鐵路數據網MPLS DiffServ模型的應用分析

牛新春

(中國鐵路上海局集團有限公司上海通信段，上海 200080)

1 概述

目前，鐵路數據網主要用于實現鐵路局、各站段到各中間站、車間、班組的辦公聯網系統、視頻會議系統、遠程監視系統、監測系統、鐵路信息系統、運輸指揮管理系統、行車安全監測系統等不同系統的接入，為鐵路信息化建設提供通道承載服務[1]。鐵路數據通信關系著行車安全，尤其是實時業務要求網絡提供安全可靠的服務。在多業務場景下，如何保證不同業務不同的優先級服務質量成為鐵路數據網重中之重。為了實現各個業務之間的安全隔離，鐵路數據網采用基于多協議標簽轉換的虛擬專用網（MPLS VPN）方式承載業務。MPLS VPN通過在IP數據包頭部前端添加MPLS標簽，實現鐵路數據網各個VPN業務數據的封裝和隔離。利用標簽分發協議（LDP）建立MPLS VPN隧道，即標簽轉發路徑（LSP），用以透明地傳送被封裝和隔離的VPN業務數據[2]。MPLS QoS 是把MPLS和IP網絡中的DiffServ結合在一起來實現不同類型流量提供不同優先級的服務。在此從介紹MPLS差分服務的3種模式入手，對照Uniform模式，研究Pipe模式下的可行性方案。

2 數據網MPLS DiffServ 3種工作模式介紹

DiffServ區分服務提供基于類的服務質量保證，通過對具有不同QoS要求的應用分類，并根據不同的類采用不同的優先級處理，在網絡節點采用不同的逐跳行為(PHB)來實現不同業務的服務質量[3]。MPLS QoS 與IP QoS一樣，實施QoS的部署方式也是通過差分服務模型DiffServ，不同之處在于MPLS QoS結合了DiffServ差分服務和MPLS標簽轉發兩種功能。在MPLS DiffServ模型中可以為通過MPLS域的網絡業務提供不同優先級的差異化服務，來滿足企業及用戶的需求。MPLS DiffServ有 Uniform、Pipe和Short pipe 3種工作模式，鐵路綜合數據網采用的是Uniform模式。

2.1 Uniform模式

在Ingress PE路由器上，報文被加上MPLS標簽，報文中的DSCP值映射到內、外層EXP字段。如果報文在MPLS域中改變了外層EXP字段的值，會影響報文離開MPLS網絡后采用的PHB。即在出節點Egress PE路由器上會按照外層EXP字段采用PHB。這樣源端CE發送IP報文中的DSCP字段的值在經過MPLS域傳輸時會隨著MPLS外層標簽的EXP字段值而變化，到達目的端CE時，IP報文中所攜帶的IP DSCP值就發生了改變[4]。如圖1所示。

圖1 Uniform模式Fig.1 Uniform mode

2.2 Pipe模式

報文從Egress PE發送到目的站點CE時的PHB行為仍然由最后被彈出的MPLS標簽中的EXP值決定，改變MPLS網絡中的EXP值，不會改變報文之前攜帶的DSCP值，報文離開MPLS域，報文DSCP優先級值繼續有效。如圖2所示。

2.3 Short Pipe模式

圖2 Pipe模式Fig.2 Pipe mode

Short Pipe模式和Pipe模式區別不大，目的是減輕Egress PE路由器負擔，報文在進入P節點時對報文的處理方式與Pipe模式相同。區別在于在Egress節點的倒數第二跳就完成了標簽的彈出，在Egress PE設備上按照IP報文的DSCP值進行PHB行為的轉發，不用再由MPLS標簽的EXP值來決定PHB。如圖3所示。

圖3 Short Pipe模式Fig.3 Short Pipe mode

3 鐵路數據網配置實例

3.1 鐵路數據網組網方式及QoS設置方案介紹

鐵路數據網采用L3VPN中的BGP/MPLS IP VPN，采用Option B方案，采用3級架構，即接入層、匯聚層和核心層，分別對應AR路由器，DR路由器和CR路由器[5]。下面以鐵路綜合視頻監控系統為例說明，綜合視頻監控系統的VPN業務系統名稱簡寫 為 IVMS，VPN 編 號 為 102，對應的VRF實例為IVMS102，優先級為1，DSCP二進制值為001000，對應十進制8，PHB行為AF1。具體業務的QoS配置方案如表1所示。

表1 業務系統優先級對應QoS設置方案Tab.1 QoS setting scheme corresponding to business system priority

3.2 配置鐵路數據網MPLS DiffServ Uniform模式示例

鐵路數據網Uniform模式采用簡單流分類的QoS配置，鐵路數據網簡化拓撲如圖4所示，其中CE1、CE2是華為S5700E交換機設備作為用戶接入業務，PE1、PE2是華為NE20E設備，P設備采用華為NE40E設備。CE1、CE2屬IVMS102。VPN實例IVMS102使用的VPN-target屬性為102:102。

