（通信与信息系统专业论文）多业务ip网络的规划和优化.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工科通信与信息系统 研究方向：网络与应用技术 作者：2 0 0 7 级硕士研究生黄小丽 指导教师：唐宝民教授 题目：多业务i p 网络的规划和优化 f i i ir l ii i iifi ii i iii iu j y 17 5 4 7 8 6 英文题目：p l a n n i n ga n do p t i m i z a t i o no f m u l t i - s e r v i c ei pn e t w o r k s 主题词：网络规划，q o s ，i p 网络，n s 2 k e y w o r d s ：n e t w o r kp l a n n i n g ，q o s ，i pn e t w o r k s ，n s 2 i 博 摘要 经过多年的研究与发展，m 网最终成为实现未来网络融合的基石和各种业务的统一承 载平台。但传统的口网是一个强调自治，缺乏集中控制和管理的网络，采用尽力而为( b e s t e f f o r t ) 的方式进行无差别包转发，对延迟、抖动和丢包率等影响网络性能的指标也缺乏保 障措施。传统的电信网络是一个有着完善网络管理系统，对网络的配置、性能、故障、安 全和计费等进行全面管控，且能够严格保证业务质量的网络。现有的i p 网络已逐渐不能满 足电信级的多业务承载和相应的运营需求，因此需要对传统i p 网络进行改进，实现“电信 网络i p 化，i p 网络电信化”。随着传统口网络向着新一代的m 承载网的演进，对i p 网络 的规划方法也将发生变化。 本文首先介绍了基于q o s 的i p 网络规划的研究背景，阐述了多业务口网络的规划问 题；其次，分别针对弹性业务和实时业务探讨了口网络中流量建模、流量映射、路由选择、 节点和链路容量分配等问题，并针对网络所承载的不同业务，给出了多业务i p 承载网的最 优化规划方法和具体实现方案；最后运用n s 2 仿真工具进行规划前后网络模型的q o s 性 能仿真，并对仿真结果分析比较。本文以充分的仿真实验为依据，验证了规划方案的效果， 探讨了多业务m 承载网络规划设计中的q o s 和成本问题。 关键词：网络规划，q o s ，i p 网络，n s 2 q 矿 h a b s t r a c t a f t e ry e a r so fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，i pn e t w o r ke v e n t u a l l yb e c o m e st h ec o m e r s t o n eo f a c h i e v i n gt h ef u t u r en e t w o r kc o n v e r g e n c ea n dt h eu n i f i e db e a r e rp l a t f o r mo fv a r i o u ss e r v i c e s h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a li pn e t w o r ki so r g a n i z e di ni n d i v i d u a lb u i l d i n gb l o c k s ，t h es o c a l l e d a u t o n o m o u ss y s t e m s ( a s ) a na si sl o o s e l yd e f i n e da s “ac o n n e c t e dg r o u po fo n eo rm o r ei p p r e f i x e sr u nb yo n eo rm o r en e t w o r ko p e r a t o r s ，w h i c hh a sas i n g l ea n dc l e a r l yd e f i n e dr o u t i n g p o l i c y , l a c ko fc e n t r a l i z e dc o n t r o la n dm a n a g e m e n t ，a d o p t i n gb e s t - e f f o r tp a c k e tf o r w a r d i n g m a n n e r , w h i c ha f f e c tt h en e t w o r kp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r ss u c ha sd e l a y , j i t t e ra n dp a c k e tl o s sr a t e l a c k m e a n w h i l et h et r a d i