（模式识别与智能系统专业论文）基于mpls的流量工程与qos的研究.pdf

摘要 随着计算机网络的快速友展，流量上程成为优化网络性能、解决网络传输 i- 1 题的重要课题。多协议标签交换 ( m p l s , m u l t i - p r o t o c o l l a b e l s w i t c h i n g ) 是 卜 一代网络的核心技术， 把流量工程建立在 m p l s 上是现在网络研究的热门问 题。论文研究的重点是建立基于 m p l s的流量工程，实现多媒体业务和实时业务 所要求的服务质量 ( q o s , q u g l i ? y o f s e r v i c ? ) ，以保证网络对q n s 的高效支 持。 路由机制是实现 q o s 保证的关键之一，论文在对 m p l s 技术和基于m p l s 的 流量工程( m p l s - t 日研究的 基础上， 提出了 关于约束路由的设 计创新。 首先， 论 文讨论了q o s路由动态路径的计算，和策略路由静态时的配置，把 q o s 路由和 策略路由集中在一个结构框架中，更好的发挥路由机制的优势。然后论文提出 了有效的策略规则和运行方法，设计了能够兼顾链路的有效使用和服务质量两 大因素的路由选择算法， 并且把约束标签分发协议 c r - l d p , c o n s t r a i n t - b a s e d r o u t e d l a b e l s w i t c h e d p a t h ) 应用在所设计的m p l s - t c 中， 对其进行详 细分析。 论文最后根据现有网络状态，提出了基于 m p l s流量工程的配置解决力案， 并对其进行了深入的仿真研究， 结果显示出论文所提出的一整套基于 m p l s 流量 工程方案对于改善我国网络性能的可行性。 关键词: mp l s ，流量工程， 服务质量，改善的约束路山，q o s路由，策略路 0 3 , c r- l d p ab s t r a c t wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f i n t e r n e t , t r a f f i c e n g i n e e r i n g h a s b e c o m e a c r u c i a l s c h e m e w h i c h c a n o p t i mi z e t h e p e r f o r m a n c e o f o p e r a t i o n a l n e t w o r k a n d s o l v e t h e p r o b l e m o f t r a n s p o r t i n g t r a f fi c fl o w s . d u e t o mp l s b e i n g t h e c o r e t e c h n o l o g y o f t h e n e x t g e n e r a t i o n n e t w o r k a n d e ff i c i e n t q o sb e i n g n e e d e d an d d e ma n d e d , t h i s p a p e r m a i n l y s t u d i e s t h e r e a l i z a t i o n o f q o s e n g i n e e r i n g w i t h mp l s . b y mu l t i f o r m s e r v i c e o n t r a ffic t h e d e s i g n a n d i n n o v a t io n o f a m e l i o r a t i v e c o n s t r a i n t - b a s e d r o u t i n g ( a c b r ) i s p re s e n t e d o n t h e b a s e o f t h e s t u d y i n g m p l s t e c h n o l o g y a n d t r a ff i c e n g i n e e r i n g w i t h m p l s . f i r s t , t h i s p a p e r d i s c u s s e s q o s r o u t i n g w h i t c h c a n c o m p u t e d y n a m i c p a t h a n d p o l i c y r o u t i n g w h i c h h a s s t a t i c c o n fi g u r a t i o n , t h e r e f o re t h e b o t h r o u t i n g m e t h o d s a r c i n t e g r a t e d t o i m p r o v e r o u t i n g f u n c t i o n i n t o