（通信与信息系统专业论文）基于mpls的internet流量工程系统设计rsvpte信令协议的设计实现.pdf

基于m p l s 的i n t e r n e t 流量工程系统设计一r s v p t e 信令协议的设计实现 摘要 随着i n t e r n e t 的快速发展，i n t e r n e t 中的通信流量迅速增长，同时各种应用 对q o s 、网络稳定性、网络效率的要求的不断上升，这使得流量工程问题成为 了一个设计与维护i n t e r n e t 骨干网时需要考虑的基本问题。i n t e r n e t 流量工程技 术有助于对网络的性能进行优化，它一方面要求提高网络资源的利用效率，优 化网络整体性能；另一方面要求能够为端用户提供稳定可靠的服务。 本论文对与m p l s t e 相关的各种问题进行了综述。首先，论文对i n t e r n e t 流量工程的基本概念，设计目标，处理模型，已有解决方案优劣分析等问题进 行了讨论。接下来本论文详细的分析了在m p l s t e 系统中如何进行流量矩阵 和网络资源参数的测量，如何根据各种约束条件为流量中继进行选路，并使用 r s v p t e 协议来建立和维护t et u n n e l ，并对s p f 算法进行修改让流量能够 自动的通过t et u n n e l 被转发。作为重点，本论文对r s v p t e 信令协议的工 作机制及相关问题进行了尤其仔细的分析。最后，本论文对m p l s t e 的应用 场景进行了分析，包括m p l s t e 的战术式和战略式应用，通过并行的t e t u n n e l 进行负荷分担，和d i f f s e r v 结合为流量提供严格的q o s 保证，使用快 速重路由技术增强网络稳定性。 结合作者在国内某通信公司的交换式核心路由器开发项目中所作的工作， 本论文还对m p l s t e 软件的系统设计和实现方法进行了分析。特别是对 r s v p t e 协议的设计实现方法进行了仔细的分析和讨论。 关键字：流量工程；m p l s t e ；m p l s ；基于约束的路由；快速重路由； d i f f - s e r va w a r et e ；负荷均衡；r s v p t e 基于_ m p l s 的i n t e r n e t 流量工程系统设计一r s v p t e 信令协议的设计实现 a b s t ra c t t h ei n t e r a c th a s q u i c k l y e v o l v e di n t oa v e r y c r i t i c a lc o m m u n i c a t i o n s i n f r a s t r u c t u r e r a p i dg r o w t h a n d i n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t s f o rs e r v i c e q u a l i t y ， r e l i a b i l i t y ，a n de f f i c i e n c yh a v em a d et r a f f i ce n g i n e e r i n ga ne s s e n t i a lc o n s i d e r a t i o ni n t h ed e s i g na n d o p e r a t i o no fl a r g ep u b l i ct n t e r n e tb a c k b o n en e t w o r k si n t e r n e tt r a f f i c e n g i n e e r i n g a d d r e s s e st h ei s s u eo f p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n o f o p e r a t i o n a l n e t w o r k s t h i sp a p e rp r e s e n t e da no v e r v i e wo fs o m eo ft h eb a s i ci s s u e ss u r r o u n d i n g t r a f f i ce n g i n e e r i n go v e rm p l si ni pn e t w o r k s ，i n c l u d i n gt h eb a s i c c o n c e p t s ，t h e p e r f o r m a n c eo b j e c to fm p l s t e ，t h eh i s t o r i c a lr e v i e wo ft h et e c h n o l o g i e so f t r a f f i ce n g i n e e r i n g ，t h em e a s u r e m e n tm e t h o do ft r a f f i cm a t r i xa n dn e t w o r k