（电工理论与新技术专业论文）基于mpls流量工程的网络拥塞控制机制.pdf

a b s t r a c t w i t ht h er a p i dp r o g r e s so fi n t e r n e t ，t h ea m o u n to f in f o r m a t i o nh a s i n c r e a s e dr a p i d l ya n dt h ec o n g e s t i o no fi n t e r n e th a sb e c o m em o r ea n dm o r e s e r i o u s t h ec o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mi sv e r yd i f f i c u l t yt od e s i g n b e c a u s eo f t h ec o m p l e x i t yo fi n t e r n e ta n dt h ed e m a n d i n go fi t a l t h o u g h t m a n yo fr e s e a r c h e sh a v eb e e nd o n ei nt h i sf i e l d ，t h ep r o b l e mo fc o n g e s t i o n h a sn o tb e e ns o l v e dc o m p l e t e l y b yn o w ，t h es t u d yo fc o n t r o lt h e o r ya n d a l g o r i t h miss t i l lt h ef o c u s u s u a l l yi nt h ep r o c e s so fc o n g e s t i o nc o n t r o lt h e r ea r es e v e r a lp h a s e s i n c l u d i n gn o r m a l ，c o n g e s t i o na v o i d a n c ea n dc o n g e s t i o n h o wt or e s p o n s e t ot h ec o n g e s t i o nt h r e ep h a s e s ei nt h ed o w n s t r e a mr o u t e ri st h es t u yp o i n t i nt h i sp a p e r ，m p l sa n dt r a f f i ce n g i n e e r i n gi sah e a tp o i n ti nt h e i n t e r n a t i o n a ls t u d y t h eg o a lo ft r a f f i ce n g i n e e r i n ga n dt h ee o n g e s t i n c o n t r o li ss a m e ：t og u a r dt h eq o s i nt h i sp a p e r ，c o n g e s t i o nc o n t r o ls c h e m e b a s e do nt r a f f i ce n g i n e e r i n gw h i c ht a k ea d v a n t a g eo fm p l sn e t se d g e i n t e l l i g e n c ea n dt h ec o n n e c t i n gc h a r a c t e r i s t i c ，t a k ed i f f e r e n ta c t i o n s a c c o r d i n gt od i f f e r e n ts e r v i cl e v e l s og a i nt h eg o a l o fa l l e v i a t i n g c o n g e s t i o na n dm a k ef u l lu s eo fn e t sr e s o u r c e o n t h eb a s i so fs t u d ya n dd a y i c e ，t a k et h en e ts i m u l a t i o ns o f t w a r e o p e n e tm o d e l e s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sr e v e a lt h a tt h ec o n g e s t i o nc o n t r o l a l g o r i t h m c a n g u a r d t h eq o s ，a n di m p r o v e so nc o n g e s t i o nc o n t r o l p e r f o r m a n c eo fr o u t e rt os o m ee x t e n t k e yw o r d s ：c o n g e s t i o nc o n t r o l ，r o u t e r ，t r a f f i ee n g i n e e r i n g ，m p l s 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗筮茔或其他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。 