a g r e a t d e g r e e . t h e p a p e r a l s o p r e s e n t s t h e e ff e c t u a l p o l i c y r u l e , d e s i g n s t h e r o u t i n g al g o r it h m w h i c h c a n e n h a n c e t h e u t i l i z a t i o n a n d q o s o f l i n k , a n d a n a l y z e s a p p l i c a t i o n o f c r - l d p i n m l ps- te. f i n a l l y , a n e x a m p l e i s d e s c r i b e d a c c o r d i n g t o o u r c u r r e n t n e t w o r k s t r u c t u r e . a n d s imu l a t e d勿 ns 2 . t h e r e s u lt s h o w s i t i s f e a s i b l e t h a t t h e mp l s - t e s c h e me p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r c o u l d a m e l i o r a t e o u r n e t w o r k p e r f o r m a n c e . k e y w o r d s : m p l s . t r a f f i c e n g i n e e r i n g , q o s , a m e l i o r a t i e e c o n s t r a i n t - b a s e d r o u t i n g ( a c b r ) q o s r o u t i n g , p o l i c y r o u t i n g , c r - l d p i n i g j_ 9 f入 导 t 9 ;厂子 1 1 1 1 匕 义 第一章 绪论 1 . 1网络环境现状分析 随着网络的快速发展， 大量 的互动性应用 ( i n t e r a c t i v e a p p l i c a t i o n s ) 和多 媒 体 应用 ( mu f t i - m e d i a a 州i c a t i o n s ) 占 据了 网络流量的主导 地位， 网络主要的特 征是流量要求的两极分化和接入端系 统的复杂化i l l . 流量要求的两极分化是指: 一方面流式媒体 ( s t e a m i n g m e d i a ) 的广泛应用 要求计算机网络支持许多电信网的流量特征，另一方面万维网 ( w o r l d w i d e w e b )的流行又决定了计算 机网 络的灵活传送机制的必要性。在面向 服务和面 向 资 源 两 个 相 互 制 约 的 要 求 中 ， 网 络 的 运 行 策 略 和 管 理 模 型 处 于 两 难 的 境 地 121 接入端系统的复杂化是 指:端 系统的内部处理能力不断得到强化，从 而对 流量服务的要求也 不断上升，许多 的连接多个端系统而组成的应用系 统必须 依 赖于网络才能正常工作，如分布式文件系统，群件，电子商务系统等。网络的 运行状态与应用系统的运行状态的联系越来越紧密，由此带来的问题是端系统 对网络的可控制性要求越来越高，端系统常常通过合法或不合法的手段企图影 响网络的运行，获取对自身比较有利的地位。 而当 前网 络的实际状况是: 主干网使用a t m作为流量的预配 置通道， 在这 些逻辑链路之上运行着基于 i p的互联网络。a t m 的各种优良特性没有得到相 应的发挥，反 而让a t m与i p 之间 的天然鸿沟浪费了大量的网络资 源1 3 1 互联网在近期的主要应用向 两个方向发展， 一是高交互 性的信息查询与电 子商务应用，二是大数据量的多媒体与协同工作应用。 作为信息服务白日提供者而言，每个用户清求所返回的数据量正在被降低， 如对网 站首页的访问 只需返回 ( 往往也只能返回) 不多 于 5 0 k的数 据流， 这是 当前的接入网数据速率所决定的，用户无法忍受过长的下载时间等待。同时， 网站设计者为了符合用户的心理，将页面分解为多个元素，分几次h t t p请求 下载， 这也加剧了短而集中的数 据流量， 可以预见到的是x m l 和x s l 在www 中的广泛使用将进一步带来 此类流量的增加，因为 x m l所支持的数据交换将 是下一 代基于i c e 的服务器群间 流量的主体，服务器 之间的信息交换反应速度 i n i g j_ 9 f入 导 t 9 ;厂子 1 1 1 1 匕 义 第一章 绪论 1 . 1网络环境现状分析 随着网络的快速发展， 大量 的互动性应用 ( i n t e r a c t i v e a p p l i c a t i o n s ) 和多 媒 体 应用 ( mu f t i - m e d i a a 州i c a t i o n s ) 占 据了 网络流量的主导 地位， 网络主要的特 征是流量要求的两极分化和接入端系 统的复杂化i l l . 