（通信与信息系统专业论文）基于mpls的流量工程研究(3).pdf

摘要 本文分析了流量工程的含义:从 i p网络的历史背景，指出了当前 i n t e r n e t 网络实施流量工程的必要性:对比了几种不同的流量工程方 案，重叠模型由 于其固有的局限，不适合于流量工程;在传输层上， 本文分析了a i md ( 加性增加乘性减少) 算法在保持数据流稳定性上的 缺 点，这和当前迅速发展的媒流体文件传输不相适应。对此，我们提出 了 一种新的 算法一 p mi m d ( 比 例乘性增加乘性减少) 。 本文还论述了 m p l s ( 多协议标签交换) 网 络的架构及其对流量工程的 支持， 研究了 基 于mp l s 流量工程要解决的几个主要问题:如何把数据包映射为转发 等价类， 如何把转发等价类映射为流量中继等，并对其中最重要的一 个:通过l s p ( 标签交换路径) 把流量中继映射到实际网络拓扑，提出 了一种自 适应流量控制机制一l a t c ;通过相应的仿真，验证了该机 制实施的合理性和有效性。 关 键词:i p流量工程 p mi md mp l s l s p l a t c ab s t r a c t t h e p a p e r a n a l y s e s t h e m e a n i n g s o f t h e t r a f f i c e n g i n e e r i n g . f o r t h e h i s t o ry b a c k g r o u n d o f t h e i p n e t w o r k i t i s n e c e s s a ry t o c a r ry o u t t r a f f i c e n g i n e e r i n g i n i n t e r n e t n o w . 1 h a v e c o m p a r e d s e v e r a l d i f f e r e n t s c h e m e s o f t r a f f i c e n g i n e e r i n g i n t h e p a p e r . t h e o v e r l a p m o d e l i s n o t f i t f o r t h e t r a f fi c e n g i n e e r i n g b e c a u s e o f t h e i n h e r e n t l i m i t a t i o n . we p o i n t o u t t h a t t h e a i md a l g o r i t h m i s n o t f i t f o r t r a n s f e r s o f r e a l - t i m e s t r e a mi n g fi l e b e c a u s e t h e a i md a l g o r i t h m c a n n o t k e e p t h e fl o w s t e a d y . we d e s i g n a n e w a l g o r i t h m - p mi md . t h e e m p h a s i s o f t h e p a p e r i s t o d i s c u s s t h e f r a m e w o r k o f t h e mp l s n e t w o r k a n d t h e s u p p o r t f o r t r a f f i c e n g i n e e r i n g . 1 h a v e l e a r n e d s e v e r a l m a i n t o p i c s a b o u t t h e t r a f f i c e n g i n e e r i n g b a s e d o n mp l s : h o w t o m a p t h e d a t a i n t o l a b l e ; h o w t o ma p l a b l e i n t o f e c . f o r t h e mo s t i m p o r t a n t t o p i c : h o w t o ma p t r a f f i c t r u n k i n t o t h e a c t u a l t o p o l o g i c a l n e t w o r k b y l s p , i h a v e d e s i g n e d a k i n d o f a d a p t i v e t r a f f i c c o n t r o l me c h a n i s m c a l l e d l a t c . t h e s i m u l a t i o n e x