CN1756233A - 电信网络中的路由选择方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种为Internet流量选择路由的方法和装置。在本发明中,根据控制策略生成控制策略参数,并根据网络的状态生成网络状态参数,根据控制策略参数和网络状态参数计算各个备选路径的路径代价,从而在备选路径中选择出路径代价最小的路径。

Description

电信网络中的路由选择方法和装置
技术领域
本发明涉及电信网络中的路由选择方法以及路由选择装置,具体而言,涉及根据控制策略和网络状态选择路由的方法和装置。
背景技术
多协议标签交换技术(MPLS)支持显式路径,通过显式路径传送分组。显式路径可由Ingress节点指定。MPLS流量工程实现的关键是选择适当的路径,均衡网络负载,优化网络资源利用率和流量性能。为了负载均衡,在某些时候,需要选择较长的路径。这些路径不必是最小跳数路径。目前,各种路径选择方案遇到的共同问题是如何在限制跳数与负载均衡之间折中。现有研究表明,对于有带宽保证要求的流量,根据网络负载情况的不同,选择路径可以分成两种情况:在网络负载重时,路径跳数限制应更加严格;在网络轻载时,路由选择应更强调负载均衡,路径跳数成为次要的因素。而对于“best-effort”流量而言,均衡负载始终是有利的,因为均衡负载可以充分利用所有可用路径,最大化网络吞吐量。
因此,跳数限制和均衡负载(可用带宽)之间的折中应该基于网络状态和服务需求。然而现有方法,比如“shortest-widest”,“widest-shortest”和“shortest-distance”,只能提供静态折中。“shortest-widest”算法选择路径的方法是,先选择所有可用路径中可用带宽最大的路径,如果有多条路径可用带宽相同的话,再从中选择跳数最短的路径。“widest-shortest”算法采用类似的方法:可用带宽只有在存在多个同样跳数路径时才被考虑。而在“shortest-distance”算法中,跳数限制和均衡负载之间的折中是完全由链路的代价计算函数来决定的。这些方法的缺点是网络运营商不能根据网络状态和服务需求对流量工程进行控制。更重要的是,网络运营商的管理策略无法纳入到流量工程中。
发明内容
鉴于上述现有技术中存在的问题而提出了本发明。
本发明的目的是为MPLS流量工程提供简单有效的路径选择技术,并根据网络状态、业务需求和管理策略控制流量。
根据本发明的目的,在一个方面中,本发明提供了一种路径选择方法,用于根据控制策略优化网络资源和业务性能。该方法包括以下步骤:(a)确定控制策略,并根据该控制策略生成控制策略参数Util_Weight;(b)根据网络的状态生成网络状态参数;(c)根据所述控制策略参数、所述网络状态参数和网络拓扑信息计算各个备选路径的路径代价;以及(d)在备选路径中选择出路径代价最小的路径。
在本发明的另一个方面中,提供了一种用于在电信网络中进行路由选择的装置,包括:控制策略参数生成部,用于根据控制策略生成控制策略参数;网络状态参数生成部,用于根据网络的状态生成网络状态参数;路径代价计算部,用于根据所述控制策略参数、所述网络状态参数和网络拓扑信息计算各个备选路径的路径代价;以及路径确定部,用于在备选路径中选择出路径代价最小的路径。
本发明允许网络运营商定义自己的流量工程控制策略。它可以帮助网络运营商通过统一的流量工程控制平台部署不同的策略。
在本发明中,控制策略不增加路由算法的计算复杂性,保持了与标准Dijkstra算法同等程度的计算复杂性。
根据不同的控制策略,本发明可以用于两种类型流量——有带宽保证需求的QoS流量和“Best-effort”流量的路由计算。控制策略的改变非常简单和高效。
附图说明
通过下面的详细描述,结合附图,可以更加清楚地理解本发明的特征和优点。附图中:
图1是一个流程图,示出了本发明中定义控制策略的实现过程。
图2A是一个系统示意图,说明了使用中央控制服务器实现基于策略的路径选择。
图2B是一个系统示意图,说明了使用本地路径选择器实现基于策略的路径选择。
图3是示例性的策略路由选择器的系统框图。
