1
高级计算机网络课程讲义
Traffic Engineering
流量工程技术
2
内容
z概述
z传统集成方法
–策略路由
–量度流量工程
–ECMP
z传统覆盖型网络
– IP/ATM方法
zMPLS流量工程系统
z光网络流量工程
3
1.概述
z概念
z目标
z方法
z系统
4
传统路由的鱼型问题
z 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。
z 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。
z 从这个例子我们可以发现,路由协议实际上很“傻”。
5
传统路由的弊端
z 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。
z 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。
z 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。
6
流量工程方法
z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。
z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。
z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。
z
7
流量工程
A
B C
D
Traffic engineering 是将流量向网络拓扑映射的过程
Demand
Network
Topology
•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
Traffic engineering key to optimizing cost/performance
8
流量工程方法
z传统集成方法(Integrated)
–策略路由
–量度流量工程
–ECMP
z传统覆盖型网络(Overlay)
– IP/ATM方法
zMPLS的流量工程
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流量工程与网络工程
zNetwork Engineering(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。
– Establishing capacity where the traffic needs it.
zTraffic Engineering
– 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。
Putting traffic where the capacity is。 TE是下一次NE之前
的有效补充措施,业务分布的优化。
zTE 与网络规划的充足容量
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流量工程与流量定向
zTraffic Directing:选择信息服务器
– 根据客户的位置
– 服务器利用率
– 网络性能
z属于应用层功能
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流量工程与QoS路由
z流量工程
– 满足一定约束,包括QoS等:客户/ISP
– 网络利用最优化: ISP
zQoS路由
– 给定flow的QoS要求: 客户
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流量工程的最优化目标
z容量管理(capacity management )
– 容量规划
– 路由控制
– 网络资源管理: link bandwidth, buffer space, computational
resources.
z流量管理(traffic management )
– 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 。
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流量工程的控制行为
z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。
z控制时间尺度
– 容量规划
– 路由控制
– 转发
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2.集成方法
z策略路由
z量度流量工程
zECMP
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策略路由
s0
s1
s0
s1
e0
A BC
Access-list 1 permit
Access-list 2 permit
Router-map map1 permit 10
Match ip address 1
Set default interface serrial 0
Router-map map1 permit 20
Match ip address 2
Set default interface serrial 1
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基于量度的流量工程
连接1
Metric=1
连接4
Metric=4
连接2
Metric=1
连接3
Metric=1
网络 A
网络 C网络 D
网络 B
路由器 A 路由器 B
路由器 C路由器 D
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基于量度设置的流量工程
z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。
z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。
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基于量度设置的流量工程的局限性
z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。
z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。
z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。
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:Equal-Cost Multi-path
zOSPF流量工程 :等价多路径
zBGP流量工程
zRIP也可实现
z关键算法
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OSPF等价多路径示例
连接1
Metric=1
连接4
Metric=4
连接2
Metric=2
连接3
Metric=3
网络 A
网络 C网络 D
网络 B
路由器 A 路由器 B
路由器 C路由器 D
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多路径的影响
zVariable Latencies
– 不同路径时延不同。 Packet 重排序对TCP的影响。
z调试问题
– ping 和 traceroute 更加不可靠。
z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。
z安全
– 多路径使下一跳不确定,网络DoS攻击相对困难。
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主要算法
zround-robin
– 最简单, the least recently used next-hop is chosen.
z Modulo-N Hash
– 对可标识流的报文字段进行操作,例如CRC值。
z 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.。
z Highest Random Weight (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。
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算法评价标准
z性能(performance):运行算法的计算代价。
z平衡(Balancing): 负载均衡。
z偏离( disruption ):next-hop增减受影响的流。
24
算法disruption
z区 3 删除:
– 1/4 of region 2 is now in region 1
– 1/2 (2/4) of region 3 is in region 2,
– 1/2 of region 3 is in region 4 ,
– 1/4 of region 4 is in region 5.
z Since each of the original regions represent 1/5 of the flows
disruption = 1/5*(1/4 + 1/2 + 1/2 + 1/4) =3/10.
1 2 3 4 5
1 2 4 5
25
方法评价:小结
z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。
zlink weight(metric)方法可能与最优解相差较远。
z 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。
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3.传统叠加方法
z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;
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IP/ATM叠加方法
zIP/ATM
– ATM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。
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叠加方法示例
路由器
1
路由器
2
路由器
2
路由器
1
路 由 器
3
路由器
3
第三层逻辑拓扑物理拓扑
PVC
1
PVC
1
PVC
2
PVC
2
PVC
3
PVC
3
ATM
交换
机
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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
30
IP/ATM流量工程优点
z 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。
z 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。
z 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。
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IP over ATM模型的局限性
z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。
z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。
zATM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.最快622M,OC-48难生产。
z配置难以自动更新
z扩展性差
–配置全闭合ATM PVC的网络将产生传统的“N2”问题。
–5 router, 1 router added, 10 PVC created.