学位论文作者签名：狐建般签字日期：川年，月卯日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：j 长建廿f 。 聊繇忽名昏 签字目期：训石年f月矿日 签字日期：年月日 天津大学硕士学位论文 第一绪论 第一章绪论 近年来，i n t e r n e l 正经历着惊人的发展，网络信息量在极短的时间内成倍地 增长，网络拥塞问题日益突出，这对网络拥塞控制的研究提出了更高的要求。本 章主要介绍了论文的相关研究背景和论文的主要内容。 l - 1 引言 计算机网络作为信息技术的核心和信息社会的命脉，为人们提供了一个理 想的信息平台。它的飞速发展推动了人们交往方式的变革，缩小了人类信息交往 的时空，标志着一个崭新时代的到来。现在，i n t e m e t 己发展成为世界上最大的 国际性计算机互联网。 i n t e r n e t 的迅速发展始于2 0 世纪9 0 年代，由欧洲原子核研究所组织c e r n 开发的万维网w w w ( w o r l dw i d ew e b ) 被广泛应用在i n t e r n e t 上，大大方便了 广大非网络专业人员对网络的使用，成为i n t e r n e t 指数级增长的主要驱动力【l ，2 】。 由于i n t e m e t 存在着技术上和功能上的不足，加上用户数量激增，使得现有 的i n t e r n e t 不堪重负。网络流量的整体失衡与拥塞( c o n g e s t i o n ) 成为当前i n t e m e t 中的主要问题，严重时更是极大地影响了网络性能。 目前i n t e r n e t 广泛使用的拥塞控制协议是端点到端点t a h o et c p 口j 。端点的发 送速率根据包确认由滑动窗口来控制，窗口的大小根据连接路径中的拥塞情况来 调整。这些协议存在共同的问题：网络拥塞的检测和控制不是由发生拥塞的网络 节点及时主动地完成，而是基于端到端的反馈由端点通过各种隐含信号推测出来 的。该方法不但延缓网络拥塞的检测和控制，而且在反馈过程中，仍有大量数据 包发向网络，造成更严重的网络拥塞。 通常情况下，拥塞会发生在不同的时间段和不同的网段。为了提高网络的服 务性能，必须要从源端、目的端、通信子网和路由器等许多方面来进行拥塞处理 和拥塞避免。本文在第三章中将对网络中的拥塞控制策略进行较为详细的论述， 天津大学硕士学位论文 第一绪论 其中拥塞避免和传统的闭坏控制方法应当归为宏观的流量控制，它关系到大的网 络区域中网络流量的规划；而那些传统的开环控制如漏桶算法，以及那些基于分 类队列的调度算法如加权公平队列w f q ( w e i g h t e df a i rq u e u i n g ) 算法、 尾部丢弃t d f i f o ( t a j ld r o pf i r s ti nf i r s to u t ) 算法等”，它们更多的 是从微观的角度来实现对流量的控制。从总体的控制性能来看，宏观的流量控制 与微观的流量控制同等重要。 在对网络的载荷情况进行评价时，都是以正常、拥塞避免和拥塞三个概念来 描述的。1 。因此如何主动获得网络拥塞信息，根据这些信息在不同的阶段针对不 同优先级的数据包采取不同的拥塞控制策略是本文研究的重点，将在第四章作较 为详细的介绍。 1 2 m p l s 一多协议标记交换技术 随着i n t e r n e t 的广泛应用和通讯技术的发展，一方面用户要求i n t e r n e t 提出更多的服务以适应新的应用，如语音和视频通信；另一方面，当前随着传输 链路的带宽越来越高，路由器实现线速转发的难度越来越大，网络瓶颈已经转移 到转发节点。面对这种挑战，必须要创造出一种全新的路由技术，这就是i p 交 换技术。 1 2 1m p l s 的由来 i p 交换技术是一种将第二层交换功能和第三层路由功能结合起来的技术， 是多层交换的另一种类型。与c s r ( 信元) 相类似，都是数据流驱动i p 交换的 一种应用。即它们可以根据独立业务流到达的情况来安排交换机的资源，并通过 标签分配和把数据流映射成v c 上的信令信息( i f m p 和f a n p ) ，实现交换的过程。 这些都是独立于单个i p 数据流进行的，因此保持了t n t e r n e t 模型的扩展性及在 第三层按照逐级跳的方式对所有业务进行转发的形式，且引入了特定的控制协 议，把i p 数据流转移到端到端的直通路径。 从2 0 世纪9 0 年代中期起，世界上各大公司都纷纷对第三层交换进行研究， 并提出了许多不同的方案，推出了许多产品。