（计算机应用技术专业论文）星基网流量工程和qos保障设计方案.pdf

南京邮电学院学位论文独创性声手6 2 8 9 3 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，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 含为获得南京邮电学院或其它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。 研究生签名：日期 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：2 趣址导师签名 日期趔 南京邮电学院顾十研究生学位论文 摘要 星基综合信息网( 简称星基网) 以其重要的战略地位成为当前世界各航天大国研究的 热点。星基网流量工程的实现对星基网动态路由及信息交换技术的研究与实现有重要的辅 助作用，对星基网其他相关技术体系的研究也有重大的应用价值。 本课题主要研究如何在星基网中实现流量工程，提供服务质量保证。 本文在对地面网流量工程以及q o s 技术研究的基础上，提出了星基网流量工程关键技 术研究报告和详细设计方案( 简称星基网流量工程) 。本方案在对现有卿l s 系统中多个模 块改进的基础上，提出了一种在星基网中实现对分级服务的支持的方法。 文中详细讨论了如何对现有肝l s 系统中路由模块、信令分发模块、网络信息发送接收 模块进行改进以适合星基网，根据星基网特点，提出了一种在星基网中实现对分级服务的 支持方法。在l i n u x 下实现了对地面肝l s 系统仿真的基础上，对肝l s 各个模块的改进部 分做了部分具体实现工作，对各个模块的实现结果进行了仿真，并对改进前后进行了比较。 实验及仿真结果表明：本文提出的方案可以在星基网内部较好的同时实现区分服务和 端到端q o s 保障，而且在星基网中网络资源利用率、实时性、扩展性等方面，本算法明显 优于地面肝l s 系统。 关键词：星基网服务质量流量工程多协议标记交换 2 南京邮电学院硕士研究生学位论文 a b s t r a c t s a t e l l i t e b a s e dn e t w o r ki sb e c o m i n gt h ef o c u so fw o r l d w i d ea t t e n t i o n f o r i t s i m p o r t a n ts t r a t e g i cs i t u a t i o n t h er e a l i z a t i o no ft r a f f i c e n g i n e e r i 兀gi ns a t e l l i t e b a s e dn e t w o r ki si m p o r t a n tf o rt h er e s e a r c hw o r k o fd y n a m i cr o u t i n ga n dt h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g i n g t e c h n 0 1 0 9 y i n s a t e l l i t e b a s e dn e t w o r k ，i t sa l s oo fg r e a ta p p l i e dv a l u ef o ro t h e r r e l e v a n t t e c h n o l o g i e s i ns a t e l l i t e b a s e dn e t w o r k t h et h e s i sc o m e sf r o m“8 6 3p r o g r a m ”o fc h i n a i t sm a i nt a s ki st o p r o v i d eq o sg u a r a n t e ei ns a t e l l i t e b a s e dn e t w o r kw i t ht h ei m p l e m e n t a t i o n o ft r a f f i ce n g i n e e r i n gi ni t b a s e do nt h ea n a l y s i so ft r a f f i ce n g i n e e r i n ga n dq o st e c h n o l o g yi n t e r r e s t r i a ln e t w o r ka n dc o n s i d e r i n gt h es p e c i a lc h a r a c t e ro f s a t e l l i t e b a s e dn e t w o r k ，t h et h e s i sp r o p o s e san e wm e t h o dt h a tc a np r o v i d e q o sg u a r a n t e ei ns a t e l l i t e b a s e dn e t w o r kb yi m p r o v i n gt h em p l sm o d u l e s i nt e r r e s t r i a