CN101499957A - 一种多径负载均衡的实现方法和数据转发装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种MPLS网络中的多径负载均衡的实现方法和数据转发设备。该方法包括将输入流量分离到多个流缓存区；测量每条标签交换路径的至少报文排队延迟度量和丢失率度量；根据所述标签交换路径的至少报文排队延迟度量和丢失率度量将所述缓存区中的流映射到所述标签交换路径。该方法流量分离实现简单高效，报文排队延迟度量和丢失率度量可以更好的反映各条LSP上流量的负载，从而实现更好的多径负载均衡，具有很好的稳定性和可扩展性，在运营网络中易于实现。

Description

一种多径负载均衡的实现方法和数据转发装置

技术领域

本发明涉及数据通信技术领域，尤其涉及一种多协议标签交换网络中的多径负载均衡的实现方法和数据转发装置。

背景技术

传统的内部网关(IGP)路由协议基于最短路径优先(ShortestPath First，SPF)选择路由，如中间系统到中间系统(IntermediateSystem-to-Intermediate System，IS-IS)、开放最短路径优先(OpenShortest Path First，OSPF)。最短路径优先路由基于网络拓扑选择路径，不考虑网络资源利用情况及流量特性，从而导致对于一个给定的源、目的端系统，即使网络中存在多条满足该端系统间业务流带宽需求的可选路径，路由协议仍然选择一条最短路径进行转发。最短路径优先路由是导致网络拥塞的重要原因。

多协议标签交换(Multiprotocol Label Switch，MPLS)技术与流量工程(Traffic Engineering，TE)的结合有望克服上述的局限性。MPLS由于高效而又灵活地支持显式路由，为流量工程实现提供了一种基本手段。不同于传统的最短路径优先路由的根据报文目的地址前缀逐跳转发机制，显式路由允许报文流沿着预先设定的路径进行转发。显式标签交换路径(LSP)以及灵活的流量分配机制可在很大程度上优化网络资源利用，增强面向流量的性能特性。这种基于MPLS的显式路由可以通过标准的资源预留协议-流量工程(Resource ReservationProtocol-TE，RSVP-TE)或基于路由受限标签分发协议(Constraint-Based Label Distribution Protocol，CR-LDP)路径建立信令协议来建立，也可以通过手工配置建立起来。

多条并行LSP最初被设计提供路径冗余备份，以及容纳不断增长的流量，这些冗余路径为流量负荷的分配和减少网络拥塞提供了潜在能力。在MPLS网络中，标签交换技术可为不同流的报文打上不同的标签，并被转发到不同路径。因此，在一条给定的源、目的端系统间可同时建立多条LSP以改善网络性能。图1示出了在MPLS网络中多条并行LSP的情形。如图1所示，汇聚到边缘入口标签交换路由器(入口LSR)的流量被动态分离、映射到多条并行路径LSP1到LSP n，到达出口标签交换路由器(出口LSR)。

等价多径(ECMP)方法是一种广泛使用的多径负载均衡技术。由于不需要根据负载条件动态调整OSPF的代价，因此，基于等价多径的负载均衡，流量被均匀分配到多条路径，以尽量使网络稳定。目前存在三种主要的分离流量的等价多径方法：每包轮循转发，即报文在多条等价路径中循环转发；根据转发表中下一跳划分不同目的地址前缀进行转发；和根据报文源、目的地址对的哈希(hash)函数分配流量到不同路径。

每包轮循转发技术仅仅适用于路径时延相等的情形。如果多条并行路径间的传输时延偏差超出一个容许的范围，将会产生同一流中报文的乱序。这样对TCP流来说，报文乱序可能会在源端产生错误的拥塞信号，导致TCP流被限制在一个很小的发送窗口，降低报文的发送速率，进而引起不必要的网络吞吐量下降。因此，路径间的延时偏差必须保持在一个相当低的水平。每包轮循转发技术不适用于高速网络的流量均衡。

根据转发表中下一跳划分报文目的地址前缀的转发技术提供一种粗糙而又不可预料的负载分离方法，太短的目的地址前缀会产生许多问题，很难达到负载均衡的效果。

基于哈希函数的流量分离算法是一种与负载状态无关的、而且较容易计算的方法，借助于专用算法处理芯片，实现简单。如果哈希函数使用报文的任何五元组合(源地址、目的地址、源端口、目的端口及协议类型)作为输入函数变量，每流中的报文顺序能得到完好保护。基于ECMP的负载均衡方法由于不考虑链路的负载状况，尽管能够分离流量到多条外出路径，由于不知道网络的负载状态，网络拥塞仍然会发生。

