MPLS技术实现网络虚拟化的多层体系结构

⃝⃝可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectICT Express 3（2017）43www.elsevier.com/locate/icte利用MPLS技术实现网络虚拟化的多层体系结构Ghasem Ahmadeyan Mazhina，Mozafar Bag-Mohammadib， Muhdi Ghasemic，ShabnamFeizida伊朗伊斯兰阿扎德大学计算机系，萨里分校，萨里b伊朗伊拉姆大学工程学院无线网络实验室c伊朗加兹温伊斯兰阿扎德大学加兹温分校计算机和信息技术系d伊朗德黑兰大学新科学和技术学院接收日期：2016年1月17日;接收日期：2016年4月30日;接受日期：2016年7月22日2016年8月6日在线发布摘要网络虚拟化（NV）通过将策略与机制分离来提高Internet的灵活性。这使得开发新的应用程序、管理Internet和支持不同的应用程序变得更加容易。在这项研究中，我们介绍了一个多层架构，结合了多层次的多协议标签交换（MPLS）技术与NV。该架构结合了MPLS的高速优势和NV的高度灵活性。我们在MPLS技术中使用MPLS，当遇到新的虚拟网络时，将每个MPLS数据包封装在另一个数据包中。我们的架构有可能提高互联网的灵活性，并为NV在下一代网络中的部署和商业化铺平道路c2016出版服务由Elsevier B.V. 代表韩国通信信息科学研究所这是一个开放的访问文章（http：//creativecommons. org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。关键词：网络虚拟化; MPLS中的MPLS;两级架构;多核互联网1. 介绍作为最流行和持续增长的技术之一，互联网比人们预期的要早得多地遇到了几个主要的部署障碍。目前互联网的一些局限性，如难以为受益人提供相互矛盾的政策支持，在支持新应用程序方面缺乏灵活性，以及管理的复杂性，可以通过合理的费用来解决[1，2]。互联网研究界在过去几年中花费了相当大的努力来解决这些问题。特别是，网络虚拟化（NV）[1-尽管有这些努力，我们必须继续发展新技术*通讯作者。电子邮件地址：mozafar@ilam.ac.ir（M. Bag-Mohammadi）。同行评审由韩国通信信息科学研究所负责。这篇论文已经由教授处理许俊或以创造性的方式结合现有技术，以合理的成本克服互联网的主要障碍。随着蜂窝网络中越来越多的运营商的出现，所有运营商都使用共享的基础设施，很容易为具有不同需求和要求的最终用户提供各种服务。以类似的方式，虚拟互联网服务提供商（ISP）从基础设施网络租用路由器的处理能力和链路的带宽的一部分，并创建然后，虚拟ISP可以组织租用的资源，以克服Internet的传统问题，例如服务质量（QoS）保证、客户端计费、管理复杂性和服务种类有限。它可以比传统的ISP更有效地为用户提供所需的服务。虽然NV非常灵活，但缺乏快速而可靠的实现阻止了它充分发挥其所需的能力[4]。相比之下，MPLS，这是称赞其令人印象深刻的性能在核心网络，大大加快了IP数据包转发。 在这项研究中，我们结合了高灵活性的NV与MPLS的转发速度，以创建一个快速，可部署，但灵活的架构。我们的解决方案很简单http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2016.07.0022405-9595/c2016出版服务由Elsevier B. V.代表韩国通信信息科学研究所 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。44G.A. Mazhin et al. / ICT Express 3（2017）43也很实用我们在MPLS中使用MPLS [9]，并在数据包遇到新的虚拟网络时向MPLS标签堆栈添加新的标签级别。多级标签交换的思想被研究团体用于不同的目的[8，12，13]。