流量工程技术介绍.ppt

高级计算机网络课程讲义 TrafficEngineering流量工程技术 内容 概述传统集成方法策略路由量度流量工程ECMP传统覆盖型网络IP ATM方法MPLS流量工程系统光网络流量工程 1 概述 概念目标方法系统 传统路由的鱼型问题 图1所示的网络拓扑形状如一条鱼 节点G代表鱼头 A和B代表鱼尾 数据流从A和B流向G 从鱼尾到鱼头有C D F和C E F两条路径 如果C D F比C E F短 则路由协议将选择C D F作为最短路由 A和B的业务流都将沿着C D F走 结果造成C D F负载沉重而C E F却被闲置的情形 从这个例子我们可以发现 路由协议实际上很 傻 传统路由的弊端 基于目的地选路 目的地址相同的数据包在被转发时 选择的下一跳也相同 所以 在路由表中 到达某目的地的路径只有一条 除非有多条成本相同的路径存在 这样 网络中可用的其他链路就无法被利用起来 流量分布很难预测 实现均衡更不可能 局部优化 每个节点都独自选择路径 相互之间缺乏协调合作 故整个网络的路径选择无法得到优化 如在图1中 很多节点都独立地选择C D F 结果导致最短路径成了最拥挤的路径 较长的路径反而可能是更好的选择 为了优化网络总体资源利用率 路由决策应该从全局观点出发 把整个网络视为一个对象考虑 在极端的情况下 最短路径算法还可能导致路由振荡 假如某节点在某时刻根据路由协议选择C D F作为从C到F的最短路径 当所有业务流都经过时 该路径就变得异常拥塞 而另一条C E F则很空闲 下一次路由更新时 假如路由协议把C E F选为最短路径 则此改变就会将原来C D F的流量转移到C E F上 结果呢 情况倒置 C E F拥塞 而C D F却变得空闲 每次路由更新都会引起路径选择的翻转 流量工程方法 当存在多条并行或备选路径时 就存在如何有效地使用集成的网络带宽的问题 这就是流量工程问题 流量工程是一个强有力的工具 通过它可以在网络中不同的链路 路由器和交换机之间平衡业务负荷 使所有这些成分既不会过度使用 也不会未充分使用 这样 就可以有效利用整个网络所提供的带宽资源 流量工程应当被看成是路由结构中的一个辅助部分 是对路由功能的控制与优化 使流量以最有效的方式通过网络 流量工程 A B C D Trafficengineering是将流量向网络拓扑映射的过程 Demand NetworkTopology 充分路由网络资源利于实现QoS网络流量分摊到多个链路 减少单点故障满足策略需求 Trafficengineeringkeytooptimizingcost performance 流量工程方法 传统集成方法 Integrated 策略路由量度流量工程ECMP传统覆盖型网络 Overlay IP ATM方法MPLS的流量工程 流量工程与网络工程 NetworkEngineering 网络规划 构造静态拓扑的物理网络 保持一定时期稳定 为长期的流量增长进行规划 为流量提供资源 Establishingcapacitywherethetrafficneedsit TrafficEngineering是为了优化利用网络资源 是基于固定网络拓扑的优化 适应短期的流量波动 把流量放在有资源的对方 Puttingtrafficwherethecapacityis TE是下一次NE之前的有效补充措施 业务分布的优化 TE与网络规划的充足容量 流量工程与流量定向 TrafficDirecting 选择信息服务器根据客户的位置服务器利用率网络性能属于应用层功能 流量工程与QoS路由 流量工程满足一定约束 包括QoS等 客户 ISP网络利用最优化 ISPQoS路由给定flow的QoS要求 客户 流量工程的最优化目标 容量管理 capacitymanagement 容量规划路由控制网络资源管理 linkbandwidth bufferspace computationalresources 流量管理 trafficmanagement 节点流量控制功能 流量调节 队列管理 调度 控制数据流经网络的路径 使不同报文或不同流访问不同的网络资源 流量工程的控制行为 控制模式pro active 采取预防措施 避免不良网络状态出现 或促成良好网络状态出现 reactive 正确响应和适应发生的网络事件 控制时间尺度容量规划路由控制转发 2 集成方法 策略路由量度流量工程ECMP 2 1策略路由 192 1 1 12 s0150 1 1 1s1151 1 1 1 s0150 1 1 2s1151 1 1 2 e0192 1 1 16 A B C Access list1permit192 1 1 11Access list2permit192 1 1 12Router mapmap1permit10Matchipaddress1Setdefaultinterfaceserrial0Router mapmap1permit20Matchipaddress2Setdefaultinterfaceserrial1 152 1 1 1 192 1 1 11 2 2基于量度的流量工程 基于量度设置的流量工程 在早期基于路由器的核心网中 流量工程技术是通过简单地使用路由量度值 Metric 