（通信与信息系统专业论文）mpls中vc合并技术的研究.pdf

m p l s 中v c 合并问题的研究 摘要 ；7 因特网无论是从规模还是从流量负荷上来说，均一直在呈几何级数增长，t c p i p 协议 | 、 面临着网络的扩展性和服务质量( q o s ：q u a l i t yo f s e r v i c e ) 等挑战。如何将i p 技术与a t m 技术结合起来解决因特网所面临的挑战，具有非常重要的意义。多协议标记交换技术 ( 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 ) 作为一种i p 与a t m 综合的新技术，正得到迅速 发展。它将无连接与有连接灵活的混合，把前传和路由控制分离将使因特网的结构发生重 大变化。流合并是m p l s 中的一项关键技术，通过流合并可以极大地增加网络的扩展性。 但应用在a t m 中的v c 合并还存在着很多需要解决的问题。基于这种认识，我们提出一种 、 符合m p l s 要求的v c 合并方案并系统地研究相关的问题，本文的主要工作如下 7 目前关于v c 合并的性能分析很少，针对m p l s 工作组提出的简单v c 合并方案所进行 的性能分析很不完善，而且还存在不同的结论。文章对简单v c 合并与非v c 合并进行了详 细的分析，指出了文献获得相反结论的原因，并得出了一些重要的结论。仿真结果表明，简 单v c 合并引入的额外时延和额外缓存很小，不会对交换机性能有大的影响，具有很好的网 络可扩展性。这些分析和结论也是文章提出新的v c 合并方案的基础。 ，目前的v c 合并方案基本上都不能完全符合m p l s 的要求，在对简单v c 合并与非v c 合并的性能分析基础上，文章提出了种新的符合m p l s 要求的v c 合并方案h b v c ( h i e r a r c h i c a lb u f f e r v c - m e r g i n g m e c h a n i s m ) ，h b v c 不需要改变协议栈，也不修改v p i v c i 的语法和语义，系统实现简单，不需要增加额外的软件和硬件，与标准的a t m 交换机完全 兼容。二级缓存结构使得h b v c 不但能够可以在不同l s p 之间公平分配带宽，也有能力在 l s p 中的不同合并流之间公平分配带宽，有利于支持q o s 的实现。 文章将h b v c 与另一种具有代表性的v c 合并方案c r a m 进行性能上的研究和比较。 仿真结果表明，h b v c 在网络可扩展性、时延( 信元时延和分组时延) 、系统最大吞吐率、 对流量工程的支持、兼容性、系统实现复杂性等方面均优于c r a m 。 圭塑奎望查鲎竖主堡苎 典型的l s p 是一棵多点到点的树，节点必须有能力对合并后的流进行q o s 的支持，针 对h b v c ，文章提出了一种实现支持q o s 的机制a r l d ( a l l o c a t er e s o u r c eb y l a b e l d i s t r i b u t i o nm e c h a n i s m ) 。a r l d 通过与标记分发紧密结合，实时跟踪l s p 上游发送方的数 目并重新分配系统资源，从而实现了在底层支持r s v p 。a r l d 不但能够在l s p 间支持q o s ， 而且针对同一条l s p 内来自不同上游节点的流，也能给予不同的服务。 针对u b r 业务，早期分组丢弃( e p d ：e a r l y p a c k e td i s c a r d ) 技术用来提高传输完整分 组的效率，通过仿真分析，文章提出，采用e p d 技术不能提高h b v c 的性能。 m p l s 采用适当的标记分配协议来建立l s p ，而任何标记分配协议都是采用第三层路由 协议提供的信息，因此l s p 有可能会形成短暂的路由环。m p l s 中的路由环问题还处于研 究阶段，目前还没有文献针对路由环对v c 合并的影响进行过研究。文章结合h b v c 在此 方面进行了一些有益的探索，并提出了一种更为快速简单地检测路由环的方法r m l d ( r m c e l ll o o pd e t e c t i o nm e c h a n i s m ) 。、广 关键词：服务质量多协议标记交换流合并v c 合并c r a m早期分组丢弃 路由环 a b s t r a c t t h e s t u d y o nv cm e r g i n g i nm p l s a b s t r a c t w h e nt h ei n t e r n e ti sg r o w i n ga te x p o n e n t i a lr a t e i nb o t ha s p e c t s ：i t ss c a l ea n di t s t r a f f i c v o i u m e t c p i pi sf a c i n gs o m em o r ea n dm o r e s e r i o u sc h a l l e n g e ss u c ha sn e t w o r ks c a l a b i l