互聯網域內流量工程綜述

耿海軍，王 威，王 浩，羅舒婷，尹 霞

1(山西大學 計算機與信息技術學院，太原 030006) 2(清華大學 計算機科學與技術系，北京 100084) 3(山西大學 自動化與軟件學院，太原 030006)

1 引 言

當前互聯網的飛速發展使得ISP(Internet Service Provider，互聯網服務提供商)之間的競爭愈發激烈.為了處理大量的新興網絡程序，滿足不斷增加的用戶數量，ISP必須快速部署更多的網絡和資源來滿足不斷增長的用戶需求.在此環境下，ISP面臨的最重要的挑戰便是如何在保證網絡的QoS(Quality of Service，服務質量)的前提下，將客戶的業務流準確無誤地映射到物理的網絡拓撲上.對ISP來說，流量工程(Traffic Engineering，TE)技術是達成這一目標的一個強有力的工具，通過流量工程技術，ISP就可以在網絡中平衡數據流量和網絡資源；從而有效地利用整個網絡所提供的帶寬資源，提高服務質量.

將業務流映射到現有物理拓撲上的任務被稱作流量工程.而在網絡工程學科的范疇中，流量工程則被定義為網絡的性能評估問題以及網絡的性能優化問題[1].流量工程包含網絡中流量的測量、表征、建模和其在流量控制中的應用[2].從流量和資源兩方面入手來提升網絡性能是互聯網流量工程的主要目標之一.在滿足流量性能的要求下，同時又經濟又可靠地利用網絡資源，可以實現這一目標.流量的性能指標主要包括數據報延遲，數據報丟失和數據報吞吐量等.

互聯網流量工程的另一個主要目標是提升網絡的可靠性[2].網絡的可靠性可以通過應用增強網絡完整性的機制或者采用增強網絡生存能力的策略來提升.這些機制和策略的使用可以最大程度地減少因為網絡基礎架構內發生的錯誤和故障而導致的服務中斷，從而使得網絡的可靠性得到有力的保障.

網絡的性能和服務質量與流量在網絡中的路由機制緊密相關，如何通過實現流量路由的優化來提高網絡性能和服務質量早已成為網絡中的熱門話題.

根據流量工程的優化范圍，我們將流量工程分為域內流量工程和域間流量工程.域內流量工程是指優化業務范圍在一個自治域內的路由，為該域內業務選擇最優化路由，從而保證自治域內具有良好的負載性能.域間流量工程是指優化業務范圍在多個自治域之間的路由，為業務需求選擇最優的進入自治域的入口和離開自治域的出口，從而使得域間業務能均勻分布于鏈路上，提高網絡性能.本文將對現有的一些域內流量工程方法進行一個簡要的歸納和整理.

如圖1所示，針對流量工程問題的解決方案，根據網絡種類的不同，大致可以分為3類：一類研究傳統IP網絡中的流量工程問題；另外一類研究新型SDN體系結構中的流量工程問題，最后一類則為混合SDN網絡中的流量工程問題.

圖1 互聯網域內流量工程分類

2 傳統IP網絡中的流量工程問題

2.1 早期的流量工程方法

2.1.1 ARPANET中的自適應路由

傳統網絡起源于1969年美國的ARPANET，事實上，早期版本的ARPANET便已開始優化數據網絡的性能；與此同時，其他早期的商業網絡(例如SNA)也早已認識到性能優化和服務差異化的重要性[3].ARPANET基于網絡的狀態來制定路由決策[4].早期的自適應的最小時延路由是將每個數據報沿著預估傳輸時間最小的路徑轉發到其目的地.與此同時，網絡中的每個節點都會維護一個“網絡時延表”，該表表示數據報沿給定路徑到達其目的地所經歷的估計時延，該表會由節點定期發送到其鄰居.早期“自適應路由”方法的缺點是動態鏈路的度量會導致“流量磁鐵”現象，即網絡擁塞并未被解決，只是從網絡的一個位置轉移到了另一個位置，這會導致網絡的振蕩和不穩定.

2.1.2 基于ToS的路由

基于ToS(Type of Service，服務類型)的路由選擇取決于IP數據報的ToS字段[5].ToS字段是表示IP數據報所需服務質量抽象參數的一個指標.在基于ToS的路由選擇中，每條鏈路都有一個專屬的“成本”，用來計算其ToS字段專屬的轉發路徑；而每條鏈路的“成本”都和其他鏈路的“成本”相關聯.路由轉發時，路由器會為每個數據報計算一個單獨的最短路徑樹.由于必須為每個數據報運行最短路徑算法，基于ToS的路由選擇的計算成本會變得極其昂貴.由于IETF工作組使用Diffserv字段替換了功能不足的ToS字段，現在基于ToS的路由選擇早已過時.其實在傳統的基于ToS的路由中很難執行有效的流量工程，因為每個數據報的轉發僅僅依賴于其ToS字段對應的最短路徑樹，這會導致網絡內的流量集中在本地.