一些研究者提出了MPLS网络中基于状态相关负载均衡解决方案。例如，在A.Elwalid，C.Jin，S.Low，I.Widjaja.，“MATE：MPLSadaptive traffic engineering.”in Proceedings of IEEE/INFOCOM，inAnchorage，Alaska，April 2001.文献中提出了一种称为MPLS自适应流量工程(MATE)的负载均衡机制，该机制使用梯度投影算法解决基于约束条件的目标优化问题，但是存在计算复杂度高和流量分配收敛慢的问题。

还有一类负载均衡方法基于平均LSP延迟测量来分配流量。例如Shao Xu，Ding Wei.“Adaptive traffic distribution on parallel LSPsbased on the minimization of total traffic delay.”ACTAELECTRONICA SINICA，vol.31 No.1，Jan.2003.和B.Cui，Z.Yang andW.Ding.“A paralled label switch paths traffic allocation algorithmbased on minimum utilization of resource.”Journal of Beiing Universityof Posts and Telecommunications，Vol.28 No.2，Apr.2005。但是，这类基于延迟的测量没有准确反映网络的拥塞状态，例如在测量两条不同速率链路的延迟时，因为低速链路比高速链路需要花费报文更多的传输时间，即使在低速链路的负载很轻、而高速链路的负载很重的情况下，低速链路的延迟仍有可能比高速链路的延迟大得多。结果，太多的流量被注入到那些高速链路以及短距离链路上，导致高速链路超载发生拥塞，引起大量的报文丢失；而低速链路处于欠负荷状态。这对报文丢失敏感型业务的QoS的影响更为严重，例如因特网(Internet)上IPTV多媒体业务。此外，以上这些基于状态相关负载均衡自适应多径路由的流量工程当中，负载分配根据实时拥塞监测结果而不断更新，导致同一业务流可能被重路由，或在多条路径中来回分配，产生了被称为流量振荡行为的现象。流量振荡可能进一步加剧同一业务流路径的频繁改变，严重影响网络性能。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的一个技术问题是提供一种多协议标签交换网络中的多径负载均衡的实现方法，能够实现流量在各条路径之间更好的负载均衡。

本发明提供的多径负载均衡的实现方法，包括步骤：将输入流量分离到多个流缓存区；测量每条标签交换路径的至少报文排队延迟度量和丢失率度量；根据所述标签交换路径的至少报文排队延迟度量和丢失率度量将所述缓存区中的流映射到所述标签交换路径。

其中，基于CRC16的哈希方法将所述输入流量分离到所述多个流缓存区。

根据本发明的多径负载均衡的实现方法的一个实施例，所述测量每条标签交换路径的报文排队延迟度量包括：从所述标签交换路径的入口节点周期性发送带有发送时间戳的延迟探测报文；接收从所述标签交换路径的出口节点返回的带有接收时间戳的所述延迟探测报文；根据接收的所述延迟探测报文中的发送时间戳和接收时间戳确定所述标签交换路径的报文排队延迟度量。所述测量每条标签交换路径的报文丢失率度量的步骤包括：从所述标签交换路径的入口节点周期性发送一组丢失探测报文；接收从所述标签交换路径的出口节点返回的带有该组总接收报文数目消息的所述丢失探测报文；根据入口节点已发送的丢失探测报文数量与出口节点接收到的探测报文数量确定所述标签交换路径的报文丢失率度量。

根据本发明的多径负载均衡的实现方法的另一个实施例，所述根据所述标签交换路径的至少报文排队延迟度量和丢失率度量将所述缓存区中的流映射到所述标签交换路径的步骤包括：对于所述报文排队延迟度量和丢失率度量小于预定的阈值的标签交换路径，根据下列等式将待分配的流缓存区分配到所述标签交换路径中：

$M_i=M\×\frac{{\mathrm{TC}}_i}{\mathrm{\Σ}{\mathrm{TC}}_i}$

其中，TC_i是第i条标签交换路径的反映至少所述报文排队延迟度量和丢失率度量的综合度量，M是待分配的流缓存区数目，M_i是分配到第i条标签交换路径上的流缓存区数目。

进一步，根据下列等式计算所述标签交换路径负载的综合度量：

${\mathrm{TC}}_i=\left\{\begin{array}{cc}1/\mathrm{\γ}{D}_i\×{\mathrm{\βL}}_i& D_i\≠0,L_i\≠0\\ 1/\mathrm{\γ}{D}_i& D_i\≠0,L_i=0\\ \∞& D_i=0,L_i=0\end{array}\right.(i=1,...n);$