图4描述了本发明的一种使用情形,控制策略被用于有带宽保证需求的QoS流量的路由选择。
图5描述了本发明的一种应用情形,控制策略用于对best-effort流量的路由选择。
具体实施方式
本发明提供了一种策略路径选择方法和装置,用于计算MPLS标签交换路径(LSP)的显式路由。本发明解决了如何根据网络状态、业务需求和管理策略来控制流量工程的问题,其包括如何定义控制策略和在路径选择中应用策略。
本发明的路由选择装置既可以采用集中模式,由网络服务器实现,也可以采用分布式模式,由各个标签边缘路由器(LER)实现。根据本发明的原理,可以容易地实现本发明的路由选择装置。
图2A是系统200A的示意图,在该系统中,在中央控制服务器中实现本发明的的路由选择装置。系统200A包括中央控制服务器210A和路由器210A1到210AN。服务器210A包括路由选择器215B,即本发明的的路由选择装置。路由选择器215B根据控制策略计算路由并将路由下发到路由器210A1到210AN。路由器210A1到210AN是整个MPLS网络的边缘路由器。它们的责任是根据下发的路由建立显示路径,并通过这些路径传送分组。
图2B是系统200B的示意图,在该系统中,在边缘路由器中实现本发明的路由选择装置。该系统包括路由器220B1到220BM。这些路由器是全网的边缘路由器。每一个路由器都采用了一个本地策略路由选择器225Bi,即本发明的路由选择装置。本地策略路径选择器根据网络状态和控制策略计算路由。边缘路由器根据建立路由选择器计算的路由建立显示路径,并通过这些路径传送分组。
接下来对本发明的路由选择装置和路由选择方法进行详细说明。
首先说明确定控制策略的过程。图1的流程图解释了定义控制策略的处理。首先,步骤110根据服务需求定义流量工程的基本策略。如果流量工程用于有性能要求的流量,则控制策略采用QoS路由,实现负载均衡,并满足流量的性能要求。如果流量工程用于best-effort流量,则流量工程控制策略采用动态负载均衡方法,优化网络吞吐量,但不保证业务性能要求。接下来,在步骤120中,根据步骤110定义的基本流量工程策略,确定跳数限制和负载均衡之间的折中。对于要求负载均衡的QoS路由方法,限制跳数是首先考虑的因素。其原因在于长路径占用了额外的网络资源,可能导致新的连接因为无可用资源而失败。对于动态负载均衡,“重均衡”(rebalancing)是考虑的主要因素。其目的是,降低最大链路利用率。动态负载均衡对于需要均衡的流量的路由不设跳数限制。最后,根据不同的折中需求,进入两个分支。
如果需要限制跳数,进入步骤130根据网络拓扑和业务需求定义路径选择的约束条件。这些约束条件包括路径的长度和其负荷状态。在下面将要说明的控制策略参数生成部310中把这些约束条件转换成参数“Util_weight”。
如果负载均衡是首选因素,则进入步骤140。在这一步,定义链路利用率的阈值。如果部分链路的利用率超过阈值,经过这些链路的LSP被认为发生了“拥塞”。这些拥塞的LSP的负载将被均衡到其它路径。在步骤160,在控制策略参数生成部310中把把该阈值转换成“Util_weight”。经过图1的这些步骤,控制策略被转换成了控制参数“Util_weight”。
图3是根据本发明一个实施例的路由选择装置300的模块示意图。如图3所示,路由选择装置300包括:根据控制策略生成控制策略参数的控制策略参数生成部310;根据网络的状态生成网络状态参数的网络状态参数生成部320;根据控制策略参数和网络状态参数计算各个备选路径的路径代价的路径代价计算部330;以及在备选路径中选择出路径代价最小的路径的路径确定部340。在本发明的路由选择装置300上执行本发明的路由选择方法。
在路由选择装置300中,控制策略参数生成部310根据如上所述确定的控制策略生成控制策略参数Util_weight。操作者可以通过各种输入方式把控制策略输入到控制策略参数生成部310中,例如通过键盘或者通过图形界面的形式,或者通过文件的形式。控制策略参数生成部310通过下面将要详细说明的方式,根据控制策略生成控制策略参数Util_weight。路径代价计算部330基于下面三方面的信息计算所有备选路径的代价:
