朱尚明，儲赟，王雅蘭

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IPv6 Overlay網(wǎng)絡(luò)多路徑流量均衡實現(xiàn)機制研究

朱尚明，儲赟，王雅蘭

（華東政法大學(xué)，上海 201620）

針對基于IPv6的Overlay網(wǎng)絡(luò)，分析了其多重連接和多路徑路由兩項關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)邏輯功能，提出了Overlay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)，重點對Overlay網(wǎng)絡(luò)多路徑流量均衡機制進行了研究，提出了一種按路徑帶寬進行流量均衡的簡化方案并進行了設(shè)計實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明，多路徑流量均衡算法傳輸數(shù)據(jù)的效率明顯優(yōu)于單路徑算法，且隨著數(shù)據(jù)分組的增大，其優(yōu)勢更加明顯。

Overlay網(wǎng)絡(luò)；多重連接；多路徑路由；流量均衡

1 引言

近年來，Internet已發(fā)展成為一個具有高度路由冗余的網(wǎng)絡(luò)[1]。但是，當(dāng)前的Internet底層路由協(xié)議，并不能完全利用這些路由冗余來提高網(wǎng)絡(luò)的性能和可用性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)鏈路或路由器發(fā)生故障時，底層路由協(xié)議無法快速地做出反應(yīng)并恢復(fù)。另外，由于當(dāng)前底層路由協(xié)議的靈活性有限，很難識別和避開發(fā)生了擁塞的瓶頸鏈路。因此，網(wǎng)絡(luò)鏈路一旦出現(xiàn)故障或擁塞，端到端的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用將會受到很大影響。

Overlay網(wǎng)絡(luò)是架構(gòu)在Internet之上的一個虛擬的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，通常實施在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用層，并獨立于底層的IP網(wǎng)絡(luò)。Overlay網(wǎng)絡(luò)是一種能夠利用路由冗余提高Internet性能的有效機制，構(gòu)成一個Overlay網(wǎng)絡(luò)的終端主機和路由器稱作Overlay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，Overlay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的一條IP網(wǎng)絡(luò)路徑稱作Overlay鏈路。Overlay網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也稱為一種能根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容進行處理的高層節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這些Overlay節(jié)點通過遵循特有的協(xié)議和現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)進行連接。由于構(gòu)建一個Overlay網(wǎng)絡(luò)并不需要改變底層IP網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，但能夠提升網(wǎng)絡(luò)性能，如提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性、保證網(wǎng)絡(luò)的QoS（服務(wù)質(zhì)量）、平衡網(wǎng)絡(luò)負載等。因此目前在內(nèi)容分發(fā)、文件共享、遠程視頻會議、遠程教育、遠程醫(yī)療、VoIP以及網(wǎng)絡(luò)電視等多媒體通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2-4]。隨著IPv6下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及應(yīng)用，研究IPv6環(huán)境下Overlay網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)和多路徑路由技術(shù)具有重要的意義和應(yīng)用價值。

2 IPv6 Overlay網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多重連接技術(shù)

多重連接是指一個網(wǎng)絡(luò)站點或主機連接到2個以上Internet服務(wù)商，是Internet上的一個基本組件服務(wù)。多重連接的主機或網(wǎng)絡(luò)站點通過連接到2個以上的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)商（ISP），提供了一種維持Internet連接的機制，提高了連接的可靠性，并可以將負載路由到多個Internet連接上。當(dāng)其中一個ISP連接失敗時，Internet連接可以通過另外的ISP繼續(xù)維持。另外，將負載路由到多個Internet連接上，可以均衡網(wǎng)絡(luò)流量，平衡網(wǎng)絡(luò)負載。一個簡單的多重連接站點如圖1所示。

圖1 多重連接示意

IPv6由于支持多地址，具有動態(tài)監(jiān)測和獲得多個IP地址的能力，因此相比IPv4，更適合部署多重連接。盡管如此，IPv6并不具備一套解決多重連接的完整機制，根據(jù)RFC4177定義的體系結(jié)構(gòu)，基于IPv6的多重連接解決方案可分為如下5種方式：路由方式、移動方式、插入新協(xié)議子層方式、修改協(xié)議子層方式、修改邊界路由器和本地主機之間的交互方式。

根據(jù)解決方案的工作層次，基于IPv6的多重連接還可以分為如下3種機制：主機層次（host-level）的多重連接、站點層次（site-level）的多重連接、服務(wù)者層次（provider-level）的多重連接，其中，主機層次的多重連接對域內(nèi)路由結(jié)構(gòu)的影響最小，每個站點的地址前綴可以聚合在一個給定的提供者的地址前綴范圍內(nèi)。但需要解決以下4個問題。