流量要求的两极分化是指: 一方面流式媒体 ( s t e a m i n g m e d i a ) 的广泛应用 要求计算机网络支持许多电信网的流量特征，另一方面万维网 ( w o r l d w i d e w e b )的流行又决定了计算 机网 络的灵活传送机制的必要性。在面向 服务和面 向 资 源 两 个 相 互 制 约 的 要 求 中 ， 网 络 的 运 行 策 略 和 管 理 模 型 处 于 两 难 的 境 地 121 接入端系统的复杂化是 指:端 系统的内部处理能力不断得到强化，从 而对 流量服务的要求也 不断上升，许多 的连接多个端系统而组成的应用系 统必须 依 赖于网络才能正常工作，如分布式文件系统，群件，电子商务系统等。网络的 运行状态与应用系统的运行状态的联系越来越紧密，由此带来的问题是端系统 对网络的可控制性要求越来越高，端系统常常通过合法或不合法的手段企图影 响网络的运行，获取对自身比较有利的地位。 而当 前网 络的实际状况是: 主干网使用a t m作为流量的预配 置通道， 在这 些逻辑链路之上运行着基于 i p的互联网络。a t m 的各种优良特性没有得到相 应的发挥，反 而让a t m与i p 之间 的天然鸿沟浪费了大量的网络资 源1 3 1 互联网在近期的主要应用向 两个方向发展， 一是高交互 性的信息查询与电 子商务应用，二是大数据量的多媒体与协同工作应用。 作为信息服务白日提供者而言，每个用户清求所返回的数据量正在被降低， 如对网 站首页的访问 只需返回 ( 往往也只能返回) 不多 于 5 0 k的数 据流， 这是 当前的接入网数据速率所决定的，用户无法忍受过长的下载时间等待。同时， 网站设计者为了符合用户的心理，将页面分解为多个元素，分几次h t t p请求 下载， 这也加剧了短而集中的数 据流量， 可以预见到的是x m l 和x s l 在www 中的广泛使用将进一步带来 此类流量的增加，因为 x m l所支持的数据交换将 是下一 代基于i c e 的服务器群间 流量的主体，服务器 之间的信息交换反应速度 西北 i几 业大学缺 _ 学位论文弟 一 草绪 t ? 是用户与服务器间交换逐仪f y ) u ? - 0 1 u 倍， 山 此对互联网 运行 状态产生的 影iija i 是 不可忽视的。 同时多媒体在 www 中的广泛使用使另一个极端的数据流量也充斥了网 络，长时间的持续流量特征使多媒体与协同应用成为网络带宽的主要消耗者， 这一应用领域包括了流式媒体如f l a s h , r e a l a u d i o , 伽i e k t i m e 等， 同时还有如 n e t m e e t i n g的 远程协同工作系统，这一类应用的共同特征是对正向数据流的损 失有强的抵抗力，但对控制信息的丢失则非常敏感。 另外， 一 些正在试验中还未广泛使用的应用模式将给网络流量带来一些影 响， 如 v p n服务，将需要高的数据递交可靠性和流量安全策略， 如分布式数据 库服务， 将要求可靠性和高突发性，这些应用在实现时往往 要求网 络提供可估 计的服务质量。 1 .2. 流量工程的发展 流量工程的概念来源于通过对网络资源和流量的综合管理，优化网络的性 能 提高网 络的可用性和费效比 ，网络的资源得到最大化的 利用，网络的运行 得到最大的可靠性和有效性。 而且流量工程是在不需要重建新的网络的前提下， 优化现有的网 络。在商业运行的网络中，通过对己 投资设 施的 充分利 用获取竞 争优势和商业回报的要求使得流量工程日 益成为网络运营中不可缺少的手段 t 4 1 流量工程的目 标是优化系统的 性能，这一目 标的具体表现由两种方式: v 面向资源的 面向资源的优化目 标包含了 充分利用资源的各种方面，主要的口 标是防 止 以下的情况: . 资源的不正常空闪，如几条并行信道中某个特定信道的空闲 . 资源的拥塞 面同流觉的 面向流量的优化日标则包含了以下要点: 降低数i i i 包l : 大率 降低 延迟 西北 i几 业大学缺 _ 学位论文弟 一 草绪 t ? 是用户与服务器间交换逐仪f y ) u ? - 0 1 u 倍， 山 此对互联网 运行 状态产生的 影iija i 是 不可忽视的。 同时多媒体在 www 中的广泛使用使另一个极端的数据流量也充斥了网 络，长时间的持续流量特征使多媒体与协同应用成为网络带宽的主要消耗者， 这一应用领域包括了流式媒体如f l a s h , r e a l a u d i o , 伽i e k t i m e 等， 同时还有如 n e t m e e t i n g的 远程协同工作系统，这一类应用的共同特征是对正向数据流的损 失有强的抵抗力，但对控制信息的丢失则非常敏感。 另外， 一 些正在试验中还未广泛使用的应用模式将给网络流量带来一些影 响， 如 v p n服务，将需要高的数据递交可靠性和流量安全策略， 如分布式数据 库服务， 将要求可靠性和高突发性，这些应用在实现时往往 要求网 络提供可估 计的服务质量。 