CN101360046A - 一种带宽资源的节约方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带宽资源的节约方法，包括：源节点或接入节点根据本节点到目的节点的出接口链路的最大可用带宽，构造携带该信息的路径探测请求报文，将该报文发送至本节点至目的节点路径上的中间节点；中间节点收到路径探测请求报文后，比较本节点到目的节点的出接口链路的最大可用带宽与请求报文中最大可用带宽，进行最大可用带宽值替换或者直接转发至下一节点；目的节点收到路径探测请求报文后，构造路径探测回复报文，携带请求报文中的最大可用带宽，将回复报文发送至源节点或接入节点。本发明提前感知了路径带宽，在源节点或者接入节点就控制了流量带宽，节约了中间节点带宽资源，使得网络链路上的流量达到了最佳利用率和吞吐量，提高了网络可用性、安全性。

Description

一种带宽资源的节约方法

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，尤其涉及一种带宽资源的节约方法。

背景技术

Internet是一个不断发展的计算机网络，最早引入IP协议时，网络只需要支持几百个站点和主机互连，32位的IPv4协议地址充分满足要求。但随着目前宽带网络的高速发展、NGN(下一代网络)和3G网络的大规模部署以及家庭网络等即将成为现实，需要大量的IP地址。目前广泛使用的IPv4地址，存在严重短缺。虽然目前通过CIDR(无类别域内路由选择)和NAT等技术进一步延缓了IPv4地址的耗尽速度，但IPv4地址在不久的将来势必耗尽。所以，早在1990年左右，IETF就开始进行IPv4升级协议的研究探索。直至1995年，IANA组织通过修正IPng协议已经到了第六版本，该版本被正式发布，通称为IPv6。

IPv6是对IPv4一个革命性的进步，它并没有推翻IPv4协议架构，而是继承了IPv4协议运行的主要优点，进行了较大幅度的修改和功能扩充。IPv6协议比IPv4协议不仅在网络IP地址枯竭问题上有了完美解决，而且在网络管理、运行、控制、处理、可扩展性等方面更为强大、高效。

IPv6协议对数据报头做了简化，减小了处理器的开销并且节省了网络带宽。IPv6包结构由3部分组成，分别是IPv6基本报头、扩展报头和上层协议报头。

IPv6基本报头被固定为40字节，对原IPv4报头所做的一项重大改进就是将所有可选字段移出IPv6基本报头，置于扩展报头中。IPv6协议定义了多种扩展报头，使得IPv6协议极其灵活，能提供对多种应用的灵活支持，同时为扩展支持新的应用提供了可能。

当前IPv6规范定义了6种IPv6扩展报头，包括：Hop-by-Hop(逐个跳段)选项包头、目的地选项包头、路由包头、分段包头、认证包头和ESP协议包头。在IPv6基本报头和上层协议报头之间可以有一个或者多个扩展报头，也可以没有。每个扩展报头由前面报头的Next Header字段进行标识。在这些扩展报头中，除了Hop-by-Hop选项扩展头外，其他扩展头不受中间节点检查或处理，只被IPv6报头中的DestinationAddress字段所标识的节点进行检查处理。如果Destination Address字段是多播地址，则该扩展报头可被属于该多播组中的所有节点检查处理，扩展报头严格按照在报文中出现的顺序进行依次处理。

如果扩展报头是Hop-by-Hop选项扩展报头，则其承载的信息必须被数据包经过路径上的所有节点进行检查和处理，并且如果存在Hop-by-Hop选项，则必须要紧接在IPv6基本报头之后，在IPv6报头的Next Header字段中使用0来标识Hop-by-Hop Option扩展报头。

