（电工理论与新技术专业论文）区间可区分流量工程环境下的失效恢复研究.pdf

a b s t r a c t t h ee c o n o m i ci m p o r t a n c eo ft h ei n t e r n e t ，t h ei n c r e a s i n g c o m p l e x i t yo ft h e n e t w o r kt e c h n o l o g i e sa n dt h eh u g ea m o u n to ft r a f f i ct r a n s p o r t e dr e q u i r es o p h i s t i c a t e d f a u l tr e c o v e r ym e c h a n i s m sa g a i n s tf a i l u r e s l i k ef i b e rc u t so rn o d eb r e a k d o w n s n e t w o r kf a u l tr e c o v e r yh a sb e c o m eak e yr e s e a r c hi s s u ef o ri p b a s e dt r a n s p o r t n e t w o r k s f a u l tr e c o v e r ym e c h a n i s m si n p h y s i c a ll a y e rc a np r o v i d ef a s t e s tr e c o v e r y s p e e d , b u tw o r s eg r a n u l a r i t y t h ei pr e r o u t i n gi ss l o w e ra n di tm a yd e c o u p l e p e r f o r m a n c eo fs e r v i c e t h er e c o v e r ym e c h a n i s mi nm p l sl a y e ri st h ea p p r o p r i a t e l a y e rt or e s i s tt h ef a u l tb e c a u s em p l sc a np r o v i d eb e t t e rg r a n u l a r i t ya n df a s t e r r e c o v e r ys p e e d s on e t w o r kf a u l tr e c o v e r yr e s e a r c hi nt h i sp a p e ri sb a s e do nm p l s f a u l t r e c o v e r ym e c h a n i s m so fi n t e r - a r e ad s t ei sai m p o r t a n tr e s e a r c h f i e l d t h e r ea r es o m er e s e a r c ht a s ki nw h e t h e rt h e o r yo rp r a c t i c e e s p e c i a l l y , f a u l t p r o t e c t i o na l g o r i t h mi nt h ei n t e r - a r e an e e d st od i s c u s s t h ei m p o r t a n ta c h i e v e m e n t sa r eo u t l i n e d 髂f o l l o w s ： p a t hp r o t e c t i o nm e c h a n i s mi nt h ei n t e r - a r e ad s - t e ：t h ec u r r e n tf a u l tp r o t e c t i o n m e c h a n i s mi sl i m i t e di na l la r e a ，s oi tn e e d st ob ee n h a n c e dt om a k ei tm o r ea p p l i c a b l e i t sn e c e s s a r yt ob ee x t e n d e df r o ma l la r e at oa na s f u r t h e r m o r e ，w ep r o p o s ea n i n t e r - a r e ap a t hp r o t e c t i o nm e c h a n i s ma n dt h er o u t i n g a l g o r i t h m l i n kp r o t e c t i o nm e c h a n i s mf o rf a u l tl i n kw i t ha b r ：t a k i n gi m p o r t a n c eo fa b r a n dl i m i to fb a c k u