t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r ki san e t w o r kw i t hc o m p r e h e n s i v e m a n a g e m e n ts y s t e mw h i c hs t r i c t l ye n s u et h eq u a l i t yo fs e r v i c e t h ec u r r e n ti pn e t w o r kh a s g r a d u a l l yb e e nu n a b l et om e e tt h eq o so fm u l t i s e r v i c ea n dt h ec o r r e s p o n d i n go p e r a t i o n a l r e q u i r e m e n t s ，t h u si ti sn e e d e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft r a d i t i o n a li pn e t w o r k st oa c h i e v e t h e ”i p - b a s e dt e l e c o m m u n i c a t i o n sa n dt e l e c o m m u n i c a t i o n s b a s e di pn e t w o r k s ”a st r a d i t i o n a l i pn e t w o r k se v o l u t i o nt o w a r d st h en e wg e n e r a t i o no fi pb e a r e rn e t w o r k ，t h en e t w o r kp l a n n i n g m e t h o d sw i l lc h a n g ec o r r e s p o n d i n g l y t h ep a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n do fq o s b a s e di pn e t w o r kp l a n n i n g ，a n d i s s u e so fm u l t i s e r v i c en e t w o r kp l a n n i n g ；t h e nr e s e a r c ht h en e t w o r kt r a f f i cm o d e l i n g t r a f f i c m a p p i n g , m u t i n g , n o d e sa n dl i n kc a p a c i t ya l l o c a t i o ni s s u e so fe l a s t i cs e r v i c e sa n dr e a l - t i m e s e r v i c e s ；d e s i g n i n gt h eo p t i m i z a t i o np l a n n i n gm e t h o d sf o rt h eg i v e nn e t w o r kc o n s i d e r i n g m u l t i s e r v i c eb e a r e r ；a n df i n a l l yu s en s 2s o r w a r es i m u l a t et h en e t w o r km o d e lb e f o r ea n da f t e r 一 planningr e s p e c t i v e l y , a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nt h eq o sp e r f o r m a n c eo fn e t w o r k sa c c o r d i n gt o s i m u l a t i o nr e s u l t s i nt h i sp a p e r , f u l ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sh a v eb e e ni m p l e m e n t e dt ov e n f yt h ep e r f o r m a n c e o ft h ep r o p o s a lf o rt h em u l t i s e r v i c ei pb e a r e rn e t w o r kp l a n n i n g ，a n dt os e a r c hf o rs o l u t i o nf o r t h eq o sa n dc o s tm a t t e ri