（通信与信息系统专业论文）ip网络流量工程技术研究.pdf

南京邮电学院硕士学位论文 摘要 摘要 基于i p 技术的i n t e r n e t 因其灵活的接入和良好的可扩展性占领了广泛的市 场，并已开始由数据领域进入宽带多媒体通信领域。尽管网络容量以极快的速度 增长，我们仍然面临着网络资源不足的问题，因此必须采用流量工程技术均衡网 络负荷，保证各类应用的服务质量( q o s ) 。 流量工程的核心问题一是根据网络承载业务量的预测对网络资源进行优化 配置：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。本 文着重对第一个问题及流量工程的系统结构进行研究。 文章首先概述r s v p 、s l a 、d i f f s e r v 、m p l s 和c a c 等与流量工程相关的 i pq o s 基本技术。然后在欧盟i s t 项目t e q u i l a 的基础上，研究流量工程结构模 型，扩展了流量工程系统的功能结构，支持采用集中式和分布式相结合的方法实 现资源管理和0 0 s 监测，并给出了m p l s 边缘路由器和核心路由器的实现结构和 工作流程。接着文章详细阐述了流量工程系统中的网络配置模块和配置技术，参 照t e q u i l a 项目和a l e a t e l 的研究结果，给出了网络优化配置的基本方法、启发 式数学模型的建立及其策略规则，详实地讨论了两种v o i p 网络资源配置方法及 其应用实例。迸一步又对域间流量工程的实现技术进行研究，探讨了基于b g p 的 “q o s 参数”模型和“c o s 能力”模型，并对两者进行了评价。最后，文章研 究如何利用通用网络模拟软件n s 一2 对流量工程技术进行仿真验证，设计开发了 扩展的m p l s 模块，并对项目组获得的仿真结果进行了分析。分析表明，本文论 述的流量工程结构模型和相关技术可有效地改善i p 网络的q o s 性能，提高网络 资源利用率。 在论文研究过程中，作者和项目组成员合作建立了基于n s 一2 的仿真平台。 为i p 网络q o s 和流量工程下一阶段的研究奠定了良好的基础。 南京邮电学院硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t i p b a s e di n t e m e th a sp e n e t r a t e de x t e n s i v em a r k e tp l a c ea n ds t e p p e di n t ot h e b r o a d b a n dm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o nf i e l db e c a u s eo fi t sf l e x i b l ea c c e s sa b i l i t ya n d g o o ds c a l a b i l i t y ，t or e s o l v et h ep r o b l e mo fl i m i t e dn e t w o r kr e s o u r c e s ，h o w e v e r , t r a f f i ce n g i n e e r i n g ( t e ) t e c h n o l o g yh a st ob ee m p l o y e dt ob a l a n c en e t w o r kl o a d sa n d a s s u r eq u a l i t yo f s e r v i c e ( q o s ) o f i n t e r n e ta p p l i c a t i o n s t h ee s s e n t i a l so ft ei n c l u d et w oa s p e c t s o n ei st oo p t i m i z en e t w o r kr e s o u r c e p r o v i s i o n i n g b a s e do nt r a f f i cf o r e c a s t t h eo t h e ri st o d y n a m i c a l y c o n t r o lt h e r e s o u r c ea l l o c a t i o na n ds e r v i c er e q u e s t sb a s e do na c t u a ln e t w o r kl o a d s t h ep a p e r f o c u s e so nt h ef o r m e r p r o b l e m a n dt e s y s t e m a r c h i t e c t u r e f i r s to fa l l ，t h ep a p e rg i v e sa no v e r v i e wo ft er e l a t e dt e c h n o l o - g i e s ，i n c