2.1.3 覆蓋網絡

覆蓋網絡(Overlay Network)是一種面向應用層的網絡，這種網絡基本不考慮網絡物理結構的問題.覆蓋模型的一個典型的應用是虛擬電路技術(例如ATM，幀中繼或WDM網絡)在虛擬電路網絡中，通過虛電路連接的兩個路由器之間的鄰接關系與物理路由無關.因此，覆蓋網絡實質上將路由器視角的邏輯網絡拓撲與ATM，幀中繼或WDM網絡管理的物理拓撲進行了分離.這樣，網絡管理員或自動機就可以通過重新配置虛擬電路的方式來執行路徑優化；比如可以在擁擠或次優的物理鏈路上布置虛擬電路，將轉發路徑鏈接到較不擁擠或更理想的位置[6].這種方式雖然靈活簡便，但是使用基于虛擬電路的IP覆蓋網絡需要管理具有不同技術(IP和ATM)的兩個獨立網絡，這會導致操作復雜性和成本增加.

2.2 多路徑路由

2.2.1 多路徑路由概述

以往使用最短路徑算法的網絡中的路由協議均采用單路徑的方式進行路由轉發，簡單地講，單路徑路由認為從源到目的地，所有的數據報都只通過一條路徑進行轉發，這就造成了一些問題，首先，采用單路徑路由的主干網必定無法承受過多的流量，其次，單路徑路由中只有一條鏈路在工作，其它鏈路都處于備份狀態或無效狀態，這就造成了網絡資源的浪費；除此以外，若網絡拓撲采用了動態路由技術，那么在單路徑路由的環境下進行鏈路的切換也需要很長時間.

為了解決這些問題，人們提出了多路徑路由.多路徑路由將節點與節點之間的路徑從一條擴展到了多條，在增加了傳輸帶寬的同時，還能夠確保無時延無丟包地備份失效鏈路的數據傳輸，因此，多路徑路由的兩個核心問題便是路由選擇和流量分配.

在多路徑路由方案中，為節點提供多個路徑的主機必須計算源點和目標之間的路徑集，用于確定路徑集的兩個特征是路徑數量和路徑獨立性.路徑數量是節點之間可用路徑的數量，路徑數量越高，在該路徑集上進行流量負載均衡的效果就越好.

路徑集選擇的第2個特征是路徑之間的獨立性.假設有一個具有兩條路徑(a，b，c，d)和(a，f，c，d)的路徑集，以及一個具有兩條路徑(a，b，c，d)和(a，f，e，d)的路徑集，如圖2所示[7].如果需要對這兩個路徑集進行選擇，那么應當選擇第2個路徑集.因為如果路徑a-b-c-d被堵塞的話，第1組的第2條路徑a-f-c-d也會被堵塞，但是第2組的第2條路徑a-f-e-d不會被堵塞，因此，在路徑集的選擇中，應當優先考慮路徑獨立性較高的路徑集.

圖2 多路徑路由方案簡述

為了能夠讓路由轉發機制適應不同情況下的網絡環境，人們對路由的轉發方式進行了分類，分為靜態路由和動態路由兩類.靜態路由的含義是指由網絡管理員設計或路由表規定的路由.只有網絡管理員對路由進行手動更改，靜態路由才會發生變化，否則不會變化；動態路由則是根據路由選擇協議動態創建的，路由協議之間通過交換它們各自所擁有的路由信息實時地更新路由表中的相關內容.對于這兩種路由轉發方式，學者們設計了多種流量工程方案.

2.2.2 靜態多路徑路由方案

1)分布式多路徑路由

該方案幾乎是最早將多路徑路由應用于流量工程問題中的方案.R.G.Gallager開發了這個多路徑路由的分布式計算框架，該框架在假設固定輸入和鏈路的情況下，保證了最小的網絡平均時延[8].但是由于算法固定輸入和鏈路的假設，使得算法很難布置在實際的網絡上；此外，由于互聯網規模的擴大導致動態路由技術的廣泛應用，因此該方式早已過時.

2)等價多路徑路由(ECMP)

等價多路徑(ECMP)是另一種嘗試解決最短路徑優先(SPF)網絡中內部網關路由系統中的缺陷的技術[9].在經典的SPF算法中，如果存在到給定目的地的兩條或更多條最短路徑，則算法將隨機選擇其中一條路徑進行轉發.ECMP針對這一算法進行了修改，如果兩個節點之間存在兩個或更多等價最短路徑，則節點之間的流量將分布在多個等價的路徑之間.跨等價路徑的流量分配通常以以下兩種方式之一執行：分組轉發或者在源地址、目標IP地址或者其余可能的IP地址的標頭字段上使用散列進行基于流的處理.

在實際的網絡流量轉發中，第1種分組的方法很容易導致數據報亂序，而第2種方法則取決于數據流的數量和分布.在流量相對較小且異構程度較低的企業網絡中，基于流量的負載共享可能是不可預測的，但在流量較大的核心公共網絡中，這種方法是有效的.

ECMP方案只需要對SPF算法做一些簡單的修改即可在實際網絡拓撲中部署，因此ECMP方案實行起來特別方便；但是網絡管理員只能通過調整鏈路的“成本”來使網絡拓撲中的最短路徑達到“等價”的情況，而這一問題被證實為NP-Hard問題[10]，因此現實中并不存在完全等價的最短路徑.