nn e t w o r k s k e y w o r d s ：n e t w o r kp l a n n i n g ，q o s ，i pn e t w o r k s ，n s 2 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目蜀乏i i i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 国内外现状和研究内容2 1 3 本文结构3 第二章m 网络规划及相关知识介绍4 2 1 网络的发展现状和趋势4 2 2 现有网络承载业务的特征分析6 2 2 1 业务的服务质量需求的差异性一6 2 2 2 业务流量模型的差异性7 2 3 多业务i p 网络的规划问题8 2 3 1 网络规划的目标。8 2 3 2 规戈0 内容8 2 3 3 规划过程中的计算问题和性能评估l o 2 4i p 网络规划中的q o s 1 1 2 4 1 从业务角度看q o s 1 1 2 4 2 从网络架构的角度研究q o s 1 2 2 4 3i p 网络的q o s 研究l5 2 5 小结1 7 第三章口网络规划方案及实现18 3 1 网络规划模型描述1 8 3 2 流量建模2 1 3 2 1 流量建模于网络规划的意义2 l 3 2 2 流量建模中的排队论理论基础2 2 3 2 3 弹性业务流量的计算2 3 3 2 。4 实时业务流量的计算2 7 3 3 流量映射3 0 3 3 1 弹性业务的流量映射3 0 3 3 2 实时业务的流量映射3 5 3 4 容量分配3 8 3 4 1 节点容量分配3 9 3 4 2 链路容量计算4 l 3 5 链路排除及规划结果4 2 3 6 ，j 、结4 3 第四章网络模型仿真分析4 4 4 1 网络仿真技术简介4 4 4 2n s 2 仿真平台及仿真方法4 5 4 3 规划前后网络模型仿真4 6 4 4 仿真结果分析与比较4 8 i i i 4 5 本章小结 第五章总结与展望。 5 1 论文工作总结。 5 2 进一步研究方向 参考文献 致谢 附录：攻读硕士期间发表 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 在传统的网络中，服务提供商和企业一般建造并维护不同的网络来承载语音、视频、 关键任务和非关键任务通信，然而随着计算机网络和通信技术的不断发展，现在越来越趋 向于将所有这些网络融合为单一的基于分组的i p 网络。在这样的业务驱动和网络融合的趋 势下，产生了下一代网络( n g n ) 模型，以实现通过一个统一的网络来承载话音、数据及 多媒体业务。 从技术发展的角度看，下一代网络已渐趋成熟并投入商用，它与传统的电路、分组交 换网络不同，不再是基于节点式的网络，而是采用基于功能实体的分布式分层网络架构， 按功能可划分为四个层次：业务应用层、呼叫控制层、媒体层、传输接入层【1 1 ，各层次间 通过标准的开放接口互联，并由标准的接口和开放的协议实现与现有网络的互联互通。从 网络的角度来看，下一代网络是传统的电信网、广电网与i p 分组网的融合，以软交换为核 心，结合媒体网关、信令网关，互联电路交换网和分组网，以实现业务层的融合和网络的 统一管理。这是一种易于扩展的开放性架构，能够最好地满足新业务的需求，并能对现有 网络架构的投资进行保护，还可以大大简化网络架构设计，降低系统部署、运营、管理和 维护成本。 但是，服务质量问题q o s 却成为下一代承载网络面临的主要挑战。在将各类业务迁移 到这个统一的m 承载网络之前，运营商必须了解语音、数据、多媒体等各类业务对网络的 q o s 需要，并在疋网络上部署合适的策略，确保各类业务都能达到足够的服务质量，避免 各类业务之间的相互影响，这样既满足现有业务的承载，又能适时推出各类新业务。 能否保证q o s 是i p 网络能否成为未来统一平台的关键，目前基于分组承载网的各种 q o s 规划方案主要关注于承载网络设备的q o s 处理能力，更多的是基于分组承载网络设备 的实现技术( 如c a r 、整形、队列调度、优先级标记及d i f f s e r v 等) ，这些具体的技术是 所有q o s 实施的基础，同时也是i pq o s 关注的重点。p 网络需要从网管资源方面实施 相应的策略，需要有一个全网的q o s 规划方案。因此，需要对网络进行合理的规划，使对 于网络内承载的每种业务，能够按需提供q o s ，立足于现有网络并兼顾未来的发展需要。 网络的规划包括对网络结构组织和设备容量测算、带宽容量测算、建设和投资方案、网络 管理、q o s 、地址资源分配等相关问题的规划设计【2 1 。由于下一代网络是一个业务驱动型 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 网络，对网络进行规划的最终目的也是为了保证网络的服务质量q o s 。