（计算机应用技术专业论文）mpls及ip网络流量工程的研究.pdf

塑圭堡壅坚! 堕壁! ! 堕竺堕里三堡塑婴壅 摘要 随着信息技术的快速发展，计算机网络的广泛使用，网络信息高度膨胀。网络设 备的升级速度远远赶不上信息的增长速度，因此网络传输过程中出现了大量的拥塞。 与此同时出于网络设计的不合理，或者况山于传统i p 网络的固有缺点，许多网络链路 和网络设备没有得到充分的利用，也是造成网络拥塞的个主要原因。如何提高网络 资源的利用率，提高网络的整体性能，这是当前网络发展中急需解决的问题，也是流 量工程解决的问题。本文对提高网络性能的多个有意义的课题进行了深入研究。 我们认为进行流量工程研究主要有两个原因：1 ) 更有效地利用网络设备可以得 到明显的经济效益；2 ) 随着m p l s ( 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 g ) 的出现，使得在 传统i p 网络中提供面向连接的服务成为可能。 在流量工程的研究中，m p l s 所提供的最大的优点是能够将i p 分组路由到一条标 签交换路径l s p l a b e ls w i t c h e dp a t h s ) 上。一对源目的地址之问可以建立多条( 包 括一条) 不同的l s p ，每条l s p 的路由可以独立指定。另外，m p l s 可以分割整体的 数据流为不同的可路由子集( f e c s ) ，每一f e c 都可以路由到多条路径上( l s p s ) 以达 到优化的目的。 本文的研究目标是提出一系列基于m p l s 以及传统i p 上流量工程的解决方案， 这些方案的目标就是最大化地提高网络资源的利用率，或者是满足某些特定的条件约 束下流量的最优负载平衡。本文的理论基础是现代网络优化理论，其中包括图论、最 优化方法、运筹学、离散数学及代数结构学。它所采用的计算机技术主要是i p 网络 上的m p l s 技术， 本文首先对流量工程给出了一个全面的数学定义，将网络的拓扑、流量、需求、 路由、网络状态等问题抽象为数学问题。其次，本文从流量工程的角度分析了目前l p 网络的体系结构的几个主要的缺点，从流量工程的角度总结了m p l s 的背景知识和体 系结构，并归纳了使用m p l s 实现流量工程的关键技术。然后介绍了流量工程的沿革 与目前的研究，分析了传统i p 路由、q o s 路由方面的研究过程，汇总了目前m p l s 流量工程问题的最新研究成果。本文还概括了网络优化的相关理论，阐述了可用于流 量工程和基于约束路由的优化方法，按照目标函数、决策变量和约束条件分类，提出 了几种不同类型的优化问题及解决方法，就典型的网络优化问题进行了归纳总结。 在改善网络流量传输的研究上本文独立提出了若于优化方法。即：1 ) m p l s 网 络最大流传输问题，包括基于弧的最大流解决方案、基于路径的最大流解决方案，分 流与不分流的最大流处理方法以及多源多汇最大流解决方案；2 ) 最大可靠性传输问 摘要博士论文 题：3 ) 基于弧的求解流量负载平衡问题的线性规划方法；4 ) 基于路径的流量负载平 衡方法以及其他负载均衡问题：5 ) 在m p l s 路径保护的思想和方法的基础上，提出 了基于m p l s 的若干新的路径保护方法，即n t o 1 、n t o m 的不分流、分流和区分 服务的保护方法，并给出了部分仿真结果，同时提出了一种新的用于n t o m 路径保 护的数学规划方法。6 ) 基于作者所负责的省级科研项目，实现了一个网络应用层的 流量负载平衡方案，本文概括介绍了该课题的设计思想和实施方法。 关键词：m p l s ，i p ，流量工程，优化，负载均衡，流量保护，分流，最大流 盟堕塞 坚! 坚墨! ! 婴塑堕里三堡竺婴塞 a b s t r a c t i n f o r m a t i o nt r a n s m i t t e do nn e t w o r ke x p a n d sg r e a t l yw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ew i d eu s eo fc o m p u t e rn e t w o r k t h es p e e do f i n f o r m a t i o n e x p a n s i o ni sf a rb e y o n dt h a to fu p g r a d i n gn e t w o r k f a c i l i t i e s a sar e s u l t ，i nt h ec o u r s eo f n e t w o r kt r a n s m i s s i o nb l o c ka r i s e s ，m e a n w h i l e ，d u et ot h eu n r e a s o n a b l ed e s i g no f n e t w o r k ， o rr a t h e r , d u et ot h eg i v e nd r a w b a c k so f t h et r a d i t i o n a li pn e t w