r e s o u r c e ， t h ec o n s t r a i n t b a s e d r o u t i n gf r a m e w o r k ，h o wt o e s t a b l i s ha n dm a i n t a i nt h et e t u n n e lb yr s v p t e s i g n a l i n gp r o t o c o l ，h o wt om o d i f ys p fa l g o r i t h m t oc a l c u l a t e i pr o u t e st of o r w a r dt r a f f i co v e rt u n n e l st h a ta r es e tu pb yt r a f f i c e n g i n e e r i n g ， t a c t i c a lt r a f f i c e n g i n e e r i n g a n ds t r a t e g i ct r a f f i c e n g i n e e r i n g ，l o a db a l a n c i n go u p a r a l l e lt et u n n e l s ，t oa c h i e v ef i n e g r a i n e do p t i m i z a t i o no f t r a n s m i s s i o nr e s o u r c e s b yd i f f - s e r va w a r et e ，a n dt oe n h a n c et h en e t w o r ks u r v i v a b i l i t yb yf a s tr e r o u t e m e c h a n i s me s p e c i a l l y , t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ep r i n c i p l ea n dm e c h a n i s mo f r s v p t e s i g n a l i n gp r o t o c o li nd e t a i l t h ea u t h o rt o o k p a r t i nt h em p l s t ep r o j e c to fc o r er o u t e ri na c o m m u n i c a t ec o m p a n y b a s e do nt h e s ew o r k , t h ep a p e ra n a l y z e dt h em e t h o dt o d e s i g na n di m p l e m e n tt h em p l s t es y s t e me s p e c i a l l y ；t h i sp a p e r d e t a i l e d d i s c u s s e dh o wt od e s i g na n d i m p l e m e n t t h er s v p t e s i g n a l i n gp r o t o c o l k e y w o r d s ：t r a f f i ce n g i n e e r i n g ；m p l s t e ；m p l s ；c o n s t r a i n t - b a s e d r o u t i n g ；f a s tr e r o u t e ；d i f f - s e r v a w a r et e ；l o a db a l a n c i n g ；r s v p t e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 包含为获得电子科技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谢意。 签名：缉酶日期：2 一喀年午月2 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：斜蹲 导师签名：塑焦丝 日期：2 脚s 钎乌2 1 日 基于m p l s 的i n t e r n e t 流量工程系统设计一r s v p t e 信令协议的设计实现 术语和缩略语 a r ：a c c e s $ r o u n t e r a s ：a u t o n o m o u s s y s t e m b t t ：b i d i r e c t i o n a lt r a f i ct 1 1 l m ： c r l d p ：c o n s t r a i n t b a s e dr o u t i n gl d p c r ：c o r er o u t e r c s p f ：c o n s t r a i n t b a s e ds p f e c m p ：e q u a l c o s tm u t t i p a t hr o u t i n g e g