（通信与信息系统专业论文）基于opnet的mpls网络流量工程的仿真研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 下一代网络( n g n ，n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ) 是一个规模庞大的基于i p 的多业务综合性 网络，其拓扑结构错综复杂，业务流种类繁多，不确定事件在整个网络中大量存在，对于网 络的运营者，如何真实客观的评估当前的网络状态、合理高效的使用网络资源、对各种不确 定性事件制定出快捷有效的预防处理机制、使网络中的各种业务流量在符合各种要求的前提 下从源端畅通无阻的到达目的端将是一个非常复杂的网络流量优化问题，流量工程( t e ， t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 就是为解决这一问题而提出的。目前对骨干网技术的研究中，多协议标签 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 i n g ) 的流量工程技术( m p l s t e ) 最能胜任n g n 流量 工程的任务，它将流量工程功能集成到网络核心的第三层，并通过路由信息发布协议和标签 发布信令协议使部分的工作自动化。 流量工程的实施涉及到网络资源的调整和更新，需要耗费一定的人力和物力，其效果也 需要相当长时间的检验，因此为了降低网络投资的风险，通常要对其进行仿真，以初步检验 其必要性和有效性。o p n e t 仿真软件是现在专业主流的大型网络仿真工具，它为开发人员 提供了建模、仿真以及分析的集成环境，能够对网络环境进行比较真实的模拟，得到大量能 够反映和预测网络性能的客观可靠的数据，从而有针对性的进行网络性能评估和参数调整， 给网络工程的实施带来了不可或缺的定量和定性的依据，提高了网络规划和设计的准确性和 科学性。 本文在对前述问题讨论的基础上，首先创建了支持o s p f 协议的同一拓扑结构的三个网 络场景：运行普通o s p f 协议的场景、运行具有区( a r e a ) 路由功能的o s p f 协议的场景、运 行o s p f t e 协议的场景，并对o s p f 协议在这三个场景中的性能表现进行了对比和分析， 初步阐明了使用o p n e t 软件进行仿真的基本原理和方法；然后，文章将d i j k s t r a 算法应用 于m p l s 网络中以支持流量工程，在o p n e t 中通过编程和设置来具体实现，并通过o p n e t 仿真进行了验证，仿真结果的分析研究表明，这种算法在一定程度上提高了网络中资源的利 用率和流量的负载均衡，为流量工程的可控性提供了科学的依据。 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 a b s t r a c t n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ( n g n ) i sal a r g e - s c a l ec o m p r e h e n s i v en e t w o r kw i t hm u l t i 。s e r v i c e b a s e do ni p 1 1 t o p o l o g yo fn g ni sv e r yc o m p l e x a n dt h e r ea r ea l lk i n d so ft r a f f i ci n c l u d i n ga l a r g eb u n d l eo fu n c e r t a i ne v e n t se x i s t i n gi ni t f o rt h en e t w o r ko p e r a t o r s i t sd e f i n i t e l ye r u t i a lt o s o l v ec o m p l i c a t e dq u e s t i o i l sa b o u tw a i v eo p t i m i z a t i o n , s u c h 鑫sh o wt o u d g et h ec u r r e n ts t a t eo f t h en e t w o r ko b j e c t i v e l y , h o wt ou s et h en e t w o r kr e s o u r c e se f f e c i t i v e l y , w h a tk i n do fp o l i c i e s s h o u l db ea d o p t e dt od e a lw i t i lt h en u m e r o u su n c e r t a i n t i e sp r o m p t l y , a n dh o wt ol e a dt h ev a r i o u s t r a f f i cf r o ms o u r c et od e s t i n a t i o nu n b l o c k e d l y 舜a 缳ce n g i n e e r i n g ( 疆) c o