其中，n为标签交换路径的数目，i为标签交换路径的序号，TC_i、D_i和L_i分别为第i条标签交换路径的综合度量、报文排队延迟度量和丢失率度量，γ和β分别为报文延迟度量和丢失率度量的权重系数。

根据本发明的多径负载均衡的实现方法的另一个实施例，所述根据所述标签交换路径的至少报文排队延迟度量和丢失率度量将所述缓存区中的流映射到所述标签交换路径的步骤包括：优先将待分配的缓存区中的流分配到所述报文排队延迟度量等于0的标签交换路径中；拒绝向所述报文排队延迟度量或丢失率度量大于预定的阈值的标签交换路径分配新到达缓存区的流。

本发明提供的多径负载均衡的实现方法，根据至少包括报文排队延迟度量和丢失率度量的综合度量来标度各条LSP的负载情况，可以更好的反映各条LSP上流量的负载，根据报文排队延迟度量和丢失率度量来将流缓冲区中的流分配到各条来将流分配到LSP中，可以实现更为均衡的多径负载。

进一步，该多径负载均衡方法在最小化网络拥塞同时，维持了每流的路径完整性，相对于现有技术，该方法提高了网络拥塞的最小化，改善网络性能，提升了已接入流量的服务质量，并且最大限度避免了流量振荡现象的产生。

本发明要解决的一个技术问题是提供一种数据转发装置，能够实现流量在各条路径之间更好的负载均衡。

本发明提供的数据转发装置，包括：流过滤和分离模块，用于接收输入流量，将所述输入流量分离到多个流缓存区；测量和分析模块，用于向每条标签交换路径发送探测报文，根据接收的返回的所述探测报文获得每条标签交换路径的报文排队延迟度量和丢失率度量，将所述报文排队延迟度量和丢失率度量发送给所述连接接纳控制和流量工程模块；所述连接接纳控制和流量工程模块，用于接收所述报文排队延迟度量和丢失率度量，根据所述报文排队延迟度量和丢失率度量将所述流缓存区中的流分配到所述标签交换路径。

其中，所述流过滤和分离模块基于CRC16的哈希方法将所述输入流量分离到所述多个流缓存区。

根据本发明的数据转发装置的一个实施例，所述测量和分析模块周期性向每条标签交换路径发送带有时间戳的延迟探测报文和顺序编号的丢失探测报文，根据接收的返回的所述延迟探测报文和丢失探测报文获得每条标签交换路径的所述报文排队延迟度量和丢失率度量。

根据本发明的数据转发装置的另一个实施例，对于所述报文排队延迟度量和丢失率度量小于预定的阈值的标签交换路径，所述连接接纳控制和流量工程模块根据下列等式将所述流缓存区的流量分配到所述标签交换路径中：

$M_i=M\×\frac{{\mathrm{TC}}_i}{\mathrm{\Σ}{\mathrm{TC}}_i}$

其中，TC_i是第i条标签交换路径的反映所述报文排队延迟度量和丢失率度量的综合度量，M是待分配的流缓存区数目，M_i是被分离到第i条LSP上的流缓存区数目。所述连接接纳控制和流量工程模块将所述分配的流缓存区中的流优先在报文排队延迟度量等于0的标签交换路径中均匀分配。所述连接接纳控制和流量工程模块拒绝向所述报文排队延迟度量或者丢失率度量大于预定的阈值的标签交换路径分配新到达的流。

本发明提供的数据转发装置，通过流过滤和分离模块将输入流进行分离，CAC和TE模块根据至少报文排队延迟度量和丢失率度量来将流分配到LSP中，更好地反映了各LSP中的负载，从而可以实现更好的多径均衡负载。

附图说明

图1为示出了在MPLS网络中多条并行LSP的示意图；

图2为示出本发明的多径负载均衡的实现方法的一个实施例的流程图；

图3为示出本发明的多径负载均衡的实现方法的一个实施例的流量分离的示意图；

图4为示出本发明的多径负载均衡的实现方法的一个实施例的测量LSP负载的综合度量的流程图；

图5为示出本发明在入口标签交换路由器实施的数据转发装置的一个实施例的结构框图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。

图2为示出本发明的多径负载均衡的实现方法的一个实施例的流程图。

如图2所示，在步骤201，对于接收的输入流量，基于CRC16的哈希函数将输入流量分离到对应的M个流缓冲区。具体来说，就是将报文中的五元组，即源地址、目的地址、源端口、目的端口和协议类型作为输入参数输入基于CRC16的哈希函数，根据哈希函数的输出结果将报文分离到不同的流缓冲区。基于表的哈希方法分离流，能够保持每流的完整性，避免每流中的报文乱序。