ln e t w o r k t h et h e s i sf i r s t l yd i s c u s s e sh o wt oir r 【p r o v et h er o u t i n g m o d u l e ，s i g n a l d i s t r i b u t em o d u l ea n dn e t w o r kr e s o u r c ei n f o r m a t i o nr e c e i v i n ga n dd i s p a t c h m o d u l ei nt e r r e s t r i a ln e t w o r km p l sa r c h i t e c t u r e t h e ni tp r o p o s e san e w m e t h o dt h a tc a nd r o v i d ed i f f s e r vi ns a t e l l i t e b a s e dn e t w o r ka f t e r c o m p a r i n gt h ed i f f e r e n c eb e t w e e ns a t e l l i t e b a s e dn e t w o r k sa n d t e r r e s t r i a ln e t w o r k s f i n a l l yt h e s ei m p r o v e m e n t sw e r ep r o v e de f f e c t i v e t h r o u g ht h es i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do nl i n u xo p e r a t i o ns y s t e m e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h em e t h o dc a np r o v i d eb e t t e rq o sg u a r a n t e ei n s a t e l l i t e b a s e dn e t w o r k a n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o wt h a tt h i s s v s t e mi sb e t t e rt h a nt e r r e s t r i a ln e t w o r k sm p l si nr e s o u r c eu t i l i z a t i o n r a t i o ，e x p a n s i b i l i t ya n dr e a l t i m ea b i l i t y 关键词：星基网服务质量流量工程多协议标记交换 k e yw o r d s ：s a t e l l i t e b a s e dn e t w o r kq o s t r a f f i ce n g i n e e r i n gm p l s - 3 南京邮电学院硕士研究生学位论文 1 上 i l 日i j舌 本文来源于匡f 家8 6 3 计划，主要研究如何在星基综合信息网( 简称星基网) 中实现流量工程，为数据传输提供q o s ( 服务质量) 保障。 近年来，星基网以其重要的战略地位逐渐成为当前世界各航天大国研究的热 点。星基网是由不同轨道上多种类型的卫星系统，按照空间信息资源的最大有效 综合利用原则，互通互连，有机构成的智能化体系。星基网中的卫星节点是在高 速移动的，网络的拓扑结构不断变化，同时星基网又对数据传输的有效性和可靠 性有较高的要求。所以如何在星基网上实现高效的信息传输是其中的关键技术之 一：星基网不仅要高效可靠运行，而且要能实现流量工程并提供较好的q o s 保障。 目前，我国的星基网的研究和开发等方面还处于起步阶段，对星基网本身的 许多特性的研究都还不够深入。在卫星网中实现流量工程和q o s 保障的研究更是 刚刚起步，只有部分地面网流量工程和q o s 保障技术可以借鉴。而地面网络的流 量工程以及q o s 保障技术的研究虽然逐渐进入实际应用阶段，但很多已有的流量 工程系统都是针对某些特定网络的特定业务流来研究开发的，到底如何较好的解 决服务质量实现完整的流量工程还没有较为系统完整的理论和实现，对在星基网 系统中如何实现流量工程的相关介绍更是少见。 目前，借鉴地面网流量工程技术运用于星基网中有很多难点，由于星基网中 卫星节点的不断运动导致了星基网网络拓扑的不断变化，这使相对地面网而言， 在星基网中为数据传输提供路由变得十分困难，因为链路通断会导致数据传输抖 动、超时机制失效、路由信息不一致、网络拓扑更新信息占用过多资源等很多问 题，同时星基网中数据传输的时延、丢包率也比地面网络高很多，这些都是在星 基网中实现流量工程和q o s 保障必须要深入考虑的问题，但星基网也有卫星网络 结点数目较少等一些有利点。本文就是在深入研究星基网特征的基础上，参考地 面网流量工程技术，结合星基网本身在信息交换、网络拓扑和实时物理构造等方 面的固有特点来构建星基网流量工程设计方案的。 