p r i m e n t s h a v e p r o v e d t h e v a l i d i t y a n d t h e e f f e c t o f l a t c . k e y w o r d s : i p t r a f f i c e n g in e e r mg p mi md mp ls ls p l at c 浙江工业大学硕十学位论文 第一章研究背景 1 . ，流量工程的产生 随 着i n t e r n e t 的迅 速发展 i s p ( i n t e rn e t s e r v i c e p r o v i d e r ) 面临着日 益激烈的商 业竞争， 他们必须向用户提供像电话一样可靠的服务;同时，还存在着网络中提供 不同服务的需求，这样i s p 就可以 通过提供具有竞争力的服务使他们获得最大的利 润。对i s p 来说，商务效率和代价受如何能有效的利用他的基础设施，特别是可用 带宽的影响。更加有效的使用带宽资源就意味着 i s p 能减少运营的整体费用，帮助 i s p 获得超过其竞争者的 优势。为了 在网络中提供这样的能力，当前i p 网络中的基 本流量转发机制必须增强，也就是要实施流量工程。 将业务流合理映射到物理链路上的任务称为流量工程，流量工程是一个强有力 的工具，通过它可以平衡网络中不同链路、路由器和交换机之间的业务负载，使所 有这些网络设备既不会被过度使用，也不会未充分使用。这样就可以有效利用整个 网络的资源，随着信息社会的进一步发展，在未来的主干网络中，流量工程将成为 路由结构中的一个重要组成部分。 ? 0 0 0 年9 月， i e t f ( t h e i n t e rn e t e n g in e e r i n g t a s k f o r c e ) 发布的 草案( d r a ft ) 指明 了i n t e r n e t 上实施流量工程的 框架和目 标。当前a t m ( a s y n c h r o n o u s t r a n s f e r m o d e ) 还是占据重要地位，是宽带网络的核心技术，a t m网络可以 支持综合服务，并且 在网络工程设计方面有高度的灵活性， 提供流量管理能力和q o s ( q u a l i t y o f s e r v ic e ) ， 支持v p n ( v i rt u a l p ri v a t e n e t w o r k s ) 和多重业务类型。 但由 于a t m信令过 去复杂， 给广泛应用带来了不利。而i p 技术的简单、高效使其得以广泛应用并迅 速成为网络的主导技术。其灵活的路由 体系结构，非面向连接的尽力而为的分组传 送方式，特别适合于非实时数据信息的传输。但i p 技术对流量的管理能力很弱， 无法 提供q o s 服务 ( 时 延、 带宽 等) 保证; 无法满足语音、 视频图 象等实时信息 的传输要求。因此，在实现流量工程的初期，主要是利用a t m的流量管理能力， 在i n t e rn e t 网络中使用基于a t m技术的重叠方式i p o v e r a t m实现流量工程。随 着重叠模式的各 种局限 性以 及m p l s ( m u l t i - p r o t o c o l l a b e l s w i t c h i n g ) 技术的出 现， 彻汪工业大学硕+学位沦文 在网络中使用m p l s 实现流量工程在网络的扩展性、网络的管理等多个方面更加 具有良好的可操作性。 1 . 2 流量工程目标 将拥塞最小化是流量工程的核心目 标， 拥塞一般在以 下情况出现: 当网络整体资源不足以支撑流量的需求; 当流量不能有效映射到资源上，引起一部分资源过度利用而另外一部 分利用不足。 由第一种情况引起的拥塞问题可以这样解决:增加网络容量，调整或者降低要 求以此来使流量适应可提供的容量 ( 例如使用政策、流控、速率整形、链路调度、 队列管理、税收等);由第二种情况引起的拥塞问题可以通过增加资源分配的利用 率来解决。这种增加资源分配利用率的一个例子是将一些流量从拥塞的资源路由到 相对没有充分利用的资源上。 可靠的网 络操作是i n t e m e t 流量工程的另一个重要目 标。多失效恢复能力必须 被设计以保证网络故障后服务连续性。 适当的用于服务恢复的容量必须有冗余备 份。同时必须存在可操作能力用于在发生故障时迅速重路由 流量到冗余的容量上。 为更有效利用发生故障后的剩余资源，在恢复后的重新优化可能也是需要的。在网 络没有发生问题时利用一部分冗余容量来提高网络性能和效率是有好处的。 流量工程在一个多种类服务的环境变得更加重要，像目 前出现的i n t e m e t 区分 服务，在其中有不同服务需求的多个流同时竞争同一网络资源。在这些环境中，流 量工程建立起资源共享参数以便网络按照这个利用模式向一些服务类别提供优先服 务，比 如v o i p ( v o i c e o v e r i p ) 等一些实 时应用。 