pr e s o u r c e si na c c o u n t ，s ow ep r o p o s eal i n kp r o t e c t i o nm e c h a n i s m a n dt h er o u t i n ga l g o r i t h m k e yw o r d s ：f a u l tr e c o v e r y , p a t hp r o t e c t i o n ，l i n kp r o t e c t i o n ，f a s tr e r o u t e ， m u l t i p r o t o c o ll a b e l s w i t c h i n g ，i n t e r - a r e at r a f f i ce n g i n e e r i n g ，d i t t s e r v a w a r e t r a f f i ce n g i n e e r i n g 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已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤叠盘堂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：歹条。收 签字日期： 呵年石月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂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) 学位论文作者签名孑嘉函哎 导师签名：另二，约彳爿 签字日期：丑呷年多月j 日签字日期：带莎月厂日 第一章绪论 第一章绪论 在网络技术发展的初期，网络还仅仅只限于学术和研究领域。随着越来越多 有价值的网络应用不断涌现，基于开放标准上的商用i n t e m e t 网络出现了。对于 普通计算机用户而言，轻松的获取和共享i n t e m e t 信息极大的提高了桌面计算机 的使用价值。不到2 0 年的时间，i n t e m e t 已经变成了我们通信、商务活动以及学 习的途径和手段。i n t e r n e t 使我们的世界变得更小，同时也对世界政治和经济产 生了意义深远的影响。 当前网络发展的一个重要趋势就是i n t e m e t 与电信网的全面融合。几乎所有 的i n t e m e t 服务供应商( i s p ，i n t e m e ts e r v i c ep r o v i d e r ) 都在他们的i p 网络上尝 试各种新型电信业务，例如v p n ( v h - t u a lp r i v a t en e t w o r k ) 、v p l s ( v i r t u a lp r i v a t e l a ns e r v i c e ) 和v o i p ( v o i c eo f ) 等服务的发展。同时为了适应新业务的发展 以及与i n t e m e t 融合的需要，电信网络也正在不断地趋向于“化”，例如未来的 移动通讯网络将会完全基于口核心来进行构建。 随着“i n t e m e t 的大家庭”变得越来越大，它的大小和差异性都呈现出爆炸性 地增长，于是不可避免的出现各种各样的问题，例如大量的垃圾邮件、显著增多 的病毒等。与此同时，i n t e m e t 也在迎来它的无线网络快速发展期，加上中国、 印度等国的i n t e m e t 网络基础设施的迅猛发展，使得原来设计的3 2 位i p v 4 地址 空间逐渐枯竭，于是采用2 1 2 8 的地址空间替代2 3 2 的地址空间的i p v 6 ( i n t e m e t 协议第6 版) 得以逐步实施。到2 0 0 8 年北京奥运会，中国初步建成全球最大i p v 6 网，基于i p v 6 的视频监控、可视电话等新应用将全面服务于数字奥运。 随着i p v 6 的实施，网络中将会出现更多的新型应用，这些新型应用会给 i n t e m e t 带来新一轮指数级的增长。于是网络的核心势必要承受越来越多各式各 样的l p 数据流量，为了保障新型应用的质量和i n t e m e t 网络商业利益，必将推动 i n t e m e tq o s ( 服务质量，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 以及i n t e m e tt e ( 流量工程，t r a f f i c e n g i n e e r i n g ) 等网络技术研究的进一步发展，有理由相信，未来的网络将会变得 更加智能、更加安全以及更易于管理和使用。 第一章绪论 1 1 i n t e r n e t 流量工程基本原理 在q o s 体系中，网络应用的各种性能需求( 延迟、延迟抖动、带宽以及吞 吐量等) 都能得到相应的保证。q o s 体系能够为网络应用提供可区分的性能保障， 但那是在基于网络中流量分布较为均衡的前提下来进行的性能保障，当网络中一 部分区域产生拥塞时，q o s 体系所承诺的性能保障未必就能够得到预期的效果。 