通过查阅国内外大量的相关资料，本文深入研究了地面网络的流量工程技术 和星基网的特征，分析了现有相关技术的优势及不足，在借鉴地面网络流量工程 系统、地面网q o s 保障技术的研究成果基础上，结合星基网的实际特征，提出了 改进m p l s ( 多协议标签交换) 的技术方案，对地面m p l s 系统中的路由选择模块、 信令分发模块、信息收发模块都做了不同程度的改进；本文还借鉴了集成服务和 区分服务的思想，从流量工程的角度出发，提出为不同级别业务提供不同类型 l s p ( 标签交换路径) 的方法，基本实现了星基网q o s 保障目的。同时，本文对 流量工程其余部分指标要求，也提出了相应的解决方案。 本文在提出星基网流量工程设计方案的同时，在l i n u x 操作系统中搭建了 南京邮电学院硕上研究生学位论文 m p l s 平台，分别对星基网m p l s 数据转发( 静态l s p 设置) 、改进型信令分发协 议( l d p ：标签分发协议) 、流量工程数据库信息收集、星基网与地面网流量工程 技术相结合进行了实验仿真。 仿真结果表明：本方案设计的星基网流量工程系统，能较好的满足目前星基 网中信息传输的多种服务需求。与在星基网中直接使用地面m p l s 技术相比，本 文所提出的方案在提高网络资源利用率、星基网流量工程的可扩展性、对网络资 源响应的实时性等方面都有较明显的改善。 当然，文中提出的算法和解决方案还有待进一步深入研究。目前对各个模块 的改进还在不断深化，希望在不远的将来，通过进一步的仿真和实验，最终推出 的星基网q o s 保障和流量工程设计方案的功能会更加完善更加合理。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 1 1 课题来源 第一章概述 随着科学技术的发展，空间信息技术逐渐成为决定战争胜负的关键因素之 一，所以近年来，星基网以其重要的战略地位成为当前世界各航天大国研究的热 点，星基网是一个具有时代性和前瞻性的新概念，它是由不同轨道上多种类型的 卫星系统，按照空间信息资源的最大有效综合利用原则，互通互连，有机构成的 智能化体系，是海、陆、空融为一体的信息获取、传输与分发系统。 本文来源于国家8 6 3 计划子项目“星基网流量工程研究报告和详细设计方 案”，主要研究如何在星基网中实现流量工程并提供多服务级别信息流交换。 现有地面网的大部分i g p ( 内部网关协议) 在建立转发表时没有考虑带宽的 可用性和业务特点等因素，从而在一些情况下会使网络出现阻塞，星基网本身 的特点决定了其可用资源要远远小于地面网络，所以在星基网中实现流量工程来 平衡网络中不同链路、路由器和交换机之间业务负荷就显得尤为重要。通过流量 工程，可以使星基网中的各个卫星节点都可以合理有度的被充分使用。这样就可 以有效利用整个网络的资源，作为星基网信息交换体系中一个重要的辅助部分， 研究设计一种合理高效的星基网流量工程的重要性不言而喻。 目前，国内外地面网络中，都开始逐步实现流量工程以优化网络资源的利用 率。但是，在星基网这样的开放复杂的系统中实现全面的流量工程，国内外都还 没有先例，必须进行深入研究以确定其总体技术方案。星基网所实现的流量工程 应该可以在将通过星基网传输的业务流映射到星基网的物理拓扑上时，充分考虑 网络资源的利用率、带宽的可用性和其余各种业务特点等因素。 除需要提高网络资源的最大利用率之外，实现多级别服务质量也是星基网中 必须要实现的个极为重要的技术指标之一。但由于星基网的特殊性，星基网系 统的底层链路和网络拓扑结构会处于不断变化中，而且对提供服务质量的要求可 能也会不断变化，这就使得设计的星基网流量工程方案与传统意义上的因特网流 量工程有很多不同，所以在设计方案中，星基网流量工程系统必须针对星基网在 信息交换、网络拓扑和实时物理构造等方面特点进行构建，甚至为能适应星基网 流量工程的复杂性和特殊性，很多关键模块都采用了特殊的设计方案。 本论文就是针对实际星基网中参与信息交换的各个通信实体的特征和它们 之间的信息交换方式，结合星基网本身的特点进行设计的。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 1 2 研究内容 星基网流量工程就是通过对星基网进行网络测量，获取网络状态和流量信 息，并以此为决策信息控制星基网设备，进行网络资源分配、业务流量调整，实 现优化网络资源利用、满足业务服务性能要求的网络工程技术。所以本文提出的 星基网流量工程设计方案力求在研究当前最新的发展趋势以及实际条件的限制 的基础上，以简单又高效的方式，将星基网中与信息交换相关的网络各项性能指 标显示出来。 为使星基网实现流量工程，提供可靠有差异性的服务，最大程度的优化星基 网的运行性能，满足其各种承载业务的需求，需要星基网信息交换系统能够严格 地控制网络资源的分配和网络吞吐量，同时可以在网络的物理拓扑结构上映射通 信流量并为这些通信流量的资源进行定位。网络拓扑的变化性、高延时、高误码 率等星基网区别于地面网的特征都是在实现星基网流量工程过程中需要考虑的 重点。 星基网最大的特点之一就是它的网络拓扑结构的动态变化。