（信号与信息处理专业论文）以太网流量工程研究.pdf

摘要 摘要 从7 0 年代诞生至今，以太网技术经历了飞速发展的过程。随潜数据传输速 率的不断提高和技术的逐渐完善，以太网的戍用范围由局域网扩赋到城域网。与 此丽辩，基于瑷蠢弱鼓零稳建黪弱络蔑摸逐渐扩大，爝产数量和毁务类型不叛增 多。漆予这些在应蘧臻凌、蹲络结搀露营理方式上戆交纯，默太斓技零嚣罄着一 些新的问题和挑战。以往以太网技术的研究戴点是如何提高传输遮率、增加网络 容黧和增强设备能力等，n 谯出现问题时更多必注的是局部解决方法，而没有将这 些方法系统组织起来进行全嚣考虑。因此，在本文中，我嚣臻出了以太潮流量工 程豁襁念，并薅鞋太阏滚璧王罄蓉零露舞研究辩象，缝宫鞋太霹发鼹壤状及瑗有 的网缭技术，以在以太网中实现网络资源伉他和服务质量提离为强标，从网络溅 量和网络控制两个方面深入研究了以太网瀛熊工程技术的六个主鬻内容： 牺扑测量：首先分析了以太网网络结构，并介绍了进行以太网辐扑测量时可 以铡鲻鹣死耱工箕，爨嚣总缭并分褥了璎瑟掇器溺量鼓零及英爝鼹接，鞋及竣 太网键踞层拓扑溺量的辑究成栗及存在静阏鼹。在鞅土研究酶基黜上，遂遘劳撬 以太湖网络结构及网桥转靛袭信息，提出并谜明了以太网设备避撩判定定理。以 此为熬础提出了一种离效的以太网自动拓扑艘现算法，并通过在炎际网络中的应 鞠骏涯了算法豹正确性及效率。 流艇溅量：黄先阕述了滤璧溅量在敦太嗣滚璧工程申嚣塞义，势分褥了在进 行流懋测量时主要考虑的龋个因素。在此鏊确上，提出了一个网络流的通庵定义， 并介缁了应用范围较广的黼种流的参考模型。然后对已有的流爨测凝技术进行分 类和总结，并概括了豆魏流爨测量技术的研究进展。最后对已有的流量测量成果 送行分橱，蕊绩塞了当馥两终流量兹七夺特缝。 a 陡麓溅量：首先奔镪了牲缒灏量懿三个妻簧缀成都务，并绘出瞧能瓣鲎静参 考擞型。详细说明了以太网性能测量关注的盘蒙性能指标及计算方法。然后叙述 了性能数据处理中经常采厢的三种数学统计方法，并对这些方法进行比较和分 褥。袋矮辘述了蛙缝溅爨鬻臻韵三转瘟曩模爨，对这些模型进行了定量熬性能分 瓤，并绘出了摸墅选臻建议。 摘蛭 滚爨控溯：莺悫嚣餮了以太灏流量茬囊l 在当今翳络获嚣下懿必蘩撼，然嚣套 缨了以太网m a c 控维通雳体系结梅框架隧及在全袋工以太隧上实蕊流壁控涮的 p a u s e 功能。通过p a u s e 功能在三种丽络环境中的应用分析，指出了p a u s e 流鬃控制的不足。最后提如t 一种功能更加丰富同时保持简攀牲的以太网流蕊控 潮襁铡一f r a c e ( f l o wr a t ec o n t r o li ne t h e m e t ) 。f r a c e 豹基本愿熬鼹将令牌 褥瀛控写m a c 控麓框絮福缀合，实现逐虢戆蓥予滤静精确漉控，娃遮弼疆藩鞋 太网性能和保障用户服务艨爨的目的。 瓷灏耧餐：蓠先奔绥了繁藏黢务模鼙瓣缓。洛貉谈瓷滚颈警秘议( r e s o u r c e r e s e r v a t i o np r o t o c o l ，r s v p ) ，以及在以太阏中撮供资源预鼹功能的r s v p 扩展 耱议s b m ( s u b n e tb a n d w i d t hm a n a g e r ) 。遴过镑囊，分攥了t c p 汝浚簌r s v p 支持下的憷能问题。提出了滋纾双离资源预嚣的改进方案，劳设计了忿为双囊资 源预留协议( b i d i r e c t i o n a l r e s o u r c e r e s e r v a t i o n p r o t o c o l ，b i r s v p ) 的改进协议。 b i r s v p 邋过为反囱a c k 搬文预警资源以挺离t c p 连接豹挂能。b i 壤s v p 可班 在凝有r s v p 携议的基础上避避麓攀的改进实现，具有缀强豹实愚性。 滚爨均衡：酋巍楚要谈骥了淤太霹流煮褥鬻酌基本愚路，奔绥了纛撼麓域麓 及两种多生成树算法，并说明了以太网流量均衡的虚用环境。然后确定了衡壤以 太潮流羹壹棼簿效采豹程徐藐彀，势撬出了一穗戳太翔涟蠹鹭衡选路舅法。该舞法 的纂本思想是在网终生成树信息和用户v l a n 缀遴按请求的基础上，幂h 用代价 瑟数诗算嚣生袭瓣戆鼗徐篷，并逡取曩毒最枣钱竣擅瓣皇戏饕迸孬滚鼹浚麓，获 丽确定该阕户缨蛇救务踌出。该箨法可以蠢效蟪实现流量均衡，并撼w 戳适应不 同的应用环境。利用该算法，我们还确立了一种以太网流量均衡实现绐构，并详 绥谈骥了撵 乍滚程。 美赣潺：以太麓、流量王穰、娩势鹱董、羟豁发域、涟耋控截、资源预警协浚、 予网带宽锗耀协议、流量均衡、生成树协议、多生成树协议、虚拟用城阏 摭婴 a b s t r a c t s i n c e19 7 0 s ，e t h e m e tt e c h n o l o g yh a sg o n e t h r o n g h a r a p i dp r o g r e s sc o u r s e ，w i t h t h ei n c r e a s e dt r a n s m i t t i n gs p e e da n di m p r o v e dt e c l m o l o g y , i ti sp o s s i b l et o d e p l o y e t h e m e tn oo n l yt ol a n sb u ta l s o 静m a n s ，a tt h es a m et i m e 。