（通信与信息系统专业论文）mpls网络资源和接纳控制技术研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 多业务融合的核心网需要提供灵活粒度的服务质量( q o s ) ，高效利用网络资源，尽力 降低拥塞率。 本文针对m p l s 网络，基于i t u t 提出的资源接纳控制功能( r a c f ) 和e t s it i s p a n 提出的资源接纳控制子功能( r a c s ) ，给出了集中式r a c f 的主要功能实体描述以及具体 的交互流程。在分布式接纳控制模式下，分析了物理实体和功能实体的对应关系，结合具 体业务类型，描述了基于微流级和基于汇聚级的两种接纳控制流程。在r a c s 下，设计了 接入网段的路径选择机制。在对r a c s 和r a c f 以及集中式控制模式和分布式控制模式进 行比较分析后，设计了改进的分级式资源接纳控制架构，在描述其具体控制流程后，设计 了功能模块。详尽讨论了项目组提出的混合策略接纳控制方案以及基于模糊逻辑的接纳控 制算法和动态资源追加算法。最后，利用a s 一2 仿真平台对于本文研究的改进的资源接纳控 制架构和算法进行了性能仿真验证。 仿真结果表明，分级式架构和改进的资源接纳控制算法可以在不增加延时的前提下， 提高资源利用率和接纳率。 关键词：资源接纳控制控制架构模型分级控制方法多协议标记交换网络 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i - s e r v i c e sc o r en e t w o r k sa r er e q u i r e dt op r o v i d eq u a l i t yo fs e r v i c e 、析t l lf l e x i b l e 伊a i l u l 撕劬e f f i c i e n t l yu t i l i z en e t w o r kr e s o u r c e sa n dr e d u c en e t w o r kb l o c k i n gr a t e b a s e do nt h ei t u tp r o p o s e dr e s o u r c ea n da d m i s s i o nc o n t r o lf u n c t i o n s ( r a c f ) a n d e t s it i s p a np r o p o s e dr e s o u r c ea n da d m i s s i o nc o n t r o ls u b s y s t e m ( r a c s ) u n d e rt h e e n v i r o n m e n to fm p l sn e t w o r k ，t h ed e s c r i p t i o ni sp r o v i d e do fm a i nf u n c t i o n a le n t i t i e so f c e n t r a l i z e dr a c fa n dt h e i ri n t e r a c t i o n s w i m i l lt h ed i s t r i b u t e da d m i s s i o nc o n t r 0 1m o d e ，a l l a n a l y s i si sm a d eo ft h em a p p i n gb e t w e e np h y s i c a le n t i t i e sa n df u n c t i o n a le n t i t i e sa n da d e s c r i p t i o ni sm a d eo f t h ea d m i s s i o nc o n t r o lp r o c e d u r e sa tb o t hm i c r o f l o wl e v e la n d a g g r e g a t ef l o wl e v e lf o rs p e c i f i ct y p e so fs e r v i c e t h em e c h a n i s mo f a c c e s sn e t w o r kp a t h s e l e c t i o ni sd e s i g n e df o rr a c s f o l l o w i n gac o m p a r a t i v ea n a l y s i so fr a c sa n dr a c f 鹤 w e l la sc e n t r a l i z e da n dd i s t r i b u t e dc o n t r o lm o d e ，a ni m p r o v e dh i e r a r c h i c a lr e s o u r c ea n d a d m i s s i o nc o n t r o la r c h i t e c t u r ei sd e s i g n e dt o g e t h e r 、析t 1 1i t sf u n c