r e s s ： e r l s p ；e x p l i c i t l yr o u t e d l s p e r o ：e x p l i c i tr o u t e o b j e c t f f ：f i x e df i l t e rs t y l e f l o w ： f e c ：f o r w a r d e q u i v a l e n c e c l a s s m i b ：m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o nb a s e i s p ：i n t e r n e ts e r v i c ep r o v i d e r i g p ：i n t e r i o rg a t e w a yp r o t o c o l i n g r e s s ： l e r ：l a b e ls w i t c h e de d g er o u t e r l d p ：l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c 0 1 l m ：l a b e l m a n a g e m e n t l s a ：l i n ks t a t ea d v e r t i s e m e n t l s p ：l a b e l s w i t c h i n g p a t h i ，s pt l l n n e l ： 接入路由器 自治系统 双向流量中继 提供基于约束路由能力的l d p 核心路由器 基于约束的最短路径优先算法 等开销多路径 l s p 的出口节点 采用显式路由方式建立的l s p 显式路由对象 固定过滤风格 流 转发等价类 管理信息库 i n t e m e t 服务提供商 内部网关协议 l s p 的入口节点 标签交换边缘路由器 标签分配协议 标签管理模块 链路状态通告 标签交换路径 一条l s p ，t et u n n e l 的实例化 基于m p l s 的i n t e r n e t 流量工程系统设计一r s v p t e 信令协议的设计实现 l s r ：l a b e ls w i t c h e dr o u t e r 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 n 田l s t e ： o s p f t e ： p 皿：p e r h o p - b e h a v i o r p o p ：p o i n t s o f p r e s e n c e p s b ：p a t hs t a t eb l o c k q o s ：q u a l i t yo f s e r v i c e s r r o ：r e c o r d r o u t eo b j e c t r s b ：r e s e r v a t i o ns t a t eb l o c k r s v p ：r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 r s v p t e ： s e ：s h a r e de x p l i c i ts t y l e t e ：t r a m c e n g i n e e r i n g t et u n n e l ： t e d ：t r a 伍c e n g i n e e r i n g d a t a b a s e t l ：t y p e l e n g t h v a l u e t t a f 珏c ： t r a f h cm a t r i x ： t r a f i l et r u n k ： u i ：u s e ri n t e r f a c e w e ：w i l d c a r df i r e rs t y l e i v 标签交换路由器 多协议标签交换技术 基于m p l s 的流量工程技术 带流量工程扩展的o s p f 协议 逐跳行为 接入点 路径状态块 服务质量 记录路由对象 预留状态块 资源预留协议 带流量工程扩展的r s v p 协议 共享显式风格 流量工程 承载了一条流量中继，它可能由 一条或者一组l s pt u n n e l 组成 流量工程数据库 类型长度值 流量 流量矩阵 流量中继，具有相同的属性参 数，并且通过共同的路径被转 发的t r a f f i cf l o w 的集合。 用户界面 通配过滤风格 基于m p l s 的i n t e r n e t 流量工程系统设计一r s v p t e 信令协议的设计实现 第一章引言 本论文主要讨论基于m p l s 的i n t e r n e t 流量工程系统的概念、设计方法、 实现考虑和应用场景，并根据作者在m p l s t e 系统的实现上所作的相关工作， 对m p l s t e 系统( 特别是r s v p t e 信令协议) 的实现方法进行了详细的讨论。 1 1 技术背景 随着i n t e r n e t 的快速发展，i n t e r n e t 的流量变化出现了两个特点，其中之一 就是i n t e m e t 流量上升非常迅速。