（通信与信息系统专业论文）voip网络资源配置算法的研究.pdf

南京邮电大学硕士学位论文 摘要 摘要 下一代通信网( n g n ) 将是一个以i p 为核心，可以支持语音、数据和多媒体业务的融合 的全业务网络。但是传统i p 网络提供的b e s t e f f o r t 服务，无法保证时延、时延抖动、分组 丢失率等对于电信级业务来说至关重要的服务质量( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 。因此多业 务i p 网络q o s 技术的研究是部署n g n 的一项极其重要和具有挑战性的内容，已成为整个信息 业界的热点研究课题。 本论文着重研究v o l p 网络带宽资源配置技术。首先在概述当前i pq o s 研究动态的基础 上，讨论了网络资源配置相关的基本技术。然后参照a l c a t e l 公司的研究结果，详尽分析了 两种基于路由技术的v o i p 网络资源配置算法。在此基础上，进一步考虑网络负荷均衡的要求， 深入研究基于流量工程的v o i p 网络资源配置算法，给出了动态度萤、线性规划、非线性规划 以及线性规划和非线性规划组合四种资源配置优化算法模型。最后，论文编程实现了三种资 源配置算法，给出了实例计算结果，并从网络资源消耗、负荷均衡和“瓶颈”链路的可用带 宽利用牢三个方面对它们进行了分析比较。优化计算结果表明，所研究的算法能有效地保证 v o i p 网络的q o s 性能。 关键词：下一代通信网服务质量流量工程线性规划 南京邮电大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r kr n g n ) i sa ni p b a s e df u l l s e r v i c e sc o n v e r g e dn e t w o r ka b l et o p r o v i d i n gv o i c e ，d a t aa n dm u l t i m e d i as e r v i c e s t h eb e s t e f f o r ts e r v i c ep r o v i d e db yt h ec o n v e n t i o n a l i n t e m e t ，h o w e v e r , c a n n o tg u a r a n t e es u c hq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) a sd e l a y , j i t t e ra n dp a c k e tl o s s ， w h i c hi sc r u c i a lf o rc a r r i e r - g r a d et e l e c o m m u n i c a t i o n s e r v i c e s t h e r e f o r et h er e s e a r c ho nq o s t e c h n o l o g i e sf o rm u l t i s e r v i c e si pn e t w o r k sa p p e a r st ob ev e r yi m p o r t a n ta n dc h a l l e n g i n gi nn g n d e p l o y m e n ta n dh a sb e e no n eo ft h eh o tr e s e a r c ht o p i c sf o ri ti n d u s t r y t h i sp a p e rf o c u s e so nt h eb a n d w i d t hr e s o u r c ep r o v i s i o n i n gt e c h n i q u e so fv o l pn e t w o r k s f o l l o w i n ga no v e r v i e wo ft h es t a t eo ft h ea r to fi pq o sr e s e a r c h ，s o m er e s o u r c ep r o v i s i o n i n g r e l a t e db a s i ct e c h n o l o g i e sa r ed i s c u s s e d t w or o u t i n gt e c h n i q u eb a s e dv o l pn e t w o r kr e s o u r c e p r o v i s i o n i n ga l g o r i t h m sa r ea n a l y z e di nd e t a i lw i t hr e f e r e n c et ot h er e s u l t sb ya l c a t e l f u r t h e r m o r e c o n s i d e r i n gt h er e q u i r e m e n