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譬7 6 9 4 7 9 网络流量控制若干关键技术研究 r e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g i e so fn e t w o r k t r a f f i cc o n t r o l 指导小组成员：高传善 钱松荣 孙慰迟 毛迪林 教授 教授 副教授 讲师 惫径作慧导辑麓留 铌全x t 毒 握皇上擎博士学位论立网络流量控制若千关键技术研究 第1 负 网络流量控制若干关键技术研究 摘要 随着互联网络的飞速发展，给网络系统的正常运行带来了系列的问题，其 中最突出的是由网络流量过大引发的网络拥塞。与此同时，互联网络所提供的服 务日益多样化和复杂化，作为承载服务的基础，对网络流量进行智能化的控制显 得日益重要。网络流量特性可以充分体现承载网络的性能特性，因此本文以对网 络流量特性的研究为出发点，对网络流量控制相关的一系列关键技术进行研究。 本文在对网络流量特性进行系统研究的基础之上，尝试从理论上分析了t c p 拥塞控制机制与网络流量自相似特性之间的关系，并通过模拟试验比较了自相似 性与丢失率、重传初值以及链路延迟的不同关系。对于网络流量特性的刻画以及 网络流量特性原因的探讨，都应当以网络流量控制为最终目标。为了方便流量控 制模型的建立，本文首先对典型t c p 流的流量特性进行分析，通过理论推导得 到网络流量的控制模型，并进一步研究在此模型基础上的控制器设计，引入预测 控制模型设计流量控制器，并给出了模拟的流量控制器实现。在此基础上，本文 进一步研究了下代智能网络中控制平面待解决的关键技术。 本文有所创新的主要方面如下： 首先，系统分析了网络流量特性，在前人研究的基础上，总结了网络流量自 相似特性成因的可能解释，并分析了这些解释的出发点和合理性。并进一步讨论 了t c p i p 协议与t c p 流自相似特性的关系，从理论上分析了t c p 拥塞控制机 制本身会导致t c p 流自相似特性的原因，通过模拟实验证明了t c p 流分形程度 与丢失率及超时重传的直接关系。 其次，在上述理论分析的基础上，进一步从控制论的角度对t c p 拥塞控制机 制进行分析。认为主动队列管理问题可以看作一个控制器设计问题，可以引入经 典现代控制论的基本原理进行模型建立和分析。考虑到网络流量的复杂性，本 文提出了一种基于预测的流量控制模型。考虑到网络流量控制实际实现可能遇到 的问题，本文提出了一种在服务层叠网中动态配置带宽的改进算法。 第三，研究了下一代智能光网络中实现流量工程的可能性与必要性，研究了 智能光网络控制平面设计的待解决关键问题，针对i p 业务量不确定性对带宽动 态配置的要求，提出了一种混合式的流量工程解决方案。 最后，本文在对r s v p - t e 进行扩展的基础之上，提出了一种动态标记优先 槿蕈上擎博上学位论文- 网络流量控制若千关键技术研究 第2 负 级策略，通过不同的预留算法对标记集中的标记对象进行分级，在节点中尽量预 留可用的标记或者优先级相对高的标记，以有效降低和避免反向波长请求阻塞。 关键词：网络流量控制、智能光网络、预测控制、网络性能 在算上擎博t 学位论文网络流量控制若十关键技术研究 第3 负 r e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g i e so fn e t w o r k 7 n a f n cc o n t r o l a b s t r a c t w i c ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r c o n n e c t e dn e t w o r k sa n di n t e m e ta p p l i c a t i o n s t h e r ea r em o r ea n dm o r ep r o b l e m sb r o u 【g h tu pi nn e t w o r ks y s t e m s t h em o s tu r g e n t o n eo ft h e s ep r o b l e m si st h en e t w o r kc o n g e s t i o nd u et oh e a v yn e t w o r kt r a f f i c s e r v e r i c e sp r o v i d e db yt h ei n t e r n e tb e c o m em o r ea n dm o r ec o m p l e x t y , w h i c hr e q u i r e s t h es p st oc o n t r o lt h en e t w o r kt r a f f i cm o r ei n t e l l i g e n t t h e r ea r es t i l lm a n yp r o b l e m s t os o l v ei no r d e rt oc a p t u r et h ed y n a m i cc h a r a c t