IP 網絡的保護與快速恢復

2019-11-03 09:08:23

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侯立民北方交通大學　　　摘要 Internet 的用戶規模增長及其多媒體實時業務的涌現對于ip網絡的可生存性提出新的要求。本文主要討論保證IP網絡可生存性的保護與快速恢復技術。

　　關鍵詞可生存性保護快速恢復

1 引言

　　隨著Internet的飛速發展，越來越多的人們特別是商業用戶將這一網絡作為提供協同工作、電子商務、教育和休閑娛樂的一條便捷途徑。對于商業用戶而言，即使短時間的業務中斷也會產生嚴重的影響。如何防止業務中斷或者在中斷不可避免時將業務的損失降至最低成為一個關鍵問題，IP網絡的可生存性成為網絡設計中必須考慮的一個方面。網絡的可生存性是指出現故障時網絡提供持續業務的能力，它是通過保護和恢復方案來實現的。如何使IP網絡適應越來越多的具有實時和業務級要求的應用成為當前業界、研究界共同關注的熱點問題。在這方面現有IP網絡的動態路由技術與TCP可靠傳輸機制的結合已可使IP網絡具有很好的可生存能力。但是IP動態路由過程一般需要幾十秒鐘，難以滿足IP實時、準實時業務的QoS要求。網絡規模的日益擴大使這一問題更加嚴重。再者，對于大規模的ISP而言，其核心網絡是由光鏈路（2.5Gbit/s、10Gbit/s或更高容量）互連的路由器構成，每一條鏈路上都承載著巨大的業務量，鏈路或路由器故障會引起嚴重的業務損失。最近發生的中美海底電纜中斷對Internet用戶所帶來的影響之嚴重是眾所周知的。因此，要滿足用戶對業務可靠性、可用性、完整性的需求，引入更快更強的保護和恢復技術，使IP網絡具有更強的可生存性，對于IP網絡而言已越來越重要。

　　目前，研究界和業界都在致力于這方面的研究，提出很多新的方案。其中有基于IP層的技術，如多路徑負載分擔、多協議標簽交換（MPLS）等；也有基于底層光網絡的方案，如利用SDH的APS功能，利用WDM的波長保護功能等；更有一些新的技術，如多協議波長交換（MPLmS）等可以促進IP與光網的融合。據Cisco的Chris Metz預言這些技術的結合將使IP網絡達到電信網所要求的99.999%可用性成為可能。

2 保護與恢復

　　保護與恢復都是針對網絡故障時，將故障連接/設備上的業務流導向備用連接/設備，從而保證業務連續性的技術，二者的主要區別在于對備用路徑的選擇方式上。保護是在建立連接或規劃設計網絡時，也就是在網絡故障發生之前，預留專門用于保護的網絡資源，因而這種方式對網絡資源的利用率低，但可以保證100%的業務恢復和較快的業務恢復速度，例如SDH的自動保護切換（APS）和自愈環（SHR）均屬此類方式。而恢復是當網絡發生故障時，在網絡中動態地尋找具有空閑容量的網絡資源，不需要預留資源，但有可能出現當故障發生時無空閑資源可用的情形，從而導致無法保證100%的業務恢復，并且所需的恢復時間較長，如IP動態路由過程。

　　對網絡中的節點（節點中的設備）、兩個直接相鄰節點間的鏈路或端到端路徑均可實施保護或恢復，來保證全網的可生存性。對關鍵的節點設備主要采用冗余配置（如1:1或1:Ｎ）保護切換方案。對于鏈路或路徑的保護可以采用保護或恢復的方式，方案的選擇主要依據所需保證的業務恢復程度、恢復速度與備用資源可用性及代價進行折衷判決。

　　IP網絡中備用路徑選擇的優劣和快慢與路由器拓撲數據的精確程度、網絡的規模和拓撲形式直接相關。實際上，路徑選擇收斂過程是某種形式的“信令”（因為拓撲信息必須在網中傳遞），會延長恢復過程。因此在鏈路和路徑層上，就業務的快速恢復而言，理想的做法當然是采用保護方案，預先建立備用路徑，以便檢測到主用路徑上故障后可以立即倒換至備用路徑上。但這是以網絡資源利用率的降低為代價的。因而對于IP網絡、以及IP-over-SDH或IP-over-WDM等引入光網絡傳送能力的網絡而言，需針對核心網與邊緣網，基本業務與增值業務等的不同特點與需要，確定不同的方案來保證網絡的生存性。