各节点相对位置 的不断变化以及数据传输的高时延、高误码率，给网络节点之阐的信息传输和交 换带来了很大的困难，这些特点导致了在星基网中实现流量工程和q o s 主要有以 下难点： 星基网中网络资源信息( 包括流量带宽信息、网络时延、丢报率信息等) 的收集、维护、更新远比地面网络困难 星基网流量工程系统中的超时机制需要重新设置 星基网流量工程系统中信令分发协议以及路由模块需要进行相应改进 星基网流量工程数据库的设计、维护、更新、使用方式需要重新考虑 星基网流量工程数据库中信息收发模块功能需要进行扩充修改。 经过系统分析并总结国内外本领域最新研究成果，本文针对星基网的独有网 络特性，提出的星基网流量工程系统的主要研究内容为：在研究星基网特点和现 有m p l s 技术的基础上提出星基网流量工程系统设计框架结构，针对其中的路由 选择、信令发布、信息收发等关键性技术进行深入研究，并对研究成果进行相应 的验证。 其中的路由选择单元主要研究符合星基网流量工程要求的c s p f ( 基于约束 的最短路径优先) 算法，这一算法应该考虑当前网络的资源可用性、数据传输时 延、数据传输误码率等因素；它主要包括链路状态数据库、t 髓( 流量工程数据 库) 、c s p f 算法。信令单元主要研究邻接点发现、标签分发、l s p 建立、维护、 撤销等技术；信息收发单元主要用于实时采集网络中面向流量性能指标和面向资 源性能指标，维护、处理、分析这些指标，为后续的路由选择单元模块提供足够 的信息，它主要包括对相关的数据库信息的收集、维护、更新。3 。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 路由单元、信息收发单元、信令单元是相互关联的，因为星基网流量工程系 统要求路由模块为信令单元模块提供一条符合流量工程要求的数据传输链路，而 信息收发单元所提供的信息正是路由选择单元选择路由的依据。所以m p l s 节点 需要对网络流量进行监视和控制，以保证业务流的特性与其申请的服务及网络分 配给它的资源相符，即进行所谓的流量警管。同时，准确的业务量测量、有效的 网络管理也是流量工程设计实施的保证，因为如果网络能够准确地测量网络中的 流量，并迅速准确地将网络流量数据反映到网络的管理模块，系统就能够根据网 络流量的变化迅速调整网络的资源使用策略，并使这些策略能快速、有效地在各 网络节点的策略机上执行，调节网络流量，从而保证网络流量工程的实施“1 。 星基网流量工程系统的性能有效与否很大程度上还取决于流量工程数据库 的管理和维护性能。资源的可用性和使用信息包含在流量工程数据库中。传统的 链路状态数据库和新的流量工程数据库用于决定在网络中传输信号的最合适的 端到端的路径并且建立l s p ”3 。 综上所述，流量工程数据库、基于流量工程数据库的c s p f 路由算法、基于 c s p f 的信息发布单元协议、网管模块，是星基网流量工程系统需要研究的四大 关键技术。 通过查阅大量的国内外相关资料，参考现有的地面网流量工程技术，在深入 研究星基网的实际特征的基础上，本文采用改进的m p l s 技术，同时借鉴集成服 务和区分服务的思想，提出了为不同级别的q o s 提供不同类型l s p 的方法来实现 星基网q o s 保障。具体而言，本文主要做了以下几个方面的工作： 修改了地面m p l s 系统中路由模块，采用了基于跳数、网络资源可用性 的c s p f 算法，使用了链路动态代价值，使得在建立l s p 的过程中，充 分考虑了链路的当前时延、可用带宽、丢包率、以及链路当前带宽利用 率，较大的提高了星基网网络资源利用率。 修改了m p l s 系统中信令分发协议模块，采用了主动响应的标签分发协 议，改进了其中超时机制以适应星基网，并做了相应的部分实现。 修改了m p l s 系统中信息接收、发送模块以适应星基网流量工程中网络 资源信息( 包括流量带宽信息、网络时延、丢报率信息等) 的收集、维 护、更新。 设计了星基网流量工程数据库模型，并对部分网络资源信息收集进行了 部分代码实现。 提出了一种在星基网系统中为不同q o s 级别业务流建立不同类型l s p 从 而保障不同服务质量的方法。 提出了在星基网中实现其余部分流量工程指标的方法。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 1 3 星基网主要特征以及q o s 需求 星基网主要由沿不同轨道绕地球周期性地旋转的卫星群、关口站、各种运动 个体组成。其中星基网卫星节点充当路由器的作用，负责空间信号的处理和转发， 关口站实现空间网络和地面网络的联系。各种运动个体包括士兵、个人、汽车、 飞机等，是空中网络或地面网络的单个接入点。 区别于地面网络，这三种通信实体之间的通信方式有以下主要特征： 网络拓扑结构动态变化：卫星的周期性运动、地面个体的移动造成的网 络拓扑动态以及它们之间通信方式的变化。 数据传输的误码特性：无线信道的高误码率，空间环境、自然环境和人 为干扰造成的数据传输低可靠性。 数据传输的延时特性：星间、星地的链路距离以及卫星网络数据传输的 低可靠性造成的高延时( 包括传输延时、转发延时、处理延时) 。 数据链路带宽多样性和不对称性：卫星网各个节点之间的数据传输带宽 各不相同，而且上下行链路带宽不对称。 星基网的0 0 s 主要技术指标包括：均衡网络负荷、分组丢失最小化、时延最 小化、s l a ( 服务等级协定) 的增强、带宽资源最优化配置等方面“。 