另外，q o s 体系很少顾及网络本身的利用效率【l 】。 因此，需要一种更为宏观的、能够均衡网络流量分布的技术手段，以弥补 q o s 体系在保障网络整体性能方面的不足。i n t e m e t 流量工程的提出很好地满足 了这种新的需求，对在i n t e m e t 中提供q o s 具有十分重要的辅助作用【2 】【3 1 。 本节从定义、实施目的、发展历程和适用范围等方面对i n t e m e t 流量工程进 行了简要的阐释。 1 1 1 i n t e r n e t 流量工程定义和实施目的 流量工程的标准定义( i 讧c 2 7 0 2 ) ：与运行网络的性能优化相关的技术应用 和科学原理，包括测量、建模、描述、i n t e m e t 业务量控制以及这些知识和技术 的应用，其目的是为达到一定的性能指标【4 】o 总的来说，i n t e m e t 流量工程的主要目标就是同时提高网络应用以及网络资 源的性能。为了达到这个目的，需要在满足流量性能需求的同时，还兼顾网络资 源使用的有效性。 与此同时，随着人们对于i n t e m e t 生存性的日益重视，i n t e m e t 流量工程的另 外一大目标就是提高网络的可用性。为此，必须在增强网络的集成度的同时还能 够提供完善的网络生存性支持【5 】【6 】。 当然，i s p 提供网络服务的最终目的是为了盈利。因此，网络用户的满意度 是最重要的指标，i n t e m e t 流量工程的实施必须能够提高这种满意度。无论具体 情况如何变化，i n t e m e t 流量工程始终都是一种网络控制手段，它的目的始终都 是为了提高网络和应用的性能。 2 第一章绪论 置it f - - - 2 i i 宣i i i 置置i i i i 暑 1 1 2 i n t e r n e t 流量工程的发展历程 早期的网络就已经出现了流量工程的概念。它是在给定网络拓扑和数据流的 情况下，实现高效利用网络资源的艺术。具体的说，就是在避免网络拥塞的前提 下，尽量提高网络的流量传输能力。为实现该目标，历史上使用过多种流量工程 技术。 在i n t e m e t 中进行业务量控制所采取的方法是随着i s p 网络组网方式的变化 而变化的。在2 0 世纪9 0 年代早期，i s p 网络由专线联结起来的路由器组成。基 于i p 的流量工程比较通用，但是也非常的粗糙。因为常用的动态路由协议，如 开放最短路优先协议( o s p f ) 等，都是选择最短路来转发数据，这会导致负载 的不平衡分布。 为了得到高速的转发性能和流量工程能力，一些i s p 在2 0 世纪9 0 年代中期 开始转向使用i p o v e r - a t m 的覆盖模型，即在网络的边缘使用具有高速接口的路 由器，而在网络的核心使用互联的异步传输模式( a t m ) 交换机。利用a t m 的 p v c ( 永久虚电路，p e r m a n e n tv i r t u a lc i r c u i t ) 可以对网络中业务量流经的路径 进行精确地控制，从而实现流量工程能力。p v c 的路由是通过在网络底层的物 理拓扑上提供随机虚拟拓扑来实现的。同时可以定期的观察路由器的流量变化， 以及时重新调整p v c 大小和位置来控制网络的流量。 在提供高速转发能力与一定流量工程能力的同时，这种方案也表现出了不 足。该模型需要同时管理两种网络，即a t m 网络和运行于a t m 网络之上的逻 辑网络，因此需要大量的精力去协调这两种网络。而且遇到链路故障时，一 个全连接的路由器组会导致o ( 栉2 ) 的泛洪扩散( f l o o d i n g ) 。如果是路由器故障， 则会导致o ( 疗，) 的泛洪扩散。对于大型网络，这种情况会引起严重的问题【7 】【引。 在2 0 世纪9 0 年代后期，由于i n t e r a c t 市场的飞速发展，口协议成为i n t e m e t 最主要的协议。这种形势促进了i n t e m e t 骨干网专用路由器的研制以及将a t m 交换和口控制相结合的多层交换解决方案的开发。为了解决各厂商专有的多层 交换解决方案不可互操作的问题，i n t e r a c t 工程任务组( i e t f ) 建立了m p l s 工 作组。目前，主要的流量工程实施方案基本上都是基于m p l s 来实现的【9 】【1 0 1 。 3 第一章绪论 1 1 3 i n t e r n e t 流量工程的适用范围 流量工程适用于大型企业网络的通信骨干网络以及i n t e r n e t 网络的骨干网 络。i n t e m e t 网络的骨干网络指i s p 网络。本文以i s p 网络为研究对象，相应的 研究结果同样可以应用到企业网络的通信骨干网络中【2 】【1 1 1 。 从流量工程的具体适用范围来看，可以分为区域内和区域间两种。从i n t e m e t 的路由结构出发，区域内流量工程包括区内流量工程( i n t r a a r e at e ) 和自治域 内流量工程( i n t r a a st e ) ，而区域间流量工程则包括区间流量工程( i n t e r - a r e a t e ) 和自治域间流量工程( i n t e r - a st e ) 。