摘要
　　IETF路徑計算單元（Path Computation Element PCE）工作組定義的基于PCE的MPLS/GMPLS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得路徑計算功能從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中獨(dú)立出來成為可能，通過在網(wǎng)絡(luò)中部署獨(dú)立的路徑計算單元可以解決MPLS/GMPLS網(wǎng)絡(luò)中大量鏈路基于約束的路徑計算所需的特別資源問題。本文分析了PCE的結(jié)構(gòu)組成，PCECP協(xié)議的特點(diǎn)，并針對在網(wǎng)絡(luò)中引入PCE單元以后將涉及到的PCE單元的保護(hù)和備份問題提出了解決方案。

1  引言
　　隨著MPLS/GMPLS網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓絹碓綇?fù)雜，路由量非常巨大，路徑計算也越來越復(fù)雜。而流量工程的部署，需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在復(fù)雜的約束條件下計算路由，這些約束條件不僅僅包含靜態(tài)的約束，如路由器節(jié)點(diǎn)間的距離、帶寬，光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的線路容量等，也包括動態(tài)的約束條件，如網(wǎng)絡(luò)故障狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)擁塞信息等。基于約束的路徑計算是MPLS/GMPLS網(wǎng)絡(luò)流量工程中的一個基本功能模塊，尤其是在大型的多域多級MPLS/GMPLS網(wǎng)絡(luò)中，針對數(shù)量龐大的路徑以及復(fù)雜的約束條件，流量工程所要求的路徑計算需要協(xié)調(diào)不同的網(wǎng)絡(luò)域以及特別的計算功能。例如在一個n個節(jié)點(diǎn)單域單級全互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)中路徑的數(shù)量是n×（n－1）/2，為了在網(wǎng)絡(luò)故障或者網(wǎng)絡(luò)流量異常變化的情況下，通過流量工程能迅速恢復(fù)或疏通網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，要求在故障節(jié)點(diǎn)或者異常流量的輸入節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在盡可能短的時間內(nèi)根據(jù)各種約束條件計算出最佳恢復(fù)或者迂回路徑，計算時間短意味著減少故障情況下網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)的時間，減少網(wǎng)絡(luò)故障對業(yè)務(wù)的影響，最佳的路徑意味著網(wǎng)絡(luò)利用效率的提高，這種復(fù)雜的計算往往需要對網(wǎng)絡(luò)全局拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和約束條件的了解，需要大量的CPU計算資源來運(yùn)行復(fù)雜的算法，而當(dāng)大量CPU資源運(yùn)用到路徑計算中時，對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的穩(wěn)定性以及整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定都造成了一定的沖擊，所有這些對于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來說是一個極大的挑戰(zhàn)。