星基网信息传输区别于地面网络的四大特征是实现星基网信息传输服务质 量保障技术必须要考虑的关键性因素，和地面相比，这些特征对星基网q o s 的各 项指标都有较大的影响，本文致力于通过在星基网中分别实现端到端q o s 保障和 对分级业务的支持以及其它部分流量工程要求来达到以上目标。 1 4 地面网络流量工程国内外发展趋势和技术现状 当前，地面网流量工程技术的研究主要集中在对自治系统内部的各种业务流 的管理和控制方面。通过对具有不同q o s 要求的各种业务流进行适当的路由选 择、路由优化和采取多种高效的流量管理和控制手段，使各种业务流能够在系统 内部均匀、合理地分布，从而显著降低链路拥塞概率，提高网络资源利用率，达到 网络工作性能最优化的目标”3 。 互联网中的流量工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 是一项以优化网络工作性能为 主要目标的网络工程技术。现有网络中目前广泛采用的i n t e r n e t 内部网关协议 i g p 协议簇不能提供流量工程能力，这些与具体算法有关。事实上，基于s p f ( 短 路径优先) 算法的i g p 协议本身正是造成网络拥塞的重要原因。此算法是拓扑驱 动的，路由选择时，它们不用考虑可用的带宽与流量的特征。在以下情况下，网络 会发生拥塞： 1 ) 根据s p f 算法，多个业务流的路径汇集到一个特定的链路或某个路由器 南京邮电学院硕士研究生学位论文 的接口。 2 ) 根据s p f 算法，某个业务流映射到某一链路或路由器接口，然而该链路或 接口的带宽不足以支持该业务流。 在这样的情况下，即使存在可能拥有充足的带宽的其他路径，拥塞仍然会发 生。这正是传统的s p f 算法的弊病。对于第二种原因引起的拥塞，可以使用“等 开销路径负载均摊( e q u a lc 。s tp a t h1 0 a ds h a r i n g ) 技术加以解决，但是这种 方法不能解决第一种原因造成的拥塞。1 。 目前常见的实现流量工程的技术有两种：基于重叠模型的流量工程和基于 m p l s 的流量工程。其中m p l s 技术是i 盯f ( i n t e r n e t 网络工程组) 正在积极研 究并大力推广的一种新的数据转发机制。它处在数据链路层和网络层之间，在克 服i p 对于流量工程的局限性方面具有显著的优势，被认为是实现流量工程的最 有力工具。1 。下面分别比较这两种模型。 一重叠模型技术 重叠模型技术当前解决i g p 协议簇前述缺点的主要方法有i p o a ( 基于a t m 的i p ) 、i po v e rf r ( 基于帧中继的i p ) 等。重叠模型在网络的物理拓扑结构之 上架构了一个虚拟拓扑结构，扩展了网络设计空间。这些虚拟的拓扑结构由虚电 路组成，但i g p 路由协议把它们看作物理链路。重叠模型提供的实现流量工程策 略的一些功能有v c ( 虚电路) 级约束路由、支持显示v c 通路的管理配置、路径 压缩、呼叫允许控制功能、流量整形、流量策略功能、v c 的生存性功能等。但 是，重叠模型技术仍然存在以下问题“”： 1 ) 重叠模型技术中所有的节点都要建立全网状连接，造成严重的n 平方问 题( 即建立、拆除、维护节点之间的连接时，开销都是n 平方数量级的) 网络可扩展性差，不使用于带宽资源十分宝贵的星基网。 2 ) 重叠方式下，i p o a 网络被分割成若干l i s ( 逻辑子网) 。l i s 之间不是由 a t m ( 异步传输模式) 交换机而是由一个中间路由器连接的，在流量很大 时，这些路由器便成为带宽瓶颈，对星基网而言，和地面网交互的边界 路由器本来就存在带宽瓶颈问题，假如使用重叠方式，将会使得方案所 设计的流量工程性能大大下降。 3 )目前的重叠方式并不能真正实现a t m 网络强大的端到端的q o s 性能。i p 和a t m 的设计互相没有考虑到对方，这就要求i p o a 网络同时使用两套路 由协议( i p 路由协议和a t m 路由协议) 和两套地址( i p 地址和a t m 地址) 。 这种复杂性不仅降低了i p 分组传送的效率，而且还会影响到星基网信息 传输的可靠性。 其中前面两点构成了重叠模型网络最严重的问题：可扩展性问题。我国 的星基网技术还处于起步阶段，如何在方案设计中较好的解决可扩展性问题 是一个极为重要的方面，而且星基网本身的特征要求其中的流量工程方案可 南京邮电学院硕士研究生学位论文 以支持灵活的q o s 策略。 对第三点而言，m p l s 流量工程技术由于使用了集成模型，受益实现重 叠模型的标准十分轻松，而且其成本与可扩展性都更为理想，除此之外，它还 将可能实现流量工程功能的部分自动化。 二m p l s 流量工程 m p l s 的是标准化的交换技术。目前已被众多的网络厂商所接受并看作下一 代的网络交换技术。相对于其它技术，它的一个重要特点就是把i p 路由的灵活 性、可扩展性和二层交换良好的流量管理能力结合起来“1 。这一特征是m p l s 可 以运用于星基网流量工程的重要保证。在实现星基网流量工程和q o s 保障方面， m p l s 技术主要有以下优势： 1 ) 使用m p l s 技术可以大大提高转发速度： 不同于每一跳都要查询第三层路由表的传统i p 网络h o p b y h o p 转发技术， m p l s 域内只在网络的边缘( l e r ) 的f i b ( 转发信息库) 作一次路由表查询，为 进入m p l s 域的i p 包打上标签，在其余节点进行第2 层转发”3 。