一个自治域可能包括多个路由区( a r e a ) 。 i n t e r - a r e at e 和i n t e r - a st e 的研究还处于起步阶段。关于i n t e r - a r e at e 的更多细 节在后续章节和 1 2 】中有详细描述。 1 2 m p l s 与i n t e r n e t 流量工程 m p l s 已成为数据网络领域不可或缺的技术，在网络不断发展的过程中，人 们逐渐认识到未来的数据网络将需要承载许多不同类型的服务，包括语音数据、 视频数据以及可靠的高带宽数据交换等。由于这种网络对企业至关重要，所以要 求该网络有非常高的可用性以及为不同类型服务提供有差别的服务质量的能力。 对于发生网络失效的情况，该网络的恢复时间还必须非常短。幸运的是，m p l s 技术已经达到并能够满足以上所有这些需求。 1 2 1 m p l s 简介 m p l s 是多层交换技术研究的最新进展和标准化产物，由于其简单、灵活和 良好的后向兼容性而迅速成为新型骨干网络设计的主流技术。它通过第3 层网络 提供面向连接的第2 层传输模式。这种看似简单的机制有非常强大的功能，从根 本上改变了数据网络行业【1 3 】。 m p l s 负责使口数据包流按条预先确定的标记转发路径( l s p ) 通过网络， 一条l s p 是通过一个或多个标记交换路由器( l a b e ls w i t c h i n gr o u t e r ，l s r ) 的 链接组合而成。有m p l s 能力的路由器，称为l s r 。尽管i e t f 研究m p l s 技术 4 第一章绪论 的初衷是希望提高分组转发速率和降低单端口价格，实际上2 0 位的标签查找并 不比3 2 位的巾查找快多少，高速的分组转发算法现在是通过a s i c 硬件实现的。 真正采用m p l s 的原因是它所能建立的应用。对传统的口网络来说这些应用都 是不可能的或者很难实现的【1 4 】。 m p l s 主要优势是分离了路由和转发的关系。i p 路由是逐跳转发机制。当一 个i p 包到达路由器时，路由器根据头部的目的地址进行路由查找，然后转发 数据包到下一跳。这个过程在每一跳重复进行直到该包到达目的地。在m p l s 网络中，路由器仍然逐跳转发数据包，但是转发是建立在2 0 位定长标签的基础 上，这种能力使数据包转发脱离了i p 头部，成功的从路由过程分离了转发过程。 这种分离允许只采用单一转发算法( m p l s ) 便可对多种服务和流量类型进行配 置。将来，当i s p 们需要开发一种新的增值服务时，m p l s 转发结构可以被保留， 通过改变数据包被分配到l s p 中的方法，新业务就可简单的建立【l 4 1 。 在开放系统互联参考模型( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o nr e f e r e n c em o d e l ， o s i ) 的7 层参考模型中，m p l s 处于第2 层和第3 层之间。m p l s 是知道整个 网络拓扑信息的层面中最底下的层，于是m p l s 标记转发路径天生具有较快速 的失效恢复功能。i p 环境的m p l s 包头和i p 数据报结构如图1 1 所示t 7 j t l 5 】【1 q ： l呦。箍签、 e x pl s t t l 3 位1 位 8 位 图1 - 1 、i p 环境的m p l s 包头和i p 数据报结构图 1 2 2 m p l s 转发过程 m p l s 转发技术的根本是用一个2 0 位定长的标签来决定包处理。这一转发 模式可以看作由两步构成【1 7 】： 第一步是将包映射到一套转发等价类( f o r w a r d i n ge q u i v a l e n c ec l a s s e s ，f e c ) 5 第一章绪论 中，也就是对数据包分类，所有归于同一f e c 的包都得到同样的后续处理。 第二步是映射每个转发等价类到路由下一跳( n h o p ) 。 仅仅当到达m p l s 网络的入口边缘路由器( l e r ) 时，包才会被分配( 仅分 配一次) 一个特定的转发等价类。被分配的转发等价类可以编码后加到m p l s 包头上，这个过程称为加标签或者标签入栈。核心网中的l s r 不再需要对包进 行重新分类，直接根据标签转发即可。 在l s r 上的包转发过程是基于标签交换的概念进行的。当一个带有标签的 包到达l s r 时，l s r 检查该标签并将它作为索引在m p l s 转发表中查询。m p l s 转发表中的每一项都包括一个接口内部标签对，其映射了所有在特定接口上到 达并具有相同内部标签包的一系列转发信息。表1 1 给出了一个转发表的例子 0 7 1 o 入接口 入标签 出接口出标签 21 031 4 ， 25 656 9 表1 1 、m p l s 转发表 举例说明一次标准的标签交换过程：一个l s r 在接口2 收到一个数据包， 该包的标签是5 6 。