（计算机软件与理论专业论文）基于流量工程的mpls网络中的边缘准入控制.pdf

摘要 近年来，随着网络的迅猛发展以及各种新型网络业务的出现和广泛使用，m 网正在从当初单纯传送数据向可传送数据、语音、活动静止图像的多媒体网络 转变。目前的p 网络所提供的是 b e s t e f f o r t ”服务已经远远不能满足这些实时业 务的服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，简称q o s ) 要求。因此，如何在i p 网上实现 q o s 的机制，如何利用流量工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 提高网络利用率和整体性 能，越来越受到人们的重视。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 ，简称m p l s ) 是近几年发展起来的新型的网络交换技术，它被广泛的认为是当前实现流量工程 的最佳选择。 准入控制和路由算法是传输网络中提供q o s 保证实现流量工程的两个关键 性技术。传统的q o s 和流量工程解决方案中，将重点关注在路由算法上，通常 是用约束路由算法找到一条可以满足q o s 要求的显式传输路径。在这种以路由 算法为核心点的流量工程解决方案中，准入控制起到的作用是较为有限的。准入 控制只是简单的用于检查当时网络局部资源的可用性，而没有任何优化目的，不 能起到对网络资源，特别是网络整体运行性能的优化作用。 本文首先介绍了基于m p l s 的流量工程机制。分析了m p l s 流量工程的核 心技术和实施优势。然后，详细阐述了m p l s 网络中l s p 的建立过程和相应的 传统逐跳式准入控制方法。指出了现有机制的不足之处，在网络中重度负载的 情况下会破坏网络整体运行性能，特别是对已存在的b e s t e f f o r t 业务的过度侵占 以致拥塞。 本文针对这一点不足之处，参考a b o s e o 在【3 9 】所提出的m p l s 边缘性准入 控制模型，将准入控制作用于m p l s 的边缘路由器，重点是改善网络在中重度 负载时的整体性能。但 3 9 只考虑了要求带宽保证的业务的准入问题，准入条件 忽略了网络中存在的大量的b e s t e f f o r t 业务，也没有给出具体的可用带宽计算方 法。本文在 3 9 i 作的基础上，考虑了网络中带宽保证业务和b e s t e f f o r t 业务的 同时存在，并改进了该准入控制机制和可用带宽的计算方法。按本文的算法进行 准入控制，在保证有带宽要求业务的服务质量的同时，也保护了b e s t e f f o r t 业务 的传输质量。 关键词：m p l s 、流量工程、q o s 、约束路由、k 条最短路径、有效剩余带宽 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ei n t e m e ta n dt h ea p p e a r a n c eo fn e wn e t w o r k a p p l i c a t i o n s ，i pn e t w o r ki sc h a n g i n gf r o mc o n v e y i n gt h es i m p l yd a t at oo p e r a t i n g m o l ed y n a m i ca n df l e x i b l el e s o u r c eu t i l i z 撕o n t h et r a c t i o n a li n t e r o e tp r o t o c o l ( 口) n e t w o r k st y p i c a l l ys u p p o r to n l yb e s te f f o r ts e r v i c e ，a n di tc a l ln o tm e e tt h eq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) r e q u i r e m e n t so fr e a l t i m et l a f f i c 皿eq u e s t i o no fh o wt or e a l i z e q o sm e c h a n i s ma ti pn e t w o r ka n du t i l i z et r a f f i ce n g i n e e r i n gi no r d e rt or a i s et h e n e t w o r ku t i l i z a t i o nr a t i oa n dp e r f o r m a n c eh a sb e e np a i dm o r ea n dm o r ea a e n f i o n sb y t h ep e o p l e t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) i sg e n e r a l l yc o n c e r n e dw i