1 .2. 流量工程的发展 流量工程的概念来源于通过对网络资源和流量的综合管理，优化网络的性 能 提高网 络的可用性和费效比 ，网络的资源得到最大化的 利用，网络的运行 得到最大的可靠性和有效性。 而且流量工程是在不需要重建新的网络的前提下， 优化现有的网 络。在商业运行的网络中，通过对己 投资设 施的 充分利 用获取竞 争优势和商业回报的要求使得流量工程日 益成为网络运营中不可缺少的手段 t 4 1 流量工程的目 标是优化系统的 性能，这一目 标的具体表现由两种方式: v 面向资源的 面向资源的优化目 标包含了 充分利用资源的各种方面，主要的口 标是防 止 以下的情况: . 资源的不正常空闪，如几条并行信道中某个特定信道的空闲 . 资源的拥塞 面同流觉的 面向流量的优化日标则包含了以下要点: 降低数i i i 包l : 大率 降低 延迟 两北工业大学硕卡学位论文 第 一 章绪 论 增加吞吐量 提高服务等级 不论是面向资源的还是 面向 流量的流量下 程目标，拥塞控制都 是一个基本 的要求。在原有的协议，如t c p中处理的是由于网络的正反馈特性而引起的网 络控制系统的发散，即网络在没有达到满负荷时发生的拥塞。与之相反的，流 量工程所关注的拥塞是由于网络承载能力不足或承载能力分配不合理而发生的 拥 塞 。 前 者 可 以 通 过 增 加 承 载 能 力 或 限 制 用 户 使 用 加 以 解 决 ， 或 者 则 是 流 量 兀 程研究的重点 所在， 通过对流量和 承载能 力的测量、估算、 分配和审 计， 最大 限度的利用资源，防止和解决拥塞问题。 2 0 世纪9 0 年代开始的运营商网络的演变划分为 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 mp l s为核心的网络。 这三个 历史时期中流量_ l 程的实现。 一、以路由器为核心网络中的流量工程 ab 链路4 . 图1 - 1 基于开销的流量控制 在早期基于路由器的核心网络中，流量工程是通过简单地使用路山开销值 来实现的。因为那时无论从 路由器数量， 链路数量还是业务流量来讲， i n t e rn e t 骨 卜 网都是非常小的，所以，: r - 于开销的控制在那时是足以胜任的。同时，在 i n t e r n e t 普及之前，拓扑层次也强制业务通过网络中较为确定的路径及事件， 不 会产/ 1 - 1 临时的 “ 热点”( h o t p o i n t ) . 图 1 - 1 描述了基于开销的流豪工程是如何运行的。假设子网 a发送了大量 西北工业大学硕 _i. 学位论文?,p , 一 今 绪 论 业务给子网 c和子网 1 ) 。 如图 i 一 i 所示的开销，链路 i 和链路 2 可能发生阻塞， 因为子网 a到子网 c和子网a到子网d的业务都将流过这些链路。 如果链路 4 的开销值设为 “ 2 ，子网 a到子网d的流量将转移至链路 4 ，但子网 a到子网 c的业务将继续留在链路 1和链路 2 。结果，在不中断网络中任何处理的情况 下修正了 “ 热点” 。 一直到2 0 世纪9 0 年代中 期， 基于开销的流量控制都提供了充足的流量 、 1 程解决方案。但从那以后，i s p的网络规模越来越大，他们无法再通过使用基 于开销的流量工程和荃于传统路由器的核心网络来继续发展自己的网络。在一 个实际的运营商网络里，用传统简单的向量方法很难很好的调整整个网络的运 行状况:而且，在当时，路由器硬件的发展己经不能满足 i s p发展的需要了。 它既不能提供更高速的端口，也不能提供更快的包转发率。 传统的路由核心网在为流量工程提供可扩展性的支持上存在着许多局限， 由于传统路由器的汇聚带宽和包处理能力有一定的局限性， 因此。 传统的、 基于软件的路由器在高负荷的情况下可能成为潜在的瓶颈。 基于向量处理的流量工程不具有可扩展性。当 i s p网络变得具有更多的链 路时 ( 即 更大、 更密集的结网和更多得冗余) ， 这种情况下很难保证对网络某个 部分向量的 调整而不致在网络中引起其他部分的问 题。基于向量处理的流量工 程对于后来的复杂问题只能提供一个跟踪纠错的解决方案，而不是一个科学的 解决方案。 i g p计算是通过拓 扑驱动的，它只基于一个简单附加向 量， 如 “ 跳数” 或 某个管理值。 i g p 并不发布 类似于 带宽可用性和业务 特征等信息。 这就 意味着， 当 i g p计算其转发表时并不考虑网络上的业务负载。结果，业务不能在网络连 接中平均分配，导致昂贵的资源未能被有效的使用。一些链路可能发生阻塞的 同时，另一些链路未被充分的利用。这种情况在稀疏连接的网络中也许能满足 客户的要求， 但对于一些复杂连接网络，对业务 所使 用的链路进行控制以确保 链路的负载均衡将变得非常必要。 二、i p 与a t m “ 重叠” 网络中的流量工程 到了 2 0 世纪 9 0年代t : 斯. i n t e r n e t 业务量得到了空前的爆炸性的增长。 i s p 需要将他们的闷络主干支持高于 i 3 t 4 5 mb / s )的速率。