如果这个l s r 使用表1 1 所示的转发表信息，则它用标签6 9 代替5 6 并将该包从接口5 转发到下一跳l s r ，完成标签交换。 下面阐述一个口包在m p l s 域传输时是如何被处理的。m p l s 骨干网示意 图如图1 2 所示： 6 第一章绪论 图1 2m p l s 骨干网 ， ，一一 ： 、 f 一一， 在图1 2 的m p l s 骨干网的输入边缘，入e ll e r ( i n g r e s s ) 检查口头。基 于这个分析，将包分类，并分配给它一个标签，以m p l s 头进行封装，然后转 发给l s p 的下一跳。m p l s 在为口包分配l s p 的方法上提供了极大的灵活性。 一旦包开始在l s p 上传输，那么每个核心路由器l s r 用标签作转发决定。 此时，m p l s 转发决定与原来的i p 包头无关。而且，输入接口和标记在m p l s 转发表中被用作查询关键字。当旧标签被新标签代替后，包沿着l s p 被转发到 下一跳。这个过程被l s p 上的每个l s r 重复直到包到达出口l e r ( e g r e s s ) i s 】。 当包到达出口l e r ( e g r e s s ) 时，标签被去除，并离开m p l s 域。此后，数 据包根据口路由协议计算的传统最短路径，基于原来的口包头上的目的地址被 转发。 由上可以看出，m p l s 并不是一种业务或者应用，它实际上是一种隧道技术 ( 隧道是指被封装的数据包在公共互联网络上传递时所经过的逻辑路径，隧道技 术包括数据封装、传输和解包。) ，也是一种将标签交换转发和网络层路由技术集 于一身的路由与交换技术平台。这个平台不仅支持多种高层协议与业务，而且， 在一定程度上可以保证信息传输的安全性。 1 2 3 基于m p l s 的i n t e r n e t 流量工程实施方案 从当前的发展趋势来看，m p l s 已经成为在i n t e m e t 中实现流量工程的首选 方案，流量工程也是m p l s 最成功的应用之一。 7 第一章绪论 i i i i 基于m p l s 的流量工程( m p l st e ) 的实施，实际上就是根据物理网络的 拓扑生成m p l s 导出图的过程，m p l s 导出图是指由l s r 、连接l s r 的l s p 、 l s p 属性这三种元素构成的派生拓扑图。同时，将通过m p l s 域的数据划分成若 干流量主干( t r a f i i ct r u n k ) 。 流量主干一般定义为：在m p l s 域中经过相同i n g r e s s 和e g r e s s 的所有单向 流量。流量主干有许多属性，它属于同一类业务流的集合，这些业务流通过同一 条l s p 。 m p l st e 实施的关键一步：以流量主干的属性、资源的属性、网络的状态 信息为生成约束路由的策略，在网络拓扑中找出流量主干的l s p 路径。也就是 说，路由仍然是m p l st e 实施方案中的核心问题。 图1 3 、基于m p l s 的i n t e m e t 流量工程的实施方案 如图1 3 所示，为m p l st e 的实施方案。可以看出，完整的m p l st e 策略 应该包括以下四个基本功能部分【1 2 】【1 9 】【2 0 】： 1 基于网络拓扑变化和资源使用统计数据等的信息发布模块： 因为流量工程需要有关网络拓扑、网络资源和网络负载等的动态消息细节。 可是，传统的内部网关协议( i g p ) 只能发布简单的网络拓扑信息，为此，一个 可行的方案是扩展传统的i g p 。扩展i g p 使用标准扩散算法来保证链路状态被发 布到所有的路由器。每个l s r 通过一个特殊的流量工程数据库( t e d ) 对网络 链接特性和拓扑信息进行管理。同时o s p f 的链路状态通告( l s a ) 也负责传递 某链路的失效通知给l e r ，由l e r 拆除含失效链路的l s p 。 2 基于满足资源和服务要求路由的路径选择模块i 流量工程路由选择模块负责l s p 的物理路径计算。将m p l s 与基于约束路 8 第一章绪论 由( c b r ) 相结合，可以使显式路由自动完成。当网络链接特性和拓扑信息通过 i g p 进行扩散并存储到t e d 中之后，每个l e r 便可在c b r 基础上，利用t e d 计算出一组穿过路由区的l s p 路径。后文可以看到，用于失效保护的备用l s p 计算也用同样的方法。 3 用以建立和保持l s p 的信令模块： 信令功能模块负责l s p 的建立和标签的发布。计算出路由路径后，首先用 专用的标签发布协议( 例如c r l d p ) 建立一个逐跳的标签链，用来表示这条路 径，并且所有的标签都由一个全局标签空间分配平台管理。然后利用扩展资源预 留协议( r s v p ) 在这条路径上预留资源( 带宽等) ，于是l s p 路径建立完成。 r s v p 的功能还包括路径维护、路径拆除和错误通告等。发生失效后的信令过程 一般也可采用扩展r s v p 来传递失效信号和建立备用l s p 等等。 