比较有影响的有c i s c o 公司的标记 交换( t a gs w i c h i n g ) ，i p s i l o i l 公司的i p 交换，东芝公司的信元交换路由器 天津大学硕士学位论文第一绪论 其中拥塞避免和传统的闭环控制力法应当归为宏观的流量控制，1 占关系到大的网 络区域中网络流量的挑划； 面那些传统的开环控制如漏桶算法，以及那些基于分 类队列的调度算法如加权公平队列w f q ( w e i g h t e d f a i r q u e u i n g ) 算法、 尾部丢弃t d f i f o ( t a i ld r o pf i r s ti nf i r s to u t ) 算法等“，它们更多的 是从微观的角度来实现对流量的控制。从总体的控制性能来看，宏观的流量控制 与微观的流量控制同等重要。 在对网络的载荷情况进彳亍评价时，都是以l e 常、拥塞避免和拥塞三个概念来 揣述的”。冈此如何主动获得网络拥塞信息，根据这些信息存不同的阶段针对不 同优先级的数据包采取不同的拥塞控制策略是本文研究的重点，将在第四章作较 为详细的介绍。 1 2 m p l s 一多协议标记交换技术 随着i n t e r n e t 的广泛应用和通讯技术的发展，一方面用户要求i n t e r n e t 提出更多的服务以适应新的应用，如语音和视频通信；另一方面，当前随着传输 链路的带宽越来越高，路由器实现线速转发的难度越来越大，网络瓶颈已经转移 到转发节点。面对这种挑战，必须要创造出一种全新的路由技术，遮就是i p 交 换技术。 1 2 1m p l s 的由来 i p 交换技术是一种将第二层交换功能和第三层路出功能结合起来的技术， 是多层交换的另一种类型，与c s r ( 信元) 相类似，都是数据流驱动i p 交换的 一种应用。即它们可以根据独奇业务流到达的情况来安排交换机的资源，并通过 标签分配和把数据流映射成v c 上的信令信息( i f 肝和f a n p ) ，实现交换的过程。 这些都是独立于单个i p 数据流进行的，因此保持了i n t e r n e t 模型的扩展性及在 第三层按照逐级跳的方式对所有业务进行转发的形式，且引入了特定的控制协 议，把i p 数据流转移到端到端的直通路径。 从2 0 世纪9 0 年代中期起，世界上各大公司都纷纷对第三层交换进行研究， 并提出了许多不同的方案，推出了许多产品。比较有影响的有cls c o 公司的标记 交换( t a gs w i c m n g ) ，l d s i l o n 公司的i p 交换，东芝公司的信元交换路由器 交换( t a gs w i c h i n g ) ，i d s i l o n 公刮的i p 交换，东芝公司的信元交换路由器 天津大学硕士学位论文 第一绪论 其中拥塞避免和传统的闭坏控制方法应当归为宏观的流量控制，它关系到大的网 络区域中网络流量的规划；而那些传统的开环控制如漏桶算法，以及那些基于分 类队列的调度算法如加权公平队列w f q ( w e i g h t e df a i rq u e u i n g ) 算法、 尾部丢弃t d f i f o ( t a j ld r o pf i r s ti nf i r s to u t ) 算法等”，它们更多的 是从微观的角度来实现对流量的控制。从总体的控制性能来看，宏观的流量控制 与微观的流量控制同等重要。 在对网络的载荷情况进行评价时，都是以正常、拥塞避免和拥塞三个概念来 描述的。1 。因此如何主动获得网络拥塞信息，根据这些信息在不同的阶段针对不 同优先级的数据包采取不同的拥塞控制策略是本文研究的重点，将在第四章作较 为详细的介绍。 1 2 m p l s 一多协议标记交换技术 随着i n t e r n e t 的广泛应用和通讯技术的发展，一方面用户要求i n t e r n e t 提出更多的服务以适应新的应用，如语音和视频通信；另一方面，当前随着传输 链路的带宽越来越高，路由器实现线速转发的难度越来越大，网络瓶颈已经转移 到转发节点。面对这种挑战，必须要创造出一种全新的路由技术，这就是i p 交 换技术。 1 2 1m p l s 的由来 i p 交换技术是一种将第二层交换功能和第三层路由功能结合起来的技术， 是多层交换的另一种类型。与c s r ( 信元) 相类似，都是数据流驱动i p 交换的 一种应用。即它们可以根据独立业务流到达的情况来安排交换机的资源，并通过 标签分配和把数据流映射成v c 上的信令信息( i f m p 和f a n p ) ，实现交换的过程。 这些都是独立于单个i p 数据流进行的，因此保持了t n t e r n e t 模型的扩展性及在 第三层按照逐级跳的方式对所有业务进行转发的形式，且引入了特定的控制协 议，把i p 数据流转移到端到端的直通路径。 从2 0 世纪9 0 年代中期起，世界上各大公司都纷纷对第三层交换进行研究， 并提出了许多不同的方案，推出了许多产品。