o r k ，m a n yn e t w o r kl i n k sa n d f a c i l i t i e sh a v en o tb e e nf u l l yu t i l i z e d t h eu r g e n tt a s ki nt h ed e v e l o p m e n to fc u r r e n t n e t w o r k ，t h ep r o b l e mt h a tt r a f f i ce n g i n e e r i n gw i l ls o l v e ，i st oi m p r o v et h eu t i l i z a t i o no f n e t w o r kr e s o u r c e sa n di t sp e r f o r m a n c e t h ep a p e rp r e s e n t st h er e s e a r c hw eh a v eb e e n d o i n g o nh o wt oi m p r o v et h en e t w o r kc a p a c i t y t h e r ea r et w om a i nr e a s o n sw h yw ed or e s e a r c ho nt r a 硒ce n g i n e e r i n g o no n eh a n d i ti sp o s s i b l et oo b t a i ne v i d e n te c o n o m i cb e n e f i t sb ye f f e c t i v e l yu t i l i z i n gn e t w o r kf a c i l i t i e s o nt h eo t h e r , t h ee m e r g e n c eo fm p l sm a k e si t p o s s i b l et op r o v i d ec o n n e c t i o n - o r i e n t e d s e r v i c ei nt r a d i t i o n a li pn e t w o r k t h em o s ti m p o r t a n ta d v a n t a g et h a tm p l sc a ns u p p l yi nt h er e s e a r c ho nt r a f f i c e n g i n e e r i n gi s t h a ti tc a nr o u t ei pp a c k e t st oa nl s p ( l a b e ls w i t c h e dp a t h s ) s e v e r a l ( i n c l u d i n go n e ) l s p sm a y b ee s t a b l i s h e db e t w e e nap a i ro fs o u r c e d e s t i n a t i o nn o d e s t h e r o u t eo fe a c hl s pc a nb e i n d e p e n d e n t l ya s s i g n e d b e s i d e s ，m p l s c a n s e g m e n tt h e a g g r e g a t et r a f f i ci n t or o u t a b l es u b s e t s ( f e c s ) ，a n de a c hf e cm a y b er o u t e do v e rm u l t i p l e p a t h s ( l s p s ) t o a c h i e v ea no p t i m a l p u r p o s e t h er e s e a r c ho b j e c t i v eo ft h ep a p e ri st op r o p o s es o l u t i o n st ot r a f f i ce n g i n e e r i n go v e r m p l sa n dt r a d i t i o n a li p t h ea i m sa r et om a x i m i z et h eu t i l i z a t i o no f n e t w o r kr e s o u r c e s o r t or e a c ht h eo b j e c t i v e so fo p t i m a ld i s t r i b u t i o nt r a f f i ci n c o n s t r a i n i n gc o n d i t i o n s t h e p a p e ri st h e o r e t i c a l l yb a s e do nm o d e mn e t w o r ko p t i m i z a t i o n ，i n c l u d i n gg r a p ht h e o r y ， o p