t ht h ep e r f o r m a n c e o p t i m i z a t i o no fo p e r a t i o n a ln e t w o r k s a n di ti sg e n e r a l l ya c k n o w l e d g e dt h a to n eo f t h em o s ts i g n i f i c a n ti n i t i a la p p l i c a t i o n so fm u l t i p m t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ( m p l s ) i s t r a f f i ce n g i n e e r i n g ( n 、) i n pn e t w o r k s a d m i s s i o nc o n t r o la n dr o u t i n ga r ek e ya s p e c t si nt h en e t w o r ks u p p o r t i n g a d v a n c e dq o sa n dt e h o w e v e r , t r a d i t i o n a lt es o l u t i 0 1 3 5u s u a l l yr e l ye x c l u s i v e l yo n r o u t i n ga l g o r i t h m s t oa c h i e v e o p t i m i z a t i o n a tn e t w o r kr e s o u r c e u s a g e ，w h i l e a d m i s s i o nc o n t r o li ss i m p l yl i m i t e dt oal o c a lc h e c ko fr o s o u r c ea v a i l a b i l i t y , w i t h o u t a n yo p t i m i z a t i o np u r p o s e t h j sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s e dp r i n c i p l eo f m p l s - t ea n da n a l y s ei ta d v a n t a g e a tt h eb e g i n n i n g a n dt h e ne x p l a i ni nd e t a i lt h el s p s e t t i n g - u pp r o c e s sa n di t sh o pb y h o pa d m i s s i o nc o n t r 0 1 p o i n to u tt h ed i s a d v a n t a g eo ft h i st r a d i t i o n a lm e c h a n i s m ， e s p e c i a l l ya tm e d i u m h i g hl o a dn e t w o r k a b o s c oi n 3 9 】p r o p o s e san o v e la p p r o a c hf o ra d m i s s i o nc o n t r o li nm p l s n e t w o r k , w h i c ha p p l i e sa ln e t w o r ke d g e sb ym e a r l so fd y n a m i ct h r e s h o l d se v a l u a t e d o nt h eb a s i so fn e t w o r ks t a t u s b u t 3 9 】n e g l e c t sb e s t - e f f o r tt r a f f 五c e x i s t i n gi nt h e n e t w o r kw i t hq o st r a f f i c t l l i s p a p e ru s e sv i r t u a lr e s i d u a l b a n d w i d t he s t i m a t e a l g o r i t h mw h i c hc o n s i d e r st h eb e s t e f f o r tt r a f f i c 髓cs i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e n e wf r a m e w o r ka n dt h en e we s t i m a t ea l g o r i t h ma l l o wm o l ee f f i c i e n tu s a g eo f n e t w o r k r e s o u r c e ，w h i l ed on o ti m p a c tt h ee x i s t e n tb e s t - e f f o r tt r