我们使用Petri网建模[14]和CPNTOOLS [15]来验证和评估我们的架构。本文的其余部分组织如下。在第2节中，我们简要介绍了NV和MPLS技术。第3节介绍了所提出的架构。第4节给出了仿真结果。第5节讨论了相关研究，第6节提供了结论。2. 网络虚拟化和MPLS2.1. 网络虚拟化NV技术根据以下架构设计原则构建多个隔离的异构这些分区是作为共享物理层上的逻辑层创建的，因此虚拟网络的每一层都是独立的，并与物理层和其他虚拟层隔离（图1）[3]。虚拟节点是物理节点的抽象，其在虚拟网络中执行节点的角色。虚拟节点可以是路由器或交换机。虚拟链路抽象允许我们在单个物理链路上建立多个虚拟链路。每个虚拟链接由标签标识。有时，一组虚拟链路遵循从一个虚拟节点到另一个虚拟节点的共享路由。虚拟网络是由其他网络或基础设施网络的抽象创建的虚拟隔离逻辑分区，并具有自己的拓扑结构和技术[22.2. MPLSMPLS是一种数据传输技术，它插入一个新的报头，以更简单的标签交换过程取代IP查找转发过程。MPLS报头使用异步传输模式（ATM）和帧中继协议中的标签字段MPLS报头由以下字段组成：标签：一个20比特的字段，包括MPLS标签。Class of Service或Traffic Class：一个三位字段，用于说明所提供服务的类别。Stack（S）：一个单比特字段，显示标签栈的结尾。如果设置了S，则意味着当前标签是堆栈中的最后生存时间（TTL）：一个8位字段，其作用类似于IP报头中的TTL字段。MPLS架构中存在两种类型的路由器：1-物理边缘（PE）和2-核心（P）路由器。PE路由器位于MPLS网络的边缘，充当MPLS网络的入口或出口点在入口点处，PE路由器接收来自外部的传入分组（例如，从IP网络），并在插入MPLS报头后，将它们传递到Fig. 1. 虚拟网络和物理网络之间的关系。位于MPLS核心网络内部的P个路由器通常，P路由器使用标签交换转发数据包。如果数据包进入不同的子网（管理方面），则子网PE路由器会将新标签添加到其标签堆栈中。在子网内部，根据该标签执行数据包转发过程。一旦数据包离开子网，PE路由器就会在网络的出口点删除标签[83. 建议的体系结构在MPLS网络中，基础设施网络分为三层[8]：接入层包括客户边缘路由器，它们位于主网络的边缘，充当接入路由器。它们将来自LAN的传入IP数据包传递到下一层路由器。中间层由PE路由器组成，在将MPLS标签添加到数据包之后，PE路由器接收来自接入层的传入IP数据包并将其传递到核心层。核心层包括P个路由器，其从PE路由器接收分组，添加第二标签，并且使用MPLS转发方案转发它们。这种架构有三个缺点。首先，它缺乏足够的灵活性来接受新的服务。其次，由于所有流量都汇聚到核心层，因此很容易成为性能瓶颈。第三，在这种架构中，网络应用程序不能自由地调整其传输速率。3.1. MPLS架构我们将网络分为两个层次：虚拟和物理。更重要的是，我们在这两个层次上都采用了MPLS技术来传输数据包（见图1）。 2）。我们在物理网络的中间层和核心层内部建立虚拟PE和P路由器都支持虚拟化）。此外，每个虚拟网络使用MPLS传输技术沿着构造的虚拟路径转发分组当分组从物理层传递到虚拟层时，对应的PE路由器将标签添加到标签栈。如果分组处于虚拟级别，则标签被称为虚拟标签（VL）。类似地，如果分组处于物理层，则标签被称为物理标签使用额外的标签有两个副作用：第一，·······G.A. Mazhin et al. / ICT Express 3（2017）4345===-=图二. MPLS和NV之间的关系，在建议的架构。它降低了数据包的转发速度，因为我们必须在虚拟网络的边缘执行弹出和推送操作，其次，它稍微增加了数据包的大小。通常，当分组进入虚拟网络时，将级别（标签）添加到标签栈（对栈执行推送操作为了在该虚拟网络内转发分组当数据包到达虚拟网络的另一端时，它会通过另一个PE路由器。此路由器从标签堆栈中删除相关标签（在堆栈上进行弹出操作）。最后，在MPLS网络的出口点处，与入口侧的PE路由器相对应的PE路由器移除标签栈中的最后标签，并且使用IP报头将分组转发到下一个路由器。