4 基于m p l s 的包转发模块： 转发模块提取数据包的标签，随后它根据m p l s 转发表的指引将输入包从 合适的出口转发出去，同时完成标签的交换。m p l s 转发表正是由信令协议按照 c b r 的计算结果建立的。无论网络是处于正常还是失效的状态，标签交换的转 发过程是相同的，只不过失效后标签值可能会发生变化。 每个功能模块都是独立的，模块之间设有清晰的接口。这样各模块可独立开 发、改进而不会相互制约。 在m p l s 中，路由的转发功能模块对于转发粒度没有任何限制，不同的f e c 关联也就决定了不同的转发粒度。在这种模式下，路由算法和转发算法可以独立 开发，从而加快了新型路由控制机制的应用与实施【1 3 】。 总而言之，在m p l st e 网络中，网络管理员可以根据业务量的种类来设置 l s p ，规定不同的业务量通过不同的l s p 。这样，网络可以提供更多、更好的服 务，而这一过程能自动完成。同时，在添加新的服务时也可以很方便地完成，而 不必改变底层结构，所需的只是修改数据包映射到转发等价类( f e c ) 的规则， 然后映射f e c 到特定的l s p 。 9 第一章绪论 -tmm昌l_ = 宣宣暑i i i i i i i i i 宣i i j 宣置；暑葺宣i i i i i 暑皇葺宣昌i 昌暑暑置宣暑宣暑暑| i 1 3 区分服务和m p l st e 的结合 1 3 1 i e t f 区分服务模型 服务区分的思想来源于提供q o s 的区分服务( d i f f s e r v ) 模型。d i f f s e r v 模 型的目标是在网络中实现差别服务，让各种新应用( 包括实时数据流) 能够获得 想要的服务等级【2 1 1 。 通俗的讲，d i f f s e r v 的原理可以这样理解：对网络流量进行分级，级别高的 数据优先传送，级别低的押后。d i f t s e r v 实际上对网络拥塞的情况并无法进行改 善，但它可以在网络拥塞时，把重要的信息先发出去。在大型i p 网络中，这种 模型还需具有良好的可扩展性。 为了保证适当的差别服务，在每跳都对每类服务采用与其q o s 需求相应的 处理( 称为每跳行为p h b ) 。允许控制每个类别的服务速度( 通过配置p 皿) ， 以便能够独立地控制每个类别的利用率，从而基于类别进行容量规划。 p h b 描述了区别服务路由器对数据流的( 外部可观察到的) 转发行为。i e t f 指定了许多p h b 。默认p h b 对应于所有路由器( 未运行区别服务) 中最常见的 尽力而为转发行为，适用于没有特殊q o s 需求的数据流；e fp h b 用于支持低丢 包率、低延时和低抖动的服务；a fp h b 组主要用于一些常见应用，它们要求丢 包率很低，还可能需要发送超过预定配置值的数据流【2 l 】。 为了具有良好的可扩展性，可将数据流分成几个服务类别。在网络边缘，将 许多应用程序客户流映射到这些类别，从而将需要许多状态信息的功能与核心 网络分离。这种映射功能叫做数据流分类和调节。让核心路由器只需支持在某个 字段( d s 字段) 中指定少量服务类别1 4 1 。 数据流分类和调节功能在网络边缘使用口包头的d s 字段对区分服务代码 点( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sc o d e p o i n t ，d s c p ) 值进行编码。在每一跳，区分服 务路由器根据该值选择p h b ，并将其应用于转发的每个包。为此i e t f 定义了一 套p h b 与d s c p 值的对应表。 d i f f s e r v 模型是一种非常灵活的模型。在这种架构中，i s p 可以决定支持多 1 0 第一章绪论 少种服务类别、使用哪些p h b 、使用哪些流量调节机制，以及如何为每个p h b 分配容量以让每个服务类别获得所需的q o s 。 1 3 2 区分服务的m p l s 支持 可将d i f f s e r v 视为以独立的方式进行路由，d i f f s e r v 完全在数据路径中运行， 可以与任何当前或未来的路由技术结合使用。这使它可以很容易的与i g p 路由、 m p l st e 或m p l sd s t e 结合使用。鉴于d i f t s e r v 在提供q o s 方面的基础作用， 在m p l s 环境中已经提出了对d i f f s e r v 的支持方案。 在传统m 网络中，分组的d i f f s e r v 服务类型标志d s c p 被封装在口包头的 c o s 域中，d i f f s e r v 路由器根据该值确定适当的p h b ，并对分组施加相应的调度 策略，以保证其预期的q o s 要求。 在m p l s 网络中，口包头封装在m p l s 头内部，所以标记交换路由器( l s r ) 不能直接看到d s 字段。因此，在m p l s 环境中要实现d i f f s e r v ，就必须增加标 示和识别分组d s c p 域的功能模块。