i t ya n d q o s ( q u a l i t y o fs e r v i c e ) i ti sv e r yi m p o r t a n tt os o l v et h e s ec h a l l e n g e sb yi n t e g r a t i n gi p 8 n da t m t e c h n 0 1 0 9 ya s an e wi pm a da t m i n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y ，m p l s ( m u l t i p r o t o c o l l a b e ls w i t c h i “曲 e v o l v e sr a p i d l y d e c o u p l e sp a c k e tf o r w a r d i n gf r o mr o u t i n gw i t h f l e x i b l em i x e dc o n n e c t i o na n d c o n n e c t i o n l e s s m p l sw i l la f f e c ti n t e r n e ts t r u c t u r eg r e a t l y f l o wm e r g i n g ，w h i c hc a ne x t r e m e l y i m d r o v en e t w o r ks c a l a b i l i t y , i so n ek e yt e c h n o l o g yi nm p l s ，b u tv cm e r g i n gh a sm a n yp r o b l e m s n e e dt ob es o l v e dw h e nf l o wm e r g i n ga p p l i e si na t m n e t w o r k s b a s e do nt h i so p i n i o n ，w ep r e s e n t o n ev cm e r g i n gm e c h a n i s mt h a ts a t i s f i e s t h er e q u i r e m e n t so fm p l sa n ds t u d yt h er e l e v a n t p r o b l e m ss y s t e m a t i c a l l yt h e m a i nw o r k si nt h i sd i s s e r t a t i o nb r ea sf o l l o w i n g t h e r ea r ef e wp e r f o r m a n c ea n a l y s i so nv cm e r g i n g ，t h er e s e a r c ho ns i m p l ev cm e r g i n g m e c h a n i s m p r o p o s e db y m p l s g r o u p i sf a rf r o mf a u l t i n e s sa n de x i s ti n c o n s i s t e n tc o n c l u s i o n s w e g i v et h ec o m p l e t ea n a l y s i so ns i m p l ev c m e r g i n gm e c h a n i s m a n dn o n 。v cm e r g i n gm e c h a n i s m ， p o i n to u tt h er e a s o n sf o rt h ec o n t r a d i c t i o na n d e d u c es o m ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n s t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o w , s i m p l ev cm e r g i n gm e c h a n i s mi n c u r sam i n i m a la d d i t i o n a ld e l a ya n da d d i t i o n a l b u f f e r i n g t h ep e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o no fa t ms w i t c hi sl i g h t l ym o r e o v e ls i m p l ev cm e r g i n g m e c h a n i s mh a sg r e a ts c a l a b i l i t y 、t h e s ea n a l y s i sa n dc o n c l u s i o n sa r ea l s ot h eb a s i so ft h en e wv c m e r g i n g m e c h a n i