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zMPLS概念
–– Label Label 封装封装
– LSP建立
zMPLS流量工程设施
zMPLS流量工程方法
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MPLS流量工程优点
z MPLS Fast Reroute
–在LSP上的节点或链路出现故障时,自动迂回或切换到新的LSP上,保
证网络业务的不中断。在IP over DWDM 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(50 ms)。
z 流量工程(TE)
–通过CR-LDP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。
z 虚拟专网(VPN)
–VPN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。MPLS 由于LSP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。
z IP QoS
–通过对LSP设定有关特性来实现,并和Diff-serv有机结合。
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MPLS 概念
•LDP: Label Distribution Protocol
•LSP: Label Switched Path
入口出口节点之间的路径。
•FEC: Forwarding Equivalence Class
•LSR: Label Switching Router
•LER: Label Edge Router
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(1)Label 封装
ATM FR Ethernet PPP
VPI VCI DLCI “Shim Label”
L2
Label
MPLS intended to be “multi-protocol” below as
well as above.
IP Payload
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下层多样性
Ethernet PPP
(SONET, DS-3 etc.)
ATM Frame
Relay
• MPLS is “multiprotocol” below (link layer) as well as above (network layer)
• Provides for consistent operations, engineering across multiple technologies
MPLS positioned as end-to-end forwarding paradigm
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(2)MPLS Domain
Ingress
LSR
MPLS Domain
Core
LSRs
Egress
LSR
LSP
Congested link
Uncongested link
出口进行标准IP转发
入口加标记
38
(3)Forwarding Equivalence Classes
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 (. L3 look-
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
IP1
IP2
IP1
IP2
LSRLSR
LER LER
LSP
IP1 #L1
IP2 #L1
IP1 #L2
IP2 #L2
IP1 #L3
IP2 #L3
39
STANDARD IP 转发
1
2
3
1
2
3
1
2
3
• Destination based forwarding tables as built by OSPF, IS-IS, RIP, etc.
40
逐跳IP转发
IP
1
2
3
1
2
1
2
3
IP
IP
IP
41
#216
#612
#5
#311
#14
#99
#963
#462
- 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。
#963
#14
#99
#311
#311
#311
(4)LABEL SWITCHED PATH
42
MPLS 标签发布
1
2
3
1
2
1
2
3
3
Mapping:
Request:
Map
ping
:
0
Req
uest
: 47.
1
43
标签交换路径 (LSP)
1
2
3
1
2
1
2
3
3
IP
IP
44
#216
#14
#462
ER( Explicit Routing) 建立 LSP 是一种 source routed.
MPLS ER并不要求每个报文携带路由,TE有效。
#972
#14 #972
A
B
C
Route=
{A,B,C}
显式路由LSP:ER-LSP
45
1
2
3
1
2
1
2
3
3
IP
IP
显式路由LSP:ER-LSP
46
叠加模型与集成模型
•流量工程
•光网络
47
叠加模型
路由器
1
路由器
2
路由器
2
路由器
1
路 由 器
3
路由器
3
第三层逻辑拓扑物理拓扑
PVC
1
PVC
1
PVC
2
PVC
2
PVC
3
PVC
3
ATM
交换
机
48
集成模型
Ingress
LSR
MPLS Domain
Core
LSRs
Egress
LSR
LSP
Congested link
Uncongested link
出口进行标准IP转发
入口加标记
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Overlay vs. Integrated
zOverlay
– ATM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。
z 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。
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客户-服务者(Overlay)模型
路由器网络
路由器网络
端到端路由
光网络
光通路
网络
NNI:网络到网络接口
OXC:光交叉连接
UNI:用户到网络接口
光层具有智能,能够控制光通道,网络由良好规范接口
的子网组成。
光子网
光子网
光子网
UNIUNI
光网络路由
51
对等(peer)模型
路由器网络 路由器网络
路由器网络
端到端路由:
(标记交换路由)
光交叉连接:
路由器的一种
类型
IP路由器控制所有的端到端通道,包括光通道。
光网络路由
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与流量工程
zMPLS概念
–– Label Label 封装封装
– LSP建立
zMPLS流量工程设施
zMPLS流量工程方法
53
Traffic Trunk
zLSP内部的同类聚合流。
z流量主干向LSP映射称为实例化。
z可以从一个LSP转移到其他LSP。
z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.
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MPLS流量工程基本问题
z 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。
z 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。
z 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
55
MPLS流量工程设施
z路由:Explicit Routing(ER-LSP)
z路由:Enhanced OSPF/IS-IS/BGP
– 增加 LSA types 传递流量工程信息
– Extra metrics
– 路由计算方法修改
– 提供信息,构造TE拓扑。
z信令
– 协议:TE-RSVP , CR-LDP
56
1) 了解链路属性的拓扑数据库.