图1 1 是香港交换中心近一年来的流量统计信 息【1 】，可以看到近一年来香港地区的i n t e r n e t 流量上升了5 0 左右。在大陆 地区这个上升趋势可能还要猛烈一些，根据c n n i c 的第十四次互联网发展状 况统计报告【2 】，截至到2 0 0 4 年6 月，我国的互联网出口带宽相比于半年前增 长了9 8 ，相比于一年前增长了1 9 0 3 ，是1 9 9 7 年1 0 月的2 1 2 3 倍。 图l1 香港交换中心流量统计信息( 截至于2 0 0 4 年1 2 月) 为了适应i n t e r n e t 流量的快速增长，i s p s 通常使用的手段就是重新进行网 络结构设计与网络扩容。象上面提到的我国i n t e r n e t 出口带宽的增长，就是我 国各i s p s 为了适应出国流量的快速增长，进行网络扩容的结果。但是，如果只 针对原有网络的某些链路进行升级，只能解决某些特定链路的拥塞问题，不能 优化全网的性能。如果根据网络流量特点重新进行网络结构设计，虽然能够暂 时性的达到流量优化的目的，但逮往往会是比较浩大的工程，1 耗时、耗资甚巨； 而且对网络流量动态变化的实时响应也非常差。 这就出现了对“第三种技术”的需求：i s p s 希望有一种技术能够强有力的 基于m p l s 的i n t e r n e t 流量工程系统设计一r s v p t e 信令协议的设计实现 控制网络流量，让流量以最有效的方式映射到实际物理网络上去。这样i s p s 能够在不需要改变物理网络拓扑的情况下，以提高已有网络的利用率的方式来 满足流量增长的需求。相对于重新进行网络结构设计的手段来说，“第三种技术” 能够对网络流量变化进行实时响应，这在出现突发性流量( 比如某个重大新闻 事件造成的突然大流量) 的情况下将非常有用。 i n t e r n e t 流量变化出现的第二个特点，就是它所传送的信息越来越复杂：除 了数据，它还开始传送语音、视频；除了新闻、娱乐等信息，它还开始传送一 些重要的、敏感的信息( 比如电子商务、网络手术等的应用需求) 。因此，i n t e m e t 应该能够提供一种差异化的服务，对它上面的一部分应用，它可以作比较简单 的处理；但对另外一部分应用，i n t e m e t 需要变得更稳定、更可靠才行。 i n t e r n e t 流量的这些变化催生了对i n t e m e t 流量工程技术的需求。应该说， 在一个简单的网络中，是不需要什么流量工程技术的( 就像过去的i n t e r n e t ) 。 但是，现在的i n t e r n e t 正在快速的成为基础性的通信设施，它对于经济、教育 和社会活动的重要性日益提高，它上面的通信流量呈现了爆炸式的增长，端用 户对于通信质量也提出了越来越高的要求，i n t e r n e t 流量工程技术已经有了巨大 的应用上的需求。如果按照s h e k h a rs 等人的研究结果，在相同的网络资源条 件下，实施流量工程可以增加网络传送的流量约为2 0 5 0 【3 】，因此i s p s 可以利用流量工程技术来作为应对流量增长的“第三种技术”，提高已有物理资 源的利用效率，最大化自己的产出投入比；端用户们也可以通过流量工程技术 来获取高质量的服务，满足自己应用上的需要。 1 2 项目背景 作者参与了国内某通信公司的交换式核心路由器研发项目。该核心路由器 被设计来用在m 骨干网、d 城域网骨干层以及各种大型i p 网络的核心位置， 基于m p l s 的流量工程是该系列路由器提供的基本功能之一。论文作者在该公 司参与了流量工程系统的设计与实现工作，并具体负责了r s v p t e 信令协议 的设计实现工作，本论文依据作者在该公司所作的工作撰写。 1 3 论文结构 本论文总共分为t 章，总体上可以被分为三个部分。前五章主要是从理 论层面上讨论m p l s t e 系统，第六、七章结合作者本人的工作介绍了如何对 m p l s t e 系统进行软件设计，特别是r s v p t e 信令协议的实现。 2 基于n p l s 的i n t e r n e t 流量工程系统设计一r s v p t e 信令协议的设计实现 第二章介绍了流量工程的一般概念，流量工程系统的设计目标，一个理想 流量工程系统的组成，并仔细分板了传统的动态路由协议为什么不能达到流量 工程的要求，还有为什么不能广泛的使用重叠模型来解决i n t e r n e t 的流量工程 问题。 第三章介绍m p l s 流量工程技术。本章最开始对m p l s 技术做了一个非常 简单的介绍，然后仔细分析了如何利用l s p 和进行了流量工程扩展的链路状态 路由协议进行网络流量和资源状况的测量，如何使用基于约束的路由协议和 r s v p t e 信令协议来对流量进行优化，达到i n t e r n e t 流量工程的目标。 第四章主要介绍r s v p t e 信令协议。包括协议有关消息和对象的定义， 协议是如何建立和维护一条l s pt u n n e l 的。