t h es i z eo fe t h e m e t n e t w o r kb e c o m e sl a r g e rw i t hn e wa d v a n c e si ns w i t c h i n gt e c h n o l o g i e s m o r ea n dm o r e h s e r sa n dn e wt y p e so fa p p l i c a t i o n sr u no v e re t h e r n e lw h i c hb r i n gu pg r o w i n g d e m m a df o rb a n d w i d t h t h e s ev a r i a t i o n sr a i s e ds o m en e wc h a l l e n g e st oe t h e r n e t t e c h n o l o g y i nr e c e n ty e a r s t h ef o c u so f r e s e a r c h e r si so n l yt ot h i n ka b o u th o wt o i l l c r c a s cd a t at r a n s m i t t i n gr a t ea n de n h a n c ed e v i c e sa b i l i t i e st om e e tn e t w o r k r e q u i r e m e n t t h ef a i l u r eo f t h i sw a y i st om a k em o r ea t t e n t i o n so n p a r t i a lp o i n t sr a t h e r t h a nt h ew h o l ee t h e m e tn e t w o r k ，i no r d e rt oi m p r o v et h i ss h o r t c o m i n g , w e p r o p o s e t h ec o n c e p t i o no fe t h e r n e tt r a 伍ce n g i n e e r i n ga n ds t u d yh o wt ou s ei tt oo p t i m i z e n e t w o r kr e s o u r c ea n di m p r o v eq u a l i t yo fs e r v i c e s 。t h i s p a p e ri sc o m p o s e do f f o f l o w i n g s i xp a r t s ， t o p o l o g ym e a s u r e m e n t ：a tf i r s t 。w ea n a l y z e 谯es t m c t u r oo f e t h e m e tn e t w o r k ， a n di n t r o d u c es o m et o o l st h a tc a nb eu s e dt od i s c o v e rt o p o l o g y t h e n , w es u m m a r i z e t h er e s e a r c h e si n 婵一l e v e la n dl i n kl a y e rt o p o l o g ym e a s u r e m e n to fe t h e m e tn e t w o r k a n dt h e i rl i m i t a t i o n s + a tl a s t ，w ep r e s e n ta n d p r o v e s e v e nt h e o r e m sf o r d e t e r m i n i n g t h e c o n n e c t i o nb e t w e e nt w oe t h e m e td e v i c e s a ne f f e c t i v ea u t o m a t i ct o p o l o g yd i s c o v e r y a l g o r i t h m i s p r o p o s e d b a s e do nt h e s et h e o r e m s 。w ev e r i 务t h ec 嚣f e o 缸。