m e sf o r t ht os o l v et h e a b o v eq u e s t i o n s i nt h ec u r r e n tr e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g i e so fb a c k b o n en e t w o r k m u l t i p r o t o c o l l a b e ls w i t c h i n gw i t ht r 棚ce n g i n e e r i n gs u p p o r t ( m p l s - t e ) i st h em o s tq u a l i f i e dt e c h n o l o g yt o a c h i e v ot h et eg o a li nn g n 。i ti n t e g r a t e st ei n t ot h ec o r eo fn e t w o r k 。a n da u t o m a t i z et h et e w o r kt h r o u g hs o m em u t i n gi n f o r m a t i o np r o t o c o l sa n dl a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c o l s 1 1 1 ei m p l e m e n t a t i o no ft et e c h n o l o g yc o n c e r n st h ea d j u s t m e n ta n du p d a t eo fn e t w o r k r e s o u r c e s ，a n di t sc e r t a i n l yn o tas m a l lp r o j e c tf o rn g n ，s ot h a ti tw i l lc o s tag r e a td e a lo f m a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e ，a n di tc a n tb ed o n ei nas h o r tt i m ef o rm a n yo t h e rr e a s o n s ； f u t h e rm o r e ，e v e ni fi tw a si m p o r t e di n t on g n ，i tw i l lt a k eal o n gt i m et op r o v et h ee f f e c t s c o n s i d e r i n gt h e s ed e t a i l s ，w en e e dav i r t u a ls i m u l a t i o no ft eb e f o r ei t sp r a c t i c a l l yu s e di nn g n b yu s i n gs i m u l a t i o no no n eo rt w oc o m p u t e r s ，n e t w o r ko p e r a t o r sc a nc h e c kt h en e c e s s i t ya n d e f f e c to ft et or e d u c et h er i s ko fi n v e s t m e n t 0 p n e t ( o p t i m a ln e t w o r ke n g i n e e r i n gt o o l s ) i s s u c hp r o f e s s i o n a ls o f t w a r et oh e l pn ss i m u l a t et h er u n n i n go fn e t w o r k s i t so n eo ft h em o s t p o p u l a rn e t w o r ks i m u l a t i o nt o o l sp r o v i d i n ga ni n t e g r a t e de n v i r o n m e n to fm o d e l i n g s i m u l a t i o na n d a n a l y s i so ft h en e t w o r kf o rt h en e t w o r kp l a n n i n ga n dd e s i g n a f t e rt h es i m u l a t i o n ，w ec a ng e ta m i l l i o nn u m b e r so fd a t at h a tc o v e rn e a r l ya l lp e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r ke l e m e n t s a n di f n e c e s s a r y , l e to p n e th e l pu sa n a l y z et h e m ，t h e ng i v eu ss o m es u g