1.存储在网络拓扑数据库中的网络拓扑信息;
2.链路状态数据库中的链路状态信息;
3.Util_weight提供的相关控制策略信息。
路径代价计算部330计算出所有备选路径的代价之后,路径确定部340选择出路径代价最小的路径作为最优路径。
如果路由选择装置300由中央网络服务器实现,如图2A,网络拓扑数据库可以从网络管理系统输入或手工定义。这个服务器还可以维护一个网络状态数据库。该数据库存储网络统计数据,如链路利用率等。这些数据通过SNMP或其它网络监测工具采集。从而,实现了本发明的网络状态参数生成部320。
如果路由选择装置300由图2B的各个边缘路由器实现,网络拓扑数据库和网络状态数据库是用于流量工程的路由协议(如OSPF-TE或IS-IS-TE)的链路状态数据库。从而,实现了本发明的网络状态参数生成部320。
在本发明中,把Util_weight作为比例因子,加入链路和路径的代价计算。此外,不同的ingress-egress对通过采用不同的Util_weight来实现不同的控制策略。
下面对本发明的路径选择进行更加详细的说明。
策略路径选择的目的是通过控制路径选择,把网络运营商所需要的控制策略应用于MPLS流量工程。而控制策略是运营商基于网络拓扑、服务需求以及管理策略定义的。采用恰当的控制策略,策略路由选择方法能够支持有业务需求的流量的QoS路由以及best-effort流量的动态负载均衡。
本发明的策略路由选择方法的关键概念是把“Util-weight”作为链路利用率的比例因子,用于计算链路代价。链路代价的计算方法如下:
C link = 1 1 - Util _ weight × U link , ( Util _ weight ≥ 0 )
其中,Clink为链路代价,Ulink为链路的利用率。
第一实施例
下面对本发明的第一实施例进行详细说明。
在第一实施例中,在本发明的路由选择装置中实现针对QoS路由的策略路由选择方法。
首先,说明本发明如何用于有带宽保证需求的流量(QoS路由)。当最小跳数路径没有充足带宽来满足流量的带宽需求时,QoS路由通常采用更长的路径来转发流量。以前的比较研究表明,长路径将占用额外的网络资源,从而影响为新的流量分配可用路由。因此,RFC2386提出,为某一连接的流量分配资源时,应该考虑总体资源分配情况。决定是否为某一连接分配资源的原则是:考虑到可能拒绝其它需要相同资源的流量而带来的损失,以给定的QoS为某一流量寻路所导致的“成本”不应超过所得到的收益。这类“高层次容许控制”机制的目的是,为QoS流量寻路时,保证产生的网络成本不超过获得的收益。作为本发明的一种应用,策略路由选择器根据网络状态和控制策略,采用Util_weight参数选择合适的QoS路径,执行“高层次容许控制”。
如果本发明用于QoS寻路,则首先寻找每条可用路径的最大链路利用率。而把某一路径中的最大链路利用率设定为该路径中所有链路的利用率。
假设网络空闲时,一个ingress-egress对中的最小跳数路径的跳数为n。该路径的代价的最大值是
C min _ hop = n 1 - Util _ weight = n + Util _ weight 1 - Util _ weight × n
对于该ingress-egress对,存在一条备选路径,它的跳数是n+m(m≥o)。当备选路径没有负载时,该备选路径的代价最小,其值为(m+n)。这条路径被用于均衡负载的条件是其代价小于或等于最小跳数路径的代价。因此,可以得到合格的备选路径的额外跳数的上界,如下式:
m ≤ Util _ weight 1 - Util _ weight × n
如果存在备选路径,其最大链路利用率是U,该备选路径被选用的条件是: m + n 1 - Util _ weight × U ≤ n 1 - util _ weight
因此,得到备选路径的最大链路利用率的上界是:
U max ≤ 1 - 1 - Util _ weight n × Util _ weight × m
利用m的不等式,可以设置基于路径长度的备选路径合格条件。利用Umax的不等式,可以设定各条备选路径的最大链路利用率的上界。通过调整Util_weight的值,这些上界可以根据控制策略来控制。按照如下计算公式设置Util_weight的值:
Util _ weight = m ( m + n ) - n × U max
当n是最小跳数路径的跳数,m≥0,0≤Umax<1。根据这样的Util_weight,跳数为n+m、最大链路利用率是Umax的备选路径的代价与最小跳数路径的代价的最大值相同。这种类型的备选路径称为“最坏”备选路径。假设对一对上面讨论的ingress-egress有一条可用路径,称为路径A,其跳数为(n+h)(h≥0)而最大链路利用率是Z。根据这里定义的Ulti_weight,这条路径的代价是:
n + h 1 - m × Z m + n - n × U max = n + h n + m × 1 1 - n × U max + m × Z n + m
如果路径A适合负载均衡,其代价必须小于或等于最小跳数路径的代价的最大值,即:
n + h n + m × 1 1 - n × U max + m × Z n + m ≤ n + m - n × U max 1 - U max
如果路径A比“最坏”备选路径长,即h>m,根据上面的不等式,得到: 1 1 - n &times; U max + m &times; Z n + m < n + m - n &times; U max 1 - U max
于是
n &times; U max + m &times; Z n + m < U max
因此,可以得到路径A的最大链路利用率的上界,即Z<Umax。这表明,如果备选路径比“最坏”路径长,它被用于负载均衡的条件是它的最大链路利用率比“最坏”路径小。
简而言之,给定Umax和m,备选路径的长度范围被限定为对于长度超过n+m的路径,它们被用于负载均衡的条件是它们的最大链路利用率小于Umax。采用这种方法,网络资源分配就得到控制。
图4给了一个应用例子,它利用本发明根据控制策略控制负载均衡。流量从节点A流向节点B。缺省地,该节点对的流量都通过最小跳数路径转发。根据网络特征和流量分布,可以定义控制策略如下:“只有当备选路径(“非最小跳数路径“)的链路利用率小于80%而且其额外跳数不大于1时,该路径才会被选用”。对于现有QoS路由算法,集成这样的控制策略是不可能的。而在本发明的方法实例中,可以采用n=1,m=1,Umax=0.8计算Util_weight。根据这里的Util_weight,如果路径A-C-B的最大链路利用率低于80%,路径A-C-B将被选用。否则,如果,路径A-D-E-B最大链路利用率低于60%,路径A-D-E-B将被选用。其它情况下,流量将被拒绝传送。从这个例子中可以看到,在本发明的方法中,根据最大链路利用率不同,“非最小跳数路径”受到限制。在本例中,至少20%的带宽留给节点A和C间将来的连接或者节点C和B间将来的连接。对于同一个网络,如果控制策略改变了,需要给将来的连接更多的带宽,只需要选择更小的Umax,重新计算Util_weight,并赋值给该ingress-egress对。
简单地说,通过利用Util_weight,可以根据跳数和最大链路利用率设置选择“非最小跳数路径“的下限。选用比“最坏”路径更长的路径(由m指定)的条件是:该路径的负载比“最坏”路径更轻(由Umax指定)。
通过在最短距离路由算法中应用Util_weight,一个ingress-egress对之间的吞吐量不再受限于最小跳数路径的带宽。同时,实现了根据网络状态和控制策略动态对“非最小跳数路径“的资源分配的动态控制。
根据运营商的需要,可以在全网使用相同的控制策略(此时n定义为全网最小跳数路径的平均跳数),也可以针对不同的ingress-egress对部署不同的控制策略。进一步来说,即使对于单个ingress-egress对,运营商也可以给不同优先级的流量配置不同的策略从而支持多等级的QoS路由。
第二实施例
在第二实施例中,在本发明的路由选择装置中针对动态负载均衡实现本发明的策略路径选择方法。