最后本章还分析了可以采取一些什 么样的手段来为r s v p t e 引入邻居节点检测机制、确认机制和降低刷新消息 的开销，提升r s v p t e 的可扩展性。 第五章讨论m p l s t e 的应用。包括采用战术的方式和战略的方式对 i n t e m e t 流量进行控制，提高网络资源利用率，防止| 网络拥塞；使用并行的t e t u n n e l 来进行负荷分担，有效利用网络资源；和d i f f s e r v 模型相结合，为流 量提供严格的q o s 保证；使用快速重路由技术，使通信在故障发生后5 0 m s 内 就能得到恢复。 第六章讨论m p l s t e 系统的软件设计。本章首先对系统平台进行了一个 简单的介绍，然后对m p l s t e 系统的模块设计进行了分析。作为重点，本章 还分析了m p l s 的软件设计，特别是t e m i b 模块的设计实现。 第七章分析r s v p t e 信令协议的设计实现方法，包括几个关键数据结构 的设计和几类基本消息的处理流程设计。 第八章是本论文的总结，包括本论文的主要工作和对下一步工作的展望。 至主壁坚塑! ! ! ! 竺! ! 亟墨三矍至堑堡生= ! ! 婴：! ! 堕全垫望塑堡生塞銎 第二章流量工程技术 本章主要讨论流量工程技术的概念及原理，流量工程技术能够解决什么样 的问题，历史上曾经出现过什么样的流量工程技术，以及流量工程技术的分类。 2 1 什么是流量工程 根据i e t f 流量工程工作组的定义，i n t e r n e t 流量工程关注运行网络的性能 优化。它根据商业目标，基于科学和技术的原则对i n t e r n e t 流量进行测量、建 模、描述和控制；并且使用这些知识和技术去达到特定的性能对象，包括让流 量在网络中迅速可靠的传输，提高网络资源的有效利用率，和对网络容量进行 合理规划。【4 】【5 】【6 】 流量工程的核心思想就是实现全网流量的优化配置。它提供一定的技术手 段帮助i s p s 将阻塞链路上的流量转移到那些没有被充分使用的链路上去，提高 已有网络设施的利用效率，实现利润的最大化。 2 1 1 流量工程技术所要解决的问题 箢一章中已经提到，流量工程对网络性能的优化体现在两个方面：对资源 和对流量( t r a 珩c ) 。对资源的优化是指流量工程技术能够在不改变网络物理条 件的情况下，从宏观上合理配置网络流量的分布，优化网络资源的利用率，提 高网络的整体吞吐量；而对流量的优化是指流量工程技术可以解决每条流 ( f l o w ) 的q o s 需求，在端到端延迟、分组发送延迟抖动、服务响应时间等指 标上改善网络性能，为端用户的应用提供高质量保证。 对拥塞问题的解决，可以视为是流量工程技术的一个重要应用。一般说来， 网络拥塞可能是两个因素引起：网络资源的不足和流量分布的不均。网络资源 不足的问题最根本性的解决方案是网络扩容，或者采用一些据塞控制算法解决。 但引起网络拥塞问题更常见的原因是网络流量分布不均，特别是在一些由于突 发流量造成的网络拥塞的情况下，由于传统的i g p 路由协议让过多的流量选择 了相同的路径被转发，而让这些链路不堪重负，而其它的链路上却流量较少。 对于这种情况造成的拥塞问题，采用流量工程技术将流量分散到不同的链路上 去是一种较为理想的解决方案，具体的技术细节本论文的后续章节中将详细论 述。 基于i i f p l s 的i n t e r n e t 流量工程系统设计一r s v p r e 信令协议的设计实现 2 1 2 流量工程与q o s 流量工程和q o s 是两个非常容易混淆的概念，往往有人将它们混为一谈。 其实，从它们的功能上来说，它们确实存在一个“交集”，都希望能够为端用户 提供有高质量保证的服务；但对流量工程技术来说，这仅仅它的目标之一，它 更重要的目标是优化全网流量分布，提高网络资源的利用效率。而从它们所要 控制的具体对象上来说，它们却存在巨大的差异，流量工程是一种宏层控制技 术，它从网络整体情况出发，从宏观上控制流量( t r a f f i c ) ；而常见的q o s 技术 则往往着眼于某一条具体的流( f l o w ) ，通过各种手段提高这条流的服务质量。 再从采用的技术手段上来看，它们又往往相互利用，广义的q o s 可以把流量工 程视为q o s 的一种实现手段；而流量工程技术要实现为端用户提供高质量保证 服务，也需要利用一些传统的q o s 技术，比如d i f f - s e r v ，这方面的讨论可以参 考53 节。 总之，流量工程和q o s 是两种关系非常紧密的技术，但它们决不是“等于” 或一个属于另一个的关系。除了提升单条流( f l o w ) 所能获得的服务质量之外， 流量工程更关注的是网络的整体，它更希望能够提高网络整体的利用效率。 2 2 理想流量工程系统的组成【4 】 一个理想的流量工程系统的处理过程可以分为如图2 - 1 所示的四个阶段。 定义相关的控制策略 i i 凡运行网络中获取测量数据 f 0 分析网络状态和流量情况 i 对网络性能进行优化 图2 - 1 理想流量工程系统的处理过程 在分析网络情况、进行性能优化之前，首先应该清楚相关的控制策略，网 络的结构是怎么样的，需要对网络哪些方面的信息进行测量，网络所要优化的 5 基于m p l s 的i n t e r n e t 流量工程系统设计一r s v p t e 信令协议的设计实现 指标是什么等。