比较有影响的有c i s c o 公司的标记 交换( t a gs w i c h i n g ) ，i p s i l o i l 公司的i p 交换，东芝公司的信元交换路由器 天津大学硕士学位论文 第一绪论 ( c s r ：c e l ls w i t c h i e gr o u t e r ) 和i b m 公司的a r i s ( a g g r e g a t er o u t eb a s e di p s w i t c h i n g ) ，以及i e t f 的多协议标记交换( m p l s ：m u l t i - p r o t o c o ll a b e s w i t c h i n g ) 等等。 c i s c o 公司的t a gs w i t c h i n g 是处于交换边缘的路由器，将每个输入帧的第 三层地址映射为简单的标记，然后把有标记的帧转化为册m 信元，再映射到v c 上，在网络核心a t m 交换机进行标记交换，由路由器保存标记信息表( 路由表) ， 用以寻找第三层路由，最后将标记信元送到目的地路由器上，由目的地路由器去 掉信息标记，把信元转化成帧，送到最终的目的端。在这个过程中，通过交换标 记( 小的数据单元) 和仅进行一次简单的标记查询就可提高转发帧的性能。 对于第三层交换技术，因各公司多采用自己的标准，相互间的连通比较困难。 因此，为使i p 交换技术成为标准，并使各个厂家设备之间实现互操作，i e t f 在 综合各厂家i p 交换技术的基础上提出了标准的i p 交换技术一多协议标记交换 ( m p l s ) ，以将各公司第三层交换技术的标准统一起来。 m p l s 是将第二层交换功能与第三层路由功能完善地结合在一起的一种技术。 在i p 路由和控制协议的基础上，m p l s 提供了面向连接的交换。其所以称之为多 协议，是因为m p l s 可以支持网络层的各种协议，如i p v 4 、i p v 6 、i p x 、c l n p 等 等。同时，m p l s 也支持第二层的各种协议，支持任何能够在网络层实体间传送 网络层分组的第二层媒体，而并不针对某一种链路技术。m p l s 以十分简洁的方 式完成信息的传送，且与t a g 、a t m 交换相类似，引入了固定长度的短标签( l a b e l ) 作为在m p l s 网中进行数据转发的依据。 m p l s 作为一个新的网络标准，是种标记转发的典范。标记表示路径和业 务的属性。在入口的边缘，流入的数据包被处理做上标记。位于核心的设备仅仅 读这些标记，赋于适当的业务，然后根据标记转发这些数据包。对这些数据包的 分析、分类和过滤只发生一次，是在进入边缘设备时。经过出口的边缘设备时 标记被移去，数据包转发到最终目的地。 1 2 2m p l s 的基本概念1 7 】 1 、多协议 其上层协议与下层协议可以是当前网络中的各种协议。如：第三层的i p x a p p l e t a l k ，d g c n e t ，第二层的帧中继( f r ) ，异步传输模式( a t m ) ，以太网等。 3 天津大学硕士学位论文第一绪论 2 、f e c ( 转发等价类) m p l s 实际上是一种分类转发的技术，它将具有相同转发处理方式( 目的地 相同、使用的转发路径相同、具有相同的服务等级等) 的分组归为一类，这种类 别就称为转发等价类，属于相同转发等价类的分组在m p l s 网络中将获得完全相 同的处理。在l d p 过程中，各种等价类对应于不同的标记。在m p l s 网络中，各 个节点将通过分组的标记来识别分组所属的转发等价类。 3 、标记 一个长度固定，只具有本地意思的标志。它用于唯一地表示分组所属的 f e c ，决定标记分组的转发方式【12 1 ，结构如图卜1 所示： 图1 1 标签堆栈编码结构 4 、交换 通过f e c 的划分与标记的分配，m p l s 的标记在网络中进行交换，建立一条 虚电路。 5 、标记栈 是一组标记的级联，每一个标记代表着一种控制操作。 6 、标记分组 包含了m p l s 标记封装的分组。标记可以使用专用的封装格式，也可以利用 现有的链路层封装，如a t m 的v c i 和v p i 。如图l 一2 所示： a t m f r p p pe t h e r n e t 第二层封装v c i v p i d l c i m p l s 封装s h i ml a b l e 第三层封装 i pp a c k e t 图卜2 标记封装格式 7 、标记交换路由器( l s r ) 支持m p l s 协议的路由器，是m p l s 网络中的基本元素，l s r 的结构如图1 3 所示。 天津大学硕士学位论文 第一绪论 图卜3l s r 构成图 8 、标记交换路径( l s p ) 使用m p l s 协议建立起来的分组转发路径，由标记分组源l e r 与目的l e r 之 间的一系列l s r 以及它们之间的链路构成，类似于a t m 中的虚电路。 9 、上游l s r 与下游l s r 一个分组由一个路由器发往另一个路由器时，发送方的路由器为上游路由 器，接收方为下游路由器。 1 0 、标记信息库( l i b ) 类似于路由表，包含各个标记所对应的各种转发信息( 下一跳，出口，链路层 封装格式等等) 。 1 l 、标记分发协议( l d p ) 该协议是m p l s 的控制协议，相当于传统网络的信令协议，负责f e c 的分类， 标记的分配，以及分配结果的传输及l s p 的建立和维护等。 