g e s t i o n sf o rr e c o n s i d e r i n g p r o v i d e dw i t ht h e s es c i e n t i f i cb a s i s ，n e t w o r ke n g i n e e r i n gi sg r e a t l yi m p r o v e di na c c u r a c ya n d r e l i a b i l i t y b a s e do nt h et o p i c sd i s c u s s e df u r t h e ri nt h ef o u o w i n gc h a p t e r s ，i no n ee x a m p l eo ff o u r s c e n a r i o s ：r u n n i n gg e n e r a lo s p f ( o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ) p r o t o c o ln e t w o r k ，r u n n i n g0 s p f a r e a ( o s p fw i t ha r e ar o u t i n gs u p p o r t ) p r o t o c o ln e t o w k ，r u n n i n g0 s p f f e s p fw i 侥协笾c e n g i n e e r i n gs u p p o r t ) p r o t o c o ln e t o w k ，a n dr u n n i n g0 s p fp r o t o c o lw i t hi i n kf a i l u r ea n dr e c o v e r y n e t w o r k ，t h i sp a p e fi n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fu s i n g0 p n e tt os i m u l a t e0 s p f p r o t o c o l ；a n di na n o t h e re x a m p l e w eu s ed i j k s t r aa l g o r i t h mi n 圣艘l s t ea c h i e y e da n dv e r i f i e d t h r o u g ho p n e t n l er e s e a r c ha n da n a l y z eo ft h er e s u l t ss h o w st h i sm e t h o dc a ni m p r o v et h eu s a g e o ft h en e t w o r kr e s o u r c e s ，b a l a n c et h et r a f f i cl o a da n dp r o v i d et h es c i e n t i f i cp r o o fo ft ec o n t r 0 1 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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：每垫划吼型 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。 始趔一名弛期：型 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工 学通信与信息系统 研究方向： 网络与应用技术 作者：2 0 0 4 级研究生 鲁志刚指导教师唐宝民 题目：基于o p n e t 的m p l s 网络流量工程的仿真研究 英文题目：t h er e s e a r c ho ft eo fm p l sn e t w o r kb a s e do n0 p n e t 主题词：o p n e t仿真 多协议标签交换 建模下一代网络 流量工程负载均衡 k e y w o r d s ： o p n e ts i m u l a t i o n m o d e l i n g n g n m p l st ek a d b a l a n c i n g 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 第一章引言 1 1课题研究的背景和意义 在需求的驱动下，网络的i p 化越来越明显，随着i p 网络规模的迅速膨胀和数据量的激 增，网络拓扑结构越来越复杂，网上业务类型越来越多样化，从网络边缘到主干网的业务流 不仅要求传输的可靠性，而且要求具有预见性。传统i p 技术的尽力而为( b e s t e f f o r t ) 机制和 最短路径优先( s p f ，s h o r t e s tp a t hf i r s t ) 算法给i p 网络带来了很多缺陷，使得网络不能保证语 音、多媒体等业务的传输质量要求，出现故障后无法快速的实现网络的重新聚合，无法平衡 网络负载，导致部分网络资源过载，而另一部分资源却未得到充分利用。