l u d i n g r s v p , s l a ，d i f f s e r v , m p l sa n dc a c t h e nb a s e do n t h er e s u l t so f t e q u i l a ，a ne u i s tp r o j e c t ，t h e p a p e re x t e n d s t h e e x i s t i n g t ea r c h i t e c t u r et o s u p p o r t r e s o u r c e m a n a g e m e n t a n d q o sm o n i t o r i n gt h r o u g h t h e i n t e g r a t i o n o fc e n t r a l i z e da n d d i s t r i b u t e da p p r o a c h e s i m p l e m e n t a t i o ns t r u c t u r ea n dw o r kf l o wo fm p l sr o u t e r s a r ea l s og i v e n f u r t h e r m o r e ，t h ep a p e rd i s c u s s e sn e t w o r kp r o v i s i o n i n gm o d u l e sa n d t e c h n o l o g i e s o p t i m i z e dp r o v i s i o n i n gm e t h o d s ，h e u r i s t i cm a t h e m a t i c a lm o d e l sa n d p o l i c yr u l e sa r ep r e s e n t e dw i t hr e f e r e n c eo f t h er e s u l t sb yt e q u i l aa n da l c a t e l t w o p r o v i s i o n i n ga p p r o a c h e sf o rv j i pn e t w o r k sa r ed i s c u s s e di nd e t a i lw i t ha p p l i c a t i o n e x a m p l e s i na d d i t i o n ，t h ep a p e rs t u d i e si n t e r - d o m a i nt e a n de x p l o r e sa n de v a l u a t e s t w ob g p - b a s e d m o d e l s ，q o sp a r a m e t e r s m o d e l a n dc o s c a p a b i l i t ym o d e l ，f i n a l l y , t h e p a p e rd e a l sw i t ht h ep r o b l e m o fe m u l a t i o no ft e s y s t e m sb yu s eo fe x t e n d e dn s 一2 ，a g e n e r a l i z e d n e t w o r ks i m u l a t o ne x t e n d e dn s 一2m p l sm o d u l ei s d e s i g n e d a n d d e v e l o p e db yt h e a u t h o ra n da n a l y s i si sm a d eo ft h ee m u l a t i o nr e s u l t s ，w h i c ha r e a c h i e v e db yt h ea u t h o rp a r t i c i p a t e dr e s e a r c hp r o j e c tt e a m t h ea n a l y s i sr e s u l t sh a v e s h o w nt h a ti pq o si se f f e c t i v e l yi m p r o v e da n dt h eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo fn e t w o r k r e s o u r c e si se n h a n c e db yu s eo f t h ep r o p o s e dt ea r c h i t e c t u r ea n dt e c h n o l o g i e s d u r i n g t h es t u d i e s ，a nn s - 2b a s e ds i m u l a t i o ne n v i r o n m e n tw a se s t a b l i s h e d t h r o u