流量工程技术要点.doc

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1、流量工程技术 （转载 ）将业务流映射到网络的物理拓扑上的任务被称作流量工程。现有的大部分IGP协议（内部网关路由协议） 在建立转发表时， 并未将带宽的可用性和业务特点等因素考虑进去， 在一些情 况下会使网络出现阻塞， 这时就需要流量工程来解决问题。 流量工程是一个强有力的工具， 通过 它可以平衡网络中不同的链路、 路由器和交换机之间业务负荷， 使所有这些设备既不会过度使用， 也不会未被充分使用。 这样就可以有效利用整个网络的资源， 流量工程将成为路由结构中一个重 要的辅助部分。早期IP核心网络的流量工程问题90年代初期,IP网络大都是通过使用单条带宽小当Internet开始爆发性增为了能够提供

2、更高的带宽, 网络需要于El （ 2 0 4 8 kb/s）的链路将路由器互连而组成的 长后, 单条网络链接的带宽已经难以满足业务发展的需要,更多的链接。 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。1基于量度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。即给每条链路规定一个量度值，两点之间的路由是按照一定的策略计算量度值后来确定的。 因为那时无论从路由器数量、 链路数还是业务流量来讲, In ternet骨干网都是非常“小"的，所以基于量度的控制是足以胜任的。同时，在WWW普

3、 遍流行之前，Internet的拓扑层次也强制业务流通过网络中较为确定的路径，不会产生临时的“热点” 。近年来，随着IP网络规模越来越大，基于量度的流量控制越来越显岀它的局限性。2早期流量工程的局限性早期的核心网在为流量工程提供可扩展性的支持上存在着许多局 限，主要表现在以下几方面：由于早期路由器的汇集带宽和包处理能力有一定的局限性，因此在高负荷的情况下可能成为潜在的瓶颈。基于量度处理的流量工程不具有可扩展性。当IP网络变得具有更多的链接时，这种机制很难保证对网络某个部分量度的调整不致在网络的其他部分引起问题。基于量度处理的流量工程对于增加的复杂问题提供的是一个跟踪?纠错的解决方式，不是一个很

4、科学的解决方案。IGP的计算是通过拓扑驱动的，它只基于一个简单附加量度，如跳数或某个管理值， 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，可能导致业务不能在网络连接中平均分配，造成部分网络资源未被充分使用。二. IP覆盖型网络在90年代中期，Internet业务量的不断增长要求Internet的网络主干能够支持高于nXEl的速率。这时在交换机和路由器上的STM-1(155Mb/s)速率的ATM接口岀现了。为了获得所需的速率，1点到点连接的网络结构，演变为在网络边缘使用带有STMIP网络被重新设计，从nXE-1速率ATM接口的路由器，在网

5、络核心部分使用具有STM-1或STM -4交换速率的ATM交换机作为中继链路的网络结构，这也就是常说的IPoverATM技术。1 . IP覆盖型网络的运行当IP运行在ATM网络上时， 每个路由器通过一系列经由ATM物理拓扑配置的永久虚电路路由器在ATM网络的边缘环绕。 (PVC )与其他路由器通信。PVC就像逻辑电路一样工作，为边缘路由器提供连接。路由器并不能直接访问PVC的具体物理拓扑信息。路由器对特定PVC的了解就像两个路由器之间的简单的点到点电路。PVC覆盖的物理路径通常通过离线配置计算获得，它使用基于需求的方式，即当阻塞发生时，通过新增一条干线或配置一个新的POP(PointofPre

6、sence)连接来解决问题。PVC路径和特性可以通过使用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联网的整体优化计算后，路径配置将被下载到路由器和ATM交换机以提供其使用。当ATM的PVC被映射到路由器的子端口时， 分离的ATM网络和IP网络相结合。 路由 器子端口与ATM网的PVC互相协调， 通过在PVC中运行IGP以建立对等关系， 并交换路 由信息，使ATM的PVC集成到IP网中去。2 . IPoverATM模型的优点90年代中期，ATM交换机可提供解决IP网络需要更多带宽以应付不断增加的业务负载需求的方案。ATM的PVC提供了当业务通过网络时对其进行明确控制的工