通过合理的规划， 可提高网络效率，降低网络建设成本，保障网络平稳运行，按不同用户的不同要求，提供 有区别的服务，提高用户满意度和网络运营收益。 1 2 国内外现状和研究内容 由于i p 承载网没有统一的网络资源控制体系，无法针对不同的业务调配适当的资源来 满足不同的业务要求。在现实应用中也是直接将n g n 业务接入到已有的数据网络上进行 承载。无论是n g n 终端的地址分配，还是汇聚、骨干网络资源，包括接口、p v c 、路由， 都没有同传统i n t e r n e t 业务进行区分。这种实现对当前的运营商数据网络没有苛刻的要求， 但随着用户数目的增多和业务复杂程度的提高，一些棘手的问题也渐渐显现出来，如终端 地址短缺、服务质量难以保障、用户安全以及用户管理等问题。针对这些问题，业界已提 出了许多解决方法，如流分类、链路技术、路由协议等等。 针对这些情况，i e t f 己经建议了很多服务模型和机制以满足q o s 的需求，比较有名的 有：集成服务( i n t s e r y ) r s v p 模型、区分服务( d i f f s e r y ) 模型、多协议标记交t f _ ( m p l s ) 、流 量工程等。其中，d i f f s e r v 良好的伸缩性和易于实现的特点使其成为网络核心处的首选机 制，也是基于q o s 的网络规划的热点。 依据这些服务模型和机制及现有业务特点，国内外研究学者提出了几类网络规划方案。 这些方案在进行流量建模和容量分配时，均考虑到了各类业务流的q o s 需求。有的规划方 案主要研究p 层以上的a t m 网络模型规划 4 】【5 】【6 】【刀。有的方案重点研究i p m p l s 网络的路 由优化和容量分配问题【8 】【9 】【1 0 】【i i 】【1 2 1 。规划设计的重点在于如何对网络做最优化的规划设计， 在网络中提供一种切实可行的资源分配方案和q o s 机制，并结合业务需求有效地进行q o s 管理，同时这也是基于q o s 网络规划设计要实现的重要目标。而达到规划设计的目标，合 理分配网络资源，为用户提供q o s 保障，及时准确定位网络q o s 分析，必然要以业务分 析和网络流量分析为依据。 但以上文献的规划研究方案都没有对流量模型作具体的研究。本文旨在研究下一代承 载网基于q o s 的i p 网络规划问题，并针对下一代网络的特点及其所承载的业务，就 流量、服务模型等问题，在文献【3 】的基础上提出了的一种规划方案，以充分的仿真实验为 依据，为多业务i p 承载网的规划设计问题提供一些必要的数据支持。 本文的研究内容主要包括： 对网络规划中的具体问题和过程进行了详细的研究，并提出了一种规划方案； 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 通过研究下一代网络的业务特性，参考传统的流量规划模型，对多业务碑承载网的业 务流量进行建模计算； 依据流量模型和流量建模计算的结果，结合网络的实际情况，对网络中各类业务的流 量需求进行映射； 根据流量映射计算出的流量分配，对网络拓扑中的节点容量和链路带宽进行重新分配， 使得整个网络的费用最小，并能很好的满足各类业务的q o s 需求。 1 3 本文结构 第一章：绪论，阐述了本文的研究背景，并简要介绍了本文的主要工作； 第二章：网络规划相关知识介绍，对网络规划中的涉及到的知识、常用的计算工具进 行介绍； 第三章：基于q o s 的i p 网络规划的实现，详细介绍了网络规划方案的设计和实现，对 网络所承载的业务进行流量建模，依据流量建模计算结果对业务流量进行映射，再对网络 节点容量，链路带宽进行合理的分配，得出经规划后的网络； 第四章：用n s 2 分析网络模型，通过仿真实验，从丢包率、端到端延迟的角度对规划 前后的网络进行性能评价和比较： 第五章：总结全文，提出研究过程中的不足和下一步发展方向。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i p 网络规划及相关知识介绍 第二章i p 网络规划及相关知识介绍 2 1i p 网络的发展现状和趋势 从2 0 世纪6 0 年代末第一个计算机网络a r p a n e t 的诞生到现在，短短五十多年的时 间，i n t e m e t 网已迅速发展成为世界上最大的、开放的计算机通信网络。i n t e m e t 的巨大成 功也使得其所使用的i p 技术，无论从技术、设备还是标准化方面的发展都远远超过其他竞 争对手，更让2 0 世纪9 0 年代的关于a t m 和i p 的争论已经彻底成为历史。 另一方面，i n t e r n e t 所代表的口网的用户规模也以每月1 0 左右的速度递增，业务量 每6 - - 9 个月翻一番，业务带宽呈现指数增长态势。例如，在1 9 9 0 年前后，主要业务是e m a i l ， 带宽仅l k b p s 左右；到1 9 9 5 年，主要业务变成w e b 浏览，美国的w e b 站点数每5 7 天翻 一番，我国w w w 站点数约为9 9 0 6 万；2 0 0 0 年前后，活动图像成为重要业务之一，所占 用的带宽可到达5 m b p s 。