1 . 3流量工程模型分析 网络的性能优化从根本上来说是一个控制问题。控制万法可以分为两种:基于 浙%. i 了 _ 业大学硕十学位论文 流的控制 ( 微层控制) 和基于网络级的控制 ( 宏层控制)。微层控制是在数据流层 的控制比如t c p 使用的基于滑动窗口策略的微层拥塞控制法。宏层控制是网络 级的控制.用于解决微观控制无法解决的问题。流量工程就是宏观控制技术。 在流量工程处理模型中，流量工程师或一个相应的自 动机作为一个自 适应反馈 控制 ( 流量工程控制)系统的控制器。该系统包括一系列互连的网元、一个网络性 能监视系统以及一套网络配套管理工具。如图1 一1 网络优化处理模型所示，流量 工程师确定相应的控制策略，通过检测系统观察网络的状态，描述网络和流量的特 征依照控制策略控制网络，驱动网络达到一种理想的状态。 图1 一1网络优化处理模型 在网络中实施流量工程，网络管理系统是关键的环节.网 络管理系统必须根据 当前网 络的 状态和业务流的性能需求，做出最佳规划并实施流量工程， 并需要动态 检测网络的运行 状况检查实施后的效果。当 发现网络的 运行没有达到顶期的效果 时，根据具休的情况对网络进行扩容或优化网络配置。理想的情况下，网 络性能优 化的配置c . 理操作应包括以下三种; if f 月 业人学硕十学位论文 ) a 整流量竹理参数; 2 )调整与路由 选择相关的参数; 3 )调整与资源相关的属性和参数。 流量工程的控制过程可以通过以下两种万式完成: ) 响 应当 前网 络的 状态后， 对网 络进行相应的 控制 操作: 2 )是用预测技术对网 络的发展趋势进行预测， 预先对网络采取控制操作， 从而 避免网络在不理想的状态下运行。 1 . 4流量工程的基本组成 在一个分组交换网络中对流量工程来说需要四个基本部分: 1 .拓扑信息分发:由于网络是分布系统，它需要一种机制用于向所有的节点广 播关于链路状态的最新信息。一个节点因此可以计算出网络拓扑图。关于链路和节 点失效的消息也必须迅速地在网络中传播，以 使重新恢复得以开始。这部分的工作 可以 利用标准路由 协议来完成，比 如i g p ( i n t e r i o r g a t e w a y p r o t o c o l ) . 2 .路径选择:这个包括使用搜集来的拓扑信息计算网络中节点之间的可到达 性。当一条路径被网络中任意节点对所需要时，一条有着最小链路的最短路径通常 被使用，因为它优化了网络资源的使用。其它的限制，包括带宽和延迟，也应该在 路径选择时被考虑 在内 。 这部分的工作可以 利用 标准的c s p f ( c o n s t r a i n e d s h o rt e s t p a t h f i r s t ) 算法。 3 沿着计算好的路径转发分组:一旦位于一个给定的源节点和目 标节点之间的 路径被计算出来后，我们需要有能力来引导分组沿着这条特定的路径转发。通常， 这通过建立一个转发表来完成。当一个分组到达一个节点时，利用分组头中的信息 查找转发表。在一个无连接的转发范例中，每个节点独立地建立自己的转发表。对 于面向连接的转发这一步骤包括适应一种信令协议来建立路径。这种信令协议帮助 沿着此路径的中间节点建立它们的转发表。在基于mp i ,s 的流量工程中，可供适 用的 信令协议有r s v p ( r e s e r v a t i o n p r o t o c o l ) 或c r - l d p . 4 .流量管理:流量管理用于处理一些定义，这些定义包括一个框架和相应的机 浙江下业大学硕十学位论文 制， 它们使得一个网 络可以向用户数据流提供q o s . q o s 由 一些参数来表征，这 些参数包 括带宽、 延迟、 抖动和丢包率。 用来实 现q o s 的 机制包括网 管控制， 流 识别，流量规划和流量调度。 1 . 5本章小结 本章主要介绍了流量工程的产生和要实现的目 标，研究了指导流量工程的模 型，总结了流量工程的主要组成部分。 浙“i 业大学碗+ 学位论文 第二章l p 网络的流量工程现状 2 。1 当前i n t e r n e t 中基于度量的流量工程 2 1 1 路由协议和流量转发 上文提到的流量工程的第一个需求，也就是链路状态的分发，是由路由协议来 完成的。i p 网络使用一个分层路由的方式，即在自治系统( a s ) 中运行内部网关 协议i g p ，自治系统之问运行外部网关协议e g p 。i s p 常用的的1 g p 有o s p f 和1 s - - i s 协议：而b g p 专门用作外部网关协议。为了具有可扩展性，网络可能会被分 成小的管理域，这样在a s 中就引入了另一级分层结构。在这个域外，可到达消息 可能会被聚集，并且在分发通过其他a s 域的过程中被进一步聚集，并且在分发通 过其他a s 域的过程中被进一步聚集。