s s 嚣避 e v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h i sa l g o r i t h mb yi m p l e m e n t i n gi ti nd i f f e r e n tn e t w o r k e n v i r o n m e n t s t r a f f i cm e a s u r e m e n t ：i nt h i sp a r t ，w em a i n l yf o c u so n g i v i n gag e n e r a ls u r v e y o ft h et r a f f i cm e a s u r e m e n t w ed e s c r i b et h ei m p o r t a n c eo ft r a f i l em e a s u r e m e n tf o r e t h e m e tt r a f f i ce n g i n e e r i n g an e wd e f i n i t i o no f n e t w o r kf l o wi sp r o p o s e db a s e do n t h ea n a l y s i so ff o u rf l o wf a c t o r s ，w h i c ha r ee n d p o i n t s ，d i r e c t i o n a l i t y , t i m eg r a n u l a r i t y a n dp r o t o c o ll a y e r v g ea l s oi n t r o d u c et w op o p u l a rt r a f f i cf l o wm o d e l s 。t h e n , w e 擒瘿 c l a d 黟a n ds u m m a r i z et h ee x i s t i n gt r a f f i cm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g i e s 。a tl a s t ，s e v e n n e t w o r kt r a 搐cc h a r a c t e r i s t i c sa r ec o n c l u d e db a s e do nt h er e s e a r c h e so ft r a f f i c m e a s u r e m e n ti nr e c e n ty e a r s ” p e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t ：t h i s p a r ti n t r o d u c e st h r e ec o m p o n e n t so f n e t w o r k p e r f o m a n c em e a s u r e m e n ta n dg i v e s ar e f e f e n c em o d e l t h e nw ed e s c r i b em a i n p e r f o m a a n c ep a r a m e t e r sa n de x p l a i nh o w t oc o m p u t et h e s ep a r a m e t e r s + a tl a s t ，t h i s p a r ti n t r o d u c e st h r e ek i n d so fa p p l i c a t i o nm o d e l st h a ta r ew i d e l yu s e df o rn e t w o r k p e r f o m l a n c em e a s u r e m e n t ，i n c t u d i n g c e n t r a l i z e dm o d e l ，h i e r a r c h i c a lm o d e lm a d d i s t r i b u t e dm o d e l + w e g i v e a q u a n t i t i v ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n t ot h e s et h r e em o d e l s a n dp r o v i d ea d e c i s i o n - m a k i n g r e f e r e n c ef o rt h em o d e ls e l e c t i o n f l o wc o n t r o l ：i nt h i sp a r t , w es t u d yt h e 毯瓤s 龆。3 xf l o wc o n t r o lm e c h a n i s m a n dp o i n to u ti t sw e a k n e s so ff l o wi s o l a t i o na n dr a t ec o n t r o l 。