基于TeXCP的多路径流量工程协议

第44卷第4期 Vol.44 No. 4计算机工程Computer Engineering2018年4月April 2018•移动互联与通信技术•文章编号：1000-3428(2018)04-0149-05文献标志码：A中图分类号：TP391.4基于TeXCP的多路径流量工程协议杨映，吴兆峰，胡谷雨(解放军理工大学指挥信息系统学院网络工程教研中心，南京210007)摘要：为适应实时的网络流量需求，并及时发现网络故障，基于经典的在线分布式流量工程协议TeXCP,提出多 路流量工程协议（MTE)。

该协议包括链路代价收集和链路发送概率调整2个模块，分别对应于TeXCP中的路径 探测和负载均衡模块，使用非可加和的路径最大链路利用率作为路径代价，修改并简化TeXCP的稳定性机制。

理 论和仿真实验结果证明，MTE能够收敛到网络流量的均衡状态，稳定性更好。

关键词：流量工程；多路径路由；非加和路径代价；网络稳定性机制；均衡中文引用格式：杨呋，吴兆峰，胡谷雨.基于TeXCP的多路径流量工程协议[J].计算机工程，2018,44(4) :149-153.英文引用格式：YANG Yi，WU Zhaofeng，HU Guyu. Multi-path Traffic Engineering Protocol Based on TeXCP [J]. Computer Engineering ,2018 ,44(4) ： 149-153.Multi-path Traffic Engineering Protocol Based on TeXCPYANG Yi,WU Zhaofeng,HU Guyu(Network Engineering Teaching and Research Center,College of Command Information Systems,PLA Universtiy of Science and Technology,Nanjing 210007,China)[A b stra c t] In order to adapt to the real-time network traffic dem and,and find the network fault in tim e,based on classic online distributed traffic engineering protocol TeXCP, this paper proposes M ulti-path Traffic Engineering ( M T E) protocol. The protocol consists of the link cost collection module and link transmission probability adjustment m odule, which corresponds path detection module and load balance module of TeXCP respectively. It adopts the non-additive path maximum utilization rate as the path cost. The stability mechanism of TeXCP is modified and simplified. The results of theory and simulation prove that M TE can converge to the equilibrium state of network traffic,and the stability is better. [K ey w ords] traffic engineering;m ulti-path routing;non-additive path cost;netw ork stability m echanism;equilibriaD O I：10.3969/j. issn. 1000-3428.2018.04.024〇概述流量工程是当前因特网服务提供商提升网络性 能的重要方法，学术界和工业界对该研究领域进行 了大量的探索。

流量工程问题可以形式化为网络链 路最大链路率的最小化问题，这允许因特网服务提 供商实现流量均衡、避免节点过热和单点故障的优 化目的。

流量工程方法通过观测网络流量的变化规 律来优化路由配置，达到通过在相同网络流量需求 下保持较低的网络利用率的目的。

近年来流量工程方法上的研究取得了突出进 展[14]，其中离线方法中以最短路径权重优化（OSPF-T E)[5]和M P L S多商品流优化[6]为代表，使用纯 Dijstra方法达到了显著降低网络最大利用率的效果。

但是，离线的流量工程算法提前计算路由的方式不能 很好地适应实时的网络流量需求，而且对网络故障的发现和处理不能达到最优化的效果。

目前网络技术的飞速发展以及流量实时动态的 发展需求使得实时的流量工程方法受到了越来越多 的研究人员的关注，其中在线分布式的流量工程协 议T e X C P m就是该领域的重要方法。

T e X C P协议 采用了多路径标记交换的机制，在网络中构造通信 节点的路径，并将流量在多条路径上进行分配[8]。

T e X C P的流量均衡模块根据最小化网络最大利用率 的目标将流量负载在所有路径上进行分配，并且采 用了闭环的反馈控制器用于保证链路利用率的稳定 性。

流量工程问题从理论上可以抽象为多商品流 (Multi Commodity Flow,M C F)问题，TeXCP 并不能 保证能够收敛到M C F问题的最优解，但T e X C P优 化网络路由的性能非常出色。

T e X C P协议中的流量 均衡流程，即对路径对应的发送概率的更新同文献[7 ]中的一致，该更新流程被证明能够收敛到作者简介：杨呋（1994一），女，硕士研究生，主研方向为卫星网络；吴兆峰，助理工程师、博士；胡谷雨，教授、博士生导师。

收稿日期：2016-11-24 修回日期：2017-04-20 E-m ail： 1448973739@ qq. com150计算机1程2018 年 4 月 15 日.Wardrop均衡[s'T e X C P与文賦[10 ]的重要差别 主要有以下2点：1)T e X C P采用基于路径的发送方 式，不同子文献D0]中跳到跳的发送方式;2)在流量 均衡的方式上，T e X C P采用了非可加和的路径最大 链路利用率作为路径的代价，而文献[11]采用可加 和的链路时延作为路径的代价e R E P L E X™周样是 —个_于跳到跳传输的流童■均衡协议，弁且采用非 可加和的最大链路利用率怍为路径的代价,但该协 议的支撑理论实际JL采用了可加和的链路代价[8\综上可知，闻现有的研究相比，T e X C P确保网络 链路利用率的稳定性机制较为复杂.此外，TeXCP 在流量均衡机制U：缺少宠善的理论上的支撑■:因此，本文提出并评估基于T e X C P的爲有稳定性特征 的多路径路由流量±程协议（Multi-patli Traffic Engineering，M T E)D M T E 和 TeXCP 量大的不同在: f,M T E修改了 T e X C P的流焉稳定流程，证明了将 非可加和的最太链路利用率作为路径代价的可行 性，并且有更为简单的链路稳定性机制.本文采用利亚普诺夫直接法明M T E能够收敛到稳定 状态，通过你真验钲其稳定性s1网络模型假设网络拓扑可用G = (V，E)表示，其中，V是 网络中节点的集含，而万表示网络中有向边的集含:。