网络运营商需要一 种更有力的方式来评估和控制网络资源，使其能够在满足各种业务的服务质量( o o s ，q u a l i t y o fs e r v i c e ) 的前提下，将各种业务流以最优的布局分布到自己的网络中，让自己的网络具有 更高更有效的可用性，流量工程的概念便应运而生，经过一段时间的研究和探索，i t u t 和 i e t f 等标准化组织纷纷制定了自己的流量工程标准，并在不同的网络环境中予以细化。 从2 0 世纪9 0 年代开始的网络演化大致分为三个历史时期，即以路由器为核心的网络、 i p 与a t m 重叠的网络以及以m p l s 为核心的网络。在早期的以路由器为核心的网络中，流 量工程是通过简单的使用路由开销值来实现的，因为那时无论从路由器数量、链路数量还是 业务量来讲，i n t e r n e t 主干网都是非常小的，拓扑层次也强制业务通过网络中较为确定的路 径，不会产生临时的“热点 ( h o tp o i n t ) ，所以基于开销的控制在那时是足以胜任的。到了 2 0 世纪9 0 年代中期，i n t e m e t 业务量得到了空前的爆炸性增长，网络运营商需要将他们的网 络主干支持高于t 3 ( 4 5 m b i t s ) 的速率，幸运的是，这时在交换机和路由器上o c 3 ( 1 5 5 m b i t s ) 速率的a t m 接口出现了，运营商需要重新部署自己的网络，在网络中加入了新的路由器和 交换机( a t m 和帧中继) ，以提供更高的速率。但是这些支持i n t e m e t 主干业务的a t m 核心 网由各大运营商所有，这种核心网的基础结构与其他运营商的数据业务完全分离，所有业务 通过a t m 核心网时使用不确定比特率( u b r ，u n s p e c i f i e db i tr a t e ) 的a t m 服务等级，为了 解决这种“人为”带来的麻烦，a t m 网络的所有者般要凭经验来根据因特网服务提供商 ( i s p ，i n t e m e ts e r v i c ep r o v i d e o 的需要调度永久虚电路( p v c ，p e r m a n e n tv i r t u a lc i r c u i o ，或者 通过一些行之有效的脱险工具计算完成后再进行调度。目前大部分网络运营商都在重叠 ( o v e r l a y ) l 拘模式下运作他们的网络，在这种模式下数据包的传输工作由第二层的交换管理， 路由器负责找到最佳的路径。然而，路由器并不能真正了解网络链路的实际情况，它所看到 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 的只是一个网络化的虚拟拓扑结构。m p l s 流量王程能够提供和重叠模式间样的流量控制功 能，但是不需要在路由器之间实现网络化的拓扑连接，而且流量工程是在不需要重新建网的 前提下优化现有的网络，这也是为什么m p l s t e 能成为深受运营商欢迎的应用之一。 1 2 网络仿真的背景介绍 网络运营商虽然看到了m p l s t e 将有可能给在n g n 中发挥一定的优势，但在部署 m p l s t e 的时候仍然会谨慎评估，量力焉行，为规避风险，前期需要徽大量的实验工作。 传统网络设计和规划方法主要靠经验，对于复杂的大型网络，很多地方由予无法预知而抓不 佳设计的要点，因此越来越需要一种薪的髓络规划和设计手段，为两络建设提供客观、可靠 的定量依据，缩短周期，提高决策的科学性，网络仿真作为一种新的网络规划和设计技术应 运两生，逐渐成为网络设计、规划和开发中的主流技术。隧络仿真技术是一种通过建立网络 设备、链路和协议模型，并模拟网络中各种元素的行为，从而获取网络设计或优化所需要的 网络性能数据的仿真技术。在囡外，网络仿真技术的研究和应用已经有数十年的历史，我国 网络仿真虽然起步较晚，但是网络的迅猛发展以及美国解除高端网络仿真软件出口的限制， 极大的推动了我国网络仿真技术的研究。网络仿真技术的应用十分广泛，它可戬应用于各种 通信系统的设计、规划以及运营，包括有线网络仿真、卫星通信系统仿真、地面无线通信系 统仿真等，但由于网络仿真对象的复杂性，使得网络仿真本身建模过程比较复杂，键界上雷 前较为流行的网络仿真软件主要有o p n e t ( o p t i m a ln e t w o r ke n g i n e e r i n gt o o l s ) 、n s f n e t w o r k s i m u l a t o r ) 等。o p n e t 是商业软件，现在已发展到版本1 1 5 ，它最早在1 9 8 6 年由麻省理工学 院的两位博士创建的，从1 9 8 7 年开始商用化，用户遍布全球，包括网络运营商、仪器设备 商以及军事、科教、银行、保险等领域。它主要面向的用户为网络设计专波人士，能够满足 大型复杂网络仿真的需要，界面错落有致，统一严格，功能强大；n s 是翻由软件，目前现 在爵发展到新版本n s 2 ，普及度较高，是目前o p n e t 最强有力的竞争对手。o p n e t 和n s 各有优缺点，但对于更加专业的大型网络仿真，我们更倾向于使用o p n e t 。 