to fn e t w o r kl o a db a l a n c e ，a ni n - d e p t hs t u d yi sd e v o t e dt ot r a f f i c e n g i n e e r i n gb a s e dr e s o u r c ep r o v i s i o n i n ga l g o r i t h m s f o u rp r o v i s i o n i n g o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m m o d e l s ，d y n a m i c m e t r i c b a s e d ，l i n e a rp r o g r a m m i n g ，n o n l i n e a rp r o g r a m m i n ga n dl i n e a r p r o g r a m m i n g & n o n - l i n e a rp r o g r a m m i n gc o m b i n a t i o n m o d e l s a r ep r e s e n t e d f i n a l l yt h r e e r e s o u r c e p r o v i s i o n i n ga l g o r i t h m sa r ep r o g r a m m e dw i t hc o m p u t a t i o n a lr e s u l t sa p p l i e dt ot h e e x a m p l en e t w o r k c o m p a r a t i v ea n a l y s i si sm a d eo ft h e mi nt e r m so ft h ec o n s u m p t i o no fn e t w o r k r e s o u r c e ，l o a db a l a n c ea n dt h eb a n d w i d t hu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo fb o t t l e n e c kl i n k t h er e s u l t sh a v e s h o w nt h a tt h es t u d i e d a l g o r i t h m s c a ne f f e c t i v e l yg u a r a n t e et h eq o s p e r f o r m a n c eo fv o l p n e t w o r k s k e y w o r d s ：n g nq o s t el p i i 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：绰日期：j 堂矿 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：j 垒二 一导师签名 南京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景 由于业务和技术的驱动，网络需求不断增长，现有的电信网已不能完全满足业务发展的需 求。考虑到新的电信环境的变化，包括开放的竞争环境、多样化的市场运作、数据业务量的 激增、用户对于多媒体业务以及业务移动性的需要，i t u 认为有必要引入下一代网络( n g n n e x t6 e n e r a t i o r n e t w o r k ) 的概念。2 0 0 4 年2 月i t u ts g l 3 会议经过激烈的辩论，给出了 n g n 的定义：n g n 是个分组网络，它提供包括电信业务在内的多种业务，能够利用多种带宽 和具有q o s 能力的传送技术，实现业务功能与底层传送技术的分离：它提供用户对不同业务 提供商网络的自由接入，并支持通用移动性，实现用户对业务使用的一致性和统一性。伴随 着n g n 的引入，i p 成为核心网络的基础技术，世界各国的运营商基于i p 网络已经开发出多种 多样的新业务，i p 网正在从当初单纯传送数据向可传送数据、语音、活动静止图像的多媒体 网络转变。全球信息网络以i p 为主导技术的演进方向已成为业界的共识，i p 已无可争议地成 为信息网络的主流技术。 f u 是，传统i p 网络的设计思想是为所有人、所有应用提供平等的服务，因此它只能提供 单一的b e s t e f f o r t 服务，无法保证时延、时延抖动、分组丢失率等对于电信级业务来说至 关重要的服务质量。九十年代前期占主导地位的a t m 虽然有一整套完整的q o s 机制，但是它 是面向连接的技术，尽管可以借鉴，却无法简单地移植到无连接的i p 网络中。因此， 如何 在i p 网络中提供多业务q o s 保证的闽题已成为信息业界的热点研究课题。 本论文就是研究在下一代网络中，基于i p 技术传送话音业务，如何最优分配网络资源以 确保业务的q o s 。