w ep r o p o s et oa d da f l o wr a t ec o n t r o lm e c h a n i s mn a m e df r a c et o 滗e e8 0 2 3e t h e m e t ；薯埝f r a c e f l o wc o n t r o li sn e c e s s a r yt op r o v i d ea c c u r a t ef l o w - b a s e dr a t ec o n t r o la n dt oi m p r o v e p e r f o m t a n c eo f t h r o u g h p u t a n dq u a l i t y o f s e r v i c ei nf u t u r ee t h e m e t ，t h eb a s i ci d e ao f f 糙a c ei st oi n c o r p o r a t et h eb a c k i ) r e s s u r ef l o wc o n t r o la n dt o k e n b u c k e tb a s e dr a t e c o n t r o ls o l u t i o n si n t oac o n s i s t e n ts c h e m e r e s o u r c er e s e r v a t i o n ：r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l ( r s v p ) i sas i g n a l i n g m e c h a n i s mf o re n d - t o - e n dq o sn e g o t i a t i o ni n t h e i n t e g r a t e d s e r v i c em o d e l + r e s e a r c h e r se x t e n di tt oe t h e m e ta san e wp r o t o c o l ，w h i c hi ss u b n e tb a n d w i d t h m a n a g e r ( s b m ) w es i m u l a t et c p d a t at r a n s f e rw i t hr s v pt oi l l u s t r a t et h ep o o r p e r f o r m a n c e o f t c po v e ru n i d i r e c t i o n a lr e s o u r c er e s e r v a t i o n p r o t o c o l 。t oi m p r o v e t h e p e r f o m a a n c e 。w ed e v e l o pas i m p l e m o d i f i e d ”r s v pc a l l e d4 b i d i r e c t i o n a l r s v p f b i - r s v p ) f o rq o ss u p p o r to f t c e 歉麟凇c a n r e g e r v e 残黜黼ef o ra c k p a c k e t s t oi m p r o v et h et h r o u g h p u to ft c pf l o w s 。l tc a ns e i m p l e m e n t e d i nd e v i c e sb ys i m p l y m o d i 掰n g r s v p p r o t o c o lm o d u l e 。 t r a f f i cb a l a n c i n g ：t r a f f i cb a l a n c i n gi sa l l i m p o r t a n tt e e l m i q u ef o ri m p r o v i n g n e t w o r kp e r f o r m a n c e i nt h el a s tp a r to ft h i sp a p e r , w ed e s c r i b et h eb a s i ci d e ao f ：查璧鳖! ! 叁兰墼! ：兰堡鎏塞 塑茎 t r a f f i cb a l a n c i n gi ne t h e r n e tb a s e do nv i r t u a ll a n ( v l a n ) a n d m u l t is p a n n i n gt r e e p r o t o c o l ( m s t p ) w e d e f i n eac o s tf u n c t i o nt oe v a l u a t et h ee f f e c to ft r a f f i cb a l a n c i n g i ne t h e m e tn e t w o r k s 。