如果在单个数据包中使用了多个扩展报头，则应该使用如下的报头顺序(RFC2460)，IPv6基本报头、逐跳选项、目的地选项、路由选项、分段选项、认证选项、封装安全载荷选项、上层协议报头。逐跳选项报头携带在数据包发送路径上必须由每个节点检查的信息；目的地选项报头携带只需要目的节点进行处理的信息；路由报头列出数据包从源地到目的地之间需要经过一个或多个中间节点的地址；分段报头对数据包长度大于路径最大传输单元的数据包进行分段；认证报头用来为数据包提供完整性和数据初始认证；封装安全载荷报头提供数据的机密性。

通常，一个典型的IPv6包，没有扩展头。仅当需要路由器或目的节点做某些特殊处理时，才由发送方添加一个或多个扩展头。与IPv4不同，IPv6扩展头长度任意，不受40字节限制，以便于日后扩充新增选项，这一特征加上选项的处理方式使得IPv6选项能得以真正的利用。但是为了提高处理选项头和传输层协议的性能，扩展头总是8字节长度的整数倍。

由于IPv6协议的优越性，将来必然广泛使用，当前IP网络中存在的一些问题部分将被IPv6协议完美解决，部分问题确依然没有得到解决。

在当前的IP网络中，对于网络路径上的带宽预留、可用性、优先级等可以通过资源预留协议(RSVP)来实现，资源预留协议是基于每个流而进行的，因此使得节点中要保留每个流的状态信息，导致中间节点负担很重，每个节点都需要在控制层面交互大量数据信令，因此可扩展性很差。并且网络中每个节点都要维护各类数据库，实现复杂的功能模块(如资源预留、路由、接纳控制等)，造成了极大的复杂性。因此资源预留协议存在很大局限性。而在IPv6当中，RSVP协议也可以作为IPv6的一个内部应用继承下来，但资源预留协议存在的局限性依然存在，在IPv6网络中，也不便于大量部署。

对于网络中路径的带宽探测，资源预留协议实现依然复杂，资源预留协议由于局限性而无法大量部署。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种带宽资源的节约方法。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种带宽资源的节约方法，包括：

源节点或接入节点根据本节点到目的节点的出接口链路的最大可用带宽，构造携带最大可用带宽信息的路径探测请求报文，并将所述路径探测请求报文发送至本节点至目的节点路径上的中间节点；

中间节点，收到路径探测请求报文后，比较本节点到目的节点的出接口链路的最大可用带宽与所述路径探测请求报文中最大可用带宽，进行最大可用带宽值替换或者直接转发至下一节点；

目的节点收到所述路径探测请求报文后，构造路径探测回复报文，其中携带所述路径探测请求报文中的最大可用带宽，将所述路径探测回复报文发送至所述源节点或接入节点。

其中，源节点或接入节点收到所述路径探测回复报文后开始向目的节点发送数据，根据所述路径探测回复报文中的最大可用带宽控制数据流量。

其中，对于每个中间节点，在确定收到路径探测请求报文后，测量本节点到目的节点的出接口链路的最大可用带宽：

若小于路径探测请求报文中携带的最大可用带宽值，则用本节点测量得到的最大可用带宽值替换路径探测请求报文中携带的最大可用带宽值，并将路径探测请求报文转发至下一节点；否则，直接转发所述路径探测请求报文至下一节点。

其中，所述路径探测请求报文中设置IPv6逐跳选项头，并通过所述IPv6逐跳选项头携带最大可用带宽信息。

其中，所述路径探测回复报文中设置IPv6逐跳选项头，并通过所述IPv6逐跳选项头携带最大可用带宽信息。

其中，所述路径探测回复报文中设置路径探测扩展头，并通过所述路径探测扩展头携带最大可用带宽信息。

本发明具有以下有益效果：

1)在本发明中，通过在路径探测节点主动发送路径探测请求报文，节点主动提前感知了到达目的节点路径上的最大可用带宽，可根据该带宽对数据流量进行控制，避免了流量在中间节点由于带宽不足而丢弃，节省了中间节点链路带宽资源，使得网络链路上的所有流量都能够尽可能达到最佳的吞吐量。