采用如下的思路配置MPLS DiffServ Uniform模式。

1）IP地址基本配置。

2）骨干網上配置IS-IS動態路由協議,實現PE之間的互通。

圖4 鐵路數據網簡化拓撲Fig.4 Simplified topology of railway data network

3）骨干網上配置MPLS和MPLS LDP，建立MPLS LSP。

4）PE上配置IPv4地址族VPN實例，把與CE相連的端口和配置的VPN實例綁定。

5）PE之間配置MP-IBGP交換VPN路由信息。

MP-IBGP通過在BGP中引入擴展團體屬性，使其能夠在PE設備之間傳播VPNv4路由。

6）CE與PE之間配置靜態路由交換VPN路由信息[6]。

7）在PE上配置基于簡單流分類的QoS，在綁定VPN實例的端口上應用流策略。

8）在MPLS域內的路由器全局下配置類隊列WRED對象，按顏色配置WRED的高低門限與丟棄概率。

9）在接口上綁定DS域為default，配置接口CQ隊列的調度參數、權重、WRED模板、整形速率百分比。

為完成此配置示例，需先配置好基本BGP/MPLS IP VPN，即思路配置中第1～6項。本文著重配置并分析7～9項配置內容。

為便于觀察Egress PE和倒數第二跳設備之間的兩層標簽，在Egress PE上配置向倒數第二跳分配顯示空標簽，即非PHP場景的L3VPN，這樣標簽就無法在倒數第二跳彈出。在PE1、PE2設備上配置命令為：

[PE]mpls

[PE]label advertise non-null

在PE1、PE2上無需配置MPLS DiffServ模式為Uniform，設備默認配置為Uniform模式，缺省情況下，系統上預定義了default域和5p3d域。在一個系統中，最多可以定義8個DS域，其中包括兩個系統指定的默認域default和5p3d域。default域和5p3d域不能被刪除[7]。

在PE1設備上的配置步驟如下。

1）基于流分類配置：針對視頻業務進行流分類，匹配通過的任意流量。

2）對鐵路業務的各類流量進行流行為重標記，其中針對視頻業務流行為重標記DSCP值為CS1，即設置IP數據報的QoS優先級。

3）對鐵路業務的各類流量定義流量策略，并在流策略中綁定流分類和流行為。其中針對視頻業務配置流策略為AF1，綁定流分類ANY和流行為AF1。

4）針對視頻業務，在接口上綁定流策略，即從該接口進入MPLS域的QoS優先級DSCP值為CS1。

5）創建類隊列WRED對象，并命名，按顏色配置WRED的高低門限與丟棄概率。其中針對視頻流量類隊列WRED命名為AF1, 顏色為Green的報文低門限為50，高門限為80，丟棄概率為50%。

6）在接口出方向上綁定DS默認域，使其支持簡單流分類，以便對IP報文、MPLS報文的優先級進行修改。配置接口CQ隊列（用戶自定義隊列）的調度參數、權重、WRED模板、整形速率百分比。pq為絕對優先級隊列調度；wfq為加權公平隊列調度。其中針對視頻業務的隊列為af1，配置該隊列的調度方式為wfq，權重為2，WRED模板為AF1并應用在接口的outbound方向。

在MPLS域的P設備上系統視圖下配置不同隊列的WRED對象的高低門限及丟棄概率，在P設備接口出方向上綁定DS默認域，使其支持簡單流分類，以便對IP報文、MPLS報文的優先級進行修改。配置接口CQ隊列（用戶自定義隊列）的調度參數，權重、WRED模板、整形速率百分比。

同理：PE2設備配置同PE1設備。以上是基于Uniform模式的MPLS QoS配置。

采用Uniform模式，需要在PE設備上配置簡單流分類、流行為、流策略，并在綁定了VPN實例的接口入方向應用流策略。進入PE的IP報文通過DSCP映射為路由器的內部優先級，即DiffServ的服務等級和顏色，PE設備向P設備發出報文時，將內部優先級映射為MPLS域中EXP優先級。例如在PE1設備上，首先將CE1傳來的視頻流量DSCP值為8的IP報文映射為PE1設備的內部優先級，即映射為優先級隊列為AF1，顏色為Green的報文。當該報文向P設備發送之前，將該內部優先級在映射為MPLS網絡的EXP優先級值為1。簡單流分類能夠實現從外部優先級到內部優先級及從內部優先級到外部優先級的映射。但是在同種網絡流量之間（如IP流量之間或MPLS流量之間）不支持映射。