在路由分层的晟低层，i g p 协议被用于在网 络中分发关于所有链路的状态信息。这样，每一个在一个给定管理域中的路由器获 得一张在本域中所由链路和节点信息的分布图。每个路由器基于这些信息使用最短 路径优先算法计算到达网络中所有可能目的地的最短路径。最终，路由器建立起一 张将地址前缀和下一跳链路对应起来的转发表。当一个分组到达路由器时，路由器 查找转发表，将分组按照目的i p 地址转发到正确的链路上区。在这种模式中，每 一个路由器自主作出如何转发分组的决定，所以每一跳是以一种无连接的方式转发 分组。 上面的方法可以在一个链路比较少的拓扑结构中工作得很好。但是在一个有着 富裕连接的网络中，可能会引起网络负载的不平衡。那些不处于最短路径中的链路 即使在网络负载很重的情况下也不能够被充分利用。这个问题可以在某个范围内通 过调整路由协议的链路衡量尺度来调整，或者配置静态路由的方法来解决，但带来 了沉重的管理负担，而且错误的配置将对网络产生巨大的负面影响。 2 1 2 流量管理 当前i n t e m e t 基本上没有流量管理，所有的流都是尽力服务，没有办法对一个 特定的流量设置优先级或提供q o s 保证。而且从传输层上看，蔼向连接的t c p 数 据报利而向无连接的u d p 数据报在一个拥塞的链路上传输，由于t c p 协议有拥塞 1 0 浙江t 业大学碗十学住论文 控制机制，t c p 流是弹性流；相对而言u d p 流是种恶性流，会抢占带宽。这 样，对于苯于t c p 协议的网络应用是不公平的。图2 13 演示了t c p 流和 u d p 在同条链路上传输的带宽占用情况。 图2 1 模拟网络拓扑 上图是o p n e t 模拟的t c p 流和u d p 流通过同一对边缘路由器的网络拓扑图，我 们从链路的带宽可以看出，网络的瓶颈是在l s r l 和l s r 4 之间的链路。 图2 - - 2t c p 和u d p 流在同一链路上的传输 在网络中传输2 个t c p 流，1 个u d p 流。在l s r l 和l s r 4 之间由路由协议 选择的路径会是l s r l - - l s r 3 - - l s r 4 ，因为这条路径有更多的带宽。 图2 - - 3 给出了不同情况下的仿真结果( 图中横坐标是仿真时间，纵坐标是数据 流的带宽) ： 第一种情况，源端把所有的流带宽控制在1 5 m b p s ，链路并没有过载，不会发 牛i 拥塞所以终端服务器收到的吞吐量都是1 ，5 m b p s 。 浙江r 业大学硕士学1 7 _ 仑文 第二种情况，t c p 流保持不变，源端把u d p 流增加到2 5 m b p s ，链路存在过 载，l s r i - - l s r 3 的链蹄产生拥塞。t c p 流由于其拥塞控制机制，开始减少源端的 流量，而u d p 流并不能感知网络状态，抢占了带宽，满足自己的需要。 第三、四种情况，源端t c p 流情况保持不变，u d p 流继续增加。终端t c p 的 吞吐量也越来越少。 1 所有的流带宽1 ，5 m b p s 3u d p 流增加到3 5 m b p s 图2 3 仿真结果 2 u d p 流增加到2 s m b p s 4 u d p 流增加到4 m b p s 为了解决以上问题，集成服务模型( i n t s e r v ) 和资源预留协议( r s v p ) 被发 展用于作为提供每个流的信令和流量管理支持的解放方案。但是由于i n t s e r v 模型 需要问断性地刷新所以流的预留信息并由此带来的可扩展性问题，所以此模型的接 受程度和部署情况都非常不理想。近来，1 e t f 进行了区分服务模型( d i t t s e r v ) 的 1 2 浙江丁业大学硕十学位沦文 标准化工作，这个服务模型不必维持网络中每个流的状态因此解扶了r s v p l m s e r v 方法带来的可扩展性问题。 2 1 3 路径选择 上文提到的第二个需求，路径选择，由于传统的i p 路由总是试图寻找并按照 一条从分组的目前位置到它的目的地的最短路径转发分组，这样就可能导致网络中 的“热点”问题：处于最短路径中的某些路由器和通信链路不得不承受高的流量负 载。当路由器的平均负载增加时，延迟、抖动和丢包率都会相应增加，容易造成各 种网络故障。i p 路由可以简明地刻划为基于目的地的、最小代价的路由。 图2 4 显示了这样的例子 图2 4 传统p 路由下的路径选择 从路由器r l 和r 2 到r 5 的数据包，要通过r 3 进行转发。根据普通的i p 路由 比如r i p 协议将选择r 3 一r 5 的路径，因为它比r 3 一r 4 一r 5 的路径要少一跳的距 离。这样，实际的流量都通过r 3 一r 5 的路径进行转发，丽r 3 一r 4 一r 5 没有利用。 利用o s p f 或者i s i s 协议提供的相等费用的、多路径的能力也不能解决上面 这个问题。