t i o n a le n t i t i e sa n dc o n t r o l p r o c e d u r e s d e t a i l e dd i s c u s s i o ni sd e v o t e dt ot h eh y b r i dp o l i c i e sb a s e da d m i s s i o nc o n t r o l l s c h e m e ，f u z z yl o g i cb a s e da d m i s s i o nc o n t r o la l g o r i t h ma n dd y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o n a l g o r i t h m ，w h i c ha r ep r o p o s e db yt h ep r o j e c tt e a mm e m b e r s f i n a l l yt h ep e r f o r m a n c eo ft h e i m p r o v e dr e s o u r c ea n da d m i s s i o nc o n t r o la r c h i t e c t u r ea n da l g o r i t h m si sv e r i f i e du s i n gt h e s i m u l a t o r1 1 8 2 t h es i m u l a t i o nr e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h eh i e r a r c h i c a la r c h i t e c t u r ea n di m p r o v e d r e s o u r c ea n d a d m i s s i o nc o n t r o la l g o r i t h m sc a l li n c r e a s er e s o u r c eu t i l i z a t i o nr a t i oa n d a c c e p t a n c er a t ew i t h o u td e t e r i o r a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fa v e r a g ed e l a y k e y w o r d s ：r e s o u r c ea n da d m i s s i o nc o n t r o l c o n t r o la r c h i t e c t u r em o d e l h i e r a r c h i c a lc o n t r o lm e t h o dm p l sn e t w o r k 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，除了文中特另；l d i l 以标注和致谢 的地方外，论文中不包括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- 节而使用过 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：鞋日期：型q 业 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i 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：牡导师签名：二陋日期：之她 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 1 1 课题背景 第一章引言 随着i n t e r n e t 的发展以及音视频实时应用需求的增长，传统i p 网络“尽力而为”的 数据传输方式面临巨大的挑战，应用要求互联网能够提供分类服务、流量工程等新的服务 功能。i e t f 组织提出的多协议标记交换( 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 ) n 1 技术集 成了i p 路由的灵活性和二层交换的简捷性，在面向无连接的i p 网络中增加了面向连接的 属性，通过支持区分服务( d i f f s e r v ) 1 和流量工程( t e ，t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 口1 来保 证服务质量( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 。虽然当前m p l s 支持区分服务可以使网络对不 同服务类型的报文选择不同的转发行为，而m p l s 实施流量工程又可以使流量沿着满足给 定约束的路径转发，优化网络资源的利用，但是在某些情况下，单独使用区分服务或流量 工程都不能满足端到端的q o s 要求，还需要使流量工程能够感知流量的类型，建立基于业 务类型的流量中继，m p l s 感知区分服务的流量工程( m p l s - d s t e ，m p l s - d i f f s e r v - t r a f f i c e n g i n e e r i n g ) h 1 就是为了解决这类问题而提出的。 