g ht h ej o i n te f f o r to f t h ea u t h o ra n dt h ep r o j e c tt e a mm e m b e r s t h i sl a y sas o l i d f o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rs t u d yo fi pq o sa n dt e i nt h en e x t s t a g e i i 南京邮电学院学位论文独创性声明 y 6 2 8 8 2 2 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 含为获得南京邮电学院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： 墨! ：垄日期：尘：竺：兰 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、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 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：婆! ：蕴导师签名：麈业日期：! 竺：芏：兰 u 南京邮电学院硕士学位论文 第一章概述 第一章概述 1 1研究背景和意义 未来的通信网络将是一种能提供多种不同服务，以支持多种不同应用需求的 网络，这种网络将在分组交换网络上通过预先定义的服务性能保证机制来实现。 如何实现这种能够为未来社会提供多业务的基础设施是我们所面临的巨大挑战， 也是当前通信网络研究的热点问题之一。如今，i n t e m e t 已逐步由单一的数据传 输网向数据、语音、图像等多媒体信息的综合传输网演化。然而，i n t e m e t 中现 有的传输模式仅能支持单一的尽力而为( b e ) 服务和开放式最短路径优先 ( o s p f ) 的选路策略，无法满足多媒体业务和各种用户对网络传输质量的不同 要求。对i p 网络服务质量的强烈应用需求与i n t e m e t 内在机制的弱点形成巨大反 差，不解决好这个问题，i n t e m e t 就无法担当起支持多媒体传输的信息高速公路 的重任，将使i n t e m e t 成为泥足巨人。因此，基于i p 技术，以为用户提供更高服 务质量( q o s ) 和提高网络资源利用率为目标的研究领域极具活力。q o s 是指通 过对资源的分配调度，来保证用户的特定要求。它包括一些可预测的度量参数， 如吞吐量、时延、丢失率、时延抖动和差错率。q o s 采用的主要实现机制包括路 由、分类、调度、排队、缓存管理、准入控制和整形等。一般认为，q o s 体系结 构的构件包括五个部分i l 】： 具有q o s 要求的服务特性：即服务定义； 用户和所需资源通信的方式：即信令和准入控制： 提供者确保用户得到承诺的方式：即监管和整形； 提供者建立路由的方式：即基于q o s 的路由； 基于转发的q o s ：即缓存分配和丢弃策略，排队规则和服务策略等。 流量工程( t e ) 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和性能优 化相关的工作口1 。它涵盖了多种技术和科学原理，如测量、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。目前i p 网络中流行的内部网关协议( i g p ) 总是使 用最短路径来转发流量，这将带来如下问题：1 ) 始于不同源的最短路径在一条 i 南京邮电学院硕士学位论文 第一章概述 链路上重叠，导致这些链路发生拥塞；2 ) 当源节点到目的节点的业务量超出了 最短路径的容量时，它们之间的条较长路径却未得到充分利用。 由于光通信技术，特别是密集波分复用( d w d m ) 技术的快速发展以及前 一阶段全球通信基础设施建设的热潮，核心网络的带宽相当充足，价格也不断下 降。因此，有一种观点认为无须考虑q o s 问题，只要部署足够多的带宽( 过量 配最) ，就能足以保证业务的质量；现在的问题不是如何保证q o s 的问题，而是 如何将已有的带宽利用起来的问题。另一种观点则认为，网络带宽的增加必然会 刺激新的宽带应用的推出，没有适当的控制机制，网络带宽必然会呈现紧张状况。 此外，一个良好的商业运营模式要求合理的投资和高效的使用，像美国前几年那 样盲目投资光纤网络带来的后果已引起许多国家的反思，运营商必然要求以尽可 能少的投资获得尽可能高的收益。因此，必须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，保证各类应用的服务质量( q o s ) 。作者支持后 一种观点，认为对i p 网络流量工程技术的研究具有较高的理论和实际价值。 1 2 研究现状 从8 0 年代末9 0 年代初，人们开始对i p 网络中支持多种业务并提供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q o s 技术的主要组织有i e t f 、i t u t 、 i n t e m e t 2 、e ui s t 、e t s i 和i e e e 等。 