2  路徑計算單元PCE
　　為了解決這個問題，IETF PCE工作組提出了基于路徑計算單元的MPLS/GMPLS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，路徑計算單元是網(wǎng)絡(luò)中專門負(fù)責(zé)路徑計算的功能實體，它基于已知的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和約束條件，根據(jù)路徑計算客戶的請求計算出一條滿足約束條件的最佳路徑。PCE可以位于網(wǎng)絡(luò)中的任何地方，可以集成在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)部，如集成在標(biāo)記交換路由器LSR內(nèi)部，或者集成在OSS系統(tǒng)內(nèi)部，也可以是一個獨(dú)立的設(shè)備。路徑計算客戶PCC (Path Computation Clients) 和PCE之間以及PCE與PCE之間通過專門的路徑計算協(xié)議 (PCE Communication Protocol PCECP) 通信，提交路徑計算請求并獲得路徑計算結(jié)果。PCC可以是MPLS/GMPLS網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)記交換路由器LSR或者是網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)NMS。
IETF PCE工作組的職責(zé)范圍包括：
　　● 定義基于PCE結(jié)構(gòu)的通用流量工程LSP路徑計算技術(shù)，包括IGP域內(nèi)部、IGP域之間、自治域內(nèi)部和運(yùn)營商之間點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)以及多點(diǎn)到多點(diǎn)的流量工程路徑計算。
　　● 定義與協(xié)議無關(guān)的路徑計算質(zhì)量、算法復(fù)雜度和擴(kuò)展性評估標(biāo)準(zhǔn)。
　　● 定義LSR和PCE之間的通信協(xié)議需求，包括IGP域內(nèi)部或多個IGP域、自治域和運(yùn)營商之間的PCE發(fā)現(xiàn)協(xié)議，制訂新的協(xié)議或擴(kuò)展現(xiàn)有的協(xié)議來支持PCE計算的請求與響應(yīng)機(jī)制。所有協(xié)議的擴(kuò)展都必須與相關(guān)協(xié)議的制訂組織配合制訂。
　　● 定義基于PCE結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議（OSPF，ISIS，BGP）和信令協(xié)議（RSVP-TE）的擴(kuò)展。
　　● 定義基于PCE結(jié)構(gòu)的策略和安全機(jī)制。
　　● 和相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)組織一起定義管理信息庫。
　　PCE工作組主要考慮基于單個域或者少數(shù)域的PCE結(jié)構(gòu)，這里的域指一個IGP域或者一個自治系統(tǒng)（AS）。目前PCE工作組沒有考慮獨(dú)立的路徑計算單元這種方式運(yùn)用在Internet這種包含大量域的情況。
　　Internet的模式是將網(wǎng)絡(luò)的控制分布在網(wǎng)絡(luò)中，PCE的功能并不是打破這種模式，相反，PCE的模式也可以完全配合這種分布的模式，如果在每個LSR都配置一個PCE單元的情況下，PCE模式甚至能提供現(xiàn)有的Internet無法提供的功能。例如在網(wǎng)絡(luò)域之間沒有流量工程信息傳遞的情況下，現(xiàn)有的Internet模式無法提供基于流量工程的路徑計算能力，而基于PCE的模式由于PCE之間的發(fā)現(xiàn)協(xié)議和通信協(xié)議可以交流流量工程信息，因而能提供基于流量工程的路徑計算能力。
　　獨(dú)立的路徑計算功能需要PCE之間流量工程數(shù)據(jù)庫的同步和PCE與PCC之間以及PCE與PCE之間協(xié)議的定義，下面將分別介紹。

3  流量工程數(shù)據(jù)庫（TED）同步
　　PCE對路徑的計算依賴于流量工程數(shù)據(jù)庫TED的信息，TED中保存的信息越精確，那么PCE計算的結(jié)果就更優(yōu)化，PCE通過下列方式來建立TED。
　�。�1）參與域內(nèi)流量工程信息的發(fā)布。IGP域內(nèi)流量工程信息的發(fā)布依賴于標(biāo)準(zhǔn)的IGP協(xié)議擴(kuò)展，如OSPF流量工程擴(kuò)展。在一個MPLS/GMPLS域內(nèi)部，包含PCE功能的節(jié)點(diǎn)通過IGP協(xié)議的擴(kuò)展和路由器保持鄰居關(guān)系來得到TED信息。
　�。�2）帶外TED同步。某些情況下，PCE很難參與IGP域內(nèi)流量工程信息的發(fā)布甚至某些域不支持IGP的流量工程擴(kuò)展，這種情況下需要帶外TED同步方法來同步TED信息。
　　（3）TED內(nèi)部的信息也可以來自于IGP以外的方式，如鏈路利用率的策略可以通過網(wǎng)絡(luò)操作維護(hù)人員的配置。