1 3 用o p n e t 进行下一代网络流量工程( n g n - t e ) 仿真的意义 n g n 发展的特点是：一，包括文本、声音、视频、数据的多种类型的网络日益走向融 合，霉定网和移动瓣的融合是n g n 要实现的曩标之一；二，霹络酌规模越来越大，拓扑结 构越来越复杂；三，网络的业务量总的趋势在加大，网络流量的变化更加频繁。这些特点导 致了n g n 中的流量分布不均衡，网络瓷源的利用率不高，从而导致更多深层次的闻题，如 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 时延、带宽等q o s 问题，鉴于此，n g n t e 变得必不可少，然而一个流量工程策略的实施 是否会有效? 网络中可能存在的流量瓶颈在什么地方? 如果扩容，网络主干链路带宽需要扩 大多少? 增加新的业务对网络性能有什么影响? 影响多大? 如果某个节点或链路出现故障， 流量会出现怎样的变化? 如何采取有效的策略来应对? 显然，如果能对上述问题在实际中一 一进行实验是不现实的，因此，如果能进行逼近真实的仿真，由仿真技术来给我们作出正确 的预估和评测正是一件我们求之不得的事情；而o p n e t 就是这样一种软件，它能使用模型 建立网络的拓扑结构，定义存在的问题，运行逼近真实的仿真，并能收集各种需要的统计量， 分析、比较并发布仿真结果，是一种十分强大的网络r & d 仿真平台，它在世界上几乎所有 的网络运营商、设备商、研究院所中都有应用，国外的如c i s c os y s t e m 、l u c e n t 、m o t o r o l a 、 e r i c s s o n 、a l c a t e l 、n o r t e l 、s i e m e n s ，国内的如华为技术、中兴通讯、大唐电信、国家邮电 科学研究院、信息产业部电信规划设计院、北京邮电大学国家重点实验室等，许多网络己成 功的建立o p n e t 的网络模型，在仿真之后也已实际的部署，真实的运营状况与之前的 o p n e t 预测的仿真结果相差无几；还有一些网络通过对建立的仿真模型的拓扑、流量、协 议等参量进行调节优化，取得较好的结果后应用在实际网络中，得到了很好的改善效果。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章下代网络的流量工程 第二章下一代网络的流量工程 2 。1 下一代网络的业务流 在用户需求、竞争、科技这三大主力熬推动下，下一代业务( n g s ，n e x tg e n e r a t i o ns e r v i c e ) 受到各标准化组织、研究单位、网络运营商、设备开发商、服务提供商的广泛关注，n g n 将是一个业务雄动的网络。n g s 不但包括了现有嘲络提供的各种业务，丽且还含有各种综 合的、新型业务。目前国际标准化组织多按阶段对n g n 业务进行分类。如i t u tf g n g n r e l e a s el 将n g n 业务分羌多媒体业务、p s 烈定s 淋模拟业务、互联溺业务、公共业务和其 他业务等6 种类型，其中多媒体业务主要包括实时语音会话业务、消息类业务、交互业务、 内容传递业务、企业托管业务、按讲业务、推送业务及广播，多播业务等。下图2 1 是n g n 的功能结构图： 鼬l 矗：薹投、试餐、诗羹 a 6 ：墨入瞒篾 g w ：弼芙 i 柚：蟹8 擞 设 赋粕：缘鸯渡秀羹事目 洲：愚硪髑 m 轴i o ：多业翳蟹入啊芙 s ：窟带赣入曩务曩 耗憾：瞬绔鼍爱慕统 p b x ：用产小交决玑 蓐帆：公双疑按电话啊 s c p ：业劈穗捌点 s o ：毽令晴荧 偈：中黛嘲关 w a o ：无蠛壤入孵焚 2 - 1n g n 功能结构图 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章下代网络的流量工程 n g n 中包含的业务漉虽然形式多样、菲富多彩，但仍然有其特点： ( 1 ) 突发性和缓发性相结合 ( 2 ) 轻重业务流相混合 ( 3 ) 优先级别差异较大 ( 4 请毛率分靠以泊松分布为主，僵在髑部和菜段时闻内可以存在更为复杂的分布，或者也 可以简化概率分布近似。 2 2 基于m p l s 的下代网络的流量工程 m p l s 网络中一个重要的应用就是通过m p l s 网络架构来实现流量工程，达到优化网络 整体性能的网的，并使流量工程的自动实现成为可能。在本节中将首先对m p l s 网络的体系 结构进行了简单的介绍。其次对网络中流量工程的概念和原理进行探讨，介绍了流量工程的 实现技术和应用。最后在此基础上从整体和具体实现细节上对m p l s 网络中的流量工程技术 进行研究。 2 2 1 m p l s 网络体系简介 m p l s 弓| 入了一种基于固定长度标签的面南连接的转发方式。这种固寇长度的交换概念 与a t m 和帧中继网络相似，但也有区别。m p l s 目前应用了基于i p 的网络。在o s i 网络七 层参考模型中，m p l s 处于数据链路层和网络层之间的位置。m p l s 在将蓊惫连接的概念弓| 入无连接的i p 网络的同时，也提供了在这些网络中进行流量工程和流量管理的新方法。a t m 网络中的电路交换( 虚电路模型拥有带宽预留、牲能管理以及流量管理等优点。m p l s 为疆 网络提供了电路交换模型的这些优点，同时保持了i p 网络中固有的可扩展性和灵活性。 