影响话音业务q o s 的主要因素有延迟、抖动、带宽和丢包率，越大的带宽就 会提供越好的话音质量，如果网络没有拥塞，延迟和抖动就小。因此，有一种观点认为可以 用过量资源配置( o v e r p r o v i s i o n i n g ) 的方法来解决服务质量问题，即用充分的带宽来换取所 需的q o s 。这是因为近年来大容量光纤传输系统和高速路由器的成功开发，特别是d w d m 技术 的突破性进展，使i p 网络的带宽有了前所未有的增长。但是随着网络资源需求的快速增长， i p 应用需求的扩张以及市场竞争的日趋激烈，我们仍然不得不面对网络拥塞的问题。这种单 纯依靠增加网络带宽的思路是不可行的，必须深入研究解决网络资源的优化分配，以避免无 南京邮电大学硕士学位论文第章绪论 节制的网络扩容。 流量工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 是i pq o s 的重要技术，它是控制流量怎样流经i n t e r n e t 网络以优化资源利用和网络性能的过程，是i p 网络中所有与性能评估优化相关的工作。它涵 盖了多种技术和科学原理，如业务流测量、流量描述、建模和i n t e r n e t 流量控制等。其核心 问题一是根据网络承载业务量的预测对网络资源分配进行优化配置，提高网络资源的利用率： 二是根据实际流入的网络业务量对资源分配和业务请求进行动态控制。 所以，只有合理分配网络资源，采取切实可行的流量工程技术均衡网络负荷，减少可能 的网络拥塞，才能保证各类应用的服务质量。因此，有必要针对i p 网络环境，深入研究在确 保业务服务质量( q o s ) 的前提下，如何合理配备网络资源，以提高资源的利用率。 1 2i pq o s 的研究现状 从9 0 年代初开始，人们就对i p 网络中支持多种业务q o s 保障的理论及实践进行研究， 尤其是近十年来有关研究进展异常迅速。这些成果已大量地反映在i e e ei n f o c o m 每年的会议 论文集和i e t fr f c 标准草案及d r a f t 工作文件中。国际上研究i p 网络o o s 技术的主要组织 有i e t f 、i t u t 、i n t e r n e t 2 、e u ( i s t 研究项目) 、e t s i 和i e e e 等。 i e t f 综合服务( i n t s e r v ) 4 模型：使用资源预留( r s v p ) 5 协议。这一模型的思想 是“为了给特定的客户数据流提供特定的q o s ，要求路由器必须能够预留资源，同时应保存 该流的状态信息”。综合业务模型的优点是能够提供有绝对保证的q o s 。r s v p 运行在从源端 到目的端的每个路由器上，并要求路由器监视每个流，防止其消耗的资源高于预留的资源。 该模型的缺点主要有：伸缩性不好、对路由器的要求高、不适于在大规模网络中应用。 区分服务( d i f f s e r v ) 模型：怕1 引入了区分服务( d s ) 和逐跳行为( p h b ，p e r - h o d b e h a v i o r ) 的概念。通过对数据包d s 字段的不同标记，以及基于d s 字段的处理，能够提供 不同的服务等级。因此，区分服务本质上是一种相对优先级的服务策略。该模型的优点是实 现简单，比较复杂的分类、标记、管制和整形操作都集中在网络边缘完成，核心路由器只需 f 札靠邮电大学硕士学位论文 帮章绪论 要根据类别执行相应的p h b 剐可，因此实现和部署比较容易。但是它并不能严格保证业务的 q o s 指标。 r 7 1 多协议标记交换( m p l s ，m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 技术：在无连接的 i p 网络中0 f 入面向连接的特性，增加网络的可管理性和可配置性，实现负荷均衡，能及时 发现网络故障，并支持快速重选路由。m p l s 可通过两种方式( e - l s p 与l - l s p ) 支持d i f f s e r v ， 这样就可以将标记交换路径( l s p ) 和d i f f s e r v 服务类别对应起来 8 j 。 i n t e r n e t2 i n t e r n e t 2 专门成立了q o s 工作组，联合了美国许多大学、著名公司和应用程序开发商专 题研究和实施d i f f s e r v 网络的新应用和新技术，加速下一代i n t e r n e t 的形成。i n t e r n e t 2 提出了o b o n e 体系结构 引，采用分级带宽代理( b b ，b a n d w i d t hb r o k e r ) 技术，并给出了域 间b b 交互的过程。其中，服务等级规约( s l s ，s e r v i c el e v e ls p e c i f i c a t i o n ) 和资源分配需 求( r a r ，r e s o u r c ea 1l o c a t i o nr e q u e s t ) 这两个概念分别代表静态和动态的资源请求。 