幸运的是，这时在交换 西北下业大学硕 件 一 位论 义 第 一 令绪 论 机和路由器 l o c - 3 ( 1 5 5 mb / s ) 速率的 arm接口出现了。为了获得所需的速 率， i s p被迫重新设计他们的网络， 使他们能够使用由交换机 ( a t m和帧中继) 核心网络提供的更高速夔 一此i s p 将它们的网络从t 3点到点连接转接至在网 络边缘使用带有 o c - 3速率 叮 m接日的路由器，而在网络核心部分使用 o c - 3 速率的ai m 交换机的iz ; s 结构:大约在 9 个月之后，a t m交换机之f n 的连接 速率升级到o c - 1 2 ( 6 2 2 mb / s ) 另一些 i s p开始在它们的t 3帧中继网络中增加 结 点。 当 它 们 开 始 从 帧中 继 平 滑 移 植 到a t m时， 他 们在 网 络 边缘 使 用o c - 3 铸 路，但不久便在核心部分配置了o c - 1 2 速率的交换机间的连 接。图 1 - 2 所示为 2 0 世纪9 0 年代中期典型的大型i s p 核心网络拓扑结构。 物理拓扑 逻辑拓 扑 图 1 - 2 2 0世纪9 0年代中期典型的大型 i s p核心网络拓扑结构 实际上，刘于a t m来讲， 不存在流量工程的问题。因为a t m本质上就与 i p网络有着很大的区别，所有的 a t m 交换机都有丰富完善的流量管理机制， 如队列优先级，丢弃优先级等等，以 保证数据流在网络中的服务质量。 这一 点 是无连接的 印 网络很难实现的 但是，大型i s p 网络中 a t m核 心网同时也由大型i s p 完全所 有，并专 用 于支持 i n t e r n e t 骨干网业务 这矜孩心网的纂础结构与运营商的其他专用数据业 务完全分离。 因为网络山i s i ; ,_ 全拥有并专门用于 i p 业务， 所有业务通过 a t m 核心网络时使) 门 不确定比特z u b r的 a t m服务等级，这就意味着没有策略， 没有业务 整形 门 r a ffi c s h a p i n 到 i s p 只是简单的将a t m交换结构作为一个.奇 速传输系统，r (a 并不依赖 划n 1 约业务和拥塞控制机制。对于 i s p ，没有什么理 山需要它们仲用这i r t; 先迸班 关性” ，因为每个i s p都拥有自己的骨干网，他们 两北l业大学0 0 二 学位论文第 一 帝 绪 论 4 需要对自己加以限制。 所以，为了解决这种 “ 人为”带来的麻烦，a t m 网络的所有者一般要凭经 验来根据 i s p的需要调冷永久虑电路 p v c 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j日前很多运营商采用后者的方法 三、以mp l s 为核心网 络中的流量工程 目 前大部分网 络运营商在重 叠 ( o v e r l a y )的 模式下运作它们的网 络。 在这 种模式下，数据包的传输工作山第二层的交换管理，路由器负责寻找最佳的达 到 目的的路径。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 的只是一个网络化的虚拟拓扑结构。mp l s流量工程能够提供和重叠模式同样 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。 简单的来说，mp l s流量工程不但可以实现传统流量工程的目的，而且可 以 完成一 些扩展的流量工 程的能 力。 最主要的，m p l s流量工程有可能使部分 工作自动化。 用m p l s 实现流量工 程， 可以 提供第三层的流量工程能力。 它不但可以 提 供与第二层流量工程 ( a t m)一样的服务，而且还能够提供超越第二层流量工 程的服务，如负载均衡和非等价路径的使用等。 9 , 3研究内容和文章安排 论文所要研究的内容正是针对上面所说的以 mp l s为核心网络中的流量工 程， 旨 在建立 基于m p l s 的流量丁 程的同时， 实 现多媒体业务和实时业务所 要求 的服务质量 ( q o s , q u a l i t y o f s e r v i c e ) ，以 保证网络对q o s 的高 效支 持。 文中的各辛节内容安排如下: . 第一章为绪论，分祈网络环境现状，指出网络中存在的问题，引出流 量工程的概念。 . 第二章首先从操作、 全 台 构、组件等方而对 m p l s进行 透彻研究， 掌握 m p l s技术的头项 然后 将 m p l s应川到流量上 程中，深入分 析了 mp l si e的基本原理 . 第三章提出约束路山韵设计方案。从结构、算法、协议等方面设计井 完苦了约束终山j亡分沂了q o s路山和策略路山的刊x 店，将 一 者 两北l业大学0 0 二 学位论文第 一 帝 绪 论 4 需要对自己加以限制。 所以，为了解决这种 “ 人为”带来的麻烦，a t m 网络的所有者一般要凭经 验来根据 i s p的需要调冷永久虑电路 p v c 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j日前很多运营商采用后者的方法 三、以mp l s 为核心网 络中的流量工程 目 前大部分网 络运营商在重 叠 ( o v e r l a y )的 模式下运作它们的网 络。 