a r i t i c so ft h ei n t e m e t t h i sp a p e r b e g i n sw i t ht h er e s e a r c ho nn e t w o r kt r a f i l ec h a r a c t a r i t i c sb e c a u s ew h i c hc a nf u l l y r e f l e c tt h ei n t e r a c t i o nw i t ht h en e t w o r k t h e nt h ek e yt e c h n o l o g i c so fn e t w o r kt r a f f i c c o n t r 0 1a r ed i s c u s s e di nd e t a i l s t h i sp a p e ra d o p t st h es c i e n c em e t h o d o l o g yi ni n t e r n e tt r a f f i ce n g i n e e r i n gt o e x p l o r et h ei n t e r a c tp e r f o r m a n c e w et r yt oa n a l y s i st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h et c p c o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s ma n dt h es e l f - s i m i l a ro ft h en e t w o r kt r a f f i c a n dt h e nt h e d i f f e r e n tr e l a t i o n s h i pb e t w e e np r o p a g a t i o nd e l a y , l o s sr a t ew i t ht h e d e g r e eo f s e l f - s i m i l a ro ft h en e t w o r kt r a f f i c t h er e s e a r c ho nt h er e a s o no ft h es e l f - s i m i l a ro f n e t w o r kt r a f i l es h o u l ds e r v ef o r t h en e t w o r kt r a f f i cc o n t r 0 1 t h en e t w o r kt r a f i l e c o n t r o li st h em o s td i r e c ta p p r o a c ht op r o m o t et h en e t w o r kp e r f o r m a n c e t h i sp a p e r f i r s tf o c u s e so nt h em o d e l i n go ft h en e t w o r kt r a f f i cc o n t r 0 1 t h e nt h et r a f f i cc o n t r o l l e r i sd e s i g n e db a s e do nt h em o d e l a n dt h em o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o lm e c h a n i s mi su s e d t od e s i g nm o r ee f f i c i e n tt r a f f i cc o n t r o l l e r t h en e t w o r kt r a f f i cc o n t r o ls h o u l da l s o i n c l u d et h ed e s i g no ft h ec o n t r o lp l a n eo fn e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k s t h e nw ed i s c u s s t h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ec o n t r o lp l a n eo fa s o n ( a u t o m a t i cs w i t c h e do p t i c a l n e t w o r k s ) t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e ri n c l u d e d ： f i r s t l y , t h e n e t w o r kt r a f f i cc h a r a c t a f i t i c sa r e a n a l y z e d w i t ht h ew a v e l e t t e c h n o l o g y , t h er e a s o