1) 目的地址選擇問題。

2) 源地址選擇問題。

3) 邊界路由器流入分組的過濾問題。

4) 快速響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲的變化問題。

到目前為止，還沒有一種單一的機制可以滿足多重連接的所有目標和功能，實際應(yīng)用中往往采用幾種機制相結(jié)合的方式來實現(xiàn)所要求的目標和功能。例如，針對小型站點，可以使用基于主機的外部路徑選擇和基于源地址的路由機制。

2.2 多路徑路由技術(shù)

多路徑路由技術(shù)是Overlay網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的另一項關(guān)鍵技術(shù)[5]。對于進入Overlay網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流，傳統(tǒng)的路由算法，如Dijkstra最短路徑算法和Bellman-Ford距離矢量算法，都是在源?目的節(jié)點間計算出一條最佳路徑，所有業(yè)務(wù)量都通過這條最佳路徑傳送，容易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，而且沒有明確的時間和可靠性保障。最短最寬路徑（SWP, shortest widest path）算法和最寬最短路徑（WSP, widest shortest path）算法等雖然能保證一定的服務(wù)質(zhì)量，但是仍然使用單一路徑進行路由。最佳路徑路由算法可以獲得最佳的傳輸路徑，但這些被選路徑由于常常被選上而負載過重，致使網(wǎng)絡(luò)性能下降。多路徑QoS路由技術(shù)能克服傳統(tǒng)最佳路徑算法的不足，為業(yè)務(wù)流選擇多個候選路徑，并在這些路徑中均衡通信流量，從而提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，降低網(wǎng)絡(luò)擁塞，減少傳輸時延和提高鏈路利用率。目前雖然已提出了多種多路徑QoS路由解決方案[6]，但這些方案都是基于IPv4網(wǎng)絡(luò)的。由于IPv6 Overlay網(wǎng)絡(luò)是架構(gòu)在IPv6網(wǎng)絡(luò)之上的一個虛擬的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，其多路徑選擇和路由技術(shù)與IPv4網(wǎng)絡(luò)相比有很多特殊之處。針對IPv6 Overlay網(wǎng)絡(luò)，研究其多路徑QoS路由技術(shù)，應(yīng)從以下幾個方面展開。

1) 底層IPv6網(wǎng)絡(luò)路徑的性能探測技術(shù)

IPv6 Overlay網(wǎng)絡(luò)中的一條鏈路映射為底層IPv6網(wǎng)絡(luò)的一條路徑，IPv6網(wǎng)絡(luò)的路徑?jīng)Q定了Overlay網(wǎng)絡(luò)中鏈路的服務(wù)質(zhì)量以及是否可能與其他鏈路物理上相交。而IPv6網(wǎng)絡(luò)路徑的性能（如時延、可用帶寬和分組丟失率）是隨著網(wǎng)絡(luò)負載動態(tài)變化的。以較低的開銷對這些參數(shù)進行動態(tài)實時地測量是比較困難的。目前通過Ping或TraceRoute工具可以獲得IPv6網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的傳輸時延和分組丟失率，但要獲得當(dāng)前一條路徑的可用帶寬，往往需要較大的開銷。

2) 多路徑QoS路由算法

通過采用多路徑QoS路由技術(shù)可以減少源?目的節(jié)點之間多媒體通信的時延和分組丟失率，提高端到端的傳輸質(zhì)量和可靠性。如何針對時延和帶寬約束，動態(tài)計算滿足QoS條件的最優(yōu)IPv6多路徑集合，且使所計算的多個物理路徑在瓶頸鏈路上互不相交，是學(xué)者研究的熱點。多路徑QoS路由算法可以通過彌補Internet傳輸質(zhì)量的不足，減少對底層IP網(wǎng)絡(luò)和ISP的依賴，來提高端到端的服務(wù)質(zhì)量。

3) 多路徑流量均衡技術(shù)

由于多路徑集合中每條路徑的服務(wù)質(zhì)量不盡相同，如何根據(jù)Overlay網(wǎng)絡(luò)多路徑的服務(wù)質(zhì)量和當(dāng)前流量負載，來確定多路徑集合中每個路徑的流量比例系數(shù)，以使整個網(wǎng)絡(luò)的性能達到最優(yōu)，這是一個典型的最優(yōu)化問題，并且其求解會隨著路徑性能和流量負載的動態(tài)變化而變化。流量均衡技術(shù)就是研究如何根據(jù)路徑的時延、帶寬和分組丟失率來計算各個路徑上的流量比例系數(shù)，以使網(wǎng)絡(luò)負載平衡，且使端到端的時延最低。