来实现的 因为那时无论从路由器数量 链接数及业务流量来讲 Internet骨干网都是非常小的 所以 基于度量的控制在那时是足以胜任的 同时 在万维网普遍流行之前 Internet拓扑层次也强制业务通过网络中较为确定的路径 不会产生临时的热点 基于量度设置的流量工程的局限性 不具有可扩展性当IP网络变得具有更多的链接时 这种情况下很难保证对网络某个部分量度的调整而不致在网络的其它部分引起问题 不具有动态性IGP并不发布类似于带宽可用性和业务特征等信息 这就意味着 当IGP计算其转发表时并不考虑网络上的业务负载 无法负载平衡业务不能在网络连接中平均分配 导致昂贵的网络资源未能被有效使用 一些链路可能发生阻塞的同时 另一些链路未被充分利用 2 3ECMP Equal CostMulti path OSPF流量工程 等价多路径BGP流量工程RIP也可实现关键算法 OSPF等价多路径示例 多路径的影响 VariableLatencies不同路径时延不同 Packet重排序对TCP的影响 调试问题ping和traceroute更加不可靠 组播路由问题组播路由协议基于源或核构造转发树 避免环的方法是假设到达树根的下一跳唯一 安全多路径使下一跳不确定 网络DoS攻击相对困难 主要算法 round robin最简单 theleastrecentlyusednext hopischosen Modulo NHash对可标识流的报文字段进行操作 例如CRC值 Hash Threshold首先对可标识流的报文字段进行hash操作 在hash函数的输出空间 不同的下一跳有不同的区间 HighestRandomWeight HRW 路由器首先基于下一跳地址和可标识流的报文字段计算一个关键字 选择关键字最大的下一跳 减少next hop增减对流的影响 算法评价标准 性能 performance 运行算法的计算代价 平衡 Balancing 负载均衡 偏离 disruption next hop增减受影响的流 算法disruption 区3删除 1 4ofregion2isnowinregion11 2 2 4 ofregion3isinregion2 1 2ofregion3isinregion4 1 4ofregion4isinregion5 Sinceeachoftheoriginalregionsrepresent1 5oftheflowsdisruption 1 5 1 4 1 2 1 2 1 4 3 10 方法评价 小结 只是选择最短路径 在两个结点之间沿着最短路径上的路由器和链路可能发生了拥塞 而沿较长路径的路由器和链路却是空闲的 linkweight metric 方法可能与最优解相差较远 OSPF的等价多路径 ECMP 选项以及IS IS在给多个最短路径分配负载时是有用的 但如果只存在一条最短路径 ECMP也是无能为力的 对于简单网络 可以让网络管理员手工配置链路 均匀地分发流量 但对于复杂网络 就只能使用自动化的流量工程了 3 传统叠加方法 流量工程技术发展历史90年代初使用T1 T3链路 路由器少 易于配置 90年代中 ATM速率高 交换快 而路由器太慢 采用IP ATM 90年代末 路由器速率快 软件丰富 接口高速 采用MPLS 3 1IP ATM叠加方法 IP ATMATM和IP定义不同的地址结构和路由协议 ATM端点使用ATM地址和IP地址二者标识 ATM网络在核心 在ATM网络 所有交换机使用ATM路由协议为IP分组选择路由 需要将IP地址映射为ATM地址 叠加方法示例 A和C之间有四条路径 A G H C A F H C A G F H C A F G H C 假设A G H C是从A到C的最短路径 则最短路径算法会选择A G H C 但覆盖方法比最短路径算法要灵活得多 它可以使用四条路径中的任意一条 并根据两个节点之间的流量做出选择 叠加方法示例 IP ATM流量工程优点 PVC覆盖的物理路径通常通过离线配置计算获得的 基于链接容量和历史业务参数配置的算法对其进行整体优化 在完成PVC结网的整体优化计算后 配置将被下载到路由器和ATM交换机以提供全闭合结网的逻辑拓扑 一个基于ATM的核心网完全支持流量工程 因为它可以对PVC进行明确的路由 PVC的路由是通过在网络底层的物理拓扑上提供任意的虚拟拓扑来实现的 而在网络底层的物理拓扑上 可以通过对PVC进行路由以使业务分配到所有链路上去 使链路平均使用 这种实现避免了业务全部汇集到低花费路由上去 从而避免了链路的过分使用或未充分使用 另外 由ATM交换机提供的每条PVC的统计信息 简化了监测用于优化PVC布局及管理的业务参数的过程 IPoverATM模型的局限性 需要对两个不同的网络进行管理ATM基础结构网和逻辑的IP覆盖网 路由和流量工程分别在不同的系统上来完成路由在路由器上执行 流量工程则在ATM交换机上完成 因此 将流量工程完全与路由集成在一起将是非常困难的 ATM路由器接口未能跟上光学带宽的最新发展IP协议在ATM结构上运行时 有20 的ATM消耗用于组帧 OC 192浪费1 99G 最快622M OC 48难生产 配置难以自动更新扩展性差配置全闭合ATMPVC的网络将产生传统的 N2 问题 5router 