在这 种模式下，数据包的传输工作山第二层的交换管理，路由器负责寻找最佳的达 到 目的的路径。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 的只是一个网络化的虚拟拓扑结构。mp l s流量工程能够提供和重叠模式同样 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。 简单的来说，mp l s流量工程不但可以实现传统流量工程的目的，而且可 以 完成一 些扩展的流量工 程的能 力。 最主要的，m p l s流量工程有可能使部分 工作自动化。 用m p l s 实现流量工 程， 可以 提供第三层的流量工程能力。 它不但可以 提 供与第二层流量工程 ( a t m)一样的服务，而且还能够提供超越第二层流量工 程的服务，如负载均衡和非等价路径的使用等。 9 , 3研究内容和文章安排 论文所要研究的内容正是针对上面所说的以 mp l s为核心网络中的流量工 程， 旨 在建立 基于m p l s 的流量丁 程的同时， 实 现多媒体业务和实时业务所 要求 的服务质量 ( q o s , q u a l i t y o f s e r v i c e ) ，以 保证网络对q o s 的高 效支 持。 文中的各辛节内容安排如下: . 第一章为绪论，分祈网络环境现状，指出网络中存在的问题，引出流 量工程的概念。 . 第二章首先从操作、 全 台 构、组件等方而对 m p l s进行 透彻研究， 掌握 m p l s技术的头项 然后 将 m p l s应川到流量上 程中，深入分 析了 mp l si e的基本原理 . 第三章提出约束路山韵设计方案。从结构、算法、协议等方面设计井 完苦了约束终山j亡分沂了q o s路山和策略路山的刊x 店，将 一 者 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 共同融合在一个约束路由结构中，并把路由选择和差分服务结合起来， 设计出同时保证链路的有效使用和链路的服务质量的路由选择算法。 .第四章为方掌宝旅与仿-6 -1 .根据我国网络现状# t出网络实例，对其讲 行m p l s - t e 配置，并对 所设计的约束路由进行了仿真， . 第五章是对工作的总结以及对未来的展望 西 北 下 业 大 学 硕 十 : 学 位 论 文第二帝 mp l s与流贵丁程 第二章 mp l s与流量工程 2 . 1 mp l s技术 m i l l s是包括对传统 i p控制平面协议扩展的高级转发模式。 它扩展了 i n t e r n e t 路由模型和增强了信息包转发和路径控制。 m p l s 把网络层 ( 网络的第 3 层)路由和标签交换结构结合在一起 a , 5 , 6 / . m p l s 的结构如图2 - 1 所示，整个 过程分为入 口、内部结点和出口三个步骤，其中入口和出j 部分所使用的边缘 标签交 换路由 器 ( e d g e l s r ) 在m p l s 网络中完成的是i p 包的 进入和退出过程; 而中间结点使用的标签交换路由器 ( l s r ) 在网络中提供高速交换功能。 在m p l s 结点之间的路径为标签交换路径 ( l s p ) 。通过标签分配协议，在数据流将要通 过的路径沿途，每一个标签交换路由器和特定的转发等价类绑定完成后，就建 成了l s p 。 建立l s p 是m p l s 网 络的一个重要环节， 主要有逐跳路由( h o p - b y - h o p r o u t e )方式和显式路由 ( e x p l i c i t r o u t e )方式两种建立。 (扭二) ( 速2) ,p w 3b fittis, ;fu : 执行第3层查找 映 射到转发= fp 价类 ( f e c) 依据f e c贴上标签并 从合适的接口转发 出去 在来到的标签上执行 准确地匹配 杳找流 出的接日和标 签 交换标签并从合适 的 接口转发出去 分离标签 执行第 3 层卉找 依据 l 3 的查找转发 1pq.q ty i i 霖 j m ;a 一 一 一 _ 一于 _ 一 = 二 兰 丁 - 一一 全 一 _ 一 转 发i l l地h !推于标 签转发转发i p 地 址 图2 - 1 m p l s 的结构 在介绍mi l l s 体系结构 之前， 先介绍一个非常重要的概念 “ 转发等价类” 。 西 北 下 业 大 学 硕 十 : 学 位 论 文第二帝 mp l s与流贵丁程 第二章 mp l s与流量工程 2 . 1 mp l s技术 m i l l s是包括对传统 i p控制平面协议扩展的高级转发模式。 它扩展了 i n t e r n e t 路由模型和增强了信息包转发和路径控制。 m p l s 把网络层 ( 网络的第 3 层)路由和标签交换结构结合在一起 a , 5 , 6 / . m p l s 的结构如图2 - 1 所示，整个 过程分为入 口、内部结点和出口三个步骤，其中入口和出j 部分所使用的边缘 标签交 换路由 器 ( e d g e l s r ) 在m p l s 网络中完成的是i p 包的 进入和退出过程; 而中间结点使用的标签交换路由器 ( l s r ) 在网络中提供高速交换功能。 