这一技术可以大 大提高网络转发速率，对于网络拓扑不断变化的星基网而言，这一特点十分重要， 因为转发速率的提高可能使得由于网络拓扑变化产生的数据重传大大降低。 2 ) 使用m p l s 技术可以提供灵活的q o s 保障机制 m p l s 继承了a t m 的q o s 机制，可以保证用户的不同服务质量要求，同时， m p l s 技术中的优先等级可以更方便地管理不同类型的q o s “。这一优势是选取 m p l s 技术来实现星基网流量工程的主要原因。 3 ) 使用m p l s 技术可以较大的提高资源利用率 m p l s 通过自身的路由机制能够最佳地使用网络。可以保留网络的某些部分 用于实时业务，可以通过负荷平衡等技术，实现良好的网络资源配置和业务流 分布“，对于网络资源十分宝贵的星基网而言，这一点也是十分重要的。 除此之外，m p l s 技术还有以下优点：( 1 ) 解决了t c p 数据通过i p 网络的失 序问题( 流量在网络各接点无故障状态下将沿同样的路径通过网络，将按进入网 络的顺序离开网络) ，减少了端到端通信中的两端站点对数据的排序时延，使 m p l s 网络可以很好地服务于实时应用；( 2 ) 不限制第二层网络的种类，支持多 种协议。( 3 ) 使用a n yt oa n y 连接，提高了网络的灵活性和可扩展性；( 4 ) m p l s 标记交换将m p l s 网络视为内部域，和传统的网络分隔开来。可以将传统网络接 入m p l s 边缘设备( 类似于m p o a 的应用) 。从而大大的提高网络的可升级性“。 其中的第三、四点为星基网的进步扩展以及实现星基网流量工程和地面网 流量工程相结合提供了极好的保证，但是地面网m p l s 技术直接运用于星基网中 还有许多需要进一步研究和改进的地方，所以通过综合考虑，本文决定在星基网 流量工程中采用改进型m p l s 流量工程模型。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章星基网流量工程系统总体方案 及分模块详细设计 2 1 星基网流量工程系统总体方案设计 星基网( 图2 一l 所示) 由信息获取、通信传输网络、星上信息处理和分发、 自主运行管理及支撑系统( 系统维护管理、系统定时同步等) 和地面信息 图2 1 星基综合信息网的组网示意图 与管理等子系统构成。其中，通信传输网络系统完成星基网空间信息的传送任务， 由若干个网络节点卫星和应用卫星、网络节点卫星之间通信链路、网络节点卫星 与信息获取卫星之间通信链路和网络节点卫星与地面之间通信链路组成，在空间 完成信息的选路和交换任务。根据系统的信息传送要求，建立信息获取卫星至星 上信息处理中心或地面用户之间，以及星上信息处理中心至地面用户之间的通信 连接，从而保证各类信息快速、高效和安全的传送。 多协议标签交换技术的中心思想是将基于标签交换的数据转发机制与网络 层的选路机制结合在一起，是将逐跳转发的i p 路由技术与面向连接的a t m 交换 技术相融合的结果。该技术实现边缘一次路由，核心只需完成快速数据转发而无 路由寻径，从而将路由与转发分离，减少核心网的负荷，提高了交换转发速度。 采用面向连接的交换技术体制，可以适应高速率、低时延业务，满足不同业务对 q o s 的要求。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 根据星基网的运行环境，星基网流量工程技术要考虑无线、窄带宽带传输 链路的长时延特性以及地面信息与管理控制系统的接入，还需要能够适应星星、 星一地长时延传输链路，并能够支持网络动态变化和快速重组，满足网络抗毁和 可靠性要求，适应星一星、星一地传输时延长、误码率高的传输链路，支持用户动 态接入和用户的越区切换，具有业务优先级控制功能。 考虑以上特征，虽然星基网流量工程系统所采用的系统结构和地面网m p l s 系统结构基本相同“，同样主要由四个部分组成：包转发单元、信息收发单元、 路径选择单元和信令单元，其中各模块之间的关系如图2 2 所示。但在模块实现 时，每一模块都结合星基网的特征做了相应的改变以达到在星基网中实现流量工 程和q o s 保障的目的。下面着重介绍各分模块的设计和实现。 图2 2 星基网流量工程系统功能参考模型 2 2 星基网流量工程系统分模块设计方案 本文提出的星基网流量工程系统虽然在系统结构上与地面m p l s 系统结构相 似，但是其中各模块内部功能以及各模块之间相互关系与地面m p l s 系统有很大 的差别。星基网流量工程系统中，除对路径选择单元、信令单元进行了重新设计 以外，分组转发单元和信息收发单元也做了相应的调整，各模块的具体设计和实 现如下。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 2 2 1 路径选择单元 路由选择模块中的路由选择算法是实现星基网流量工程重要组成部分，它是 信令分发协议建立l s p 的依据，是星基网可以进行标签转发的前提。目前地面网 普遍使用的动态路由协议，只能根据线路的静态优先级选择路由，难以适应星基 网上不断变化的流量分布情况，很可能造成某处拥塞，某处闲置的情况“。