1routeradded 10PVCcreated 4 MPLS MPLS概念Label封装LSP建立MPLS流量工程设施MPLS流量工程方法 MPLS流量工程优点 在 上的节点或链路出现故障时 自动迂回或切换到新的 上 保证网络业务的不中断 在IPoverDWDM系统中由于不再使用SDH传输设备 在出现光缆被割断时如何实现快速自愈恢复成为一个问题 利用MPLS有可在第三层实现快速自愈恢复 50ms 流量工程 通过 设置有关节点 通过流量的检测 决定有关流量分流的情况 根据如何决定分流链路的方法 可以区分松散 精确的指定 虚拟专网 通过公用网络实现一个单位内部的网络 由于业务流量和网络覆盖的关系 早期网络通过专线来实现 缺乏灵活性 由于 的封装性 可以实现专线特性 保证安全性 而不需要实现复杂的加密算法 并具有极好的灵活性和可扩展性 通过对 设定有关特性来实现 并和 有机结合 MPLS概念 LDP LabelDistributionProtocolLSP LabelSwitchedPath入口出口节点之间的路径 FEC ForwardingEquivalenceClassLSR LabelSwitchingRouterLER LabelEdgeRouter 1 Label封装 ATM FR Ethernet PPP VPI VCI DLCI ShimLabel L2 Label MPLSintendedtobe multi protocol belowaswellasabove IPPayload 下层多样性 Ethernet PPP SONET DS 3etc ATM FrameRelay MPLSis multiprotocol below linklayer aswellasabove networklayer Providesforconsistentoperations engineeringacrossmultipletechnologies MPLSpositionedasend to endforwardingparadigm 2 MPLSDomain IngressLSR MPLSDomain CoreLSRs EgressLSR Congestedlink Uncongestedlink 出口进行标准IP转发 入口加标记 3 ForwardingEquivalenceClasses 在路由器上处理行为相同的所有报文 传统路由 报文在每跳指定FEC i e L3look up 到达特定接口的流量符合分类标准的流量 IP地址 端口信息具有一定优先级的流量某接口以一定波长到达的流量一天中的某段时间到达的流量 去往不同目的地的报文可以共享相同路径 LSR LSR LER LER LSP STANDARDIP转发 47 1 47 2 47 3 1 2 3 1 2 1 2 3 DestinationbasedforwardingtablesasbuiltbyOSPF IS IS RIP etc 逐跳IP转发 47 1 47 2 47 3 1 2 3 1 2 1 2 3 IP47 1 1 1 IP47 1 1 1 IP47 1 1 1 LSP 标记交换路径 是源到目标地址单向树的一部分 LDP基于IP的转发表各种树 4 LABELSWITCHEDPATH MPLS标签发布 47 1 47 2 47 3 1 2 3 1 2 1 2 3 3 标签交换路径 LSP 47 1 47 2 47 3 1 2 3 1 2 1 2 3 3 ER ExplicitRouting 建立LSP是一种sourcerouted MPLSER并不要求每个报文携带路由 TE有效 A B C 显式路由LSP ER LSP 47 1 47 2 47 3 1 2 3 1 2 1 2 3 3 显式路由LSP ER LSP 叠加模型与集成模型 流量工程光网络 叠加模型 集成模型 IngressLSR MPLSDomain CoreLSRs EgressLSR Congestedlink Uncongestedlink 出口进行标准IP转发 入口加标记 Overlayvs Integrated OverlayATM和IP定义不同的地址结构和路由协议 ATM端点使用ATM地址和IP地址二者标识 ATM网络在核心 在ATM网络 所有交换机使用ATM路由协议为IP分组选择路由 需要将IP地址映射为ATM地址 Integrated不使用第二层信令与路由协议 通过一定的机制使用IP协议控制第二层交换 ATM端点只是使用IP地址标识 ATM网络使用的是现有的网络层路由协议 OSPF等 为IP分组选择路由 建立连接时不使用ATM信令 增加了ATM交换机的复杂性 使ATM交换机看起来更像一个多协议路由器 客户 服务者 Overlay 模型 UNI 光网络路由 对等 peer 模型 光网络路由 4 MPLS与流量工程 MPLS概念Label封装LSP建立MPLS流量工程设施MPLS流量工程方法 TrafficTrunk LSP内部的同类聚合流 流量主干向LSP映射称为实例化 可以从一个LSP转移到其他LSP 给定拓扑下最多Trunk是从每个入口到每个出口路由器每个流量类别一个 N N 1 C trunks