1 0 年间，业务带宽的增长可达4 个数量级。这些变化均使i p 业 务所需的带宽呈爆炸式增长，形成了新时期网络带宽增长的主要驱动力量。2 0 0 0 年到现在， 业务内容的需求也向着综合化发展，i p 网成为多业务的统一承载平台已是不争的事实，这 要求口网除了提供非实时数据传送业务，还能传送实时多媒体数据信息。 在业务承载方面，自从i n t e r n e t 进入到电信级商用领域，原有的尽力而为传送的m 技 术也在逐步地完善以满足不同的用户、不同的应用对网络的不同的要求。由于缺乏完整的 系统考虑，现有的i p 网在电信级业务承载上还存在不少问题。虽然i p 网络在q o s 上有了 很大的进步，但现有的i p 网络大都只是在单个节点上提供相对优先权的处理。如果没有在 全网层面上特别是在接入网中解决业务感知和接入允许控制，就不可能真正解决端到端的 业务质量问题。此外，现有i p 网络在业务承载上的不足还体现在网络业务安全性和网络管 理能力上。由于p 技术的开放性使得i p 网络业务很容易受到攻击，黑客无处不在，这些 都导致用户业务体验的服务质量无法提高，特别是商业用户对此存在较大顾虑。在网络管 理问题上，传统口网络没有定义和设计针对公众环境的管理维护体系，当网络发生故障时， 对故障点无法定位或者定位不够迅速，影响网络业务的服务质量。 面对电信业由语音业务向数据业务进行战略性转变，面对网络d 化的必然趋势，各运 营商纷纷进行m 数据网络的建设，目前已基本建成了具有一定规模，覆盖范围较广的p 数据网络。但是，现有的i p 网络在业务承载和运营上还存有不足，各运营商对现有i p 网 是否能够承载各种电信级业务仍存有疑虑。 4 塑室坚皇奎兰堡主婴壅生兰垡笙壅笙三兰堡堕丝塑型垄塑薹塾望坌塑 根据目前网络发展的趋势，下一代网络是能够提供各种业务的综合、开放的网络，它 建立在口网络技术基础上，能够满足电信运营需求，使运营商减少投入、带来增值的通信 网络解决方案。同时可以承载传统的p s t n 业务和数据专线业务，支持电信级服务质量的 i p 新业务。下一代网络不是否定现有的m 网络，而是对现有p 网络的改造，解决口网络 q o s 、安全、管理等问题。m 网络作为支撑下一代电信业务的主要承载网络，必须满足如 下要求： 可运营可管理。下一代网络应能够提供运营商一套方便网络业务运营的管理手段，包 括对用户的管理、对网元设备的管理、对网络资源的管理、对业务的管理等； 提供多业务承载的能力。运营商希望在一个网络上提供对多种业务的承载，以降低基 础网络建设开销和运营维护成本。印承载网不仅要能够承载现有的i n t e r n e t 业务、承 载语音、视频等多媒体业务、还要具备诸如n g n ，3 g 等新业务承载的能力； 具有业务质量保证。口承载网首先必须是一个高度稳定、高可用的网络，以保障业务 的可靠运营。其次，它应能够保证向用户提供类似与原来电信网相同甚至更好的服务 质量，使业务在网络上的时延、时延抖动、丢包情况是可控的、可预测的； 业务安全。i p 承载网必须要提供端到端服务的安全性。避免或减少黑客或其他恶意攻 击对网络业务的影响。以网络设备抗攻击、用户业务保护、避免非法用户业务盗用等 方式保护网络业务安全。 实际上，在业务的驱动下，i p 网络的研究已经在网络、协议、业务、应用技术等领域 全面展开。目前，i p 网络的发展重点主要包括以下几个方面： ( 1 ) 关于下一代互联网的研究，包括路由协议、编址、演进和i p v 6 业务应用，例如大 规模点到点的多媒体通信、无线移动应用、定位应用、计算网格和数据网格、视频会议、 高清晰度电视、基于组播的多点多路视频会议、支持远程教育和远程医疗等综合应用、基 于组播的高清晰度电视、流媒体业务与应用等的研究； ( 2 ) i p 相关技术的研究，包括i pq o s ( 比如i pq o s 的模型结构、信令机制、服务协议、 监测手段、计费和互通等) ，基于口网络和m p l s 网络的性能、以太网性能等方面的研究； ( 3 ) 关于互动多媒体网络与业务、流媒体网络与业务的研究； ( 4 ) 关于虚拟专用网技术和应用的研究，包括l 1v p n 网络和业务框架、l 2v p n 网络 和业务框架、通用v p n 功能要求、m p l sv p n 的q o s 技术、m p l sv p n 的网络管理技术 左智 守； ( 5 ) 关于i p 视讯通信技术的研究，包括视讯系统的技术要求、框架结构、认证、授权 和计费、编号与编址、m c 设备技术要求以及m p 设备技术要求等； 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m 网络规划及相关知识介绍 ( 6 ) 关于m p l s 传送话音( v o m p l s ) 技术的研究； ( 7 ) 关于电子政府、企业的信息化和运营发展模式的网络化、网格技术的大量应用、 集中计算以及企业的协同工作对数据网络的影响的研究。 