在m p l s 结点之间的路径为标签交换路径 ( l s p ) 。通过标签分配协议，在数据流将要通 过的路径沿途，每一个标签交换路由器和特定的转发等价类绑定完成后，就建 成了l s p 。 建立l s p 是m p l s 网 络的一个重要环节， 主要有逐跳路由( h o p - b y - h o p r o u t e )方式和显式路由 ( e x p l i c i t r o u t e )方式两种建立。 (扭二) ( 速2) ,p w 3b fittis, ;fu : 执行第3层查找 映 射到转发= fp 价类 ( f e c) 依据f e c贴上标签并 从合适的接口转发 出去 在来到的标签上执行 准确地匹配 杳找流 出的接日和标 签 交换标签并从合适 的 接口转发出去 分离标签 执行第 3 层卉找 依据 l 3 的查找转发 1pq.q ty i i 霖 j m ;a 一 一 一 _ 一于 _ 一 = 二 兰 丁 - 一一 全 一 _ 一 转 发i l l地h !推于标 签转发转发i p 地 址 图2 - 1 m p l s 的结构 在介绍mi l l s 体系结构 之前， 先介绍一个非常重要的概念 “ 转发等价类” 。 西北t业大l - fi4 l l 学位论文第二奈 mp l s与1 6 l 员t . 程 m p l s 最基本的功能 就是 将数据流汇聚成转发等 价类f e c 。在转发等价黔f e c 中的流量沿着标签交换路径 l s p贯穿整个 m p l s域。在一个转发等价类 f e c 中的包都是通过个唯的，只具有本地含义的标签所标识。 边 缘 l s r 一 z . 一 黔 边线 l s r 馨爵-斗 图2 - 2 转发等价类 一个转发等价类可以是任何一组 “ 转发特征相同”的包。 “ 转发特征相同” 是指从标签交换路由器 l s r的同一个端口转发出去， 并且有着同一个下一跳和 协 标签。 它也可以 意味着给定相同的服务等级， 输出在相同的队列， 给定 相同的 丢弃优先级，以及任何对于网络管理和维护人员来说可以选择的项目。 当一个包从一个入口进入到 mp l s 网络 中时，这个包就会被映射到一个 f e c中去。 映射也可以在很广的一 个范围 上操作， 带有很多参数。 地址前缀( 或 主机) 、源/ 目的地址对，或者时输入端口，都可以作为转发等价类 f e c的划分 方法。 这就为m p l s 增n了 比传 统i p 路由 更大的灵活性和扩 一 展性。 日前，可以供网络管理t主 择的划分转发等价类 f e c方法有以下几种，它 们分别是: . 源或 _ 的i p 地+ a , p :l 络的地址; . 源或月的端口号: .差分服务t m ,j 174 宁仪 .i m的流标签 除 了仁 述这些规定之补，祝范也允许加入新的类型。 a y 北工业大学+3 : 卜 学位论义第-章 n r z s与流t il 工程 2 . 1 . 1 mp l s的操作 mp l s网络使用标签来转发数据包。当一个数据包进入网络的时候，入口 mp l s结点仅仅一次性地把这个数据包分配给一个特定的转发等价类 ( f e c ) . 7 1 为数据包分配的 f e c被编码成一个固定长度的值，它被叫做标签。数据包 在被转发之前会被加上标签。在随后的各跳中，数据包的网络层包头将不再被 做进一步的分析。标签被作为一个表的索引，而这个表指明了下一跳和一个对 应的新i l i ,- 签。老的标签会被;h i z11j 标签取代，然后数据包就被转发到下跳。 在 mp l s网络中，标签被用来驱动所有的转发动作。这种方法相比传统的 网络层转发有很多优势: . m p l s 转发可以由交换 机完成， 交换机可以 执行标签查找和 替代， 但是 不能分析网络层包头。如果用标签值取代 a t m 中地 v p i / v c i 值，那么 a t m交换机就可以根v u 初 、 签值来转发信元。 a t m 交换机可能会受到基 于 i p的 mp l s控制组件的控制，如标签交换控制器 ( l a b e l s w i t c h c o n t r o l l e r , l s c ) 这样就形成了 使用m p l s 的 在a t m上 集成i p 的基础。 . 当一个数据包进入网络的时候， 数据包会被分配一个 f e c 。 入口路由器 可以 利用它 拥有的关于该 数据包的任何信息， 如数 据包进入的端口 或接 日， 而这些信息 不能从数据包的网络 层包头中获得的。 当数据包从某 - 台路由器进入网络时， 它被赋予的标签可能会与它从另一台路由器进入 网络时所被赋予的标签不同。 结果就是， 依据入口路由器的转发决定可 以被更容易地做出 而这在传统的转发方式下时不能做到的， 因为数据 包的入口路由器的身份并不和数据包本身一起传递。 这种功能就形成了 建立m p l s 虚拟专 用网络的基础。 