流量工程技术介绍

1高级计算机网络课程讲义TrafficEngineering流量工程技术2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31.概述概念目标方法系统4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”。5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。6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。7流量工程ABCDTrafficengineering是将流量向网络拓扑映射的过程DemandNetworkTopology•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/performance8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9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10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11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:ISPQoS路由–给定flow的QoS要求:客户12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。13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142.集成方法策略路由量度流量工程ECMP152.1策略路由192.1.1.12s0150.1.1.1s1151.1.1.1s0150.1.1.2s1151.1.1.2e0192.1.1.16ABCAccess-list1permit192.1.1.11Access-list2permit192.1.1.12Router-mapmap1permit10Matchipaddress1Setdefaultinterfaceserrial0Router-mapmap1permit20Matchipaddress2Setdefaultinterfaceserrial1152.1.1.1192.1.1.11162.2基于量度的流量工程连接1Metric=1连接4Metric=4连接2Metric=1连接3Metric=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D17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。18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。192.3ECMP：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20OSPF等价多路径示例连接1Metric=1连接4Metric=4连接2Metric=2连接3Metric=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D21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。22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。23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。24算法disruption区3删除：–1/4ofregion2isnowinregion1–1/2(2/4)ofregion3isinregion2,–1/2ofregion3isinregion4，–1/4ofregion4isinregion5.Sinceeachoftheoriginalregionsrepresent1/5oftheflowsdisruption=1/5*(1/4+1/2+1/2+1/4)=3/10.12345124525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。263.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；273.1IP/ATM叠加方法IP/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。28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PVC1PVC1PVC2PVC2PVC3PVC3ATM交换机29A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30IP/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。31IPoverATM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.324.MPLSMPLS概念–Label封装–LSP建立MPLS流量工程设施MPLS流量工程方法33MPLS流量工程优点ＭＰＬＳＦａｓｔＲｅｒｏｕｔｅ–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