7、具。与早期的路由器相比，ATM交换机提供了更高速率的接口和更高的汇集带宽的能力，因此降低了在网络核心部分因路由器引起瓶颈的潜在的可能性。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进行路由计算将业务分配到所有链路上去，使链路可以被平均使用。另外，由ATM交换机提供的每条PVC的统计信息，简化了监测优化PVC布局及管理的业务参数的过程。3 . IPoverATM模型的局限性基于ATM核心网的一个最根本的局限性是它需要对两个不同的网络进行管理：ATM基础结构网

8、和逻辑的IP覆盖网。在ATM网上运行IP网络，不仅增加了网络的复杂性，而且因为必须管理和协调两个分离网络的运行而加倍了开销。同时， 路由计算和流量工程分别在不同的系统上来完成(路由计算在路由器上执行，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的最新发展。已商品化的最快的ATM路由器接口是STM-4。今天，STM - 16的POS(PacketoverSDH)路由器接口已经实现，但是 STM -16速率的ATM路由器接口在短期内并不会被实现。很快，STM-64(10Gb/s)的POS路由器接口会被推岀，但是STM -6 4的

9、ATM路由器接口可能永远不会商品化，因为在如此高的速率上实现SAR(分割与组装) 功能是非常昂贵和复杂的。SAR在扩展性上的这些局限，意味着当使用IPoverATM模型提高网络的速率时，将必须配置大型ATM交换机和带有大量较低速率ATM接口的路由器。这必将会增加网络的复杂性，同时需付岀巨额开支。IP协议在ATM结构上运行时，将引入信元税的概念。 假设有20 %的ATM消耗用于组帧，分配包尺寸，则对于一个2.488Gb/s的STM- 16的链路，其中的1 .99Gb/s将用于用户数据， 而4 9 8 Mb/s (约一个STM - 4容量)将被用于ATM开销。 当STM -6 4接口岀现时，将近一

10、个完整的STM- 16的容量将为ATM开销占用。一个配置了全闭合ATMPVC的网络将产生传统的“N2”问题。对于一个小型或中型的网络，“N2 "问题并不是一个主要的问题。 但是，对于一个具有数百个路由器的核心IP网络， 这种问题将变得十分突岀。由于“N2”问题的存在，将导致一系列操作上的问题，比如必须要 协调新增的PVC，以使得它们对已有PVC产生最小的影响；巨大数量的PVC可能超岀ATM交换机的配置及实现能力的问题；必须修改核心部分的每一个交换机和路由器的设置问题。配置一个全闭合PVC同样也给路由计算带来新的问题。这种问题表现在需要维护大量的对等关系故障时需处理“N3”的链接状态更

11、新；为一个包含大量逻辑链接的拓扑进行Dijkstra路由计算将非常复杂。三.未来的网络流量工程结构最新的技术发展使Internet骨干网路由器具有以往只 能在ATM交换机上才有的高速链路接口和优良的交换转发性能，使得基于路由器的核心网用一套设备即可实现流量工程的功能，从根本上解决了ATM核心网络模型上述固有的问题和局限 性。为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(MPLS，Multi -ProtocolLabelSwitch )技术。MPLS的流量工程结构包括 4个基本组成部分：包转发单元、信息发布单元、路径选择单元和信令单元。1 包转发单元包转发单元负责引导I

12、P包流按一条预先确定的路径通过网络。这条路径被称作标记交换路径（LSP,LabelSwitchPath）°LSP本质上与ATMPVC相似，即业务从起始路由器按一定方向流向终止路由器的路径。双工业务需要两条LSP,每条LSP用于承载一个方向上的业务。LSP的建立是通过串联一个或多个标记交换路由器（LSR, LabelSwitchRouter） 来完成的，数据包从一个LSR转发到另一个L SR,从而穿过MPLS域。LSR是一个支持MPLS转发的路由器。当起始LSR收到一个IP包后，它为此包加上一个MPLS报头 （即标记，此报头是固定长度的），然后将其转发到LSP上的下一个LSR。 被标记