s m p r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a t p r e s e n t ，a l lp r o p o s e dv cm e r g i n g m e c h a n i s m sc a n te n t i r e l ya c c o r dw i t ht h er e q u i r e m e n t s o fm p l s o nt h eb a s i so ft h e p e r f o r m a n c ea n a l y s i s o ns i m p l ev cm e r g i n gm e c h a n i s ma n d n o n v cm e r g i n gm e c h a n i s m ，w ep r e s e n to n en e wv cm e r g i n gm e c h a n i s mh b v c ( h i e r a r c h i c a l b u f f e rv c m e r g i n gm e c h a n i s m ) t h a ts a t i s f i e st h er e q u i r e m e n t so fm p l sh b v cn e e dc h a n g e n e i t h e rp r o t o c o ls t a c kn o rt h es y n t a xo fv p i v c i h b v ci s e a s yt or e a l i z ew i t h o u ta d d i n ga n y i i i 兰塑奎望奎兰竖圭笙兰一 e x t r ah a r d w a r ea n ds o f l w a r e i ti sf u l l yc o m p a t i b l ew i t hs t a n d a r da t m s w i t c h u s i n gh i e r a r c h i c a l b u f k rs t r u c t u r e ，h b v cc a na l l o c a t e r e s o u r c e f a i r l y n o t o n l ya m o n gl s p s ，b u ta l s o a m o n g d i f f e r e n tm e r g i n gf l o w si nt h es a m el s p t h i sf e a t u r ef a v o r s t h ei m p l e m e n t a t i o no f q o s 1 nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w eg i v et h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n b e t w e e nh b v ca n da n o t h e r r e p r e s e n t a t i v ev cm e r g i n gm e c h a n i s mc r a m ( c e i lr e l a b e l i n ga tm e r g e 。p o i n t s ) t h e r e s u l t s s h o wt h a th b v ci sb e t t e rt h a nc r a m i nv a r i o u sa s p e c t s ，i n c l u d i n gn e t w o r ks c a l a b i l i t y ，d e l a y ( c e l ld e l a y a n dp a c k e td e l a y ) ，m a x i m u ms y s t e mt h r o u g h p u t ，t r a f f i ce n g i n e e r i n gs u p p o r t i n g ， c o m p a t i b i l i t y ，r e a l i z a t i o nc o m p l e x i t ya n d s oo n - t y p i c a ll s p i so n em u l t i p o i n t st op o i n tt r e e ，n e t w o r kn o d e sm u s th a v et h ea b i l i t yt os u p p o g q o so nm e r g e df l o w t os u p p o r tq o sr e a l i z a t i o n i nh b v c ，w ep r e s e n to n em e c h a n i s mc a l l e d a r l d ( a l l o c a t er e s o u r c eb yl a b e l d i s t r i b u t i o nm e c h a n i s m ) b ym e a n so f t i g