其次，应该从实际网络中获取运行数据，了解网络现在的状况； 这些数据可能是从实际网络中测量得到，也可能是从根据网络结构和流量特征 建造的数学模型中推导出来的。然后应该对第二阶段获得的数据进行分析，考 察全网或网络某个部分的流量分布情况，确定网络中已存在或潜在的瓶颈、未 被充分使用的链路等，该阶段最终的目标是明确网络存在的问题。在确定网络 存在的问题后，就应该采用一定的技术手段对网络流量分布情况进行调整，优 化全网性能，这就是第四阶段的内容。 根据以上分析内容可以知道，一个理想的流量工程系统可以被从功能上被 分为三个部分，如图2 - 2 所示。 图2 - 2 理想流量工程系统的三个组成部分 测量子系统对于一个流量工程系统是非常重要的，建模分析子系统需要根 据测量子系统获得的数据进行分析，优化控制予系统也需要从测量子系统得到 反馈信息，知道己采取的优化措施的优化效果，并进行相应调整。在开发一个 测量子系统的时候，以下问题可能需要被考虑：应该测量哪些参数? 测量应该 如何被完成? 测量应该在何处进行? 测量应该在何时进行? 测量需要哪个级别 的精度和可靠度? 测量实际可达到哪个级别的精度和可靠度? 可接受的测量开 销是多少? 等等。 建模分析子系统包含了三个方面的内容：建模、分析和仿真。建模是指根 据测量子系统的结果，对网络物理资源情况和网络流量情况进行抽象，得到相 应的网络资源模型和网络流量模型。然后再进行分析或仿真，明确究竟网络的 什么地方需要被优化，包括：是否网络存在拥塞? 网络的哪些地方是潜在的拥 塞点? 网络的哪些链路未被充分利用? 等等。 在对网络进行了充分的信息收集、分析之后，就应该针对具体问题，使用 优化子系统对网络进行优化了。具体的技术手段很多，广义的来看，网络规划、 队列管理、b g p h g p 度量调整等都是有一定作用的优化手段。 就像现实总是和理想存在差距一样，现实中可用的流量工程系统不可能做 的象理想流量工程系统那样完美。比如实时获取网络端到端的流量矩阵信息， 就是非常困难的事情。不过，如何设计测量子系统和建模分析子系统不是本论 基于m p l s 的i n t e r n e t 流量工程系统设计一r s v p t e 信令协议的设计实现 文讨论的重点，本论文主要集中于对优化子系统的设计方法的讨论，也就是在 己知什么样的问题的情况下( 比如已经存在很明显的拥塞点) ，怎样对网络流量 进行控制，达到性能优化的目的。 2 _ 3 流量工程系统应用的分类 根据流量工程系统的应用方式可以分为几种类型。 2 - 3 1 战术式和战略式 流量工程系统的战术式应用是指在网络中某个问题已经出现了的情况下， 采取特定措施去解决该问题，并不进行全局的战略式考虑。比如，网络中的某 条链路已经出现了拥塞，采用一定的技术措施去分散该链路上的流量( 对于 m p l st e 来说，可以用绕过该拥塞点的t et u n n e l 转发些流量，具体分析见 51 节) ，这种情况就属于流量工程系统的战术式应用。 而战略式应用则要进行更系统的考虑，既要从网络全局的角度出发，也要 考虑所采用的措施带来的中长期影响。对于m p l s t e 系统来说，典型的战略 式应用就是对网络中的所有节点建立一个t et u n n e l 的全连接，所有的流量全 部通过t et u n n e l 被转发，通过t i et u n n e l 的调整控制来达到网络流量控制优化 的目的。m p l st e 战略式应用的一个具体例子可以参看箫曦鹏在文献【7 】中 所作的工作。 流量工程系统的战术式应用比流量工程系统的战略式应用更为简单，它所 需要的优化对象比较明确，往往就是一个简单的优化问题。战略式的流量工程 系统则更为复杂，它不仅需要对全网情况进行通盘考虑，还需要周期性的对全 网进行测量分析，对已有优化措施的优化性能进行评估，对网络资源和流量的 变化进行响应，然后对优化策略进行调整。 2 3 _ 2 在线式和离线式 根据是否使用独立的设备来进行测量分析，又可以将流量工程系统分为在 线式和离线式。离线式的流量工程系统使用单独的设备对网络进行测量分析， 然后将分析结果告诉路由器，对网络进行优化。一般在情况较为复杂，或者性 能要求较高时应该采用离线式的流量工程系统。 综合起来，流量工程系统常见的应用可以分为三类：战术式、在线战略式、 离线战略式。 7 基于m p l s 的i n t e r n e * 流量工程系统设计一r s v p t e 信令协议的设计实现 2 4 现有技术对流量工程的支持情况 在m p l s t e 技术出现之前，能够在i n t e r n e t 上提供一定程度的流量工程特 性的技术，无外乎也就动态路由协议和重叠模型了。下面我们分别分析这两种 技术对流量工程的支持情况。 2 4 1 传统路由协议 图2 - 3 所示的网络拓扑是本文讨论流量工程技术时经常使用到的一个拓扑 结构图，因为它的拓扑结构形状似鱼，我们把它叫做“鱼型问题”。现在我们通 过该图来考察传统的动态路由协议对流量工程的支持情况。 