我们还可以允许虚拟ISP将其资源的一个子集出租给另一个虚拟网络。在这种情况下，我们向标签堆栈添加另一个级别以支持新的虚拟网络。我们可以说，一个包就像一个乘客，他使用陆地票来选择陆地路线（如火车或公共汽车），使用机票来选择飞行路线（即，飞机）到达目的地。如图2所示，新架构中存在四种类型的路由器。P路由器和PE路由器的作用与以前一样，不同之处在于它们支持虚拟化。虚拟边缘路由器（VPE）充当虚拟网络中的边缘路由器。在从物理层接收到分组时，对应的VPE将两个VL推送到标签栈上，一个具有S1和另一个S0.带S的标签1用于标识物理网络，S0用于虚拟网络内的标签交换。最后，虚拟核心路由器（VP）负责虚拟级别的虚拟标签交换。我们用一个简单的例子来阐明我们的架构 图 3、A是PE路由器，A是VPE路由器。它们在出口点处对应的路由器是D和d。为了到达d，数据包必须通过物理路由ABCD。在获得两个VL之后，该分组被递送到物理路由器A。A充当入口点并将PL添加到标签栈。B和C通过PL交换转发数据包，直到数据包到达D. D充当出口路由器并移除其对应的PL（40），这使得d能够在标签栈顶部识别其VL。因此，d处理分组报头并将第二标签（30）与其新值（50）交换。然后，数据包通过物理路由器D的输出端口。D将PL推送到标签栈（即，45）。最后，当分组到达E时，PL（45）被移除（弹出操作），并且虚拟路由器e看到其自己的VL（50）并对其进行处理。然后，它注意到堆栈末尾的第二个VL与S1。路由器e也删除这个标签，并将数据包发送到外部网络。4. 仿真结果我们使用CPNTOOLS [15]中的有色Petri网（CPN）实现了所提出的架构，并将其与传统的IP路由进行了比较。我们将路由器等网络设备以及单向和双向链路映射到Petri网。为了简洁起见，我们在这里省略了建模细节这个实现的主要目标是验证我们的架构的正确性。此外，我们的研究结果表明，NV的潜力，以提高网络性能，有效地利用网络资源。我们使用Cost239网络拓扑[16]，如图4（a）所示。我们在这个物理网络上实现了四个和六个虚拟网络，并将它们称为NV-4和NV-6。 图图4（b）显示NV-6配置。在这些实验中，我们为每个物理节点使用固定的队列大小（30个数据包）。因此，一些数据包由于缓冲区空间不足每个单播流在三秒的持续时间内生成300个分组。因此，每个流在每次模拟运行中每秒生成100个单播分组模拟结果如表1所示。在该表中，（m， n）符号表示具有m个虚拟网络和n个活动流的场景。传递延迟被定义为所有已传递数据包的平均传递延迟如图所示，NV通过避免瓶颈节点实现了比传统IP网络更低的递送延迟。当我们增加活跃流的数量时，NV和IP之间的差距增加。这图三. MPLS数据包标签栈中的标签分配和交换步骤。46G.A. Mazhin et al. / ICT Express 3（2017）43见图4。(a)Cost239网络拓扑用于仿真场景，（b）六个虚拟网络与真实网络之间的映射。表1提出的架构和IP网络的交付率和交付延迟的比较（4，4）（四、六）（四、八）（6，4）（6，6）（6，8）IP传输延迟（ms）2.22.12.42.42.52.8NV输送延迟（ms）1.81.72.12.11.82.1IP交付率（%）96.9299.2895.3393.6785.4161.42新生儿分娩率（%）99.9210099.2598.4497.8596.52是因为NV将负载分散在更多的虚拟网络上。此外，交付延迟随着虚拟网络的数量而增加。事实上，在NV-6网络中，虚拟路由更长，共享更多的瓶颈节点。传递率被定义为传递的数据包与传输的数据包的比率在我们的实验中，NV通过将负载分散在更多的虚拟网络上，有效地减少了丢弃数据包的数量在所有情况下，NV交付率均高于96%。数据包丢失的主要原因是共享物理节点周围的流量拥塞。我们选择虚拟网络，使它们共享更少的公共节点。因此，流量被分散在更多的物理节点上，导致更少的拥塞节点。NV over IP的边缘随着活动流的数量和虚拟网络的数量而增加5. 