國內(nèi)外學(xué)者在多路徑流量均衡方面已有不少研究[7,8]，但這些研究方案都不能直接應(yīng)用到IPv6 Overlay網(wǎng)絡(luò)上，因此本文針對基于IPv6的Overlay網(wǎng)絡(luò)，對其多路徑流量均衡機制進行探索，提出一種按路徑帶寬進行流量均衡的簡化方案并進行設(shè)計實現(xiàn)。

3 IPv6 Overlay網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

IPv6 Overlay網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建在Overlay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的應(yīng)用層。根據(jù)邏輯功能將Overlay節(jié)點分為發(fā)送節(jié)點、中繼節(jié)點和接收節(jié)點3種類型，如圖2所示。發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點是端節(jié)點，可采用多重連接機制連接到Internet上；中繼節(jié)點是服務(wù)節(jié)點，部署在發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點之間。

圖2 Overlay網(wǎng)絡(luò)示意

3.2 節(jié)點內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)

Overlay網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。發(fā)送節(jié)點用于發(fā)送數(shù)據(jù)，由流分類器、IPv6網(wǎng)絡(luò)性能探測、鏈路狀態(tài)交換、不相交多路徑選擇、流量均衡分配、前向糾錯編碼和分組發(fā)送幾個功能模塊構(gòu)成；中繼節(jié)點用來轉(zhuǎn)發(fā)Overlay網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)分組，由包接收、IPv6網(wǎng)絡(luò)性能探測、鏈路狀態(tài)交換、不相交多路徑選擇、流量均衡分配和分組轉(zhuǎn)發(fā)功能模塊構(gòu)成；接收節(jié)點用于接收多媒體數(shù)據(jù)，由分組接收、前向糾錯解碼、流重組構(gòu)成。

4 多路徑流量均衡實現(xiàn)機制

4.1 設(shè)計思想

多路徑流量均衡技術(shù)的核心思想是根據(jù)路徑的性能，計算各個路徑的流量比例系數(shù)，這是一個典型的最優(yōu)化問題。可采用路徑的時延、可用帶寬和分組丟失率來簡化流量比例系數(shù)的計算，對于一個路徑，其流量比例系數(shù)和當(dāng)前可用帶寬成正比，與時延和分組丟失率成反比。簡單起見，本文以2條路徑為例，并僅采用路徑帶寬作為流量均衡計算的依據(jù)。

圖3 Overlay節(jié)點內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)

假設(shè)1和2分別為路徑1和路徑2的帶寬，1和2分別為路徑1和路徑2的流量比例系數(shù)，則計算可以簡化為

在發(fā)送端，對數(shù)據(jù)流進行分塊，并打上塊號標記，然后根據(jù)數(shù)據(jù)塊數(shù)量和比例系數(shù)1、2，分別在路徑1、路徑2這2條路徑上按比例均衡分發(fā)；在接收端，對路徑1和路徑2這2條路徑上的數(shù)據(jù)塊進行接收，并根據(jù)塊號進行信息重組，恢復(fù)為原來的數(shù)據(jù)流。

4.2 實現(xiàn)機制

本文通過套接字（Socket）利用C#在IPv6環(huán)境下對多路徑流量均衡進行技術(shù)實現(xiàn)和模擬驗證。

4.2.1 發(fā)送端

發(fā)送端（Client）作為客戶端，套接字初始化如圖4所示，首先設(shè)置好IPv6地址和端口，然后設(shè)置套接字和發(fā)送緩沖區(qū)大小，并向接收端發(fā)起連接請求。

圖4 初始化發(fā)送套接字

發(fā)送數(shù)據(jù)前，發(fā)送端首先根據(jù)單個數(shù)據(jù)塊的長度（sendLength）計算出總的數(shù)據(jù)塊數(shù)量（blockNumber），然后根據(jù)路徑1和路徑2的帶寬值計算相應(yīng)的流量1和2。對每個已讀入發(fā)送緩沖區(qū)（buffer）的當(dāng)前數(shù)據(jù)塊，發(fā)送時都在數(shù)據(jù)塊前面加上一個5 byte的數(shù)組數(shù)據(jù)，其中4個字節(jié)用來存放數(shù)據(jù)塊的塊號，1個字節(jié)用來存放數(shù)據(jù)塊結(jié)束標志。