m p l s 源于早期的i p 交换解决方案，因此它的体系结构基于弹交换熬想法、概念和组 孛。 其基本目标是简化路由器入口处对网络层帧头的分析过程和转发等价类( f e c ，f o r w a r d i n g e q u i v a l e n c ec l a s s e s ) 分配功能的过程，改善选路的性能和成本。尽管m p l s 面向多协议，然 而它主要还是支持协议。在传统i p 转发机制中，每个路由器首先分析包含在每个分组头 中的信息，然盖解析分组头、提取目的地址、查询路由表、决定下一转接点的遗址、计算顿 头的校验、递减t t l 、完成合适的出口链路层封装，最后发送分组。m p l s 网络采用标准分 组处理方式对第三层的分组进行转发、采用标签交换对第二层分组进行交换。在m p l s 中， 从i p 分组到f e c 的映射只在l s r 入口处进行此操作，而且f e c 被转换成一个具有固定长 度的标签。标签被粘贴在i p 分组头上。入叠路瞻器不是将f e c 映射到下一节点的路壶器， 气 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章下代网络的流量工程 而是在分组上添加表示分组归属f e c 的一个标签。在下一节点的路由器上，因为该分组己 经与f e c 关联，所以没有必要在检查网络层的帧头。m p l s 是通过三步完成标签交换的，首 先在分组上添加表示分组归属的f e c 关联标签，然后使用标签值转发分组，最后检索一个 包含出口和新标签的连接表并用新标签替换旧标签。标签是局部有效的且表达了分组转发的 全部行为。执行了标签绑定的数据包按照标签交换路径( l a b e ls w i t c hp a t h ，简称l s p ) 来转发 分组。通常l s p 的建立使用如o s p f 、b g p 等常规的i p 选路协议。另外m p l s 可运行在任 何链路层上，例如a t m 、帧中继或点到点( p p p ) 协议。图2 2 是一个m p l s 网络域，它由6 个l s r 组成，其中4 个是l e r ，图中还表示出了一条经过三个l s r 的l s p 。 图2 2m p l s 域示意图 分组在m p l s 网络中传输的过程为：分组在到达入口路由器后，入口路由器根据分组的 目的地址、q o s 要求等，为分组分配一个固定长度的标签。标签添加在数据链路层与网络 层之间。当到达下一跳路由器后，只是简单的根据到达分组的标签，在标签表中查找匹配的 输出标签替换原有的标签，然后将分组转发到下一跳路由器。当分组到达出口倒数第二跳路 由器时弹出标签栈，去掉m p l s 头，从出口路由器离开m p l s 域。 2 2 2流量工程概述 在对基于m p l s 的流量工程进行介绍之前，首先对流量工程的概念进行探讨。流量工程 就是一种能将业务流映射到实际物理通路上，同时又可以自动优化网络资源以实现特定应用 程序服务性能要求的、具有宏观调节和微观控制能力的网络工程技术。 2 2 - 2 _ 1i n t e r n e t 上流量工程的必要性 随着i p 网络的进一步发展，越来越多新出现的业务要求i p 网络不仅能提供信息传输的 可靠性，而且要能对信息传输的过程具有可预见性，用户甚至要求他们使用的网络在任何情 况下都能提供相对稳定的优良性能服务。这些要求就迫使网络运营商改善网络基础设施，如 6 南京邮电大学硕士研究生学能论文 第二章下代网络的流量工程 使用更先进的交换机实现业务处理、采用高带宽的光纤介质作为传输介质等，以满足高速数 据传输的需要。但是这只能在定程度上缓解用户数据传输带宽和q o s 保证的压力。因为 传统诤网络的路由体系如内部网关协议i g p 的o s p f 、r i p 与外部网关协议e g p 的b g p 4 等，只能提供数据传输的可达性服务，不具有全网资源利用的调节能力。这些算法的使用很 大程度土会导致网络中传输的数据流可能聚到嗣链路上或者说楚同一节点的同一接口上， 从而引起网络局部严重拥塞和网络资源利用率大大下降。因此，采用这些算法的因特网根本 没有动态的路由调整和灵活的网络控制能力，受不用说对用户提供可预见的q o s 信息传输 性能服务。而流量工程t e ( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 就是一种可用来控制网络资源使用，提高网络 性能，解决上述闻题的网络姿源调控技术。网络中流量工程的爱的就是提高、优化网络性麓， 一般说来，因特网中流量工程实施的主要目标是实现网络操作的高效、简明和优化网络资源 利恶，提高溺络中的业务服务性能。流量工程露蔫己成为大型a s 系统必不可少的功缝。实 际上，流量工程的提出是电信和计算机界要求网络不但簧适应如w e b 那样一般数据传输服 务，更要能应焉实时数据流的传输，尤其是音频数据流和视频数据流的传输。 簟为不嗣地区 人们之间进行通讯的基本设施之一，因特网正扮演着越来越重要的角色，流量的指数增长迫 使网络操作要高效地利用网络资源，薪的应用还要求网络提供具有q o s 保证的服务。通过 t e 的应用，达到高效智能化利用网络资源的目的和一种灵活的对网络服务需求变化响应的 能力。就当前流量工糕的应用来说，它有两个关键点：负荷均衡与网络恢复。