如果采用o s p f 或者i s - - i s 协议，把r 3 - - r 5 和r 3 - - r 4 一r 5 两条路径的 费用设为相等，即r 3 把从r l 和r 2 到r 5 的业务流总和平均路由到两条路径上，在 这种情况下，如果两条路径的链路带宽不均衡，随着业务流的增大，将会发生一条 路径拥塞，而另一条没有充分利用。 从以上可以看出，不管如何规划，还是不能避免这样一种情形：即网络的某些 部分将会是没有充分利用的而其它部分将会是拥塞的。同样也注意到，上面的例子 是非常简单化的，这就龉示，如果连这些例子的流量工程同题都不能得到解决，实 际上我们将没有在更加现实的情况下有能力使用传统的i p 路由来解决这个问题。 1 3 浙汀t 业大学硕+ 学位论文 传统的l p 蹄由未能解决流量工程问题的主要原因是，任何一种解决这个问题 的方案都必颁建立这样的路由：就某个衡量尺度( 比如管理距离) 而言， 这个路 由不仅是撮优的，而且这个路由还考虑到了个体链路上的可利用带宽。传统的i p 路由提供前者仙不能提供后者。 2 2 基于覆盖模型的流量工程 1 9 9 5 年左右，i n t e r n e t 业务量的不断增长要求i s p 的网络主干能够支持高于 t 3 ( 4 5 m b p s ) 的速率。这时，出现了交换机和路由器上o c - - 3 ( 1 5 5 m b p s ) 速率 的a t m 接口。为了获得所需的速率，i s p 被迫重新设计他们的网络，使他们能够 使用由交换( a t m 和帧中继) 核心网提供的更高速率。一些i s p 将他们的网络从 d s 一3 点到点连接转移到网络边缘使用带有o c 一3 速率a t m 接口的路由器，而在 网络核心部分使用o c 一3 速率的a t m 交换机的网络结构。大约在9 个月之后， a t m 交换机之间的连接速率升级到o c - - 1 2 ( 6 2 2 m b p s ) 。另一些i s p 开始在他们 的d s 一3 帧中继网络中增加节点。当他们开始从帧中继移至a t m 时，他们在网络 边缘使用o c - 3 连接，但不久便在核心部分配置了o c - 1 2 速率的交换机间的连 接。( 见图2 5 ) o c 3 图2 - 51 9 9 8 和1 9 9 9 年典型的大型i s p 核心刚物理拓扑 浙江r j k 大学硕十学位论文 2 2 i p 覆盖型网络的运行 当i p 运行在a t m 网络时，路由器环绕在a t m 网络的边缘。每个路由器通过一 系列由a t m 物理拓扑配置的永久虚电路( p v c ) 与其它踏由器通信。p v c 就像是 逻辑电路一样工作，为边缘路由器提供连接。路由器并不能直接访问a t m 结构中 p v c 的具体物理拓扑信息。路由器只是了解特定的p v c 就像出现在两个路由器之 间倚单的点到点电路。 图2 6 说明了a t m 核心网物理拓扑和逻辑i p 覆盖拓扑的区别。 图2 - 6a t m 物理拓扑和第三层覆盖拓扑 15 i l i 江t 业大学硕十学何论文 对于大型i s p ，a t m 核心网由i s p 完全拥有，并用于支持i n t e m e t 骨干网业 务。这种核心网的基础结构和其它专用数据业务完全分离。因为网络由i s p 完全拥 有并专门用于l p 业务，所有业务通过a t m 核心时使用不确定比特率( u b r ) 。 a t m 服务等级一没有策略，没有业务整形，没有峰值信元率，没有维持信元率。 1 s p 只是简单地把a t m 交换结构作为一个高速传输系统，而不依赖a t m 的业务和 拥塞控制机制。对于i s p 们，没有什么理由需要他们使用这些先进的“特性”，因 为每个i s p 都拥有自己的骨干网，他们不需要对自己加以限制。 p v c 覆盖的物理路径通常通过离线配置计算获得，它使用基于需求的方式： 当拥塞发生，新增条干线或配置个新的p o p 。一些a t m 交换机厂商在考虑流 量工程时，会使用一些专有的技术对p v c 进行路由，但是，这些方案都不成熟， i s p 经常需要进行完整的离线状态路径计算以达到预期的结果。p v c 路径和特性通 过使用基于链路容量和历史业务参数配置而对其进行整体优化。离线状态配置的使 用也可以帮助设定一组备用p v c ，以便在故障条件下准备作出反应。最后，在完 成p v c 结网的整体优化计算后，配置将被下载到路由器和a t m 交换机以提供单 个或两个全闭合结网的逻辑拓扑。 当a t m 的p v c 被映射到路由器的子端口时，分离的a t m 网络和i p 网络相 遇。路由器子端口与a t m 网的p v c 互相协调，然后路由协议在子端口上与i p 报 头 x r - 1 ( j ) n1 同jl.t 一一 y a , + b , x ; ( t 一 1 ) i f y ( t ) = 0 a d + b d x , ( t 一 1 ) i f y ( 1 ) = 1 |义l -一 、了 沙皿 砚 月 x 公式 1 中，假定所有的用户的数据都有相同的延迟和反馈值。 