通 信 技 术 政 策 研 究 2003年 4月 第 2期
Intemet流量工程及其发展趋势
程 胜 丁 炜
摘 要 Intemet流量工程是近年来互联网理论研究和实际应用的一个重要方
向，主要研究 IP网络的测量、建模 、控制和优化问题 ，其目的是经济有效地利用现有
网络资源，提供有容量规划和 QoS保证的 IP网络服务。本文介绍了 Intem~流量工
程的原理和应用，分析了其未来发展趋势。
关键词 流量工程 MPLS 区分服务 综合服务
一
、引 言
近 1 0年来，Internet的飞速发展，使得这个当初为科研和试验建
立的网络平台，逐渐成为国民经济中与铁路、航空和电力网等具有同
等重要地位的国家基础设施。长期以来，Internet上无比丰富的网络
资源及接入的公平性和尽力服务的原则为其赢得了数以千万计的用
户，并获得广泛的关注和巨额的资金，互联 网浪潮席卷全球。然而，这
股浪潮上方也弥漫着一片乌云。
Internet的商业化步伐还十分缓慢。人们对 Interne t有一个美
好的理想，那就是将 网络资源公平地分配给每个用户，并且尽力提供
服务。因此，人们开始呼吁 Interne t尽快商业化。所谓商业化，就是要
打破原有的公平性和尽力服务原则，有区别地对待不同的用户，根据
用户的要求配置网络资源，提供不同级别的服务质量(Qua li ty of Ser
Vi c e；QoS)，从而合理有效地利用 Int ernet，同时也可以为 Int ernet的
程 胜 北京邮电大学博士研究生
丁 炜 北京邮电大学教授 ，博士生导师
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第 2期 程胜 丁炜 Intemet流量-r程及其发展趋势
数据网络的性能优化最早开始于 ARPAIqET的出现。从流量管理的
观点看，Internet迄今都是一个尽力服务的网络。IP网络提供了非常
有限的流量管理功能。从路由控制的观点看，尽管 Internet为域内路
由开发 了分布式协议，而且这些协议具备可扩展性，但是它们是基于
简单的路径选择算法，只能非常有限地对路径选择过程进行控制。
(1)ARPANET中的自适应路由
早期的最小延时路由是通过一条路径将每个数据包传送到其 目
的地，这条路径上总的估计传输时间最短。每个节点各维护一张网络
延时表，指示数据包通过给定路径到达其 目的地所要经过 的估计延
时。最小延时表 由节点周期性地传输到其邻节点。最短路径，也就是跳
数，作为连接信息传送。这种方法的缺点是，动态链路度量可能会产生
一 个“流量磁场”，使得网络拥塞从一个节点转移到另一个节点，从而
导致网络的振荡和不稳定。
(2)Internet中的路 由算法
Internet是从 APARNET网络发展而来的，采用分布式控制的动态
路 由算法，用来确定数据包通往其 目的地的路径。路由算法是最短路
径算法的改进，最短路径算法的费用主要基于链路度量值。这些路 由
算法在进行路由选择时没有考虑流量特性和容量约束，即使链路度量
值根据流量值来指定，网络中的负载不平衡的现象仍然会出现。
传统 Internet的内部网关路由系统存在不足之处，是促使人们
热衷于研究面向连接技术的原因。这类技术具有显式路由和基于约束
的路由的能力，比如MPLS技术。
(3)TOS路 由
服务类型(ToS)路由可根据 IP数据包的ToS字段独立地选择去
往相同目的地的不同路由。ToS的类型可以分成低延时和高吞吐量两
种。每条链路都有相应的多个链路费用，映射到不同的ToS上。最短路
径算法必须计算每个 ToS的结果，传统的基于 ToS的路 由现在已经过
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时了，其 IP包头的字段被 Diffs erv字段所取代。流量工程很难在经
典的基于ToS的路由中应用，因为每个分类都独立地根据最短路径算
法计算，从而导致网络中的流量集中到本地。
(4)平等费用多径选择
平等费用多径选择(ECMP)是 内部 网关路 由系统 中用来解决最短
路径优先(SPF)算法不足之处的另一项技术。在传统的 SPF算法中，如
果到某个 目的地存在两条或多条最短路径，可选择其中的任意一条。
ECMP算法对此进行了简单的修改，即若两个节点之间存在两条或多条
具有同等费用的最短路径，将节点之间的流量平均分配到多条平等费
用路径上，可实现负载的合理分配。
(5)猎人路 由协议 Nimrod
Nimrod是一个路由系统，用来在 Internet中向不同种类的服务
提供特定路由，同时考虑了多种约束条件。尽管 Nimrod协议并没有在
Int ernet中得以广泛应用，但是 Nimrod体系结构提 出了一个关键的
概念—— 显式路由技术，从而开始 了基于约束的显式路 由技术的发展
和应用。
3．IP／ATM 模型下的流量工程
ATM技术是为了实现 B—ISDN而提出的一种面向连接的技术，它集
中了电路交换和分组交换的特点，其 5 3字节的固定分组长度，一方面
可以提供高速数据交换，另一方面也为实现网络的流量控制、带宽分
配、QoS保证提供了良好的前提。ATM技术一度被认为是建立宽带数据
骨干网的主流技术。
IP与ATM技术的结合为 Internet流量工程的实现提供 了一个非
常有益的借鉴。ATM处于第二层，可以提供有 QoS保证的数据交换通
道。IP处于第三层，可以提供网络层的选路功能。将 IP数据包映射为
ATM信元，在 ATM网络中很容易实现业务分类、整形、带宽分配、流量控
制等功能，为用户提供具有 QoS保证的服务。事实上，ATM的虚连接就
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以与多种信令协议和路 由协议相结合 ，比如 ATM／FR信令、PPP信令 、