下一代网络业务控制和传送功能相分离后，不同类型的业务有不同的q o s 指标要求， 相应要求预留不同容量的资源，从而映射到传送层要求有不同的承载特性。为了保证业务 o o s ，引入了资源接纳控制璐司的概念。通过实行资源接纳控制，向上对业务层屏蔽传送网 络的具体细节，支持业务控制与传送功能相分离，向下感知传送网络的资源使用情况，确 保正确合理地使用传送网络资源，从而保证业务q o s 。为此欧洲电信标准化协会( e t s i ) 下属的t i s p a n 组织提出了资源接纳控制子功能( r a c s ，r e s o u r c ea n da d m i s s i o nc o n t r o l s u b s y s t e m ) 拍1 ，国际电联标准化局( i t u - t ) 提出了资源接纳控制功能( r a c f ，r e s o u r c ea n d a d m i s s i o nc o n t r o lf u n c t i o n s ) 旧。 在r a c sr e l e a s el 中，t i s p a n 只考虑了固定接入网的服务质量控制机制，给出了相 应的功能架构，主要完成的功能有：接纳控制、资源预留、策略控制、网络穿越( n a t ，n e t w o r k a d d r e s st r a n s l a t o r ) 和门控。r a c s 通过一系列策略为应用提供基于传输的控制服务，只 要该应用支持r a c s 接口，r a c s 就能保证任意应用能够请求获得与其服务相匹配的传输资 源。同时，r a c s 为运营商提供多种不同的接纳控制方法，并设置各自的承载服务策略。i t u t 提出的r a c f 架构既适合部署在接入网，又适合部署在核心网，各功能实体的配置也很灵 活，可以是分布式的，也可以是集中式的，可以是单独的设备，也可以是集成设备中的一 1 南京邮电火学硕上研究生学位论文第一章引言 部分。 为了将r a c f 资源接纳控制机制运用在基于d s t e 的流量感知业务网络中，i t u t 于 2 0 0 7 年9 月提出基于r a c f 的m p l s 网络资源接纳控制架构。2 0 0 8 年1 月，i t u tq 4 1 3 会议将原来的架构分离为两个独立的架构：集中式m p l s 网络资源接纳控制架构r 7 】和分布 式m p l s 网络资源接纳控制架构f 8 1 标准。这两个标准在刚刚开始研究的过程中，对于功能 实体和具体的实施流程都未能给出详细的定义和介绍，也没有能够将m p l s 网络传输层技 术与资源接纳控制的关系描述清楚，只是简单地给出了架构模型。在集中式架构下，传输 层资源控制功能实体( t r c f e ，t r a n s p o r tr e s o u r c ec o n t r o lf u n c t i o n a le n t i t y ) 位于集中控制 平面，进行基于全网资源状态的资源接纳控制。在分布式m p l s 网络资源接纳控制架构中， t r c f e 被完全分布到传输层中，在入口的边缘节点进行相关的资源接纳控制。 在现有的基于r a c f 的集中式资源接纳控制架构中，当核心网的会话连接请求和资源 预留请求增多、网络负荷加剧、存在动态q o s 要求时，集中式模式会产生一定的延时，同 时集中式的基于资源的接纳控制实体既要进行接纳控制又要进行网络信息资源状态的采 集维护，在一定程度上给实体增加了负担，加剧了网络的负荷。这些都会使集中控制平面 形成瓶颈，降低网络的性能。而在分布式资源接纳控制架构中，分布在网络各个边缘路由 器中的t r c f e 基于全网的资源状态和网络状态进行资源接纳控制，在一定程度上避免了 集中式架构带来的限制网络规模性的问题，然而在各个入口点中的路径和网络信息很难保 持同步和一致，过度的协调也会造成资源的浪费，同时导致资源预留决策的不准确性，甚 至造成网络的过载拥塞。 在当前多业务融合的网络环境下，对于网络资源的使用，已不再是传统的公平竞争。 q o s 的要求也从一层发展到多层，通过不同类型的策略进行映射转化。多业务请求潜在地 造成了核心网的资源紧张。如何在保证传输层状态稳定的条件下，基于不同业务的q o s 要 求和等级，以体现区分服务为目标，有效地提高网络资源利用率具有很现实的意义。此外， 资源的控制，尤其是核心网的资源控制，应不断趋于动态化控制，通过对资源使用的优化 提高其利用率。因此，基于具体的资源接纳控制功能实体和特定的传输层技术相结合，进 行资源接纳控制的研究还需要不断地深入。 本文主要研究和资源接纳控制相关的技术，在对于现有资源接纳控制架构的比较分析 的基础上，完善i t u t 有关m p l s 网络资源接纳控制标准的描述，提出了一种区别于标准 中的r a c f 的m p l s 资源接纳控制架构，基本思路是将传输控制层中t r c f e 的一部分功 能分布到传输层入口节点中。