在步骤203，测量并获得每条LSP的至少报文排队延迟度量和报文丢失率度量。该测量的具体实现可以参见下文中图4流程中的描述。

在步骤205，根据每条LSP的至少报文排队延迟度量和丢失率度量将分离到各缓冲区的流分配到各条LSP，具体来说，就是根据报文排队延迟度量和丢失率度量分析各条LSP的负载，负载轻的LSP多分配流，负载重的LSP少分配流或者不分配流，从而实现流量在各条LSP之间的负载均衡。将在下文中结合测量的实现对分离到各缓冲区的流的分配进行详细的描述。

需要指出，也可以通过不同于CRC16的哈希方法的其他基于表的方法实现步骤201中的将输入流量进行分离的功能。

图3为根据本发明的多径负载均衡的方法的一个实施例的流量分离的示意图。如图3所示，输入流量通过基于表的哈希方法被分离到M个流缓冲区，根据流缓冲区分配表将M个流缓冲区映射到N条LSP。缓冲区分配表中存储缓冲区和LSP的映射关系。缓冲区分配表根据每条LSP报文排队延迟度量、丢失率度量以及负载的综合度量情况进行周期性更新，通过改变分配给各条LSP的缓冲区的数目的方式，调整分离的流到各条LSP的分配，从而输入流量能够按照预先定义的比率进行分配。M和N的比例关系决定了流量调整的粒度。一般地，M比N大1～2个数量级，从而流量能够以相当细地粒度被分配到不同的LSP上。

下面首先介绍本发明的LSP负载的综合度量的一种定义。

报文延迟和丢失率是与网络拥塞状况具有非常紧密的相关性的度量，组合这两种度量的综合度量能够较准确地反映LSP的负载水平。而报文延迟由多个部分构成，诸如报文的处理时间、排队延迟、传输延时及传播延时等。报文的处理包括转发报文的CRC校验、报文的解/封装、报文的匹配过滤规则等处理，这些处理可以通过硬件来实现，占用的时间通常认为是一常数；报文的传输延时与接口速率及分组大小相关；报文传播延时与报文在链路上的传播距离成正比。对于同一LSP，这三部分延时基本可以认为是常数。但是报文的排队延迟和网络负载相关。同时，由于实际节点的队列长度是有限的，网络拥塞可能导致报文丢失，所以报文丢失率也是反映拥塞状态的一种度量。本发明的一个实施例中定义LSP负载的综合度量反映报文排队延迟度量和报文丢失率度量，称该综合度量为流导(Traffic Conductance，TC)，表示成如下等式：

${\mathrm{TC}}_i=\frac{1}{\mathrm{\γ}{D}_i\×\mathrm{\β}{L}_i}(i=1,...,n)---\left(1\right)$

其中，n为标签交换路径的数目，i为标签交换路径的序号，TC_i、D_i和L_i分别为第i条标签交换路径上的负载的流导、报文排队延迟度量和丢失率度量，γ和β分别为报文排队延迟度量和丢失率度量的权重系数。通过调整γ和β可以调整对应度量的重要性程度。例如，VOIP业务对时延较为敏感，可减小系数γ以提高排队延迟度量D_i在TC_i中的权重；IPTV业务对丢包率较为敏感，通过减小系数β以提高报文丢失率度量L_i在TC_i中的权重。

应该注意，本领域的技术人员将理解，本发明的LSP负载的综合度量也可以根据报文排队延迟度量和报文丢失率度量以不同于等式(1)的方式获得。

图4为示出根据本发明的多径负载均衡的方法一个实施例的测量LSP负载的上述定义的综合度量的流程图。

如图4所示，在步骤401，通过在入口节点向出口节点周期性发送带有时间戳的探测报文来获得报文排队延迟度量D。具体来说，将探测报文在入口节点打上发送时间戳t₁后通过LSP发送到对应的出口节点，出口节点接收到探测报文后在其上打上接收时间戳t₂，然后返回入口节点，入口节点根据从出口节点返回的探测报文中的时间戳t₁和t₂计算获得时延差，即单向报文延迟。在每个周期可以发送一个或者多个探测报文。在发送多个探测报文的情况下通过求平均值的方式得到本周期内报文的平均延迟D^avg。单向排队延迟D可以通过如下等式获得：

D＝D^avg-min{D^new}         (2)

