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摘 要：在以往流量工程研究的基础上，对主要的局域 网流量工程技术进行了系统地分析和概括，提出了局域网流量工程的定义，阐述了局域网流 量工程的体系结构和基本方法。
关键词：IP；局域网；流量工程；网络测量；网络控制
中图分类号：TP393.1 文献标识码：A 文章编号：[ HTK]1007—6921(2008)23—0069—03
1 流量工程概述
随着流媒体等实时业务的出现和迅速发展，IP网络面临着新的机遇和挑战。这些新业务对 IP网络提出了新的服务质量要求，不仅要求可靠的数据传输，还要求传输过程的实时性和 可预见性。同时，迅猛发展的网络应用所产生的大量数据给网络带来了极大的压力，要求网 络管理者必须有效地利用有限的网络资源以满足日益增长的带宽需求。流量工程就是在这种 背景下提出的一种用来预测网络状况、控制网络资源、提高网络性能、满足服务要求的网络 技术。流量工程的实质是用来对 IP网络进行网络性能分析和网络优化的工程技术。它涵盖 了用于对 IP网络进行测量、分类、建模和控制的科学原则和工程应用，以及用于实现特定 性能目标的原理和技术。流量工程的目标是通过可靠高效的网络操作实现优化网络资源利用 和提高业务服务性能。
流量工程主要包括两部分：网络测量和网络控制。网络测量包括网络拓扑测量、网络性能 测量和网络流量测量。网络拓扑测量主要是了解网络拓扑结构，用以指导资源调节和流量分 配；网络性能测量主要是通过监测网络的端到端的时延、抖动、丢包率等特性，了解网络的 可达性、利用率以及网络负荷等；网络流量测量主要是对网络数据流的特性进行监测和分析 ，以掌握网络的流量特性，如协议的使用情况、应用的使用情况、用户的行为特征等。
网络测量的目的是通过获取描述网络状况的数据，进行综合分析，为网络控制提供决策信息 。网络控制可以分为微观控制和宏观控制。微观控制是指在数据流层进行控制的网络设备功 能，包括接纳控制、策略控制、质量控制和拥塞控制等，这一系列控制方法可以称为流量控 制。宏观控制是指网络层面的控制与调整，包括拓扑调整、资源分配等，主要解决微观控制 不能解决的一些问题。
综上所述，这里将流量工程定义为：流量工程是一种利用测量技术，获取网络状态信息 ，然后采用微观和宏观控制方法，进行网络资源分配、业务流量调整，实现优化网络资源利 用、满足业务服务性能要求的网络工程技术。
2 局域网流量工程需求
2.1 局域网发展状况及趋势
70年代至今，从 Xerox公司提出并实现的最初的以太网到现在的10G以太网技术，以太 网经历了飞速发展的过程。10Mbps、100Mbps、1 000Mbps直到10Gbps，以太网的数据传输速 率不断提升。基于以太网技术构建的IP网络遍布于世界各地，几乎所有的操作系统和应用程 序都与以太网兼容，诸如TCP/IP、IPX、NetBEUI和DECNet之类的上层协议也都与以太网兼容 。根据IDC的报告，目前在已经建立的网络连接中，超过85%均基于局域网技术。相比其他网 络技术，以太网以其简单有效和较高的性能价格比，迅速占领了市场，已经成为目前最流行 的网络技术。
网络应用的快速发展和流媒体 、高分辨率图像等大数据量业务的广泛应用，促使带宽需求 日益增长，并对计算机、服务器、集线器和交换机造成越来越大的压力。1995年，快速以太 网标准的提出满足了人们对网络容量的极大需求，使以太网运行速度提高到100Mbps,并将以 太网确立为一种可升级的技术。快速以太网也因此以惊人的速度在新安装和升级的网络中得 到了广泛的使用。快速以太网与局域网交换技术、全双工局域网的结合使得高速、低价的网 络直达用户桌面。然而，随着使用快速以太网连到计算机和服务器的用户逐渐增多，对骨干 网和网络服务器的传输速率提出了更高的要求。千兆局域网正是为满足这种要求而发展起来 的。千兆局域网具有价格便宜、技术简单方便、易于维护和管理等优点，升级到千兆局域网 不必改变网络应用程序、网管部件和网络操作系统，能够最大程度地保护用户投资，因此该 技术的市场前景十分看好。
2.2 局域网流量工程的需求
在局域网技术高速发展的过程中，它的应用范围和方式都发生了较大的变化，也面临着一些 新的问题，这些变化和问题主要体现在以下三方面：