n so ft h e s e l f - s i m i l a ro ft h en e t w o r kt r a f f i ca r ed i s c u s s e di n d e t a i l s t h e nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt c pc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s ma n dt h e s e l f - s i m i l a ro fn e t w o r kt r a f f i ci sr e s e a r c h e di nt h e o r y a sar e s u l t ，w ef i n dt h a tt h et c p c o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mm a yb eo n eo ft h er e a s o n so ft h es e l f - s i m i l a r t h e 寝旦上擎博上学位论文网络流量控制若十关键技术研究第4 负 s i m u l a t i o nr e s u l ta l s oa p p r o v e dt h i sp o i n to fv i e w s e c o n d l y , t h et c pc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mi si n v e s t i g a t e db yc y b e r n e t i c s t h ea c t i v eq u e u em a n a g e m e n tp r o b l e mc a nb es o l v e da st h ed e s i g np r o b l e mo fa t r a f f i cc o n t r o l l e r t h e nt h ec l a s s i ca n dm o d e mc y b e m e t i c sc a nb eu s e dt om o d e l i n g a n da n a l y s i s at r a f f i cc o n t r o lm o d e lb a s e do nm o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o lw a sp r o p o s e d d u et ot h ec o m p l e x i t yo ft h en e t w o r kt r a f f i c a ni m p r o v e dd y n a m i cb a n d w i d t h p r o v i s i o na l g o r i t h mi ns o n ( s e r v i c eo v e r l a yn e t w o r k s ) a l s op r o p o s e d t h i r d l y , t h et r a f f i ce n g i n e e r i n gi nn e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k sw a sd i s c u s s e d t h e k e yt e c h n o l o g i e si nt h ed e s i g no ft h ec o n t r o lp l a n ea r er e s e a r c h e d ah y b r i dt r a f f i c e n g i n e e r i n gs o l u t i o nw a sp r o p o s e dd u et ot h er e q u i r e m e n to ft h ed y n a m i cb a n d w i d t h p r o v i s i o n f i n a l l y , t h es i g n a l i n gp r o t o c o l so fa s o ns t i l lh a v n tb e e ns t a n d a r d i z e d t h em o s t c o m m o nu t i l i z e da r ec r l d pa n dr s v p t e ad y n a m i cl a b e lp r i o r i t ys t r a t e g yw a s i n t r o d u c e db ye x t e n d i n gt h er s v p - t ep r o t o c 0 1 s e v e r a lp r o v i s i o na l g o r i t h m sc a nb e u t i l i z e dt od e c i d et h ed i f f e r e n tp r i o r i t i e so fl a b e l si nt h