在等式(2)中，min{D^new}表示历史测得的报文延迟的最小值。通过等式(2)的LSP的排队延迟测量中，只计算LSP的边界延迟，不需要计算LSP绝对延迟，因此LSP的排队延迟测量不需要入口节点和出口节点的时钟同步，从而解决了为测量LSP延迟需要入口节点和出口节点的时钟同步问题。为保证测量LSP的排队延迟的准确性，需要被测LSP上入口节点和出口节点的时钟的准确性和时钟精度保持一致。

在步骤403，通过周期性发送一组顺序编号的丢失探测报文获得报文丢失率度量L。通过对一组发送的丢失探测报文进行顺序编号，告知出口节点有多少报文已经从入口节点发出，出口节点在接收到的丢失探测报文中写入其已经接收到的丢失探测报文的数量消息，并返回入口节点。当探测报文返回到入口节点时，入口节点根据已发送的丢失探测报文数量与出口节点接收到的丢失探测报文数量之差表示该LSP上报文丢失率L。

在步骤405，根据获得的报文排队延迟度量和丢失率度量获得综合度量。具体来说，根据理论分析，LSP上负载存在如下四种情形：

1)当LSP轻载时，无拥塞发生，LSP的单向排队延迟D和单向报文丢失率L都为0，根据等式(1)计算的TC值为无穷大；

2)当LSP遭受轻微拥塞，由于节点队列缓存比较大，该LSP上报文将遭遇较小的排队延迟(D>0)，但报文丢失率仍然为0(L＝0)。此时根据下列等式计算流导TC：

TC_i＝₁/γD_i    L_i＝0；            (3)

3)当LSP上拥塞程度加重时，通常该LSP上既产生排队延迟(D>0)，又产生报文丢失(L>0)，在根据等式(1)计算流导TC；

4)在无线网络环境或链路信号劣化时，由于传输中误码的产生将导致误包和错包的出现，即使网络处于非过载状态，在出口节点也会产生报文的丢失。表现为该LSP上排队延迟D＝0，报文丢失率L>0。一般在未发生拥塞的有线网络环境下，一个合法报文很少会产生报文丢失现象，即D＝0且L>0的情形不会发生，因此可以省略情形4)这种极端情况。

根据本发明的多径负载均衡方法的一个优选实施例，可以使用低通滤波器计算报文的平均延迟D^avg，以便平滑由于流量突发产生的延迟偏差，计算的等式为：

D_c ^avg＝(1-α)D_p ^avg+αD^new    (0≤α≤1)     (4)

在等式(4)中，D_c ^avg表示本周期计算得到的平均报文延迟，D_p ^avg表示前个周期计算得到的平均报文延迟，D^new表示本周期实际测量到的平均报文延迟，α为可调参数。

同样，可以使用低通滤波器方法来平滑由于突发流量产生的报文丢失率偏差。平均报文丢失率可表示下式：

L_c ^avg＝(1-α)L_p ^avg+αL^new    (0≤α≤1)       (5)

在等式(5)中，L_c ^avg表示本周期计算得到的平均报文丢失率，L_p ^avg表示上个周期计算得到的平均报文丢失率，L^new表示本周期实际测量得到的报文丢失率，α为可调参数。

应该注意，参数α的选择需要综合考虑，如果α选得太大，平均处理值将不能过滤掉瞬间拥塞产生的影响；如果α设置得太小，平均处理值将不能反应实际测量结果。

根据本发明的一个实施例，在上面等式(4)和(5)中的参数α优选设置为0.5。需要指出，等式(4)和(5)中的参数α可以设置为不同的值，并且可以根据网络负载波动的剧烈程度和发送探测报文的周期分别调整参数α的大小。例如，在负载波动越剧烈且测量周期较短的情况下，宜将参数α调整得小些；在负载波动小且测量周期较长的情况下，宜参数α调整得大些。参数α的引入减少了由于突发流量产生的偏差。

入口节点向与LSP对应的各个出口节点周期性的发送探测报文将对被测网络注入额外测试流量。探测报文的发送周期与数量不仅决定网络拥塞状况测量结果的有效性，而且会增加网络的负载，影响被测网络的实际性能参数。可以根据被测LSP的链路速率和负载确定探测报文的发送周期和数量，以便使被测网络性能改变最小，同时又能真实反映网络的实际拥塞状况。