a f f i c k e yw o r d s ：m p l s ，t r a f f i ce n g i n e e r i n g ，q o s ，c o n s t r a i n t b a s e dr o u t i n g ，k s h o r t e s tp a t h e s ，v i r t u a lr e s i d u a lb a n d w i d t h 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，也不包含为获得叁壅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：袭菇蓉签字日期：如r 年1 月詹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解整盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘壅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： 签字日期：加生年 导师签名： j 长鹞 签字日期：加g 年f 月i 争日 撩叫辗 第一章绪论 1 1 问题的引出 第一章绪论 随着口技术和网络的发展，世界各国的运营商基于伊网络已经开发出多种 多样的新业务，p 网正在从当初单纯传送数据向可传送数据、语音、活动静止 图像的多媒体网络转变。终端软硬件的不断发展使得很多终端已能够满足多媒体 应用的需要，因此在口网上实现类似语音、传真、会议等实时多媒体应用的问 题焦点便集中在了如何传输这些时延敏感的业务上。而目前的口网络所提供的 是一种 b e s t - e f f o r t 的服务，无法保障实时多媒体业务服务质量( q o s ) 因此在 球网上实现q o s 的机制已成为目前国际上的研究热点。 另外，随着i n t e r n e t 的普及和网络规模的不断扩大，用户数量迅猛发展，高 峰时段突发性数据传输往往导致网络拥塞，使报文丢失率上升，网络性能下降， 带宽问题成为i n t e r n e t 面临的一个瓶颈，传统解决网络拥塞的方法就是增加网络 能提供的带宽和应用拥塞控制技术。因为带宽等网络资源的增长速度远远落后于 用户业务量的增长速度，而且还受成本、网络建设和时间等因素的影响，所以， 仅仅增加带宽并不能满足各种新应用的需求。同时，i n t e m e t 网络以及原有的拥 塞控制技术在满足各种业务的服务质量要求时也越来越显得力不从心。 因此，解决问题的关键在于一方面如何有效的充分利用目前p 网络的有限 带宽，另外一方面就是针对各种业务类型的服务质量问题与各种具体的服务质量 参数，采取各种不同技术来分别加以解决。由此，在满足各种业务的q o s 要求 的同时提高网络的整体性能和利用率。 1 1 1 针对i p 网络的0 0 $ 研究 网络服务质量( q o s ) 是指网络在传输数据流时要满足一系列服务请求，具 体可以量化为传输延迟、抖动、丢失率、带宽、吞吐量等指标。通过以下方式为 网络提供可预测的服务质： 减少丢包率； 避免和解决网络拥塞： 对网络业务流整形； 支持专用带宽保障； 对通过网络的业务设定优先级。 互联网工程任务组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 ) 目前在d 网络的 第一章绪论 q o s 1 , 2 , 3 1 方面已经制定的服务模型和相关机制有：综合服务模型一1 ( i n t e g r a t e d s e r v i c e 墒称i n t s e r v ) 、区分服务模型i s , 6 ( d i f f e r e n t i a t e l c ls e r v i c e 简称d i f f s e r v ) 、 流量工程 7 】( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ，简称t e ) 、多协议标记交换p 1 ( 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 ，简称m p l s ) 、以及服务质量路由【9 】( q o sr o u t i n g ，简称q o s r ) 。 这些方法可以分为直接方式和间接方式两种，综合服务结构模型和区分服务 服务结构模型是直接方式，也是最基本的方式：流量工程是闻接的方式。m p l s 和服务质量路由是现今实现流量工程的关键技术。 i n t s e r v r s v p 1 0 均匪务模型是在r f c l 6 3 3 中进行定义，提供端到端的服务质 量，是在i n t e m e t 上提供q o s 的第一次尝试。r f c l 6 3 3 将资源预留协议r s v p 作 为i n t s e r v 结构中的主要信令协议。其基本思想是“以资源预留的方式来实现流级 的q o s 保障，要求路由器必须能够预留资源，同时还要求路由器能够保留每个 流的状态信息”。r s v p 是该模型的核心部分。它是主机用来从应用程序获得特 定的q o s 的一种控制协议，完成综合服务需要定义的呼叫准入控制功能和资源 预留功能。