由于ECMP方案在實現時并不考慮帶寬限制和網絡擁塞，僅僅只是嘗試在等價成本路徑之間盡可能均等地分配流量.因此，ECMP可能會導致網絡的擁塞更嚴重(例如給定一條擁塞和一條不擁塞的等價成本路徑，ECMP仍然會向擁塞的鏈路轉發數據報).除此以外，ECMP的另一個缺點就是無法在成本不相同的多條路徑上實現負載共享.基于以上種種的缺陷，ECMP方案在流量工程中的應用并不廣泛.

3)約束路由的線性規劃方法

前文中的ECMP方案主要嘗試解決路由選擇和流量轉發的問題，而約束路由的線性規劃方法則專注于解決流量分配時的路由選擇問題.

早期的互聯網在制定路由決策時，路由協議并不考慮流量屬性和容量限制.這導致流量集中在網絡基礎結構的一部分里從而導致網絡擁塞的出現；這些不足激發了人們對于添加約束條件的路由和顯示路由的興趣.

約束路由的線性規劃方法是將線性或分段線性懲罰函數與網絡中的每條鏈路相關聯，從而使得每條鏈路有了“約束”.而該線性規劃的目標就是最小化網絡中所有鏈路的“懲罰”.我們可以將鏈路的丟包率或網絡延遲近似為懲罰函數.接著使用M/M/1排隊模型對“懲罰”進行排序或使用其他方法求解這一線性規劃(LP)問題；從而獲得流量分配的方案.

對于此問題，Y.Wang等提出了流量分配的分叉線性規劃問題，并且提出了非分叉問題的解決方法[11]；雖然Y.Wang等人最大限度地減少了鏈路利用率的最大值，但它并未考慮總的網絡資源和約束條件，這就導致該方案應用到實際網絡中會有偏差.

針對這一缺陷，L.Wang等人又提出了一種新的最小化鏈路利用率最大值的線性優化問題[12].通過求解該問題，可以得到最優的流量分配.但是該方法是一種集中的方法，它也提前設定了網絡的需求矩陣和靜態流量.該方案的主要貢獻在于證明了通過調整鏈路權值可以將流量分叉選擇問題轉化為最短路徑問題，這為線性規劃方法在流量工程中的應用提供了新的思路.

通過線性規劃方式進行路由選擇是一種有效的方法，這種方式可以給網絡中的路由性能帶來顯著的提高.但是由于流量分割技術的限制，較大的計算復雜度以及對性能權衡標準的不一致，使得該方式很難應用在實際網絡中.

以上幾種方案都僅僅適用于靜態路由的情況，隨著網絡規模的不斷擴大，動態路由技術得到了廣泛的應用.接下來我們將討論適用于動態路由中的多路徑路由方案.

2.2.3 動態多路徑路由方案

針對動態路由中的多路徑路由方案，S.Bahk等首先提出了一個考慮面向連接的同構高速網絡的動態多路徑路由方案[13].該方案的基本目標是在網絡擁塞時彌合路由和擁塞控制之間的差距.由于IP數據報在高速網絡中的傳播延遲遠遠超出了其排隊和傳輸的延遲，因此在流量負載均衡正常的條件下，這一方案可作為最短路徑優先算法.但是，當最短路徑變得擁擠時，源節點為了分配流量，減少IP數據報的丟失，便會在鏈路可用時使用多條路徑同時轉發數據報.因此該方案可以視作備用路徑路由和中繼預約的交叉.

在合理的協議和計算開銷下，傳統的用于IP流量的負載敏感路由方法是無效的，而且這些方法可能會導致嚴重的路由震蕩問題，這是因為源節點選擇路徑時，參考的都是已經過期的路由信息[7].盡管通過在數據流的層次上執行負載敏感路由可以提高網絡的穩定性，但網絡仍然可能會發生震蕩，因為相比于源節點所需的路由狀態的更新頻率，大多數IP數據流的持續時間非常短.為了解決負載敏感路由的效率和穩定性問題，A.Shaikh[14]等引入了一種新的混合方法，該方法對長周期流執行動態路由，同時在靜態預配置路徑上轉發短周期流.通過將長生命周期流的檢測與路由協議中鏈路狀態更新消息的時間尺度相關聯，路由穩定性得到了大大的提高.但是，流觸發器只在靜態網絡供應策略下考慮.

路由器在將流量分發到多條路徑時，應當自適應地將流量分配到每條路徑，從而實現多路徑間的負載均衡，這是因為大多數IP數據流持續時間極短，并且流量大小并不遵循正態分布.此外，路由器應該將屬于某個流的IP數據報分發到相同的下一跳，以免導致端到端的性能下降.基于此，Youngseok Lee等提出了一種基于流量分類器的自適應多路徑負荷控制方法[15]，該方法通過流量持續時間和流量大小的特性來檢測“長壽命”的流量.通過將數據流分為長期數據流和短期數據流，有效地避免了突發的瞬態數據流造成的阻塞.該算法能自適應地控制滿足給定負載比的多條路徑的負載，并能通過匯聚目標網絡的預處理來維持路由器的最小流量狀態.在流分配中，將長時值、高比特率、大流量的流(稱為“基”流)與短暫的瞬態流區分開來，分配到主路徑上.圖3描述了帶有流分類器的入口路由器轉發的過程.入口路由器不屬于基本流(稱為“瞬時”流)的IP數據報被轉發到輔助路徑.