相关作品在[9，10]中给出了MPLS技术的全面描述。Wu等人介绍了一种MPLS架构在[8]中，通过在互联网的核心实现MPLS-TE。从流量工程的角度来看，这种架构优于核心内的其他MPLS架构，但它仍然缺乏灵活性和核心节点周围的瓶颈形成。在[12]中，作者提出了一种用于MPLS中组播支持的两级堆栈架构。在[13]中，使用了相同的架构，并开发了MPLS的广播机制。虽然NV解决方案适用于各种各样的网络应用[1一种基于在[17]中提出了关于业务角色的建议。El Barachi等人[5]提出了一种商业模型，并在物理网络上创建了一个虚拟基础设施网络。如前所述，当前的架构要么要求高传输速度，要么专注于服务的多样性和创建业务模型。在所有这些架构中，从NV的角度来看，所产生的网络的多样性得到了满足。然而，这些研究没有解决核心分集和快速传输速率。NV在未来的成功很大程度上取决于快速有效的数据传输方案的可用性。6. 结论我们通过结合NV和MPLS技术创建了一个新的互联网架构，提供了高管理能力和极高的灵活性和可扩展性，同时以合理的成本、高传输速率和可预测的QoS支持新的应用。通过采用所提出的架构，具有不同政策的受益人可以以较低的成本有效地使用当前的互联网。此外，我们提出了一种方法，通过它来增强互联网，以适应新的应用程序很容易。这是由于NV的高度灵活性。通过使用多级MPLS技术，我们补偿了传输速度的降低，是虚拟化技术的共同特征。建议的架构可以作为一个适当的基础，开发新的业务模式，以及未来的应用程序和服务的下一代网络。G.A. Mazhin et al. / ICT Express 3（2017）4347引用[1] 新墨西哥州穆沙拉夫·卡比尔·乔杜里河Boutaba，网络虚拟化调查，Comput。网络54（5）（2010）862-876。[2] J. Carapinha，J. Ji m'nez，Net Work Virtualization：A Vi e w from thebottom，in：Proc. ACM虚拟化基础设施系统和架构研讨会，2009年，第1073比80[3] 新墨西哥州穆沙拉夫·卡比尔·乔杜里河Boutaba，网络虚拟化：最新技术和研究挑战，IEEE Commun。Mag.47（7）（2009）20-26.[4] A. 汗，A。Zugenmaier，D.尤尔卡湾Kellerer，网络虚拟化：一个互联网的监督者？IEEE通信50（2012）136-143。[5]M. El Barachi，N.卡拉河Dssouli，面向服务的网络虚拟化架构，在：Proc. of ITU-T Kaleidoscope Event，2010，pp. 一比七[6] M. Yu，Y. Yi，J. Rexford，M.蒋，反思虚拟网络嵌入：路径分割和迁移的底层支持，ACM SIGCOMM COMPUT。Commun. Rev. 38（2）（2008）。[7] 新墨西哥州M.R.穆沙拉夫·卡比尔·乔杜里拉赫曼河，巴西-地Boutaba，ViNEYard：具有协调节点和链路映射的虚拟网络嵌入算法，IEEE/ACM Transaction Netw。20（1）（2012）。[8] J. Wu，Y.Zhang，A layered MPLS network architecture，2010，in：Proc.IEEE WiCOM，pp. 一比四[9] E. Rosen，D.塔潘湾Fedorkow，Y. Rekhter，D. Farinacci，T. Li，长穗条锈菌A. Conta，MPLS标签栈编码，RFC 3032，2001年1月。[10] E. Rosen，A.维斯瓦纳坦河Callon，多协议标签交换架构，RFC3031，2001年1月。[11] L.安德森河Asati，多协议标签交换（MPLS）[12] S. Samadian-Barzoki，M. Bag-Mohammadi，N. 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