4 MPLS DiffServ Pipe模式配置實例

采用Pipe模式，不需要在PE設備上配置簡單流分類、流行為、流策略，只需要在VPN實例下為相應的數據流賦予相應內部優先級，即DiffServ的服務等級和顏色。在PE設備、P設備上通過設備內部優先級與EXP之間缺省的映射，來自動完成QoS的優先級服務[8]。

4.1 配置MPLS DiffServ Pipe模式

采用如下的思路配置MPLS DiffServ Pipe模式。

1）IP地址基本配置。

2）骨干網上配置IS-IS動態路由協議，實現PE之間的互通。

3）骨干網上配置MPLS和MPLS LDP，建立MPLS LSP。

4）PE上配置IPv4地址族VPN實例，把與CE相連的端口和配置的VPN實例綁定。

5）PE之間配置MP-IBGP交換VPN路由信息。

MP-IBGP通過在BGP中引入擴展團體屬性，使其能夠在PE設備之間傳播VPNv4路由。

6）CE與PE之間配置靜態路由交換VPN路由信息。

7）在PE上分別使能Pipe模式，同時把DifferServ域應用到VPN實例中。

8）在MPLS域內的路由器全局下配置類隊列WRED對象，按顏色配置WRED的高低門限與丟棄概率。

9）在接口上綁定DS域為default，配置接口CQ隊列的調度參數，權重、WRED模板、整形速率百分比。

拓撲圖同上文Uniform模式，為完成此配置示例，需先配置好基本BGP/MPLS IP VPN，即思路配置中第1～6項。配置過程請參考Uniform模式，思路配置中第8、9項同上文Uniform模式配置，下面著重配置并分析7項內容。

說明如下。

Pipe模式不支持倒數第二跳彈出MPLS標簽。在PE1、PE2不需要配置label advertise nonnull。

在PE上分別使能Pipe模式，同時把DiffServ域應用到VPN實例中。

[PE1 ip vpn-instance IVMS102

[PE1 -vpn-instance- IVMS102]ipv4-family

[PE1 -vpn-instance- IVMS102]diffservmode pipe af1 green

[PE2]ip vpn-instance IVMS102

[PE2-vpn-instance- IVMS102]ipv4-family

[PE2 -vpn-instance- IVMS102]diffservmode pipe af1 green

檢查配置結果；

在PE設備上執行display ip vpn-instance verbose vpna命令，可以看到該VPN實例下配置的DiffServ模式。

以PE2的顯示為例，The diffserv-mode Information is: pipe af1 green所在行信息顯示為Pipe模式和內部優先級為AF1，著色為Green。

[PE2]display ip vpn-instance verbose IVMS102

VPN-Instance Name and ID: IVMS102, 4

Create date: 2019/11/16 09:34:26

Up time: 4 days, 03 hours, 51 minutes and 02 seconds

Route Distinguisher: 102:156006

Export VPN Targets: 102:102

Import VPN Targets: 102:102

Label Policy: label per route

The diffserv-mode Information is: pipe af1 green

The ttl-mode Information is: pipe

Log Interval: 5

Interfaces: GigabitEthernet0/1/2

如表2所示，服務等級與EXP之間缺省的映射可知在Pipe模式下，服務等級為AF1，顏色為Green的流量進入MPLS域后標簽的EXP值應為1。下面通過在PE1上做端口鏡像來驗證EXP值是否為1。

表2 服務等級與EXP之間缺省的映射Tab.2 Default mapping table between service level and EXP

4.2 驗證Pipe模式的服務等級與EXP的映射

在PE1上做端口鏡像技術，G0/1/2作為鏡像端口，G0/1/7作為觀測端口。

在PC-A上ping PC-B的地址。通過在PC1上抓包，ICMP request數據包如圖5所示，數據包打上了兩層標簽，內層標簽為75776，外層標簽為1025，EXP優先級值為1，驗證了表2服務等級與EXP之間缺省的映射。

圖5 ICMP request數據包Fig.5 ICMP request data package

基于Short Pipe模式和Pipe模式區別不大，本文不再贅述Short Pipe模式的配置實例。

5 結束語

通過對MPLS DiffSev模型分析，Uniform模式配置量復雜，PE設備上必須配置簡單流分類，配置量大，在MPLS域中改變EXP優先級，在Egress PE上會改變IP DSCP值，而在Egress PE上報文的PHB行為是通過DSCP值來判定，所以相應的也改變了PHB行為，即改變了IP網絡中報文的優先級。

在鐵路數據網中如果采用Pipe模式的MPLS QoS方案可以簡化MPLS域中PE設備的配置量，在Egress PE上報文的PHB行為是通過EXP值來判定，改變MPLS網絡中的EXP值，IP報文中的DSCP值在穿越MPLS網絡不會發生改變。因此Pipe模式更適合大規模組網的企業。