圖3 帶有流分類器的入口路由器轉發模式

2.3 MPLS-TE

2.3.1 MPLS簡介

多協議交換標簽(Multi-Protocol Label Switching，MPLS)技術的出現為流量工程的發展帶來了新的思路.正如前文所言，傳統互聯網中路由決策的缺陷激發了人們對于添加約束的路由和顯示的路由轉發策略的興趣.基于此，IETF提出了這一新技術.

MPLS是一種先進的轉發方案，它還包括擴展到傳統的IP控制平面協議.MPLS擴展了Internet路由模型，增強了IP數據報的轉發和路徑控制[16].接下來本文將簡述一些MPLS相關的內容以便讀者理解.

當IP數據報在進入一個MPLS域時，標簽交換路由器(LSR)根據多個參數將IP數據包劃分為轉發等價類(FEC)，這些參數包括IP數據報報頭中攜帶的信息和LSR維護的本地路由信息.劃分出轉發等價類后，LSR根據它們的轉發等價類，為每個包預先加上一個MPLS標簽.在非ATM/FR環境中，標簽有32位長，其中包含一個20位標簽字段、一個3位的實驗字段(以前稱為服務類字段或CoS字段)、一個1位標簽堆棧指示器和一個8位TTL字段.在ATM /FR環境中，標簽由VCI/VPI(DLCI)字段中編碼的信息組成.

在添加好數據報中的標簽后，LSR使用這一標簽作為索引，并且將其作為本地下一跳標簽轉發條目(NHLFE)來進行轉發.傳入的數據報中的標簽可以替換為傳出的標簽，IP數據報可以發送到下一個LSR中.在數據報離開一個MPLS域之前，它的MPLS標簽會被移除.

MPLS網絡中數據報的轉發路徑稱作標簽交換路徑(Label Switching Path，LSP).LSP是入口LSR和出口LSR之間的路徑，有標簽的封包都要經過這個路徑.顯式LSP的路徑在入口LSR上定義.MPLS可以使用諸如RSVP或LDP等信令協議來設置LSP.

MPLS是用于Internet流量工程中的一項非常強大的技術，因為它支持顯式的LSP，這些LSP允許在IP網絡中有效地實現基于約束的路由[17].在文獻[18]中討論了對RSVP協議的擴展以支持顯式LSP的實例化；而在文獻[19]中介紹了對LDP協議的擴展，稱為CR-LDP，通過該擴展以支持顯式LSP.關于MPLS的流量工程的標準則在文獻[2]中進行了描述.

因此， MPLS網絡中流量工程的實現方式有以下兩種，這些方法都是基于MPLS中的協議來實現的.他們分別是：基于流量工程擴展的資源預留協議(RSVP-TE)、基于路由受限標簽分發協議(CR-LDP).

2.3.2 基于流量工程擴展的資源預留協議

RSVP-TE是對MPLS中RSVP協議的擴展，RSVP-TE通過擴展對象來支持MPLS網絡中的流量工程工作，例如，RSVP-TE在RSVP協議的Path消息中引入了Label Request對象來支持發起標簽請求，在RSVP協議的Resv消息中引入Label對象來支持標簽分配，這樣就可以在MPLS網絡中建立基于路由受限的標簽分配路徑(Constraint-based Routing-Label Switching Path，CR-LSP).RSVP-TE多用于新一代IP高速骨干網絡例如ASON中建立基于約束的路由.

如圖4所示，RSVP-TE建立LSP的過程可簡要描述如下：

圖4 RSVP LSP建立流程

1)在入口LSR中依據流量工程的要求使用約束最短路徑算法CSPF計算得出CR-LSP所經過的路由器路徑.

2)入口LSR產生Path消息，根據計算的路徑向出口LSR方向發送.Path消息經過的LSR，都將根據該Path消息生成路徑狀態.

3)出口LSR收到Path消息后，產生Resv消息沿著Path消息發送的反向路徑逐跳返回入口LSR.與此同時Resv消息會在經過的LSR上預留資源，生成LSP.

4)入口LSR收到Resv消息，CR-LSP路徑成功建立.

針對于基于RSVP的流量工程，文獻[20]中首先設計了一個RSVP-TE協議測試系統模型，并且搭建了一個測試框架.該框架實現了不同的RSVP-TE方法的對比，為其后的RSVP-TE研究做出了貢獻.

文獻[21]中描述了RSVP-TE在自動交換光網絡中動態建立刪除連接的方式；除此以外，文獻還搭建了仿真模擬平臺，實現了前向資源預留(FRP)和后向資源預留(BRP)這兩種方式，并且比較了這兩種方案的性能.作者的主要貢獻在于發現在相同的仿真環境以及網絡負載的情況下，BRP模式下的網絡性能由于FRP模式.