测试LSP报文延迟的探测报文流量非常小，基本不会影响被测LSP负载运行状况。LSP上报文丢失率的测量则需要每周期发送相当数量的探测报文。例如，要使报文丢失率的测量结果精确到千分之一，至少需要发送1000个探测报文。假设以10秒为一个周期发送测试丢失率的探测报文，探测报文的字节长度为64字节，则每条LSP上需产生至少50kbit/s的额外流量，这会较大地改变低速LSP链路上的负载状况，使测量结果和实际情况差别较大。因此，为了得到高精度的报文丢失率测量结果，又不至于影响被测LSP的网络性能，对高速链路而言，可减少探测报文的发送周期，增加每周期内发送探测报文的数量；对低速链路而言，可适当增加探测报文的发送周期，从而减少单位时间内产生的额外测试流量。

结合上面描述的综合度量的测量及计算方法，下面详细描述根据报文排队延迟度量、丢失率度量和综合度量将分离到流缓冲区的流量分配到各条LSP的实现。

入口LSR向每条LSP周期性发送单向延迟和丢失率的探测报文，并根据(4)、(2)、(5)式计算得到每个探测周期的单向排队延迟D和单向丢失率L。根据D和L度量的不同，分别下列3种情形：

1.轻载状态的LSP。如果部分或者全部LSP上最新计算得到的单向排队延迟D＝0且单向报文丢失率L＝0，这意味着对应的LSP都处于轻载状态，被分离的流量所在的缓冲区将在处于轻载状态的LSP中均匀分配；如果一部分LSP的单向排队延迟D＝0，而另一部分LSP的单向排队延迟D>0，被分离的流量所在的缓冲区将优先均匀分配到那部分单向排队延迟D＝0的LSP上。

2.轻微拥塞状态的LSP。如果全部或部分LSP上的D和L小于预先定义的上限阀值，并且这些LSP的单向排队延迟D和单向报文丢失L满足条件：1)D>0且L>0；或者2)D>0且L＝0，那么，根据公式(1)或(3)计算每条LSP的TC值。被映射到各条LSP中流缓冲区的数目由下式确定：

$M_i=M\×\frac{{\mathrm{TC}}_i}{\mathrm{\Σ}{\mathrm{TC}}_i}---\left(6\right)$

其中，其中TC_i是第i条LSP的TC值，M是待分配的流缓存区数目，M_i是被分离到第i条LSP上的流缓存区数目。

如果在所有的LSP中既有满足条件1)也有满足条件2)的LSP，流缓存区数目只在满足条件2)的LSP之间进行分配。

3.严重拥塞状态的LSP。当某条LSP上单向排队延迟D或者单向丢失率L大于预先定义的上限阀值时，拒绝分配新到达的流到该LSP。

流缓存区和LSP的映射关系根据每个周期各LSP的负载状况的测量计算结果进行调整。将调整后的结果存储在缓冲区映射表中。根据本发明的一个实施例，将流分配到标签交换路径后，在新的分配周期到来之前不改变为该流分配的标签交换路径。

本发明提供的多径负载均衡的实现方法，流量分离算法简单高效，根据至少包括报文排队延迟度量和丢失率度量的综合度量来标度各条LSP的负载情况，可以更好的反映各条LSP上流量的负载，根据报文排队延迟度量和丢失率度量来将流缓冲区中的流分配到各条LSP中，可以实现更为均衡的多径负载，具有很好的稳定性和可扩展性，在运营网络中易于实现。该多径负载均衡方法在最小化网络拥塞同时，维持了每流的路径完整性。相对于现有技术，该方法提高了网络拥塞的最小化，改善网络性能，提升了已接入流量的服务质量，并且最大限度避免了流量振荡现象的产生。

图5为示出根据本发明的数据转发装置的一个实施例的结构框图。如图5所示，该数据转发装置包括流过滤和分离模块50、测量和分析模块51和连接接纳控制(CAC)和流量工程(TE)模块52。

其中，流过滤和分离模块50，用于接收输入流量，基于CRC16的哈希函数将输入流量分离到对应的多个流缓存区。

测量和分析模块51，用于向每条标签交换路径发送探测报文，根据接收的从标签交换路径的出口点返回的探测报文获得每条标签交换路径的报文排队延迟度量和丢失率度量，将报文排队延迟度量和丢失率度量发送给连接接纳控制和流量工程模块52；

连接接纳控制和流量工程模块52，用于从测量和分析模块51接收每条标签交换路径的报文排队延迟度量和丢失率度量，根据接收的报文排队延迟度量和丢失率度量将缓存区中的流分配到多条标签交换路径。