el a b e ls e t i ne a c hn o d e ，t h e l a b l ei nt h ea p ( a v a l i b l ep o o l 、a r es u g g e s t e df i r s t i ft h e r ei sn ol a b e li nt h ea p , t h e n t h el a b e li nt h ef p ( f l a g e dp 0 0 1 ) w i t hh i g h e s tp r i o r i t yw i l lb ec h o s e di no r d e rt o r e d u c et h ep r o b e r b i l i t yo ft h eb a c k w a r db l o c k i n g k e y w o r d s ：n e t w o r kt r a f f i cc o n t r o l ，a s o n ，p r e d i c t i v ec o n t r o l ，n e t w o r k p e r f o r m a n c e 棋旦j t 擎博士学位论文网络流量控制若十关键技术研究 笫5 页 第一章绪论 1 1 研究网络流量控制技术的意义和任务 随着互联网络的飞速发展，给网络系统的正常运行带来了一系列的问题，其 中最突出的是由网络流量过大引发的网络拥塞。与此同时，互联网络提供的服务 日益多样化和复杂化，对网络流量进行智能化的控制显得日益重要。然而i n t e m e t 已经发展成为一个复杂的海量非线性系统，对这一复杂系统的动态特性的研究还 存在大量待解决的问题。 网络流量特性的研究近年来引起了全世界研究者的广泛关注，对于网络流量 特性的研究应当服务于网络流量控制技术的研究，随着互联网络所承载的服务日 益多样化，网络流量控制技术应当能够满足实际的业务需求，实现资源的合理调 度，尽可能降低或避免拥塞的发生，并实施合理的拥塞控制机制。由于网络流量 的复杂性，对于网络流量的控制无法象其它线性、非线性系统一样方便地进行控 制，对于网络流量控制技术的研究仍有许多难点。本文尝试分析网络流量控制技 术待解决的突出问题，并引入控制论对网络流量控制技术进行研究和仿真。在我 们的研究中发现，t c p 拥塞控制机制本身会导致网络流量的自相似特性，因此， 网络控制机制的设计本身会对今后网络流量的控制造成直接影响，研究网络流量 控制技术也是下一代智能光网络设计的要求。 1 1 1 网络流量和网络性能的关系 网络流量是网络业务的最直接载体，它能够直接反映网络性能的好坏，理想 状态的网络应当能够承载任何突发流量，直至超过网络的最大吞吐量。如果流量 超过网络的负载能力，将会导致网络性能严重下降。 网络流量的调度问题，也会直接影响网络性能，网络局部的突发流量很容易 导致网络整体性能的下降，而网络中不同业务流对资源的占用不同，也会导致少 数流耗用大部分带宽的情况，严重影响网络资源的利用率。因此，合理的流量控 制策略显得尤为重要，我们要解决的问题不仅仅是发生拥塞如何去及时响应，更 重要的是要制定合理的控制策略，避免拥塞的发生，并最大限度的利用资源。 值得注意的是，近年来一些新兴的大数据传输量业务对网络流量的特性产生 了新的影响，比如v o d 、p 2 p 等应用，以p 2 p 流量为例，服务器端的流量压力 减轻了，但是整个网络的负载显著增加，而这一类流量的突发性往往比传统流量 在旦土擎博j j 学位论文网络流量控制若干关键技术研究 第6 贞 低 s g g 0 2 】，流量的特性相对稳定，易于监控和管理。有效的管理和控制特定的 业务流将对网络性能提高有着非常直接的意义。根据业务特性对网络流量的合理 调度还能够提高单位带宽的收益率，同时，对流量的合理控制也是满足q o s 要 求的前提。 此外，局部非适应性流的大量聚集也将导致网络性能严重下降，甚至导致一 些服务的瘫痪，比如近年来给网络性能和网络安全带来严重影响的网络蠕虫，以 及其它一些通过汇聚流量形成重负荷对网络系统进行攻击的行为等，因此，有效 鉴别非适应性流也是网络流量控制的一个重要任务。 1 1 2 因特网流量工程的核心任务 因特网流量工程( i n t e m e tt r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 是目前i e t f 和各个i s p 关注的 一个热点，吸引了很多研究者的关注和参与。流量工程就是采用科学的原则对网 络流量进行测量，分析刻画和建模，寻找影响性能的特性，对网络流量实施控制， 最终达到提高和优化网络性能目的。因此流量控制技术的研究和实施是网络流量 工程的目的，是实现流量工程性能目标，优化网络性能的最重要环节。 流量工程的性能目标主要有两类： 一是面向网络流量的性能对象，又称面向应用的性能的对象，这一性能目标 面向网络流量对象和特定业务流的流量特性，与q o s 直接相关，具体的性能目 标是；分组丢失的最小化，延迟最小化，吞吐量最大化，增强服务级的协定。 二是面向网络的性能对象，或称面向资源的性能对象。这一性能目标面向网 络的性能对象是。它试图改善网络的资源利用率和网络吞吐量等性能。面向网络 的性能目标是资源的有效管理和利用。