1 2 、标记分发对等实体( l d pp e e r s ) 进行l d p 操作的l s r 为标记分发对等实体。 1 3 、类型长度值t l v ( t y p el e n g t hv a h e ) m p l s 消息中的子结构，类似于其它协议中各种消息内的对象结构。 天津大学硕士学位论文 第一绪论 1 2 3m p l s 的工作原理 m p l s 网络的典型结构图卜4 所示。 图1 - 4m p l s 网络拓扑结构 m p l s 的基本组成单元是m p l s 标记交换路由器( l s r ) 。由m p l sl s r 构成的 网络区域成为m p l s 域。位于m p l s 域边缘与其链网络或用户相连的l s r 成为边缘 l s r ( l e r ) 。而位于m p l s 域内部的l s r 则成为核心l s r 。l s r 即可以是专用的m p l s l s r 也可以是由a t m 等交换机升级而成的a t m l s r 。m p l s 网络与传统的i p 网络 的不同主要在于m p l s 域中使用了标记交换路由器，域内部之间使用m p l s 协议进 行通信，而在m p l s 域的外缘由m p l s 边缘路由器进行与传统i p 技术的适配。 工作过程 第一步： 网络可自动生成路由表，因为路由器或a t m 交换机可参与内部网关协议如 o s p f i s i s 信息交换。l d p 使用路由表中的信息去建立相邻设备的标记值。这个 标准创建了l s p ，预先设置了与最终目的地之间的对应关系。不象a t m 永久虚电 路，需要人工设置v p i v c i 。m p l s 的标记是自动分配的。 第二步： 一个数据包进入边缘l s r 时，它会被处理，决定需要哪种第三层的业务。例 如q o $ 和带宽管理。基于路由和策略的需求，边缘l s r 有选择地放入一个标记到 数掘包头中，然后转发。 第三步： 位于网络核心的l s r 读每一个数据包的标记，并根据交换表替换一个新的标 天津大学硕士学位论文第一绪论 记，然后，这个动作将会在所有中心设备中重复。 第四步： 在出口边缘的l s r ，除去标记，读数据包的i p 包头，然后根据传统的基于 目的地址将其转发到最终目的地。 工作特点 对于新加的i p 商业服务，m p l s 最显著的益处在于能够分配标记，这有非常 特殊的意义，不同的标记可以区分路由信息、应用类型和业务级别。 m p l s 标记类似于中心设备中预先计算好的交换表，并含有第三层信息，允 许每个交换机自动将每个数据包赋与正确的i p 服务。表是预先计算的，因此没 有必要在每一跳都重新处理数据包。这样不仅使数据流量分类成为可能，例如将 b e s t e f f o r t 数据流与基于重要任务的数据流分开，还可提供高扩展性。同时 m p l s 减少了数据转发分析i p 包头的时间，因为它使用了标记交换的机制，标记 只受本地局限。因此，用尽标记的可能性几乎没有。这种特性是实施i p 增值服 务的基础，如q o s ，v p n 和t r a c f f i c e n g i n e e r i n g 。 1 2 4m p l s 的技术特点 l 、流量工程 传统i p 网络一旦为一个i p 包选择了一条路径，则不管这条链路是否拥塞， i p 包都会沿着这条路径传送。这样就会造成整个网络在某处资源过度利用，而 另外些地方网络资源闲置不用。m p l s 可以控制i p 包在网络中所走过的路径( 显 示路由功能) 【s ，9 ，j ，可以避免i p 包在网络中的盲目行为，避免业务流涌向已经 拥塞的节点，实现网络资源的合理利用。 2 、负载均衡 m p l s 可以使用两条和多条l s p 来承载同一个用户的i p 业务流，合理地将用 户业务流分摊在这些l s p 之间。 3 、路径备份 可以配置两条l s p ，一条处于激活状态，另外一条处于备份状态。一旦主l s p 出现故障，业务立刻导向备份的l s p ，直到主l s p 从故障中恢复，业务再从备份 的l s p 切换回到主l s p 。 4 、故障恢复 7 天津大学硕士学位论文第一绪论 当一条已经建立的l s p 在某一点出现故障时，故障点的m p l s 会向上游发送 n o t i f i c a t i o n 消息，通知上游l e r 重新建立一条l s p 来替代这条出现故障的l s p 。 上游l e r 就会重新发出r e q u e s l 消息建立另外一条l s p 来保证用户业务的连续 性。 5 、路径优先级 在网络资源匮乏的时候，应保证优先级高的业务优先使用网络资源。m p l s 通过设置l s p 的建立优先级和保持优先级来实现的。每条l s p 有n 个建立优先 级和m 个保持优先级。优先级高的l s p 先建立，并且如果某条l s p 建立时，网 络资源匮乏，而它的建立优先级又高于另外一条已经建立的l s p 的保持优先级， 那么它可以将已经建立的那条l s p 断开，让出网络资源供它使用。 