根据本发明的数据转发装置的一个优选实施例，测量和分析模块周期性向每条标签交换路径发送打有时间戳的延迟探测报文和一组丢失探测报文，根据接收的从标签交换路径的出口点返回的延迟探测报文和丢失探测报文获得每条标签交换路径的报文排队延迟度量和丢失率度量。报文排队延迟度量和丢失率度量的具体计算可以参见上文中的相关描述，在此省略实现的细节。

根据本发明的数据转发装置的另一个优选实施例，连接接纳控制和流量工程模块将新到达的流优先平均分配给处于轻载状态的标签交换路径，即报文排队延迟度量和丢失率度量都为0的标签交换路径。如果不存在处于轻载状态的标签交换路径，则将新到达的流在轻度拥塞状态的标签交换路径之间按照各条标签交换路径的负载的综合度量进行分配。具体来说，在报文排队延迟度量大于0且小于预定的阈值、丢失率度量小于预定的阈值的标签交换路径之间，连接接纳控制和流量工程模块根据上述的等式(6)将分离到流缓冲区中的流映射到处于轻度拥塞状态的标签交换路径中。而对于处于拥塞状态的标签交换路径，即报文排队延迟度量大于预定的阈值或者丢失率度量大于预定的阈值的标签交换路径，连接接纳控制和流量工程模块拒绝向其分配新到达的流。

本发明提供的数据转发装置，通过流过滤和分离模块将输入流进行分离，CAC和TE模块根据至少报文排队延迟度量和丢失率度量来将流分配到LSP中，更好地反映了各LSP中的负载，从而可以实现更好的多径均衡负载，具有很好的稳定性和可扩展性，在运营网络中易于实现。该数据转发装置在最小化网络拥塞同时，维持了每流的路径完整性，最大限度避免了流量振荡现象的产生。相对于现有技术，该数据转发装置提高了网络拥塞的最小化，改善网络性能，提升了已接入流量的服务质量。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (17)

1.一种在多协议标签交换网络中的多径负载均衡的实现方法，其特征在于，包括步骤：

将输入流量分离到多个流缓存区；

测量每条标签交换路径的至少报文排队延迟度量和丢失率度量；

根据所述标签交换路径的至少报文排队延迟度量和丢失率度量将所述缓存区中的流映射到所述标签交换路径。

2.根据权利要求1所述的多径负载均衡的实现方法，其特征在于，所述将输入流量分离到多个流缓存区的步骤包括：

基于CRC16的哈希方法将所述输入流量分离到所述多个流缓存区。

3.根据权利要求1或2所述的多径负载均衡的实现方法，其特征在于，所述测量每条标签交换路径的报文排队延迟度量包括：

从所述标签交换路径的入口节点周期性发送带有发送时间戳的延迟探测报文；

接收从所述标签交换路径的出口节点返回的带有接收时间戳的所述延迟探测报文；

根据接收的所述延迟探测报文中的发送时间戳和接收时间戳确定所述标签交换路径的报文排队延迟度量。

4.根据权利要求3所述的多径负载均衡的实现方法，其特征在于，所述标签交换路径的入口节点每周期发送一个或多个延迟探测报文，根据下列等式确定所述标签交换路径的报文排队延迟度量D：

D＝D^avg-min{D^new}；

其中，D^avg为本周期内的一个或多个延迟探测报文的平均延迟，min{D^new}表示历史测得的报文延迟的最小值。

5.根据权利要求4所述的多径负载均衡的实现方法，其特征在于，根据下列等式计算所述平均报文延迟：

D_c ^avg＝(1-α)D_p ^avg+αD^new    (0≤α≤1)

其中，D_c ^avg表示本周期计算得到的的平均报文延迟，D_p ^avg表示上一周期计算得到的平均报文延迟，D^new表示本周期实际测量到的平均报文延迟，α为可调参数。

6.根据权利要求1或2所述的多径负载均衡的实现方法，其特征在于，所述测量每条标签交换路径的报文丢失率度量的步骤包括：

从所述标签交换路径的入口节点周期性发送一组丢失探测报文；

接收从所述标签交换路径的出口节点返回的带有该组总接收报文数目消息的所述延迟探测报文；

根据入口节点已发送的丢失探测报文数量与出口节点接收到的探测报文数量确定所述标签交换路径的报文丢失率度量。

7.根据权利要求6所述的多径负载均衡的实现方法，其特征在于，所述报文丢失率度量为根据下列等式获得的平均报文丢失率度量：

L_c ^avg＝(1-α)L_p ^avg+αL^new    (0≤α≤1)

其中，L_c ^avg表示本周期计算得到的平均报文丢失率，L_p ^avg表示上个周期计算得到的平均报文丢失率，L^new表示本周期实际测量得到的报文丢失率，α为可调参数。