即确保网络的各组成成分能均衡使用，有 效利用带宽资源。拥塞最小化即尽可能的缩短突发性业务造成的拥塞时间，是流 量工程最主要的性能目标。 从上述分析可以看出，流量工程要实现的性能目标，必须经过流量控制技术 来实施，而流量控制技术要解决两方面的问题，一方面是对流量对象的直接控制， 另一方面是资源对象的控制，保证有效利用网络资源。 1 1 3 网络流量控制技术的主要研究任务 如前文所述，流量控制不仅包括对流量的直接管理和控制，还包括对网络级 对象的管理，从而实现资源的有效利用和网络性能的优化。网络流量控制是一个 范围很广的研究领域，有理论研究的迫切要求，也有实用控制技术研究的需要， 成算土擎博上学位论文网络流量控制若干关键技术研究 第7 - 贝 目前网络流量控制技术研究的突出热点有以下几个方面： 路由器主动队列管理机制的研究，近年来，作为i e t f 推荐的拥塞控制 关键技术，路由器主动队列管理技术引起了广泛的研究兴趣，对于路由 器主动队列管理技术的研究主要集中在解决公平性问题、参数设置问题 和有效估计拥塞程度问题上，通常研究的出发点是基于仿真的对于现有 a o m 算法的改进。主动队列管理的研究主要包括队列管理和队列调度。 入侵检测系统中的流量限制问题，由于越来越多的网络安全问题仅仅是 由于流量异常而导致的网络性能严重下降，近年来，对于入侵检测系统 的研究引起了广泛关注，如何识别恶意流，如何对特定流限速成为入侵 检测系统中流量控制问题的研究重点。 q o s 的实际实现问题，对特定业务流保证q o s 不仅需要技术的支持，还 需要各个i s p 的政策支持，否则很难在目前如此复杂的互联网络环境下 实现端到端的q o s 。有人 d z h 0 2 1 提出了服务层叠网( s o n ，s e r v i c e o v e r l a yn e t w o r k s ) 的概念，即在现有的因特网架构之上，再建立一层由 s o n 服务网关所组成的逻辑网络，这样的逻辑网络可以针对不同种类的 业务要求构建。s o n 通过服务网关( s e r v i c eg a t e w a y s ) 实现特定服务流的 转发和控制策略，两个服务网关之间的逻辑连接通过下层的网络域提 供，这个逻辑连接应当有特定的配置带宽和其他的q o s 保证，这些保证 通过在s o n 和网络域之间建立双向的服务级别协议( s e r v i c el e v e l a g r e e m e n t ) 来实现。s o n 这个逻辑网络中的流量控制也是有待深入研究 的问题。 下一代网络架构智能控制平面的设计，由于i p 业务量本身的突发性、 自相似性和非对称性，对网络带宽动态分配的要求也越来越迫切。为了 满足这样的要求，自动完成网络连接的网络概念由此提出，即智能交换 传送网( a s t n , a u t o m a t i c a l l y s w i t c h e dt r a n s f e rn e t w o r k ) ，a s t n 利用独立 的控制平面来实施动态配置与连接管理，其中以光传送网为基础的 a s t n 又称为自动交换光网络( a s o n ，a u t o m a t i c a l l ys w i t c h e do p t i c a l n e t w o r k ) ，由于其智能性，也被称为智能交换光网络( i o n ，i n t e l l i g e n t o p t i c a ln e t w o r k ) ，a s o n 是发展a s t n 的主要方向。a s o n 在控制平面 仍有很多所待解决的问题，而这些问题大多数与资源的有效利用和流量 的智能调度有关，因此对a s o n 控制平面的研究也成为流量控制技术的 研究热点。 夜里上擎博士学位论文嘲络流量控制若干关键技术研究第8 页 本文主要在流量特性刻画的基础之上研究流量控制，主要集中研究主动队列 管理技术研究中的控制论应用，以及智能光网络控制平面的路由架构和信令机 制。 1 1 4 下一代智能交换光网络控制平面研究 由于数据业务的突发性、多变性以及长时间、高带宽的特点，就要求网络运 营商不仅能解决带宽需求问题，还需要具有灵活多变的提供带宽的能力，因此要 求有刨新性的光联网技术，新一代网络至少应当具有以下特点：结构的可伸缩性， 网络资源的有效配置能力，动态提供带宽和服务的能力，运营与维护成本的降低 以及方便灵活引入新业务的能力等。 随着物理层光技术的新进展以及服务层技术的进展，客观上为开发新一代 智能交换光网络提供了条件。a s o n 的体系架构分为三个平面：传送平面、控制 平面和管理平面。传送平面用于传送和转发客户数据；控制平面主要设计连接的 建立以及支持这种连接所需要的处理，如链路管理、信令、路由、寻址以及链路 保护等；管理平面为网络提供商和管理者提供对于网络和设备的管理。其中，控 制平面的研究尤为重要，它是实现光交换智能化的关键平面。 