本文 提出在星基网流量工程系统中采用考虑带宽、时延、丢包率等诸多因素的c s p f 算法：即网络中各节点在使用s p f 算法进行路由选择时，除跳数以外，同时还考 虑了当前网络的资源可用性，基本可以满足星基网流量工程的要求。 c s p f 是一种改进的最短路径优先算法，它是一种在计算通过网络的最短路 径时，将特定的约束( 比如：带宽需求、最大跳数、时延、丢包率等) 也考虑进 去的算法“。当c s p f 考虑一条新的l s p 的每个候选节点和链路时，它可以基于 资源的可用性或所选部分是否符合用户策略约束要求，对特定的路径组成部分接 受或拒绝。本文路由选择模块中，各路由器节点通过对t e d 中的信息使用这两种 c s p f 算法，根据链路当前实际情况来决定每条l s p 的物理路径“。c s p f 计算得 出的路由为满足约束条件的最优路径。这个路由随即传递给信令部分，信令部分 根据这一路径来建立l s p ，并最终通过所建立的l s p 进行标签转发。 下面对星基网流量工程中组成路由选择单元的三大部分：考虑了带宽、时延、 丢包率等诸多因素的c s p f 算法、链路状态数据库以及流量工程数据库分别进行 介绍。 一c s p f 算法： 与本文来源相同并行进行的另一子项目中，研究并部分实现了在星基网中如 何当某一链路使用率即将饱和时避开它选取适合链路的c s p f 算法“，本文所采 用的路由算法在其基础上进行了部分扩展，即在进行路由选择时，除考虑带宽利 用率以外，还将时延、丢包率等诸多因素也包括在内，为区别起见将本文提出的 路由算法称之为m p l s - c s p f 算法。 需要指出的一点是本文路由模块中，维护两张路由表：一张是系统路由表， 由改进型o s p f 算法更新；另一张叫做l d p 路由表，由m p l s _ c s p f 算法更新。它 们各自在星基网流量工程系统中具有不同的作用，系统路由表是底层链路进行标 签转发的依据，而l d p 路由表是建立l s p 的依据。在星基网流量工程系统中，l d p 路由表的使用是由路由选择单元、信令单元和信息收发单元相结合实现的。关于 这一方案在下文各单元中都有相应的论述。 改进型o s p f 本路由算法通过对o s p f 算法中超时机制进行修改，使得地面网o s p f 算法可 以较为合理的运用在星基网中“”。通过本算法维护系统路由表。 m p l sc s p f 算法 南京邮电学院硕士研究生学位论文 本算法中，网络中各节点在使用改进型o s p f 算法进行路由选择时，除跳数 以外还考虑了带宽、时延、丢包率等网络资源信息。此算法的具体实现过程如下： s 7 删j 当m p l s 域某一l e r 收到建立l s p 的请求时，根据此业务流的特征以 及预先设计的规范得出对应的加权矢量( b w ，d ，b e r ) = ( 6 。，6 ：，6 。) ( 这 里b w 、d 、b e r 分别表示带宽、时延、误码率，6 ，6 。，6 。分别表示这三种参 数加权因子的取值) ，并根据系统路由表向除接收到请求的端口以外所有的可用 端口发送代价值计算请求l s a ( 链路状态广播) 。 酣j e 船当m p l s 域中的某一节点收到代价值计算请求之后，触发m p l s 域中 下游节点按照如下步骤进行代价值计算。 首先判断此节点是否为出口l e r ，假如是l e r ，向上一节点返回代价值o ： 假如是l s r ，根据自身的系统路由表判断有没有到目的节点的路由。假如没 有路由，返回代价值无穷大；假如有路由，向除收到代价值请求计算的其余端口 泛洪代价值计算l s a ，对泛洪的每端口启动计时器。任一端口假如计时器超时 还未返回代价值计算结果，则默认为此节点到目标节点代价值为无穷大；任一节 点，当在计时器超时前收到下游节点返回的带有到目标节点的最优代价值的 l s a ，根据本地t e d 中内容判定需要使用的链路是否拥塞( 带宽利用率是否大于 某一阈值) 。假如此链路拥塞，则本节点到下一节点的链路代价值= 最大值一1 ； 假如不拥塞，触发区域中m p l s c s p f 路由计算模块，根据本地t e d 中的网络拓扑 资料和t e d 中的带宽、时延、误码率数据，按照三维参数加权矢量动态依照以下 公式进行当前链路代价值计算： 代价值= 6 。i 可用带宽一请求带宽i + 6 ：时延+ 6 。丢包率 s 惩船? 将本节点到下一节点代价值与下一节点到目标节点代价值相加，与 已有的本节点到目的节点代价值结果相比较，取最小值作为暂时最优代价值。 s 7 础，直到所有发出l s a 的端口返回代价值或者计时器超时，得出本节点 到目标节点最优代价值，将此代价值发回到触发其进行代价值计算的上游节点。 s 纪最终发起代价值计算的l e r 节点可以根据下游代价值计算结果得出 区域内到目标节点的最优路径，为l d p 建立l s p 提供路由依据。 算法流程图如图2 3 、图2 4 、图2 5 所示。其中图2 3 描述了l s p 入口l e r 节点从收到l s p 建立请求开始到计算出到达目标节点路由的全过程；图2 4 描述 了l s r 、l s p 出口l e r 节点在此过程中进行路由选择的流程，图2 5 描述了路由 器计算其某一端口到目标节点代价值的过程。 