令 具有流星控伟 1 能力地况络可以强制数据包沿着条特定的路径传递， 例 如一条未被充分使用的路径 这种路径是在数据包进入网络的时候或者 之前就被明确选择好了的， 而不是在数据包通过网络的时候使用普通的 动态路山选择算法进行选择。 在 mp l s中， 一个标签可以被用来代表路 由，囚此，9式路山的=s 价标识并不需要随着数据包被传送。 这种功能 两北下业大学硕 4 丁 学位论文 第二帝 mp l s与流星工程 就形成了mp l s流量工程的基础。 今 一个数据包的服务类别可以由入口 mp l s结点决定。随后，一个入口 mp l s结点还可以应用不i 司 的丢弃门限 ( d i s c a r d t h r e s h o ld s ) 或者调度策 略来管理不同服务类别的数据包。 随后的各跳节点可以通过使用一套逐 跳行为 ( p e r - h o p b e h a v i o r s , p h b ) 来进一步 执行服务策略。m p l s 允许 ( 但并不要求)从标签中完全或者部分地推断出优先级 ( p r e c e d e n c e ) 或者服务 类别。在这种 情况下， 标签代表了 f e c和优先级或者服务 熊 别的组合。这种功能形成了mp l s服务质量保证基础。 2 . 1 . 2 mp l s节点结构 控 制 平 面 一 月 ， 、 i3 i # 协 议宁 一 七 1t kt 5 m ! y) i1卜 i p f ?由 选 择 协 议 于 示签 分 配 协 议 路由选择信 息交换 标签绑定信息交换 转 发 平 面 输 入 i p数 据 包 i p 路 山选择表 或 ce f f i b 输 出i p 数据包 输入被标记的 数 据 包 标 签 转 发 信 息 店 输 出被标记 的 数 据 包 c7 2 - 3 mp l s 节点结构 m p l s节 点有两个结构平面: m p l s 转发平面和m p l s 控制平面。 除了 可 以交换带有标签的数据包外， m p l s节点还可以 执行第三层路山 选择或者第二 层交换。图2 - 3显式了一个mp l s节点的基木结构。 一 、转发平面 mp l s转发平而负责 根据所附标签内的 值来转发 数据包。转发平面使 用由 mp l s节刀 、 维护的标签转发信9 、 库 ( l a b e l f o r w a r d i n g i n f o r m a t i o n b a s e , l f i b ) 来转发带有标签的数据包标签交换转发组件使用的首祛不仅利用了 包含在 西北工业大学硕 ) 学位论文第_浅 h i l l s !流邝一 程 l f i b中的信息，还利用了包含在标签值里的信息。每个 mp l s节点维护着与 mp l s 转发相关的 两张表: 标签信息库 ( l a b e l i n f o r m a t io n b a s e , mi b ) 和l f i b a 一、mp l s标签 标签是被用来标识一个 f e c的 3 2比特固定 长 度的标识符，通常仅有木地 意义。被附加在特定数据包上的标签，代表了该数据包被分配的转发等价类。 在 a t m 的情况下，标签被放置在 a t m包头中的 v c 1 或者 v p i 字段中。 然 而，如果数据帧是一个帧中继的帧，那么标签就会占据帧中继包头的 d l c i 字 段。 其他第2 层技术，如以太网、令牌环、f d d i 和点到点连接，不能利用其第 二层地址字段来携带标签。这些技术可以在热层包头 ( s h i m h e a d e r )中携带标 签。垫层标签包头被插入在链路层和网络层之间，如图 2 - 4所示。垫层包头的 使用可以 允许大多数的第二 层技术支持mp l s e la b e l i “tt l 20 一 一 升 一 3 长度 ( b it ) at m信元投标 gfc vpi fit一 vc1 i pti i clp i hec 数据 垫层投标 1 第 2层 头 标， 标 签 第 3pz 头 标一 鹦 头 标数 “ _ 图2 - 4 mp l s标签格式 侮个标签栈的内容将由 卜 列字段组成: 1 栈底 ( 5 ) 该位置为“ i , , , 表示相应的标签是标签栈中的最后一个条目 栈底) ; 置+ 0 表示除栈底标签外的所有其他标签 2 _ 生 存期 ( t t i) p 北 业人学硕士学位论文 第二帝 mp l s与流量工程 该字段为8 b it ,用于生存时间值的编码。 3 . 试验使用 ( e x p ) 该 字段为 b i t ， 保留 给试 验使 用。 口 前有的厂商利用该字 段为优先 级的定来， 即通过该字段的编码可以提供 8 个级别mp l s c o s( 业务等级 ) a 4 . 标签值 ( l a b e l v a l u e ) 该字段为2 0 b i t ，包含标签的实际值。 二、标签转发信息库 由 mp l s节点维护的标签转发信息库 ( l f i b)由一系列的条目组成。如图 2 - 5 所示，每一个条目含有一个入标签和 一 个或者多个子条目。l f i b由入标签 中包含的值进行索引查找。 每一个子条 目由一个外出标签、外出接口和下一跳地