1 2 5m p l s 的主要应用 i v l p l s 因其具有面向连接和开放结构而得到广泛应用，现在在大型i s p 网络 中，m p l s 主要有流量工程( t e ) 、服务等级( c o s ) 、虚拟专网( v p n ) 三种应 用。 1 、流量工程 随着网络资源需求的快速增长，i p 应用需求的扩大以及市场竞争目趋激烈， 流量工程成为m p l s 的个主要应用。因为i p 选路时遵循最短路径原则，所以在 传统的i p 网上实现流量工程十分困难。m p l s 非常适合于为大型i s p 网络中的 流量工程提供基础，其原因为： 支持确定路径【8 1 ，可为每条l s p 定义一条确定的物理路径。 l s p 统计参数可用于网络规划和分析，以确定瓶颈，掌握中继线的使用情况。 基于约束的路由i “j 使l s p 能满足特定的需求。 不依赖于特定的数据链路层协议，可支持多种的物理和链路层技术( i p a t m 、 以太网、p p p 、帧中继、光传输等) ，能够运行在基于分组的网络之上。 2 、服务等级 m p l s 的最重要的优势在于它能提供传统i p 路由技术所不能支持的新业务， 提供更高等级的基础服务和新的增值服务。i n t e r n e t 上传输的业务流包括传统 的文件传输、对延迟敏感的话音及视频业务等不同应用。为满足客户需求，i s p 不仅需要流量工程技术，也需要业务分级技术。m p l s 为处理不同类型业务提供 r 天津大学硕士学位论文第一绪论 了极大的灵活性，可为不同的客户提供不同业务。 m p l s 的o o $ 是由l e r 和l s r 共同实现的：在l e r 上对l p 包进行分类，将i p 包的业务类型映射到l s p 的服务等级上；在l e r 和l s r 上同时进行带宽管理和业 务量控制，从而保证每种业务的服务质量得到满足，改变了传统i p 网“尽力而 为”的状况。一般采用两种方法实现基于m p l s 的服务等级转发。 业务在流经特定的l s p 时，根据m p l s 报头中承载的优先级位在每个l s r 的输 出接口处排队。 在一对边缘l s r 间提供多条l s p ，每条l s p 可通过流量工程提供不同的性能和 带宽保证，如入口l s r 可将一条l s p 设置为高优先权，将另一条l s p 设置为中 等优先权。 3 、虚拟专用网 v p n 被一致认可为网络运营商的核心应用，网络运营商经常面临的挑战是商 业用户需要将他们建立的网络通过v p n 扩展到分支机构或外部用户网。这些基于 i p 的主流应用要求网络的特殊处理，包括私密性，服务质量以及a n y t o a n y 的 连通性。网络运营商的v p n 业务必须具备高度的可扩展性，高性价比并可适应广 泛的用户需求。 目前基于m p l s 的v p n 方案中，以r f c2 5 4 7 中规定的b g p m p l sv p n 得到了 大多数厂家的支持，如c i s c o ，j u n i p e r 等为给客户提供一个可行的v p n 服务。 i s p 要解决数据保密及v p n 内专用i p 地址重复使用问题。由于m p l s 的转发是基 于标签的值，并不依赖于分组报头内所包含的目的地址，因此有效地解决了这两 个问题。 m p l s 的标签堆栈机制使其具有灵活的隧道功能用于构建v p n ，通常采用两级标 签结构。高一级标签用于指明数据流的路径，低一缴的标签用于作为v p n 的专 网标识，指明数据流所属的v p n 。 通过一组l s p 为v p n 内不同站点之间提供链接，通过带有标签的路由协议更新 或标签分配协议分发路由信息。 m p l s 的v p n 识别器机制支持具有重迭专用地址空间的多个v p n 。 每个入口l s r 根据包的目的地址和v p n 关系信息将业务分配到相应的l s p 中。 天津大学硕士学位论文 第一绪论 1 3 论文的创新点和论文组织 1 3 1 论文的创新点 本文在研究开、闭环拥塞控制机制和交换技术的基础上，提出了基于m p l s 流 量工程的拥塞控制机制，并进行了仿真试验进行验证。 本文主要的两个创新点： 将流量工程的重路由机制应用到网络拥塞控制。 将主动拥塞控制和被动拥塞控制结合起来。 对流量工程拥塞控制机制进行设计，实现，并进行仿真试验。试验仿真结果 验证了本拥塞控制机制的有效性和合理性。 1 3 2 论文的组织 本章为论文的绪论部分。介绍了论文的相关研究工作背景，多协议标记交换 技术和论文的主要创新点。 第二章概括性地讲述了流量工程的三个发展阶段，及其流量工程的相关的概 念。 第三章对传统的开、闭环拥塞控制算法和各种队列调度算法进行研究，并在 此基础上提出了基于流量工程的拥塞控制机制。 第四章详细介绍了基于流量工程的拥塞控制机制的控制模型和相应的控制 算法和流程。 第五章首先提出了用于仿真的网络模型和评价指标然后分别对其进行性能 仿真进行验证。 最后对本文的算法进行总结，并提出了些问题和相关的、有价值的研究方向。 天津大学硕士学位论文第二章流量工程 第二章流量工程 i n t e r n e t 在最近的几年内获得了快速的增长，一份来自美国商业部的报告 表明，i n t e r n e t 的增长速率已经超过了以前的所有技术的发展速度，如无线电、 电视和个人计算机【1 ”。