2 2 现有网络承载业务的特征分析 随着m 网将成为今后统一的业务承载平台，其承载的业务种类将日益繁多，涵盖了现 有多个网络的业务，包括传统电信业务( 如话音业务) 、视频通话业务、流媒体业务( 如视频 点播和m t v 业务) 、专线租用业务，传统的互联网业务( 如w e b 浏览和文件下载) 和非传统 互联网业务( 如基于p 2 p 技术的各种业务) 等等，而这些不同的业务在服务质量及流量模型 方面都存在差异。下文将从两方面进行分析研究。 2 2 1 业务的服务质量需求的差异性 在将其他网络的业务迁移到i p 网络之前，网络运营商必须了解语音、数据、流媒体等 各类业务对i p 网络的q o s 需要，并在i p 网络上部署合适的策略，确保满足各类业务的 q o s 需求，避免各类业务之间的相互影响，这样既能满足现有业务的承载，又能适时推出 各类新业务。由于各类业务之间存在着较大的差异，需要对这些差异性进行分析，从而可 以选择合适q o s 规划方案。 传统的互联网业务包括网页浏览、文件下载、电子邮件等业务，即，传统的宽带业务。 这类业务对流量需求突发性很强，对丢包和延迟不太敏感，因此对电信级p 承载网没有特 殊需要，采用i p 的尽力而为的服务即可满足。 传统电信业务主要指语音业务，具有实时性高、流量需求较小、但对丢包和延迟敏感 的特点。i t u t g l l 4 建议通话的全程延时不超过3 0 0 m s ，单向延时不超过1 5 0 m s 。媒体流 在网络传输中的时延抖动，要求在2 0 m s 以内。在媒体流传输中数据包的丢失率小于3 。 每个呼叫需要2 1 3 2 0 k b p s 的带宽( 根据编码格式的不同而不同) ，并且每个呼叫的控制信息 需要约1 5 0 b i t 的带宽。 新型电信业务和其他业务包括3 g 相关的语音、视频等实时业务，短信、彩信、w a p 等增值业务，p 2 p 类型的各类业务，以及m t v 相关的业务。视频业务对流量需求很大， 对丢包和延迟敏感程度中等。具体要求是：延迟不大于1 5 0 m s 、抖动不大于3 0 m s 、丢包率 不大于l ，高优先级带宽需求至少要在视频流所用带宽的基础上增补2 0 ，例如3 8 4 k b p s 的视频流就至少需要4 6 0 k b p s 的高优先级的带宽。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i p 网络规划及相关知识介绍 现有网络中主要业务的q o s 需求归纳如下： 表2 1 主要业务的q o s 需求 语音业务信令业务视频业务传统的互联p 2 p 业务 q o s 要求 网业务 单向端到端时延 1 5 0 m s 1 0 0 m s 1 5 0 m s 无要求无要求 端到端时延抖动 2 0 m s 1 0 m s 3 0 m s无要求无要求 端到端丢包率 3 0 1 上的容量为2 5 g b p s 。 f r ：k 个实时业务流( v o i p 、视频流) 的端到端流量需求。每条实时业务流i 的流 量需求由集合f r = - ( s ，t ，t b ，t s p e c ，s e r v i c e ) 表示。s 、t 分别表示源( 入口路由 器) 、目的节点( 出口路由器) ，且有s v ，t e v ；t b 为令牌桶，用两个参数( r ， b ) 来描述业务流量特征，r 为令牌桶控制的平均速率即允许的每秒传送的i p 分组 的字节数，b 为令牌桶深度，其单位也是字节；t s p e c 也是用三个参数( 峰值速率 p ，最小p o l i c e dd a t as i z ei t i 和最大p o l i c e dd a t as i z em ) 来描述流量需求，它和t b 都是用来计算该业务流所需的带宽；s e r v i c e 用来定义业务的类型，是属于语音业务 还是视频业务。 f e ：l 个弹性业务流的端到端流量需求。f e = ( s ，t ，p ，i 汀t ，w , m s s ) ，f e 表示每个弹性业 务j 端到端的流量需求；s 、t 分别表示源( 入口路由器) 、目的节点( 出口路由器) ， 且有s v ，t v ；p 为按t c p 协议传输的丢包率；r 1 盯是按t c p 协议传输的平均 往返时间，w 为最大往返时间；m s s 为t c p 拥塞窗的最大窗口长度( 包含i p 头) 。 根据以上条件求解计算的有： ( a ) 网络的吞吐量：根据流量需求和链路负载求解； ( b ) 最优的网络拓扑：包括网络中各链路的容量、各节点的缓冲容量、各节点问的可 达性。该最优拓扑既能满足流量需求和业务的q o s 要求，又能使网络的开销最小。 ( 2 ) 规划过程： 规划的过程框图如图3 2 所示。 流量建模模块根据各业务流量特征对流量进行建模分类。