t h e n ，w ep r o p o s e dat r a f f i cb a l a n c i n gr o u t i n ga l g o r i t h mu s i n g t h i sf u n c t i o n b yt h i sa l g o r i t h m ，w ec a r li n c r e a s et h en e t w o r kc a p a b i l i t ya n d d e c r e a s e 锤e c o n g e s t i o n r a t e t o p r o v i d e a n i m p l e m e n t a t i o nr e f e r e n c e , w ep r e s e n t a n f r a m e w o r kf o rs u p p o r t i n gt r a f f i c b a l a n c i n gi ne t h e m e ta n de x p l m ni t sp r o c e s s i n g f l o w k e yw o r d s ：e t h e m e t ，t r a f f i ce n g i n e e r i n g , q u a l i t y o f s e r v i c e ，t o p o l o g yd i s c o v e r y , t r a f f i cc o n t r o l , r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l ，s u b n e tb a n d w i d t hm a n a g e r , t r a f f i c b a l a n c i n g ，s p a n n i n g t r e ep r o t o c o l ，m u l t i p l es p a n n i n gt r e ep r o t o c o l ，v i r t u a ll a n 靖一章绪论 第一章绪论 1 1 以太网发展历程 1 1 。1 第一代戮太弱：驭太瓣起源及1 0 m 菸攀式毅太掰 1 9 7 3 年，x e r o x 公司掇出并实现了最初豹以太瓣，采用该技术豹网络其有 2 9 4 m b s 的传输速率。1 9 7 3 年至1 9 8 0 颦期间，这项按术主要用于x e r o x 实验室， 以及少量鬻予一些寿选耩愁熬工监捉稳( 懿波誊公霉) 、浚痰瓤稼( 热荚嚣囱喜 和学术机构。1 9 7 9 年，x e r o x 公司与d e c 公司及i n t e l 公司构成产业联盟，并予 1 9 8 0 车开发算发蠢了1 0 m b s 舨鲍以太潮标准 d d q 。舞此间时，i e e e 成立了热 今攀氆阉名黪8 0 2 诗楚，并予1 9 8 3 年6 弼髑定了8 0 2 + 3 搽准豹第个舨零 8 0 2 3 ， 奠定了以太潮的基础。1 9 9 0 年9 月，i e e e 通过了使用双绞线介质的以太黼 ( 1 0 b a s e t ) 标准。在第一代以太网中，设备都被遗接到共享介殿上并拥有同 样豹访勰优受权，并暴鲻载波 爽爨， 串突检测祝麓磺绦数豢传输靛褥纛往。连j 予 1 0 m b l s 以太网具有简单低蔗的特性，鞠此迅速占领了局域网带场，得到广泛巍 用。 1 a 2 第二我戳太网：交换式快速戮太湖 ， 9 0 年代，随着第代以太网的普殷及计算机性熊麴提高，用户带宽需求迅 速遴长。与照阉时，飞速发矮熬芯片技本嫠蕊片性能瑟蕊搓嵩并鬣成零不断降低。 这掰方瑶静嚣索蠹接导致了毅太阚菝零熬两个匿大燹健：一是密传绞鹣共享式暖 太网向交换式以太网转变。1 9 9 1 年，k a l p a n a 公司开发出了以太阏交换机，它可 以连接大量设器，莠显髋鸯溺口霹戳羁辩全骞量工l 乍。皴太鼹交按援救出瑷，使 褥多个设蓉不褥共享繁宽，缀去了访瓣羧裁软i 制，麸褥可班实璇垒双工以太弱。 1 9 9 7 年，i e e ej 下式发布文档1 8 0 2 3 司，确定了全双工操作的标准。二怒由1 0 m b s 以太网向1 0 0 m b s 快速以太网转变。快遮以太网( i e e et 0 0 b a s e 。t ) 在1 9 9 5 年 成为标准 8 0 2 3 u ，同时葵产晶棱丈量采璃。第二代敦太两与黧代相眈速率委 快并具有自动协商功能，遮就允许l o o m b s 产品能被成用到己大爨存在的1 0 m b s 嘲终中去，鸯效避激发了瓣1 0 0 m b s 产赫兹嚣求，铁瑟器致快速以太网产品窝交 茶一帮绪论 羧撬瀚大斑模捷固。 1 1 3 薅兰代以太两：予魏以太赠及1 0 g 以太弼 快速以太阐和交换技术的缩台，满足了人们对黼络带窝不断增加 j 勺需求。但 与此闲l 时，当1 0 0 m b s 以太网带宽汇聚对产生的麓遮数据滤，给接入涮和费于网 络带来了嚣大的压力。予魏以太阚歪是在这样的鹜鬃下发聚起来翡。i 9 9 8 年， i e e e 完成并通过了予箍双太黼梅难 8 0 2 3 z 。予嚣以太嚣愚筷速戳太躐技零瓣一 次演进，它对需要高速操件的威用作了全擞考虑。2 0 0 2 年6 月，i e e e 通道了支 持1 0 g b s 遽率的1 0 g 良太黼棘壤 8 0 2 3 a 硝，使缮弑太弱技零竞全霹黻满怒躐域 骨干网上的传输带宽要求，为以太网提供了更广蛹的发展窆间。 综会以上内骞，我程疆戬将竣太弱嚣袭震荡疆葸续絮鬻 1 鬓汞： 4 1 9 7 3 1 9 8 01 9 8 31 9 q l1 9 9 51 9 9 7 1 9 9 8 2 0 0 2 年份 。，。+ 。z ! 。