导致网络传输质量下降甚至不可用。而在现网中，MPLS 网络承载的业务多种多样，如IP 语音、视频会议、网页数据等，对MPLS 网络的传输质量也提出了更高的要求。一旦网络拥塞产生，某些实时性较强的业务（如语音、视频会议等）的端到端延迟和抖动也无法得到相应的保障。

2 相关技术原理

2.1 MPLS-TE简介

随着现代网络的飞速发展，单纯地提升MPLS 骨干网的传输带宽已无法满足日益增长的用网需求。如何采取有效手段将业务流量进行精确的引导和管理，使得业务能够获得更优的传输链路，实现网络资源的最大限度利用并提升关键业务性能，从而达到流量工程的目标，是当下研究的重点［3-4］。MPLS 网络作为一种网络叠加模型，具备组网灵活、可扩展性强的优势，可以很便捷地在原有IGP 网络上构建出一个虚拟的网络，然后将业务流量映射到这个虚拟网络上。因此，将MPLS 与流量工程相结合的技术应运而生，即MPLS-TE 技术。由于MPLS-TE 的负载是基于源的路由，并非传统网络中基于目的的路由，因此它支持对MPLS 网络流量进行合理的路径规划、流量调优和故障保护等。这降低了网络拥塞产生的可能性，增强了对VPN 业务的控制和保护，实现了网络资源的合理调配。

2.2 DiffServ模型简介

差分服务（Differentiated Service，DiffServ）模型由RFC2475 定义，是目前广域网中应用最广泛的QoS 保障模型［5］。在该模型中，定义了2 种行为：业务的分类和调节。具体流程是先将IP 头部中业务类型（Type of Service，ToS）字段的前6位重新定义为DSCP字段，后2位为保留位，称为CU（currently unused）。此时DSCP字段共存在64个可用的服务代码点，不同的业务类别由DSCP 字段标识［6］，总共可定义出64 种不同的服务类型；边缘设备再根据用户预先定义的规则将网络中的不同业务进行区分，将DSCP 优先级按类标记在报文头部中。然后，网络中的各个节点就可以根据报头中携带的DSCP 优先级有差别地提供相应的服务，使其拥有不同的优先转发、丢包率、延迟等，这种行为被称为逐跳行为（Per-hop Behavior，PHB）。

PHB本质上就是设备通过QoS对业务报文执行的一系列操作，如流量整形、丢弃、限速等等。IETF 定义了多种PHB，它们大致可以分为3种：BE、AF、EF［7］。

a）尽力而为（Best Effort，BE）PHB：是默认的PHB，仅提供尽力而为的服务，对转发的服务质量不做任何要求。

b）确保转发（Assured Forwarding，AF）PHB：可以提供有保障的带宽服务，一般用于分配给需要带宽保障，且对延迟、抖动要求不敏感的业务。

c）加速转发（Expedited Forwarding，EF）PHB：一般用于分配给低延迟、低抖动、低丢包率和需要带宽保证的业务，如语音、视频会议等对延迟和抖动十分敏感的实时性业务。

3 基于DiffServ的MPLS-TE网络模型

新一代骨干网承载了语言、视频等实时互动业务，这些业务对网络的延迟、抖动都非常敏感，因对网络的传输质量提出了更高的要求。而传统的MPLS 网络仅仅提供尽力而为的传输服务，无法满足实时性业务的QoS 需求。在网络资源不足时，关键的实时性业务无法得到可靠的服务质量保证。

MPLS-TE 和DiffServ 模型是处理网络流量的2 个标准。MPLS-TE 能够根据需求在报文转发前建立端到端的LSP，实现网络资源的合理调配，但它不能为每个经MPLS网络传输的业务提供差异化的服务质量［8］。而DiffServ 模型可以根据业务类型对报文进行分类，进行优先级标记后提供特定的服务，但它缺乏端到端的LSP 路由策略［9］，无法解决网络资源分配不合理而引发的拥塞问题。

然而，它们具有很大的相似性，都是在MPLS 网络中的边缘设备上对业务报文进行分类或标记，然后中间设备根据标记执行相应的处理。在MPLS 网络中，LER 设备是根据目的地相同的路由生成FEC，在IP 头部封装MPLS 标签，然后LSR 设备根据携带的MPLS 标签查找标签转发表，执行标签交换和转发；在DiffServ模型中，边缘设备根据服务水平协议（Service Level Agreement，SLA）对报文进行DSCP 优先级映射，然后内部设备根据DSCP 优先级进行相应的报文调度和整形。可见，MPLS-TE 网络面向连接的特性，非常适合成为DiffServ 模型的载体，可以解决网络资源负载不均衡导致的拥塞问题；而DiffServ 模型具有的集中管理、可扩展性强等优势，也非常契合MPLS 网络中转控分离的特点，可以解决传统MPLS-TE网络无法根据业务类型为关键业务提供QoS的问题。