端点应用程序利用r s v p 消息向网络提出完成数据传送必须保留的网 络资源( 如带宽及缓冲区大小等) 的请求，同时也确定沿传送路径的各个节点传 输处理策略，从而对每个业务流实现逐个控制。 该模型的优点是能够提供绝对有保证的q o s 。r s v p 运行在从源端到目的端 的每个路由器上，可以监视每个流，以防止其消耗比其请求、预留和预先购买的 要多的资源。但是，i n t s e r v 的q o s 保证需要基于流的、复杂的资源预留、准入 控制、q o s 路由和调度机制。在诸如互联网这种复杂的、大规模的网络中，链路 状态是不确定的，有效地预留带宽资源非常困难。而且资源预留本身就与l p 网 络的最大特点“无连接”相冲突。更重要的是i n t s e r v 面临可扩展性( s c a l a b i l i t y ) 问题和鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 问题，这主要是因为在分布式网络环境中，很难维 持动态的、可复制的传输流状态致性。 为了解决h l t s e r v 的这些缺点，t f 在r f c 2 4 7 5 中提出d i f f s e l v 结构模型， 旨在定义一种能实施i p q o s 且更容易扩展的方式，、以解决i n t s e r v 扩展性差的问 题。d i f f s e r v 简化了信令，对业务流的分类颗粒度更粗。它通过聚集( a g g r e g a t e ) 和逐跳行为( p e r - h o pb e h a v i o r ，简称p h b ) 的方式来提供一定程度上的q o s 保 证。聚集的含义在于路由器可以把q o s 需求相近的各业务流看成一个大类，以 减少调度算法所处理的队列数。p h b 的含义在于逐跳的转发方式，每个p i - i b 对 应一种转发方式或q o s 要求。因此，区分业务本质上是一种相对优先级策略。 该模型的优点是便于实现。只在网络的边界上才需要复杂的分类、标记、管 制和整形操作，i s p 核心路由器只需要实现行为聚集( b a ) 的分类，因此实现和 部署区分业务都比较容易。但是，也正是因为它只是实现了一种相对优先级策略， 因此并不能严格保证业务端到端的q o s 。 第一章绪论 1 1 2 流量工程技术与m p l s i e t f 的这两项技术可以作为基础q o s 技术在相关的网络部件上使用，但是 这并没有解决全网的q o s 问题。目前，缺乏一个可以实施的整网q o s 机制，而 从路由器等设备来看，已初步具备基本的q o s 能力。因此如何制订整网q o s 机 制，充分发挥出各个路由器的q o s 能力，成为很多有影响力的标准组织的关注 热点。这也正是流量工程技术发展的主要动力。 将业务映射到网络的物理拓扑上的任务被称作流量工程。流量工程的根本作 用在于安排传输流如何通过网络，尽量避免不均匀她使用网络而导致拥塞，以保 证q o s 。 网络拥塞发生的原因可能有网络资源( 比如链路带宽、缓冲区) 的不 足、以及网络中业务的不均匀分布。当业务量不均匀分布时，则有的链路处于过 载状态而有的链路可能处于欠载状态，此时如果能够对网络中的业务流进行适当 引导，则不必增加网络资源也可能消除拥塞。流量工程的目的就在于：如何有效 地引导业务流通过网络以便消除由于业务量不均匀分布而造成的网络拥塞。 为了实现基于路由器的流量工程实施方案，目前最有希望的技术是多协议标 记交换( m p l s ，m u l t ip r o t o c o ll a b e ls w i t c h ) 技术。m p l s 将灵活的第三层口 选路和高速的第二层交换技术完美的结合起来，是对传统i po v e r a t m 技术的改 进，从而把口的灵活性，可扩展性与a t m 技术的高性能性、q o s 性能、流量控 制性能有机的结合起来。其基本思想表现在m p l s 网络上即为边缘路由和核心交 换的结合。 m p l s 中的关键概念是用标记来识别和标识弹报文，并把标记封装后的报 文转发到已升级改善过的交换机或路由器，由它们在网络内部继续交换标记，转 发报文。在区分服务业务中，把包加以标记，产生不同的级别，每个级别的包得 到不同的服务级别。m p l s 是一种前向转发策略，在进入m p l s 作用域时给包赋 予一定的标记，随后包的分类、转发和服务都将基于标记完成。 m p l s 网络的基本处理过程如下：标记交换路由器( l s r ) 和标记边缘路 器( l e r ) 采用标准的路由协议( b g p , i g p ) 识别路由，自动生成路由表；标 记交换路由器( l s r ) 和标记边缘路由器( l e r ) 通过标记分发协议( l d p ) 给 用标准路由协议生成的路由表赋以标记并分发，而标记边缘路由器( l e r ) 接收 标记分发信息并建立转发数据库：当标记边缘路由器( l e r ) 接收到需要通过 m p l s 网络转发的p 包后。分析d 包头信息从路由表中给p 包选择路由并打上 标记转发到下一节点的标记交换路山器( l s r ) ；标记交换路山器( l s r ) 收 到带标记的口包后，仅基于标记来进行交换。