8.根据权利要求1或2所述的多径负载均衡的实现方法，其特征在于，所述根据所述标签交换路径的至少报文排队延迟度量和丢失率度量将所述缓存区中的流映射到所述标签交换路径的步骤包括：

对于所述报文排队延迟度量和丢失率度量小于预定的阈值的标签交换路径，根据下列等式将待分配的流缓存区分配到所述标签交换路径中：

$M_i=M\×\frac{{\mathrm{TC}}_i}{\mathrm{\Σ}{\mathrm{TC}}_i}$

其中，TC_i是第i条标签交换路径的反映至少所述报文排队延迟度量和丢失率度量的综合度量，M是待分配的流缓存区数目，M_i是分配到第i条标签交换路径上的流缓存区数目。

9.根据权利要求8所述的多径负载均衡的实现方法，其特征在于，根据下列等式计算所述标签交换路径负载的综合度量：

${\mathrm{TC}}_i=\left\{\begin{array}{cc}1/{\mathrm{\γD}}_i\×{\mathrm{\βL}}_i& D_i\≠0,L_i\≠0\\ 1/{\mathrm{\γD}}_i& D_i\≠0,L_i=0\\ \∞& D_i=0,L_i=0\end{array}\right.(i=1,...n);$

其中，n为标签交换路径的数目，i为标签交换路径的序号，TC_i、D_i和L_i分别为第i条标签交换路径的综合度量、报文排队延迟度量和丢失率度量，γ和β分别为报文延迟度量和丢失率度量的权重系数。

10.根据权利要求1或2所述的多径负载均衡的实现方法，其特征在于，所述根据所述标签交换路径的至少报文排队延迟度量和丢失率度量将所述缓存区中的流映射到所述标签交换路径的步骤包括：

优先将待分配的缓存区中的流分配到所述报文排队延迟度量等于0的标签交换路径中。

11.根据权利要求1或2所述的多径负载均衡的实现方法，其特征在于，所述根据所述标签交换路径的至少报文排队延迟度量和丢失率度量将所述缓存区中的流映射到所述标签交换路径的步骤包括：

拒绝向所述报文排队延迟度量或丢失率度量大于预定的阈值的标签交换路径分配新到达缓存区的流。

12.一种多协议标签交换网络中的数据转发装置，其特征在于，包括：

流过滤和分离模块，用于接收输入流量，将所述输入流量分离到多个流缓存区；

测量和分析模块，用于向每条标签交换路径发送探测报文，根据接收的返回的所述探测报文获得每条标签交换路径的报文排队延迟度量和丢失率度量，将所述报文排队延迟度量和丢失率度量发送给所述连接接纳控制和流量工程模块；

所述连接接纳控制和流量工程模块，用于接收所述报文排队延迟度量和丢失率度量，根据所述报文排队延迟度量和丢失率度量将所述流缓存区中的流分配到所述标签交换路径。

13.根据权利要求12所述的数据转发装置，其特征在于，所述流过滤和分离模块基于CRC16的哈希方法将所述输入流量分离到所述多个流缓存区。

14.根据权利要求12所述的数据转发装置，其特征在于，所述测量和分析模块周期性向每条标签交换路径发送带有时间戳的延迟探测报文和顺序编号的丢失探测报文，根据接收的返回的所述延迟探测报文和丢失探测报文获得每条标签交换路径的所述报文排队延迟度量和丢失率度量。

15.根据权利要求14所述的数据转发装置，其特征在于，对于所述报文排队延迟度量和丢失率度量小于预定的阈值的标签交换路径，所述连接接纳控制和流量工程模块根据下列等式将所述流缓存区的流量分配到所述标签交换路径中：

$M_i=M\×\frac{{\mathrm{TC}}_i}{\mathrm{\Σ}{\mathrm{TC}}_i}$

其中，TC_i是第i条标签交换路径的反映所述报文排队延迟度量和丢失率度量的综合度量，M是待分配的流缓存区数目，M_i是被分离到第i条标签交换路径上的流缓存区数目。

16.根据权利要求14或15所述的数据转发装置，其特征在于，所述连接接纳控制和流量工程模块将所述分配的流缓存区中的流优先在报文排队延迟度量等于0的标签交换路径中均匀分配。

17.根据权利要求14或15所述的数据转发装置，其特征在于，所述连接接纳控制和流量工程模块拒绝向所述报文排队延迟度量或者丢失率度量大于预定的阈值的标签交换路径分配新到达的流。

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