因此，本文将MPLS-TE 和DiffServ 模型进行结合，进一步提出了基于DiffServ 的MPLS-TE 网络模型，通过将不同服务类型的业务流与LSP 进行映射，对业务流量进行精准的引导及控制，使流量经过的路径符合流量工程的约束条件。这样能够实现优化MPLS 网络资源利用率，提升关键业务的传输性能的目标，增强MPLS网络的灵活性和可扩展性。

4 仿真实验

本节设计了2个实验场景，分别为基于MPLS的传统网络和基于DiffServ 模型的MPLS-TE 网络，并采用OPNET Modeler 14.5进行模拟。OPNET 是一款仿真精度极高的网络仿真软件，且具有良好的可视化界面和丰富的仿真模型，因而在通信网络、应用的性能评估中得到了广泛的应用［10-12］。仿真拓扑如图1 和图2 所示。

图1 基于MPLS的传统网络拓扑

图2 基于DiffServ的MPLS-TE网络拓扑

该MPLS 网络中配置了5 台路由器，其中3 台LSR和2 台LER。此外，还配置了3 台PC 和3 台服务器，其中Server1 用于支持视频会议业务，Server2 用于支持FTP 业务，Server3 用于支持E-mail 业务。客户端与LER1、服务器与LER2 间均采用PPP_E3 相连，带宽为34.368 Mbit/s；为了更容易地模拟网络拥塞现象，各网络设备之间均采用带宽为2.048 Mbit/s 的PPP_E1进行连接。所有IP 地址均采用自动配置方式，每台网络设备都开启了MPLS 功能，MPLS 网络底层采用OSPF 协议承载。此外，还设计了3 组标准应用来模拟网络中的业务流量，它们分别为视频会议业务、FTP 业务和E-mail 业务。其中PC1 和Server1 之间的视频会议流量为1 Mbit/s，PC2和Server2之间的FTP 流量为4 Mbit/s，PC3和Server3之间的E-mail流量为1.5 Mbit/s。

其中，传统MPLS 网络中的所有业务均采用尽力而为的服务质量；而在基于DiffServ 模型的MPLS-TE网络中，视频会议业务的DSCP 优先级被设置为EF，FTP 业务被设置为AF，然后定义相应的PHB 处理机制。这里采用基于DSCP 的加权公平队列（Weighted Fair Queueing，WFQ），并关联相应的接口。当网络拥塞产生时，设备能够根据报文特征将其分类并送入相应的队列。当出队时，WFQ 会根据优先级来分配各队列应占有的出口带宽，高优先级的视频会议业务会得到优先的数据传输处理，从而实现了对不同业务的差异化服务。

配置完成后，仿真一个小时的网络活动，选取视频会议业务作为关键业务，收集传统MPLS 网络和基于DiffServ 模型的MPLS-TE 网络中关键业务的性能指标，对优化前后MPLS 网络的传输性能进行评估。相关统计结果如图3 和图4 所示。其中，蓝色的线表示传统MPLS 网络，红色的线表示基于DiffServ 的MPLSTE网络。

图3 优化前后的视频会议延迟对比

图4 优化前后的视频会议抖动对比

由图3 和图4 可知，尽管设备间的链路带宽仅为2 Mbit/s，承载FTP 业务（4 Mbit/s）和视频会议（1 Mbit/s）等业务时，引发了严重的网络拥塞。然而，应用了基于DiffServ 的MPLS-TE 网络模型后，视频会议的传输延迟和抖动始终稳定在很低的水平。由此可见，即使视频会议业务流和其他业务在同一条拥塞的链路上传输，基于DiffServ 的MPLS-TE 网络模型也能为关键业务提供所需的服务质量。

综上所述，基于DiffServ 的MPLS-TE 网络模型实现了网络资源的合理调配，解决了传统MPLS 网络无法提供QoS 的问题，在优化实时性业务的传输性能方面优势显著。

5 结束语

MPLS-TE 和DiffServ 模型是提升骨干网络性能的关键方案。在详细阐述MPLS-TE 和DiffServ 模型的基础上，本文进一步提出了基于DiffServ 的MPLS-TE 网络模型，并设计实验对网络业务进行仿真分析。实验结果表明，应用了基于DiffServ 的MPLS-TE 网络模型后，在网络拥塞的情况下，实时性业务的传输性能得到了显著提升，充分验证了该方案的可行性和优越性。