而不分析网络层头信息；带标 记的口包到达出口标记边缘路由器( l e r ) 时，去掉标记再通过网络层的路由 选择并按照传统的毋转发方式转发到目的节点。 第一章绪论 实际上，包是在m p l s 网络中入口l e r 和出口l e r 之间的一条标记交换 路径l s p 上被传送。m p l s 不仅能够解决当前i n t e m e t 网络中存在的大量问题， 而且能够支持许多新的功能。是一种理想的婵骨干网络技术。 1 2 课题背景和论文工作 1 2 1 课题背景 本论文的课题背景是天津市应用基础研究计划项目“基于m p l s 的动态路由 算法研究”。研究的主要内容是针对现行口网络的无q o s 保证的缺点，利用多 协议标记交换( 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 , m p l s ) 技术在p 网络中引入0 0 s 机制。实现了面向连接的流级路由算法和框架结构。 该项目的基本框架结构是1 、借鉴电信网络中的动态路由理论和算法研究基 于m p l s 的流级动态路由算法：2 、准入控制机制；3 、动态分配网络负载， 实现负载平衡避免网络拥塞。 作者的研究是在这个框架结构的基本思想上，结合流量工程( t r a f f i c e n g i n e e r i n g ) 的机制，针对m p l s 网络的特点，在m p l s 域的边缘节点设置准入 控制机制，对新的l s p 建立请求进行准入判断，从而改善了网络在中重度负载 情况下的整体性能。 1 2 2 论文工作 本文作者在分析了现有流量工程实现技术和m p l s 对流量工程的支持后。指 出了现有m p l s 流量工程中存在的不足之处，然后根据m p l s 网络的特点，着 重研究了在m p l s 网络边缘准入控制的问题i 瑚。在论文中，作者所作的主要工 作有以下几个方面： 1 、结合m p l s 网络的特点， 3 9 提出网络级边缘准入控制机制，重点是改 善网络在中重度负载时的整体性能。但【3 9 】只考虑了要求带宽保证的业务的准入 问题，准入条件忽略了网络中存在的大量的b e s t e f f o r t 业务，也没有给出具体的 可用带宽计算方法。本文在 3 9 】i 作钓基础上，考虑了网络中带宽保证业务和 b e s t e f f o r t 业务的同时存在，并改进了该准入控制机制和可用带宽的计算方法。 按本文的算法进行准入控制，在保证有带宽要求业务的服务质量的同时，也保护 了b e s t - e f f o r t 业务的传输质量。 2 、给出了在n s 2 仿真软件中对原有m p l s 节点进行了必要的扩展。在边缘 第一章绪论 实际上，i p 包是在m p l s 网络中入口l e r 和出口l e r 之间的一象标记交换 路径l s p 上被传送。m p l s 不仅能够解决当前h m e m e t 网络中存在的大量问题 而且能够支持许多新的功能，是一种理想的口骨干网络技术。 1 2 课题背景和论文工作 1 2 1 课题背景 本论文的课题背景是天津市应用基础研究计划项目“基于m p l s 的动态路由 算法研究”。研究的主要内容是针对现行p 网络的无q o s 保证的缺点，利用多 协议标记交换( m u l t i - p r o t o c o l l a b e l s w i t c h i n g , m p l s ) 技术在口网络中引入q o s 机制。实现了面向连接的流级路由算法和框架结构。 该项目的基本框架结构是l 、借鉴电信网络中的动态路由理论和算法研究基 于m p l s 的口流级动态路由算法：2 、准入控制机制；3 、动态分配网络负载， 实现负载平衡避免网络拥塞。 作者的研究是在这个框架结构的基本思想上，结合流量工程( t r a f f i c e n g i n e e r i n g ) 的机制，针对m p l s 网络的特点。在m p l s 域的边缘节点设置准八 控制机制，对新的l s p 建立请求进行准入判断，从而改善了网络在中重度负载 情况下的整体性能。 1 2 2 论文工作 本文作者在分析了现有流量工程实现技术和m p l s 剥流量工程的支持后。指 出了现有m p l s 流量工程中存在的不足之处，然后根据m p l s 网络的特点着 重研究了在m p l s 网络边缘准入控制的问题p 9 1 。在论文中，作者所作的主要工 作有以下几个方面： i 、结合m p l s 网络的特点， 3 9 提出网络级边缘准入控制机制，重点是改 善网络在中重度负载时的整体性能。但【3 9 1 只考虑了要求带宽保证的业务的准入 问题准入条件忽略丁r 网络中存在的大量的b e s t - e f f o r t 业务，也没有给出具体的 可用带宽计算方法。本文在 3 9 t 作的基础上，考虑了网络中带宽保证业务和 b e s t - e f f o r t 业务的同时存在，并改进了该准入控制机制和可用带宽的计算方法。 按本文的算法进行准入控制，在保证有带宽要求业务的服务质量的同时，也保护 了b e s t - e f f o r t 业务的传输质量。 