i e t f 综合服务体系结构( i n t s e r v ) 【3 j 资源预留协议( r s v p ) 4 j 。由于i n t s e r v 需 要针对每个流进行资源预留，因此极大地增加了路由器的处理开销，可扩展性差， 实际上无法被业界接受。而r s v p 作为信令交互协议，其资源预留能力和适应性， 使其一直受到广泛关注。 区分服务体系结构( d i f f s e r v ) f 卯。在i n t s e r v 体系的发展遭遇巨大障碍 的时候，d i f f s e r v 应运而生。d i f f s e r v 由于它的简单性( 不需要更改i p 协议， 只需对t o s 字节重新定义) 、灵活性( 可由路由器的不同行为构造业务) 及高效 性( 核心路由器的处理能力高) ，将有望成为未来i p q o s 的主流技术。此外，在 d i f f s e r v 网络中引入带宽代理( b b ) ，可实现网络资源的管理和q o s 性能监测饽1 。 2 南京邮电学院硕士学位论文第一章概述 但单纯采用d i f f s e r v 构架只能实现对各种应用区别对待，并不能严格保证端到端 的服务质量。 多协议标记交换( m p l s ) 技术f 7 - 1 5 1 ，在无连接的i p 网络中引入面向连接 的特性，增加网络的可管理性和可配置性，实现负荷均衡，及时发现网络故障节 点，并支持快速重新路由。此外，m p l s 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【1 6 】。 i t u - t 1 9 9 9 年2 月，i t u t 【1 7 j 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q o s 的保障技术。在2 0 0 1 年开始的新的研究周期中，i t u t s 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 g l 3g 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 、 1 1 ) 按此分工进行标准化研究。 i n t e r n e t 2 i n t e r n e t 2 1 8 1 专门成立q o s 工作组，联合了美国的许多大学、著名公司和应用 程序开发商专门研究和实施d i f i 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 的建立。i n t e r n e t 2 提出了q b o n e 体系结构【1 9 】，采用分层带宽代理( b b ) 的思 想，给出了域问b b 交互的过程。其中，s l s 和r a r 这两个概念分别代表静态 和动态的资源请求。 e u i s t e u i s t 的t e q u i l a ( t r a f f i ce n g i n e e r i n g f o rq u a l i t yo fs e r v i c ei nt h ei n t e r n e t ， a tl a r g es c a l e ) 项目组致力于在大规模的i n t e m e t 骨干网络中实施流量工程技术， 保证业务的q o s 2 0 1 。它提出了t e q u i l a 分层功能模型，定义了服务等级协定( s l a ) 的具体细节【“1 ，并从业务管理和资源管理相结合的角度，对流量工程技术进行了 研究，提出了资源配置的数学模型。其相关研究成果已提交i e t f ，对流量工程 的研究具有很强的启发和指导意义。 另外，一些i p 设备制造厂商，尤其是路由器制造厂商也在积极进行i pq o s 的技术研究工作，以c i s c o 为代表的工业界积极推行m p l s 以及d i f f s e r v 技术， 不少厂商的设备已支持基于d i f f s e r v 的业务分类和转发功能。 南京邮电学院硕士学位论文 第一章概述 随着技术的发展，各种新应用不断出现，用户需求不断提高，i pq o s 和流 量工程也将变得越来越复杂，迫切要求提出可行的功能模型以及资源配置途径。 1 3 论文主要内容 本论文的研究思路是，为保持i n t e m e t “内部简单”的原则而采用d i f f s e r v 的框架，以面向连接的m p l s 作为底层传输技术，以r s v p 作为请求服务的信令 协议，以实现流量工程的目标，保证各种服务的q o s 需求。 根据这一研究思路，本文的主要内容包括： 1 概述r s v p 、s l a 、d i f f s e r v 、m p l s 和c a c 等与流量工程相关的i pq o s 基本技术，提出作者的关于流量工程的综合解决方案。 