4  PCE協(xié)議
　　與路徑計算單元結(jié)構(gòu)相關(guān)的協(xié)議包括PCE/PCC之間的協(xié)議和PCE/PCE之間的協(xié)議。PCE//PCC之間的協(xié)議主要用來完成路徑計算請求的發(fā)送以及路徑計算響應(yīng)的接收，PCE/PCE之間的協(xié)議主要用來完成PCE之間的自動發(fā)現(xiàn)以及PCE之間流量工程數(shù)據(jù)庫（TED）的同步，也用于多PCE協(xié)調(diào)情況下的路徑計算請求與響應(yīng)。
　　PCC向PCE的路徑計算請求包括下列信息：
　　● 路徑的源和目的地址。
　　● 帶寬和QoS要求。
　　● 需要使用或者避免的資源以及共享風(fēng)險鏈路組。
　　● 需要的不相交路徑數(shù)量以及是否準(zhǔn)不相交路徑是否能接受。
　　● 鏈路可靠性要求。
　　● 策略相關(guān)的信息。
　　在PCE完成鏈路計算以后，PCE向PCC返回一條或者多條路徑，如果路徑計算失敗，PCE將向PCC返回盡可能多的關(guān)于失敗原因的反饋信息。也可以包含那些約束不能滿足的信息，這樣下一次的路徑計算請求可以適當(dāng)放寬這個約束條件以得到可能的路徑計算結(jié)果。
　　為了支持網(wǎng)絡(luò)中PCE的自動發(fā)現(xiàn)，PCE工作組擴(kuò)展了OSPF協(xié)議和IS-IS協(xié)議。對于采用OSPF路由協(xié)議的情況，沿用OSPF的泛洪機(jī)制，增加一種新的名為PCE發(fā)現(xiàn)的TLV (PCE Discovery (PCED) TLV)，這種TLV用于PCE自動發(fā)現(xiàn)時將PCE信息泛洪到整個OSPF域內(nèi)以向域內(nèi)成員通知該P(yáng)CE的相關(guān)信息，如PCE位置、PCE路徑計算的范圍（域間、AS域間、跨網(wǎng)絡(luò)層等）、針對一個或多個域的PCE的可見性、相鄰PCE、通信能力和路徑計算能力等信息。為了避免PCE的過載，PCE工作組也定義了PCE過載信息，在PCE過載的情況下可以通知網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選擇其他PCE。
　　對于采用IS-IS路由協(xié)議的情況，PCE工作組在IS-IS通用能力通告機(jī)制（IETF: draft-ietf-isis-caps）的基礎(chǔ)上定義了一個新的sub-TLV (PCE Discovery (PCED))，該TLV包含在IS-IS路由能力TLV內(nèi)部。 