每条有向边都有一个正的、连续并嚴非减的 代价函数以:汉+4汉+1—将从节点&到节点 < 的通 信定义为商品，'e/=丨1，2，"V4,则网络中商品的 集合可以用/来表示，因此每个商品/可以用有序的 源-S的对< \, 4 > e V x V来表示[n a5]对予任 袁商品/e/■，/),,是从源端发送到目的端的商品容'焉 太小;对子麵I輕而'言*商品表示通傭双方的流量 大小[16L定义隧道f为从源端&到目的端4之间 的非循环路径，因此，在网络G中存在多条源端和目 的端之间的路径可以承载源端和目的端之间的流:量 太小D对于商品j.，_7V寒.示从源端^到t肩的端4的所有隧道的集合，则网络中的隧道集合可以表示为 r= 定义隧道f上的流量向量为r;，贝^路径上的流量大小为/e = Z将网络中?e T,e e E所有隧道上的流量大小按照一定顺序排列成（/,)，用/简略表示，因此，隧道f上的代价可以表示 为上的链路代价的组合，_S P c,(:/) = com:丨.c,(尤），本文中的隧道代价《?»!丨• |甚有__靑_加和 性的最大链路利用率.类似地，有序的隧道代价集 含可似表示为d/) =(ct(/))，fE：r—本文定义商品 /的平均代价c;(/)为：c.c/) = ⑴自流量向量.(/,)e r满足如下条件时，则称其 为可行的：X/t=D i s V/e/ft^〇,\f t^T(2)表示的多面体记为興特网提供商的_治网络同样可以用G= (V，£)表示，其中，^表示路由器而£表示路由器之间的 有向链路集合源路由器能够通过一定的机制，比如M P L S,构建到发送端的隧道，并将数据通过隧道 发送到接收端s2具有稳定性的多路径路由协议2.1 M T E的流程M T E中包含.2个具体前操作模块:链路代价收 集（C I G)，链路发送概率调整（S R A)，分别对应于 T e X C P中的路径探测和负载均衡模块^本节主要关 注M T E同T e X C P两者对应的模块之间的不同之 处，其中最主要的不同在于M T E避免了 T e X C P中复杂的链路稳定性机制.M T E中的隧道代价收集模块包含2个流程 每个路由器维护一个链路利用率更新定时器，其超 时间隔为4g,-鲁定时器超时后，路由器计算链路e 对应的第H欠链路利用率《^-因而链路的利用率、可以通过如下公式计算：«, = (1 - A )», + Aue k,V f c e N(3 )其中，0<A <1。

每个发送端路由器同时维护一个反 馈:寫时器.趙时间隔肩.样为Adg。

当定射器超时 后,发送端路由器向隧道*上发送数据包收集隧道对 斑_量大键路利用率Ht l3发送端路由器维护隧道概率更新定时器，定时器间隔为4^一旦萣时器超时，发送端路由器根据从各条燧道上得到的链路最大链路利用率信息更新各条隧道对应的发送概率.具体来说，假设发送端A和接收端4之间的流焉负载为>〇5对于任意商品/E/，f e T,.，^表示燧道对应的发送概率，厕Z凡=1，V k/,3因此，可以解释C J/)为发送端^和接收端4之间隊道的加权平均利用率，即：X/, • «fC;(/) =，b T'd(4)接着，发送端通过如下公式计算隧道t对应的临 0會聚鸯概率彡t:p t=m&x\0,p t+ Lpt +|| (5)其中，〇 <^矣1是一个随机变量^该变量能够保证发 送端探索路径.的计算公式如下：A p f=5^-( C,.(/)-u t)(6)第44卷第4期杨呋，萁兆峰，胡谷雨T e X C P的多路径流量工程协议151其中，5 >0是收敛速率.巔后，发送端通过下面的公 式更新隧道？对应的发送概率i路由器中没有针对反馈数据包作特殊的优化，因而反馈数据包在网络中同样有可能由于链路拥塞 而导致丟包®隧道概率更新定时器超时后，.发送 端没能在上一个/aa间隔中收到反馈数据包，则将该 隧道f的最大链路利用率简单地置为1,表示该隧 道中的某条链路可能正在经历严童的拥塞2.2网络的动态方程如果忽略式（5)中的边界条件，则式（5 )可以转换为如下的公式:_Pt ^Pt =^Pt =8^(C t(f) -u t) +^,t e T i7i- e l(8)隧道？对应的发送概率P,同该条隧道上的流/f 成正比，如果定时器的间隔/sa足够小，则式（8)的兹边变为燧道对应的发送概率的微分，因此可以导出下面的公式：P：=S p t{C A f)-cr(/)) +^,t e T i,i e I(9) 其中,iv(0) = &。