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MPLS及IP网络流量工程的研究

王华  
【摘要】: 随着信息技术的快速发展,计算机网络的广泛使用,网络信息高度膨胀。网络设备的升级速度远远赶不上信息的增长速度,因此网络传输过程中出现了大量的拥塞。与此同时由于网络设计的不合理,或者说由于传统IP网络的固有缺点,许多网络链路和网络设备没有得到充分的利用,也是造成网络拥塞的一个主要原因。如何提高网络资源的利用率,提高网络的整体性能,这是当前网络发展中急需解决的问题,也是流量工程解决的问题。本文对提高网络性能的多个有意义的课题进行了深入研究。 我们认为进行流量工程研究主要有两个原因:1)更有效地利用网络设备可以得到明显的经济效益;2)随着MPLS(Multiprotocol Label Switching)的出现,使得在传统IP网络中提供面向连接的服务成为可能。 在流量工程的研究中,MPLS所提供的最大的优点是能够将IP分组路由到一条标签交换路径LSP(Label Switched Paths)上。一对源-目的地址之间可以建立多条(包括一条)不同的LSP,每条LSP的路由可以独立指定。另外,MPLS可以分割整体的数据流为不同的可路由子集(FECs),每一FEC都可以路由到多条路径上(LSPs)以达到优化的目的。 本文的研究目标是提出一系列基于MPLS以及传统IP上流量工程的解决方案,这些方案的目标就是最大化地提高网络资源的利用率,或者是满足某些特定的条件约束下流量的最优负载平衡。本文的理论基础是现代网络优化理论,其中包括图论、最优化方法、运筹学、离散数学及代数结构学。它所采用的计算机技术主要是IP网络上的MPLS技术, 本文首先对流量工程给出了一个全面的数学定义,将网络的拓扑、流量、需求、路由、网络状态等问题抽象为数学问题。其次,本文从流量工程的角度分析了目前IP网络的体系结构的几个主要的缺点,从流量工程的角度总结了MPLS的背景知识和体系结构,并归纳了使用MPLS实现流量工程的关键技术。然后介绍了流量工程的沿革与目前的研究,分析了传统IP路由、QoS路由方面的研究过程,汇总了目前MPLS流量工程问题的最新研究成果。本文还概括了网络优化的相关理论,阐述了可用于流量工程和基于约束路由的优化方法,按照目标函数、决策变量和约束条件分类,提出了几种不同类型的优化问题及解决方法,就典型的网络优化问题进行了归纳总结。 在改善网络流量传输的研究上本文独立提出了若干优化方法。即:1)MPLS网络最大流传输问题,包括基于弧的最大流解决方案、基于路径的最大流解决方案,分流与不分流的最大流处理方法以及多源多汇最大流解决方案;2)最大可靠性传输问 摘要 博士论文 题:3)基于弧的求解流量负载平衡问题的线性规划方法;4)基于路径的流量负载平 衡方法以及其他负载均衡问题;5)在MPLS路径保护的思想和方法的基础上,提出 了基于MPLS的若干新的路径保护方法,即N一t。一1、N一t。一M的不分流、分流和区分 服务的保护方法,并给出了部分仿真结果,同时提出了一种新的用于N一t小M路径保 护的数学规划方法。6)基于作者所负责的省级科研项目,实现了一个网络应用层的 流量负载平衡方案,本文概括介绍了该课题的设计思想和实施方法。


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