t i m i z a t i o n ，o p e r a t i o nr e s e a r c h ，n e t w o r km a n a g e m e n t t h em a i nc o m p u t e rt e c h n o l o g y a d o p t e d i sm p l so v e ri pn e t w o r k t h e p a p e r f i r s tg i v e sam a t h e m a t i c a ld e f i n i t i o no ft r a f f i ce n g i n e e r i n g ，a b s t r a c t i n gi n t o m a t h e m a t i c a lp r o b l e m sn e t w o r kt o p o l o g y ，t r a f f i c ，d e m a n d s ，r o u t e s ，n e t w o r ks t a t e s e v e r a l m a j o r d r a w b a c k so ft h ec u r r e n ti pn e t w o r ka r c h i t e c t u r ea r et h e na n a l y z e df r o mt h ea n g l eo f t r a f f i c e n g i n e e r i n g ，f o l l o w e db y t h e s u m m a r yo ft h eb a c k g r o u n dk n o w l e d g ea n d a r c h i t e c t u r eo fm p l sa n dt h ek e yt e c h n o l o g yi nr e a l i z i n gt r a f f i ce n g i n e e r i n go v e rm p l s 垒! ! ! 翌! ! ! 查主堡苎一一一一 t h ea n a l y s i so ft h er e s e a r c hp r o c e s so ft r a d i t i o n a li pr o u t i n ga n dq o sr o u t i n gf o l l o w st h e i n t r o d u c t i o no ft h ep a s ta n dp r e s e n tr e s e a r c ho ft r a f f i ce n g i n e e r i n g t h el a t e s tr e s e a r c h r e s u l t so fc u r r e n tm p l st r a f f i ce n g i n e e r i n ga r ep r e s e n t e d r e l a t e dt h e o r i e so fn e t w o r k o p t i m i z a t i o n a r e s u m m a r i z e d o p t i m a l m e t h o d su s e di nt r a f f i c e n g i n e e r i n g a n d c o n s t r a i n e d r o u t e sa r es t a t e d a c c o r d i n gt o t h eo b j e c t f u n c t i o n ，d e c i s i o nv a r i a b l e sa n d c o n s t r a i n i n g c o n d i t i o n ss e v e r a lt y p e so fo p t i m a lp r o b l e m sa n ds o l u t i o n sa r ep r o p o s e d s u m m a r i e sa r cm a d e c o n c e r n i n gt h et y p i c a ln e t w o r ko p t i m i z a t i o np r o b l e m t h e p a p e ri n d e p e n d e n t l yp u t sf o r w a r ds e v e r a lo p t i m a lm e t h o d st oi m p r o v en e t w o r k t r a f f i c t r a n s m i s s i o n ，s u c h a st h em a x i m u m - f l o wp r o b l e mo v e rm p l s ，i n c l u d i n gt h e a r c b a s e da n d p a t h b a s e ds o l u t i o n ，w h i c ha d o p tt h em e t h o do fs p l i t t i n ga n du n s p l i t