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基于流量平衡的BGP出口选择优化技术的研究

刘亚萍  
【摘要】: 随着Internet技术与应用的快速发展和普及,域间路由以及旨在优化网络资源的流量工程变得越来越重要。由于大型企业和树桩AS(Autonomous System)采用多宿主方式连接Internet的方式越来越普遍,域间出口选择优化问题也成为域间路由协议和域间流量工程的一个研究热点。目前,许多国内外研究机构针对域间出口选择优化技术展开研究工作,并取得了一些有价值的探索性成果。但是域间出口选择优化的模型理论、计算框架、关键技术、实现机制等各方面尚处于起步阶段,新的研究问题不断出现。 本文面向传输AS,展开域间出口选择优化技术的研究。针对当前域间出口选择机制存在的若干不足,提出了基于流量需求的BGP(Border Gateway Protocol)出口选择优化模型BGP-ESOM(BGP Egress Selection Optimization Model Based on Traffic Demand)与基于流量平衡的BGP出口选择优化框架BGP-RCS(BGP Routing Control Service),并对BGP-RCS中的静态优化、动态优化以及动态流量监测等关键技术进行了深入研究,提高了BGP出口选择优化的时间性能、改进了BGP出口选择优化的路由稳定性和流量平衡性。与其它路由优化技术相比,BGP-RCS具有良好的全局优化性、路由优化选择的实时性、出口选择实现的分布式、系统的鲁棒性、BGP协议的修改少等多个优点。本文的主要工作包括: 1. BGP出口选择优化模型与框架的研究:论文分析了域间路由协议和域内路由协议之间存在的相互影响和依赖关系,建立了由BGP出口选择的静态优化和动态优化组成的BGP-ESOM模型,并设计了相应的BGP-RCS框架。该模型表示出BGP出口选择在静态阶段的流量平衡性、在动态阶段随路由、拓扑、流量变化的变化性与鲁棒性以及出口选择的在线实时性。BGP-RCS框架是一个反馈控制系统,主要由BGP出口选择静态优化控制、BGP出口选择动态优化控制、相邻域协商和动态流量监测四部分构成。论文进一步研究了BGP出口选择静态优化算法、BGP出口选择动态优化算法、动态流量监测算法以及BGP-RCS原型系统的设计与实现。 2. BGP出口选择静态优化算法的研究:在BGP-RCS框架中,将静态阶段的BGP出口选择优化问题转换为基于流量需求矩阵的域内IGP(Interior Gateway Protocol)度量的最优设置问题。针对该问题的典型算法存在计算时间长等缺点,本文首先提出BGP出口选择的瓶颈区域预测算法BAF(Bottleneck Area Forecast Algorithm),通过预测瓶颈区域,对静态优化问题进行预处理,减少静态优化算法搜索的空间。在此基础上,提出了静态阶段的BGP出口选择优化算法BGPEOpt(BGP Egress Optimization Algorithm),BGPEOpt算法利用网络拓扑结构中割边的特殊性,减少流量矩阵重新计算的频率;同时利用算法在迭代过程中的中间结果,减少重新计算从一个源节点到其它节点最短路径的时间,从而提高了算法的时间性能。模拟实验结果验证了BGPEOpt算法在时间性能上提高7%~30%。 3. BGP出口选择动态优化算法的研究:针对典型的BGP出口选择动态阶段算法存在参数计算复杂性、相关因素考虑的片面性等缺点,论文分别提出了随负载变化的可调自适应域间出口选择算法ATIE(Adaptive Tunable Interdomain Egress Selection Algorithm)、短暂故障鲁棒的域间出口选择算法RTF_TIE(Tunable Interdomain Egress Selection Algorithm Robust to Transient Link Failures)和基于链路状态的域间出口选择算法BGP-RO-ES(BGP Routing Optimization for Egress Selection Based on Link States)。其中,ATIE算法的基本思想是将典型算法TIE算法的参数简化,重点研究了参数设置与网络负载间的关系,使得参数设置能随负载的变化而改变,从而达到在不同负载下,路由稳定性和流量平衡性之间的不同要求;RTF_TIE算法研究了IP链路故障持续时间与路由稳定性以及流量平衡间的关系,首先定义了路由稳定性以及流量平衡在时间轴上的度量,在此基础上,根据当前网络中IP链路故障大多呈现短暂故障的特点,提出了BGP出口选择在短暂故障下具有鲁棒性;BGP-RO-ES算法综合了ATIE算法和RTF_TIE算法的特点,同时增加了转发一致性代价小等其它网络管理员可定义的约束条件,并为网络管理员提供了基于流量平衡的直接调控手段。模拟实验表明三种动态阶段的算法在路由稳定性、流量平衡性、控制的灵活性和计算复杂性上更优。 4.动态流量监测的研究:基于BGP-RCS框架中动态流量监测的需求,论文提出了便于检测的最大链路利用率的均值偏移和最大链路利用率的均方差偏移两个新的度量,在此基础上给出了静态算法重新计算调度的判定条件。针对传统的流量变化周期性监测中,存在测量对象的大量性和测量频率的频繁性等缺点,本文提出了基于主成分分析的动态流量监测算法PCAD(Principle Component Analysis Detection Algorithm)。PCAD算法采用三段式测量结构,通过主成分分析建立链路流量间的时空相关性,从而控制关键链路选取,有效减少测量的链路个数。模拟实验表明PCAD算法在有效减少测量对象和测量频率的同时,具有较高的检测概率和较小的错误率。 5. BGP-RCS原型系统的设计与实现:基于上述关键技术的研究,本文以NetWatcher网络监控系统为依托,设计并实现了BGP-RCS原型系统,重点阐述了由U剖面、O剖面、M剖面构成的路由控制服务RCS的设计与实现细节,以及在网络中各类典型情况下,对象间的调用关系。 综上所述,本文的工作针对BGP出口选择优化技术中亟待解决的关键问题提出了有效的解决方案,对于推进新型域间路由技术的理论研究和实用化具有一定的理论价值和应用价值。


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