鄧宇等人針對FRP和BRP的一些缺陷，提出了一種綜合FRP和BRP的新的資源預留方式-單波長預留BRP方式[22].該方式主要應用于ASON網絡中.其基本思路為從源節點開始嘗試預留一個資源(光網絡中為單個波長 )；如果到下游節點發現該資源仍然可用，就繼續保持預留，如果不可用，就按照BRP的方式進行處理，并且不再預留其他資源.這一方案克服了BRP的平均業務建立時間較長、控制帶寬開銷大的缺點.

Qingguo Shen等人則提出了另一種資源預留方案-NUBR[23].作者認為RSVP-TE中平坦且統一的帶寬保留機制(在隧道的每個躍點上保留相同的帶寬)忽略了這些鏈路可用帶寬的差異，從而導致某些擁塞鏈路的帶寬很快耗盡，而其他鏈接沒有得到充分利用.為了進一步提高網絡的負載均衡和資源利用率，提出了一種非均勻帶寬預留(NUBR)方法.其主要思路為：沿著隧道的每個節點可以根據其自身的可用資源靈活地預留不同的帶寬.這樣就可以通過在空閑鏈路上積極地進行保留來減少在擁塞的鏈路上的保留帶寬.與傳統的均勻帶寬預留方法相比，該方案支持更多的多協議標簽交換隧道.

2.3.3 基于路由受限標簽分發協議

MPLS的標準信令協議是LDP，然而 LDP自身并不可以支持流量工程；因此人們對LDP協議進行了擴展，提出了CR-LDP.實際上，CR-LDP 就相當于給LDP協議擴展了顯式路由的功能[24].

如圖5所示，CR-LDP建立LSP的過程可簡要描述如下：

圖5 CR-LDP LSP建立流程

1)入口LSR預留資源，并且建立一個包含有轉發LSR到出口LSR的顯式路由和該路由所需各種參數的標簽請求信息(Label-Request ).

2)轉發LSR收到這一Label-Request，接著預留出新LSP所需的資源，然后修改Label-Request中的路徑，最后把這個信息傳送到出口LSR.

3)出口LSR運行所有資源上的最終談判，并為這一LSP預留資源.之后出口LSR會對這個新的LSP分配標簽，同時在標簽映射信息中發送此標簽至轉發LSR，這個標簽映射信息包括了該LSP預留的資源的細節.

4)轉發LSR接收到了標簽映射，然后使用在標簽請求和標簽映射中都出現的LSP路徑跟這個標簽映射進行匹配.接著給LSP分配標簽，建立發送表的入口.最終在標簽映射信息里將這個新標簽傳遞至入口LSR.

5)入口LSR的處理與轉發LSR類似，唯一的不同在于入口LSR沒有上游.

文獻[25]針對MPLS中CR-LDP沒有提供支持組播的機制這一缺陷，提出了如何使用CR-LDP實現組播機制.作者對CR-LDP消息進行了擴展以支持組播功能的實現，除此以外，對于組播路徑的選擇與建立，組播樹的建立，作者也提出了對應的解決辦法，為其后的研究提供了新的思路.

文獻[26]提出了一種基于CR-LDP中TLV(類型長度值)的流量工程實現策略及算法.作者提出了一個判別函數，該函數綜合考慮了一條鏈路在業務傳輸地位中的重要性，當前路徑承擔的流量負載情況以及一個業務流遷移的優先級這3個重要參數，每次都會選擇一條滿足遷移策略條件的業務流對其進行遷移.該策略主要目標是將適合于遷移的TLV結構業務流進行遷移，從而達到提高網絡資源利用率的目的.

由于基于CR-LDP的流量工程在技術上的不成熟，使得當前基于CR-LDP的流量工程應用較少，但是基于CR-LDP的流量工程在擴展性和可操作性上有很大的優勢.

3 新型SDN網絡中的流量工程問題

現如今，互聯網飛速發展，Internet服務提供商面臨的挑戰與競爭愈演愈烈，主要來自于如何使他們現有的客戶滿意度提高，并保持高速穩定增長.起初，也就是ISP必須提供的基礎服務，即ISP必須在自己管轄范圍內提供多條具有不同網絡帶寬的可以穩定提供服務的網絡線路.換言之，ISP必須使得他們的付費用戶連接到已經安放好的網絡物理拓撲結構上.在對整體網絡規劃完好后，ISP需要將付費用戶的具體業務需求映射至安放好的網絡物理拓撲結構上.流量工程本質上是用于解決網絡問題的一套方案，不管網絡設備和傳輸線路當前處在何種情況下，它都可以從給定的基礎設施中提取最優的服務.也就是說它要對已安放好的資源進行優化.也就是對網絡方面相關問題規劃出的一套行之有效的措施.流量工程嘗試著讓目前處在網絡中的現有業務量以最適宜的方式跑在具體的物理網絡結構之中.

