基于ＭＰＬＳ的ＩＰ語音網絡恢復性能仿真分析

（廣西大學 計算機與電子信息學院 南寧 530004）

摘 要：提出了一種基于MPLS 的IP語音網絡恢復性能評估方案，該方案利用OPNET Modeler工具構建一個基于MPLS的IP語音網絡仿真平臺，分析與評估基于MPLS的兩種故障恢復技術。仿真結果表明，采用基于MPLS OAM技術的快速重路由算法可以有效地縮短流量重路由時間與改進IP語音網絡服務質量，驗證了基于MPLS OAM技術的FRR算法在VoIP網絡系統(tǒng)中實現QoS性能網絡優(yōu)化的可行性。

關鍵詞：IP語音；多協議標記交換；快速重路由；網絡仿真

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2009)05-1858-02

Simulation analysis of recovery performance in VoIP network based on MPLS

NONG Sijing，WANG Ningzhang，YANG Ying

( College of Computer Electrical Information Guangxi University Nanning 530004 China)

Abstract:This paper presented the evaluation scheme of recovery performance in VoIP Network based on MPLS.It modeled a simulation platform of VoIP network based on MPLS in OPNET Modeler，analyzed and evaluated two failure recovery technique based on MPLS.Simulation results show that using fast rerouting based on MPLS OAM can efficiently decrease delay of traffic rerouting and improve quality of server in VoIP network and verify that the scheme has feasibility of achieving optimization of network performance in VoIP .

Key words:VoIP;multi protocol label switching(MPLS);fast rerouting;network simulation

0 引言

在下一代網絡（NGN）融合的過程中，以各種IP電話技術標準構建的VoIP網絡對網絡傳輸的服務質量（QoS）提出了更高的要求，使得具有良好的QoS與流量工程的多協議標記交換(MPLS)技術成為了可擴展的下一代網絡研究的熱點。現今應用的基于MPLS的點到點1+1保護切換技術，因需要信令協議的介入，故障點到恢復點的故障指示信令傳遞導致了不必要的網絡恢復延時，不利于應用在有實時語音業(yè)務需求的IP語音網絡系統(tǒng)中。基于MPLS OAM（基于多協議標記交換的運行、管理、維護）技術的快速重路由（FRR）算法^[1]可以實現在沒有信令介入的情況下，由故障檢測點直接對故障鏈路流量進行重定向，降低了網絡恢復延時；然而MPLS OAM技術現今還處于初始的發(fā)展階段，只形成少量建議、標準和一些草案；這也導致了利用基于MPLS OAM技術的FRR算法來解決實際的網絡故障恢復問題思路上的復雜性。國內相關的性能評估工作還處在初期發(fā)展階段，從而限制了基于MPLS OAM技術的FRR算法在IP語音網絡系統(tǒng)的廣泛應用。此外，采用網絡仿真軟件OPNET進行基于MPLS的VoIP網絡建模研發(fā)工作，目前在國內還處于起步階段，仿真實例參考資料缺乏。

本文利用網絡仿真軟件，采用基于MPLS OAM技術的FRR算法，進行基于MPLS的VoIP網絡建模；對基于MPLS的兩種網絡故障恢復技術——點到點1+1保護切換技術與利用FRR算法的故障保護技術加以分析與評估，表明了利用基于MPLS OAM技術的FRR算法的故障保護技術可以有效地減少流量重路由時間，改進了網絡的自愈恢復性能，從而明顯地改善有實時語音業(yè)務需求的IP語音網絡系統(tǒng)的服務質量(QoS)。就此驗證了基于MPLS OAM技術的FRR算法在VoIP網絡系統(tǒng)中實現QoS性能網絡優(yōu)化的可行性，同時也填補了我國在利用網絡仿真軟件OPNET進行基于MPLS的VoIP網絡仿真案例稀少的空白。

1 基于MPLS OAM技術的快速重路由

基于MPLS OAM技術的快速重路由（FRR）是一種高效的本地保護標記交換路徑（LSP）的網絡故障恢復技術，它通過在每個節(jié)點上預先建立備用隧道，發(fā)生網絡失效時用來本地重路由所有標記交換路徑，從而可以避免因網絡鏈路或節(jié)點故障而引起的通信中斷。基于MPLS OAM技術的快速重路由^[2]利用了RSVP協議^[3，4]為LSP隧道分配標記和帶寬，并通過使用CSPF協議與鏈路狀態(tài)協議如OSPF、ISIS計算LSP隧道，一旦隧道的顯式路徑被算出，就可以通過RSVPTE發(fā)送信令，更新每條LSP隧道的狀態(tài)。

2 基于MPLS的VoIP網絡建模

本文采用網絡仿真軟件OPNET Modeler10.0進行網絡仿真建模，如圖1所示，兩臺語音信源主機（voice src1、voice src2）同時加載帶有靜音檢測的G.711語音流，分別通過MPLS網絡建立的兩條主隧道到達信宿主機（voice dst1、voice dst2）；路由器LER1 與LER2分別為入口與出口邊緣標記交換路由器，路由器LER1負責將流入端口的語音數據流分別按目的地址指定兩種類型的轉發(fā)等價類（FEC），實現trafficFECtrunk綁定；同時分別添加相應的交換標簽，隨后由標記交換路由器LSR1~LSR9組成的核心交換網絡根據標簽對語音數據流進行轉發(fā)，全網運行動態(tài)路由協議OSPF，處于同一個自治域，網絡鏈路均采用PPP SONET OC3型號。