目前i 下u t 、o i f 、i e t f 都在积极开展a s o n 的标准化工作，由于研究问题 的角度不同目前有两大典型的互联模式，一个是i e t f 的对等( p e e r ) 模式，这种 模式把光传输层面与业务交换网层面的控制平面统一，从控制的角度来讲，它们 是对等的，寻址、信令、路由等协议都是通用的i 另一个是i t u t 的层叠r o v e r l a y ) 模式，光传输面的信令、寻址、路由建立与上层业务交换层面的信令、寻址和路 由协议是互相独立的，它们之间有上下层之分，这种模式又称为客户服务模式， 上层是下层的客户，下层是上层的服务提供者，两者之间通过用户网络接口f u n i ， u s e rn e t w o r ki n t e r f a c e ) j 拄行必要的信息交流。 目前，i p 技术被广泛地应用于光网络的控制与管r 扣 b y d 0 0 ，使用l p 技 术可以使网络提供商和各个厂商实现更好的互操作性，同时可以使得i p 技术的 新进展很方便地应用于a s o n 。i e t f 和o i f 为此开展了很多的研究和标准化工 作。i e t f 对最初为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 ) r v c 0 1 r f c 3 0 3 1 1 而设 计的一些基于i p 的协议进行了扩展，使得这些协议可以支持更广泛的传输层技 术( 包括光传送技术) ，由此得到的g m p l s ( g e n e r a l i z e dm p l s ) m a n 0 1 成为控制 平面的协议基础。o i f 也以g m p l s 当中的协议为基础定义了用户网络接口。 m p l s 为每个i p 数据包预先提供一个标记，由此决定数据包的路径和优先级。 标记交换路由器( l s r ，l a b e ls w i t c h e dr o u t e r s ) 根据标记沿标记交换路径( l s p , 谯算上擎博士学位论史刚络流量控制若干关键技术研究 笫9 负 l a b e ls w i t h e dp a t h ) 转发数据包。l s p s 通过一个或几个信令协议来建立。g m p l s 对m p l s 扩展，使得其支持时分复用、波长交换和光纤交换等技术。对于m p l s 的扩展是可行的也引起了很多厂商和研究机构的关注，但是值得注意的是，电路 交换、分组交换和光交换技术之间还是有着相当大的差别。因此，对m p l s 简 单的扩展是不能满足光网络的控制平面的要求的，必须考虑其特殊设计要求。 光网络控制平面主要用来自动拓扑发现，跟踪网络资源的状况，从而建立、 删除和维护连接。这一功能主要是通过两组协议来实现的：路由协议用来自动拓 扑发现和资源发现：信令协议用来配置、删除和维护连接。当然，也有一些其它 的协议用于控制平面如邻居的自动发现，本文将以路由协议和信令协议的研究为 主。 1 2 网络流量特性分析基础上的流量控制技术研究 本文在网络流量特性分析的基础之上对流量控制的核心问题进行研究，如前 文所述，网络流量控制所涉及的范围极广，本文的研究主要集中于主动队列管理 与下一代智能交换光网络的研究之上，由于网络流量模型刻画的复杂性，网络流 量控制技术缺乏完整的理论体系基础，本文试图将经典与现代控制论弓 入网络流 量模型的建立，进而应用现代智能控制技术对流量进行控制。对于网络流量特性 的实验性刻画和理论性分析，是流量控制技术的基础。 1 2 1 网络流量特性的分析 对于网络流量控制技术的研究需要以流量的测量和流量特性的分析为基 础，流量控制模型的建立和参数的优化需要合理的流量测量机制，网络流量特 性的刻画对控制模型的建立具有指导意义，同时控制模型的性能也可以通过网 络流量特性模型来评估。下面以i e t f 对流量工程的定义为框架，简单介绍一下 网络流量测量和网络流量建模。 网络流量的测量 网络的行为特征往往通过其承载的流量的动态特性来反映，有针对性地测量 网络中流量的各种参数 i p p m 】f b m w g ，是分析和研究网络的运行特征的基础。 根据i e t f ( r f c 2 0 0 1 ) 【t e w g 】中对于网络流量测量框架的描述，网络流 量测量的目的主要有三点：一是为了能够刻画网络流量特性，包括识别某种业务 的流量模式，对流量中的变量进行统计分析，确定总体流量分布，预测流量的需 求等；二是通过网络流量的测量来对网络实施监测；三是通过分析抽取与流量特 槎旦上擎博上学位论文刚络流量控制若十关键技术研究 性相关的参数，最终对流量实施控制。 流量测量机制包括主动测量和被动测量及基于s n m p 的测量 n a l 9 8 】 n a l 9 9 】。测量的对象包括基于流的测量( f l o w b a s e d ) ；基于链路、节点和接口 的测量( 1 i n k b a s e d ，n o d e b a s e d ，i n t e r f a c e b a s e d ) ；基于路径( p a t h - - b a s e d ) 的 测量等。 国内外关于测量的研究和分析主要有 d o w 9 9 s c h 9 9 ：面向链路的测量和 分析；面向网站的测量和分析；面向服务器的测量和分析；面向网络客户的测量 和分析；以及端到端的网络参数测量和分析。这些方面侧重点不同，但都有着一 定的联系。我们在构建网络流量控制模型时以面向链路的测量为主。 网络流量的刻画 网络流量的刻画主要是指对网络流量的数据特性进行统计分析和抽取，并对 网络流量建模。