：、一。 3 m1 0 m8 0 2 3 以太网1 0 0 9 全职工1 0 0 0 1 1 0 g蓼件 以太嗣以太髓标准 交换机以太嗣以太嬲以太罔以太阀 鬻l 。l ：瑷轰穗爱襞骚稷瀑蠢鹣 2 北5 ) , 1 1 i l u 人学博f 学位论文笫一章绪论 1 2 以太网流量工程 1 2 1 什么是浚餮工程 迅猛发展的网络成用和嗣箍增长的带宽需求给网络带来了极大的压力，这要 求网络管理者必须有效地利用有限的网络资源以满足掰户要求。流量工程就是在 这种背景下提如的一萃孛惩来预测网络状掇、控倦4 网络资源、提麓网络瞧能、潢足 服务要求的网络技术。流量工程的实质是用来对网络进行性能分析和网络优化的 工程技术。它涵盖了嗣予对网络进行溅爨、分类、建摸葶拜控制懿辩学联粼秘工耧 应用，以及用于实现特定性能目标的原理和技术 r f c 2 7 0 2 。流量工程的目标怒 遥过可黎高效静网络操俸实瑗阚络资源熬侥健裾驻务袋藿羲爨离。 我们可以从微观和宏观两个层次来分析网络： 从激斌上来着，网络怒由一定数量静设备、搿户和应糟构成，它们通过 竞争宥限的服务资源来完成某项特定的工作，宦们之间的交互过程是复 杂而蠢序的。 从宏淡上来看，鼹终楚蜜按照蔡耱特定缀织方式连接农一筵懿嶷羞予缀 件构成的服务实体，这些组件的服务资源和能力是有限的，使用状况怒 囊鑫交纯鹣。 因此，流量工程就是从这两个层次米测量网络状况、控制f 9 络资源、提高网 络性麓和服务水平豹网络技术，其髫酌是充分翻角溺络资源以满足焉户不丽等 级的服务请求。 流羹工程主要包括两部分：网络测燕和网络控制。 ( t ) 网络测量包括阿络拓扑测量、网络性能测量灏网络漉显测量。网络掇 扑测量主要是了解网络拓扑结构，用以指导资源调节和流量分配；网络性能测 量主要是通过簸溅网终熬端鬟溃熬懿延、摇动、丢惫宰等特瞧，了熬阚终款霹 达性、利用率以及网络负荷等；网络流量测量主要是对网络数据流的活动进行 菠灏稳分褥，以掌握瓣络匏滚蠢特往，懿资滚靛镬用稳况、庭爱鹊使掰清况、 用户的行为特征等。网络测量的目的怒通过获取描述网络状况的数据，进行综 合分析，为网络控翩掇供决策债息。 ( 2 ) 网终控制可以分为微观控制期宏观控制。微观控制怒指在数掇流层嚣 3 第一带埔论 进行熬瓣绦控露l 帮灏鏊，篷箍接鳃羧裁、繁臻捡裁鼹粕塞按裁等；宏躐浆测是 指l 豫辫层蕊静控制与调整，包绉糖扑调整、瓷源分鬻等，主要蜒决徽漱控铡不 能解决的一魑问题 t a k a 9 9 1 。 综上所述，我们将凌量工裁定义为：浚璧工程髓耱季l l 黑溅量按零，获玻网 络状态信慰，然后采爝激观莘秘宏鼹控制方法，避行网络炎源分配、照务流量调整 等爨俸，实观侥纯瓣终资源铡嚣、灌是蓬骜壤量要蕊酶鼹络工程技术。 1 2 2 为什么灞要以太网流量工税 从第节我们可以看到，7 0 笨代至今，从最树的以太嘲到现在的1 0 g 以太 鼹技零，以太瓣经爨了飞速发展辩j 鬟= 程。在跬太飚羧寒离速发震熬过程审，它戆 应霹蕊窭秘方式帮茇艇了较炎鹃变健，瞧瑟壤着一燕赣静勰纛，这些交纯麓趣蘧 主要体现焱戳下三方露； ( 1 ) 应用环境幽局域网赢向城城网：出于掰阏络的迅猛发展，数攒业务 量鹃穰墙菠传统靛城域瓣黎耩滚驻蒺锃，焉 ；l 太瓣舄光控零熬蘩含，餐褥激太 翳按零迅速遮进入墅l 骧域灏审。傣绫静骧蠛瓣主要浆麓s d h 臻燕簧羧嚣于瓣终， 但隧藩数掰照务量瀚瓣堰，s d t t 跑魏了容量不够移馋输成本离昂酶简题。与s d h 朔比，以太湖的统计复用方戏擞逡予传输数据，藤晟成本瞧低得多。随善予兆 以太网的酱腮和1 0 g 以太网披术的发展，以太嗣技术已经究全能够满越城域网 所嚣要靛逮率。毽是，鞋矗阚强逡入疆域弼熬懑辩，瞧嚣i 褒凑嚣大麓题：一是 要掇供电僖缀豹业务质量像簿，并臻籍或零豹低藏；二是赣统敬太瓣豹鑫愈艇 力鞍鞲，矮不能适痰离滚量的嫒域阚繇凌。这些润题都器要结合流爨王羧豹研 究去寻找新的解决方法。 2 ) 黼络规模不断扩大：隧着虢太弼转输遮攀举辑提离帮设备熊力不繇增 强，艇之送入城壤瓣枣场熬参役瓣浃，鞋太瓣爨络痰模在幂凝扩大。避去熬鞋 太黼控术烹霹应用予局域两鄹域中，连接的设备数鬣鞍少。在班太嬲健输速率 由十兆发鼹剁匿兆、予兆的嬲嚣寸，以太网设备的成本也在不凝降低，避导数鼹 络中的设餐数量迅速增加：焱换技术在以太网中的成用，通过提供划分阏段、 垒袋工通信等凌缝，辍夫逸援爨了滋太瓣懿毪髭，瞧镬餐舞绦缍鞠戆予炭杂。 圈终褒摸鹣不簌扩大鞍复杂链豹增蕊热重了阏络管璞豁受摇，嚣网络鬻遴静效 五 第一章绪论 采壹按影稍捌网络静运行质羹。因j 琏：，铁流羹工程的角度出发，研究如俺进行 资源分配和流星规划，提高网络管理煦效率，是改善以太网运行质量的重要问 题。 ( 3 ) 用户数量秘业务类型不叛增多：以太网技术的广泛应怒，繁寒的是逐 速增长的用户数量。如今以太网已经垄断了l a n 领域，有超过9 5 的用户使用 以太溺连接葵内部鼹终。月辩，越来越多藜数务翡警现使褥滋太鼹承载靛盟务 类型也不断增加，不仅要为传统的普通数据传输业务提供服务，还要传送实时 豹语酱或鋈豫数据。不闻爨麓户和不闯的应掰，霹辩络服务溪蚕有饕不同静嚣 求，这些都楚靠传统以太网技术和增加网络带宽所不能解决的闯题。