3 IP層保護與恢復方案

3.1 IP動態路由——傳統的IP恢復方案

　　采用IP的動態路由協議可以動態地發現可連接的處于工作狀態的路由器，使得IP路由可以對網絡的故障自適應。動態路由是通過在相鄰的路由器之間交換控制信息來實現的，這里所說的控制信息是指刷新路由器的路由表所需的信息。這種路由方式可以保證在鏈路或節點故障時對IP分組重新選路。該協議保證網絡具有與物理層無關的可生存性。

　　故障檢測一般有兩種實現方式，一種是由本地路由器檢測到故障后，利用路由控制消息協議(如ICMP，Internet Control Message PRotocol）通知鄰近的路由器。另一種故障檢測方式是利用某些背景消息（如Keepalive和Hello）的計時器的超時來通告故障的出現。路由器得知故障出現后，重新計算受影響的路由，刷新它的路由表，利用OSPF或BGP-4協議的UPDATE消息向鄰近路由器通告發生的變化，最終各路由器收斂到統一的路由之上。

　　動態路由協議可以有效地利用網絡的空閑資源，靈活地對拓撲變化做出反應。但是所需的恢復時間長，一般為幾十秒至幾分鐘，行為不可預測。

3.2 改進的IP恢復方案

　　1. ECMF

　　為了縮短恢復時間，多路徑的拓撲設計引入到某些應用之中。冗余路徑的設計為故障出現時重選其他路由提供可能，但是需要更大的設備投資。為了提高設備利用率，也可以采用在主備用路徑之間分擔負荷的方式，即所謂的“等代價多路徑轉發”（ECMF）。OSPF、IS-IS等路由協議支持ECMF，不過采用ECMF意味著每個路由器都需要在轉發表中為同一目標地址保存多個下一跳表項。

　　對于路徑的選擇有兩種方法供使用，即基于分組的循環方式和基于流的方式。前一種方式是在分組的基礎上輪流使用每條路徑，同一個流的分組從不同路徑傳送所經歷的時延不同。致使接收方增加了重新排序的負擔，并且吞吐量也會下降。后一種方法根據分組頭中的源、目的地址計算散列（Hash）找到一個特定的通往目的地的下一跳。每一特定流中的全部分組都經由同一路徑，從而使網絡具有更好的穩定性。

　　ECMF方法不僅對于負荷均衡有利，而且一定程度上有利于業務保護與恢復。當一條路徑上出現節點/鏈路故障時，至少還有一部分數據包可沿其他路徑繼續傳送至目的地。這些保持正常狀態的工作路徑可以繼續使用，直到IP路由收斂過程完成，路由器中生成新的路由表。

　　2. 分級網絡組織結構

　　為了縮短路由收斂時間，OSPF、IS-IS等分級鏈路狀態路由協議將網絡分成多個區域網絡結構，將路徑計算和路由更新信息擴散的范圍限制在受影響的區域內，使網絡具有較好的可擴展性。

　　3. 減少隱式故障檢測時間

　　在鏈路狀態路由協議中減小“Hello”消息計時器的時限，可更加頻繁地發送Hello消息，從而更加迅速地發現故障。其代價是控制消息的開銷增大。

　　與縮短Hello消息的超時相類似的另一種方案是采用通過ICMP ECHO請求消息所實現的快速速率探測（Pinging），其代價也是增加控制消息負荷。

3.3 MPLS保護交換

　　這種保護方式可以克服動態路由的時延長的缺陷。通過在分組頭上追加一個標簽棧，可以建立一系列標簽交換路徑（LSP），利用 LSP 作為保護路徑，可以實現業務的保護或恢復。

　　保護路徑的選擇方式主要包括靜態的預先建立和動態的故障后搜索兩種。預先建立方式因保護路徑是在故障出現之前預先建立好的，因而故障發生后的業務恢復速度很快，這種方式也稱為快速再選路（Rerouting）方式。預先建立的保護路徑應與工作路徑上的節點和鏈路分離，保護路徑上的網絡資源可以預留，也可在工作路徑正常時動態地分配給低優先權業務使用。工作路徑一旦發生故障，讓位給原來由工作路徑承載的業務。動態搜索方式則是上游LSR（標簽交換路由器）在得到故障通知后，再利用QoS路由協議和信令協議選擇保護路徑和預留資源，這種方式的故障恢復速度相對前一方式較慢，但上游LSR可以計算出一條優化的路徑，對于網絡資源的利用和業務量均衡更具優勢，因此也稱優化再選路方式?？焖僭龠x路雖能保證無間斷的業務恢復，但卻難以保證所選的保護路徑是最優路徑。所用信令可以是針對MPLS擴展的資源預留協議（RSVP-MPLS）也可以是標簽分配協議（LDP）或基于約束的LDP（CR-LDP）。為保證快速再選路的成功，可定期重新計算保護路徑，以便可能達到最優。