现在使用豹因 特网上，复杂的控制功能已从网络中的设备移到终端设备上，这种控制技术就是t c p 流量 控制，t c p 是一种基于窗譬策略韵徽层拥塞控制法，它的基本观点是有了t c p 焉，两络不 再介入质量控制，而只是完成简单的传送功能。但是随着因特网在社会中地位的上升并成为 全球必不可少的通信基础设施之后，传统的t c p 办法己无法满足q o s 要求和流量工程要求。 2 。2 。2 。2流量工程处理模型 从概念上讲，嬲络由需求系统( 流量) 、受限系统( 互联的网络单元) 和响应系统( 网络协议 及处理) 组成。流量工程为网络的三个方面建立参数和操作点，实质上，它是一个控制问题。 流量工程处理模型包括醒个阶段：铡定控制策略、窥测躁络状态、确定流量特征和分析网络 状态、优化网络性能，如图2 3 所示： 7 南京邮电大学硕士研究生学俄论文 第二章下代网络的流量工程 毫 制定控翩策喏 参譬鎏舞、 卜呻f 磊忑赢 策略一户引銎竺竺兰茎至 否 确定濂叠和 网络状态特镬 i 图2 3 流量工程处理模型示意图 2 2 3 基于m p l s 的流量工程技术 性能盥潮 错溟燕游 分析模邀 容量怒潮 网络设计 弼终运行管理 容盈增加 配篓控嚣l 基于m p l s 的流量工程技术不但可以实现传统流量工程优化网络性能的目的，而且可以 完成一些扩展的流量工程的能力。最重要的是，m p l s 流量工程露以使网络管理员扶烦琐的 手动调节困境中解脱出来，实现流量工程的自动化。利用m p l s 实现流量工程可以为关键业 务避免或减轻拥塞所带来的影响，并可以实现端到端的q o s 保证。 2 。2 3 。1m p l s 流量工程的总体架构 m p l s 流量工程将面向连接的特性引入i p 无连接网络，通过特定的策略把流量转移到 预先指定路径的l s p 上，避开网络中拥塞的节点，提高对网络资源的利用效率。m p l s 实现 在线流量工程的基本思想是通过扩展最短路径优先( s p f ) 算法的路由协议( o s p f 或者l s i s ) ， 将网络中的链路信息局部扩散，每个l s r 收集拓扑和资源信息形成流量工程数据库( t e d ， t r a f f i ce n g i n e e r i n gd a t a b a s e ) 。为基于约束需求的流量建立l s p 隧道时，可采用约束路由算 法，依据当前流量工程数据库中的内容，计算l s p 途经的路径。l s p 的具体建立工作由i e t f m p l s 工作组所定义的信令协议完成。在m p l s 流量工程中主要良以下几个组件构成，如图 2 4 所示： 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章下一代网络的流量工程 图2 4m p l s t e 功能框架 ( 1 ) 信息发布组件：通过部分路由协议( 目前有o s p f 和i s i s ) 在局部范围内发布网络拓扑 的可达性信息的同时，携带链路的约束特性( 主要是带宽资源) ，为l s r 收集路由信息和建立 流量工程数据库提供信息。 ( 2 ) 约束路由计算及选择组件：l s r 依据流量工程数据库和管理策略，计算出满足约束 条件的可用路径。由于进行信息发布的路由协议都采用s p f 算法，路径计算模块也被称为 c s p f ( 基于约束的s p f ) 模块。 ( 3 ) 信令组件：当l s r 从c s p f 模块得到了需要建立的c r l s p 的明确路径后，信令协议 完成l s p 的具体建立过程。i e t f 定义了c r l d p 和r s v p t e 两种协议供运营商和设备商 在具体运用和实现时选择。在下文中对这两种协议进行了对比。 ( 4 ) 分组转发组件：该模块也被称为数据转发模块。m p l s 技术的最大特点就是将i p 的 路由选择和数据在链路上的快速转发分离，网络中的路由设备只需具备m p l s 的基本能力， 就能满足流量工程在分组转发模块方面的需求。 2 2 3 2 基于m p l s 流量工程的实现 m p l s 的网络体系主要由位于网络边缘的l e r 和位于网络核心的l s r 两大部分组成。 复杂的流量管理与控制功能主要集中在l e r 中完成，l e r 的流量管理与控制的实现过程如 下图2 5 所示： 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章下一代网络的流量工程 分类镟略 ii 接纳簧略ii 静态l s p 配置路由镶略 流分交器h接纳控制卜叫 信令过程i 路由选择过程 分类状态维护 分类状态信息库lli n p 状态信息库 拓扑与链路状 态佶息库 包分类器h漉警告管理hl s p 警告管理h 队列拥塞管理hs 图2 5m p l s t e 流量工程实现框图 l e r 需要对来自非m p l s 接口的业务流进行分类，以确定它在m p l s 中的转发特性。 m p l s 的控制平面需要提供一定的分类策略来决定业务流的划分，并确定其类型及其所能获 得的q o s 保证。在m p l s 中，i p 包头的信息与信令协议所传递的信息是进行业务流分类的 重要依据。业务流的分类操作包括流分类和包分类。