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流量工程技术 | ||||
黄想亮 | ||||
| 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。 一．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于Ｅ１（２０４８ｋｂ／ｓ）的链路将路由器互连而组成的。当Ｉｎｔｅｒｎｅｔ开始爆发性增长后，单条网络链接的带宽已经难以满足业务发展的需要，为了能够提供更高的带宽，网络需要更多的链接。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，Ｉｎｔｅｒｎｅｔ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出它的局限性。 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ｎ×Ｅ１的速率。这时在交换机和路由器上的ＳＴＭ-１（１５５Ｍｂ／ｓ）速率的ＡＴＭ接口出现了。为了获得所需的速率，ＩＰ网络被重新设计，从ｎ×Ｅ１点到点连接的网络结构，演变为在网络边缘使用带有ＳＴＭ-１速率ＡＴＭ接口的路由器，在网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，路由器在ＡＴＭ网络的边缘环绕。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(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（ＰｏｉｎｔｏｆＰｒｅｓｅｎｃｅ）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路由器接口会被推出，但是ＳＴＭ-６４的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，同时需付出巨额开支。 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４９８Ｍｂ／ｓ(约一个ＳＴＭ-４容量)将被用于ＡＴＭ开销。当ＳＴＭ-６４接口出现时，将近一个完整的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出。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可能超出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ＩＰ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ＬＳＲ，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ＬＳＰ通过物理网络时的外在路径，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计算出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计算输出一个外在路由，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ＬＳＰ。它的问题是ＬＳＰ计算的次序会影响ＬＳＰ的物理路径，早些计算出的ＬＳＰ比晚些计算出的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／输出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计算出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ＬＳＰ。 | ||||
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