13、的包被每个LSR沿LSP转发，直至到达LSP的终止处。在那一点上，MPLS报头被去除，包再基于第3层的信息进行转发（如基于IP目的地址）。这个过程中，LSP的物理路径并不为通过IGP选择的到达目的IP地址的最短路径所制约。一般认为MPLS可明显地增强LSR的转发性能。更确切地说是精确查找，例如由MPLS和ATM交换机所提供的固定长度查找，要比由IP路由器提供的最长匹配查找快。但是，最近芯片技术的进步使基于ASIC的路由查询引擎与MPLS或ATM的VPI/VCI查找 引擎运行速度相近。其实，MPLS技术的真正优点在于它提供了路由（即控制）和转发（即转 移数据）间的完全分离。这种分离允许只使用单一

14、的转发算法（MPLS）便可对多种服务和业 务类型进行配置。2信息发布单元MPLS流量工程的计算需要一些有关网络拓扑和网络负荷的动态信息（如最大链接带宽、最小预留带宽、当前带宽预定、当前带宽使用和链接属性等）。这部分信息是通过简单地定义相关的IGP扩展特性（比如IS- IS、OSPF的扩展特性）来实现的，即链接特性可包含在每个路由器的IGP链接状态广播中，通过标准扩散算法发布至IP网络路由域中的所有路由器。MPLS中的每个LSR通过一个特殊的流量工程数据库（TED, TrafficEngineerDatabase） 对网络链接特性和拓扑信息进行管理。 TED专门用于计算LS P通过物理网络时的外

15、在路径， 它与IGP链接状态数据库相独立。 LSR按基于路由器IGP 链接状态数据库中所包含的信息进行传统的最短路径计算。3 路径选择单元在网络链接特性和拓扑信息通过IGP进行扩散并存储到TED中去之后，每个起始LSR可以基于TED计算岀属于它的穿过路由域的一组LSP路径。每个LSP的路径可表示成精确的外在路由或疏松的外在路由。一个外在路由是通过作为LSP物理路径一部分的一系列LSR作预先设置而成的。如果输入LSR确定了LSP中所有的LSR，则LSP被认为是通过精确外在路由确定的 ；如果起始LSR只规定了LSP中的几个LSR，则LSP是 通过疏松的外在路由描述的。 精确和疏松外在路由是允许路由

16、选择处理既能在可能的情况下给予路由路径选择最大的自由度，又可以在需要的情况下给予约束。起始LSR通过对TED中的信息使用约束最短路径优先（CSPF）算法来决定每条LSP的物理路径。CSPF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，最大跳转数，和管理策略需求等）也考虑进去的算法。当 CSPF考虑一条新的LSP的每个备选节点和链接时，它可基于资源的可用性或所选部分是否违反用户策略约束而对特定的路径组成部分接受或拒绝。CSPF计算输岀一个外在路由，该外在路由包含了一组通过网络的最短路径并满足约束的LSR地址。这个外在路由随即传递给信令部分，信令部

17、分在LSP中的LSR建立转发状态。尽管在LSR通过在线CSPF计算确定了LSP,但为了优化全局流量工程，还是需要离线的计划和分析。 在线计算将资源约束考虑进去，每次计算一条LSPo 它的问题是LSP计算的次序会影响LSP的物理路径，早些计算岀的LSP比晚些计算岀的LSP具有更多的有效资源，因为早先计算的LSP消耗了网络资源。如果LSP计算的次序改变，则LSP的物理路径结构也会随之改变。离线的计划和分析则可以同时检验每条链路对于资源约束以及每条输入/输岀LSP的需 求。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，然后为网络选岀一个全局性的最佳方案。离线计算的输岀是一系列优化了网络资源使用的LSPo在离线计算完成后，LSP可以以任何次序建立，因为？樱械乃？邪沧岸际亲裱？湃?钟呕？桨傅墓嬖蚪？械摹?4信令单元因为驻留在起始LSR的TED内关于网络状态的信息在任何时候都是“过期”的，CSPF计算岀的路径只是被认为是可以接受的。只有在LSP被信令部分真正建立之后， 才能知道这条路径是否真正可以工作。负责建立LSP状态和标记分配的信令部分依赖于资源预定协议（RSVP）的一些扩展。RSVP是一个标准的Internet资源预定协议，它能够在MPLS环境中可靠地建立和维护LSP，并且RSVP允许将网络资源明确地预定和分配给一条给定的LSPo