2 在欧盟i s t 项目t e q u i l a 的基础上，研究流量工程结构模型，扩展流量工 程系统的功能结构，支持采用集中式和分布式相结合的方法实现资源管理和q o s 监测。该体系结构基于以下几个原则： 为了保证可扩展性，遵循d i f f s e r v 的体系结构，即仅在网络边界节点保 持流的信息，而在网络内部节点仅有类的信息。 以m p l s 作为底层传输技术，并使用l l s p 支持d i f f s e r v ，即每条l s p 对应一个服务类别。 用户使用r s v p 发起服务请求，服务请求分为静态和动态两种，服务请 求格式遵循s l a 的定义。 3 设计了m p l s 边缘路由器和核心路由器的实现结构和工作流程。 4 详细阐述了流量工程系统中的网络配置模块，包括子功能描述和有限状 态机描述。 5 深入研究了流量工程核心的网络配置技术，给出了网络优化配置的基本 方法、启发式数学模型的建立及其策略规则，并详实地讨论了两种v o i p 网络资 源配置方法及其应用实例。 6 对域间流量工程的实现技术进行研究，探讨了基于b g p 的“q o s 参数” 模型和“c o s 能力”模型，并对两者进行了评价。 7 最后，文章又进一步研究如何扩展通用网络仿真软件r l s - 2 对流量工程技 术进行仿真验证，详细阐述了作者扩展设计的m p l s 模块，并对项目组获得的仿 真结果进行了分析。 4 南京邮电学院硕士学位论文 第二章i p q o s 基本技术 第二章 i p q o s 基本技术 本章概述r s v p 、s l a 、d i f f s e r v 、m p l s 、c a c 和约束路由等与流量工程相 关的i pq o s 基本技术，阐明流量工程的概念和目标，提出作者的流量工程综合 解决方案。 2 1 资源预留协议( r s v p ) r s v p 3 】是一种基于接收端的资源预留协议，其消息封装在i p v 4 或i p v 6 数据 分组里面，属于第四层协议，协议号为4 6 。它与i c m p 、i g m p 和路由协议一样 属于i n t e m e t 控制协议。 在通信双方已经建立的路径上，通过源端发出的p a t h 消息和接收端发出的 r e s v 消息进行动态的q o s 协商，以达到资源预留的目的。为了维持预留的资源， r s v p 在路由器或中间节点上采用“软状态”( s o f ts t a t e ) 方式，周期性地由p a t h 消息和r e s v 消息进行更新，也可以由拆除消息( p a t h t e a r 或r e s v t e a r ) 来取消。 如果在一段时间内没有收到更新报文，即取消预留资源。 r s v p 的资源预留请求主要由流量说明( f l o w s p e c ) 定义。f l o w s p e c 以定量 的形式指定数据流的流量特性，如峰值速率、平均吞吐量，最大突发量等。 f l o w s p e c 包括t s p e c 和r s p e c 两个参数：t s p e c 由源端置于p a t h 消息中，描述 数据流的流量特性；r s p e c 由接收方置于r e s v 消息中，给出接收方根据数据流 特性和要求的端到端时延计算出的该数据流需要的带宽。选定路径上的所有路由 器收到r e s v 消息后按照r s p e c 要求预留带宽。资源预留通路建立过程如下，见 图2 一l 。 p a t hp a t hp a t h r e s v r e s vr e s v 图2 - 1r s v p 消息流 r s v p 由于其强大的资源预留和协商能力，在目前仍是控制带宽预留的信令 协议的首选。 南京邮电学院硕士学位论文 第二章i p q o s 基本技术 2 2 服务等级协定( s l a ) s l a t 2 q 是用户与i p 服务提供商l i s p ) 之间就传输服务的可用性、适用性、 网络性能、操作及其它特性，在谈判后形成的合约性文档，从根本上明确了所支 持的业务级别以及在每个业务级别中所允许的通信量。它可以是静态的，也可以 是动态的。静态s l a 基本不变，在用户与i s p 协商确定后以配置的方式给定。 动态s l a 允许经常改变，以充分利用网络资源，满足用户动态需求；可以通过 某种信令协议( 如r s v p ) 动态地提出服务请求。 s l s 是s l a 的技术部分，规定了d i f f s e r v 域必须提供给数据流的技术服务， 描述了i p 流的特点及网络提供给这些i p 流的q o s 保证。s l s 是网络对i p 数据 流提供增值服务的依据，因为它规定了i s p 与用户之间接口的参数，即技术术语 和条件。s l s 的要求将被转化为数据平面的调度和排队算法予以实施。在i p 网 络q o s 应用中，s l s 可用表2 1 所示的参数予以定义 表2 一ls l s 参数表 参数组描述参数定义 客户，用户标识用于客户用户的认证、授权和计费。 s l s 标识s l s 的标号s l s 标识：= ( s l si d ，s e r v i c e l d ) 流描述符标识守约分组流。