t i n g t r a f f i c ，t h es o l u t i o nt ot h eg r e a t e s tr e l i a b i l i t yo ft r a n s m i s s i o n ，t h es o l u t i o nt oc o n c u r r e n t m a x i m u m f l o wf o rl o a db a l a n c ev i al i n e a rp r o g r a m m i n g o nt h eb a s i so fm p l sp a t h p r o t e c t i o ns e v e r a lp r o t e c t i o nm e t h o d s o v e rm p l sa r e p r o p o s e d ，i n c l u d i n gn - t o - 1 ，n t o - m p r o t e c t i o ns o l u t i o ni ns p l i t t i n ga n du n s p l i t t i n gc a s e sa n di nd i f f s e r vc a s e s ，w h o s ep a r t i a l s i m u l a t i o nr e s u l t sa r cp r o v i d e da sw e l l t h ep r o g r a m m i n gf o r m u l a so fn - t o mp a t h p r o t e c t i o na r ep r o p o s e d i nt h er e s e a r c hp r o j e c to fs h a n d o n gp r o v i n c e o n es c h e m e ，o nt h e b a s i so fn e t w o r ka p p l i c a t i o nl a y e r ，i sp u tf o r w a r da n dr e a l i z e d ，i nw h i c hl o a db a l a n c e m e t h o db a s e do nw e be x p l o r e ri so r i g i n a l t h ed e s i g nt h o u g h ta n dd e v e l o p m e n to ft h e p r o j e c t i si n t r o d u c e di nd e t a i l k e yw o r d s ：m p l s ，i p ，t r a f f i ce n g i n e e r i n g ，o p t i m i z a t i o n ，l o a db a l a n c e ，p r o t e c t i o n ，s p l i t t i n g ， m a x - f l o w 缩略语表博士论文 缩略语 a f 删 b a b e c r l d p c r - l s p d i f r s e l v d n s d s d s c p e f e r e r l s p e x p f e c f i s f r i e t f i p i n t s e r v i g p 缩略语表 英文解释 a s s u r e d f o r w a r d i n g a s y n c h r o n o u s t r a n s f e rm o d e b e h a v i o r a g g r e g a t e s b e s te f r o r ts e r v i c e c o n s t r a i n t - b a s e dl a b e ld i s t r i b u t i o n p r o t o c o l c o n s t r a i n t b a s e dl a b e is w i t c h e dp a t h d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e d o m a i nn a m es e r v e r d i t t s e r v d i f f e r e m i a t e ds e r v i c ec o d ep o i n t e x p e d i t e df o r w a r d i n g e x p l i c i tr o u t i n g e x p l i c i tr o u t i n g l s p e x p e r i m e n t a lf i e l d f o r w a r d i n ge q u i v a l e n c ec l a s s f a u l ti n d i c a t i o ns i g n a l f r a m e r e l a y i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e i n t e m e tp