资源接纳控制被分别在各个网络入口完成，而集中平面的资 2 南京1 1 1 1 1 i g 人学硕i ：研究生学位论文第一章刁f 言 源接纳控制实体负责网络状态的维护以及资源的动态调度，理论上可以提高网络的资源利 用率，降低网络的阻塞率。同时还对m p l s 网络中的资源接纳控制算法作了仿真研究，通 过仿真分析和比较，验证了分级资源接纳控制算法的良好性能。 1 2 研究内容和研究方法 本课题来源于中兴科技基金项目下的子课题“r a c s 及城域网资源控制关键技术和协 议的研究 。课题研究目标是深入理解资源接纳控制的关键技术，熟悉和掌握不同标准组 织提出的资源接纳控制的架构、实体功能和参考点，理解并能结合实际描述和设计基于特 定传输层技术的资源接纳控制流程。在此基础上，分析比较已有的控制架构模型，提出一 种优于已有标准架构；同时基于资源接纳控制流程的描述，设计控制功能模块，提出具体 算法方案；最后利用仿真平台验证所提出的改进控制架构和接纳控制方案的合理性和有效 性。 本课题的采用循序渐进的研究方法： l 、基础技术研究：理解服务质量、流量工程以及区分服务。包括很好地理解q o s 机制，i e t f 下区分服务模型和机制，区分服务的m p l s 支持，m p l s 流量工程组件，在支 持区分服务的m p l s 流量工程网络中的带宽约束模型等。 2 、追踪国际最新会议：围绕m p l s 网络资源接纳控制这一新提出的课题，相关的 国际标准化组织正从需求着手逐步深入地展开研究，因此需要定期跟踪i t u t 关于r a c f 、 r a c f m p l s 和t i s p a n 关于r a c s 的研究进程，学习会议输出文档及报告，通过跟踪未 完善的或者新发掘的有价值的研究点提出相关的提案，加深理解并确定研究方向。 3 、结合具体场景展开：结合m p l s 网络的资源接纳控制场景，运用已有的标准， 顺着已确定的方向，重点研究r a c f m p l s 的架构，参考点的描述，m p l s 网络中的实体 功能，交互的消息，交互的流程等，通过提案的形式落实自己想法的可行性，完善标准协 议中不完善之处。 4 、+ 仿真和性能分析：通过和项目组其他成员的合作，进行m p l s 网络资源接纳控 制改性算法的研究，在此基础上，搭建仿真平台，进行相应的仿真，实现分级模式下 m p l s d s t e 核心网的资源接纳控制和动态资源调整，同时做出性能分析。 1 3 论文内容及本人所做的工作 在本项目开展的过程中，通过在项目组中的学习和交流，阅读和理解相关组织的标准 3 南京邮电人学硕一i ：o f 究生学位论文第一章0 l 苦 文档，笔者对于资源接纳控制技术进行了专题研究，特别是研究了如何基于特定的传输层 技术，利用策略规则，通过不同架构和不同接纳控制方案完成资源预留和接纳控制。 在项目研究的开始阶段，完成了基于策略计费控制( p c c ，p o l i c yc h a r g i n gc o n t r 0 1 ) 下的信用抢占机制的专利研究。基本思想和资源接纳控制略有相似之处，基于策略和业务 等级，面向网络资源关联计费额度控制，根据优先级高低保证某些业务在没有额度时可以 利用额度池继续进行。 该项技术的研究对于笔者的后续研究有很好的启发意义。在进一步的资源接纳控制研 究过程中，完善了m p l s 网络下集中式资源接纳控制架构，定义描述了主要功能实体在具 体传输层技术下的功能，提出了通用型的资源接纳控制流程。研究结果形成了递交i t u - t 的标准提案。 同时，在对m p l s 核心网络资源接纳研究过程中，提出了将r a c f 核心网的路径选择功 能延伸至由r a c s 控制的接入网，进行类似于标记交换路径( l s p ，l a b e ls w i t c h i n gp a t h ) 虚通道的选择，并完成了递交t i s p a n 的标准提案和相关专利。 在标准文档的不断完善中，提出了建立在集中式和分布式接纳控制架构基础上的分级 控制架构模型，并描述了相关的流程，给出了主要参考点的信息。在阅读相关文献的基础 上，设计了m p l s d s t e 核心网的r a c f 功能模块，在项目组老师的指导和其他成员的帮 助下改进算法，通过项目组已有的成果，搭建更新仿真平台，验证了所提架构的合理性和 算法的有效性。 论文第二章简单介绍了m p l s 网络的q o s 技术，为资源接纳控制的传输层要求做好铺 垫。论文第三章研究和改进i t u t 和t i s p a n 的资源接纳控制架构和实体。在i t u t 的 m p l s 网络资源接纳控制研究中，提出了集中式接纳控制架构下的流程，修改了网络参考 点，定义了主要功能实体的描述和交互的信息。在t i s p a n 的r a c s 部分，提出了接入网 路径选择功能，并设计了两种模式下的流程。在此基础上，进行了不同控制架构的分析， 提出了分级式资源接纳控制模型。第四章首先提出了分级式架构下的主要控制流程，结合 传输层特定技术，设计了基于r a c f 的资源接纳功能模块。通过比较传统的接纳控制的算 法方案，继承其合理的部分，进行了必要的修改；结合传输层技术和r a c f 功能特点，提 出了基于策略的l s p 路径资源接纳控制策略，加入了动态资源追加策略，并在等效带宽和 追加资源的计算上引入模糊概念，面向网络负荷，动态调整计算控制参数，以达到网络资 源使用的优化。