　　MPLS的再選路層次分為鏈路級和路徑級。鏈路級再選路是在故障鏈路兩端的兩個LSR之間尋找一條保護路徑；路徑級再選路是在入口LSR與出口LSR之間尋找一條保護路徑，也稱為邊到邊再選路，該路徑與故障路徑完全無關。

　　這兩種方式也各有特點，鏈路級再選路的優點是簡單、快速，但對節點故障、多鏈路故障的處理較困難，而路徑再選路則相對復雜，但對節點故障、多鏈路故障的處理，能力較前者更強。在兩個層次上保護路徑選擇的兩種方法均可使用。

　　若希望保證快速故障恢復的可靠性，可沿預先建立的保護路徑預留資源，這對于網絡資源的利用率當然會有影響，但若不預留資源則不能保證在將業務流再選路至保護路徑時提供所需的QoS。

　　目前MPLS保護和恢復方案尚未成熟，但卻是一種極有潛力的技術。它的故障檢測可以利用多種現有技術實現，如基于SDH的告警、光層的檢測技術或基于IP的KEEPALIVE、HELLO和ECHO等消息，均可保證幾十毫秒至幾百秒的檢測時間。利用CR-LDP或RSVP-MPLS等信令協議，MPLS可以實現幾十毫秒至幾百秒的業務恢復速度。這一技術已得到生產商的廣泛接受。

4 基于光網絡的保護與恢復

　　對于帶寬的無止境的追求促使很多業務提供商將光網絡傳送能力引入IP網絡。IP-over-SDH，IP-over-WDM等傳送方案應運而生。在這類網絡中既可以在IP層提供保護/恢復，又可在SDH層或WDM層實現保護或恢復，更可以將二者結合運用。

4.1 SDH保護

　　傳統光網絡是采用SDH技術組建的，SDH是基于光纖鏈路的一種電傳送技術。SDH光傳送網靈活的復用能力，可以方便地將低速電路(如2Mbit/s,134Mbit/s)復用到高速光鏈路(155Mbit/s～10Gbit/s)，并且這種基于時分復用的傳輸技術對上層業務具有透明性，適用于包括IP、ATM和語音在內的各種業務的傳送。

　　SDH網絡提供強有力的保護和恢復能力。例如，自愈環（SHR）的配置方式使一個SDH環網中任何兩個網絡元素之間都具有兩條路經。這種方式比較適合環形網絡拓撲。利用自動保護倒換機制（APS）網絡，可以在檢測到一條路徑故障之后自動將業務流倒換到另一條路徑上。APS具體實現可以采用1+1，1:1，或1:Ｎ保護方式。其中1+1保護是指對于被保護業務用源與目的地之間的兩條物理光纖來同時傳送，一條工作光纖和一條保護光纖。其中任意一條0被切斷，由另一條光纖承載數據。這種方式的業務恢復時間最快（低于50ms），保護最強。1:1保護是為一條工作光纖設置一條保護光纖。但正常時保護光纖傳送的不是被保護的業務流，而是低優先級的數據。一旦工作光纖被切斷，由分插復用器（ADM）控制切換到保護路徑上，若其帶寬不足以同時承載被保護業務流和低優先級業務流，則后者讓位于前者。這種方式可以進一步擴展為對Ｎ條工作光纖設置一條保護光纖的1:Ｎ保護方式。相對于1+1保護，1:1和1:Ｎ保護方式的業務恢復時間較長，但對網絡帶寬資源的利用更加充分。

　　此外，利用智能數據交叉連接設備及相應的控制機制，也可以在SDH網中實現動態恢復，但恢復時間和實現復雜度都遠遠超過預先規劃的保護方案。SDH網絡這種強大的保護能力可以廣泛用于保護所有在這一網絡上傳送的業務流。對于IP這種保護是透明的，可以提供鏈路保護和快速恢復。Cisco已將APS能力引入一些路由器作為對端口、路由器或路由器與分插復用器之間鏈路故障的保護手段。對于利用現有SDH承載各種業務量（包括IP）的多業務網絡，APS可能是一種最佳方案。