h t l yc o m b i n i n gt h e l a b e ld i s t r i b u t i o n ，a r l dc a nr e a lt i m et r a c tt h en u m b e ro fu p s t r e a ms e n d e r sa n dr e a l l o c a t es y s t e m r e s o u r c e u s i n gt h i sm e t h o d ，w ec a ns u p p o r tr s v p i nl o w e rl a y e r a r l dc a nn o to n l ys u p p o r t q o sa m o n gl s p s b u ta l s og i v ed i f f e r e n ts e r v i c ei n o n el s pf o rf l o w sc o m i n gf r o md i f f e r e n t u p s t r e a mn o d e l s p sa r es e tu pu s i n ga na p p r o p r i a t el a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c 0 1 s i n c ea n yl a b e ld i s t r i b u t i o n p r o t o c o lm a k e su s eo fi n f o r m a t i o no b t a i n e db yt h el a y e r3m u t i n gp r o t o c o l ，t h e r ei sap o s s i b i l i t y f o rl s p st of o r mal o o pt r a n s i t o r i l y p r e s e n t l yt h e r eh a sn ol i t e r a t u r ea b o u tp e r f o r m a n c ei m p a c to n v c m e r g i n gb yr o u t i n gl o o p w em a k es o m ee x p l o r a t i v er e s e a r c ho nt h i s f i e l da n dp r e s e n to n e l o o pd e t e c t i o nm e c h a n i s m c a l l e dr m l d ( r mc e l ll o o pd e t e c t i o nm e c h a n i s m ) w h i c hc a nd e t e c t r o u t i n gl o o pm o r eq u i c k l ya n ds i m p l y k e y w o r d ：q u a l i t yo fs e r v i c e ，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 ，f l o wm e r g i n g ，v cm e r g i n g ，c e r e * l a b e l i n g a tm e r g e - p o i n t s ，e a r l yp a c k e t d i s c a r d ，r o u t i n gl o o p 笙二兰竺笙 一 1 1 引言 第一章绪论 最近十年，随着w w w 的深入普及，因特网取得了巨大的成功。随着因特网络飞速发 展，因特网络上的流量特征发生了显著变化。首先，因特网( i n t e r n e t ) 无论是从规模还是 从流量负荷上来说，一直在呈几何级数增长：其次，网络上的多媒体业务和实时业务在不断 增加。这些变化要求网络必须支持更高的带宽传输能力和q o s ( 服务质量：q u a l i t yo f s e r v i c e ) 保障机制。由于因特网采用面向无链接的i p 协议，只能提供尽力而为( b e s t e f f o r t ) 服务， 因此无法提供q o s 保证，而且当现有因特网规模扩充到一定限度后，将面临许多问题【i 2 0 1 。 a t m ( 异步传输模式：a s y n c h r o n o u s t r a n s f e rm o d e ) 技术作为b - i s d n ( 宽带综合业务 数字网：b r o a d b a n di n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ) 的核心技术，由于采用固定长度的 信元，因此可以用硬件进行信元的高速交换；采用异步传输模式，既可以提高对带宽的利用 率，还可以适应综合业务以及将来可能出现的新业务；通过接入控制和用户参数管理等一系 列机制，可以提供q o s 保证，但这并不表示a t m 可以用来解决因特网中遇到的所有问题 两种技术将互相发展并相互借鉴对方的优点，比如r s v p ( 资源预留协议：r e s o u r c e r e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 的资源预留和流概念非常象a t m 的概念，而a t m 中的a b r 业务则 类似于i p 中的t c p 。