需要指出的是本方法在目前系统里面存在这样一个问题：假如只使用一张路 由表，即m p l sc s p f 算法也更新系统路由表，则每一次对代价值的重新计算得出 的路由信息都会导致系统路由表选项的修改，因为只有这样才能保证信令分发模 块在建立l s p 时可以使用所计算出的最优化路径。但是，由于几乎每一流量的出 现都会使得区域内部分链路的资源信息发生变化，而同时每一次新流量请求的提 一堕塞业皇兰堕婴主塑塞生兰垡堡苎 出都会进行路由计算，有可能前一流量导致了某一链路利用率很高，对下流量 而言此路径已经不是最优路径，这样在新计算的路由表中就会将现有正在使用的 图2 3 收到代价值计算l s a 操作流程 路由表标记为不可用，同时星基网自身网络拓扑的变化也会导致系统路由表的变 化，这样会发生路由抖动，甚至导致星基网链路不可用，造成资源浪费，使得信 息传输效率大大下降。 为解决这一问题，本文提出如下方法：将数据传输所依据的系统路由表和建 南京邮电学院硕士研究生学位论文 立l s p 的路由表区分开来。即在本系统中存在两种路由表，第一种就是系统中通 常的路由表，它不考虑资源信息，只维护星基网中网络的拓扑信息，即本路由表 中表现的是某一时刻网络的实际拓扑结构，这一路由表只有在星基网网络拓扑发 生变化时才会变化，星基网中一旦l s p 建立成功，数据转发就依据这一路由。只 有当这一路由表发生变化才可能导致l s p 不可用。第二种路由表就是建立l s p 图2 4 收到l s p 建立请求l e r 操作流程 南京邮电学院硕士研究生学位论文 需要依据的路由表：l d p 路由表，此路由表仅用于在建立l s p 时选择一条最优化 路径，一旦l s p 建立成功，所建立的l s p 便与此路由表不再有任何关系。对这一 路由表而言，每一次l s p 请求、或者网络中任两个节点之间的流量、链路状态发 生变化都可能会使得它发生变化。 图2 5 路由器某端口到目标节点代价值计算沉程圈 在系统中使用两种路由表的这一方法的必要性和优点十分明显：这样可以区 分某一路由不可用的以下两种不同情况：( 1 ) 由于星基网网络拓扑变化导致链路 实际不可用；( 2 ) 由于对于申请l s p 的当前流量而言链路不是最优化路径而在路 由表中不需要显示。系统中对这两种情况必须区别对待，因为第一种情况需要中 断现有的l s p 进行重路由，而第二种情况则不需要中断现有的l s p 只需要在建立 新l s p 的时候不考虑它即可。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 二链路状态数据库 星基网中链路状态数据库由星基网路由选择模块通过信息收发模块来收集、 更新其所在网络区域上各路由器的连接状态信息，即链路状态( l i n k s t a t e ) 信息， 链路状态数据库由链路状态信息构成，其中保存了该区域的拓扑结构信息m 1 。本 文未单独对链路状态数据库进行扩展工作。 三流量工程数据库( t e d ) 流量工程数据库是星基网流量工程中极为重要的部分，它与i g p 和i g p 链 路状态数据库相互独立，是一个执行并发流量工程计算的分离的数据库，t e d 由 信息收发单元通过i g p 的l s a 扩展定期进行更新，其中存储的信息为星基网流量 工程路由选择单元计算路由提供一定的依据。 流量工程数据库由信息数据库、信息维护和信息处理与预测三部份组成。 信息数据库中存放有信息收发单元对网络资源和流量信息进行实时采集的数据； 信息维护负责将采集到的信息存储到流量工程数据库t 叻中。 信息处理与预测是星基网流量工程数据库的另重要功能。由于星基网中的 卫星节点的运动导致网络拓扑结构、链路状态、流量不断变化，当前采集得到的 流量信息不足以给路由选择提供良好的支持。但星基网中网络拓扑结构的变化是 有规律的，周期性的变化，因而对采集到的信息进行统计和预测，其结果可用来 处理经过周期变化的网络结构和通信，从而改进路由，优化网络性能和服务质量。 l 、星基网流量工程数据库系统 星基网的实时动态性和无线通讯特点决定了对于流量参数和资源参数采集 的困难，需要采集哪些参数来约束路由，如何做到准确有效的采集测量是研究重 点。 无线信道质量不稳定，容易受到干扰，因此在流量参数方面目前暂考虑丢包 率和时延两个参数。在资源方面准备暂考虑最大带宽，当前带宽两个参数。 网络的传输时延主要可分为单程时延和往返时延。目前地面网测量时延常用 的有三种方法：( 1 ) p i n g 命令来实现、( 2 ) 利用u d p 、( 3 ) 用t c p 报文”“。由于网 络往返路由的不对称性，所以测量往返时延对于时延参数的精度要求不是太高的 场合适用，而对于星基网这种要求q o s 比较高的网络显然不适合，所以本文中提 出测量网络中的单程时延。 目前流量工程数据库中信息按照表格存放，如图2 6 所示，随着研究的深 入，可以按照需求扩充数据库中的内容与表项。 链路起点链路终点最大带宽可用带宽时延丢包率 125 0 m1 0 m2 0 m so 5 1 0 。 271 0 0 m1 0 0 m5 0 m s2 1 0 - 5 图2 6 流量工程数据库 南京邮电学院硕上研究生学位论文 2 、信息维护的研究与设计 星基网流