尽管i n t e r n e t 的长期的市场行为很难预测，但是流量的 几何级数的增长是很明显的。对于i s p 来说，目前他们从网络体系结构、增加网 络基础设施和流量工程三个互补的技术层面来响应因特网的快速增长所提出的 挑战旧： 网络体系结构处理的是抽象的网络结构，定义网络组件和对象类，以及它们 的功能和相互之间的联系。一个好的、可扩展的网络体系结构是以一个坚实的体 系结构原理为前提，能适应因特网环境的快速演进。i s p 所采用的第二项措施是 增加网络容量和基础设施。在1 9 9 6 年，美国骨干网的链路为d s 3 ( 4 4 7 3 6 m b s ) ， 在1 9 9 7 和1 9 9 8 年o c 一1 2 c ( 6 2 2 m b s ) 链路变得普及。在1 9 9 9 年大多数主要的 i s p 升级到0 c - 4 8 c ( 2 4 8 8 g b ) 链路，到2 0 0 0 年，i s p 开始部署o c 1 9 2 c ( 9 9 5 3 g b s ) 链路，这在一定的程度上缓解了网络资源的不足。i s p 采用第三项措施是流量工 程，在最近几年，流量工程得到了广泛的关注，因为网络结构和简单的网络扩容 并不能在各种网络环境下达到高的服务质量。流量工程解决的是网络性能优化问 题，它包括流量的测量、建模、特征化和控制等方面的技术以及为完成特定性能 目标的技术的应用1 1 叼。一个好的流量工程给i s p 和网络用户带来价值。 当前i s p 的任务不再仅仅是完成用户的接入，人们对i n t e r a c t 提供的服务有 了更高的要求。另外，由于i s p 之间的竞争日益加剧，i s p 也必须更加有效地利 用i s p 网络，以提高竞争能力。这种情况下，流量工程变成一个日益重要的工具。 流量工程就是把信息流映射到已有的网络物理拓扑结构，并且使这种映射能 够保证服务质量( q o s ) ，改善网络资源利用，使网络服务更加快速，可靠8 1 。 本章首先介绍流量工程发展的三个阶段，然后介绍流量工程的相关概念，最后介 绍流量工程的基本构建。 天津大学硕士学位论文第二章流量工程 2 1 流量工程发展阶段 i p 骨干网络的发展可分为三个阶段：由通用的，基于传统第三层数据报文 路由方式的路由器互连而形成的i p 主干网：由a t m 网作为基本的传输网，互连 边缘路由器构建的i p 骨干网；由高速交换路由器构建的骨干网。在这三个阶段 流量工程的实施是不同的，下面分别予以介绍。 2 1 1 基于路由器的核心网络 在基于路由器的核心网络中，通过简单地调整路由距离来实现流量工程，从 而巧妙地精确控制数据流的走向，充分提高网络的利用率。当i n t e r n e t 主干网络 非常小的时候，即i n t e r n e t 主干网络只有少数几个路由器和少数几条链路构成且 当信息流的流动也有一定的确定性的时候，这种基于距离的控制方法是有效的。 图2 1 给出了基于传统的距离的流量控制。 网络a网络b 链路4 网络c网络d 图2 一l 基于距离的流量工程 假定网络a 发送信息流给网络c 和网络d ，根据图中所给出的路由距离，网络a 发给网络c 和d 的信息流均经过链路1 和链路2 ，因为路径：路由器a 路由器b 一路 由器d 和路径：路由器a 一路由器b 一路由器d 一路由器c ( 传统的路由协议如i g p 、 0 s p f 等形成) 分别是网络a n 网络d 和网络a n 网络c 的最短路径，这样使得链路1 和链路2 可能变得十分拥挤。如果将链路4 的距离从4 改为2 ，网络a n 网络d 的信息 量将漉经链路4 ，而网络a 到网络c 的信息量仍将流经链路l 和链路2 ，各个链路的 天津大学硕士学位论文第二章流量工程 负载得到了均衡。通过使用流量工程，可以使网络资源得到充分利用，它是基础 路由设施的重要辅助部件。 但是，基于传统路由器的流量工程在扩展性方面有很大的局限性，主要表现 在以下三方面： 1 、传统的基于软件的路由器在负荷较大时有着潜在的流量瓶颈，因为它所能聚 合的带宽和分组处理能力是很有限的。 2 、，基于度量操作的流量工程是不可扩展的，而且对于现在如此广泛互连的网络 突发的业务流，某部分链路度量的改变必然影响其他部分的正常工作。 3 、 i g p 的路由计算是拓扑驱动的，其计算基于简单的度量，比如跳数或者说管 理员赋予的一个值。i g p 并不根据业务流的属性和链路带宽或箕他特性，因此转发 表中的链路仅仅表明有条通路可达对方，而通路的属性却无法确定，结果是网 络资源不会得到有效的利用1 ” 。 2 1 2 重叠在a t m 网络和帧中继网络上的i p 网络 解决目前i g p 不完备所引起的问题比较好一点的办法是使用叠加模型，如图 2 - 2 和图2 3 所示： 繁簦- 罗气每：j i 鋈罗 。 ，；上? ：。； 图2 2 叠加模型拓扑图2 3 逻辑拓扑图 叠加模型根据底层提供的实际物理拓扑通过任意的虚拟拓扑延 申了设计空 间。虚拟拓扑从虚电路构建起来，这些虚电路对i o p 路由协议来说表现为真实的 物理链路一样。而且，虚电路可以容易地进行重路由，以便将个过负荷使用的 网络上的业务转移到负荷较轻的网络上去。 