目前，有两种方法可以实现这个目的：一种 是利用m p l s 包头的3 位实验域( e x p ) 来标志d s c p ，据此建立的l s p 称为 e l s p ：另外一种是利用定长标签本身来标记，这被称为l - l s p 。 当今m p l s 上的区分服务部署都使用e l s p ，它预先配置了e x p 值和p h b 之间的映射。这样能在核心网络中平滑地实现非常简单的部署，因为部署区分服 务时不需要l s p 信令，而只需在区分服务路由器上重新配置p h b ，使其能够根 据m p l s 包头中的e x p 值对包进行分类，并应用必要的p h b 2 2 1 。 1 3 3 支持区分服务的m p l st e 区分服务和m p l s 区分服务定义了数据路径中的q o s 机制。而对于m p l s t e ，它只是定义了如何在网络中路由数据流，其路由方式独立于部署的q o s 机 制，进而独立于每跳如何调度数据流。所以，尽管m p l st e 和d i f l s e r v 同时部 署在给定网络中，但它们互不干扰，m p l st e 根据约束对所有区分服务类别的 数据流进行路由和许可控制：支持区分服务的m p l s 流量工程( d i f f s e r v a w a r e m p l s i r a f f i ce n g i n e e r i n g ，d s t e ) 是对m p l st e 的一种扩展【列j 。 第一章绪论 m p l st e 中，具有相同f e c 的流量集合中可能含有多种属于不同d i f i s e r v 类别的流量，这些流量经由相同的l s p 转发，进而形成一个流量主干。也就是 说，在流量工程的约束路由中，把这些流量当作个整体，基于一个共享的带宽 约束进行路由计算【2 l 】。 采用了服务区分的思想后，同属一个f e c 的流量集合被划分到多个流量主 干中( 在d i f f s e r v 中，划分的依据是业务流的p h b 信息) ，然后所有的流量主干 都被独立地映射到不同的l s p 中。路由操作的对象变成了只含单一流量类型的 流量主干，而不再是包括多种流量类型，这样的流量工程就是d s t e 。简而言之， d s t e 的核心思想就是：区分不同流量主干的类别，进行基于类别的约束路由计 算，据此精确地控制各类别流量的网络分布【1 2 】。 、 1 4 i n t e r - a r e ad s t e 体系 容易看出，前面所讨论的各种流量工程的作用范围还只是局限在单个路由 a r e a l e v e l 之内，这是因为流量工程中的信息发布模块使用的是i g p 协议( o s p f 或i s i s ) 的相关扩展。众所周知，出于扩展性的考虑，i n t e m e t 中的i g p 协议只 是在同属于一个路由a r e a l e v e l 的各个路由器之间才散发完整的链路状态信息。 这就是目前造成i n t e r a c t 流量工程作用范围的局限性的根本原因。 1 4 1 i n t e r n e t 的路由结构 随着技术的发展，i n t e r n e t 骨干网的结构一直处在变化之中。2 0 世纪9 0 年 代末期后，i n t e m e t 骨干网的组网结构主要采用下图1 4 所示结构。大型i s p 网 络有多个接驳点( p o p ，p o i n to f p r e s e n t ) 组成，在i s p 之间利用n a p ( n e t w o r k a c c e s sp o i n t ) 或直接用链路相连【2 3 1 。 1 2 第一章绪论 图l _ 4 、i n t e r a c t 骨干网组网结构 与此同步，i n t e r a c t 骨干网的路由结构也经历了相应的变化。当前i n t e r a c t 中的路由结构主要采用了i g p + e g p 的层次路由形式。其中，i g p 负责各独立自 治域( 通常是某个i s p 所专有的网络) 内部的路由，而e g p ( 边界网关协议) 则 负责各自治域之间的路由。标准的i g p 协议是o s p f 协议( 后面都以o s p f 及其 a r e a 为例) 和i s i s 协议，这两个协议都是链路状态协议。b g p 协议则是当前广 泛采用的e g p 协议。 在i g p + e g p 的层次路由结构中，各个a s 区域之间是一种平等互联的关系， 它们构成了i n t c r n e t 路由结构的第一层。而在a s 中，又可能包含多个路由区 ( a r e a ) ，这些路由子区域构成了整个i n t e r a c t 路由结构的第二层。i n t e r a c t 的这 种层次路由结构如图1 5 所示【1 2 】， 图l 一5 、层次互联型的i n t e m e t 路由结构 1 3 第一章绪论 从图1 5 可以看出，该网络包含有三个自治域a s ，其中a s 2 中又包含了三 个a r e a 。各个a s 之间通过b g p 协议交换路由信息，而在a s 之内各个路由器通 过o s p f 协议交换路由信息。 在单个a s 之中，a r e a 内部和各个a r e a 之间的路由交换是不一样的。