2 、给出了在n s 2 仿真软件中对原有m p l s 节点进行了必要的扩展。在边缘 2 、给出了在n s 2 仿真软件中对原有m p l s 节点进行了必要的扩展。在边缘 第一章绪论 实际上，包是在m p l s 网络中入口l e r 和出口l e r 之间的一条标记交换 路径l s p 上被传送。m p l s 不仅能够解决当前i n t e m e t 网络中存在的大量问题， 而且能够支持许多新的功能。是一种理想的婵骨干网络技术。 1 2 课题背景和论文工作 1 2 1 课题背景 本论文的课题背景是天津市应用基础研究计划项目“基于m p l s 的动态路由 算法研究”。研究的主要内容是针对现行口网络的无q o s 保证的缺点，利用多 协议标记交换( 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 , m p l s ) 技术在p 网络中引入0 0 s 机制。实现了面向连接的流级路由算法和框架结构。 该项目的基本框架结构是1 、借鉴电信网络中的动态路由理论和算法研究基 于m p l s 的流级动态路由算法：2 、准入控制机制；3 、动态分配网络负载， 实现负载平衡避免网络拥塞。 作者的研究是在这个框架结构的基本思想上，结合流量工程( t r a f f i c e n g i n e e r i n g ) 的机制，针对m p l s 网络的特点，在m p l s 域的边缘节点设置准入 控制机制，对新的l s p 建立请求进行准入判断，从而改善了网络在中重度负载 情况下的整体性能。 1 2 2 论文工作 本文作者在分析了现有流量工程实现技术和m p l s 对流量工程的支持后。指 出了现有m p l s 流量工程中存在的不足之处，然后根据m p l s 网络的特点，着 重研究了在m p l s 网络边缘准入控制的问题i 瑚。在论文中，作者所作的主要工 作有以下几个方面： 1 、结合m p l s 网络的特点， 3 9 提出网络级边缘准入控制机制，重点是改 善网络在中重度负载时的整体性能。但【3 9 】只考虑了要求带宽保证的业务的准入 问题，准入条件忽略了网络中存在的大量的b e s t e f f o r t 业务，也没有给出具体的 可用带宽计算方法。本文在 3 9 】i 作钓基础上，考虑了网络中带宽保证业务和 b e s t e f f o r t 业务的同时存在，并改进了该准入控制机制和可用带宽的计算方法。 按本文的算法进行准入控制，在保证有带宽要求业务的服务质量的同时，也保护 了b e s t - e f f o r t 业务的传输质量。 2 、给出了在n s 2 仿真软件中对原有m p l s 节点进行了必要的扩展。在边缘 第一章绪论 节点加入了边缘性准入控制模块。在各个m p l s 节点加入带宽估算模块，以 b e s t e f f o r t 业务对未预留带宽的占用情况为依据，做出可用带宽的估计，尽量避 免使其过于拥塞。 3 、将预计算的k 条最短路径，用于l s p 的建立，改善了l s p 的建立效率。 1 3 论文结构 论文第二章介绍了基于m p l s 的流量工程的基本概念和基本原理；第三章对 m p l s 网络中l s p 的建立以及相应的信令协议作了概述；在第四章首先分析了现 有，l s 流量工程的不足，然后，给出了一种m p l s 网络中的边缘性准入控制 框架和算法，并通过仿真实验对上述算法的有效性进行了验证：第五章总结全文， 并对今后的研究和工作进行展望。 第二章基于m p l s 的流量工程 2 1 引言 第二章基于m p l s 的流量工程 随着i n t e m e t 的进一步发展，越来越多新业务要求口网络不仅能提供信息传 输的可靠性，而且要求信息传输的过程具有可预见性，用户甚至要求他们使用的 网络在任何情况下都能提供相对稳定的性能优良的服务。这就迫使i s p 需要改善 网络墓础设施。如使用更先进的交换机实现业务处理、采用高带宽的光纤介质满 足高速数据传输的需要。但是这只能在一定程度上缓解用户数据传输带宽和q o s 保证的压力。因为传统口网络的路由体系如内部网关协议i g p 的o s p f 与r i p 、 外部网关协议e g p 的b g p 4 等，只能提供数据传输的可达性服务，不具有全网 资源利用的调节能力，因此，也就没有动态的路由调整和灵活的网络控制能力， 更不用说对用户提供可预见的q o s 信息传输性能服务。这些算法的使用很大程 度上会导致网络中传输的数据流会聚到同一链路上或者说是同一节点的同一接 口上去，从而引起网络局部严重拥塞和网络资源利用率大大下降。因特网流量工 程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 就是为了解决此问题应运而生，它是一种可用来控制网 络资源，提高网络性能的网络资源调控技术。 流量工程就是一种能将业务流映射到实际物理通路上，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】。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。 m p l s 是近几年发展起来的新型的网络交换技术。