為了對比基于MPLS的兩種故障恢復技術——點到點1+1保護切換技術與利用FRR算法的故障保護技術對IP語音網絡的影響，在入口邊緣路由器LER1與出口邊緣路由器LER2之間分別通過標記交換路由器LSR5與LSR6，并結合資源預留協議擴展信令(RSVPTE)，建立兩條動態(tài)的主LSP隧道。其中，一條主LSP隧道利用基于MPLS OAM技術的FRR算法在鏈路失效時建立一條動態(tài)的備份隧道（LSR6LSR9LER2）進行局部鏈路保護；而另一條主LSP隧道則通過入口邊緣路由器LE1并結合點到點1+1保護切換技術，提前建立一條預定的備份LSP隧道（LER1LSR1LSR4LER2）作為失效時的鏈路保護。通過對Failure/Recovery模型塊對鏈路的失效與恢復動作進行定義，令LSR6LER2之間的鏈路在仿真運行時間300 s處失效，在420 s恢復工作。

在仿真運行時間300 s失效點處，通過使用基于MPLS OAM技術的FRR算法，創(chuàng)建一條繞過失效鏈路（LSR6LER2）的備份隧道，其創(chuàng)建的過程如圖2所示。

如圖2所示，利用基于MPLS OAM技術的FRR算法，設定鏈路（LSR6LER2）為被保護鏈路，所創(chuàng)建的動態(tài)備份隧道起始于被保護鏈路的上游端路由器（LSR6），終結于被保護鏈路的下游端路由器（LER2）。一般情況下，被保護鏈路的上游端路由器也稱為局部修理點（PLR），而下游端路由器則稱為匯合點（MP）。當鏈路（LSR6LER2）正常時，控制信息與數據流都通過（LSR6LER2）傳送，備份隧道處于空閑。局部修理點（LSR6）將RSVR Hellos信息定期發(fā)送給鄰近路由器LER2。

當被保護鏈路（LSR6LER2）失效時，由上游端路由器（LSR6）執(zhí)行故障檢測。此時，因鏈路失效，LSR6（PLR）未收到RSVR Hellos應答，它就會檢測到鏈路失效，采用基于MPLS OAM技術的FRR算法觸發(fā)備份隧道（LSR6LSR9LER2）進入保護活動模式，執(zhí)行常規(guī)的標簽交換操作，壓入一個標簽，并立即使得主LSP隧道發(fā)生轉移，進入至備份隧道實現語音數據流重定向，沿著創(chuàng)建的備份隧道路徑（LSR6LSR9LER2）進行標簽交換，直到到達下游端路由器LER2（MP）。

被保護鏈路（LSR6LER2）失效時，主LSP隧道處于等候狀態(tài)，運行在LSR6LER2物理鏈路的路由協議，檢測到物理鏈路Down事件，同時泛洪失效信息到整個網絡。通過OSPF或RSVP，網絡中創(chuàng)建的LSP隧道將收到鏈路失效通告，試圖建立新的繞過失效鏈路的LSP隧道。

3 仿真數據分析

設定仿真時間為15 min，仿真結束后，查看仿真數據可得出如圖3所示的分析。

如圖3（a）所示，當仿真時間至300 s時，LSR6~LER2的鏈路失效，兩條動態(tài)的主LSP隧道通過各自的故障恢復技術進行流量重路由，與采用點到點1+1保護實現鏈路保護的主LSP隧道相比，使用基于MPLS OAM技術的FRR算法實現鏈路保護的主LSP隧道流量重路由所消耗的時間較短，即流量重路由時間加快，兩者的重路由時間差距達到3倍；由于鏈路LSR6~LER2在仿真時間300 s失效，由信源voice src1發(fā)送的語音數據流通過利用基于MPLS OAM技術的FRR算法實現鏈路保護的主LSP隧道，將語音數據流傳送至信宿voice dst1；而由信源voice src2發(fā)送的語音數據流通過另一條采用點到點1+1保護實現鏈路保護的主LSP隧道，將語音數據流轉發(fā)到信宿voice dst2；由圖3（a）分析可知，利用基于MPLS OAM技術的FRR算法可以加快流量重路由時間，這使得信宿voice dst1，相對于采用點到點1+1保護技術接收語音數據流的信宿voice dst2，其接收語音數據流的時延抖動數值較小，兩者差距達至4倍，如圖3（b）所示。

如圖4（a）所示，鏈路LSR6~LER2失效時間點300 s處，由于利用了基于MPLS OAM技術的FRR算法將流量快速重路由至備份隧道，從而加快了流量重路由切換速度，使得采用基于MPLS OAM技術的FRR算法實現鏈路保護的主LSP隧道與另一條采用點到點1+1保護技術實現鏈路保護的主LSP隧道相比，其通信中斷時間縮短，語音數據丟失量降低，因此其總的語音輸出平均值相對較高。如圖4（b）所示，鏈路失效時間點300 s處，隨著流量重路由時間的加快，使得采用基于MPLS OAM技術的FRR算法實現鏈路保護的主LSP隧道，相對于采用點到點1+1保護技術實現鏈路保護的主LSP隧道，其語音流量時延相應有所降低。