i t u t 1 9 9 9 年2 月，i t u - t 将网络研究重点转向i p ，确定以i p 为核心技术的电信网演进方向。 y 1 3 1 0 建议选用m p l s 作为公众网的i p 传送技术，并采用d i f f s e r v 作为网络o o s 的傈障技术。 在2 0 0 1 年开始的新的研究周期中，i t u - ts g l 6 设立了m e d i a c o m - - 2 0 0 4 专题研究计划，和s o l 3 g i i 研究课题密切合作，研究下一代多媒体网络框架结构和技术。i t u t 提出了q o s 分层模型： 它分为业务层、呼叫控制层、传送资源控制层和传送层，相关研究组( s g l 3 1 2 1 6 u ) 按此 分工进行标准化研究。 e ui s t 项目 e u 信息社会技术( i s t ，i n f o r m a t i o ns o c i e t yt e c h n o l o g y ) 研究计划的t e q u li a ( t r a f f i c e n g i n e e r i n gf o rq u a l i t yo fs e r v i c ei nt h e i n t e r n e t ，a tl a r g es c a l e ) 项目组致力于研 究大规模i n t e r n e t 骨干网络中的流量工程技术，以保证业务的q o s 。它提出了t e q u l i a 分 南京邮电大学硕士学位论文 第章绪论 层功能模型，定义了服务等级胁定( s l a ，s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ) 的具体细节。，并从 业务篱理和资源符理相结合的角度，提出了资源配置的数学模型。相关研究成果已提交 e t f ， 对流量工程的研究具有很强的启发和指导意义。 我国电信标准协会网络与交换标准技术委员会已经研究制订了“i p 网络技术要求、网络 性能参数与指标的行业标准”，该标准主要参考了我国其他网络性能指标( 如a t m ) 的技术规 范、i t u 和i e t f 相关的标准编制的，它规定了i p 网络性能和可用性参数的暂行指标，其中有 些指标与用户所选择的服务质量( q o s ) 类型相关。该标准可作为i p 网络规划、工程设计以 及相应设备的引进和开发的技术依据。 今后研究方向 从这些标准组织的研究方向和思路来看，基本上都是在i p 网络q o s 机制上，借鉴包括 p s t n f r a t m 等电信网的机制、运维和规划经验，结合i p 网本身的特点，实现比较完善的流 量工程，从而确保i p 新业务的服务质量。但是目前各组织在i p 网q o s 方面还处于初步框架 制订阶段，已有的研究成果主要是一些比较笼统的框架性文件，在具体的实施技术规范上还 没有显著的成果，这将是国际标准组织未来几年内的研究重点。 国内运营商研究机构和设备厂商需要积极研究i p 网络的q o s 机制和实现技术，抓紧时 机提出解决方案，形成自主知识产权，使我国在这个新的领域内有领先的优势。 1 3 论文的主要内容和研究工作 本论文的研究思路是，首先参照a l c a t e l 的研究成果分析比较两种v o i p 网络资源配置 的基本方法。然后，考虑链路利用率以及网络流量的均衡度，引入流量工程技术，提出对于 上述基本方法的改进算法。进一步，用m p l s 作为底层传输技术，用显式标记交换路径 ( l s p ，l a b e ls w i t c h e dp a t h ) 替换最短路径，采用m p l s 流量工程方法实现网络资源的配置。 最后，对所讨论的资源配置算法进行归纳总结。 根据这一研究思路，论文的主要内容包括： 1 讨论o s p f 、m p l s 等与网络资源配置相关的基本技术。 2 比较研究v o i p 网络的网络资源基本配置算法。 4 南京邮电大学硕士学位论文第一一章绪论 3 在此基础上，进一步研究考虑流量工程后的改进算法。 4 使用c 语言和m a t l a b 实现其中的三种算法。 5 。 分析这三种算法的性能( 带宽的利用率等) 及应用特性。 南京邮电大学硕士学位论文 第二章网络资源配置相关的基本技术 第二章网络资源配置相关的基本技术 网络资源配置需根据资源状况、网络负荷预测、o o s 需求、策略指示和约束条件等因素确 定，应根据用户对带宽资源的需求，选用一定的网络拓扑结构，选择适当的路由机制和相应 一些技术分配合适的资源，使得分配的资源不小于流量需求，这样才能保证用户的服务质量 q o $ 。 2 1o s p f 路由协议 o s p f 是由i e t f 的i g p 工作组为i p 网络开发的路由协议。o s p f 全称为开放式最短路径优 先。“开放”表明它是一个公开的协议，由标准协议组织制定，各厂商都可以得到协议的细 节。“最短路径优先”是该协议在进行路由计算时执行的算法。