因此，如何将两种技术结合起来，如何最大限度来解决下世纪因特 网面临的挑战，将具有非常重要的意义。 在过去十年中，a t m 得到了巨大的发展，作为未来高速公路的核心技术，一度被认为 将是下一世纪网络通信的主宰方案，可是，现在已经很清楚的是i p 技术将起到这个作用， 因此，与其说如何将i p 或其它协议运行在a t m 上，还不如说如何使i p 运行在a t m 或其它 协议之上。过去几年这种观念的改变对两种技术如何综合起来有着非常大的影响1 4 l l ”。 1 1 1m p l s 技术的提出 在早期提出的方案中，由于当时认为a t m 将主宰未来，因此重点放在i p 与a t m 间如 何平稳过渡，尽量互相不干扰，主要是为了如何将a t m 更容易地与i p 融合，因此并未充分 利用a t m 潜在的优点：q o s 和面向连接。所采用的是叠加式( o v e r l a y ) 模型。这种模型将 a t m 与i p 视作叠加的层次关系a t m 与i p 各自拥有自己的地址结构，需要地址解析协议 进行两类地址的映射。这种模型减少了a t m 与i p 的相互限制，有利于它们独立地发展。 a t m 论坛制定的l a n e l 6 ( 局域网仿真：l a ne m u l a t i o n ) 和m p o a l l 3 , 1 4 1 ( m u l t i p r o t o c o lo v e r a t m ) 、i e t f 制定的经典的i p o a u , 1 2 l ( c l a s s i ci p o v e r a t m ) 都属于叠加式模型。 采用重叠模型，不可避免地要引入地址解析，因为网络中存在两套独立的地址( i p 地 址和a t m 地址) ，其优点是可以让i p 技术和a t m 技术互相独立地发展，这有利于向未来 i 圭塑奎望- 大兰堕主笙兰 的b - i s d n 过渡。但缺点就是i p 技术和a t m 技术不能很有效地结合起来，无论是分组的封 装效率、建链的时延、对组播的支持以及对q o s 的支持，都不理想；由于在逻辑子网内都 采用全部或部分v c 交织( v cm e s h ) 来连接主机，因此都存在扩展性问题，而且在同一子 网中，每个成员都有n 1 个路由对等点，这样路由协议计算的开销很大。n h r p 虽然在子网 间提供了c u t t h r o u g h ，但由于是基于流量控制，因此存在连接建立、维护、断开的开销和时 延。 近几年的发展已经清楚地表明，i p 将是下一个世纪网络的主宰【4 1 0 因此，在不改变i p 以及现有的基于i p 技术的应用的基础上，如何使a t m 技术融入i p ，如何将路由和交换结 合起来，如何解决i p 无连接和a t m 面向连接的矛盾，以支持规模日益增长的因特网和多媒 体业务，成为目前研究的热点。众多厂商和学者提出了许多新方案、概念和名词，如i p 交 换1 2 ”、c s r 4 9 - 5 6 1 、t a g 交换4 1 q 3 , 4 6 、a r i s 【5 7 。5 9 1 等。1 9 9 7 年，以c i s c o 公司的t a g 交换为基础， 由多家公司联合向i e t f 提交了m p l s ( 多协议标记交换：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 ) 框架及体系结构两个草案文档 6 5 , 6 6 1 ，i e t f # h g , 2 - tm p l s 工作组来进行有关标准的制定。 m p l s 并非用来解决因特网遇到的所有问题，而是试图解决一些扩展性方面的问题，它 是面向大型网络的技术。它的主要目标是提供一种将标记交换和网络层路由相结合的技术， 包括制定一系列分发和管理标记的协议，来支持单播、组播、q o s 以及直接路由，并能应用 到各种不同的链路层技术上，以达到改进网络层的扩展性、提高传递路由业务的灵活性( 例 如用标记来表示特定的流，以提供q o s ) 、流量工程能力( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 和性价比的 目标。虽然最初提出m p l s 是面向i p v 4 和i p v 6 ，但实际上可以支持其它网络层协议( 如： 1 p x 、a p p l e t a l k 、d e c n e t 、c l n p ) ，并能在不同的链路层技术上应用。但实际上，在网络层， m p l s 工作组只考虑i p 协议，而在链路层则只主要考虑a t m 。在论文的随后章节中，为简 洁起见，除非特殊说明，我们均认为m p l s 技术应用在链路层为a t m ，网络层及以上为 t c p f l p 协议族来讨论相关问题( 6 5 , 6 6 。 m p l s 需要解决很多关键技术问题，如： v c 合并( v c m e r g i n g ) 路由环( r o u t i n gl o o p ) 的防止与检测 m p l s 与组播 m p l s 与r s v p m p l s 在共享媒质中 目前m p l s 还很不成熟，许多方面仍在进行标准化过程，仅有草案。