第五章在前述理论研究的基础上进行相关的仿真验证。共进行了三组验证， 按顺序验证了所提算法的有效性、所提架构的正确性以及所用资源策略的优越性。最后， 4 南京邮l 乜人学硕l j 研究生学位论文第一章0 l 言 论文对资源接纳控制技术研究进行了总结，同时对进一步的研究方向做了概括性的讨论。 5 南京邮i 乜人学硕l - o f 究生学位论文第二章m p l s 网络的q o s 技术 2 1 概述 第二章m p l s 网络的q o s 技术 服务质量q o s 控制的目标是为i n t e m e t 应用提供服务区分和性能保证，既包括了用 户的q o s 需求，又包括了网络业务提供者的行为；服务区分是指根据不同应用的需求为其 提供不同的服务等级；性能保证则要解决诸如带宽、丢失、延迟、抖动等性能指标的保证 问题。为了满足用户需求，需要进行资源预留接纳控制，为了保证网络业务提供者的利益， 就需要对资源合理利用和优化。因此传输层技术的健壮性是维持网络资源稳定、优化网络 资源结构的重要保证之一。d i f f s e r v 和m p l s t e 技术就是分别基于服务等级区别化，网络 拥塞最小化为目的提出的。然而在多业务融合的核心网，单独的技术都不能满足q o s 的要 求，因此统一d i f f s e r v 技术和m p l s t e 技术是多业务网络资源接纳控制的重要保证。 本章简要介绍m p l s 网络相关的q o s 技术，2 2 小节介绍d i f f s e r v 和m p l s t e 技术， 2 3 小节介绍基于m p l s 的流量感知业务，也就是m p l s 。d s t e 技术。 2 2d i f f s e r v 和m p l s t e 技术 2 2 1d i f ! s e r v 技术 综合服务( i n t s e r v ) 模型采用r s v p 信令协议为每个应用微流预留资源，建立起一条 从源到目的地的端到端数据传输通道。r s v p 协议将资源预留请求分发到网络中的各个节 点，并且在沿线的每一跳都需要保存微流的状态。其基本思想就是借鉴电路交换的做法以 资源预留的方式来实现q o s 保证。然而过细的操作粒度，基于微流的资源预留和状态信 息保存，大大限制了其扩展性，因而无法适应大规模的多业务网络。 为此，i e t f 提出了具有良好可扩性的d i f f s e r v 技术) ，它能以很小的开销提供对各 类业务不同优先级的处理，体现服务的区分化。d i f f s e r v 采取“粗粒度”模式，在网络边界 节点根据流描述和资源预留信息将数据流进行分类、调节，保存其( 单流或汇聚流) 状态 信息，根据事先和用户约定的流规格对流进行计量、标记、整形、丢弃等，以使输入流符 合服务等级协定( s l a ，s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ) ，根据划分聚合成若干类别的流聚集， 分组所属类别可作为一个字段直接写入分组的d s ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 类别域中，而 6 南京邮i 乜人学硕l j 研究生学位论文第_ 二章m p l s 网络的q o s 技术 不像综合服务需要用信令协议告诉路由器每个应用流的q o s 要求。该类别字段称为区分服 务码点( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sc o d ep o i n t ) ，简称d s c p ，共有6 b i t 。在i p v 4 中，d s c p 就 由i p 包头中的服务类型( t o s ，t y p eo fs e r v i c e ) 字段携带。而基于不同的d s c p 取值，将 其加入相应的行为聚集b a ( b e h a v i o ra g g r e g a t e ) 。 网络内部节点根据d s c p 取值，按类分配资源，提供特定质量的调度转发服务，其外 部特性形成所谓的逐跳行为( p h b ，p e r - h o pb e h a v i o r ) ，用数据包的调度和丢弃优先级表示。 d i f f s e r v 支持i e t f 定义的1 4 个标准的p h b ，缺省的“尽力而为( b e ，b e s te f f o r t ) p h b ， 加速转发( e f ，e x p e d i t e df o r w a r d i n g ) p h b ，以及1 4 类确保转发( a f ，a s s u r e df o r w a r d i n g ) p h b 。b e 对应于普通的i n t e m e t 服务；e f 是延迟最小、丢包率低的流量，这意味着用于 e f 流量的队列，其分组到达速率低于服务速率，因此不可能由于拥塞造成抖动、延迟和丢 包。a fp h b 的命名惯例是a f x y ，x 指队列号，y 指丢弃优先级的级别，建议使用4 个不 同队列和3 个优先级。