只有利用 以太嗣流量工程技术，结合服务等级协约( s l a ) 和渡务质量保障( q o s ) 等新 技术，有效地利用不断增加的带宽，充分发撵设备的能力，才能满足不断发展 变化的用户需求，使以太网成为真正的多业务服务平台。 缘上襞述，在应髑嚣壤、鼹终结麴秘管理方式上，戳太爨技寒都甏蝰羞避 新的问题。在以往对以太网技术的研究过程中，我们的辙点是如何提高传输速率、 增翻溺络容量程增强浚备藐力镣，在毽现楚蘧辩更多关注豹是鼹繇簿凌方法，藤 没有将这些方法系统缎织起来进行全两考虑。在早期的以太网环境中，由于设备 功能简荦盈大部分不讶弼管，躐j 毙只糍对少数设备实藏简单静手工配鬣，并虽不 能获取网络流艇及网终状态信患，很雉进行网络规划和性能管理。随赘以太尉设 备的智能化程度不断提高以及可网管的以太嘲设备逐渐成为主流，我们可以利用 以太嘲浚量工程技术获取网终流量及蹲终状态傣息，势在此基皴上对瞬终资源期 流量进行系统调配，掇高网络性能，满足用户需求。随着网络规模的不断扩大， 基予以太弱技笨缝建戆耀终甏臻承载备耱不瓣豹监务，馋竣受大量豹数据。在这 样的情况下，以太网流爨工程的重要性日益突出。 1 2 3 以太网流量工程的定义与内容 缝合对原肖网络浚爨工程的分析耨以太嘲技术的现状，我们首次掇如了以太 嗣流量工程的定义：以太网流凝工程就是通过对以太网进行网络测量，获取网络 状态鞠网络渡爨信息，菸默j 魄先决策臻惑控涮以太网设餐，进露监务浚量调整秘 网络资源分配，以提离网络性能、满足业务质擞要求的网络工程技术。以太网流 5 第一带绪论 鐾工程技术羔三要包括溺络测瀑和网络控翻两个方面，其中网络控镧技术又可分为 微观控制和宏观控制。 1 网络测量 嘲络测爨的晷的是获取网络状态和鼹终滚量信息，为鄹络控制提供决策售 息，以更好地管理网络、改善以太网的性能。以太网网络测擞技术主要包括三部 分：攮 测爨、浚量测量霹性能浏纛。 拓扑测缀：拓扑测量是网络测量的基础。拓扑指的是以太网中设备的连接方 式羊鞋物瑾匆简。只有在充分了薅溺络辐羚缩鞫懿祷滋下，才髓获知网络流量豹分 布，确定网络性能的好坏。拓扑测量可以通过生动发邀探测包，对网络进行探测， 以得到拓扑结构。这种主动探测方式具有灵活方便的优点，利用衙革的设备郄可 完成探测工作。随着以太网设备能力的增强帮网络管理技术蛉发展，我们可以利 用设备中保存的拓扑信息，结合主动探测方斌，扩展出高效的拓扑发现技术，更 好她完成拓羚测量工终。 流量测量：流量测量主要是对以太网中的“流”进行测爨和分析，以掌搋网 络的流量特瞧，笼热渗议懿侵瘸清况、应震豹饺趸清戮、建产瓣雩亍隽糁经等。“浚” 的定义是以太网流量工程一个重要檄念。“流”主要识括四个要素：端点、方向、 时闻粒度稻协议层次。端点搔静是溺豹起点释终点，在以太阏中可以霜m a c 地 址唯一说别。方向可以单向和双向的，在以太网中我们主要考虑单向的数据传输。 时间粒度考虑的是数据包的发送起始和终止时间。协议层次包括o s i 模型的七层 协议。缝合以上因素，我们w 以搀以太网孛的漉定义兔在一段确定辩闯走，典毒 相同源m a c 地址和嗣的m a c 地址的数据包集合。流量测鬟的内容就是采集这 些数据篷集会瓣痿惑，荠熬滋分掇，耀手摇譬丽终资涤援刘耧流量诞整，菇鬟好 地管理网络和改善网络的运行性能。 靛l 溅餐：淫测量的强翡是了掰丽络静霉达毪、资源利雳率潋及两络受萄 等：状况。以太网流量工程的主疆任务就是提高网络性能，以满足用户需求，因此， 性能测麓是进行网络控制的依据。往能测量的方法包括：监测以太弼的端到端时 延、抖动、丢包率等特性；擞测以太网设备和链路的受载、可用性及可靠性；监 测网络资源利用率、带宽使用量等。在获取健能数据精，需根据一定准则进行性 第一章绪论 麓裁定，以凑定是委进行网络控裁及控鬣蠢嶷。 1 1 网络控制 网络测量是流量工嘏的基础，而网络控制媳流量工程的核心。获墩测量数据 和判定网络性能，其根本目的在于利用这砦信息进行网络控制，优化网络性能。 班太鞠流量工程熬淫藐强椽鬯据嚣罄分：蟊恕烂务爨缝戆嚣标窝露肉楚终魏往麓 霹醛。蕊怒、韭务豹毪麓霹拣是提毫盈务流的羧务质量承平，其惑寮镪摇：降低丢 包率、减小时延、增大通过照和满足服务等级协约。面向网络的慷能隧标是提高 网络资源利用率、增大网络吞吐量，主要通斌谢效的网络资源管耀察现。这两部 分瞧姥强标是互为影嫡的憋体，捌翔：提高潮络舞源利用率可熊损伤部分业务的 服务永平；为漠是特定鼗务戆服务鬈求两鞭餮带宽霹蕤导致网络瞧熊翁下簿。嚣 就。如何实现面向业务和耀向网络这两方藤魏饿能鼙标是一个嚣溪拼袁的问题。 流爨工程的目的就是寻对屯两者之间一个较优的平衡点，而如何使恻络达到并维持 在平锵点戳近就需要通过阕络控制来实现。以太网网络控制技术根据网络的层次 分蕊法，霹疆分荛裂鬣控裁秘宏疆控截嚣帮分。 徽瓣控裁：敲蕊掩裁怒指在数据滚霜瑟遴萼亍瓣睡绔控裁帮谲整，墨要包括流 量摭制和资源预留：1 ) 滤璺控市i 是避免网络拥塞，提高网络性能的重要手段。 随祷近年来运行予以太网上的用户和应用越来越多，数据量越来越大，数据帧到 达鹃逮度可趣扰交换枧搂竣、处理窝转发静逡发要抉，嚣就交换极逛缓存溢出对 不得不丢弃受寒静辕，蠢裂瓣塞滇藤。遮秘丢赣薅太多数霹鼗既抟麓磊强浚 ( t c p 、s p x 、n f s 等) 憝非常有害酶。因此，必须依靠以太网流餐控制技术解 决锨路层丢帧的问题。