Traffic Engineering with Traditional IP Routing Protocols

传统IP路由协议中的流量工程

 

在这篇论文中，作者主要介绍了什么是流量工程，以及流量工程在网络中的应用。流量工程就是使路由适应网络状况，同时提供好的用户表现和高效的网路资源利用。作者在文中介绍了一种域内流量工程的优化方法，此方法可以在已部署的内部网关协议中应用，例如OSPF(Open Shortest Path First开放最短路径优先路由协议)和IS-IS(Intermediate System - IntermediateSystem中间系统到中间系统的路由选择协议)。文中研究表明传统的最短路径路由协议在大型IP网路的工程化中是相当有效的。

 

在引言中，作者分析了传统IP网络的优点和缺点：在某些情况下，IP网络具有很强的自适应性。例如，主机可以使用TCP(Transmission Control Protocol传输控制协议)来调整发送速率来适应网络带宽，路由器可以通过计算新的路由来适应网络上的拓扑变化。但是，这些机制并不能保证传统IP网络足够高效。例如，某条链路拥塞时其他链路可能处于空闲状态，IP电话在低延迟路由存在的情况下可能选择高延迟的网络传输。这时，为了提高用户表现和网络资源利用率，就需要用到流量工程。此文中，主要专注于单个自治系统中的流量工程，例如某个公司、校园或ISP内。

 

随后作者简单介绍了OSPF的工作原理，并指出，传统的最短路径路由协议

不能充分支持流量工程。例如，现在OSPF和IS-IS协议中的链路权重，就无法在流量变化或网络失败时自动调整，并且路径选择过程并不包含任何性能目标参数。但是，可以在传统OSPF或IS-IS协议中选择对流量波动有弹性的静态链路权重，而不必对路由器进行改动，来使传统协议更好的支持流量工程。

下面列举了一个实例，来说明通过权重配置来优化流量分布：

 

 

图 1

 

图一说明了如何通过调整IGP链路权重来控制网络中的流量分布。此模型中，节点q,r,s,w都有1单元的流量要传送到节点t，这个模型中的性能目标就是要最小化最大链路负载。

1）最左边的图中是原始权重配置，q,r,s到u的链路权重都是1，这导致链路(u,t)上有3单元的负载。

2）中间图中，将链路(u,t)的权重改为2，这样就在q,r,s和t之间形成了两条最短路径，一条是经过u，一条是经过v。这导致链路(w,t)上有2.5单元的流量。

3）最右边的图中是考虑全局最优的权重配置。考虑到既然最多有4单元的流量道道节点t，那么最优结果就是节点t的每条入边有2单元的流量。按图中所示配置链路权重，则可达到最优。

由此可见，只需要通过改变链路权重就可以减少链路拥塞，而不需要部署额外的带宽。

 

随后，作者继续强调在已有的网络框架下就可以进行流量工程上的优化，这里描述的框架有两个核心特点：

1）集中设置路由参数：基于全网拓扑和流量视图来设置路由参数具有如下优点：

   ①协议稳定：只有在全局网络拓扑改变的情况下路由才改变。

   ②协议开销低：路由器不需要追踪负载变化和分发新链路状态。

   ③多种性能参数。

2）利用链路权重来驱动路径选择过程。具有如下优点：

   ①兼容传统最短路径IGP协议。

   ②表达形式简单。

   ③具有合理的默认配置和备份。

 

本文中的流量工程方法有三个主要步骤——测量，建模，控制，如图2所示：

图2

首先，操作者需要测量网络拓扑和流量，测量数据对于后续操作是必不可少的。然后，建立模型，预测IGP配置对流量的影响。最后，通过系统或人工操作来改变IGP配置。

 

 

量化性能分析：作者的性能目标就是要保持链路的最大利用率在100%以下，或者更好的，在60%以下。在进行性能分析的时候，我们需要和最优路由OPT进行对比，从而得知自己的模型的优劣。

1）在固定拓扑和流量要求中。

经分析得知，在图1所示的模型中，最右边图中的链路权重配置方法把最大利用率控制在100%，已经达到最优路由OPT，虽然这并不能说明在所有情况下OPT都是可以通过权重配置来达到的。因为我们可以很容易的构建出一个无法通过权重配置来达到OPT的例子，但这些例子往往都是人为设置的，实际情况中可能并不存在。通过大量的实验证明，通过优化的IGP权重配置可以达到或近乎达到OPT。

2）在变化的流量要求中。

在流量动态变化的网络中，情况变得更加复杂，IGP权重配置必需足够健壮来适应流量和拓扑的变化。比如，在白天和夜晚网络中的拓扑结构是不同的，但是，作者通过实验发现，可以找到一个通用于白天和夜晚的权重配置，使得其在两者中都表现优秀。

 

总结：

像OSPF和IS-IS这些域内路由协议已在网络中大规模部署，此文中描述的方法可以工程化网络中的流量，通过设置最优化的链路权重，并据此配置路由信息，可以实现最优的流量管理。此种方法的最大特点就是只需对传统网络进行配置，而不需要对硬件或路由协议的修改。

 

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