主要包括：辨识流量模式尤其是流量的峰值模式及其统计变量， 研究流量与时间相关的周期性，获取充分的数据，准确捕捉流量数据特性；确定 流量的分布，准确估计流量负荷的大小，来预测流量的需求；根据统计分析后的 数据特性进行流量的建模。 目前的网络流量的刻画研究主要集中在面向网络流量数据特性的网络流量 的分析建模和面向网络结构化的建模，即结合网络的特性配置参数( 拓扑结构、 拥塞控制、服务质量、接入控制等) 和网络流量数据，综合考虑流量模型。 本文主要通过结合网络特性的基于拥塞控制机制的流量模型的分析，通过理 论推导分析刻画网络流量的典型模型，进而应用于控制模块的设计。 1 2 2 本文的研究侧重点 如前文所述，网络流量控制技术涉及的范围很广，不仅包括网络拥塞控制问 题的研究，还包括如何利用现有网络资源承载更多更丰富业务流的问题，还有必 要进一步研究下一代智能光网络的控制平面核心技术，甚至还有必要利用已有的 研究成果对控制平面的设计进行评估。而这一系列的研究由于网络特性的复杂性 和不确定性，缺乏一定的理论体系的支持，本文因此从网络流量的特性分析出发， 不单纯地刻画流量特性，而是试图分析网络流量控制技术本身是否会影响网络流 量的特性。 尽管时间和能力有限，本文还是在前人研究的基础上尽可能尝试从控制论 的角度对网络流量控制技术进行一定的理论分析，以便为控制模型的建立提供一 在算上擎博上学位论文i 阚络流量控制若千关键技术研究 第1 1 i f 定的理论支持。模型的建立和分析是从t c p 拥塞控制机制的分析出发的，并且 着重研究了路由器主动队列管理中的重要问题，尤其是主要研究了队列管理的参 数优化问题、性能评估问题以及现有算法扩展的问题，当然，主动队列管理中的 公平性问题是本文没有深入讨论的，在今后的研究中值得进一步深入探讨。此外， 本文还研究了服务层叠网中的带宽配置问题。 对于智能光网络控制平面核心技术的研究，本文主要侧重于路由协议与信令 协议的研究，而研究的出发点同样是如何有效提高资源利用率，保证网络的稳定 性，比如通过对信令协议的改进和扩展避免和降低标记请求的冲突问题。当然， 这部分的工作还不够深入，随着a s o n 控制平面的标准化，需要及时跟踪最新 的研究进展，对控制平面核心技术尤其是路由架构和协议进一步深入研究。 1 2 3 本文的主要研究方法 本文采用理论推导和模拟实验并重的研究方法，所有问题的研究都阻网络流 量特性的分析为出发点。 通过充分跟踪和分析国内外研究的最新进展，充分了解相关领域的研究成果 和研究的重点，从中选取核心问题，在前人研究成果的基础上进行深入探讨，并 尝试使用比较独特的角度分析问题，本文的理论基础在于i e t f 因特网流量工程 的框架、g m p l s 及相关协议簇、控制论的基本原理( 尤其是模型预测控制的相 关理论) 以及一些必要的数学原理。 本文主要通过模拟实验，分析模型和验证理论推导，实验工具主要有n s 2 和m a t l a bs i m u l i n k 工具箱。值得注意的是，由于实际网络的异构性和复杂性， 本文的研究有必要进一步在实际网络环境中进行验证。 1 3 本文的主要贡献 本文研究网络流量控制技术的出发点在于有效解决拥塞控制问题和合理调 度网络资源，采用了理论推导与模拟实验并重的研究方法，本文的主要贡献有以 下几点： 1 系统研究了网络流量的自相似特性可能的原因，分析比较了目前几种典 型的不同观点，进一步讨论了t c p i p 协议与t c p 流自相似特性的关系， 从理论上分析了t c p 拥塞控制机制本身会导致t c p 流自相似特性的原 因，通过模拟实验证明了t c p 流分形程度与丢失率及超时重传的直接关 系。 援算上擎博j 学位论文刚络流量控制若千关键技术研究 2 其次在上述理论分析的基础上，进一步从控制论的角度对t c p 拥塞控 制机制进行分析。认为主动队列管理问题可以看作一个控制器设计问 题，可以引入经典现代控制论的基本原理进行模型建立和分析。并通过 理论推导，系统分析了典型t c p 流的流量控制模型，认为路由器主动队 列管理技术可以看作是一个设计控制器的问题，考虑到网络流量的复杂 性，本文提出了一种基于预测的流量控制模型。 3 考虑到网络流量控制的实施，不仅与技术有关还同i s p 的政策有关，尤 其是随着网络所能承载的业务越来越丰富和多样化，有必要针对特定业 务流进行控制，本文介绍了服务层叠网的概念，并提出了一种在服务层 叠网中动态配置带宽的改进算法。 4 我们认为，网络流量控制技术的研究，不仅要解决传统i p 网络的拥塞 控制和资源预留问题，还需要进一步研究下一代智能交换光网络的控制 机制，之所以称下一代光网络为智能网，关键在于其控制平面的设计， 本文系统研究了a s o n 控制平面设计的核心问题，尤其是路由技术和信 令技术，针对i p 业务量不确定性对带宽动态配置的要求，提出了一种 混合式的流量工程解决方案。 5 下一代智能光网络的控制平面的信令协议尚未标准化，最有可能采用的 是c r l d p 与r s v p t e 。基于g m p l s 进行选路和波长选择的全光网络， 在处理一个新的连接请求时可能会发生两种情况的阻塞，一种是前向的 链路阻塞，主要是由波长资源不足或者由非负载均衡的路由算法造成 的，前向链路阻塞可以通过改进路由算法和选路机制来尽可能降低。