浙江工业大学硕士学位论文 文献( 3 7 1 给出了公平度函数的定义: 向 量x 二 x 1 , . . . j f ( x ) =( 2 ) 图3 一1 c h i u - j a i n 拥塞控制模型 公式 ( 1 )中的参数选择要满足如下的条件; a , o , b ， 二 ( 3 ) a d = 0 ,0 b , 1 j飞七 在保证公平度的前提下，a i md算法能以最快速度把带宽分配给各用户。图3 - 2 说明了 在有两个用户( x 1 , x 2 ) 的系统中， a i m d算法控制下的状态演变。 每一个 点的 变化都是时间 上的 推进， 初始状态是x 1 = 1 0 , x 2 = 0 。 控制参数为a 1= 1 , b b = 0 .$ 5 , x 8 - ,= 3 0 0 在图3 - 2 中，我们注意到，带宽分配能很快到达效率线逼近公平线，但系统 的 稳定 状态是 在效率线上 下振荡， 有一 个比 较大的 超调量.我们从公式( i ) 中能 推断 出网 络中所有载荷值x ( t ) 的范围和超调量(d: (4)(5) b , x g w f i , 0 几 。 可以推得 : ， 、 x ,丝 x r ,x r: (t(l) xy ( 8 ) 浙江工业大学硕十学位论文 b , , x , ( r 一 、 ) i f y ( t ) = 0 其中r a , r , a i md算法。 b ,) r x , ( r 一 1) if y ( 1 ) = 1 是新引 入的 控制参数， 我们称其为比 例因 子; b , i , b 。 同 前面的 产|悦| 一一 、.， j口 了.、 x 气 d= ( 9 ) r , = a ( 1 一 r d ) 公式 ( 9 ) 中， a是比 例系数， 为一常 数。 从公式( 8 ) 中，我们推断出网 络中 所有载荷值x ( t ) 的范围和超调量巾二 b . x g x ( t ) b , x g- , 。 = ( 沂一b d ) x i i 对于前文中给定的参数，计算得到(d = 3 . 8 . 从公式( 1 1 ) 我们可以看出，。的大小和用户数n 没有关系，从而稳定了网络 中数据的 传输率， 这是本算法的最大价值所在。另外，对比 于a nd ， 我们得出的 。也要小。图( 4 ) 仿真了采用不同算法下x ( t ) 随时间变化的情况，圆点表示的采用 p mi md算法在负载稳定上明显优于星点表示的a nd算法。不过从图3 - 4 也反 映了p m i md的不足: 响应速度比 较慢。 有别于a i m d算法的是，使用p mi m d的前提是对各节点的不一致反馈，这 就要求路由器对不同的节点作出不同的拥塞指示，在i p 层上要传输类似e c n的数 据包，从而在充分利用带宽的前提下，达到稳定数据流的目 的，这也是当 前 i n t e m e t 上迅速增加的流媒体文件传输的要求。 浙江工业大学硕十学位论文 . 辛 心。 命 专 + 一+ + k _ _ ， _ _ _ _ . and 一pmi md 巧20巧 担餐润 0 1 0 2 0 3 0 4 0 图 3 -4 5 0印7 0 时间 总负载的变化 8 0印1 0 0 3 . 3本章小结 本章在分析a nd算法缺点的基础上，提出了一种有悖于传统的新的算法 p mi m d ，本算法主要在超调量的减少上，有比较大的优势，同时也不会因为网络 中用户数量的增加而降低数据传输性能. 必须指出的是， p m i m i 算法要得到i p 层，路由器侧的支持加果将来设计这样一种基于p m i m d拥塞控制算法的网络， 还可以做很多的工作. 浙江 ! 业大学硕十学位论文 第四章m p l s技术 4 . 1 m p l s技术背景 随着i n t e rn e t 的高速发展， 传统路由器己 经不能满足需求，在改进路由 器的过 程中产生了mp l s( 多协议标签交换)技术。 1 )根据路由 器的 工作原理和现有的软、 硬件技术判断， 路由 器对数据包的 处理 速度偏慢， 时延较大， 对q o s , v p n 和流量工程的 支持较差。 所以， 路由 器 是未来i n t e rn e t 网络速度和性能的瓶颈。而当时被业界看好的a t m交换机则具有 了上述这些优势。 2 )由 于i p 协议组成的网 络， 为了防 止广播风暴， 必须 将路由 器分割成多 个i p 子网。这样，在由i p 协议构成的i n t e rne t 中，路由器是必不可少的设备。 a t m交换机不能直接取代路由 器，在这种情况下， m p l s 技术应运而生。 m p l s 技术是 在c i s c o 公司 提出的t a g s w i t c h in g( 标记交换) 和i p s i l o n 公司提出i p s w i t c h i n g ( i p 交换) 技术基础上 发展起来的。 