SDN是由Emulex公司提出的一種創新型網絡架構，其主要目的是對網絡上有限的資源進行最優化利用，減少資源浪費，提高資源利用率，并通過將控制平面與數據轉發平面相分離的方式來達到對網絡資源的靈活管理.當前SDN 網絡控制架構的發展主要從4D架構、Ethane架構、OpenFlow架構以及可擴展性架構這4個階段考慮.

對于SDN流量工程，學者們也進行了深入研究.

文獻[27]以新型網絡架構SDN為基礎，對傳統的IP網絡流量工程進行深入地分析和研究，主要從網絡實現原理、相關技術及功能支持等方面來對IP網絡中的流量工程相關問題進行探討，對IP網絡中關于流量工程的實現步驟進行了仔細地分析，經過反復實驗得出，文獻中提出的基于SDN的IP網絡流量工程具有很好的準確性和有效性，此外結合SDN網絡可編程模式的擴展性，在不需要對每個交換設備進行逐一配置的前提下，僅利用控制器中提供的更新策略就可以完成對流量管理功能的升級，利用Open Flow協議能夠對多種流量信息進行獲取，降低了成本.但值得關注的是，目前文獻中提出的基于SDN的IP網絡流量工程僅僅能夠實現對較基礎業務的流量進行較為有效地管理，但對于IP網絡中所涉及的流量需要進一步加密等眾多對網絡要求較高的復雜業務來說，還需要投入更大的精力去研究和改進.

文獻[28]首先闡述了SDN的關鍵技術，總結為兩個方面：資源敏感性動態化以及網絡分域虛擬化，并指明上述兩個方面為日后SDN的主要發展方向.其次解釋了目前網絡業務承載及規劃的弊端，并對自研開發的傳送網流量工程規劃平臺進行了詳細的介紹.在平臺模擬的輔助之下，重點對多路徑分擔承載、網絡容災、主備業務承載這3種應用場景進行了展示.最后，總結并論述了SDN在實際生活中的應用價值，進一步深化了傳送網流量工程的含義.

文獻[29]提出了一種基于SDN分層組播的視頻會議系統架構，該系統利用SDN控制器可以獲取全局網絡拓撲以及流量狀態等信息，及時發現擁塞鏈路，實時監控網絡狀態并動態調節視頻層數.經實驗驗證，該系統提供了靈活高效的分層視頻流服務，不僅能保證視頻服務質量，還能夠降低延遲，節約帶寬.

針對新型網絡中的多路徑問題，文獻[30]提出了一種基于SDN的數據中心網絡動態流量調度方法.這種方法憑借sFlow 的良好采樣能力，對網絡中與大象流的相關的信息以及網絡狀態的變化情況進行采集.然后通過等價多路徑的方法去得到切實有效的路徑，以使網絡中的鏈路呈現多樣化.最后，文獻中提到了可以結合多商品流問題來對大象流的多路徑選擇進行建模，通過粒子群算法來求解這類問題的最優解，以使大象流能夠順利地規避已經處于堵塞狀態的路徑，從而大幅提升全網的資源利用率.文獻經過大量實驗驗證得出，大象流在多數情況下都會與動態流量調度方案相互結合使用，在大流碰撞較頻繁的環境中能夠比ECMP算法取得更加良好的調度效果，網絡鏈路的利用會更加充分，平均對分帶寬也更高.

現如今在常見的數據中心使用的網絡中，若使用傳統意義上的ECMP 的流量調度方法遇到大流碰撞相關問題司空見慣，而 SDN擁有很好的集中控制能力，并且具備全局視圖的優點，對網絡中大量存在的大象流進行很好地調度.

作為新型的網絡架構，SDN更加契合目前互聯網技術的發展方向，相較于傳統的MPLS流量工程、IP流量工程，SDN網絡流量工程具有更加智能化和高效化的優點，能夠滿足不同網絡用戶的需求，其主要優勢包括：

1)集中可見性.從SDN網絡流量工程在信息層面上的綜合規劃來考慮，該類型網絡架構在這一層面上應用極其廣泛，其所需要使用的信息同時兼顧了3個重要特點：全球性、全網性、可視性.例如 QoS 要求、網絡動態等，在智能整合全網相關資源后，能夠給用戶提供廣泛而豐富的網絡資源.

2)可編程性.依賴SDN控制器能夠很好地實現編程功能，利用主動編程、動態編程的方式來對交換機進行管理，實現對現有網絡資源的優化配置.通過SDN控制器能夠對數據集成化處理，巧妙地規避了依次處理單個設備的煩瑣流程，節省了大量的時間和能耗，從而全面提升了網絡運行速率和流暢性，有效避免了在網絡中發生堵塞的現象.

3)開放性.由于SDN網絡環境具有數據層接口和控制器直接進行連接的優勢，因此不需要服務提供商方面相關程序的染指，對用戶所需的相關數據傳輸、轉發、采集等請求可以快速完成，此外目前很多網絡是開放性質的網絡，使用SDN網絡能夠全面提升數據轉發速率，同時，信息面也會得到進一步拓展.