另 一种是反向链路阻塞，主要是由预留冲突引起的，g m p l s 引入了标记 集的概念来约束下游节点对标记的选择，不过标记集的引入并不能完全 消除反向阻塞，这主要是因为可能会有两个或多个目的节点为共享链路 的连接选择了同样的标记。本文介绍了一种动态标记优先级策略，基本 思想在于尽可能上游节点尽可能建议下游节点优先选择已经被其它连 接请求预留的可能性最小的标记，从而有效降低反向阻塞概率。 本文的理论意义主要在于： 从理论上系统研究了t c p 拥塞控制机制与网络流量特性的关系，研究了t c p 流的控制模型，对于设计、改进和评估a q m 算法有着积极的理论意义。 网络流量具有自相似特性，但是不同的业务流又有各自特殊的流量特性，而 恰恰是这些与业务种类相关的流量特性对实际的网络监控模型设计有重要意义。 撬旦土擎博士学位论文- 网络流量控制若干关键技术研究 随着网络规模的扩大，随着新的服务模式和服务内容出现，要求针对不同业务流 进行有效流量控制。本文提出了基于预测的流量控制模型，对于较快建立流最控 制模型，并通过参数优化获得较好的流量控制效果具有一定的理论参考意义。 下一代智能光网络的标准化还在进行当中，其中控制平面的机制对于网络的 智能化显得尤为重要，g m p l s 使得流量工程真正成为可能，i e t f 的对等模型可 以有效利用数据网的网络调配和带宽管理优势，如何将传统的流量工程研究方法 和理论引入光突发交换网具有非常重要的现实意义。本文在这方面做了一定的尝 试，本文提出的混合式的流量工程解决方案对于不同业务流带宽动态配置的要求 具有实际意义。a s o n 控制平面信令协议最终采用c r l d p 还是r s v p t e 还需 要进一步研究和扩展，本文在r s v p t e 的基础之上提出合理的标记分级策略， 对于降低和避免波长请求阻塞具有实际意义。 1 4 本文的组织结构 本文第一章为绪论，介绍研究的目的、出发点和主要完成的工作。 第二章首先对网络流量特性进行概要介绍，分析了近年来关于网络流量特性 的研究成果与研究热点，尤其着重介绍了网络流量的分形特性。系统分析了目前 对于网络流量自相似特性原因的解释，及不同解释的合理性。在此基础上，研究 网络拥塞控制机制本身与网络流量特性之间的关系，分析了t c p 拥塞控制机制 可能导致t c p 流自相似特性的原因，在理论分析的基础上，进一步通过模拟验 证研究了自相似性和丢失率、重传初值的设定以及链路延迟的不同的关系。 第三章首先介绍了路由器主动队列管理的主要研究进展，分析了几种典型主 动队列管理机制的特点，并且分析了主动队列管理机制研究的重点问题。由于主 动队列管理机制可以看作是一个大的反馈系统，我们认为可以尝试将经典和现代 控制论的基本理论引入主动队列管理机制的研究。本章首先将控制论的方法引入 对t c p 流特性的分析，并通过理论推导得到典型t c p 流的流量控制模型，从而 把主动队列管理机制的研究引申为控制器的设计问题。出于网络流量的自相似特 性，简单的p i 或p i d 控制器无法很好地满足主动队列管理的需要。本文介绍了 近年来发展迅速，尤其在复杂系统控制中得到普遍应用的控制技术一预测控制， 并进一步建立了基于预测控制的流量控制模型。最后我们使用s i m u l i n k - 1 - 具箱 对采用不同控制器的效果进行了比较分析。 由于实际网络环境的复杂性，如何有效地将经过模拟验证的控制模型用于实 际的网络流量控制也是必须要解决的问题。由于整个互联网络是一个非常复杂的 强旦上挚博l 学位论文嘲络流量控制若干关键技术研究 异构系统，流量控制的实施不仅受到技术的影响还必然受到各个i s p 政策的影 响，为了使网络流量控制更具有实际的可操作性，本章进步介绍了服务层叠网 的概念，并给出了一种在服务层叠网下动态配置带宽的算法。 随着光交换技术的研究进展以及智能光网络标准化的进程，网络流量控制技 术的研究必须同智能光网络中的控制平面相关技术结合起来，即保留传统i p 网 络中流量控制技术，又根据光交换网络的特殊性进行扩展。本文后两章尝试对智 能光网络控制平面中最重要的路由技术与信令技术进行研究。 第四章首先从智能光网络的控制平面设计的关键技术出发，分析了控制平面 的设计要求，认为控制平面设计的最核心问题在于路由架构与信令协议的设计， 并进一步提出了一种离线与在线方式混合的流量控制模型。 第五章主要研究了智能光网络控制平面的信令技术，分析了为解决资源预留 冲突而提出的信令协议：前向预留协议和后向预留协议。这一类信令协议主要的 出发点在于如何尽可能降低到目的节点的阻塞概率，但是没有系统考虑多个连接 共享链路时可能引发的标记阻塞。g m p l s 引入了标记集的概念来约束下游节点 对标记的选择，不过标记集的引入并不能完全消除反向阻塞，这主要是因为可能 会有两个或多个目的节点为共享链路的连接选择了同样的标记。本章引入了种 动态标记优先级策略，对标记集合中的标记根据不同的优先级策略( 比如可以用 当前时刻到标记上次被建议的时间差作为判断优先级标准) 来指定优先级，目的 节点根据优先级来选择标记，这种策略通过适度回避刚被建议过的标记，可以在 定程度上降低反向阻塞概率。需要说明的是，这种策略对于链路建立时间有一 定影响