这是一种集成式的 解决方案: 它将 i p 路由和a t m交换技术紧密结合，既实现了路由器的智能，又利用了a t m交换 机的高效:硬件交换。 提出这种技术的出发点是把路由器和a t m交换机融为一 体，从而提高i p 包的传送速度，简化网络的结构，并且作为三层交换技术的国际 标准。 m p l s 技术是在一种开放的通信网上利用定长标记引导数据高速传输和交换 的网络新技术。自1 9 9 7 年提出以 来， mp l s 技术以其高效率、超时代的特点得到 了迅猛发展。m p l s 技术在1 9 9 9 年被评为十大热门通信技术之一，其价值在于能 在一个无连接网络中引入连接模式特性，支持多种网络层协议。mp l s 是一种独立 于链路层的技术，因此它保证了各种各样网络的互联互通， 使得各种不同的网络数 据传输技术在同一mp l s 平台上统一起来。 mp l s 技术的提出有以 下几个深刻的原因: i . 因 特网的迅速增长对当 前基于i p 的 承载网 提出了 种种挑战。 这表现在:( 1 ) 新的应用层出不穷，如语音传送、视频服务、多媒体信息传输等，这些新的应用业 务要求网络能保证将它们按各应用的特性正确予以传送，但传统的i p 网络没有数 浙江t业大学硕十学位论文 据属 性的判别能力， 也就谈不上按数据属 性 进行区别服务。 ( 2 ) 目 前i p 路由 技术采 取基于目的地址的最优数据传输通路查找法，而不考虑所要传送的其它性能要求。 ( 3 ) 当前的网络规模成膨胀性增长，但现有的i p 路由技术及组网方式不适于网络扩 展和许多增值服务的提供。 2 . 网络的发展正在向 宽带化、智能化和一体化方向演进。目 前在世界范围内 存 在两大核心网络技术:一个是计算机界倡导的i p网络技术，另一个是电 信界推崇 的a t m技术。i p 技术的优点是有灵活的路由体系，采用非面向连接的尽力而为服 务方式， 适合于非实时信息的传输， 但传统的i p 技术对延迟、 带宽等q o s 质量无 法保证，也就不能满足语音、视频等实时信息的传输要求; a t m是宽带通信的核 心技术，是一种面向连接的传输技术， 它综合了分组交换和电路交换的优点，具有 良 好的q o s 服务保证， 支持语音、 数 据 和图 像通信， 缺点是 其连接建 立信令过于 复杂，路由灵活性不高， 在传输较短的一般性数据时，其效率不高。 例如，在 i n t e rn e t we b 连接中，用户每点击一个连接，就启动了 一个与远端服务器的连接， 而每个h t t p 传输的数据量平均为2 k b ，速率为1 5 5 m b i t l s ，则整个传输时间为 1 0 0 微秒，如果链路的接续都以几个毫秒计，可见链路的建立时间会占 整个数据吞 吐量的9 9 y o . i p 无连接的优点在这里就可以体现出来。因此如何把i p 和a t m技 术各自的优点结合起来，满足新的业务需求的同时维护现有投资，成了业界探索的 一个方向。 3 . 各种i p 和a t m融合的技术如l a n e , i p o a , mp o a, a r i s 等都只解决局 部的问题。这些技术虽说利用了a t m高速交换的特性，但要么没有充分利用 a t m和q o s 特性， 要么就是过于复杂和标准不完善。例如l a n e 只能应用于较小 规模的网络，不能支持像 i n t e rn e t 这样的大型网络。i p o a在不通子网间的互联仍 需要使用传统的路由器，因而吞吐量和延迟问题仍然存在，此外它只限于处理 a t m上的i p 业务，只支持较小规模的网络。m p o a经实验室证明也只能支持中小 型网络等。 浙江 1 一 业大学硕十学位论文 4 . 目 前数据传输的承载技术具有多样性的特点，如a t m,帧中继、p p p , s d h , s o n e t 等。因此， 如何实现多 种不同 传输承载链路技术的网络互联互通是 一个迫切需要解决的问题。 5 . 未来业务以突变性数据业务为主， a t m对其显得效率不足，传输成本和交 换成本较高，网络资源浪费，而i p 又显得能力不足。 为了解决上述问题，1 9 9 7 年i e t f 提出了mp l s 技术。 一个m p l s 网络采用标准分组处理方式对第三层的分组进行转发，采用标记 交换对第二层分组进行交换。网络工作是基于对等模型的，也就是网络中的每一个 交换路由 器 ( l s r )都运行单一的i p 选路协议、交换路由 表更新信息;并维护一 个拓扑结构和一个地址空间。网络中的l s r把转发等价类 ( f e c )映射为标记 ( l a b e l )，并由 标记分发协议 ( l d p ) 完成从入口到出口的标记交换路径 ( l s p ) 的建立。当分组进入网络时，入口l s r检查分组头来决定该分组的f e c以及与之 对应的标记， 然后给分组贴上相应的标记后按交换方式在网络中进行传送， 后续的 节点只需沿着由 标记确定的路径转发分组即可，从而大大简化了转发过程。