發(fā)送數(shù)據(jù)時，本文設(shè)計了2種流量均衡方式，一種是通過產(chǎn)生一個隨機數(shù)進行流量均衡，隨機發(fā)送算法如圖5所示。

圖5 隨機發(fā)送算法

首先計算出路徑1和路徑2對應(yīng)的流量比例系數(shù)1和2，然后系統(tǒng)產(chǎn)生一個在1和文件塊總數(shù)之間的隨機數(shù)，根據(jù)隨機數(shù)的大小選擇路徑1（≤1時）或路徑2（>1時）進行發(fā)送，且該過程循環(huán)進行，直至所有文件塊都發(fā)送完。

另一種方式是按數(shù)據(jù)塊塊號的個位數(shù)進行按比例順序發(fā)送，順序發(fā)送算法如圖6所示。

圖6 順序發(fā)送算法

首先計算出路徑1和路徑2對應(yīng)的流量比例系數(shù)1和2，并歸一化為0~10的一個數(shù)，然后計算文件塊個位數(shù)的值，根據(jù)該值的大小選擇路徑1（≤1時）或路徑2（>1時）進行發(fā)送，且該過程循環(huán)進行，直至所有文件塊都發(fā)送完。

4.2.2 接收端

接收端（Server）作為服務(wù)器端，套接字初始化及接收流程如圖7所示。接收端套接字初始化方法同發(fā)送端類似，但建立套接字后需開啟偵聽模式，啟動接收線程，然后接收并重組數(shù)據(jù)。

接收時，首先定義一個消息數(shù)組message，用來存放接收到的數(shù)據(jù)塊，這個消息數(shù)組的成員變量Num用來存放接收到的數(shù)據(jù)塊號，F(xiàn)lag用來存放數(shù)據(jù)是否結(jié)束的標志，content用來存放數(shù)據(jù)塊內(nèi)容。

2個路徑的數(shù)據(jù)分組都接收完畢后，還需對數(shù)據(jù)塊進行合并、排序和重組，恢復(fù)為原來的數(shù)據(jù)流。最后創(chuàng)建文件并將重組后的數(shù)據(jù)塊寫入文件。

圖7 數(shù)據(jù)接收流程

5 實驗及結(jié)果分析

本文對上述多路徑流量均衡的發(fā)送和接收算法在IPv6環(huán)境下進行了測試驗證，并和單路徑傳輸進行對比分析。

5.1 實驗環(huán)境

發(fā)送端為華東政法大學(xué)長寧校區(qū)一臺主機，IPv6地址為2001:da8:8020:9b:515d:1e8:945c:2678；接收端為松江校區(qū)一臺主機，配置2塊網(wǎng)卡通過多重連接技術(shù)接入IPv6網(wǎng)絡(luò)，從而產(chǎn)生2條相對獨立的IPv6路徑，2塊網(wǎng)卡的IPv6地址分別為2001:da8:8020:3:48f6:5daa:eade:e120和2001:da8: 8020:3:5792:236c:5866:157，其中，后綴為e120的IPv6地址同時作為單路徑地址進行對比測試。

由于2塊網(wǎng)卡的性能基本相似，可以假定2條路徑的帶寬基本相同，即1=2（每個路徑的流量比例系數(shù)均為0.5），文件塊大小設(shè)置為32 kB（即32×1 024=32 768 byte）。

為了和單路徑進行性能對比，本文采用傳輸時間作為度量參數(shù)。為消除發(fā)送端和接收端的主機時鐘差別，在發(fā)送端和接收端分別計算多路徑和單路徑情況下的傳輸時間差，具體設(shè)定如下。

1) 單路徑情況下，假設(shè)發(fā)送一個文件的時刻為1，接收端接收完該文件的時刻為3，那么其傳輸時間為3-1 ±（為發(fā)、收端主機的時鐘之差）。

2) 多路徑情況下，假設(shè)發(fā)送一個文件的時刻為2，接收端接收完該文件的時刻為4，那么其傳輸時間為4?2±（為發(fā)、收端主機的時鐘之差）。

3) 單路徑與多路徑傳輸?shù)暮臅r之差為=(3?1±) ?(4?2±) = (2?1) ?(4?3)。

即發(fā)送端時間差2?1減去接收端時間差4?3，就是在傳輸同一個文件時單路徑比多路徑所多耗費的時間差值，這樣就消去了發(fā)送、接收主機之間時鐘之差的影響。

5.2 實驗結(jié)果

為進行測試對比，對本文提及的通過產(chǎn)生隨機數(shù)實現(xiàn)流量均衡的隨機多路徑發(fā)送算法和按數(shù)據(jù)塊塊號的個位數(shù)進行按比例發(fā)送的順序多路徑發(fā)送算法都進行了實際測試。