到2 0 0 0 年1 0 月 为止，只制定了三个标准：在1 9 9 9 年3 月通过了r f c 2 5 4 7 8 0 l ( 提出了一种i s p 如何利用 m p l s 和b g p 在主干网上为企业提供v p n 的方案) ；1 9 9 9 年9 月通过了r f c 2 6 8 2 1 9 2 ( 提出 2 第一章绪论 了一个实现v c 合并的简单模型，并进行了初步性能分析) 和r f c 2 7 0 2 1 8 l 】( 给出了在m p l s 中提供流量管理的要求) 。对许多关键问题仅提出了粗略的解决方案，没有性能上的详细测 试和验证；有些则还处于初步阶段，如：路由跟踪、o & m 、用于政策路由的直接路由以及 安全性等方面。预计相应的标准要到2 0 0 0 年以后才能制定出来。 1 1 2v c 合并的意义及问题 c s c w 研究及应用的不断发展，要求网络能够有效地支持组播。目前研究表明，同其 它组播方式相比，采用共享树在某些方面具有很好的扩展性，如带宽及网络资源的占用、 j o i n 所需时延、成员关系管理的复杂度以及系统额外开销等。这对于m p l s 网络而言，就 必须支持多点到多点的连接。对于有n 个成员的组，实现的一个方法是为每一对成员之间都 建立连接，但这需要建立n ( n - 1 ) 2 个连接，极大地浪费占用了标记的空间及网络资源。 另外，m p l s 将数据前传与路由分离，通过事先建立连接并分配标记，可以更快地前传 数据。但对于一个有n 个节点的网络，事先建立的连接数在最坏的情况下会达到o ( n 2 ) ， 在标记空间有限的情况下，极大地影响了网络的扩展性。 针对以上两个问题，m p l s 提出一项关键技术，可以将同一个标记分配到多个流上。 m p l s 支持标记的不同层次的颗粒化( g r a n u l a r i t y ) 。根据对共享标记和最大程度获得交换的 好处之间的折中，可以选择不同的颗粒化。常用的颗粒化有： i p 地址前缀( i pp r e f i x ) ：具有相同的目的网络地址将共用同一个l s p ( 标记交换 路径：l a b e ls w i t c h p m h ) ，与标记分配的自由方式配合使用，可以使标记一次性完 成分配； 出口路由器( e g r e s s r o u t e r ) ：有同一个出口路由器的所有i p 地址共用相同的l s p ， 扩展性最好； 应用流( a p p l i c a t i o nf l o w ) ：扩展性最差，但保证了端到端的交换； 因此典型的l s p 是一棵多点到点的树，多个流在某些节点上汇聚成一个流，这使得 m p l s 可以用o ( n 1 数量级的标记来进行流量交换。极大地增加了网络的扩展性，而且能更 有效地支持组播，这对分布式应用而言是非常重要的。 能使多个流共用同一个标记的前提是l s r s ( 标记交换路由器：l a b e ls w i t c hr o u t e r ) 必 须支持流合并，这在a t m 网络中存在问题。当m p l s 运行在基于帧的媒质上时，流合并很 简单，所要做的仅仅是要求节点将多个上游标记对应到同一个下游标记，这也称为帧合并。 但是a t m 中，m p l s 的标记对应于a t m 信元中的v p i v c i 域。因此流合并意味着v p i v c i 合并。但是标准的a t m 交换机不支持v c 合并，因为会产生信元交错问题。在a t m 上传 3 圭塑奎望查兰堕主堡塞 送数据和多媒体业务一般都采用a a l 5 进行封装，相比较于a a l 3 4 ，a a l 5 减少了传输高 层分组所带来的开销，它对同一个分组进行封装时，没有机制来分别不同的信元，只是在分 组的最后一个信元中加入结束标志( 此信元也称为e o p 信元) ，它依赖于a t m 网络能顺序 连贯地传送此分组的所有信元，接收方通过最后一个信元的结束标志来重组分组。如果直接 将不同的v c 合并成同一个出口v c ，不同分组的信元就会交错在一起，而且接收方没有办 法能分辨出来。 本论文主要针对v c 合并问题进行深入研究，并提出一种新的v c 合并方案。对影响 v c 合并的其他一些问题也进行了探讨，如v c 合并方案如何实现对q o s 的支持、路由环对 v c 合并的影响等。 1 2 论文采用的方法 计算机网络性能评价的基本方法包括测量、试验、模拟和解析四种。测量方法和试验方 法只适用于现已存在的网络系统。测量是对一个实际的运行系统作全面、真实的性能分析。 试验更侧重于分析具体的实现问题，是一种初步验证。由于实现一个系统非常复杂，测量和 试验方法一般只用于验证一个网络系统的特定方法，而不运用于需比较不同方法对网络性能 影响的情况。 模拟方法和解析方法用于分析一些可重构、抽象的网络模型。这些模型可以是对一个现 已存在的网络系统或一个未实现的网络系统的各种抽象。解析方法是对网络系统的最高级抽 象，所求得的是最严格的结果。使用解析方法，能完整地了解网络系统的可能行为。单解析 方法只局限于一些比较简单的网络模型，许多复杂模型不可能用纯数学方法来求解。