图2 - 3 鱼型问题 假设网络中存在两条流量，从r 2 到r 3 的流量t 1 和从r 1 到r 3 的流量 t 2 。我们知道现在的i g p 协议通常都是采用的最d , g g 离原则来选路的，这将不 可避免的使流量全部通过路径r 4 一r 5 一r 6 传输，而路径r 4 一r 7 一r 8 一r 6 则 完全处于空置状态。当然，i g p 协议所使用的计算路径的度量是可以调整的， 你可以将路径r 4 - - - - r 5 - - - , r 6 的开销调整的比路径i 一r 7 一r 8 一r 6 的开销更 大，从而迫使流量转移到路径r 4 一r - 7 一r - 8 一r 6 上去。但这实际上并没有解决 问题，无论你怎么调整某条链路的开销，流量总是要么全部从路径r 4 一r 5 一r 6 上被转发，要么全部从路径r 4 一i u r 8 一i “上被转发；要么是路径 r 4 一r 7 一r 8 一r 6 被闲置，要么是路径r 4 一r 5 一r 6 被闲置。 + 因为本论文主要对域内流量工程问题进行讨论， 的内容同样适用于b g p 的情况。 因此本部分主要以i g p 举例。实际上本部份讨论 8 基于m p l s 的i n t e r n e t 流量工程系统设计一r s v p t 信令协议的设计实现 那么，有没有办法使流量同时通过两条路径被传输呢? 很容易想到很多 i g p 协议( 比如o s p f 、i s i s ) 都提供的一个特性等开销链路均分负载 ( e c m p ) 【8 】。比如，将链路( r 4 ，r 5 ) 的度量设置为2 ，其余链路的度量设 置为1 ，那么在r 4 计算路由表的时候，它到r 3 就存在两条等开销路径，下一 跳分别是r 5 和r 7 ，也就可以采用e c m p 技术将流量t 1 和t 2 分拆到两条路 径上去。这尽管从一定程度上解决了问题，但仍然不够，我们可以对例子做更 详细的假设来说明这一点。 我们假设从r 2 到r 3 的流量t 1 是1 0 0 m b p s ，从r 1 到r 3 的流量t 2 是 5 5 0 m b p s 。链路( r 6 ，r 3 ) 的容量是2 g b s ，( k s ，r - 6 ) 的容量是1 5 0 m b s ，其 余链路的容量是6 2 0 m b s 。显然，在使用e c m p 技术之前，这样的网络同时传 送流量t 1 和t 2 是肯定要出现拥塞的。现在使用e c m p 技术将流量平均分拆到 两条路径上去，每条路径上所分到的流量是( 5 5 0 + 1 0 0 ) 2 = 3 2 5 m b p s ，这 仍然没能完全解决问题，链路( r 8 ，r 6 ) 仍然会被阻塞。 那么，i g p 是否可以提供按比例分配流量的机制呢? 比如，根据链路的实 际容量情况，将流量按1 ：4 的比例分配，也就是通过路径r 4 一r 5 一r 6 传送( 4 5 ) ( 5 5 0 + 1 0 0 ) = 5 2 0 m b p s 的流量；通过路径传送( 1 5 ) x ( 5 5 0 + 1 0 0 ) = 1 3 0 m b p s 的流量。如果这样的话，整个网络的性能倒是很好的得到了提升。但很遗憾的 是，i g p 协议是不可能提供按比例分配流量机制的! 首先，i g p 往往并不关心网络可用带宽情况。其次，即使管理员可以根据 网络可用带宽情况设计合适的链路度量，进而达到按比例分拆流量的目的，这 也意味着i g p 需要在按照某个度量计算出来非最短路径上转发流量，最终导致 网络难以收敛，这一点可以用图2 - 4 所示的拓扑情况来说明。 r b 图2 。4i g p 不能提供按比例负荷分担机制的说明 图中每条链路上的数值就是管理员根据希望的流量分拆目的设置的相应度 基于j i p l s 的i n t e r n e t 流量工程系统设计一r s v p t e 信令协议的设计实现 量值。现在假设有流量从r a 到r c ，那么在r a 上，每条路径分担的流量比例 应该为 鬓灞缕添瀛黼篓羹骥鬓薹攀鬻i 鬻馥删藿闭雾i r a r b l i n k l 2 04 0 r a r b l i r l k 24 02 0 r a r c2 04 0 因此，总共有6 0 的流量被转发给了r b 。但是，r b 并不会因为这6 0 的 流量来自于r a 就不再会转发回r a ( 如果流量仅仅按照最短路径被转发，这一 点是可以避免的) ，它仍然会计算自己的路由表，并得出结论，应该按照下面表 中的比例转发流量： 隧荔蒺羹冁戮滋羹黼遴瓣簇黧荔黪精黧委聋鬻 r b 啼r a _ r c3 02 0 l i n k l1 0 6 0 l i n k 23 02 0 于是，有2 0 的流量又转发给了r a ，然后这2 0 中的6 0 又会被转发给 r b 如此，重复，整个网络难以收敛。总体来说，i g p 不能提供按比例分担 负荷的能力和它的逐条路由选择机制有关系，i g p 缺乏进行显式路由的能力。 总结起来，尽管通过灵活的路由选择算法度量值设定和e c m p 机制，传统 的动态路由协议能够提供一定程度的流量控制能力，但对流量工程的目标来说， 这还远远不够，具体体现在； i g p 并不关心网络的带宽情况，它只关心某个度量意义上的最短路径。 