2.2.1 应用环境由局域网走向城域网。由于IP网络的迅猛发展，数据业务量的剧增使传统 的城域网架构难胜其任，而局域网与光技术的结合，使得局域网快速进入到城域网中。传统 的城域网主要采用 SDH技术作为传输骨干，但随着数据业务量的剧增，SDH 出现了容量不够 和传输成本高昂的问题。与 SDH 相比，局域网的统计复用方式更适于传输数据，其成本也 低得多。随着千兆局域网的普及和10G局域网技术的发展，局域网技术已经完全能够满足城 域网所需要的速率。但是，局域网在进入城域网的同时，也面临着两大问题：一是要提供电 信级的业务质量保障，并保持成本的低廉；二是传统的局域网的自愈恢复时间大约为30s左 右，还不能适应高流量的城域网环境。这些问题都需要结合流量工程的研究去寻找新的解决 方法。
2.2.2 网络规模不断扩大。随着局域网传输速率不断提高和设备能力不断增强，加之进入 城域网市场的步伐加快，局域网网络规模在不断扩大。过去的局域网技术主要应用于局域网 环境中，连接的设备数量较少。在局域网传输速率由十兆发展到百兆、千兆的同时，局域网 设备的成本也在不断降低，这导致网络中的设备数量迅速增加。交换技术在局域网中的应用 ，通过提供划分网段、全双工通信等功能，极大地提高了局域网的性能，也使得网络结构趋 于复杂。网络规模的进一步膨胀和数据传输量的飞速增加加重了网络管理的负担，而网络管 理的质量直接影响网络的运行质量。因此，如何从流量工程的角度出发，研究如何进行资源 分配和流量规划，解决网络管理方面的新问题，是改善局域网运行质量的有效手段。
2.2.3 用户数量和业务类型不断增多。局域网技术的广泛应用，带来的是迅速增长的用户数量。如今局域网已经垄断了LAM领域，有超过95%的用户使用局域网连接其内部网络。同时 ，越来越多新业务的出现使得局域网承载的业务类型也不断增加，不仅要为传统的普通数据 传输业务提供服务，还要传送实时的语音或图像数据。不同的用户和不同的应用，对网络服 务有着不同的需求，这些都是光靠传统局域网技术和增加网络带宽所不能解决的问题。只有 利用局域网流量工程技术，结合服务等级协约(SLA)和业务质量保障(QoS)等新技术，有效 地利用不断增加的带宽，充分发挥设备的能力，才能满足不断发展变化的用户需求，使局域 网成为真正的多业务服务平台。
综上所述，在应用环境、网络结构和管理方式上，局域网技术都面临着一些新的问题。 在以往对局域网技术的研究过程中，重点是如何提高传输速率、增加网络容量和增强设备能 力等，在出现问题时更多关注的是局部解决方法，没有将这些方法系统组织起来进行全面考 虑。 由于局域网设备的能力向着智能以及可网管的方向发展，人们可以利用局域网流量工 程技术获取网络流量及网络状态信息，在此基础上对网络资源和流量进行系统调配，提高网 络性能，满足用户需求。
3 局域网流量工程技术
局域网流量工程技术就是通过对局域网进行网络测量，获取网络状态和流量信息，并以 此为决策信息控制局域网设备，进行网络资源分配、业务流量调整，实现优化网络资源利用 、满足业务服务性能要求的网络工程技术。
3.1 网络测量
网络测量的目的是获取网络状态和流量信息，为网络控制提供决策信息，以更好地管理 网络、改善局域网的性能。局域网网络测量技术主要包括三部分：拓扑测量、流量测量和性 能测量。
拓扑测量是网络测量的基础。拓扑指的是局域网中设备的连接方式和物理布局。只有在 充分了解了网络拓扑结构的情况下，才能获知网络流量的分布，确定网络性能的好坏。拓扑 测量可以通过主动发送探测包，对网络进行探测，以得到拓扑结构。这种主动探测的优点是 灵活、方便，借用简单的设备(例如PC机)即可完成探测工作，但也存在增加网络的流量、 实时性不强的缺点。随着局域网设备能力的增强和网络管理技术的发展，可以利用设备中的 拓扑信息 扩展出高效的拓扑发现协议，更好地完成拓扑测量。
流量测量主要是对局域网中的“流”进行测量和分析，以掌握网络的流量特性，“流” 主要包括三个要素：方向、端点和时间。方向可以单向和双向的，在局域网中主要考虑单向 的数据传输。端点指的是流的起点和终点，在局域网中可以用MAC地址唯一识别。时间指的 是数据包的发送起始和终止时间。因此，这里将局域网中的“流”定义为：在一段确定时间 内，具有相同源MAC地址和目的MAC地址的数据包集合。流量测量就是采集这些数据包集合的 信息加以分析，用于指导网络资源规划和流量调整，以更好地管理网络和改善网络的运行。