如果本发明用于“best-effort”流量的动态负载均衡,Util_weight定义有所不同。其根本原因在于,针对“best-effort”流量的动态负载均衡的目标是解决链路的拥塞问题。动态负载均衡方法定义了链路利用率的阈值。一旦某些链路利用率超过阈值,经过这些链路的路径被认为发生了拥塞。而这些路径上的部分流量会被“重均衡”到备选路径,从而使拥塞链路的利用率降低到阈值之下。因此,在动态负载均衡的路径选择算法中,关键是备选路径不可经过利用率高于阈值的链路。否则,拥塞问题将无法解决。然而,在当前最短距离路由算法中,由于算法不考虑用户指定的阈值,所以无法避免备选路径经过利用率高于阈值的拥塞链路的情况。
在本发明中,采用Util_weight在路径选择中集成用户指定的阈值,采用的链路代价计算方法如下:
C link = 1 1 - Util _ weight &times; U link , Util _ weight &times; U link < 1 Max _ Cost , Util _ wieght &times; U link &GreaterEqual; 1
从公式可以看到,对于利用率大于
Figure A20041008312700142
的链路,其代价被设为Max_Cost。这是一个非常大的数。因此针对链路利用率,为它们设置阈值 一旦部分链路的利用率达到或超过该阈值,经过这些链路的路径将因为代价太高而不会被负载均衡选用。通过设置 Util _ weight = 1 High _ threshold , 而High_threshold是运营商对动态负载均衡所指定的阈值。可以确保动态负载均衡会利用所有利用率低于阈值的路径解决网络拥塞。图5是应用策略路由选择控制动态负载均衡的例子。在这个例子中,运营商指定的阈值是70%,通过设置Util_weight=1/0.7=1.43,可以保证链路利用率超过70%的路径不会作为备选路径。
上面对本发明应用于QoS流量和best-effort流量的实施例进行了说明。另外,当网络的规模很大时,限制跳数也可能是在应用动态负载均衡时要考虑的因素。这是因为在这样的网络中,由于路径增长而增加的传播时延可能会超过因绕过阻塞而减小的排队时延,从而导致总时延反而增加。在这样的网络中部署动态负载均衡时,可以进行类似于QoS路由的分析,并采用更小的Util_weight来限制跳数。在这种情形下,动态负载均衡的执行条件是:网络的最大链路利用率达到指定阈值,同时网络中存在满足策略所给定的约束条件的路径。
进一步而言,通过给不同链路指定不同的Util_weight,可以实现针对不同等级流量的策略路由的部署。下面是一个例子。Best-effort流量采用动态负载均衡方法控制,同时高优先级流量通过MPLS显式路径传送。考虑到流量的优先级,希望高优先级流量走最小跳数路径。因此可以为最小跳数路径的链路指定较大值的Util_weight从而使最小跳数路径保持best-effort流量轻载,为高优先级流量保留更多的带宽,比如为一条链路设置Util_weight=1000,可以使该链路不被best-effort流量使用。
以上以示例的方式对本发明的路由选择方法和装置进行了说明。但应该理解,以上说明并不构成对本发明的限制,本发明的范围仅由所附权利要求限定。同时,在权利要求所限定的范围之内,可以对本发明进行各种形式和细节上的变化。

Claims (17)

1.一种在电信网络中进行路由选择的方法,包括以下步骤:
(a)确定控制策略,并根据该控制策略生成控制策略参数Util_weight;
(b)根据网络的状态生成网络状态参数;
(c)根据所述控制策略参数、所述网络状态参数和网络拓扑信息计算各个备选路径的路径代价;以及
(d)在备选路径中选择出路径代价最小的路径。
2.根据权利要求1所述的方法,其中
所述的网络状态参数是链路的利用率Ulink;并且
所述方法进一步包括:
根据所述控制策略参数Util_weight和所述链路利用率Ulink计算路径中包含的所有链路的链路代价Clink;以及
累加路径中包含的所有链路的链路代价Clink作为所述路径代价。
3.根据权利要求2所述的方法,其中在QoS路由的情况下,利用下面的公式计算所述链路代价Clink
C link = 1 1 - Util _ weight &times; U link .