实现流量工程的目标需要这样的路由机制：它不仅仅就某个衡量尺度 ( 比如管理距离) 而言是最优的，而且还考虑了各条链路上的可用带 宽。 传统的i g p 为每个四分组进行独立选路，选出来的路仅对该口分组 而言是最优的，缺乏全局的考虑，这导致了整体网络资源利用效率的 低下。 基于m p l s 的i n t e r n e t 流量工程系统设计一r s v p t e 信令协议的设计实现 传统的i g p 是逐跳的选路机制，缺乏显式路由能力。如果希望在多路 径上按比例分担负载，需要显式路由机制的帮助。 为了流量控制而设置的度量值的往往是静态的，对网络变化情况进行 实时响应较为困难。 2 4 2 叠加模型 所谓叠加模型，是指口网络叠加在另外一个提供虚电路能力的网络上建立 ( 典型的：a t m 或帧中继) ，i p 网络的流量工程能力依靠下层网络提供。图2 - 5 是i p o v e r a t m 网络的典型体系结构图。 图2 - 5i po v e ra t m 网络的典型体系结构图 在叠加模型中，口网络的流量工程支持是依靠下层网络的虚电路提供的。 现在我们仍然以图2 3 中的鱼型问题为例，分析叠加模型中的流量工程支持。 我们以i p o v e r a t m 的情况为例进行讨论，具体拓扑如图2 - 6 所示。 r 1 a t m 2a t m 3 图2 - 6 叠加模型情况下的鱼型问题一物理拓扑 在这种情况下，网络的骨干部分全部采用的是a t m 交换机直接相连。在 基于m p l s 的i n t e r n e t 流量工程系统设计一r s v p r e 信令协议的设计实现 这些a t m 交换机上建立了一定的虚电路连接，使得网络边缘的所有路由器变 成了逻辑上的全连接，如图2 7 所示。 a 【。mc o r e 图2 7 叠加模型情况下的鱼型问题一逻辑拓扑 具体每条逻辑链路映射到了那些物理链路上，这是a t m 网络虚电路连接 信令所解决的问题。我们可以再回到上一节所给出的具体例子，看看在叠加模 型中是如何解决这个问题的。这个问题的具体情况是；从r 2 到r 3 的流量t l 是1 0 0 m b p s ，从r 1 到r 3 的流量t 2 是5 5 0 m b p s ；链路( a t m 5 ，1 1 3 ) 的容量 是2 g b s ，( a t m 3 ，a t m5 ) 的容量是1 5 0 m b s ，其余链路的容量是6 2 0 m b s 。 在叠加模型的情况下，可以配置两条永久虚电路：p v c l 通过路径 a t m l 一a t m 2 一a t m 3 一删5 ；p v c 2 通过路径a t m l a t m 4 一删5 。然后， 让流量t 1 通过p v c l 传输，流量t 2 通过p v c 2 传输，如图2 - 8 所示。 显然，流量t 1 和t 2 都能够实现无阻塞式的发送，端用户能够享受到低时 延、低分组丢失率的服务；网络中的所有链路也会没有阻塞，没有低利用率的 链路，流量工程的目标在叠加模型中能够很好的实现。 基于m p l s 的i n t e r n e t 流量工程系统设计一r s v p t e 信令协议的设计实现 a t mc o r e 图2 - 8 叠加模型解决流量工程 但是，叠加模型中流量工程能力的获得毕竟依靠了下层网络，这也为叠加 模型带来了很多致命缺点： 需要建立和管理两个采用了完全不相同的技术的网络，这直接导致了 网络建设成本的加大，网络结构复杂程度的增加，网络管理维护难度 的上升。 可扩展性上的麻烦。当路由器是全连接结构时，现在常用的路由协议 会遇到巨大的麻烦。当网络节点总数为n 时，一旦某条链路失效，网 络上大概会出现正比于n 2 的泛洪信息；如果某个节点失效，网络上大 概会出现正比于n 3 的泛洪信息，这对路由器的c p u 资源和网络带宽 资源都是一个极大的浪费。 在把可变长度的d 分组封装到定长为5 5 个字节的a t m 信元时效率低 下，会造成大概2 0 的网络带宽浪费。 以上总总，再加上a t m 技术本身在现今通信市场中的尴尬地位，都决定 了我们指望通过叠加模型来解决i n t e m e t 的流量工程问题是不那么现实的事情。 2 5 本章小结 本章首先定义了流量工程的概念，然后分析了流量工程技术要实现的目标 基于m p l s 的i n t e r n e t 流量工程系统设计一r s v p t e 信令协议的设计实现 并与q o s 的概念进行了对比。接下来，我们引入了理想流量工程系统的模型， 分析了个理想流量工程系统的处理步骤和组成模块。大体上，流量工程的关 键问题可以认为是两个：流量测量和流量优化。流量测量包括如何对网络流量 进行测量，获取网络资源模型和网络流量模型，得到流量矩阵信息，为下一步 的分析优化作准备，这方面的具体技术不是本论文讨论的重点。另一个问题就 是采用什么样的流量控制技术，去有效的控制网络流量，从而解决根据流量测 量情况发现的问题，进行相应的优化。 传统的控制i p 流量如何穿越网络的手段是利用动态路由协议，通过改变特 定链路的度量的方式我们可以获取一定程度上的流量控制能力，但这毕竟是很 有限的。在本章