r o t o c o l i n t e g r a t e ds e r v i c e i n t e r i o rg a t e w a yp r o t o c o l 中文解释 确保转发 异步传输模式 行为集合 尽力而为服务 基于约束的标签分布协议 基于约束的标签交换路径 区分服务 域名服务器 区分服务 区分服务编码点 加速转发 显式路由 显式标签交换式路径 实验字段( m p l s 标签中 的字段) 转发等价类 故障提示信令 帧中继 因特网工程任务组 互联网协议( 特指t c p i p 中的i p 协议) 综合服务 内部网关协议 业土笙兰竺! ：坚丝尘型塑堕里玉堡塑型塑 i s i s i s p l d p l e r l p l s p l s r m p l s n a m n l p n s 0 s p f p h b p s l p m l r f c q o s r i p r s v p r s v p t e s l a s m d s s r o s t t c p t e i n t e r m e d i a t es y s t e m i n t e r m e d i a t e s y s t e m i n t e r n e ts e r v i c ep r o v i d e r s l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c 0 1 l a b e le d g er o u t e r l i n e a r p r o g r a m m i n g l a b e ls w i t c h e dp a t h l a b e ls w i t c h i n gr o u t e r 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 e t w o r ka n i m a t o r n o n l i n e a rp r o g r a m m i n g n e t w o r ks i m u l a t o r o p e n s h o r t e s tp a t hf i r s t p e r - h o p b e h a v i o r p a t hs w i t c hl s r p a t hm e r g el s r r e q u e s t f o rc o m m e n t q u a l i t yo f s e r v i c e r o u t i n g i n f o r m a t i o np r o t o c o l r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l r s v pt r a f f i ce n g i n e e r i n g s e r v i c el e v e l a g r e e m e n t s w i t c h e d m e g a b i td a t as e r v i c e s s o u r c er o u t e o b j e c t s u b j e c tt o t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l t r a f f i ce n g i n e e r i n g 中间系统冲间系统 因特网服务提供商 标签分布协议 标签边界路由器 线性规划 标签交换路径 标签交换路由器 多协议标签交换 n s 网络仿真器的动态图形 工具 非线性规划问题 网络仿真器 开放式最短路径优先 每一跳行为 工作路径的源点 工作路径的终点 请求注释 服务质量 路由信息协议 资源预留协议 r s v p 流量工程 服务等级协议 交换多兆数据服务 源路由对象 约束条件 传输控制协议 流量工程 缩略语表 博士论文 u d p v c v c i v p c v p i w i n s u s e r d a t a g r a m p r o t o c o l v i r t u a lc i r c t t i t s v i r t u a lc i r c u i ti d e n t i f i e r v i r t u a lp a t hc o n n e c t i o n s v i r t u a lp a t hi d e n t i f i e r w i n d o w si n t e m e t n a m i n g s e r v i c e 用户数据报协议 虚电路 虚电路标识符 虚路径连接 虚路径标识符 名字解析服务 篓主笙苎竺! 翌垒堡塑曼鎏墨三篓堕翌墨一一一 l 。1 雩 言 王绪论 过去的数年建，因特网的规模经历了巨大约增长，这静增长带来了缀多按术上的 挑战。m p l s ( m u l i t p r o t o c o ll a b 口ls w i t c h i n g ) 就是应对这些挑战的解决方案”3 之一。 