因此，a f l y 的所有数据包都将放置在同一个转发队列中，确保当 来自单一应用的数据包只在丢弃优先级方面存在差别时，不会产生乱序。a fp h b 适用于 需要速率保证，但不需要严格延迟或抖动限制的流量。 d i f f s e r v 已定义的服务类型包括奖赏型服务( p s ，p r e m i u ms e r v i c e ) 矛h 确保型服务( a s ， a s s u r e ds e r v i c e ) 。p s 利用e fp h b 为用户提供低延迟、低抖动、低丢失率和保证带宽的 端到端服务。a s 利用a fp h b 保证用户在网络发生拥塞时仍能获得流量规定中预约的最 小带宽，在网络负载较轻且有空闲资源时，可使用更多的带宽。 d i f f s e r v 模型利用带宽代理( b b ，b a n d w i d t hb r o k e r ) 1 2 】来控制整个d s 域的资源状 况，完成请求服务、分配服务、信令处理、接纳控制以及域间交互和域内的资源管理等任 务。 由此可知d i f f s e r v 技术可扩展性强，易于实现，不影响路由，不涉及选路机制。但是， 该模型分类较粗，相同类别的业务分享同一等级服务，而这些相同优先级的业务之间也存 在一定程度的资源竞争，因此不能保证端到端的q o s 要求。 2 2 2m p l s t e 技术 m p l s 是一种结合第二层和第三层的交换技术，引入了基于标记的机制，根据等价转 发类( f e c ，f o r w a r d i n ge q u i v a l e n c ec l a s s ) 进行路由选择，根据标记交换执行数据转发， 由固定长度的标记决定分组通过网络的路径，提供了更快的分组分类和分组转发速度。路 由表和标记信息库存放在每个标记交换路由器( l s r l a b e ls w i t c h e dr o u t e r ) 。 7 南京l l l g l 1 大学硕j 二研究生学位论文第二章m p l s 网络的q o s 技术 流量工程是指优化全网流量分布，避免出现瓶颈链路，提高网络资源的利用率，从而 降低网络拥塞率。传统的i p 路由协议是基于最短路径的选择，在一定程度上会造成最短路 径上的拥塞情况。而利用m p l s 技术，合理规划l s p 上的负荷，就可以实现流量工程的要 求。从用户的角度看保证了q o s 的要求，从网络服务提供商是角度看提高了资源的利用率。 所以m p l s 的流量工程机制就是采用约束路由( c r ，c o n s t r a i n t - b a s e dr o u t i n g ) 技术来 实现路径选择、负载均衡、自愈恢复、路径优先级等机制。 路径选择是指m p l s 采用显式路由的方式为i p 包指定一条从源到目的地的路径，网 络中的核心节点不需要再为i p 包选择路由，仅需根据支持流量工程的信令协议中携带的路 由信息将信令信息转发到下一节点。这种显式路由的选择是在m p l s 入口节点l e r 上完 成的，具体实现可以由网络管理员手动配置或通过源路由协议实现。标记的分发可以使用 扩展的资源预留协议r s v p t e ，或者是约束路由标记分发协议( c r l d p , c o n s t r a i n t b a s e d r o u t i n gl a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c 0 1 ) 协议。 负载均衡是指m p l s t e 可以使用两条或多条l s p 来承载同一个用户的i p 业务流，将 用户业务流在这些l s p 之间合理地进行分摊。 路径优先级与抢占是在网络资源紧张时，保证高优先级业务先使用网络资源，由于业 务等级通过等价转发类映射到不同的l s p 上，因此l s p 优先级在某种程度上反映了相应的 业务类型的优先级。所以高优先级的l s p 可以抢占低优先级的l s p 资源，或沿最优路径建 立。一个l s p 同时具有建立优先级和保持优先级。 故障恢复是指m p l s t e 利用快速重路由技术保护链路和节点，利用路径备份和路由 重计算保护路径。 从实现角度看，m p l s t e 提供了路由和转发功能的完全分离，允许只使用单一转发算 法( 基于标记交换的转发技术) 便可对多种业务类型进行配置。由于边缘节点承担了大量 复杂计算，中间节点只负责快速转发，提高了网络效率。 同时m p l s t e 面向网络状态和网络属性的动态信息实施资源的合理规划，因此l s r 可以通过域内路由协议( i g p ，i n t e m a lg a t e w a yp r o t o c 0 1 ) 链路广播发布自己的链接状态信 息，同时接受其他路由器的此类信息。再分别存储到链接状态数据库和流量工程数据库。 作为路径计算的动态参数。 基于数据库中的链路状态和属性信息，每个入口边缘标记交换路由器( l e r ，l a b e le d g e r o u t e r ) 可以利用最短路径优先算法计算出属于它的一组l s p 路径。可以基于精确算法， 或基于特定的约束进行计算，比如本文仿真部分就是基于最大跳转数和带宽需求的约束计 8 南京邮电人学硕i ：研究生学位论文第二章m p l s 网络的o o s 技术 算l s p 容量的。 