流量计算模块用来估算实时 和弹性两类业务使用o s p f 路由协议时各自所需的带宽和总的带宽，并确定不同类型的业 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章i p 网络规划方案及实现 务的业务所采用的队列和调度策略。流量映射模块根据流量计算模块估算出的带宽为不同 类型的业务流计算出最优路径，及这些最优路径的负载，直到为所有类型的业务都找到满 足q o s 需求的可行的且开销最小的路径。链路容量分配模块根据计算出的链路负载和业务 类型为不同的链路分配相应的带宽，得出一个或是多个最优的网络拓扑。若最后得到的是 一个最优结果，则规划过程结束，否则，就需要链路排除模块从初始给点的网络拓扑图中 用最优化算法去掉一些链路，然后重新规划，知道找到一个最优的链路为止。 图3 2 网络规划方案 2 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章球网络规划方案及实现 3 2 流量建模 3 2 1 流量建模于网络规划的意义 流量模型是网络性能分析和网络规划设计的基础，精确的流量模型对设计高性能网络 协议、业务量预测与网络规划、高性能的网络设备与服务器、精确的网络性能分析与预测、 拥塞管理都有着重要意义。 要想获得对实际网络设计有指导意义的结果，业务源的建模分析必须能够正确反映实 际业务的统计特性，同时也应忽略每一个应用的所有细节，避免规划过程过于复杂。因此， 应该只定义一些信息类，使得所有应用的集合都映射到这些类上。为了网络规划时能够处 理这些类，这些类的需求和流量行为被分为两大类：弹性业务和流业务( 如图3 3 所示) 。 弹性业务与流业务的最根本区别在于：弹性业务能依据网络带宽调整传输速率，对时延和 时延抖动不敏感，典型代表为传统的i n t e r a c t 业务；流信息的q o s 需求主要就是包时延和 时延抖动足够小，典型代表为传统的电路交换网络( 电信网、广电网) 所承载的业务。 甲下 而2 f r 吞吐量可 吞吐量无保证 保证 rr 角保质量传输 质量2 尽力而为 弹性信息 图3 3 多业务应用的分类 由于弹性业务和实时业务的话务模型有着明显的不同，因此，需要分别对不同的业务 建立合适的流量模型才能比较真实的反映现实网络中的业务流量。 在规划过程中，我们假定业务流从边界路由器进入网络，在核心路由器处被定等级( 是 2 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章i p 网络规划方案及实现 属于尽力而为还是保证q o s 业务) ，然后根据业务的服务等级，依据f q 调度机制被分配足 够的带宽。本文分弹性业务和实时业务两种情况来分别讨论各类业务的流量特性。 3 2 2 流量建模中的排队论理论基础 本小节首先对排队论进行简要介绍，然后阐述排队论于流量建模、网络规划的意义。 一个排队系统由输入、队列、服务台和输出【2 7 】四部分构成，可以用图3 4 来加以描述。 输入 输出 。 顾客总体 队列 服务台 图3 4 排队系统构成示意图 一般用肯德( k e n d a l l ) 2 6 】标志法表示排队系统，例如用于一个处理器共享系统的 m g 瓜p s 。在肯德尔标志法中，用a b c d 这个表达式表示排队系统的特性，表达式中各 字母的意义为： a 用户( 业务) 到达时间间隔的概率分布。例如：字母m 表示马尔可夫过程，通常使用 的数据报到达速率的泊松过程就是马尔可夫过程的一个特例。 b 服务时间的概率分布。例如：字母g 表示一般分布，字母d 表示确定分布( 即服务 时间为确定的常数) 。 c 服务器数量。 d 排队准则。例如：p s 是处理器共享，这意味着在处理大文件是不会过多地延误小文 件的处理，( 即队列中的客户会同时处理) 。除了p s 准则外，还有f c f s ( 先来先服务) 、l i f o ( 后到先服务) 、s w p ( 有优先权的服务) 和s i r o ( 随机服务) 准则。 评价一个排队系统的优劣主要以顾客和服务机构两方面的利益为标准。就顾客方面而 言，总希望在系统内的逗留时间越短越好，在服务率一定的情况下，希望服务个数尽可能 多些。但是，增加服务台的数量，就意味着增加投资，可能造成不要的浪费。因此，系统 的队长、损失率、等待时间这些指标就成了排队论的主要研究内容： 系统的平均队长：指系统内顾客数( 包括正在接受服务的顾客) 的均值。 系统的平均等待队长：指系统内排队等候的顾客的均值。 系统的平均服务时间：即顾客在系统内逗留时间均值。 系统的平均等待时间：指顾客排队等候服务时的均值。 2 2 童室堂皇奎兰堡主塑壅生堂垡丝茎 墨三兰! ! 塑堡塑型查塞墨塞翌 在网络规划中为了计算带宽，一般使用基于描述排队模型的一些基本公式。本文中用 于建模计算所涉及的业务主要使用t c p 和u d p 业务进行传输。根据慕尼黑技术大学对t c p 和u d p 数据研究实验结果【4 5 1 1 4 6 ，我们可以得到以下不同业务不同的排队模型： t c p 业务：m g p , , 模型。 