5  PCE應(yīng)用場景
　　針對許多對CPU計算能力要求非常高的路徑計算，為了在網(wǎng)絡(luò)中得到某個參數(shù)全局最佳值，如為了得到最大的鏈路利用率的路徑計算，需要大量的CPU資源，通過復(fù)雜的算法計算各種情況下的利用率來選取最優(yōu)值。在多個約束條件下的路徑計算也需要大量的CPU資源，如在GMPLS網(wǎng)絡(luò)中，時延和鏈路利用率、交換能力、適配功能、編碼以及光信號參數(shù)約束等混合條件下的路徑計算，需要綜合網(wǎng)絡(luò)約束條件進(jìn)行大量的CPU資源。針對Mulitcast業(yè)務(wù)的最小代價的點(diǎn)到多點(diǎn)樹（Steiner樹）計算也需要大量的CPU資源。在這種情況下，由于路由器CPU計算能力的限制，并且路由器CPU同時還需要承擔(dān)路由器管理、路由協(xié)議處理等功能，無法同時完成上述復(fù)雜的計算，因此獨(dú)立的路徑計算單元結(jié)構(gòu)將能減少路由器CPU的負(fù)荷，從而使路由器CPU能更快地響應(yīng)路由器管理、路由協(xié)議處理等功能。具體來說，PCE可以應(yīng)用在下列場合：
　　（1）多個流量工程域的路徑計算：由于流量工程信息沒有在域之間傳遞，在建立跨域的流量工程LSP時，入端口的路由器由于沒有全局的流量工程信息，只能依靠域出口的邊界路由器來建立跨域的LSP，此時無法保證建立的LSP是全局最優(yōu)的。通過PCE來計算路徑，由于PCE之間可以通過路徑計算協(xié)議PCECP交換流量工程信息，因而可以得到全局優(yōu)化的流量工程計算結(jié)果。
　�。�2）跨非流量工程域的路徑計算：當(dāng)LSP路徑需要穿越不支持流量工程的域（如采用OSPF/IS-IS協(xié)議而不支持OSPF-TE/ISIS-TE擴(kuò)展）時，采用獨(dú)立的路徑計算單元結(jié)構(gòu)將使得穿越非流量工程域的路徑也滿足流量工程的約束要求。
　�。�3）傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路徑計算：對于不支持控制平面也不具備路由協(xié)議處理能力的設(shè)備，如傳統(tǒng)的傳輸設(shè)備，通過采用PCE結(jié)構(gòu)，也能得到根據(jù)流量工程優(yōu)化的路徑計算結(jié)果。
　　（4）保護(hù)路徑計算：對于采用快速重路由方法保護(hù)的流量工程LSP，通過采用PCE結(jié)構(gòu)，PCE之間可以協(xié)調(diào)保護(hù)路徑的計算以得到更優(yōu)化的保護(hù)路徑。
　�。�5）多層網(wǎng)絡(luò)路徑計算：對于多層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一個服務(wù)層的網(wǎng)絡(luò)往往同時服務(wù)于多個客戶層網(wǎng)絡(luò)，不同的客戶層網(wǎng)絡(luò)有不同的路徑計算要求，服務(wù)層網(wǎng)絡(luò)往往只能提供大顆粒調(diào)度能力，而每一層網(wǎng)絡(luò)只有本層網(wǎng)絡(luò)的路徑和流量工程信息，如在Overlay模型下的IP/MPLS網(wǎng)絡(luò)如果其服務(wù)層是GMPLS控制的光網(wǎng)絡(luò)就屬于這種情況。這種情況下，采用PCE結(jié)構(gòu)能結(jié)合不同層網(wǎng)絡(luò)的信息，計算最佳的路徑。
PCE在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用包括設(shè)備內(nèi)置PCE的模式，外置獨(dú)立PCE的模式，基于網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的PCE模式，多PCE獨(dú)立計算模式和多PCE協(xié)調(diào)計算等幾種模式，分別如圖1至圖5所示。

    　　圖1  內(nèi)置PCE功能的節(jié)點(diǎn)功能模型

　    　圖2  外置PCE功能的節(jié)點(diǎn)功能模型

　    　圖3  基于網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的PCE應(yīng)用模型

　　    圖4  多PCE條件下的路徑計算

　    　圖5  多PCE參加的路徑計算
　　采用PCE來計算流量工程路徑只是將設(shè)備路徑計算功能獨(dú)立出來，PCE的采用并不影響信令協(xié)議建立路徑的流程。
　　PCE在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用可以分為集中模式和分布模式。集中模式下，一個域內(nèi)部只有一個PCE，這里的域可以是一個IGP域、一個AS，也可以是網(wǎng)絡(luò)的一部分。域內(nèi)所有的路徑計算都由這個PCE來完成。這種情況下，PCE的故障將影響整個域的路徑計算，因此，對PCE必須采用保護(hù)措施。在分布模式下，一個域內(nèi)部可能有多個PCE，路徑的計算可能由一個PCE完成，也可能由多個PCE完成。路徑計算客戶PCC可以連接到一個PCE上，也可以自由選擇連接到某個PCE上。

6  多層網(wǎng)絡(luò)的LSP計算
　　在多層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，可能上層是IP/MPLS網(wǎng)絡(luò)，底層是GMPLS控制的光網(wǎng)絡(luò)，底層網(wǎng)絡(luò)的流量工程LSP為上層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了一個虛擬的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（Virtual Network Topology (VNT)），這種情況下的流量工程路徑計算可以分為下面兩種模式：
　�。�1）單PCE多層路徑計算，這種模式下的PCE稱為多層PCE，這種PCE收集各層網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔⒑土髁抗こ绦畔�，因而可以單�?dú)計算跨網(wǎng)絡(luò)層的流量工程路徑。