1) 隨機多路徑均衡

對隨機多路徑發(fā)送，通過產(chǎn)生隨機數(shù)來實現(xiàn)流量均衡和單路徑傳輸?shù)膶嶒瀸Ρ冉Y(jié)果如表1所示。從發(fā)送端依次傳輸10個jpg圖片文件到接收端，10個傳輸文件大小從100 kB到13 MB逐漸增大。

表1 隨機多路徑和單路徑傳輸耗時對比

2) 順序多路徑均衡

對順序多路徑發(fā)送，通過數(shù)據(jù)塊塊號的個位數(shù)進行按比例發(fā)送和單路徑傳輸?shù)膶嶒瀸Ρ冉Y(jié)果如表2所示。從發(fā)送端依次傳輸10個jpg圖片文件到接收端，10個傳輸文件大小從100 kB到13 MB逐漸增大。

表2 順序多路徑和單路徑傳輸耗時對比

從表1、表2中可以看出，2種算法下多路徑耗時都明顯比單路徑耗時減少，且隨著文件大小的增大，其節(jié)省的時間也線性增大，采用流量均衡后的多路徑傳輸明顯優(yōu)于單路徑傳輸。

3) 隨機多路徑和順序多路徑耗時對比

隨機發(fā)送（1）和順序發(fā)送（2）2種流量均衡算法耗時之差對比如表3所示。

表3 隨機發(fā)送和順序發(fā)送多路徑傳輸耗時對比

以文件大小（塊數(shù)量）為軸，耗時差值為軸，2種算法下，單路徑和多路徑的耗時差值曲線如圖8所示。

從表3和圖8中可以看出，隨機多路徑均衡和順序多路徑均衡算法傳輸文件時比單路徑算法所節(jié)省的時間隨文件的增大而線性增加，即其傳輸所耗費的時間更少，傳輸效率更高，驗證了2種算法均優(yōu)于單路徑傳輸機制。且從圖8中還可以看出，對于多路徑發(fā)送，通過產(chǎn)生隨機數(shù)來實現(xiàn)流量均衡比通過按數(shù)據(jù)塊塊號的個位數(shù)進行順序發(fā)送所節(jié)省的時間更多，算法效果更佳。

圖8 隨機多路徑和順序多路徑傳輸耗時對比

6 結(jié)束語

本文探討了Overlay節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)和流量均衡的具體實現(xiàn)機制，由于Overlay網(wǎng)絡(luò)能夠充分利用底層IP網(wǎng)絡(luò)的冗余性，在提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、提高鏈路帶寬利用率以及平衡網(wǎng)絡(luò)負載方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，隨著IPv6下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入應(yīng)用，基于IPv6的多路徑傳輸技術(shù)能夠減少時延和提高音頻流、視頻流的服務(wù)質(zhì)量，在文件傳輸、內(nèi)容分發(fā)和多媒體通信和相關(guān)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

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Research on the implementation mechanism of multipath traffic proportion of IPv6 Overlay network

ZHU Shangming, CHU Yun, WANG Yalan

East China University of Political Science and Law, Shanghai 201620, China

Based on IPv6 overlay network, two key technologies, multihoming and multipath routing were analyzed. According to logic functions, architectures of overlay nodes were presented. The mechanism of multipath traffic proportion of IPv6 overlay network was discussed on emphasis. A simplified scheme of traffic proportion according to path bandwidth was proposed, and the design and implementation of the scheme were carried out. Experimental results show that the efficiency of the algorithm of multipath traffic proportion is much higher than that of single path, and the advantage is more obvious with increasing data packets.

Overlay network, multihoming, multipath routing, traffic proportion

中國法分類號：TP393

A

10.11959/j.issn.2096-109x.2018045

朱尚明（1969-），男，河南虞城人，博士，華東政法大學(xué)研究員，主要研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)、計算機應(yīng)用、信息安全。

儲赟（1981-），女，江蘇常州人，華東政法大學(xué)工程師，主要研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)、計算機應(yīng)用技術(shù)。

王雅蘭（1993-），女，山西臨汾人，華東政法大學(xué)碩士生，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)安全、計算機取證、司法鑒定。

2018-04-15；

2018-05-20

朱尚明，zhusm@ecupl.edu.cn

賽爾網(wǎng)絡(luò)下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新基金資助項目（No.NGII20160102）

CERNET Innovation Project (No.NGII20160102)