2)本发明使用了现有的IPv6逐跳选项报文来携带路径带宽信息，使得每个中间节点都能够对该报文进行处理，对于路径探测回复报文的构造，可采用新的IPv6扩展头来携带路径带宽信息，充分利用了IPv6易于扩展的特性，而且实现简单、容易扩展。

3)本发明只使用了路径探测请求报文和路径探测回复报文就感知了路径上的最大可用带宽，在控制层面没有更多的报文交互，相对于目前研究的RSVP等技术来说更简单有效，容易实现。

总体来说，本发明提前感知了路径带宽，在源节点或者接入节点就控制了流量带宽，节约了中间节点带宽资源，使得网络链路上的流量达到了最佳利用率和吞吐量，提高了网络可用性、安全性，提高了网络中实时业务的展开。

附图说明

图1是本发明中各个节点在IPv6网络中所处位置的示意图；

图2是探测节点在进行数据报文转发过程中的处理流程图；

图3是探测节点所建立的目的路径与最大可用带宽映射表的结构示意图；

图4是路径中间节点对路径探测请求报文的处理方法流程图；

图5是目的节点接收到路径探测请求报文时的处理方法流程图；

图6是路径探测请求报文的格式示意图；

图7是路径探测回复报文的第一种格式示意图；

图8为路径探测回复报文的第二种格式示意图；

图9为本发明的应用示意图。

具体实施方式

本发明的核心思想为：在探测节点(可以是源节点，也可以是接入设备)发送流量之前，通过一种探测机制，准确地获知其与目的节点之间路径的最大可用带宽，根据探测的最大可用带宽，探测节点在本地对相应流量进行带宽控制策略。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

图1是一个简单的示意图，指出了在当前的IPv6网络中，探测节点和路径中间节点以及目的节点所处的位置和相互之间连接的方式。本发明中的探测节点在实际中可以是接入设备，也可以是源节点。

图2是探测节点在进行数据报文转发过程中的处理步骤：

步骤201，探测节点(即源节点或者接入节点)判断是否需要进行路径探测，如果是，则进入步骤202，如果否，则进行流量转发处理流程。

步骤202，判断本地是否存在目的路径与路径最大可用带宽信息映射表，如果是，则进入步骤206；如果否，则进入步骤203。

步骤203，探测节点构造路径探测请求报文，在IPv6逐跳选项头中携带本节点到目的节点的出接口的最大可用带宽信息，该逐跳选项头中Option Type高位前3个比特设置为001，表示中间节点如果不能识别该选项依然可以正常转发，并且也能够修改该选项中的载荷数据。

步骤204，探测节点接收到目的节点返回的路径探测回复报文。

步骤205，探测节点取出回复报文中的路径最大可用带宽，在本地生成目的路径与最大可用带宽映射表。

步骤206，探测节点通过目的路径与最大可用带宽映射表调整需要转发的数据流量，使流量不大于最大可用带宽。

步骤207，数据报文通过对应出接口被转发出去。

图3是在探测节点接收到路径探测回复报文后建立的目的路径与最大可用带宽映射表，节点将该映射表下发到转发层面，转发层面在进行流量转发过程中根据配置进行带宽调整。该映射表中包含目的路径的出接口，以及该目的路径与最大带宽映射表的生存期，当节点接收到一个路径探测回复报文后，本地生成的映射表有一定生存期，在数据不使用该路径的情况下，一定时间内该映射表将会老化失效。