m p l s 豹出现主簧基于戮下凡个藤函：因特两蠲户鼗昏茨及孺户对带宽静需求这两方 面的增长已经对i s p ( i n t e r n e t s e r v i c e p r o v i d e r s ) 的网络提出了越来越多的要求，为了 满足带宽不新增长豹要袋，i s p 需要更离注麓静交换与潞宙产品。除了这些设备器要 变得更快以外，网络还需要处理增加的节点数、路由表中更多的路由、通过一个绘定 第点懿楚多筋滚。因特溺豹这耱麓震，对瀚终翡潞由功秘路崮谂谈据撼了耨蕊瑟求， 即要求新的路由功能既能够满足网络不断增长的需要，又鬻满足不断增长的各种用户 群体熬不鼹豹驻务要求。近怠年提出鹳m t l s t 蓑足了这臻要求。过去，鼹出珐髭是裴 常难以进化发展的，其原因部分在于i p 网络中路幽和转发之间的紧密耦台。一个新增 鲍小功能氇需要实际应褥中的所有l p 赣岛嚣酶转发算法宥羼玫交。并且必须在硬俘或 相应的软件上做如改变。对转发鳟法所作的任何改动都是昂贵且糯时的工作。而m p l s 嬷转发算法是翳定靛，耘煞控裁不霰要佟 壬俺改动就霹戮棱采两。多种多撵的控割模 块可以用于控制标签交糗的过穰，并且这些控制模块全部都使用相同的转发算法。因 j 魄，m p l s 对于缀短在l p 啜络中开发和使鼹薮熬鼹麦功黪来说其窍重大静潜在优势。 由于在遮点上m p l s 具有的明显优势 2 1 ，因而m p l s 可能成为下一代路由体系结构的基 磁。2 0 0 1 年4 胃因特厕王疆任务缀i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r o e ) 提出7 蠢关 m p l s 体系结构的r f c ( r e q u e s t f o rc o m m e n t ) 3 0 31 删。 现在，i p 撩议族已经成为网络数据传输的标准，l p 协议一囊继续占掇网络鼷传 输协议的统治地位。值得怀疑的怒，i p 网络协议的简单性能否满足未来传输多媒体( 数 据、声密、视频) 的鬣疑。据 e 其它网络技术魏a t m ( a s y n e h r o n o u s t r a n s f e rm o d e ) 、 f r ( f r a m er e l a y ) 或s m d s ( s w i t c h e dm e g a b i td a t as e r v i c e 8 ) 州，i p 提供了有限的能力， 泼今互联的i p 网络仅提供了“尽力面为”( b e s t e f f o r t ) 的操作l s l 。 虽然传统的静网络体系的表现囊射现在还是令人满意的，但它却无法满足近来出 现的多媒体和巢魑电子商务的传输要求1 6 】，比如，视频流对延迟翘挝动商严格的约柬 要求。日，其绝应孀可匏要求育保诞的带宽嘲。勇乡 服务撼供商希耀按照不同的价格水 平提供相应的网络服务，而用户也希望服务提供商能够保证提供给他们所购买的相应 1 绪论 博士论文 的服务，这些目标都是“尽力而为”的网络体系结构不能提供的。 过去的几十年里，大量研究聚焦到i p 网络的q o s 【9 l 【1 0 】f l l 】【1 2 】f 1 3 】【1 4 】【1 5 】( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 上，这些研究目标是使用户可以得到用户所要求的性能保证，带宽保证或延 迟约束。已经提出两种研究成果：综合服务i n t s e r v ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) 体 系结构【1 6 】和区分服务d i f f s e r v ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 体系结构1 1 8 1 。i n t s e r v 提供了以 流为基础的服务，d i f f s e r v 是将数据流按照一定的行为集合b a e h a v i o ra g g r e g a t e s ) 在数据流的源点进行分类。也就是说，具有不同优先级的数据流可以得到不同的转发 待遇。 在以上研究的基础上，有越来越多的人感到提高i p 网络的流量工程能力是值得并 且可以研究的【1 9 】【2 0 1 2 1 】【2 2 l 【2 3 】【2 4 】。这主要有以下两个原因：1 ) 、更有效地利用网络设备 可以得到明显的经济效益。2 ) 、随着m p l s 的出现，使得在传统i p 网络中提供面向连 接的服务成为可能。 1 1 1 实施流量工程的必要条件 流量工程是最大化地提高网络资源利用率的技术和方法。它的研究目标就是尽可 能提供最优网络性能。除了这些性能目标外，流量工程常用于实现网络管理策略的目 的。网络的流量工程技术类似于公路系统中减少阻塞的技术。对于一个固定的网络拓 扑，流量工程的目标是使网络能够容纳更大的网络容量，或者是在同样的流量水平下， 使网络在链路延迟、包的丢失率、或抖动等指标方面有全面和较好的性能。 流量工程也用于满足约束的目标。例如，出于策略的原因，某些数据流被限制于 特定的网络拓扑子集中，在这种情况下，流量工程的目标将会组合约束和最大化的目 标。 