o s p f 是目前内部网关协议中 使用最为广泛、性能最优的一个协议，它具有以下特点： 可适应大规模的网络 路由计算收敛速度快 无路由自环 支持变长子网掩码( v l s m ) 支持等值路由 支持区域划分 提供路由分级管理 支持验证 支持以组播地址发送协议报文。 南京邮电人学硕士学位论文 第二章网络资源配嚣相关的基本技术 o s p f 基于s p f 算法，或称为d i j k s t r a 算法，简称为d 算法。该算法将通信网络抽象为一 个图( g ) ，其中顶点和边分别代表通信网络的节点和链路，通信链路的代价表示为边的权值 ( d i ) 。算法根据图的拓扑和边的权值，即可算出从指定源节点( v 。) 到网络中所有其他节 点的最短路径。 首先定义下列术语 置定：某端点置定u 表示已获得至该端点的最短路径 标值：在算法的某一步获得的暂时最短路径( 置定端点可作为转接节点) w 为v ，寸v ，的最短路径长度( v 已置定) w 。+ 为v 。j v 的标值 需要指出的是，直达边不一定是最短路径，但可以肯定，与v 。相连的最短的一条直边必定是 v s 至该边对端的最短路径，因为对端通过其它点转接至v s 的路径不可能是最短路径。算法从 v s 开始搜索，顺着它的邻节点逐步向外扩展。 d 算法把端点集分为两组，一组称为置定端点集g 。，另一组称为未置定端点集g g 。每端 点都对应一个标值，其值随着算法的进展不断更新。对于置定端点，标值就是v ，到该端点的 最短路径长度；对于未置定端点，标值只是个中间计算值。 d 算法的具体步骤如下： d 1 ：初始化。置定v 。，w 5 = 0 ( v ；寸v 。) ，得g p 2 v 。) 。其他端暂置w j 2 。c ( v ，g g p ) ； d 2 ：置定v 。的最邻近端，即m i n d 。，算标值； d 3 ：计算暂置值。v 置定后，计算未置定端点v 。的标值的公式 w j = m i n ( w j ，v i + ”p ) v ，g g 。 v ig p 其中w 是上一次置定值，w 是上一次暂置值。 1 3 4 ：取最小值w i 刊+ j ，vj g g p 将并入g ，。若 g ，j = n ，即所有端都被置定，终止；否则，返回i ) 3 。 南京邮电大学硕士学位论文 第二章网络资源配置相关的基本技术 用以上步骤置定值，可得到所有端点到v 。的最短路径长度。由计算过程可看出，当暂置 值变更时，就说明经过一次转接，直到被置定为止。若只要求计算v 。到某一端v 。的最短路径 长度，则上述步骤可在v 。并入g 。后即终止，这样可以减少计算量a 下面以图2 一l 为例，说明d 算法的执行步骤。 y 2 3 v 4 图2 1示例网络 置定v ；w 产ow 。= o c ( j = l ，2 ，3 ，4 ) 算v 。置定后的标值 w 1 * = m i n “。，w ；+ d 。1 ) = m i n ( ，0 + 8 ) = 8 w 2 * = m i n ( w z ，w 。+ d 女) = 4 w 3 * = i l l i n ( w 3 ，w ，+ d “) = 2 w 4 * = m i n ( w “w 。+ 如) = 6 置定v 。得v ，v 。的最短路径长度旦立2 暂置w l = 8w 2 = 4w 4 = 6 算v 。置定后的标值( 只计未置定端点) w l 木= m i n ( w 】，w 3 + d 3 1 ) = m i n ( 8 ，2 + o c ) = 8 w 2 ：m j n ( w 2 ，w 3 + d w ) = m n ( 4 ，2 + 1 ) = 3 w * = m i n ( w 4 ，w 。+ d 3 ) = m i n ( 6 ，2 + 3 ) = 5 置定v ：，得最短路径长度! 【g 三生暂置w 1 = 8 ，w 4 5 。 算v 。置定后的标值 w * = m i n ( w ，+ 也i ) = m i n ( 8 ，3 + 3 ) = 6 w 4 = m in ( w ，w 2 + d 2 ) = m i n ( 5 ，3 + 3 ) = 5 置定v ；，得v v 。的最短路径长度w 4 =暂置w 。= 6 。 哲京邮电大学硕十学位论文菊一章网络资渊配置相关的基本技术 算v 置定后的标值 w 丰= m i n ( 7 i ，w j + 也j ) = m i n ( 6 ，5 十c c ) = 6 置定v ，得v 。一v 。的最短路径长度w 。= 6 。 表2 1 示出上述算法过程。 表2 1d 算法过程 v sv l v 2 v lv 。 置定路由 划m o co c o cv s 8 4 目6 v jv s v 3 8 国 5 v 2v s 斗v 3 jv 2 6 回 v jv s 斗v a 呻v d 囤 v iv s 寸v 3 _ v 2 寸v i 2 2i i p l s ( 多协议标记交换) m p l s 是结合二层交换和三层路由的l 2 l 3 集成传送技术，它不仅支持网络层的多种协议， 还可以兼容第二层上的多种链路层技术。采用g p l s 技术的i p 路由器以及a t m 、f r 交换机统 称为标记交换路由器( l s r ) ，使用l s r 的网络相对简化了网络层复杂度，兼容现有的主流网 络技术，降低了网络升级的成本。