图4是中间节点接收到一个数据报文后的处理流程，主要步骤如下：

步骤401，节点接收到一个报文，由于该报文携带了逐跳选项，所以中间节点必须要处理该报文。

步骤402，节点检查该报文是否是路径探测请求报文，如果是，则进入步骤403；如果否，则进入其他处理流程步骤408。

步骤403，节点检查该数据报文是否是发送给本节点的，如果是，则进入目的节点路径探测请求报文处理流程步骤409；如果否，则进入步骤404。

步骤404，节点读取出该路径探测请求报文中的最大可用带宽信息值。

步骤405，节点读取本节点到达目的节点的出接口的最大可用带宽值，将其与路径探测请求报文中的最大可用带宽信息值进行比较。

步骤406，判断本节点带宽值是否小于路径探测请求报文中的带宽值，如果是，则进入步骤407；如果否，则进入步骤410，转发该路径请求报文。

步骤407，节点在路径探测请求报文的逐跳选项中，使用本节点带宽值替换报文携带的带宽值，然后进入步骤410，转发该路径请求报文。

步骤408，报文为非路径探测报文，进入非路径探测报文处理流程。

步骤409，进入本节点为路径目的节点时的处理流程，详细参考图5说明。

步骤410，节点将路径探测请求报文处理完毕后转发该报文。

图5是目的节点接收到路径探测请求报文时的处理流程，主要步骤如下：

步骤501，节点接收到一个报文，由于该报文携带了逐跳选项，所以中间节点必须要处理该报文。

步骤502，节点检查该报文是否是路径探测请求报文，如果是，则进入步骤503；如果否，则进入其他处理流程步骤507。

步骤503，节点检查该数据报文是否是发送给本节点的，如果是，则进入步骤504；如果否，则进入中间节点路径探测请求报文处理流程。

步骤504，节点读取出接收到的路径探测请求报文的源和目的地址。

步骤505，节点读取出接收到的路径探测请求报文中逐跳选项携带的最大可用带宽信息。

步骤506，节点构造路径探测回复报文，该报文中目的地址为接收到的路径探测请求报文的源地址，源地址为接收到的路径探测请求报文中的目的地址。

在该步骤中，节点可以通过2种方法来构造路径探测回复报文，第一种是在报文中依然使用逐跳选项，在逐跳选项中BandWidth字段携带最大可用带宽信息；第二种是在路径探测回复报文中不携带逐跳选项，而使用新的IPv6扩展头，可以称之为路径探测扩展头，在该扩展头中携带最大可用带宽信息。

步骤507，进入非路径探测报文处理流程。

步骤508，进入节点为路径中间节点时对路径探测请求报文的处理流程，详细参见图4说明。

步骤509，节点将构造的路径探测回复报文向探测节点进行回复。

图6是本发明中对路径探测请求报文的构造，在本发明中，路径探测节点在发送路径探测请求报文时，携带了IPv6逐跳选项(Hop-by-HopOption Header)。在IPv6协议头部中，下一头部协议(Next Header)设置为0，表示其紧接着的头部就是逐跳选项头部。中间节点必须对逐跳选项进行检查，在逐跳选项头中，包含8比特的下一头部协议字段(NextHeader)、8比特的头部扩展长度(Hdr Ext Len)，随后就是选项字段。在选项字段的Option Type中，设置高位前三比特为001，表示中间节点如果无法识别该选项时可以跳过该选项，继续处理报文，同时中间节点可以修改该选项中的数据内容。

以上对图6的说明都是在本发明中对现有技术的应用，本发明新增了如下内容：

i)在选项字段Option Type的8比特中，前三比特设置为001，后面5位比特设置为10000，表示目的节点构造路径探测回复报文时还是采用逐跳选项方式进行回复，如果后面5位比特设置为10001，则表示目的节点构造路径探测回复报文时不再使用IPv6逐跳选项，直接使用新的扩展头。以上字段设置为假设，实际应用中可以按需修改。

ii)选项数据中，携带本节点到达目的节点出接口的最大可用带宽BandWidth值，在探测节点构造路径探测请求报文时，BandWidth字段初始值为探测节点到达目的节点出接口的最大可用带宽。在中间节点进行处理时，就是针对该字段的值与本节点值进行对比替换处理。