u d p 业务：m m 1 模型。 混合话务( 既有t c p 又有u d p ) 用加权平均的数据包的大小。 在下文的计算过程中，将对所涉及的模型作具体介绍。 3 2 3 弹性业务流量的计算 ( 1 ) 流量建模 弹性数据主要产生于以数据为中心的应用，包括w e b 浏览、f t p 下载、t e l n e t 和各 种p 2 p 程序。这些类型的流量通常利用t c p 协议来传输，占住了当今i n t e m e t 数据流量的 绝大部分，根据m c i 的统计【2 4 】，使用t c p 传输的数据占总字节数的9 5 和总报文数的9 0 。 从用户的角度来说，这些应用在性能上应该表现出不同的特点，w e b 浏览属于短时间块传 输( s h o r t 1 i v e db u l kt r a n s f e r ) 的数据流，它要求一定量的吞吐率和小的延时，f t p 下载属于 长时间块传输( l o n g 1 i v e db u l kt r a n s f e r ) 的数据流，它要求大的吞吐率，t e l n e t 属于交互 式流( i n t e r a c t i v ef l o w ) 的数据流，它要求极小的延时。为减小拥塞和提高资源利用率，根据 不同的业务特点，应依据当前可提供的带宽来确定传输速率。因此，弹性业务的流量计算 是在资源( 带宽、链路等) 共享或是复用的前提下，计算单个业务流或是总的带宽需求。 由于弹性业务主要由传统的i n t e r n e t 业务构成，因此对弹性业务的规划也类似于传统的 i n t e m e t 网络业务的规划。经人们的研究发现互联网通信量很宽的时间尺度( 几十毫秒、秒、 分钟、小时) 内存在突发( b u r s t ) 现象，直观解释是指无论以何种时间尺度作为测量单位时 间去观察，网络流量都具有相似的特征，都存在突发性，即局部的结构跟总体的结构具有 一致性。也就是说传统以太网业务的突发性在很大的时间尺度下存在。为准确的描述弹性 业务的流量特性，我们采用传统的i n t e r n e t 网络流量建模的方法对弹性业务进行建模。 弹性业务流量计算解决的是单个业务流及总的带宽需求问题。流量需求和业务带宽采 用m g r p s 队列系统进行建模。每个节点采用公平队列( f q ) 进行调度。 对于带宽的计算，采用如下t c p 模型：t c p 的平均丢包率为p ，发送端每接收到一个确 认包后，就将拥塞窗c w n d 增加l ( 即允许再多发送一个数据包) ，该过程一直持续到出现丢 包，即在同一发送窗口内每条t c p 连接一旦有一个分组丢失，则立即重传丢失的数据包， 堕室墅皇盔堂堡圭堕壅生堂垡丝苎墨三皇堡塑竺塑型查塞垄窒垫 只有当拥塞窗口大小增加到w 时，新来的分组才会被丢弃。发生拥塞时采用快速重传和快 速回复算法来恢复。基于以上条件，令稳态时的拥塞避免阶段的最小拥塞窗口大小为w 2 ， 最大拥塞窗口大小为w ，该窗口的值决定了一条t c p 连接某一时刻网络中最大允许的数据 包数量。在每个往返时延r 1 陌周期内，拥塞窗口大小从w 2 增加到w ，因此，在每个往返 时延周期内，系统容量为r t t 木w 佗，发送端能发送的分组数为 缈2 + ( 矽2 + 1 ) + + w = 三( 形2 + w ) 。 丢包率p 即为： =而8p上3 矿2 ( 1 ) 2 面丽一 【1 j 同样，w 也可用p 表示为： 形：匹 、3 p 两个相邻丢包之间包的间隔【2 0 】为l p = 3w2 8 ，当t c p 最大拥塞窗口大小为w 时， 两个相 邻丢包之间的时间间隔为r 1 盯* w 2 ，令m s s 表示t c p 最大传送报文段，每条t c p 链接的吞 吐量b i n d 由下式计算出来： 珏鲁：而m s s 幸压 鼬5 i 芝2 而幸恃 对于弹性业务流的带宽需求，根据前文的结论，可以采用m g k - p s 模型。m g k - p s 指业务的到达时1 - 3 间隔服从负指数分布( 泊松分布) ，服务时间服从一般随机分布，每次 可对k 个业务进行服务，采用处理机共享队列机制。 在m g r p s 模型中，假设弹性业务流的数据包平均大小为x ，那么业务流的平均逗留 时问【4 5 】为： 卜去( + 黜k ( 1 ) ，肼女lp ) 在式子( 4 ) 中，p 指链路利用率，e 2 ( k ，砩) 为爱尔兰第二公式，帆为业务源的 最大速率，其中： 易僻，巧) = t = c k ( 巧) 置k k 1 k k o 掣型+ 坠笠j l 篙i ! k ! k t o ( 5 ) ( 6 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章i p 网络规划方案及实现 在式子( 5 ) 中，c 指链路容量。 在式子( 6 ) 中，砩指通信强度，定义为k p = 五幸霉，其中九指数据源平均到达速率， t s 指数据包平均服务时间。 由式子( 4 ) ( 6 ) 知，弹性业务流