它主要是在传统的m 网 络中增加了面向连接的特性，从而使得在传统m 网络中实施流量工程成为可能。 m p l s 所提供的最关键的优点是能够将职分组路由到一条标记交换路径l s p ( l a b e ls w i t c h e dp 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) 不同的l s p ，每条l s p 的路由可以 独立指定。 另外，在源点( i n g r e s s ) ，i p 分组可以分类成不同的等价类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 ) ，包含在碑分组中的任何信息都可以用来分类。一种选择是 对每一源目的地址的组合维持一个单独的f e c 。如果到达的分组包含足够的信息 ( 如区分服务编码点。d s c p d i 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 ) ，进行基于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p 网络中使用m p l s 技术满足了实现流量工程所必须的两个前提条件： 第二章基于m p l s 的流量工程 首先，m p l s 可以把整体的数据流分割为不同的可路由子集( f e c s ) ；其次，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。 2 2 流量工程概述 2 2 1 基本概念与工作模型 1 、流量工程的基本概念 流量工程是一种可用来有效控制网络资源、提高网络性能的资源控制技术， 一般来说。流量工程是运用科学的原则去模型化、特性化网络业务。实施流量工 程的主要目标是实现网络操作的高效率和优化嘲络资源利用，提高服务性能。流 量工程可以定义为一种能将业务流映射到实际物理通道上，同时又可以自动优化 网络资源以实现特定服务性能要求的、具有宏观调节和微观控制能力的网络工程 技术。 流量工程解决如何有效实现口服务与q o s 的统一问题，从而满足承诺的 q o s 请求和高链路利用率的控制技术。更确切的说通过平衡网络中o o s 与非q o s 资源的使用来实现网络性能的优化。 2 、流量工程的处理模型 根据流量工程要达到的目标，可以看出，流量工程问题基本上是一个网络控 制问题【”】。实施流量工程的网络包括一系列的网络互连设备、网络性能监测系统 和网络配置管理工具。我们可以把这样的网络看成是由以下三部分组成：需求系 统( 流量) 、受限系统( 互连的网络单元) 和响应系统( 网络协议及处理) 。 针对这三部分组成，流量工程的实现过程如图2 1 所示，可分为以下四个步 骤： 首先，将控制策略模型化。控制策略的制定依赖于网络环境、运行约束 条件、成本结构、收益模型等； 其次，通过一系列的监测系统观测网络状态，并对数据进行预处理，包 括数据转化、数据传输等。它是流量工程处理模型的反馈单元； 第三步，对业务流进行定性描述，并对网络状态进行分析。对有可能阻 塞网络的状况进行识别，找出影响或潜在影响网络性能的瓶颈和症结所在，结果 用于网络性能优化、网络运行控制、网络设计以及容量规划； 第四步，网络性能最优化处理。优化过程透过控制行为完成，使得网络 达到控制策略所预期的状态。控制行为包括校正与资源相关的属性和约束条件、 校正流量管理参数和校正与路由相关的参数等。 图2 1 流量工程处理模型 流量工程应该是一个网络自动优化的过程，所以整个过程中人工干预的部分 应尽可能少，通过以上四步的反复运行来达到网络性能的优化。 3 、流量工程处理模型的演化过程 i p a = r m s o n e t f i b e r i pa n d l s s o n e t d w d m i p a n d m p l s 适配层 光纤传输层 ( a ) ( b )( c ) 图2 2 技术层的演化 p 网络发展的趋势是从重叠模型向集成模型演化。这种演化由于m p l s 的 发展以及g 比特高性能路由器的发展而成为可能。图2 2 说明了i p 网络技术层 演化的过程。 第二章基于m p l s 的流量工程 2 2 2 流量工程的性能指标 流量工程的性能指标可以分为两类：面向业务的和面向资源的【7 1 。 1 、面向业务的性能指标 面向业务的性能指标是一种与特定应用服务的流量特性相关的指标，它与提 高业务流的服务质量有关。在目前只有单一服务类别的、b e s t e f f o r t 的i n t e r n e t 流量模型中，面向业务的性能指标包括对分组丢失的最小化、对时延的最小化、 对吞吐量的最大化以及对服务等级协定( s l a ) 的增强等。在这一流量模型中，使 分组丢失最小化是最重要的性能指标。而在未来的区分服务的因特网中，一些与 统计数据有关的面向流量的性能指标( 如时延峰值变化、丢包率等) 也将会越来越 重要。 2 、面向资源的性能指标 面向资源的性能指标是一个与网络资源相关的指标，它试图改善网络性能， 包括优化资源利用的各个方面。如网络资源利用率、网络吞吐量等。对网络资源 进行有效韵管理是达到面向资源性能指标的重要途径。