此外，业界还普遍看好用m p l s 提供v p n 服务，实现负载均 衡的网络流量工程。 2 2 ，1m p l s 的基本原理 m p l s 将面向非连接的i p 业务移植到面向连接的标记交换业务之上，实现上将路由选择层 面与数据转发层面分离。在入口l s r 处分组按照不同转发要求划分成不同的转发等价类( f e c ) ， 并将每个特定f e c 映射到下跳，即进入网络的每一特定分组都被指定到某个特定的f e e 中。 南京邮电大学硕士学位论文 第二章网络资源配置相关的基本技术 每一特定f e c 都被编码为一个短而定长的值，称为标记，标记加在分组前成为标记分组，再 转发到下一跳。在后续的每一跳上，不再需要分析分组头，而是用标记作为指针，指向下一 跳的输出端口和一个新的标记，标记分组用新标记替代旧标记后经指定的输出端口转发。在 出口l s r 上，去除标记使用i p 路由机制将分组向目的地转发。 选择下一跳的工作可分为两部分：将分组分成f e c 和将f e c 映射到下一跳。在面向非连 接的网络中，每个路由器通过分析分组头来独立地选择下一跳，每个路由器对相同f e c 的每 个分组都要进行头部分析和选择下一跳；而在m p l s 中，分组只在进入网络时进行f e c 分类， 并分配一个相应的标记，网络内部的l s r 则不再分析分组头，所有转发直接根据定长的标记 转发。有些传统路由器在分析分组头的同时，不但决定分组的下一跳，而且要决定分组的业 务类型( c o s ：c l a s so fs e r v i c e ) ，以给予不同的服务规则。m p l s 可以( 但不是必须) 利用 标记来支持c o s ，此时标记用来代表f e c 和c o s 的结合。m p l s 的转发模式和传统网络层转发 相比，除简化转发、提高转发速度外，还易于实现显式路由、流量工程、q o s 和v p n 等功能。 2 2 2m p l s 路由选择 这里的路由选择是指为特定f e c 选择l s p 的选路方法，m p l s 使用两种路由方法：逐跳路 由和显式路由。逐跳路由使用传统的动态路由算法来决定l s p 的下一跳，每个节点独立地为 f e c 选择下一跳，对于下一跳的改变由本地决定，发生故障时路径的修复也由本地完成。显式 路由则使用流量工程技术或者手工制定路由，不受动态路由影响，路由计算中可以考虑各种 约束条件( 如策略、c o s 等级) ，每个l s r 不能独立地选择下一跳，而由l s p 的入口出口l s r 规定位于l s p 上的l s r 。逐跳路由实现上比较简单，可以利用传统路由协议( 如o s p f 、i s i s ) 以及现有设备中的路由功能，但对于故障路径的恢复有赖于路由协议的收敛时间，并且不具 备流量工程能力。显式路由可以根据各种约束参数来计算路径，可以赋予不同l s p 以不同的 服务等级，可以为故障的l s p 进行快速重路由，适于实现流量工程与q o s 业务，能够更好地 满足 s p 的特定要求。 2 2 3 标记分发协议 l s p 实质上是一个m p l s 隧道，而隧道建立过程则是通过标记分发协议实现的。标记分发 协议的作用是供l s r 将它所确定的标记f e c 绑定通知另一个l s r ，使用标记分发协议交换标 南京邮电大学硕十学位论文 第二章网络资源配置相关的基本技术 记f e c 绑定信息的两个l s r 被称为对应于相应绑定信息的标记分发对等实体。标记分发协议 还包括标记分发对等实体为了获知彼此的m p l s 能力而进行的任何协商。 目前丰要研究三种标记分发协议：基本的标记分发协议( l d p ) 、基于约束的l d p ( c r l d p ) 和扩展r s v p ( r s v p - t e ) 。l d p 是基本的g p l s 信令与控制协议，它规定了各种消息格式以及 操作过程，l d p 与传统路由算法相结合，通过在t c p 连接上传送各种消息，分配标记、发布 映射，建立维护标记转发表和标记交换路径。但如果需要支持显式路由、流量工 程和q o s 等服务时，就必须使用后两种标记分发协议。c r l d p 是l d p 协议的扩展，它仍然采 用标准的l d p 消息，与l d p 共享t c p 连接，c r l d p 的特征在于通过网管制定或是在路由计算 中引入约束参数的方法建立显式路由，从而实现流量工程等功能。r s v p 本来就是为了解决i p 网络服务质量问题而设计的协议，将该协议进行扩展得到的r s v p t e 也能够实现各种所需功 能，在协议实现中将r s v p 作用对象从流转变为f e c ，增大了颗粒度，也就提高了网络的扩展 性。可以看到，c r l d p 和r s v p t e 在功能上比较相似，但在协议实现上有者本质的区别，难 以实现互通，故而必须做出选择。 2 3 服务质量( q o s ) 定义 进行合理的资源配置，就是为了保证网络业务的q o s ，那么究竟什么是q o s ，不同的标准 f 1 1 1 化组织给出了各自的定义。