f l o w i d ：= ( d i f r s e r vi n f o r m a t i o n ， s o u r c ei n f o r m a t i o n ， d e s t i n a t i o n， i n f o r m a t i o n， a p p l i c a t i o n ， i n f o r m a t i o n ) 服务区域用于标识合同应用的地理区域。 服务区域：= ( i n g r e s s ，e g r e s s ) 服务时间表说明合同生效的时间。 流量描述符描述了流量的特征，如通过令牌桶，流量描述：= ( t r a f f i cc o n f o r r n a n c e 以识别守约和违约的数据分组。 d a r a m e t e r s ，t r a f f i cc o n f o r m a n c e a l g o r i t h m ) q o s 参数 说明了由网络提供给守约数据分组的 q o s 保证，包括：时延、抖动、包丢 失率和吞吐量保证 过量处理说明在网络边缘入口处对违约数据对过量的流量是丢弃( d r o p p i n g ) 、 分组的处理，包括丢弃、整形和重新整形( s h a p i n g ) 或是重新标记 标记( r e m a r k i n g ) 2 3 区分服务体系结构( d i f f s e r v ) d i f f s e r v 5 1 是针对综合服务体系结构( i n t s e r v ) 存在的问题而提出的，其主 要特点是具有良好的可扩展性，适于大规模网络应用。d i f f s e r v 的控制对象不再 6 南京邮电学院硕士学位论文 第二章i p q o s 基本技术 是单个业务流，而是具有相同属性的一簇业务流组成的聚合业务流。不同聚合流 具有不同的优先级，网络对于属于同一聚合的各个业务流作相同的处理。按不同 的q o s 爰求，i n t e r n e t 业务分成三类：加速转发( e f ) 、确保转发( a f ) 和b e 业务，由不同的d s c p 值( p v 4 的t o s 字段的前6 个比特) 表示m 1 。d s c p 用来 对应每一个路由器的外部可见的转发处理p h b ( 即缓存和调度算法) 。网络核心 路由器仅根据分组的d s c p 值，使用相应的p h b 对其转发，提高效率。d i f f s e r v 将网络的复杂度推到网络边缘。边缘路由器需要执行的功能有：对业务流的分类 ( 基于i p 分组头部中某些字段) 、测量、标记、整形和调度，其实现结构如下图 2 2 所示： 图2 - 2d i f f s e r v 实现结构 d i f f s e r v 虽然具有良好的可扩展性，但是它只能提供相对优先级的q o s 服 务，并没有解决网络资源应如何配置的问题，也不能确保要求的q o s 定量指标。 如果网络有足够的带宽，则d i f f s e r v 能对各类业务提供所要求的不同等级的服 务；当网络资源紧张时，高级别实时业务的服务质量将随之下降，甚至可能“扼 死”低级别业务。但由于其简单可行，而且目前核心网络大多具有比较充裕的带 宽，因此，目前d i f f s e r v 被认为是i p 网络中最具前景的q o s 技术。 为增强网络的可控性，在d i f f s e r v 体系中引入了b b 的概念。通常在d i f f s e r v 的一个自治域中可设置一个实体b b 。它的主要功能是： 管理域内资源分配。b b 要负责域内网络资源的分配，主要是对边界和核 心路由器的p h b 参数进行配置，通过对分组的分类、监铡、整形、缓存和调度 规则等来实现流量的区别对待。b b 和路由器的通信可以采用r s v p 、公共开放 ( c o p s ) t 站j 和简单网络管理协议( s n m p ) 等协议。 域问资源分配。每个b b 还要维护它与相邻b b 之间的双侧s l a ，为通 过本域的聚合流量分配资源。同样可采用r s v p 和c o p s 协议。 b b 作为域的集中资源管理控制实体，使d i f f s e r v 网络控制平面与数据平面 相分离。核心路由器不需进行准入控制和状态维护，减少了复杂度，降低了信令 南京邮电学院硕士学位论文 第二章i p q o s 基本技术 开销。但随着i n t e r n e t 的高速发展，新业务和服务的不断涌现，资源管理将呈现 高度动态化，集中式b b 可能成为网络的瓶颈。 2 4 多协议标记交换( m p l s ) m p l s 7 。5 1 吸收了a t mv p i v c i 交换的思想，无缝地集成了i p 路由技术的灵 活性和2 层交换的简捷性，在无连接的i p 网络中增加了面向连接的属性，使i p 网络更易于管理和运营。 m p l s 本身并非q o s 技术，但是由于它也是在网络边缘进行业务分类与聚 合，形成转发等价类( f e c ) ，再根据f e c 与标记( l a b e l ) 的映射关系，给分组 加上选定标记形成m p l s 标记分组；核心路由器只需根据标记值进行快速交换。 