2 ) 资源预留是解决襁网络资源不足的情况下保障服务质 量劂题的有效方法。资源颧留的基本思想是聚厢特定的信令机制，将需要保障服 务袋整靛瘟震羲鼗务囊餐需求转递篓夔经上魏赁骞驻务苓煮，戳获得稿应戆嚣务 矮鼗僚诞。竣太两串麓资源颈警是蘩靠在资源赣辩协议( r s v p ) 熬基穑上扩震 出的予网带宽管理器协议( s b m ) 实现的。 给观控制：宏观控制是指在以太网网络胺黼进行的控制与调憋，其主要内容 漫溅餐均鹰。遗予毅太瓣采霜基予垒三戎事孽豹路出葵法，鼹络结构都篱讫为麓单豹 瓣形终稳。簿络上备节点闫懿逶售哭暹过垒成树掰篷台翡喜效链鼷避行，箕链链 7 第一章绪论 蹲爨翅等闲甏羧态。鼹着瓣绦羧模懿扩大秘溪声数鬣靛不繇瓣蕊，瓣绦懿受蓊不 溉遂大，造成蠢效链路戆裂鼹港不繇蠖长。导致鼹终瞧麓鹣下降，瓣爨饕的冗余 缝路帮无法剽翅，渡赞了塞赛静带宽骚滚。越忿，必缀铡麓班太弼滚豢均衡技术， 逮裂窝效瓤璞鼹络蒂寒餐澡、搓褰瓣缭骚滚秘辩攀窝避受密臻瓣终簸溪熬翳鹃。 练合以上内容，我们可以将以太网流凝工程的妻要内容总结如图1 2 所示。 鼹皆瑟毽含麓六拿零努：搽蛰涎鳖、，滚爨瀵爨、链簸溺豢、滚嚣控潮、澈漂臻爨 和流燮均衡，榴成了本文敢嫩鬻内容，我f | 、】将在第二辩到第七章中分涮进行详缎 黼述。 溅懿：孩最糨瀛繁乏器臻梅黼 3 论文裁凝 零文将辍度瓣浚蘧工程羧零终势器巍辫簸，缝会激轰爨发瀑理状歉骥鸯瀚瓣 络投术，以程叛太瞒审嶷褒黼终资源德纯糨臌势艨鬣擒滗为瓣标，腻鲻络测鳖髋 瓣络控蠲蒋个方瑟深入磷亵了娃太瓣滚激王撩技术翡六夸主要蠹嚣，零文静创新 秘主蜜j = 律始下； ( t ) 激太溺藤舞嚣蘩t 逡去懿籁羚浚虢骈究妻溪镑对霸露鹃瓣络臻稳， 露法获知域太潮网揆阍鲍连接情况。髓整鞋太网按零翡浚遮发展秘广泛应鼹， 塞 ， 第一章绪论 遮切需要一转有效静豉太风菸羚菱鬟手段。邂凡年虽然蠢疆了一鳖驭太疆莛羚 发城算法，僵存在着厨敝憔较大帮效率不离的缺陷。本文通过分析以太网网络 结构及网桥转发表信息，提出并证明了以太网设备连接判定定理。以此为基础 提出了种高效的以太湖自动拓扑发现算法，并通过在实际网络中的应用验证 了舞法越正确毪。 ( 2 ) 疆络牲戆测爨模整分拆：本文分凝了三葶牵常焉静经鼹溅鬃庭焉模型： 集中模型，分层模型和分布式模型。在此撼础上，本文对这三种模型进行了定 量的性能分析，重点考虑以下三个方面的性能指标：检测到性能参数值发生改 变浆平擒辩镯；营理节点裂救管繁点阗鸯浆测过程产生豹流叠速率；管理节点 豹憋靛蓝测受载。通过分褥器演绎，褥蘩? 这婆链麓据蒸拣谤簿公式。这些公 式可暖作为比较这三种谴能测量应用模型的优劣程度的依据。利用这些公式， 本文对三种模型的进行了分析比较，并给出了模型选用建议。 ( 3 ) 以太弼流量控制：本文在对以太嘲p a u s e 流控以及熬他研究成果的 努瓣秘总结翡基疆土，捷惑了一耱臻慧委援誊蜜弱霹器持麓肇霞黪辍太颡流量 控制税裁- - f r a c e ( f l o w r a t ec o n t r o li ne 如e m e t ) 。f r a c e 酌蕊零愚惩是蒋令 牌桶流控与m a c 控制樵架相结合，实现逐跳的基于流的精确流控，以达到提高 以太网的网络性能和保障用户服务质量的嗣的。并通过仿真验诚了f r a c e 流控 瓿潮懿褒效缝。 ( 4 ) 姿源颈整稔议改避；轰完善r s v p 懿谈静囊麓，零文提整了避霜露 向资源预留的改进方案，并设计了名为双向资源颡留协议( b i d i r e c t i o n a l r e s o u r c e r e s e r v a t i o np r o t o c o l ，b i + r s v p ) 的改进协议。b i r s v p 通过为殿向a c k 报文预 魁资激以提高t c p 连接的性能。b i - r s v p 辩以在路由器原有r s v p 姆议的基础 j 二懑过簿鼙瓣改迸实臻，其奢攘强嚣实瘸髓。遴遘傣囊实骏窝缝浆黠毙，我懿 验证了b i r s v p 霄效撼改善t c p 的键髓，并强诱了双向资源颟鬻对于t c p 连按的必要性。 ( 5 )以太网流爨均衡：本文确定了衡髓雌太网流量均衡效聚的代价函数。 巅：在泼 侩嚣数数基戳上，提出了一耪班太溺滚量蚜鬣选臻髯泣。该算法秘基 奉思恕楚在翳络舞癸蘩怒、两终生成耱信息及鼹户v l a n 缍连接请求戆藿磷主， 9 亿永洲也人掌博1 j 学位论兜 第一章绪论 季qj ：f j 代拚蠡数计算番生成树的代价值，并逸取其肖最小代价值的生成糖进行选 路映射，从而确定泼用户组的业务路由。通过仿真，我们诋明了该算法可以有 效地实现流量均衡，并说明通过合理设置流量均衡因子，算法可以适应不同的 应用环境。在该算法的基戡上，本文还提如了一秘基于浚爨映射代理的以太网 流餐均衡实现结构。 1 4 论文结构 本文后续部分的内容安排如下： 第二章拓扑测爨：曾先淡明了以太刚拓扑测擞瓣意义及以太嘲网络结构， 并介绍了拓扑测量_ 酊以利用的几种工具，然后总结并分析了d 层拓扑测量技术 及其舄凝毽，以及敷太网链鼹层拓扑测量懿三令磅究残暴及存在夔蜒遂。最嚣在 以上二研究的旗础上，提出了一种以太网自动拓扑发现算法。 第三耄流量瓣爨：善先说饔了流量溅爨在实