当分组 到达出口l s r时，出口l s r去掉标记，并按第三层转发处理分组。因此， mp l s 的实质是将路由 器移到网 络的边缘， 将快速、简单的 交换机置于网 络中 心， 对一个 连接请求实现一次路由、多次交换，由此提高网络的性能。 图4 -1 是 mp l s 在t c p / i p 协议栈中的位置: 应用层 传输层 网络层 mp l s 链路层 物理层 图 4 -1 图4 -2 是m p l s 和a t m、传统 i p 技术的比较 浙江工业大学硕十学位论文 性能属性 i p atmm p l s 数据传递方式i p分组 信元i i i 分组、信元、 ma c帧 网络互联互通 能力 一般差 强 网络弹性一般 一般很强 支持协议 i p at m上层和下层的多 种协议 实现复杂度简单 中中 流量工程不支持有限度支持 支持 vp n 扩张性差，安全性能 不好 扩展性差 目前最好的 v p n实现技术 q o s有限度支持 支持支持 广播/ 多点传 送 效果不好支持 支持 传输路径建立基于数据包头的逐跳 方式 信令方式多种驱动 控制协议制定 i e tfat m f o r u m. i t u一t i e t f , i t u-t mp l s f o r u m 网络健壮性一般 一般强 技术成熟性成熟 成熟i e t f 草案 图4 - 2 mp l s 和i p , a t m技术比较 4 . 2 m p l s的几个基本概念 i 标记 ( l a b e l ) 标记是一个包含在分组中的短的、定长的、只有本地意义的表示符。某一分组 的标记代表它所属的转发等价类 ( f e c )，用来在一对l s r之间进行分组交换。 标记可以 封装到现有的数据链路层分组中， 格式取决于分组封装所在的介质。如在 浙江丁业大学硕十学位论文 性能属性 i pa t mm p l s 数据传递方式i p 分组信元i p 分组、信元、 m a c 帧 网络互联互通一般差强 能力 网络弹性一般一般 很强 支持协议 i pa t m 上层和下层的多 种协议 实现复杂度 简单 中 由 流量工程不支持有限度支持支持 v p n 扩张性差，安全性能扩展性差 目前最好的 不好 v p n 实现技术 q o s有限度支持支持 支持 广播多点传效果不好支持支持 达 传输路径建立基于数据包头的逐跳 信令方式多种驱动 方式 控制协议制定 i e t fa t mf o r u m 、 i e t f 、1 1 u t n u 一丁 m p l sf o r u m 网络健壮性 一般般强 技术成熟性成熟 成熟i e t f 草案 图4 2m p l s 和i p 、a t m 技术比较 4 2m p l s 的几个基本概念 1 标记( 1 a b e l ) 标记是一个包含在分组中的短的、定长的、只有本地意义的表示符。某一分组 的标记代表它所属的转发等价类( f e c ) ，用来在一对l s r 之间进行分组交换。 标记可以封装到现有的数据链路层分组中，格式取决于分组封装所在的介质。如在 2 9 浙江t 业- 人学碗十学竹论文 a t m 中采用v p i v c i ，在帧中继中采用d l c i ，而在以太网中，采用一个特殊的数 值填充在帧头中。l s r 负责从自己的标记空间中取标记值与f e c 进行绑定，分组 所附的标记只在通信的一对l s r 之间起作用，而不具有全局意义。 图4 3 为通用标记的格式： l 用户数据 l p 头 m p l ss h i m 第二层帧头 标记 c o sst t l 字段名称 说明 标记 2 0 b i t s c o s 业务等级，3 b i t s ，用于实验 s 堆栈底标志，1 6 b i t s r r l 生存周期，8 b i t s 图4 3m p l s 标记格式 2 标记交换路由器l s r ( 1 a b e ls w i t c h i n gr o u t e r ) l s r 由两部分组成：控制单元与转发单元。控制单元负责标记底分配、路由的 选择、标记转发表的建立，标记交换路径的建立、拆除工作等。而转发单元则将依 据标记转发表对收到的标记分组进行转发。 这里之所以称这种 l t p l s 交换设备为路由器，是因为这种设备从行为表现上更 像传统的路由器，其控制方式、路由方式等与路由器更为相似，区别只是在于其交 换单元。l s r 作为m p l s 交换路由器，它在必要时也可以转发原始的第三层分组。 一个l s r 可以是一个传统的交换机( 如a t m ) 扩充i p 路由，或者升级为支持 m p l s 的一个传统路由器。当一个分组由个路由器发往另一个路由器时，对应于 该分组，发送方的路由器就称为上游路由器，接收方的路由器称为下游路由器。 l s r 的软硬件结构见图4 4 。 3 0 浙江 i 业大学硕