MPLS流量工程基本问题 通过LSP 将流量主干向物理网络拓扑映射 将MPLS图向基本网络拓扑图映射 物理网络拓扑图G V E c V为网络节点 E为链路 参数c是E和V的容量或其他属性 MPLS导出图H U F d U为LSR集合 F是LSP集合 参数d是F的需求或约束 MPLS导出图 NE1 NE2 NE3 物理网络 MPLS流量工程设施 路由 ExplicitRouting ER LSP 路由 EnhancedOSPF IS IS BGP增加LSAtypes传递流量工程信息Extrametrics路由计算方法修改提供信息 构造TE拓扑 信令协议 TE RSVP CR LDP 1 了解链路属性的拓扑数据库 2 标记分发协议 z m y x MPLS流量工程设施 流量工程信息 节点TE参数对流量设置优先级trafficprioritization 配置接口端口abilitytoprovisionbandwidthoninterfaces 支持CSPF算法对automaticprotectionswitching的支持等 链路TE参数可用带宽可靠性colorassignedtothelink 带宽使用代价SharedRiskLinkGroup SRLG 的成员关系等数据结构TE LSATE LSDB由TEnodes和TElinks组成 基于约束的路由计算 1 Constrained basedroutingCSPF是一种改进的最短路径优先算法 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 最大跳转数 和管理策略需求等 考虑进去 路由计算为源于本节点的流量主干计算路径首先去掉不能满足约束需求的资源 然后选优 基于约束的路由计算 2 路由表通往TE隧道尾节点的流量 由TE隧道传输 通往TE隧道尾节点下游的流量 由TE隧道传输 如果有多个TE隧道在通往目标节点X的路上 选择尾节点离X最近的隧道 TE RSVP CR LDP支持MPLS流量工程 标记请求 映射和管理QoSandTrafficParameters作为opaquedata传递给流量管理单元FailureNotificationLSP建立失败或LSP发生故障时发送故障通知FailureRecovery在数据传输中断前重新路由 makebeforebreak PathRe optimization基于流量模式和网络状态PathPreemption终止现存LSP 以便建立更高优先级隧道 USE linkswithsufficientresources AND linksoftype someColor AND linksthathavedelaylessthan200ms CR LDP 示例 示例 configureterminalinterfacetunnel1tunneldestination17 17 17 17mplstraffic engpath option1dynamicinterfacetunnel2tunneldestination17 17 17 17tunnelmplstraffic engpath option1explicitidentifier1configureterminalipexplicit pathidentifier1next address131 0 0 1next address135 0 0 1next address136 0 0 1next address133 0 0 1 示例 LSP强占 traffictrunk A 剥夺 B 的LSP I A的优先级高于B ii A竞争B使用的资源 iii 资源不能被A和B同时使用 iv A是preemptorenabled v B是preemptable 在区分服务模型下是必备属性 尤其是在未来光网络 为了减小成本 将光层的保护和恢复功能上移到标记交换路由器 剥夺策略可以在故障情况下减少高优先级流量主干的恢复时间 10Mfree 10Mfree 20MLSP 0Mfree 0Mfree MATE MultipathAdaptiveTrafficEngineering 已在IngreeNode和EgressNode之间建立多个LSPIngreeNode的任务 将流量向多个LSP映射 实现负载平衡 避免拥塞 FilteringDistribution TrafficEngineering LSP1 LSP2 LSP3 LSPs MeasurementandAnalysis ProbePackets 分为N个BIN 如果LSP1可用带宽是LSP2的M倍 则接收的流量是M倍 入口LER的MATE功能 模型 分割流量 代价最小化入口 出口节点对s 输入速率as路径集合Ps 流量划分向量 Cost平均时延和丢包率的函数 网络达到最佳操作点通过迭代 将流量从最大偏差的路径向最小偏差路径转移 路由计算模式 离线方式离线实施可能需要花费几个小时来完成 它提供全局计算 比较每个计算的结果 然后为网络选出一个全局性的最佳方案 离线计算的输出是一系列优化了网络资源使用的LSP 在离线方式中 所有路由在改变之后都要进行重新优化 所以 网络路由结果更佳 在线方式路由计算模块只为新