我们首先看看使用传统i p 路由时流量是如何被路由的，传统i p 路由仅仅考虑分组 的目的地址，改变路由的唯一方式是改变路由协议所使用的衡量尺度( 度量值) 。换 句话说，i p 路由可以简单地看作基于目的的、最小( 优) 代价的路1 ： ：1 1 2 5 1 1 2 6 】。 我们考虑图1 1 1 1 的例子。 2 图1 1 1 1 传统i p 网络的流量路由方法 搏士论文 m p l s 厦措捌络溅燕工程静鼍i f 究 如采稳流嚣获r l 鄹r 3 黻及觚弦2 到r 3 的都楚l o o m 的数懿溅，骰设缚一露l 键 路熬带宽繇是1 5 0 m b p s ，酋宠我们镬羯最矮籍径爨由，数据滚都将浴鬏4 - r 5 墩6 蹿赉 餐送。显然，浴着这条路较静链鼹格会楚粕塞熬。与鼗丽对r 碡r 7 - r s - r 6 瓣镳鼙| 没 有流量逶道，这显然楚不合理豹。藏槊我 | l 使用一个最套纯管瑷距离熬路巍( 比如器 效簸短藩镪魏瘫o s p f ( o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ) 2 7 1 1 2 8 l 器 熬出裕议鬣串阕系绕坤阗系 统i s 4 s j 嘲( i n t e r m e d i a t es y s t e m ) 鼹囱协议所提供鑫勺黪垂) ，并盈驻这样一秘方法竣 萋链路戆发璧藿，帮强追鼠r l 剜r 3 憨流量帮钛r 2 到r 3 魏漉量澄骜鼹径 1 4 r 7 - r 8 + r 6 耱遴。这榉虽然改变了掩会磐鞋塞赡一系列链路，健宅势没窟完全鳃决润 透，因力掰然褥在这样豹情撼，印莱些链路是据塞的，焉有些链路没露流鸯递过。 搬暴踺o s p f 秘i s 4 s 这榉麴娅议鸯较深入鳆磺究，羧袅骞这撵麴疑溜，这类蜘 议浆“等费用船多路绽方法”应该能蟛解决该类趣题 3 l 】，但是蜜琢上露也是零能够鼹 决这个闯艨鸵。我们仍然搜熙陵1 1 1 1 的嬲终拓扑，但是假定所有的链路，除了r 6 壤3 和r 8 - r 6 之辨，郝具有6 2 0 m b s 的鸯基。崩r 3 其有2 g b s 豹容量，势虽r 8 。r 6 镳 路具有1 5 0 m b s 的容掇，同时假定从r l 到r 3 的流量是5 5 0 m b s 。两从r 2 劐r 3 的 瀛显爨t 0 0 m 。采溺o s p f 斌卷 s - s 协议，就可殴调整链黯瓣麓爨尺度，健褥从r 4 到达r 3 裔两条费蠲楣等的路径。因此r 4 将把从r l 到r 3 的流量平均地拆分到这掰 条鼹经上，同样麸戴劐r 3 的流凝氇会警均媳拆分裂逡鼹条鼹缀上。这样路径 r 4 一r 5 一r 6 和酣r 7 _ r 8 r 6 的流量将怒( 5 5 0 + 1 0 0 ) 2 = 3 2 5 m b l s 。采用这种流量负载躲 分帮，链路r 8 - r 6 将会是拥塞静，蔼沿着r 4 r 5 - r 6 静链鼹刚没有充分利期。 下面我们使用个经必的例予说明实施流量工程所需要的条件，考虑一个舆有醛 力嚣为( b e ，b e s t _ e f f o r t ) 流b 秘优先驻务类浚q ( 也靛是q o s 羚豹鼹终。角g o v , “) 裘 承爨络，阙络攘羚如爨l 。1 1 2 ，每蘩链路驰繁宽麓1 m b p s 。 氏 毽l ，l ，1 。2 濂爨工程赝嚣条锌兹努耩攮 每条链路球蠢上发孛隆弼不同类的带宽分别用下列容量瓣数表承： # ：球a 一骚流嶷总巍，豫代表窝数集会 1 绪论辩士论文 ：a a r b e 类流量总和 龟：瘁么呻r q o s 类淡量憨秘 根明显， c b ( 口) + c o ( a ) = c ( 甜) v a a 妇暴我嚣】将蘧络图巅分戏舞个子瓣，瓯襄，如匿l + l 。l ，2 ，势令露呻瓯秘q 一吒， 在这种情况下，b e 流量被限制在网络图的周边。假设图1 。1 1 2 中从a 向d 传输3 m b p s 鹊流量，其中2 m p s 滚整是b e 类流，1 m b p s 流量为q o s 类流。粼如采按照飘a 蓟d 的b e 流选a - o d 路径路由1 m b p s 的流殿，a b d 路径路由1 m b p s 的流嫩，q o s 类流 选毫e 越路径。那么3 鼢p s 戆滤藿褥会茏麴塞羹鏊传输翻嚣静遮。 从以上分析可以看出，流擞工程的实施需要以下条件： 1 ) 选择都分数据浚导入霹选路鑫豹子集，举铡来说，辘怒涛数据流按照苓阖静 q o s 类，源目的( s o u r c e d e s t i n a t i o n ) 集合等分擞选择不同的路径。 霪) 霞式路凑戆能力，秘浍麓经露选铎懿鼹缎，路交帮分或余罄数撵滚豹麓力。 现在的传统i p 网络不满足以上条件。但是，m p l s 出现了，它提供了数据流的 分割窝攫定臻蠢豹能力，麸瑟健转统l p 鼹终篡骞了实薅滚量童程熬能力。获校本主 讲，m p l s 是在传统i p 网络中增加了面向连接的特性。 1 1 2m p l s 在流量工程中的优势 m p l s 是近足年发鼹起来驰耩型豹阙终交羧技本。宅主要楚在传统的i p 网终中增 加了面向连接的特性，从而使得在传统i p 网络中实施流量工稔成为可能。