4)靈活高效性.在新型網絡SDN的支持下，交換機遵循Open Flow協議，這樣會使得流表管道進一步增多，網絡流量的傳輸速率得以大幅提高，有效地增加了管道總體容量，提高了網絡中流量管理的效率，進一步增強了管理的靈活性和高效性.

4 混合SDN網絡中的節能問題

目前隨著網絡的進一步發展，互聯網面臨更加復雜的網絡結構，大規模部署SDN 網絡已經成為一種趨勢.現如今網絡部署很少是單一的網絡架構，大部分情況是在傳統網絡設備中逐步加入SDN設備，因此對混合SDN網絡中的相關流量的優化處理成為當下的熱議話題.

現如今在混合 SDN 網絡中，現存網絡中已經部分采用SDN交換機.可是在現有網絡架構中，仍存有部分傳統交換機按照最短路徑優先原則來提供支持，以對轉發鏈路進行挑選，而且網絡中的流量流經傳統交換機時，具有相同目的地址的業務流量都由某一確定的端口進行轉發.網絡中涉及到的每一條鏈路都配有自己的優先執行等級，用于根據傳統意義上的路由協議來規劃出相應的網絡轉發樹.而SDN交換機在進行數據轉發時由控制器統一進行轉發，在控制上實現了細粒度特性.在這種環境下，同一目的地址的流量會被分散到多條實際鏈路中，以在全網環境中達到網絡負載處理的均衡.

由于混合網絡存在很大的靈活性，SDN節點部署的位置及數量都將對流量工程的功能產生顯著影響，因此混合網絡中的流量工程機制需要注意研究如何利用少數的SDN節點提供的SDN能力來最大化地提升混合網絡的性能.為此，文獻[31]提出了針對混合網絡中使用的流量工程算法，依據混合SDN網絡的特點，該文獻將流量工程的研究大致分3步進行執行：起初利用子區域劃分算法明確傳統網絡向SDN網絡遷移過程中需要使用到的節點數量和節點的最佳安放位置，在符合該文獻要求的混合網絡中提出了使用LSA更正和SDN流表配置兩種手段調控跨子區域網絡流量的算法，采取能夠最大化跨區域流量的圖劃分算法、以最小化網絡鏈路利用率均方差為適應度函數的遺傳算法和最大并行流問題中的完全多項式時間近似算法執行具體的計算過程，并基于Floodlight控制器對流量工程算法進行仿真實驗，針對該文獻突出的子區域劃分算法的性能和效果進行了分析，通過實驗結果驗證了文獻中遺傳算法適應度函數選取的合理性，并通過不同的流量矩陣、不同的網絡拓撲從最大鏈路利用率以及利用率分布的角度分析了文獻中流量工程算法的優越性.

文獻[32]規劃出對混合SDN網絡中的流量進一步優化的相關模型，通過進行實驗并依據所得細致地推導，明確了在安放混合SDN網絡時會出現的絆腳石以及在具體工作時各種交換設備的具體轉發方式.該文獻借助啟發式的貪心算法和遺傳算法來提供相關支持，針對SDN 網絡交換機增量安放策略及鏈路狀態按需規劃方案進行了確定，根據不同網絡中流量和拓撲結構的不同，動態地確定在具體網絡中如何合理地安放SDN交換機，以及對需要的所有相關鏈路的負載情況進行確定.經分析該文獻提供的相關數據可得，文獻中所提出的方案可以對網絡中的能源消耗量進行較好的控制，以及降低在具體的部署時所需的成本，同時也能滿足大部分復雜網絡對負載均衡能力的需求，對實際使用具有實用性意義.此外該方案可以與SDN交換機安放完成時的流量工程算法結合使用來發揮最大功效.

相較于傳統網絡對資源的管控程度，軟件定義網絡對網絡中的管理模塊進行了優化，能夠實現在最大程度上調控資源，同時結合編程技術對資源管理進行了創新，大幅提高了網絡資源的利用率，最大限度地滿足了用戶對流量的相關需求.

現如今混合SDN網絡中的流量工程取得了實質性的進展，但很多情況中都在網絡的整體負載均衡方面欠缺考慮，以及缺乏對SDN結點的處理能力的關注，為此文獻[33]提出了一種多目標路由優化算法—MCS(Minimum Cost Sum，最小代價和)，用此模型來對整個網絡的傳輸延遲與鏈路利用率進行綜合考慮，同時保證SDN節點的處理能力滿足業務需求中的約束條件，最終實現整體網絡的綜合性能的最優化.由文獻中提供的相關信息可知，當網絡整體負載很小時，MCS與現有的SOTE(SDN/OSPF Traffic-Engineering，軟件定義網絡/開放最短路徑優先流量工程)在算法性能方面不分昆仲；而在網絡架構日趨完善的同時，對網絡的負載能力方面的要求越來越大，MCS較SOTE來說，可將縣現存網絡中的負載降低約9%，因此，MCS算法更能經得起大型綜合網絡中對網絡負載方面的相關需求.

通過與眾多現存于混合SDN網絡流量工程中的方法做比較可知，文獻中提出的流量工程相關算法能夠更好地移用網絡中的空暇鏈路處理堵塞鏈路上的流量負載，從而使得網絡鏈路利用率分布更加平衡，取得更好的網絡性能.