4.2 WDM保護

　　WDM是另一種光網絡技術，它可以大幅度地提高現有光纜的帶寬和容量。例如，現在已有支持單光纖1.6Tbit/s傳送能力的DWDM產品問世（在光纖上支持160個波長，每個波長作為一個速率10Gbit/s的信道）。WDM也是完全透明的，SDH分插復用器（ADM）、ATM交換機和IP路由器等均可接入WDM復用器。DWDM層的OCh（光通道）段和OMS（光復用）段都具有動態恢復和預先保護的業務恢復方案，其主要差別在于這兩個子層的操作具有不同的顆粒度。前者可以保護具體的光通路（Lightpath），允許對光線路終端（OLT）進行選擇性的恢復。后者工作在匯聚的信號層，同時恢復一條故障線路中所有的光通路。點到點的WDM網絡中的WDM APS保護方案與SDH APS相類似，也可以分為1+1，1:1和1:Ｎ幾種方式。在1+1保護中，WDM復用器對一個工作波長分配一個保護波長。WDM源復用器在這兩個波長上發送數據、WDM信宿復用器選擇工作波長（或質量較好的波長）并向信宿IP路由器轉發數據。若工作波長消失或質量較差，則復用器自動倒換至保護波長上。在環形WDM網絡中也有類似SDH SHR的體系結構。由于WDM在同一光纖內提供多個波長，因此與SDH保護不同的是，WDM保護更靈活，有更多的保護顆粒度可供選擇，但復雜度也相應增加。另外，在故障恢復過程中的一個先決條件是故障監測和定位，目前光域中還沒有成熟的類似SDH的故障檢測技術。有人提出利用收/發功率和串話（Cross-talk）等指標監視信道連通性和質量；并采用光監視信道來實現故障檢測。在這些方案成熟之前可以采用電域監視的做法，利用SDH開銷中的監視字節來實現。WDM業務恢復速度可達幾十毫秒的量級——達到了SDH APS的水平，并且可以選擇提供基于波長的WDM保護。

5 IP 與光網絡的融合

　　要滿足Internet不斷發展的帶寬需求，光網絡技術是唯一的選擇。目前，IP over SDH和IP over DWDM已在很多網絡中得到應用。但是IP層與光層之間的不一致性仍是二者在功能上融合的障礙。

　　IP是動態的、自適應的和自愈的。SDH和DWDM雖然具有極好的鏈路保護恢復能力，但卻是靜態的、預先規劃的，并且在全網范圍內進行規劃也耗時較長。此外，它們的保護方案要求分配冗余的網絡容量并且不能隨網絡增長而擴展。這一點阻礙光層對IP網絡拓撲、業務量規模和業務模式的迅速變化進行有效和快速的反應。換句話說，光層對高優先級業務量較大突發的反應能力會受到網絡工程師重新規劃網絡所用時間的限制，可能會是幾分鐘、幾小時甚至幾天。

　　近來在業界的一些進展使光層與IP層融合的成本下降，具有可升級性并且實施簡單。

　　1. 基于SDH的網絡組件：這種組件采用了數據分組處理技術（如ATM、Ethernet、IP等），將多種SDH 網元（如ADM和DXC數字交叉互連設備）的功能集成到一個器件中。該器件可以處理傳統的TDM電路并能為IP和ATM主機、交換機和路由器提供與SDH網絡的直連。這樣一來，對IP數據業務量采用APS 1+1和1:1保護與恢復變得更合算。

　　2. 點到點長跨距光1+1保護：網絡層的大容量高性能太比特路由器與鏈路層長跨距光傳輸技術結合，使電中繼傳輸距離延長到數千公里，從而可以消除骨干網中的電再生器，減少1+1保護的線路成本，不受不可預測業務量的影響，具有很快的業務恢復速度和較低的節點成本。

　　3. 光交叉互連（OXC）設備：作為光傳送網（OTN）的核心設備，OXC可以提供基于波長的連接，實現波長、波長組和光纖等不同等級的保護和恢復。能夠實現動態波長路由功能的OXC常被稱為波長路由器（WR）。WR網絡可以作為光核心網，而以吉比特和太比特IP路由器、ATM交換機、SDH分插復用器等形成邊緣網絡。光核心網可采用網狀拓撲進行配置，這種拓撲相對于環網形式更具可擴展性，因其可以在任何源、宿邊緣器件之間提供和使用多條路徑。

　　WR不是由網絡管理工作站來控制和規劃的，而是運行鏈路狀態路由協議來通告每個波長的可用性、代價和其他有關測度。WR可以利用SDH開銷字節或帶外信道來交換這種信息，并將其存入一個拓撲數據庫。這樣，WR可以通過為重要業務預先計算工作和保護波長提供類似1+1保護業務。采用分布路徑計算，基于WR的網絡可以提供各種顆粒度的快速恢復，其恢復時間從毫秒級到秒級。