　�。�2）多PCE的多層路徑計算。這種情況下，每層網(wǎng)絡(luò)都有至少一個PCE，每層網(wǎng)絡(luò)的PCE相互協(xié)調(diào)，來計算款層的流量工程路徑。
下面是一個多PCE的多層路徑計算的例子（見圖6），網(wǎng)絡(luò)分為兩層，每層有各自的PCE，如果要建立上層網(wǎng)絡(luò)中從H1到H4的流量工程路徑，將按照下面的流程進(jìn)行：

    　　圖6  多PCE的多層路徑計算示意圖
　　● LSR H1向客戶層PCE發(fā)送從H1到H4的流量工程路徑計算請求。
　　● 客戶層PCE選擇H2和H3作為進(jìn)出底層網(wǎng)絡(luò)的出入口平。
　　● 客戶層PCE請求底層PCE計算從H2到H3的流量工程路徑。
　　● 底層PCE向客戶層PCE返回H2-L1-L2-H3的路徑。
　　● 客戶層PCE向LSR H1返回H1-H2-L1-L2-H3-H4的路徑。

7  PCE的保護(hù)和備份
　　在單PCE集中計算模式下，顯然PCE設(shè)備成為了一個單點(diǎn)故障源，如果PCE設(shè)備本身發(fā)生故障或者連接PCE設(shè)備的通道發(fā)生故障將影響整個域的路徑計算，因此，對PCE必須采取保護(hù)措施。對PCE的保護(hù)通常包含兩個層面的保護(hù)，首先是設(shè)備的保護(hù)，對獨(dú)立的PCE設(shè)備而言，可以采用兩套系統(tǒng)1＋1熱備份的方法，這種方法可以保護(hù)設(shè)備本身，對PCC而言，這兩套系統(tǒng)看起來是一個系統(tǒng)。其次是在節(jié)點(diǎn)故障的情況下，此時包含PCE設(shè)備的節(jié)點(diǎn)可能丟失和網(wǎng)絡(luò)中其他所有設(shè)備的通信，此時整個網(wǎng)絡(luò)域?qū)⑹�去路徑計算的能力，無法提供可靠的保護(hù)和恢復(fù)。針對這種情況，PCE工作組在PCE的發(fā)現(xiàn)機(jī)制中定義了兩種方法來提供保護(hù)。首先是故障的及時發(fā)現(xiàn)，在PCE通信協(xié)議PCEP中定義了Keep Alive消息類型，通過PCC和PCE之間周期性地發(fā)送Keep Alive消息來檢測兩者之間的通信是否正常。PCE通信協(xié)議PCEP中定義的Keep Alive消息最短間隔是1s。其次，一個域內(nèi)部可以有多個PCE，路徑計算客戶PCC可以固定連接到一個PCE上，也可以自由選擇連接到某個PCE上。PCE之間可以進(jìn)行負(fù)載的均衡，一個域內(nèi)部多個PCE的相關(guān)信息在PCE的自動發(fā)現(xiàn)機(jī)制中有詳細(xì)定義。

8  結(jié)束語
　　隨著MPLS技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中的大量應(yīng)用和MPLS網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，通過采用基于路徑計算單元PCE的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)跨域和全局范圍的流量工程計算以及路徑優(yōu)化，對提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率和質(zhì)量具有很高的價值。而對基于GMPLS的ASON網(wǎng)絡(luò)而言，路由技術(shù)是ASON核心技術(shù)之一，采用基于路徑計算單元PCE的結(jié)構(gòu)同樣也可以解決ASON網(wǎng)絡(luò)中跨域，尤其是多層網(wǎng)絡(luò)的選路問題，對ASON網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署具有重要意義。（中國聯(lián)通網(wǎng)）