在一个新的业务流到来时，l e r 首先对 其进行流分类，以便为它寻找一个合适的标签或l s p 与之绑定。若适合承载该业务流的l s p 尚未建立，则启动相应的信令过程为它建立一条合适的l s p 。在流分类的过程中，需要在节 点的状态数据库中建立起相应的f e c 与标签绑定的记录，供包分类时使用。包分类利用流 分类的结果，根据数据包头的信息查找数据库中与之匹配的记录，把数据包映射到相应l s p 。 当数据库中不存在匹配的记录时，则认为该数据包属于一个新的业务流，将需要启动流分类。 业务流的q o s 请求能否得到保证由接纳控制决定。接纳控制根据控制平面的接纳策略来决 定是否可以满足一个新的l s p 的建立请求，或是否能够实现对l s p 属性的修改。接纳控制 后，l e r 把业务流映射到适当的l s p 中，并设定l s p 的相关属性。然后通过执行一定的资 源预留和控制操作，为l s p 中的业务流提供相应的q o s 保证。l s p 建立后，为了将其高效 地映射到m p l s 的物理链路上，m p l s 系统必须选择合适的路由选择策略与机制。路由选择 策略决定系统采用何种路由算法寻找满足一定q o s 要求的路径，以及采用何种度量衡量路 径的优劣。路由选择机制则决定路由计算的方式，如采用源路由还是分布式路由计算，采用 按需计算还是预计算路由表等。m p l s 技术与基于约束的路由结合起来可为流量工程提供有 利的工具。此外，m p l s 节点还需要对网络的流量进行监视和控制，以保证业务流的特性与 其申请的服务协议及网络分配给它的网络资源相符，即所谓的流量警管。流量警管根据服务 协议的流量整形来防止网络资源被无意或恶意地过度占用，同时降低流量的突发度，改善其 统计特性，从而降低拥塞发生概率，提高网络性能。流量警管可以针对不同的粒度进行，它 的对象可以是一个单独的连接，可以是一条l s p ，也可以是整个客户域接口的流量汇聚。 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章下一代网络的流量工程 2 2 4m p l s 流量工程的信令控制协议 对于m p l s 流量工程，信令控制协议负责显式l s p 的建立和标签的分发。i e t fm p l s 工作组对显式路径( e r - l s p ) 的建立提出两种信令控制协议：基于约束的标签分发协议 ( c r l d p ) 和扩展的资源预留协议( r s v p t e ) 。 m p l s 通过建立起来的l s p 转发分组，l s p 按照路由选择的方式主要分为以下两种：控 制驱动( c o n t r o l - d r i v e n ) 的l s p ( 也称为逐跳h o p b y h o p 建立的l s p ) 和显式路i 扫( e x p l i c i t l y r o u t i n g ) 的l s p ( 也称为基于约束路由的l s p ) ，即e r - l s p 。控制驱动的l s p 是基于标签交换 路由器中由i p 传统转发表形成的标签转发表中的路由信息，每个l s r 独立使用传统的i g p 路由协议中的s p f 算法建立l s p 。 控制驱动的l s p 在路径的选择上与传统的i p 网络没有任何区别，而对于e r - l s p 路径 的建立，是在约束路径选择组件完成显式路径的计算之后，在m p l s 域的边缘，l s r 通过上 述两种信令协议按照指定的显式路径经过的l s r 建立e r l s p 。也就是说，e r l s p 是可以 由网络管理者或网络管理应用程序按照预先制定的策略选择路径，路径的选择与i p 转发表 无关。可以说e r - l s p 的使用是m p l s 实现流量工程的关键所在。 ( 1 ) 基于m p l s 流量工程的信令协议需求。支持建立显式路径的m p l s 流量工程的信令 协议应具有以下特征：第一是健壮性( r o b u s t n e s s ) ，信令系统必须保证能够可靠和及时地传送 信令消息，即使在网络发生拥塞和故障的情况下；第二是可扩展- i 生( s c a l a b i l i t y ) ，当扩大网络 规模时，网络的节点和链路也会随之增加的情况下，仍能保证传送的业务流所需的性能；第 三是支持描述q o s 参数，信令系统应能够传送说明业务流的流量需求( 0 h 最小有效带宽需求 等) 以及q o s 需求( o h 时延、丢失率等) 的消息：第四是支持建立管理拆除l s p 的功能，这要 求该信令系统能够有效管理l s p 的状态，并且在不拆除l s p 的状态下，可以按照需求修改 l s p 的属性参数( 如带宽需求等) ；第五是支持实现l s p 的优先级以及抢占功能；第六是支持 提供l s p 建立路径的灵活选项，要求信令系统可以支持建立松散( 1 0 0 s e ) 和严格( s t r i c t ) 意义上 的e r - l s p ，以及支持锁定松散e r - l s p 的路径的功能；第七是支持可选的建立路径和重路 由功能，路径重优化、弹性属性以及故障恢复功能对于实现在骨干网中传送可靠的业务流是 至关重要的。 ( 2 ) c r l d p 信令协议。c r - l d p 协议是对标签分发协议l d p 协议进行