另外， 为使模型可求解，往往过分抽象一个网络系统，而忽略其中的一些关键因素，使所求的结果 不可信。模拟方法是对解析方法的一种有力补充，不仅用于验证网络抽象模型的有效性和解 析结果的正确性，而且还适用于分析一些不能用数学方法求解的复杂模型的行为。特别地， 由于因特网的拓扑结构、业务模型以及网络流量模型的复杂性，使模拟问题成为研究因特网 问题的一个最主要方法。采用模拟方法，可以方便地改变各种网络参数，比如网络拓扑、带 宽、时延、缓存、网络流量负载等等，而能更好地分析不同策略和算法在不同情况下的网络 性能，却不需要实现实际的网络系统。 鉴于以上原因，由于因特网的拓扑结构、业务模型以及网络流量模型的复杂性，本文主 要采用模拟方法。对于特定的简单的v c 合并模型，进行了初步的解析分析：而对本文所提 出的v c 合并方案，则建立模型，通过仿真软件来模拟网络流量的输入、处理及输出过程， 获得分组( 信元) 丢失率、缓存需求、时延等数据，进行性能的分析，并与其他已有方案进 行比较，从而论证论文所提出的方案是有效的。 1 3 主要内容和论文结构 4 ， 第一章绪论 流合并作为m p l s 中的一项关键技术，将极大地增强网络的可扩展性，并可有效支持 组播。流合并应用在a t m 网络上将存在诸如信元交错等一些问题。本文针对这些问题，通 过对目前已经提出了一些方案进行研究，独立提出了一种新的v c 合并方案，进行了比较系 统、深入的研究，总结并提出了一些有效的解决方法，具体包括： 1 ) m p l s 技术是从1 9 9 7 年下半年才提出的新兴技术，目前关于v c 合并的性能分析 很少。针对m p l s 工作组提出的简单v c 合并方案【8 w 所进行的性能分析很不完善， 而且还存在不同的结论【9 2 】【9 3 】。本文对简单v c 合并与菲v c 合并进行了详细的分析， 指出了不同文献获得相反结论的原因，并得出了一些重要的结论。仿真结果表明， 简单v c 合并引入的额外时延和额外缓存很小，不会对交换机性能有大的影响，具 有很好的网络可扩展性。这些分析和结论是本文提出新的v c 合并方案的基础。 2 )目前的v c 合并方案基本上都不能完全符合m p l s 的要求，在对简单v c 合并与非 v c 合并的性能分析基础上，本论文提出了一种新的符合m p l s 要求的v c 合并方 案h b v c ( h i e r a r c h i c a lb u f f e rv c - m e r g i n gm e c h a n i s m ) ，并与其他具有代表性的方 案进行性能上的研究和比较。h b v c 不需要改变协议栈，也不修改v p i v c i 的语 法和语义，系统实现简单，不需要增加额外的软件和硬件，与标准的a t m 交换机 完全兼容。h b v c 采用二级缓存并可应用任何服务调度策略( 如公平排队) ，在l s p 内的不同合并流之间提供基于分组的交换，在l s p 之间则可以进行信元级的交换， 从而可以应用a t m 的流量成形技术。二级缓存结构使得h b v c 不但能够可以在不 同l s p 之间公平分配带宽，也有能力在l s p 中的不同合并流之间公平分配带宽， 有利于支持q o s 的实现； 3 ) 、目前v c 合并方案之间的横向的性能比较很少，本文将h b v c 与另一种具有代表 性的v c 合并方案c r a m i ”0 1 进行了性能比较。结果表明，当网络低负载时，h b v c 的信元时延性能比c r a m 要差，但h b v c 在网络可扩展性、网络负载高情况下的 时延( 信元时延和分组时延) 、系统最大吞吐率、对流量工程的支持、兼容性、系 统实现复杂性等方面优于c r a m ； 4 ) 典型的l s p 是棵多点到点的树，节点必须有能力对合并后的流进行q o s 的支持， 同一条l s p 途经不同节点时其上游发送方的数目是变化的，但l s p 所对应的f e c ( 等效前传类：f o r w a r de q u i v a l e n tc l a s s ) 不能反应出合并后的流所对应的q o s 要 求。针对h b v c ，本文提出了一种实现支持q o s 的机制a r l d ( a l l o c a t er e s o u r c e b yl a b e ld i s t r i b u t i o nm e c h a n i s m ) 。a r l d 通过与标记分发( 扩展r s v p 协议【7 q 或 l d p 协议【6 ”进行标记分发) 紧密结合，实时跟踪l s p 上游发送方的数目并重新分 配系统资源，从而实现了在底层支持r s v p 。a r l d 不但能够在l s p 间支持q o s ， 而且针对同一条l s p 内来自不同上游节点的流，也能给予不同的服务。 上海交通大学博士论文 5 ) 有文献【。1 ”1 研究表明，不附加任何a t m 层流控机制的u b r 性能不高，这是因为 当交换机因缓存溢出而丢弃信元时，信元可能分属于不同的分组，这样就会有相当 一部分带宽被浪费来传输这些已经不完整的分组。e p d ( 早期分组丢弃：e a r l y p a c k e t d i s c a r d ) 技术“7 i 就是为解决这个问题而提出的。