2) 标记分发协议
z
{a,b,c}
ANSWER: OSPF/ISIS + attribs{a,b,c}
zmyx
ANSWER: LDP + Explicit Route{x,y,m,z}
z
{a,b,c}
MPLS流量工程设施
57
流量工程信息
z 节点TE参数
– 对流量设置优先级 traffic prioritization,
– 配置接口端口 ability to provision bandwidth on interfaces,
– 支持 CSPF算法
– 对 automatic protection switching 的支持等。
z 链路TE参数
– 可用带宽
– 可靠性
– color assigned to the link,
– 带宽使用代价
– Shared Risk Link Group (SRLG) 的成员关系等
z 数据结构
– TE-LSA
– TE-LSDB 由 TE nodes 和 TE links组成
58
基于约束的路由计算(1)
zConstrained-based routing
–CSPF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。
z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。
59
基于约束的路由计算(2)
z 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。
60
TE-RSVP/CR-LDP支持MPLS流量工程
z标记请求、映射和管理
zQoS and Traffic Parameters
– 作为 opaque data 传递给流量管理单元
zFailure Notification
– LSP建立失败或LSP发生故障时发送故障通知
zFailure Recovery
– 在数据传输中断前重新路由(make before break )
zPath Re-optimization
– 基于流量模式和网络状态
zPath Preemption
– 终止现存LSP,以便建立更高优先级隧道
61
USE: (links with sufficient resources)
AND (links of type “someColor”)
AND (links that have delay less than 200 ms)
&&
=
CR-LDP
62
示例
63
示例
z configure terminal interface tunnel1
– tunnel destination
– mpls traffic-eng path-option 1 dynamic
z interface tunnel2
– tunnel destination
– tunnel mpls traffic-eng path-option 1 explicit
identifier 1
z configure terminal ip explicit-path identifier 1
– next-address
– next-address
– next-address
– next-address
64
示例
65
LSP强占
43
2 5
1 6
traffic trunk( “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 preemptor enabled; (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。
10M LSP
10M free
10M free
20M LSP?
10M LSP
20M LSP
0M free
0M free
66
MATE: Multipath Adaptive Traffic Engineering
z已在Ingree Node和Egress Node之间建立多个LSP
zIngree Node的任务:将流量向多个LSP映射,实
现负载平衡,避免拥塞。
入口路由器 出口路由器
I1
I2
E1
E2
67
Filtering
Distribution
Incoming Packets Traffic
Engineering
LSP1
LSP2
LSP3
LSPsMeasurement
and
Analysis
Probe
Packets
–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
68
模型
分割流量,代价最小化分割流量,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。
69
路由计算模式
z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。
z在线方式
– 路由计算模块只为新需求计算最佳路由,当前需求下的路由并不会
被调整。
– 在线方式的资源利用率没有离线方式高,但现有业务流的重新路由
率却被降到最低。
–LSP计算的次序:早些计算出的LSP比晚些计算出的LSP具有更多的有
效资源,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。
z结合使用
– 在网络繁忙时,新的路由需求可以采用增量方式建立。
– 当网络不太繁忙时,再用离线方式对所有需求做全面的重新优化。
70
流量工程系统分类
zTime-Dependent
– 基于历史信息,周期性进行调整,例如每天一次 。
zState-Dependent
– 基于网络的当前状态。例如CBR负载平衡算法。 网
络状态包括带宽利用率,报文时延,丢包率等。
– 状态信息获取方式:
– 路由器周期宣告,或者响应请求。
– 进行流量工程的某特殊路由器沿着某条路径发送
probe 报文。
– 管理系统从网元搜集信息。
zEvent Dependent
71
流量工程与TCP的交互:有冲突
z高层应用是基于TCP拥塞控制机制的
– 基于TCP协议的应用是一种弹性业务,TCP协议会根据网络的
拥塞情况,动态调整发送数据包的速率,以适应网络的拥塞
情况:如果判断网络发生拥塞,则快速降低发送速率;否则
缓慢发送速率。
z低层启用MPLS流量工程
– 高层的TCP和低层的MPLS都会对拥塞做出反应,无论是TCP还
是MPLS流量工程都已经很难对路径是否“过载”做出比较准确
的判断了。
– 还有一个问题是,如果流量工程选择了另一条LSP,则可能会
因为路径的改变而导致TCP重排序的可能性的增加,严重降低
TCP的效率。
72
6.光网络流量工程
zMPLambdaS 将 MPLS 控制平面与WDM 传输
平面结合起来。
zGMPLS:Generalized MPLS
73
多粒度复用、交换和业务提供
装载1个波长的光纤
如:OC-192 波长频带
如:每频带4个波长
光纤,如:每
光纤8个频带
光纤束
74
GMPLS中各种粒度的LSP
75
光标记交换
以l 作为标记进行发布。
1 2 … n
Routing
Control
Fabric
1 2 … n
1 2 … n
1 2 … n
Optical Label Switch
21
76
MPLS ® MP l S ® GMPLS
•在 LERa和LERc 之间的LSP = {Lab_9, Lab_1, Lab_6, Lab_3}.
•OXCa和 OXCc之间的光通道={l l1 , l l5 , l l4 , l l2 }.
• MP l L : 增强MPLS,控制和管理 OXC.
• GMPLS: 扩展 MPLS 的概念 (., label),控制和管理其他网络 (., SDH, WDM, OXC)
77
欢迎指正