这些定义之间略有不同，其中，i t u t 给出的关于q o s 的定义。 为业界广为接受：o o s 是满足用户业务要求等级的性能集合。这个定义有以下特点： ( 1 ) 此定义是以端到端为基础，即o o s 是和终端用户密切相关的。 ( 2 ) 定义表明端到端q o s 保证必须独立于具体网络结构和实现技术。由于在端到端系统中会包 含一个或多个网络，其中的任意一个网络均可以由多个节点组成。每个网络都可能采用如： 复用、交换或传输等多种处理操作，这些操作都会影响端到端通信的o o s 。另外，由于业务流 的统计复用特性，可能存在由于缓存区溢出或网络中出现拥塞而导致信息丢失。因此，o o s 要求与具体网络结构和实现技术无关，直接反映用户的感觉，同时与网络性能密切相关。在 传统的电路交换网中，可用呼叫损失率作为衡量话音q o s 的一个指标，当话音网络中的呼叫 损失率不大于某一规定的值时，可确定网络符合给定的要求。 2 4 呼叫准入控制( c a c ) 南京邮电大学硕士学位论文 第二章网络资源配置相关的基本技术 i n t e r n e t 资源采用统计复用方式，必然会出现资源需求的冲突。c a c 的基本思想就是实时 估算网络剩余资源，以新流加入后，已存在连接和新连接的o o s 都能得到满足为标准，控制 流量的接入。t i c 算法的设计对网络性能有很大影响：如果控制过于严格，拒绝一些应该能够 容纳的流量，将降低网络的资源利用率：相反，如果算法过于宽松，将导致网络性能的恶化。 通常采用的c a c 算法包括两大类：基于参数的c a c ( p b a c ) 和基于测量的c a c ( m b a c ) 。p b a c 是一种基于确定话务模型的准入判决准则，网络的资源使用情况是根据预先给定的聚合流统 计特性来计算的，对于接纳的流量能够保证统计意义上的q o s ，但是在某些时间段内网络资源 可能并未充分利用。m b a c 存在一个对现有的网络资源使用情况进行测量的机制，根据网络的 实际情况做出准入判断，所以资源利用率高，但是由于网络资源使用情况是动态变化的，所 以测量会产生误差和时延滞后，导致应用会有一定的冲突。对于语音业务而言，由于其服从 明确的泊松分布，且有成熟的话务理论和呼损计算方法，所以考虑采用p a b c 算法。 2 5 话务理论基础 传统的电话交换网是电路交换网。一个由若干个交换节点和中继链路组成的电话交换网， 如果在交换节点的全部出线都被占用的情况下仍有新的呼叫发生，交换节点向用户送忙音， 表示拒绝此呼叫请求，这种现象称为呼损。 对于交换节点来讲，如果h 乎叫到达是泊松过程，中继线群是全利用度群。当该系统达到 统计平衡状态时，呼叫损失率可以按爱尔兰b 公式进行计算： p ( e l , n p , p e ) ：掣b p ) 2 1 i 卫 艺口i ! ( 2 一1 ) 式中，b 表示流入话务量为n ，中继线数为n 时的呼损概率，是衡量话音业务o o s 的一个重要 指标。如果已知流入话务量a 和呼损率b ，根据爱尔兰b 公式，可求出n o i 。的值。假设每个 呼叫所占用带宽为b c a l l ，其值决定于话音编码速率和分组封装方式，则中继聚合流量的带宽 2 n p i p e b c a l l 。 南京邮电大学硕士学位论文 第三章基于路由技术的v o p 网络资源配置算法 第三章基于路由技术的v o i p 网络资源配置算法 相剥于传统的p s t n 电话网，基于i p 的网络通信有着令人难以置信的增长速度。基于时 分复用的p s t n 话音网必将和分组交换数据网融台，形成可以传递语音和数据等综合业务的新 一代网络( n g n ) ，从而降低网络设备的投资和维护费用。 在i p 网络中提供实时语音( v o l p ) 业务，均采用压缩语音编码利分组统计复用技术，带 宽利用率显著提高；同时，密集波分复用( d w d m ) 技术使光纤的通信容量大大增加，也提高 了核心路由器的传输能力，从而降低了i p 通信的传输和交换的成本。因此，v o i p 业务价格低 廉，并得到了迅猛发展。 如何保证服务质量( q o s ) ，对v o i p 业务来说是一个复杂的问题，要确保传输时延、时延 抖动和话音失真等指标都在可接受的范围内。这些涉及到为v o i p 业务进行资源预留、分组优 先级的分配、流量工程和网络资源配置等问题。 本章在参考文献 1 的基础上，分析两种v o l p 网络的资源配置技术，并用一个简单的网 络拓扑实例加以说明，它们对于实际工程应用具有一定的参考价值。 3 i v o l p 语音特性对网络性能的要求 语音在i p 网络上的传送，不同于传统p s t n 语音传输，它采用一定的语音编码方式，将 模拟话音数字化并打包后通过i p 包传送机制，由分组数据网络传送到接收端，接收端收集数 据包后解码还原得到模拟话音。此外，v o l p 也与传统的数据网络应用有许多的不同，例如， 像f t p 文件传输方式尽可能地占用网络带宽去快速地传送文件，而v o l p 只占用很少的网络带 宽，但是它不能容忍网络的时延和抖动。 