此外信令单元向上游和下游的l s r 发送信令并接收其响应，实现l s p 的建立以及标 记的交换。信令单元的实现依赖于基于约束路由的标记分发协议( c r - - l d p ) 的扩展。扩展 的c r l d p 支持d i f f s e r v 的服务质量要求和流量工程的相关约束，在它的消息中添加 d i f f s e r v 类型长度值( t l v ，t y p e l e n g t h v a l u e ) ，使邻居发现、会话维护、标记分发和回收、 事件处理及状态报告等都按q o s 要求进行。 m p l s t e 是本次仿真平台配置m p l s 网络l s p 重要的理论依托，所介绍的内容在文 章的后半部分将有所体现。 2 3m p l s d i f f s e r v 技术 d i f f s e r v 提供了基于类的q o s ，具有良好的可扩展性，但缺乏有效的端到端部署的机 制；m p l s t e 通过有效地管理带宽资源间接改善网络服务质量，但其带宽管理以及 m p l s t e 隧道都无法做到基于t o s ，如果e f 、a f 、b e 业务都承载在一个m p l st e 隧道 中，e f 和a f 业务将受到严重的影响。m p l sd i f f s e r v a w a r e t e 在m p l s t e 的基础上， 增加了基于类别的资源管理。m p l sd i f f s e r v t e 使m p l s t e 感知到t o s ，允许根据t o s 颗粒度来预留资源，并在每个t o s 级别提供m p l s 容错机制。 在m p l s 网络中支持d i f f s e r v 的首要挑战是，l s r 只是基于m p l s 薄片( s h i m ) 报 头( 即标记) 做出转发决策。因此，p h b 需要由它来判断。i e t f 通过在m p l s 报头中分 配三个e x p 位，实现在m p l s 中承载d i f f s e r v 信息，从而解决了这个问题。根据e x p 域 承载的信息，形成了两种方案：e l s p 和l l s p 。e l s p 将p h b 调度类型和丢包优先级都由 m p l s 封装层的e x p 字段表示。在同一条标记交换路径l s p 中识别并转发不同类别的业务。 这样一个标记交换路径l s p 最多可支持8 个t o s 。而l l s p 将丢弃优先级部分放在e x p 字段中，p h b 调度类型由标记决定。l s p 是专门为一个单一的 对建立的。根 据不同的标记以及标记中的e x p 字段，通过信令建立不同的标记交换路径以转发不同的业 务。这两种方案可以在m p l s 网络中结合使用，使m p l s 网络提供基于类的服务质量。 然而m p l s t e 是将所有d i f f s e r v 服务类别汇聚在一个级别上进行操作，t e 无法感知 服务类别，对于同一条l s p 上，仍然有可能基于流量类别不同而发生资源竞争，因此无法 进行带宽的保证。为不同级别的流量预留单独的带宽是基本的m p l s d s t e 要求，可以通过 跟踪整个网络中所有路由器上每类流量的可用带宽，即每类p h b 的可用带宽实现。 为此，推出了级别类型( c t ，c l a s st y p e ) 的概念【4 】，由特定的一组带宽限制条件进行 9 南京邮电大学硕1 ：研究生学位论文第二章m p l s 网络的o o s 技术 管理的跨越链路的一组流量中继段。c t 用于带宽分配、基于约束条件的路由以及许可控 制。指定的流量中继段在所有链路上属于同一个c t 。于是可以通过对c t 的跟踪，保证基 于服务类型的带宽。i e t f 要求支持最多8 个c t ，从c t 0 到c t 7 。同一个c t 可以利用多 条l s p 传送流量。由特定c t 采用流量工程来保证带宽的l s p 叫做d i f f s e r v t el s p 。当 前，一个d i f f s e r v t el s p 只能传送一个c t 的流量。按照惯例，尽力而为流量映射到c t 0 。 由于所有预置的d i f f s e r v t el s p 都被看作是尽力而为流量，因此都被映射到c t 0 。c t 和 流量类别间的映射很灵活，可以由运营商自行设置。和l l s p 一样，c t 可以传递多个 d i f f s e r v 服务等级的流量，前提是它们全都映射到相同的调度队列中。 可用带宽计算的最重要方面是在不同c t 间分配带宽。一个c t ( 或一组c t ) 所使用 的链路带宽百分比称为带宽限制( b c ，b a n d w i d t hc o n s t r a i n t ) 。带宽限制模式表示c t 与b c 间的关系。他们之间存在三种不同的模式，最大分配模式( m a n ，m a x i m u ma l l o c a t i o n m o d e ) t 1 3 】，俄罗斯套娃模式( r d m ，r u s s i a nd o l l sm o d e ) t 1 4 】以及可预约的最大分配模式m a r ( m a xa l l o c a t i o nw i t hr e s e r v a t i o nm o d e ) 【1 5 】。