通常我们希望确保网络资 源均衡使用，避免有些路径过分使用而拥塞，而另一些网络资源却没有得到充分 的利用。带宽是当前网络上的一种非常重要的资源。因此，流量工程的一项中心 任务就是对带宽资源进行有效的管理。 拥塞的最小化是面向业务和面向资源的流量工程的主要性能指标。拥塞常发 生下面两种情况： 当网络资源不足不能满足负荷的需求时： 业务流映射到实际物理链路时未能有效调度造成部分网络资源过度使 用，而另一部分则欠使用。 对于造成的拥塞可以用扩展网络容量和实施拥塞控制算法解决，而由造 成的拥塞则需要按照流量工程的手段来解决。 2 2 3 流量工程的要求 流量工程的使用目标是有效映射数据到现存的网络拓扑上去，并且这种映射 的目的是为了达到网络资源使用的最优化。为了达到此目的，一个考虑就是增加 网络的自适应能力，另外还自满足网络管理员定义的一些蓑赂。漉量工程的功能 就是要实现网络性能的优化、网络使用的简易性和可靠性，并满足用户q o s 的 要求。要实现网络中流量工程的鲁棒性，网络必须具有以下面的基木属性： 1 、网络的简单性 网络规划和流量工程是一项复杂的任务。它要求网络设计者完全理解底层网 第二章基于m p l s 的流量工程 络所具有的能力。网络坏境管理的一个关键属性是网络复杂程度的最小化。简单 性是提高网络维护效率、降低网络操作复杂性的技术保证之一。 2 、网络的可靠性 随着各种各样m 应用的出现，口网络市场的竞争也大大增加。一个可以信 赖的可靠性网络是吸引顾客的重要因素之一，而流量工程的目的就是为了增强网 络的这种可靠性。 3 、可扩展性 当前快速增长的用户以及用户对网络服务有效性的期望导致对网络带宽和 q o s 的要求。要使球网络支持这种要求，必须实施流量工程技术，扩展性已成 为因特网协议必须具备的重要指标。 4 、互操作性 网络发展正走向建立标准化的网络环境，这也是实现网络互操作的一个要 求。对于终端用户和i s p ，实现不同设备制造商提供网络设施间的互操作是确保 他们跟踪i n t e r n e t 发展的一个条件。在互联网络中，不同技术设备必须协调工作， 这要求未来网络技术必须有兼容性，以增强网络未来的发展能力。 5 、区分服务 最初对区分服务( d i t i s e r v ) f 1 力提出的基础是集成服务技术( i n t s e r v ) 。但集成 服务技术太复杂，并且缺乏扩展和增值服务能力而被大多i s p 拒绝使用。当婵 q o s 在网络中变得切实必要时候，区分服务技术就应运而生。 2 3 流量工程的实现模型 到目前为止，在i n t e m e t 中实现流量工程存在着两种模型：面向无连接的t e 模型和面向连接的t e 模型。 2 3 1 面向无连接的t e 模型 无连接的模型是基于现有的无连接球路由协议的模型，是对现有的链路状 态或距离矢量路由协议的扩展。在这种模型中，每个节点独立的决定下跳的去 向，它们大多是通过改变路由参数或其它间接的方法实现的。 其中，一种方法是通过改变链路度量值以控制数据流在网络中的流向。链路 的度量值改变后，将触发各个节点重新计算到目的节点的最短路径，并更新路由 表。所以通过设置合适的度量值可以引导数据流在网络中遵循我们所期望的路 径。f o r t z 和t h o r u p t l 2 4 3 1 提出的通过优化o s p f 度量值实现i n t e m e t 流量工程的方 案是这种方法的典型代表，他们根据每条链路的资源利用情况，把链路度量值模 型化为逐段线性递增的函数，链路的使用率越大，它的度量值也就越大相反， 第= 章基于m p l s 的流量工程 链路的使用率越小，其度量值也较小。 另一种方法是采用多路径路由算法寻找源到目的间的多条路径，并将数据流 在这多条路径间分摊，达到均衡网络负荷的目的。o s p f 的扩展功能等价多路径 ( e c m p ) i ”1 以及后来的优化多路径( o m p ) 【1 5 】算法都采用的是这种方法。 无连接的t e 模型仍然是传统的h o p - b y - h o p 路由方式，所以保留了传统p 路由的简单和灵活特性，具有良好的扩展性。但是，这种模型的缺点是容易造成 路由抖动，稳定性差，并且由于它在本质上仍是最短路径路由，对于t e 的实现 也只是通过间接改变路由的方法来完成，所以会限制很多t e 功能的实现。而且， 保证数据传输的可靠性也是t e 的主要目标之一，然而无连接的p 路由协议 o s p f ，i s i s 等虽然可以提供故障发生后的重路由恢复机制，但是它们都必须在 路由信息收敛后进行，收敛时问往往在秒的数量级玎i 。在这样的收敛时间内， 可能发生路由环、数据包错乱顺序以及数据包丢失等一系列我们所不希望的事 情。 2 3 2 面向连接的t e 模型 面向连接的t e 模型是采用某种面向连接的机制实现t e 功能的模型。这种 模型一般使用一定的信令协议建立路径，并且在发送数据前先进行资源预约，预 约完成后才开始真正的数据传送：例如采用a t m ，m p l s 等的实现模型都是面向 连接的形式。 在这种模型中，路径通常是由源节点或某些中心节点来决定的，然后使用信 令协议在路径上的所有节点问分配路径的标识符( 如m p l s 中的l a b e l ) 并就这些 标识符在相邻节点间达成一致。这