3 2 提供实时语音业务的n g n 网络框架 目前与p s t n 网络互连以提供v o i p 业务的n g n 网络框架如图3 一l 所示。网络可包括任意 数目的核，d 路由器和边缘路由器，网络拓扑、链路容量和链路度量( m e t r i c ) 是已知的。i p 网络通过边缘路由器与v o i p 网关相连，每个v o l p 网关最多可支持。，个呼叫，每个呼叫 所占用的带宽为b 。 南京邮电人学硕士学位论文 第三章基于路由技术的v o l p 网络资源配置算法 我们可将上述网络抽象为图3 2 所示的拓扑结构，并以此为基础讨论资源配置技术。 n g a t e w a y 5 图3 - - 2 网络拓扑举例 3 3y o i p 网络统计资源配置算法 用该算法配置网络资源，需要三方面的策略：路径选择、接纳控制和流量管道。 3 3 1 路由策略 首先是路由协议的选择，作为可选方案，我们既可采用0 s p f 协议等计算最短路径，可采 用m p l s 为底层传输技术，用l s p s 替换最短路径，也可利用非线性优化选路算法计算非最短 路径，使之满足流量工程目标，以达到负荷均衡。这里采用0 s p f 最短路径选路策略。 假定每条链路的度量均为l ，也就是基于跳数选择路径，则每对网关的最短路径为： n 1 n 2 ： n l n 4 ： n 2 争n 3 ： n 2 n 5 ： n 3 n 5 ： 2 ： a ha a 4 n l n 3 ：lha n 1 n 5 ：1 - - - ) a n 2 n 4 ：2 a n 3 n 4 ：3 4 ： n 4 n 5 ：4 c b 3 ch5 c 4 5 ： 3 3 2 接纳控制 v o i p 业务是实时业务，属于低延迟服务，因为严重的延迟会产生失真或断续的声音。要 部署具有可接受的通信速率的实时程序，则必须保证网络资源具有一定程度的可用性。 1 4 钟h h 转 c b c ch 抖铮h 南京邮电人学硕士学位论文 第三章基于路由技术的v o l p 网络资源配置算法 接纳控制实际上是指q o s 依据自身拒绝呼叫的标准，对某一终端接入网络的呼叫给予限 制，如果满足接入的要求，则允许该呼叫接入网络，刘为该呼口u 授予接入权；如果认证失败， 则予以拒绝，该呼叫便不能接入网络。 在实施连接控制的网络，要求用户在请求接入时将自己的通信量传输特征( 如峰值速率、 平均速率和突发长度等) 和要求的服务质量( 如带宽、延迟、延时抖动和丢失率等) 通知网 络，网络根据用户的传输性能要求和网络现有的资源情况决定是否接纳建立一个新的连接。 在本算法中，需要在每个网关设置接纳控制。在网络配置的时候，通常情况下，用户话 源的数目远远大于电话网关的服务装置的数目。根据v o l p 呼叫到达时间间隔的指数分布特征， 可以使用爱尔兰公式描述网络资源的共享情况。参考传统电话网，假定在每对边缘路由器之 间建立流量管道，用来传送相应的电话网关的呼叫业务。流量管道容量用嚣表示，则这条 凡 管道可同时传送的呼叫数目，。= 鲁业。话务量口用来反映每对网关之间的电话负荷的大小， “l l a 可通过忙时呼叫次数( b h c a ，b u s yh o u rc a l la t t e m p t ) 和平均呼叫保持时间( m c d ，m e a n c a l ld u r a t i o n ) 来计算： 口：m c d * b h c a 3 6 0 0 采用( 2 - 1 ) 式所示的爱尔兰公式可算得服务等级b ，即最大可容忍的阻塞概率。它表明， 当流量管道已经承载了。个呼叫时，电话网关需要执行准入控制拒绝到达的呼叫请求，否 则将导致v 。个已准入的呼叫质量普遍降低。公式( 2 一1 ) 中，n ，和b 之间存在一定的折衷 关系。给定网关间的流量矩阵，i n t e r n e t 服务提供商( i s p ) 可通过扩大为v o l p 业务配置的 网络容量，取得较好的服务等级。 当网络流量矩阵未知时，则不能据此在网关间建立相应的流量管道。此时，流量配置必须考 虑每个网关的流入流量可能流向其他任意的网关，约束条件为每个网关最大流入话务量为口。 此时，如果每条链路的容量配置充裕，则所有呼入呼叫都能得到服务，因此每个电话网关不 需进行准入控制。 3 3 3 给定流量矩阵计算流量管道 当流量矩阵已知时，我们可以在任意边缘路由器之间建立逻辑互连，在最短路径上建立流 南京邮电大学硕士学位论文 第三章基丁路由技术的v o l p 网络资源配置算法 量管道传送电话业务。根据公式( 2 - 1 ) 配置的流量管道容量，必须能够支持流量矩阵中给定 的话务量。每条链路为v o i p 业务配置的容量等于所有经由此链路的管道带宽口。的总和。以 链路a c 为例，共有4 条流量管道通过，分别为lhn 4 ，n i n 5 ，n 2 n 4 以及j v 2h n 5 。 假设其管道带宽分别用_ 8 。，b 。，口2 。和b ：。，表示。则链路a 弋需要配置的容量为： b a 。、= 置4 + 尽h 5 + 垦4 + 岛5 ( 3 - 2 ) 假定n 。，= 8 0 0 ，且话务量均匀地分布至其他电话网关，且电话