4.根据权利要求3所述的方法,还包括把路径中的最大链路利用率作为该路径中所有链路的链路利用率。
5.根据权利要求2所述的方法,其中在best-effort流量动态负载均衡的情况下,按照下面的公式计算所述链路代价Clink
C link = 1 1 - Util _ weigt &times; U link , Util _ weight &times; U link < 1 Max _ Cost , Util _ wieght &times; U link &GreaterEqual; 1
其中,Max_Cost是预定的常数。
6.根据权利要求1所述的方法,其中,根据预定的路径跳数阈值和链路利用率阈值中至少一项来生成所述控制策略参数。
7.根据权利要求6所述的方法,其中在QoS路由的情况下,按照下面的公式生成所述控制策略参数Util_weight
Util _ weight = m ( m + n ) - n &CenterDot; U max
其中,n是备选路径中的最小跳数路径的跳数,m是所述路径跳数阈值与n之差,Umax是所述的链路利用率阈值。
8.根据权利要求6所述的方法,其中,在best-effort流量动态负载均衡的情况下,按照下面的公式确定所述控制策略参数Util_weight
Util _ weight = 1 U max
其中,Umax是所述的链路利用率阈值。
9.根据权利要求1所述的方法,其中按照下列任意一种情况确定所述控制策略:
在全网采用相同的策略;
针对不同的ingress-egress对采用不同的策略;以及
针对单个ingress-egress对的不同等级流量采用不同的策略。
10.一种用于在电信网络中进行路由选择的装置,包括:
控制策略参数生成部,用于根据控制策略生成控制策略参数Util_weight;
网络状态参数生成部,用于根据网络的状态生成网络状态参数;
路径代价计算部,用于根据所述控制策略参数、所述网络状态参数和网络拓扑信息计算各个备选路径的路径代价;以及
路径确定部,用于在备选路径中选择出路径代价最小的路径。
11.根据权利要求10所述的装置,其中
所述网络状态参数生成部监视并记录网络中各个链路的链路利用率Ulink以作为所述网络状态参数;并且
所述路径代价计算部根据所述控制策略参数和所述链路利用率Ulink计算路径中包含的所有链路的链路代价Clink,并累加路径中包含的所有链路的链路代价作为所述路径代价。
12.根据权利要求11所述的装置,其中在QoS路由的情况下,所述路径代价计算部根据下面的公式计算所述链路代价Clink
C link = 1 1 - Util _ weight &times; U link .
13.根据权利要求12所述的装置,其中所述路径代价计算部把路径中的最大链路利用率作为该路径中所有链路的链路利用率以计算所述路径代价。
14.根据权利要求11所述的装置,其中在best-effort流量动态负载均衡的情况下,所述路径代价计算部按照下面的公式计算所述链路代价Clink
C link = 1 1 - Util _ weigt &times; U link , Util _ weight &times; U link < 1 Max _ Cost , Util _ wieght &times; U link &GreaterEqual; 1
其中,Max_Cost是预定的常数。
15.根据权利要求10所述的装置,其中,控制策略参数生成部根据预定的路径跳数阈值和链路利用率阈值中至少一项来生成所述控制策略参数。
16.根据权利要求12所述的装置,其中在QoS路由的情况下,所述控制策略参数生成部按照下面的公式生成所述控制策略参数Util_weight
Util _ weight = m ( m + n ) - n &CenterDot; U max
其中,n是备选路径中的最小跳数路径的跳数,m是所述路径跳数阈值与n之差,Umax是所述的链路利用率阈值。
17.根据权利要求12所述的装置,其中,在best-effort流量动态负载均衡的情况下,所述控制策略参数生成部按照下面的公式确定所述控制策略参数Util_weight
Util _ weight = 1 U max
其中,Umax是所述的链路利用率阈值。
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