图7是本发明中目的节点对路径探测回复报文的构造，节点在进行路径探测回复报文构造时，源地址和目的地址分别使用了接收到的路径探测请求报文中的目的地址和源地址，该图中，节点使用了IPv6逐跳选项来携带最终路径探测请求报文携带的最大可用带宽信息值。同时，在该报文的逐跳选项中，对于Option Type字段，设置高位前三比特为000，表示中间节点如果无法识别该选项时可以跳过该选项，继续处理报文，同时中间节点不能修改该选项中的数据内容。

该报文逐跳选项中选项数据字段使用接收到的路径探测请求报文中的最大可用带宽值来进行填充，构造完毕后，目的节点给路径探测请求节点回复该报文。

图8中的斜体字部分为本发明中新提出的路径带宽扩展选项(PathBandWidth Option)，其中NextHeader为众所周知的报头类型值。HeaderExtension Length该字段以8字节为单位标识了该路径带宽扩展头(PathBandWidth Option)的长度，在这个长度中前8位长度不计算在内。

后面的Option Type和Option Data Length与逐跳选项报文使用方式相同，在本发明中不对其进行专门限制说明。

在Option Data中，使用了4个字节的长度来记录路径最大可用带宽值，可以称之为BandWidth字段。

该扩展头的作用是，目的节点在进行路径探测回复报文构造中，根据接收到的路径探测请求报文中逐跳选项Option Type值为00110001，不再使用逐跳选项扩展头来携带最大可用带宽值，而采用本发明提出的路径扩展头来回复最大可用带宽值。此路径扩展头在中间节点不会被检查，这样就有效减小了中间节点的资源浪费。

该路径请求报文中的路径扩展选项(Path BandWidth Option)在IPv6报头中的Next Header字段从未指派的134-254中指定200为路径扩展头。

图9是本发明中的路径探测机制在网络中节约带宽资源的应用示意图，下面结合该图对本发明提出的带宽资源节约方法进行说明。

图9中设定探测节点和目的节点路径中存在三台路由器，分别为路径节点A、路径节点B、路径节点C，并且探测节点与路径节点A之间链路上到达目的节点的最大可用带宽为10M，路径节点A与路径节点B之间链路上到达目的节点的最大可用带宽为7M，路径节点B与路径节点C之间链路上到达目的节点的最大可用带宽为20M，路经节点C与目的节点之间链路上的最大可用带宽为2M。

对于路径探测节点来说，有几种可能的情况下需要进行发送路径探测请求报文：

a、探测节点到目的节点未进行过路径探测，并且到达目的必须要进行路径探测；

b、探测节点已经发送了路径探测请求报文，但未收到路径探测回复报文；

c、探测节点接收到了路径探测回复报文，但是在一定时间内已经老化。

根据以上几种情况，探测节点构造路径探测请求报文进行路径探测。探测节点在IPv6报文中封装本地出口地址为源地址，目的节点地址为目的地址，并且设定IPv6协议下一跳为IPv6逐跳选项头，并在IPv6逐跳选项中的BandWidth字段中填充本地出接口最大可用带宽信息为10M，构造完成后将该路径探测请求报文发送到路径节点A。

路径节点A接收到该探测请求报文，确定到达该报文目的节点的出接口最大可用带宽为7M，取出接收到的路径探测请求报文逐跳选项中的BandWidth值与本节点到达目的节点出接口最大可用带宽进行比较，发现本节点出接口到达目的节点最大可用带宽7M小于接收到的报文携带的BandWidth值，将该值10M替换为7M后转发至路径节点B。

路径节点B接收到该探测请求报文，确定到达该报文目的节点的出接口最大可用带宽为20M，取出接收到的路径探测请求报文逐跳选项中的BandWidth值与本节点到达目的节点出接口最大可用带宽进行比较，发现本节点出接口到达目的节点最大可用带宽为20M，大于接收到的报文携带的BandWidth值，对该报文中的BandWidth值不再进行修改，直接将该报文转发到路径节点C。