文獻[34]的作者在SDN的基礎上提出了一種新型智能網絡架構，其核心在于智能決策層.它對強化學習中的狀態空間、行為空間以及每個智能體的獎勵值函數進行了設計，隨后在智能決策層部署了MADDPG-TE算法，利用K-Shortest算法計算出的路徑作為預計算的路徑集合，搭建仿真環境并利用仿真環境進行實驗分析，結果證明該算法可以有效地在路徑上進行流量分配以達到網絡效用最優化的效果.相比于其他方法，這種算法能夠集中訓練，分布式執行，既保證了網絡性能，又降低了控制器的壓力.下一步則計劃在真實的網絡環境下進行測試，提高其實際應用價值.

該方法與傳統的SDN流量工程策略的比較分析：傳統的流量工程策略研究大多集中于構建和求解數學模型方面.針對其計算復雜度過高的問題，該文獻提出了一種經驗驅動的基于多智能體強化學習的流量分配算法.這種算法在無需求解復雜數學模型的條件下即可在預計算的路徑上進行有效的流量分配，從而智能且充分地利用網絡資源.

段路由(Segment Routing，SR)是一種廣泛應用于流量工程(Traffic Engineering，TE)中的源路由模式.通過使用SR，節點通過稱為段的有序指令列表來引導數據包.通過對內部網關協議的一些擴展，SR可以應用于沒有信號協議的IP/MPLS或IPv6網絡.由于經濟和技術問題，很難將現有的IPv6網絡直接升級到一個完整的SRv6網絡.為此，文獻[35]提出了一種權重調整算法(Weight Adjustment-SRTE，WA-SRTE)，該算法能夠將問題轉化為深度強化學習問題，同時對OSPF權值和流量路徑進行優化.實驗表明，在部署20%～40% SR節點的情況下，WA-SRTE算法幾乎可以實現與全SR網絡相同的性能.針對動態流量的特殊性，文獻[36]則提出了另一種權重調整算法(Weight Adjustment algorithm，WASRA)算法，將部分傳統IP網絡更新到SR網絡，從而形成一個動態混合的SR網絡.實驗表明，WASAR算法在減少動態流量下的最大鏈路利用率方面具有優越的性能.

5 互聯網域內流量工程比較

表1總結了不同互聯網域內流量工程方法的優缺點.

表1 不同互聯網域內流量工程方案的優缺點

無論是傳統網絡的流量工程問題，還是新型的SDN網絡的流量工程問題，亦或是混合SDN網絡的流量工程問題；其核心目標都是將流量盡可能正確、合理、平衡地在網絡中的各個鏈路上進行分配；從而防止流量在網絡中堆積造成擁塞.

隨著互聯網技術的不斷發展，傳統網絡中的流量工程技術已經獲得巨大的飛躍.然而現有的傳統網絡中的流量工程方法并不適應復雜多變的流量環境；這些方法都是在已知流量矩陣的情況下進行計算和優化，從而得出一個整體看來最優的優化方法，但是實際網絡中的流量是實時變化的，因此應當加強對不可預測的流量的研究.

與傳統網絡相比，SDN技術由于其在流量控制方面的優勢使得在新型SDN網絡中的流量工程變得開放、靈活、高效，而混合SDN網絡由于共存了兩種性質不同的網絡架構，這勢必會使得混合網絡中的流量工程方法更為復雜，但這同時也給流量工程技術的發展帶來了新的思路.

目前的研究成果已經在很大程度上提高了網絡的可用性，為流量工程的發展做出了值得肯定的成績.然而進一步的探索和提高，仍然需要科研工作者們加快步伐來解決還未攻克的難題.

6 下一步研究方向

6.1 CR-LDP-TE

基于CR-LDP的流量工程較之RSVP-TE有著更為廣泛的優勢.CR-LDP是一種全新的技術，并不存在向后向前的兼容問題，因此其在功能擴展上也比RSVP-TE具有更大的空間.但是目前應用CR-LDP進行流量工程的方法較少，其推廣應用還有待完善，因此CR-LDP-TE是一個可行的研究方向.

6.2 混合SDN網絡中的流量工程

SDN是一種全新的技術，而且升級SDN設備所需的代價極其昂貴，因此在一段時間內，基礎網絡架構必定會處于IP/SDN混合網絡的情況.SDN在流量控制和可操作性上相比IP網絡有巨大的優勢，但是SDN網絡的安全性相比IP網絡卻又處于劣勢，如果能將兩種網絡的優點結合起來，勢必會給流量工程問題帶來新的突破口.

6.3 合理利用新技術

流量分割與路徑選擇歸根結底都是數學問題.伴隨著當前人工智能，機器學習等先進技術的興起，如果使用各種人工智能算法來解決流量工程中的問題，勢必能給網絡性能和服務帶來巨大的提升.

7 結束語

本文對互聯網域內流量工程方案進行了歸納分類，并對現有關于流量工程的研究進行了介紹.對各個方案的優缺點進行了對比，總結歸納了這些方案的不足，并對未來進一步的研究提出想法.