m p l s 所 提供的矮关键憨优点是够搀撩分组鼹由到一条标签交换路径 s p ( l a b e ls w i t c h e d p a t h s ) 上，l s p 实质上是建立了一条穿越网络的虚电路。一对源目的地址之间可以 建立多条( 包括一条) 不闲的l s p ，每条l s p 鲍鼹由可以独立指定。 另外，在源点( i n g r e s s ) ，i p 分组可以分类成不间的等价类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 ) ，镪含在璎分组中的任何傣息都可以用来分类。一种选择魁对每 一源目的地址的组合维持一个单独的f e c 。如果到达的分组包禽足够的信息( 如区 分服务编码点，d s c p ，d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sc o d ep o i n t 3 2 l 【3 3 j ) ，进行熬于q o s 的分 类也是容易办到的。每一f e c 可路由到任何已建立的l s p 上。 在i p 网络中使用m p l s 技术满足了实现流 黢工程所必须的灏个前提条件。m p l s 可戳把凝体的数据流分割为不阍的可黯由子集( f e c s ) ，每一f e c 都可以路由到多条 路径( l s p s ) 上以达到优化的目的。 t 博士论文 m p l s 及i p 网络流量工程的研究 i i 3 流量工程实施方法 流量工程的目的是最大化地提高资源的利用率，同时尽可能提供最优的网络性 能。除了这些性能目标外，流量工程常用于实现网络管理策略的目的。例如，限制特 定的流流经网络中的某一区域【”j 。 在不同的时间规模和网络模式下，流量工程可以包含多种多样的技术。开始时， 网络设计应该清楚规划出流量的需求和模式。结合物理拓扑的流量矩阵可以用来求出 初期的优化路由、容量分配等。开始时对流量估计得不精确或需求模式的变化，都将 要求进一步的优化，如果新的优化设计仍然达不到目的，物理设施的重新配置和添加 是需要的，如提供新的链路或网络设备或增加链路容量。 一旦物理设施被认为是合适的，这一方面是说从经济投入考虑，无法增添新的设 备，或者是由于网络设计不合理，没有发挥出应有的性能，通过重新设计可以满足要 求。这时，最大化地达到网络资源的利用效果，就是流量工程研究的问题。 在实施流量工程时，采用数据链路层的技术可能达到更加高效的流量工程结果。 但要结合具体的情况具体考虑口5 i p 酗。由于数据链路层技术种类繁多( 如a t m ，f r a m e r e l a y ，以太网技术等) ，各技术之间存在明显差异，因此基于i p 层研究流量工程时， 一般不考虑使用数据链路层的技术。 另外，各种实时的路由处理方法可以进一步优化流量工程的结果。采用对链路负 载或链路延迟敏感的度量值( m e t r i c s ) 可以使流量绕过拥塞的区域，多路径的路由方 法可以提高空闲链路的利用率。所有这些方法都可以单独或组合使用这取决于网络 具体的情况和可得到的技术。 1 1 4m p l s 流量工程框架 i n t e m e t 工作小组i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 已经提出了一个概念性的 框架p0 】以及对m p l s 流量工程的要求。该框架的核心是流量干线( t r u n k ) 的概念。 流量工程干线定义了在一条可路由路径传送的属于同一类的流的汇聚。实际上，流量 干线可用以下特性共同描述：它的源标签交换路由器l s r ( l a b e ls w i t c h i n gr o u t e r ) 和汇l s r 、映射到它上面的f e c 和一组决定其行为特征的属性。 图1 1 4 1 说明了独立的分组流、流量干线、标签交换式路径l s p s ( l a b e ls w i t c h e d p a t h ) 和物理拓扑之间的关系。 1 结论 博士论文 图i 1 4 1 流、流量干线、l s p s 和物理拓扑之间的关系 图中，单独的流映射到流量干线传输，流量干线映射到l s p ，l s p 按照一定路由 跨越物理拓扑。干线是从l s p 中分离出来的实体，多条干线可以在一条给定的l s p 中传输。一条干线也可以连接多条l s p s 或连接l s p 的一部分。 每条干线都具有一组描述其资源要求、优先级或与资源之间的偏爱关系的属性。 这些属性常作为约束条件在路径计算时加以考虑。比如，与资源类相关的偏好属性可 以约束干线仅能通过特定的区域，如果利用它采用涂色法给资源和干线涂色，就可以 要求“红色”的干线仅能使用“红色”的链路。 根据i e t f 流量工程的框架，m p l s 域的标签边界路由器( l e r ，l a b e le d g er o u t e r ) 可以将到达的分组分成不同的f e c ，每一f e c 可以映射到一条或多条流量干线，干 线组成l s p 传输数据。 1 2 研究采用的主要技术和主要研究内容 本文的研究目标是开发一个m p l s 流量工程和一个传统i p 的解决方案，这些方 案的目标就是最大化提高网络资源的利用率，或者是满足某些特定条件约束下流量的 最优负载均衡。本文的理论基础是现代网络优化理论，