性能测量的目的是了解网络的可达性、资源利用率以及网络负荷等。局域网流量工程的 主要任务就是提高网络性能，以满足用户需求，因此，性能测量是进行网络控制的依据。性 能测量的方法包括：监测局域网的端到端时延、抖动、丢包率等特性；监测局域网设备和链 路负载、可用性及可靠性；监测网络资源利用率、带宽使用量等。在获取性能数据后，根据 一定准则进行性能裁定，以决定是否进行网络控制及控制程度。
3.2 网络控制
网络测量是流量工程的基础，网络控制是流量工程的核心。获取测量数据和判定网络 性能，其根本目的在于利用这些信息进行网络控制，优化网络性能。局域网流量工程的性能 目标包括两部分：面向业务的性能目标和面向网络的性能目标。面向业务的性能目标是提高 业务流的服务质量水平，其内容包括：降低丢包率、减小时延、增大通过量和满足服务等级 协约。面向网络的性能目标是提高网络资源利用率、增大网络吞吐量，主要通过有效的网络 资源管理实现。这两部分性能目标是互为影响的整体，提高网络资源利用率可能损伤部分业 务的服务水平，为满足特定业务的服务需求而预留带宽又将导致网络性能的下降。因此，面 向业务和面向网络是一个需要折衷的问题。流量工程的目的就是寻求两者之间一个较优的平 衡点，如何使网络达到并维持在平衡点附近就是通过网络控制来实现的。
3.2.1 微观控制。局域网微观控制技术是指在数据流层进行控制的局域网设备功能，主要 包括：流量控制、优先级控制、资源预留和接纳控制。
流量控制：局域网流量控制的目的就是避免局域网交换机缓冲区拥塞，减少丢包率。 局域网流量控制分为半双工模式下的背压流量控制,和全双工模式下的显式流量控制 。流量 控制技术使交换机在不降低吞吐量、不增加大量缓冲内存的情况下能够容纳平均水平的流量 ，同时还可防止短暂过载造成的丢包，在保持较低成本的情况下适应各种流量变化。
优先级控制：利用优先级技术，可以给每个数据包加入一个优先级标记，较高优先级 的业务可以在不受较低优先级业务的影响下通过局域网交换机，减少传输时延。为了提供优 先级，交换机的每个端口必须有至少2个队列。当每个数据包到达交换机时，都要根据其优 先级别分配到适当的队列，然后交换机再从每个队列转发数据包。交换机可以采用不同的队 列调度机制确定下一步要服务的队列，例如严格优先级队列(SPQ)或加权循环(WRR)优先 级技术提供了一种保障业务质量的简单实现方法。
资源预留：为了获得确定的端到端业务质量保障，需要将资源预留协议(RSVP), 和 优先级技术结合在一起。资源预留协议在发送方和接收方经过的中间节点上协商预留带宽和 缓冲区大小，从而为特定的业务或用户预留带宽资源，保证时延。
接纳控制：这就需要采用接纳控制技术。接纳控制是指网络根据其资源利用情况和业 务请求的相关信息以决定是否接纳该业务。随着局域网技术在用户接入市场的普及，接纳控 制的重要性日益突出。
3.2.2 宏观控制。局域网宏观控制技术是指在局域网网络层面上进行的控制与调整，主要 包括基于VLAN的资源分配和基于流量的生成树调整。
基于VLAN的资源分配：过去一般采用路由器对交换网络进行分割和广播控制，但由于路 由器的昂贵价格和较低的速率，这种方式难以推广。VLAN的出现，提供了一种避免采用过多 路由器来解决广播风暴问题的方案。通过划分 VLAN，可以减少广播包对网络带宽资源的消 耗，提高网络资源的有效利用率。
基于流量的生成树调整：生成树算法的关键是根节点的选取，对于同一个网络，选取不 同的根节点所产生的生成树实现的网络性能相差很大。在原有生成树算法中，根节点的确定 和网络上的流量分布无关，而只和节点优先级(手工或者缺省分配)有关。以往局域网主要 应用于局域网环境中，网络拓扑比较简单，流量分布变化不大。但是随着局域网技术在城域 网和广域网中的应用，网络的流量特性会有较大的变化，传统的生成树算法将无法适应网络 流量分布的动态变化，因此需要根据流量变化选择根节点，对生成树进行动态调整，提高网 络资源的利用率。
4 结论和展望
通过对目前存在的一些主要局域网流量工程技术进行了系统地分析和概括，阐述了局域 网流量工程的体系结构和基本方法。下一步的工作将主要围绕局域网流量工程的实现展开， 研究网络测量和网络控制各部分的具体技术和实施方法。
［参考文献］
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