对一个大的i s p 来漉，可能整个a t w 网络都是它自己建设的，因此它对整个网 络拥有完全的使用权利。它就没必要做业务分类、业务整形、峰值率限制或流量 控制等。每条p v c 的实际物理通路由管理员按需进行配置，这种配置主要依据的 是链路容量和各链路历史流量。a t mp v c 是事实上的一种显示路由，所以基于a t m 天津大学硕十学位论文 第二章流量： 程 的核心网可作一定程度的流量工程调节，在a t m 中对每条p v c 的统计结果可以用来 更进一步的p v c 布局和管理。 a t m 曾经为i s p 带来了很大的效益，但是叠加模型在管理费用、设备费用和操 作稳定性和扩展性上都不如意。因为基于a t m 的叠加模型要求管理两个不同的网 络：底层的基础a t m 设施和叠加在它上的逻辑i p 网络。两个叠加的网增加了网络 管理的复杂性，主要是由于路由的计算和流量的调节处在不同的网络环境中，两 个不同的网络有效协同操作也较难。另外，a t m 路由器接口与最新的光纤带宽的 增长不能保持一致。还有，全网格状态的p v c 配置带来的n 平方问题，这在维护、 配置和扩展方面都是很不利的。于是人们又去寻找新的办法来解决网络流量工程 问题。由于路由算法是实现客户数据流i f 确传输的基础，所以新的流量工程方法 要求必须是基于路由算法。同时，新的基于路由的流量工程技术方案必须达到或 超过叠加模型所实现的性能。另外，希望流量工程的实现是自动的。 2 1 3 基于归l s 的核心网络 对于流量工程来说，m p l s 是当前最好的解决方案。因为m p l s 以集成模型方式 具备了叠加模型的全部功能，是性价比最好的最具竞争力的宽带网络技术。更重 要的是m p l s 使流量工程的自动实现提供了可能性，这主要体现在以下几方面口。 1 、m p l s 集成了第二层的标签交换与网络层的路由技术 分组在m p l s 网的入口根据转发等价类被赋予一定长短标签，然后在域内按标 签交换方式进行转发。这种转发方式为解决因特网中的区分服务提供了强有力的 技术基础。 2 、m p l s 流量工程提供了完整的流量管理方法 业务管理能力可以通过m p l s 与第三层集成在一起，如果假定选路方式的局限 是源自于骨于网容量和拓扑结构的话，那么这种业务管理方式将可以优化i p 业务 的选路方式。 3 、m p l s 流量工程是基于业务流所需的资源和网络中的可用资源为业务流在穿过 网络时进行选路。m p l s 流量工程采用“受限选路( c o n t r a i n tb a s e dr o u t i n g ) ” 方式，在此方式中业务流经过的通道是满足业务流资源要求的最短通道。在m p l s 的流量工程中，业务流选路可有带宽要求、媒质要求和优先级要求等参数。 4 、节点和链路故障往往使骨干网拓扑结构发生改变，而m p l s 流量工程可以通过 1 4 天津大学硕士学位论文 第二章流量工程 适应一系列新的资源约束情况，从而有效地对发生故障的节点和链路进行恢复。 5 、m p l s 对流量工程产生的巨大吸引力还要归功于下面一些因素： 显示标签交换通路的建立可以由管理员配置，也可通过底层协议自动创建。 l s p 潜在的维护效益很好。 主干业务流可以立即映射到l s p 上。 在m p l s 中可以对流量中继主干线附加一些属性，以便调节它们的特性。 m p l s 网中可以对资源规定一些属性，以约束l s p f 穿过它们的流量中继主干线。 在m p l s 中允许业务流的聚合与分解。 m p l s 技术更容易实现基于约束的路由集成。 2 2 流量工程的概念及性能指标 流量工程是一种通过对i n t e r n e t 流量运用测量、建模、描述和控制等原理 积技术将业务流映射烈实际物理通路上。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。其 主要目的是将业务流合理分配到现有的网络拓扑结构上，以优化网络资源的使 用，提高网络性能【1 2 j 。流量工程的目标是避免拥塞问题以及由此引起的q o s 服务 等级下降问题。另外它还要实现网络工程自动化。从网络流量的观点来看，流量 工程的功能可以看作是网络中业务流量分布的优化。 2 2 1 流量工程的性能指标 当考虑流量工程的性能指标时，我们可以将指标分成两类：面向应用的性能 指标与面向网络的性能指标【 】。面向应用的性能指标又可称之为面向业务流的性 能指标：面向网络的性能指标可称之为面向资源的性能指标。 1 、面向应用的性能指标 这是一种与每种特定应用服务流的流量特性相关的指标，它与q o s 相关并试 图从以下几方面改善网络性能：端到端的分组发送延迟，分组延迟抖动，服务响 应时间和包丢弃率。 面向业务流的性能目标包括了业务流q o s 的增强。对单个类型、尽力而为的 天津大学硕士学位论文 第二章流量工程 i n t e r n e t 月 务模型来说，面向业务流的关键性能目标有：分组丢失的最小化、延 迟最小化、吞吐量最大化，增强服务等级的协定( s l a ) 。在单一的尽力而为服 务类型下，分组丢失的最小化是面向业务流的最