RSVP信令 、LDP／CR—LDP信令 、OSPF／CSPF路 由协议、RIP路 由协议等
等。MPLS在信令和路 由协议上的灵活性，使得它可以支持多种网络层
技术，将网络层与数据链路层隔离，并且可以确保多种网络的互联互
通，使得各种不同的网络传输技术在同一个 MPLS网络平台上统一起
来。
四、流量工程的研究领域
1．集成服务(Intserv)
IETF集成服务工作组开发了集成服务模型。这个模型要求：对于
给定的业务流，需要优先考虑资源问题，比如带宽和缓冲区，从而确保
满足业务流所要求的服务质量。集成服务模型使用尽力传送模型之外
的其它一些组件，比如分组分类器、分组调度器和接纳控制。分组分类
器用于标识要接受特定服务等级的数据流。分组调度器用来处理不同
数据流的服务调度，以满足给定的QoS承诺。接纳控制用来确定路由
器是否有足够的资源接收一个新的数据流。
集成服务模型定义 了两种服务，即可保障的服务和可控负载服
务。可保障服务可用于有分组传输时间限制的应用。对于这种应用类
型，在预先定义好的时间之后传递给应用程序的数据通常被认为是没
有意义的数据。因此，保障服务的目的在于，根据数据流的端到端分组
延时提供严格的定量值。可控负载服务可以用于具有适应性的应用，
这些应用可以容忍一些延时，但是对流量过载情况十分敏感。这种类
型的应用通常在 网络负载小的时候提供满意的服务，但在网络负载加
重的情况下其性能将显著降低。因此，可控负载服务用于在负载较小
的网络中提供类似于尽力传送服务的业务。
集成服务模型的一个著名的特性，是要求具备满足从终端系统到
路由器显式QoS要求的信令。资源预留协议(Resource Reserva t i on
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Protoca l，RSVP)具备这项信令功能，是集成服务模型的一个重要组成
单元。
2．资源预留协议(RSVP)
RSVP是一个软件状态信令协议。它可以为组播和单播流在接收端
建立资源预 留。RSVP最初是作为集成服务框架内的信令协议开发的，
用于将 QoS要求发送到网络，并由网络预 留相关资源来满足 QoS要
求。
RSVP协议在应用中面临的问题在于它的可扩展性。这是因为微数
据流也要求预 留资源，因此网络单元维护的大量状态信息随着微数据
流的数量线性增加。当前，RSVP经过了修改，并且在很多方面进行了扩
充，从而减轻了可扩展性的问题。该协议成为 Internet的通用信令协
议。例如，RSVP已经扩展为流的集合预 留资源、设置 MPLS显式标记交
换路径，以及执行 I nterne t内的其它信令功能。还有很多建议用于减
少维护建立的RSVP会话所需的刷新消息的数量。
3．区分服务(Diffserv)
IETF制定的区分服务 (Di fferent i a ted Servi ce，Di ffserv)的
目的是将流量根据行为进行分类，并对每种行为集合进行不同的处
理，尤其是在链路带宽和缓冲区空间等资源缺乏的时候。研究Di ff—
serv的一个主要原因是为了对 Internet中不同的数据包进行区别处
理，从而减少 Int serv模型带来的可扩展性问题。
IETF Diffserv工作组在 工P包头中定义了一个区分服务字段(DS
字段)。DS字段由6个比特组成，以前被称为 TOS字节。DS字段用来决
定对节点接收到的数据包进行转发处理。Di ffserv工作组对一些逐跳
行为(Per—Hop Behavior，PHB)组进行了标准化。PHB可以使用不同的
分类、监测、整形和调度规则对几种类型的业务进行定义。
对于希望 Internet服务提供商(工SP)提供 区分服务 的终端用户
来说，必须与 I SP签订服务级别协定(SLA)。SLA将显式或隐含地制定
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将该链路上的流量转移到资源丰富的链路上，同时不影响其它链路的
正常运转，并尽可能减少网络拓扑结构的改变。面向连接的MPLS技术
恰恰具有这方面的优势。因此，基于MPLS的显式路由控制技术具有良
好的应用前景。
2．流量映射机制
流量映射也就是根据特定的要求将流量负载分配到预先建立的
路径上。这样，基于约束的路由协议可用来选择路径，而流量映射则用
来在建立的路径上分配流量。流量映射策略可以按照时间相关和状态
相关机制来执行。通常，流量映射的目的是协调网络资源的配置，最大
化网络资源利用率，最小化 络拥塞。根据网络测量学来确立流量映
射机制也是将来 Internet流量工程研究的一个重要方面。
3．网络生存性
‘ 网络生存性是指网络在可能或者 已经 出现故障时，保证网络能够
持续服务的能力。这种能力体现在两个方面，一方面是预测能力，流量
工程控制系统必须能够采取一些预防措施来消除可预见的网络故障，
同时采取正确的操作，将故障对网络可能产生的影响降低到最低 限
度。另一方面是反应能力，即在故障发生之后，控制系统必须正确反映
和适应网络中已经发生的故障，尽快恢复网络的正常运行。
MPLS技术是面向路径的，与传统的采用逐跳路由的 IP系统相比，
它具备更快的保护和恢复功能。MPLS网络的保护类型可以分成链路保
护、节点保护、路径保护和分段保护。
4．域间流量工程
目前，BGP4是 Internet的标准外部网关协议。BGP提供了很多流
量工程的属性和功能(例如，路由过滤)，而且允许在 Int ernet的 自治
系统之间控制路 由信息和数据交换。BGP通过一系列决策过程来计算
各种路由到给定 目标 网络的优选程度。对于使用 BGP的域间流量工
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