从这点来说，该机制与d i f f s e r v 的思路类似，具有良好的可扩展性。同时，它在 业务流传送之前预先建立标记交换路径( l s p ) ，具有面向连接的特征，在建立 l s p 的过程中可以很容易地将q o s 要求考虑在内。目前支持m p l s 流量工程的信 令协议c r l o p 和r s v p t e ，不仅能完成基本的标记分发协议( l d p ) 功能，还能 建立区别于传统i g p 路由的显式标记交换路径( e r l s p ) ，并在该路径上实现资 源预留和服务分级。此外，由于m p l s 是虚电路方式的，较之逐跳路由的传统i p 系统来说，提供保护机制和迅速恢复机制更加容易。 另外，m p l s 可通过标记l s p ( l - l s p ) 方式支持d i f f s e r v 的行为聚合( b a ) ， 即一条l s p 只能为一个 对建立。o a ( o r d e r e da g g r e g a t e ) 2 4 】是指具有相同 约束属性的一组行为聚合，其p h b s 属于同一个p h b 调度类，如a f m l 3 都属于 a f o a 。l s p 对应的服务类别在l s p 建立过程中，由信令消息显式配置。使用 l - l s p ，便于实现路径资源分配、管理以及流量和性能监测。文章中提到的l s p 均指l - l s p 。 目前，m p l s 被业界视作核心网络的优选传送技术，并将用于未来的光传送 网络。它与d i f f s e r v 、r s v p 结合，可以高效率地提高网络的q o s 性能，并能更 好地支持流量工程和q o s 选路【2 5 也创。 2 5 呼叫接纳控制( c a c ) i n t e m 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 2 7 1 的基 本目标是在确保已准入连接的q o s 的前提下，通过动态的资源共享，达到网络资 宴室塑皇堂堕堡主堂垡堡兰 第二章i pq o s 基本技术 源利用率最优化。其基本思想为估算网络实时剩余资源，以新流加入后已存在连 接和新连接的q o s 都能得到满足为标准，控制网络流量。c a 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。不同类 型的应用有着不同的q o s 要求，例如，e f 业务要求严格保证其q o s ，同时保证 现有的同类流量性能不受影响。而对于a f 业务，为提高资源利用率，可能允许 对时延和吞吐量限制有所冲突。所以应针对应用的不同性能要求，采用不同的 c a c 算法。 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 是种基于最坏情况( w o r s e c a s e ) 的准入判决准则，网络 的资源使用情况是根据现存的流量都处于峰值来计算的，所以对于接纳的流量能 够保证应用的q o s ，但是降低了网络资源的利用率。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。 在d i f f s e r v 体系结构中，由b b 执行流量的准入控制，同时需要边界路由器 协助实现测量和j | 矗控。针对e f 服务，由于有严格的时延、带宽等要求，所以作 者考虑采用p b a c ：算法。而对于a f 服务，提高网络的资源利用率和吞吐量，其 q o s 需求允许有一定的冲突，作者考虑采用m b a c 算法。对于b e 服务，从提高网 络资源效率的角度考虑，不需要采用c a c 算法。 2 6 约束路由 约束路由来源于q o s 选路28 1 。q o s 路由返回最大限度满足q o s 需求的路径， 可以是给定的单个流或聚合流的q o s 请求。而约束路由还必须考虑其他的限制 条件，如带宽和管理策略等。它可能选择负荷较小的非最短路径，实现负荷均衡。 如图2 3 中，路由器a 和c 之间的最短路径是a - - c ，度量m = l ，但可预留 带宽仅剩( 1 5 5 - - 1 2 0 ) = 3 5 m b s 。当要给带宽需求量为8 0 m b s 的l s p 进行约束 路由时，将选择路径a - - b - - c ，因为a c 不满足带宽约束条件。 约束路由算法的输入消息有：流量中继的相关属性、资源的相关属性、网络 拓扑结构和状态信息、策略等。根据以上信息，约束路由技术应能自动计算出所 9 南京邮电学院硕士学位论文 第二章i p q o s 基本技术 有流量中继的显式路径，即满足各种约束条件和q o s 需求的l s p s 。 路由器a 路由器c 图2 3约束路由 约束路由技术是一种命令驱动并具有资源预留能力的路由算法，它能够同现 有i n t e m e t 中拓扑驱动的、逐跳的内部网关协议( i g p ) 共存，如图2 - 4 所示。 约束路由可以分为集中方式分布方式和离线方式在线方式，当它与面向连接的 技术( 如m p l s ) 相结合时就能发挥最好的效用。 