h b v c 首先在虚拟队列中对信元 进行重组，如果h b v c 开始传输某个分组的信元，那么这个分组的所有信元都已 经在系统的缓存里，因此h b v c 不存在传输不完整分组和浪费带宽的可能性。由 此本文提出：采用e p d 技术不能提高h b v c 的性能。仿真结果也证明了这一点。 6 ) m p l s 采用t c p i p 的路由协议，因此有可能形成短暂的路由环【6 7 6 8 ，8 ”。m p l s 中的 路由环问题还处于研究阶段，目前还没有文献针对路由环对v c 合并的影响进行过 研究。本文结合h b v c 在此方面进行了一些有益的探索，并提出了一种更为快速 简单地检测路由环的方法r m l d ( r mc e l ll o o pd e t e c t i o nm e c h a n i s m ) 。 整个论文各部分内容安排为： 第二章详细地介绍了m p l s 发展的背景、m p l s 的框架组成及工作原理，并介绍了m p l s 目前极需解决的一些关键技术和存在的争论。详细介绍了v c 合并的发展现状，给出了各个 方案的优缺点，并阐述了其他需要解决的问题。 第三章对简单v c 合并与非v c 合并进行了比较全面的性能分析。在网络单节点、多节 点情况下，研究交换机端口数、分组平均大小、流量成形因子以及网络负载对系统的信元时 延、分组时延、信元丢失率等性能指标的影响。指出了造成文献结论不一致的原因，并得出 了一些重要的结论。这一章的结果将作为第四章提出新方案的基础。 第四章在第三章分析的基础上，提出了一种具有分级缓存结构的v c 合并方案h b v c ， 详细阐述了h b v c 的系统结构和工作原理；将h b v c 与另一种有代表性的v c 合并方案 c r a m 进行了性能比较；提出了一种实现对q o s 的支持的方法a r l d ，它结合标记分发， 及时调整和分配系统资源，以实现对上层r s v p 协议的支持：通过研究e p d 技术对系统性 能的影响，得出了采用e p d 技术并不能提高h b v c 的性能的结论。 第五章先详细介绍了路由环的形成原因、路由环对m p l s 网络的危害以及目前m p l s 在路由环方面的研究进展情况。详细分析了路由环对v c 合并网络的影响，提出了一种能更 快速更简单地检测路由环的方法r m l d 。 第六章对全文进行总结，并给出了下一步需要做的工作。 6 第二章相关知识和研究进展 第二章相关知识和研究进展 m p l s 技术，通过对无连接与有连接灵活的混合以及传递机制的改革，有潜力使因特网 体系结构发生重大变化，目前正成为研究的热点，也存在着很过关键的技术需要解决。本章 内容分三部分，第一部分阐述提出m p l s 技术的背景，简单介绍i p 与a t m 综合方案特别 是i p 交换技术的进展情况；第二部分介绍m p l s 的体系结构、工作过程及需要解决的一些 关键技术：第三部分介绍为支持v c 合并这个关键技术问题所做的相关研究和最新进展，并 对这些方案进行了优缺点的比较。对其中具有代表性的方案的详细的性能分析在第四章。 2 1 提出m p l s 技术的背景 2 1 1 因特网面临的挑战 因特网的基本思想是对所互连的异种通信子网进行高度抽象，将通信问题从网络细节中 解放出来，通过提供通用网络服务，使低层网络细节向用户和应用程序透明，从而建立一个 统一的、协作的通信系统。基本方法就是在低层网络技术和高层应用程序之间增加一个中间 层软件，这就是t c p i p 协议。i p 协议的关键是为互连的异种物理网络提供了统一的网络i p 地址，从而屏蔽了下层物理网络地址的差异性，统一了异种网地址，保证了异种网互通。通 过地址解析协议将主机的i p 地址与物理网络地址映射起来，从而通过下层物理网络在主机 间建立通信。i p 是面向无链接的协议，网络中的路由器通过对l p 数据包头的处理，以逐跳 方式进行路由，发送方不实现接入控制，网络也不进行资源预留，网络不能保证i p 分组的 传输时延和顺序，而且有可能丢失分组，通过t c p 协议重传机制才能保证端到端的可靠传 输。t c p i p 的灵活性和健壮性使它在因特网中取得了巨大的成功。 近年来，随着w w w 的巨大成功和日益普及，因特网在全球范围内呈爆炸性增长i l ，2 】， 网上信息流量持续增加，由多层路由器构成的传统网络趋向饱和，多媒体通信的迅猛发展( 如 网络电话、电子商务、视频会议等) ，要求网络能提供具有不同q o s 等级的综合业务( 如时 延、带宽、分组丢失率的保证) ，由于因特网采用面向无链接的i p 协议，只能提供尽力而为 服务，因此无法提供q o s 保证，而且当现有因特网规模扩充到一定限度后，还将面临其它 很多问题”j ： 因特网骨干网的传输容量太小，带宽资源不足，现有路由器寻址速度低，吞吐量不 够，同时用户接入速率太低； 当用户数量急剧增加时，路由器网络性能下降，这时路由器虽然可以保证优先级较 高的数据传输，但由于它采用无连接的i p 协议，因而不能让服务质量( 带宽、优 先级等) 和商业上的优先级对应起来； 路由器网络规模的进一步增大要求路由器支持大数量的端口，然而目前一般的路由 7 上