　　國內外的電信設備供應商和IP設備供應商都在加緊研制開發系列化的光交換/光路由產品。Monterey Networks 公司的Monterey 20 000波長路由器可從初始的256×256波長端口擴展到160Tbit/s以上無阻塞波長端口，光波長承載2.5Gbit/s和10Gbit/s信號。Cisco公司的ONS 15 900波長路由器基本結構和Monterey 20 000的結構相類似，其中心交換子系統支持640Gbit/s的交換速率，每個NEBS機架中支持256個2.5Gbit/s或64個 10Gbit/s速率的波長。美國Lucent公司已采用MEMS光開關實現了256×256的波長路由器。北電網絡今年以32.5億美元收購了美國Xros公司。該公司擁有優秀的光交換技術，其光交換系統可交換1152個波長的業務，并突破了光交換設備1000個端口的門限。它采用了微電子機械系統（MEMS）技術，實現對多波長網絡業務的處理。Sycamore Networks、Tenor Networks等公司以及國內的一些高校、研究機構和公司都在致力于WR的研制。

　　4. 多協議波長標簽交換（MPLmS）

　　MPLmS是將IP層與光層融合的一個新思路，它將多協議標簽交換（MPLS）流量控制平面技術與光交換技術有機結合，支持MPLmS的OXC所交換的不是標簽而是波長。MPLmS利用IP選路協議來發現拓撲，利用MPLS信令協議來實現波長通路的自動指配，為實時配置光波長通路提供了基本框架。這種方法提供了一種簡單的統一的IP控制平面，用于建立一個集網元、IP路由器和OXC于一體的混合網絡，有人稱MPLmS是IP層與光層的粘合劑。這一技術簡化了IP層與光層的融合及跨層的網絡管理，其跨層的流量控制改進了資源利用率，降低了網絡運行和業務拓展成本，具有可擴展性。

　　目前MPLmS支持兩種基本網絡結構，即重迭模型和混合模型。重迭模型在光層和核心光網絡邊緣分別設置控制平面，前者實現光層特定的控制智能，后者控制邊緣設備與核心光網絡之間通信。核心光網絡分成若干子網，子網間通過NNI互連，核心光網絡為邊緣的客戶（IP路由器、ATM交換機和SDH ADM）提供波長業務。動態波長指配功能可以自動適應業務流量的變化，也可以在網絡故障時提供業務恢復。這種模型結構簡單，允許光層和客戶層（如IP層）獨立演進，也允許光層內每個子網獨立演進，易于在原有網絡環境中逐步布署實施，并可在近期實現多廠家設備間的互操作。但網絡可擴展性受到邊緣設備全連接拓撲形式及其所導致的路由控制業務量過大的限制。

　　混合模型采用單個控制平面，由IP層實現光層的控制智能，實施端到端控制。邊緣設備參與路由控制過程，通常由路由器控制光層，利用端到端光路提供動態配置。邊緣設備全連接問題僅在數據轉發時存在，而不會影響路由過程，網絡具有可擴展性。但是由于光層與IP層間需要大量信息交互，致使光層的互操作問題難以在短期內解決。

　　MPLmS環境的保護恢復方案細節還有待研究，此外還有IP層與光層間的接口、交換的信息、流量工程、動態指配、選路和信令協議、光通路端點的全球尋址方案等問題也尚無定論。

　　IETF MPLS工作組已將其工作目標改為MPLS與OXC的整合。而另一個業界組織——光互聯論壇，正在研究IP與光網絡環境融合的有關問題，如IP路由器如何與OXC通信，以便交換MPLS/MPLmS路徑建立信息。

6 結束語

　　在實現IP網絡的保護與恢復方面，眾多的新技術已經涌現出來，其中有些技術雖然尚未成熟但卻有著巨大的應用潛力。波長選路、MPLS及MPLmS等技術的成熟，將為IP與光網絡的融合、IP網絡的業務保護與快速恢復提供強有力的支持。多種方案結合運用可能是滿足不同應用需求的可行途徑。

　　侯立民，男，1988年畢業于北方交通大學電子工程系計算機應用專業，獲工學學士學位，1992年赴比利時學習計算機網絡和管理信息系統，現為北方交通大學計算機及信息技術學院工程師。曾從事過大型計算機、校園網絡的管理和計算機基礎教學等工作。感興趣的研究領域為計算機輔助教學和計算機網絡技術。

摘自《中國數據通信》