约束路由进程 8 资源属性、可用性数据库 传统i g p 进程 8 f 链路状态数据库 图2 - 4l s r 中约束路由与i g p 协议的共存 2 7 流量工程( t e ) 2 7 1概念和目标 由于客户对网络资源需求的空前增长，i p 应用的独特性质以及i n t e r n e t 市 场中竞争的不断增加，流量工程在i s p 团体内成为一个重要的问题。全世界的 i s p s 都在寻求更可靠的、有差异性的服务，以跟上互联网的不断发展以及不断增 长的用户需求，这就需要i s p 能够严格地控制网络资源的分配和网络吞吐量。现 有的大部分i g p 协议在建立转发表时，并未将带宽的可用性和业务特点等因素考 虑进去，在一些情况下会使网络出现阻塞，这时就需要流量工程来解决问题a 对 于在网络的物理拓扑结构上映射通信流量，以及为这些通信流量的资源定位的过 程就叫做t e 4 i 。 1 0 南京邮电学院硕士学位论文 第二章i p q o s 基本技术 t e 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和性能优化相关的工作。它涵盖了多种技术和科学 原理，如测量、流量描述、建模和流量控制等。t e 的首要目标是经济地使用网 络资源，满足尽可能多的用户需求，提供尽可能好的服务性能。这些性能指标包 括时延、时延抖动、丢包率和吞吐量。概括地说，就是面向用户流量的 ( t r a f f i c o r i e n t e d ) 和面向资源的( r e s o u r c e o r i e n t e d ) 两方面。同时，t e 旨在实 现网络的可靠运转，提高网络的完整性和鲁棒性。即当网络发生故障时，网络性 能的恢复时间要最短。 流量工程对网络性能的优化主要通过容量管理和流量管理来实现。容量管理 包括网络容量规划、选路控制和资源管理，而网络资源又包括带宽、缓冲区容量 和其他一些可计算的资源。流量管理包括以下两点：( 1 ) 节点流量控制功能，如 流量调节、队列管理和调度；( 2 ) 控制访问网络的流量，以及不同的数据分组或 数据流对网络资源的使用优先权。 从概念上讲，网络是由需求系统( 网络业务) 、约束系统( 互连的网络单元) 和响应系统( 网络协议和运行的过程) 组成。t e 就是在网络运行环境中为网络 的这三个方面创建参数和操作点。因而，流量工程从根本上讲是一个控制问题。 它可以是预定义的和交互式的。在预定义模式中，流量工程控制系统采取某些预 防性措施，避免网络在使用过程中出现不良状况：或采取某些完善性措施，促使 网络良性发展。而在交互式模式时，控制系统能够对网络中出现的不良状况做出 正确的甚至是适应性的反应。 i n t e m e t 流量工程控制子系统包括：扩容、选路控制、流量控制、资源控制 和策略控制。系统输入信息有网络状态变量、策略变量和决策变量等。 i s p s 非常清楚流量工程可以有效地增强网络运行性能，他们往往希望流量 工程具有以下功能： 对主路径进行路由时绕过网络中已知的瓶颈和阻塞点； 当主路径面临一个或多个故障时对业务的重新路由提供明确控制； 通过确保网络的附属设备不会被过度使用，同时备选路径上的其它设备 不会不被充分使用，从而对可用的集成带宽和长距离光纤进行有效利用i 运行有效性的最大化，使运行费用降至最低i s p s 在市场中更具竞争力： 通过使包丢失率最小化、将阻塞的保持时间最小化和使吞吐量最大化的 南京邮电学院硕士学位论文 第二章l p q o s 基本技术 方法来增强网络中以业务为导向的性能特性： 增强网络中将来用于支持多业务i n t e r n e t 的统计约束性能特性( 如丢失 率、时延和时延抖动等) ： 为客户提供更多的选择，更低的费用和更好的服务。 系统化的应用流量工程概念具有很好的实践指导意义。当需要提高端用户可 见的服务质量时，流量工程可帮助认识和构造优化目标和优先顺序，同时也有助 于测量和分析优化目标的实现程度。 2 7 2h n m 模型 尽管不同的网络实施流量工程时存在一定的差异，但流量工程总可以归纳为 四个阶段，可以用图2 5 所示的加工模型来表示吲。这四个阶段是有序的，并周 而复始地运行。 图2 5流量工程加工模型 加工模型的第一阶段是定义与网络运作相关的控制策略。这些策略受诸多因 素影响，如主流商业模型、网络的费用结构、运作约束条件、优化标准和优化模 型等。 第二阶段从实际运作的网络中提取测量数据，是种反馈机制。测量数据可 以是经验数据，或网络负荷的统计数据。统计数据可以是对以前的经验数据的估 算或者外推，也可通过数学模型从流量特征中获得。 第三阶段是分析网络状态，并表征网络负荷。性能分析同样可以是预定义式 的或交互式的。预定义式的性能分析可以发现潜在的问题；交互式的性能分析可 南京邮电学院硕士学位论文 第二章i p q o s 基本拄术 以识别网络中存在的问题( 如拥塞、链路节点故障) ，诊断原因，并对多种补救 措施进行评估。这一阶段可产生描述网络负荷的流量矩阵。 第四阶段是对网络性能的优化。这一阶段须从多个可选方案中选择一个并加 以实施。优化措施可以是限制流