路径节点C接收到该探测请求报文，确定到达该报文目的节点出接口最大可用带宽为2M，取出接收到的路径探测请求报文逐跳选项中的BandWidth值与本节点到达目的节点出接口最大可用带宽进行比较，发现本节点出接口到达目的节点最大可用带宽2M小于接收到的报文携带的BandWidth值，将该值7M替换为2M后转发至目的节点。

目的节点接收到该路径探测请求报文后，将重新构造路径探测回复报文，该报文中目的地址为路径探测请求节点地址，源地址为本节点。在构造该路径探测回复报文中有2种方法：

I、在该路径探测回复报文中，依然使用IPv6逐跳选项报文，在携带的IPv6逐跳选项报文中，使用BandWidth字段来携带最终目的节点接收到的路径探测请求报文中的BandWidth值，同时需要设定IPv6逐跳选项报文中的Option Type的高位前三比特为000，即不允许中间节点对路径探测回复报文进行修改，只需将该报文转发到报文目的节点即可。

II、在该路径探测回复报文中，不再携带IPv6逐跳选项报文，直接使用一个新的IPv6扩展头，可以称之为IPv6路径探测选项，在该选项中携带接收到的路径探测请求报文逐跳选项所携带的BandWidth值，此方法的优点在于对于路径探测回复报文来说，中间节点无需作任何处理，直接转发即可。方法I中，对于路径探测回复报文，中间节点还是需要对逐跳选项报文进行检查处理，对资源造成了一些浪费。

通过以上2种方法之一，路径探测请求报文的目的节点构造出路径探测回复报文，并向路径探测节点发送该报文。

该回复报文经过中间节点路由器最终到达路径探测请求节点，请求节点取出回复报文中携带的BandWidth值，确定本节点到目的节点的最大可用带宽为2M，并在转发层面建立路径带宽对应表。

此后，在该节点进行数据发送过程中，该节点预先控制到达该目的节点的流量在路径最大可用带宽以内，从而节省了中间各个节点的带宽资源，避免了对中间节点链路带宽浪费。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1、一种带宽资源的节约方法，其特征在于，包括：

源节点或接入节点根据本节点到目的节点的出接口链路的最大可用带宽，构造携带最大可用带宽信息的路径探测请求报文，并将所述路径探测请求报文发送至本节点至目的节点路径上的中间节点；

中间节点，收到路径探测请求报文后，比较本节点到目的节点的出接口链路的最大可用带宽与所述路径探测请求报文中最大可用带宽，进行最大可用带宽值替换或者直接转发至下一节点；

目的节点收到所述路径探测请求报文后，构造路径探测回复报文，其中携带所述路径探测请求报文中的最大可用带宽，将所述路径探测回复报文发送至所述源节点或接入节点。

2、如权利要求1所述的带宽资源的节约方法，其特征在于，

源节点或接入节点收到所述路径探测回复报文后开始向目的节点发送数据，根据所述路径探测回复报文中的最大可用带宽控制数据流量。

3、如权利要求1所述的带宽资源的节约方法，其特征在于，

对于每个中间节点，在确定收到路径探测请求报文后，测量本节点到目的节点的出接口链路的最大可用带宽：

若小于路径探测请求报文中携带的最大可用带宽值，则用本节点测量得到的最大可用带宽值替换路径探测请求报文中携带的最大可用带宽值，并将路径探测请求报文转发至下一节点；否则，直接转发所述路径探测请求报文至下一节点。

4、如权利要求1或2或3所述的带宽资源的节约方法，其特征在于，

所述路径探测请求报文中设置IPv6逐跳选项头，并通过所述IPv6逐跳选项头携带最大可用带宽信息。

5、如权利要求1或2或3所述的带宽资源的节约方法，其特征在于，

所述路径探测回复报文中设置IPv6逐跳选项头，并通过所述IPv6逐跳选项头携带最大可用带宽信息。

6、如权利要求1或2或3所述的带宽资源的节约方法，其特征在于，

所述路径探测回复报文中设置路径探测扩展头，并通过所述路径探测扩展头携带最大可用带宽信息。

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