m a n 是最直观的带宽限制模式，将一个b c 映射到一个c t 。c t 间不能共享没有使用的带宽，这部分带宽不会被使用来传递其他c t ， 因此造成了带宽浪费，但是能够全面隔离不同的c t ，无需在承载不同c t 流量的l s p 间 配置优先级。r d m 允许c t 间共享带宽，改进了m a m 模式的带宽利用率。在这种模式中， c t 7 是q o s 要求最严格的流量，c t 0 是尽力而为流量。在c t 7 到c t 0 之间实现的带宽共 享是变化的。在这个范围的一端，b c 7 占链路带宽的固定百分比，只预留给c t 7 的流量。 在范围的另一端，b c 0 代表整个链路带宽，可为所有c t 共享。这种模式与俄罗斯套娃玩 具极其类似，一个大娃娃( b c 0 ) 套一个小娃娃( b c l ) ，小娃娃又套一个更小的娃娃( b c 2 ) 。 m a r 在某种程度上和m a m 模式相似，都是对于某一个给定的c t 分配最大允许的带宽。 然而，m a r 通过带宽预留和保护机制，在没有拥塞的情况下，允许c t 超出它的分配带宽， 但是在发生过载和拥塞时，恢复到它的分配带宽。因此无论优先级是否可用，都可以很好 地应用这种模式，提高带宽效率。在正常和过载的情况，都可以使c t 问很好地共用带宽， 同时有效地进行了带宽隔离。通过c t 和b c 问不同关系的带宽模式的设置以及m p l s t e 中的链路状态收集，以带宽限制为约束进行基于c t 的可用带宽的计算，从而在m p l s 网 络中，通过感知流量类型实施t e ，对于每类业务提供q o s 保证以满足严格的s l a 。 2 4 本章小结 本章简要介绍了m p l s 网络相关的q o s 技术。通过本章的介绍可以看到，基于d s c p l o 南京邮f 乜人学硕t ：t i ) f 究生学位论文 第二章b l p l s 网络的o o s 技术 对业务类型分类聚合的d i f f s e r v 技术很适合大规模的核心网络使用，基于m p l s 的流量工 程技术可以有效地进行资源优化配置，防止拥塞，满足q o s 要求，同样可满足大规模的核 心网络需求。而以m p l s 网络技术为基础，将流量工程组件与区分服务组件结合，不但可 以有效地保证l s p 路径的资源，也可以通过感知不同的流量类型，满足不同的资源需求。 从一定程度上说，这恰恰符合当前对于多业务融合发展趋势，为核心网传输层资源的稳定 和优化提供了重要的保障。本章所涉及的相关技术和算法会在后面的内容中有所体现。 在上述传输层q o s 技术的基础上，下一章将结合传输控制层面的功能实体架构，进一 步进行有关资源的控制和调配的研究和分析。 南京邮电大学硕上研究生学位论文第三章资源接纳控制网络架构和技术 3 1 概述 第三章资源接纳控制网络架构和技术 由于通信技术的发展，固网移动融合( f m c ，f i x e dm o b i l ec o n v e r g e n c e ) 成为可能， 传统i p 网络采用的尽力而为和区分服务的传送服务模式，无法满足q o s 要求。在有限的 网络资源前提下，对资源接纳控制的研究成为国际标准化组织研究的热点。而q o s 控制的 层次化，也使基于传输层资源以及具体传输层技术，如何在控制层面进行部署，以保障多 业务资源请求的研究变得引人关注。 i t u t 与e t s it i s p a n 组织均于2 0 0 5 年开始着手资源接纳控制架构标准的制定，并 且分别提出了r a c f 架构以及r a c s 架构。两者虽然都是以资源接纳控制为研究对象，但 是在架构和功能实体以及具体部署还是有所区别。另一方面，当面对具体核心网传输层技 术时，如何部署控制层面实体，进行有效的资源接纳控制，也被人们日益关注。其中i t u - t 基于r a c f 部署具有普适性，将接入网、核心网以及外部网络全程的q o s 控制都纳入了考 虑。i t u t 于2 0 0 7 年9 月提出基于r a c f 的m p l s 网络资源接纳控制架构的研究课题。 2 0 0 8 年1 月，将原来的架构分离为两个独立的架构：集中式m p l s 网络资源接纳控制架构 和分布式m p l s 网络资源接纳控制架构标准。 本章将集中点由传输层转向传输控制层，结合具体的架构，深入研究分析，在研究过 程中通过提案和专利的形式，在完善已有架构的同时，力求寻找更有效的资源接纳控制方 式。3 2 节在介绍r a c f 的总体架构基础上，完善了集中式r a c f 在m p l s 网络中的资源 接纳控制架构，定义了主要的功能实体，并提出了主要的流程，同时介绍分布式r a c f 架 构的资源接纳控制模型，论述了两种不同粒度的资源接纳控制流程。3 3 节给出r a c s 的 功能架构，提出接入网基于r a c s 的路径选择功能和相关流程。3 4 节就几种不同实体的 不同模式进行分析比较和总结。基于分析总结，3 5 节提出了一种改进的资源接纳控制架 构模型。 1 2 南京邮电大学硕上研究生学