a r e a 是 路由交换的基本单位，其中的路由器完整地交换所拥有的链路状态信息。而在 a r e a 之间，交换的是经过概括浓缩以后的链路状态信息。 在单个a s 的各个a r e a 之间，其在路由信息交换中的地位也是不一样的。以 图1 5 为例，a r e a 0 作为a s 2 的骨干a r e a ，处于整个a s 2 内部路由层次的高层， 负责汇聚a s 2 中所有较低层次a r e a ( 也称为叶子a r e a ) 的路由信息。而对于a r e a l 和a r e a 2 来说，它们的路由层次就要比a r e a 0 低一级，它们之间要交换路由信息 都只能通过骨干a r e a 来进行【2 4 1 。 1 4 2 i n t e r - a t e ad s t e 通过分析上面的i n t e m e t 路由结构，可以发现，若是有一个业务流需要穿越 多个a r e a ，那么它只能得到分段式( 在所经过的各个a r e a 之内) 的流量工程支持。 于是现有流量工程的实施只能保证各个a r e a 内部的网络流量是均衡的，尚无法 保证穿越多个a r e a 的区间流量也能够获得整体的均衡。更进一步，在没有结合 可区分的流量工程之前，只能保证网络总体流量分布的均衡，无法保证各服务类 型之间也达到流量的均衡分布。 提供一个跨区域、可区分的流量工程体系对于i s p 网络的多区域协同优化具 有重要意义。在这样一个体系中，需要优化的流量主干经过了多个路由区，并且 整个网络中的流量主干分属于有限的几个服务类别。图1 - 6 给出了一个跨区域、 可区分的i n t e m e t 流量工程体系： 1 4 第一章绪论 图1 - 6 、跨区域、可区分的i n t e m e t 流量工程体系 从图1 - 6 中可看出 1 2 】，该体系框架主要包括三个层次：区内可区分的流量 工程( i n t r a - a r e ad s t e ) 、区间可区分的流量工程( i n t e r - a r e ad s t e ) 以及自治 域间可区分的流量工程( i n t e r - a sd s t e ) 。由于本论文的失效恢复机制目前仅考 虑单个自治域内的情况，所以本论文不涉及i n t e r - a sd s t e 的内容。 i n t r a a r e ad s t e 的研究已经比较成熟，下面主要介绍i n t e r - a r e ad s t e 。 与传统的基于m p l s 的区内流量工程一样，i n t e r - a r e ad s t e 的实施也主要 有三个基本目卡示【1 2 】： l 、跨区间的带宽保证。在d i f f s e r v 体系中，结合一定的许可控制机制，如 果还能提供有保证的带宽，那么给定的端到端延迟目标就可以达到。在i n t e r - a r e a d s t e 中，跨区间的带宽保证是系统必须提供的基本功能之一。 2 、跨区间的资源优化。在中小型的i s p 网络和企业网络中，网管往往使用 手工配置策略的方法来实施区间的资源优化。因此，在大型的i s p 及企业网络中 迫切需要一种更为精确、操作性更好的区间资源优化方案。 3 、跨区间的快速恢复。基于m p l s 的快速恢复兼顾了速度和兼容性的双重 需要，已经成为实施失效恢复的合适选择层面。本文的i n t e r - a r e ad s t e 基于 m p l s 构建，因而先天就拥有实施区间快速恢复的能力。 在下章中，所叙述的i n t e r - a r e ad s t e 动态路由机制主要是为了完成流量工 程的第一个和第二个基本目标，也即提供跨区间的q o s 保障和资源优化。 1 5 第一章绪论 置ir i | | 置i 置i 置置暑i 皇薯葺萱一 i n t e r - a r e ad s t e 中所有的流量主干都是类别可区分的，基于此还特别设置了针 对链路使用的带宽约束模型。因此，i n t e r - a r e ad s t e 所提供的带宽保证是基于 类别的带宽保证。 在第三章和第四章中，所叙述的内容主要是为了完成流量工程的第三个基本 目标，也即提供跨区间的快速失效恢复能力。 在进一步论述i n t e r - a r e ad s t e 体系前，需要介绍一下从d s t e 引入的三个 基本概念。 1 类别区分机制 d s t e 引入了一种更为精细的转发粒度。这种新的转发粒度的载体就是服务 类别( c t ，c l a s st y p e ) ，其定义如下：将通过某一条链路且遵循相同带宽约束 的一组流量主干称为属于同一个c t 的流量簇。c t 是一组带宽约束相同的d s t e l s p t 2 5 l 。 从各种原始服务类型( 例如d i f f s e r v 中的流量类型) 到c t 的映射可以非常 灵活。以d i f f s e r v 网络为例，多个不同类型的流量主干可能会被映射到一个相 同的c t 类别。也可将属于e fp h b 的流量划分到两条流量主干中，并分别对应 两个c t 。 一。 整个映射过程分成两步。首先是建立一种将具有某种原始服务类型的流量划 分到流量主干的映射机