多路径路由技术

最近自己研究了下多路径路由技术，一来和一个项目相关，提前预热，为以后专业知识打基础，二来培养自己一个新领域快速学习和总结能力。

目前网络中路由方案大多为单路径路由，基于给定限制寻找一条最优路径，只有该路径失效时才会重新计算或者选用备用路径，这种做法有以下三个不足：

• 大部分情况下其他多数路径都处于空闲状态，不能很好地利用网络资源
• 当数据量较大时，容易造成网络拥塞
• 不能很好实现业务驱动网络，由于业务对网络要求不同，如带宽、时延、丢包率等，但单路径路由不会进行区分服务。
  本文主要介绍一下两方面的内容，一是目前主流用到的多路径技术，包括ECMP、WCMP、OSPF-OMP，二是学术界比较有影响的多路径思路

ECMP总结：

ECMP（等价多路径）是一种路由技术，实现将数据包在不同的路径上传输，原理相对简单，首先计算出网络中两个节点的最短路径，如果有多条等价最短路径，则进行负载均衡，这也是ECMP最大局限性所在，表现为：首先在一个网络中，等价最短路径限制太强，再者将流量平均分配到不同路径上没有考虑到网络实际能力，比如两条等价最短路径若带宽不对称，平均分配流量可能造成一条链路拥塞而另一条相对空闲。

ECMP具体实现过程

ECMP基于hash算法，主要包括以下步骤
1、 key值的生成。路由器选择数据包的一个头部字段（如源地址、目的地址等）通过hash算法得到一个键值key。
2、 查找hash表，看该键值落在哪个具体，该区域对应的下一跳就是该数据转发的下一个目的地。
假如说找到四条等价最短路径，即有四个下一跳可供选择，分配的表大小为keyspace.size，则每个下一跳负责的区域大小为

         regionsize = keyspace.size / #{nexthops}  

区域序号为：

         region = key / regionsize;

由此找出了对应的下一跳地址。
值得注意的是，ECMP只是实现了粗粒度的控制，每个流走的路径是一样的，不存在数据包重新排序问题,细粒度的负载均衡是基于数据包。值得进一步思考的是当端口失效或者新加一条通路时重排序问题。在文献[1]中有提到。ECMP原理在OSPF中使用。

WCMP

Weighted Cost Multipathing ,为了解决数据中心流量负载均衡问题而提出[2]，主要针对ECMP存在的问题进行了改善

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如图，简单解释下，将数据从S10发送到S12，利用ECMP，即流量在各个出口链路上平均分配，但实际到S20有两条上行链路而到S12只有一条下行链路，导致S20，S21，S22下行数据不公平，不能很好利用资源。若在各个链路上采取 1:1:2:2分配，即WCMP原则，实现流量的平均分配。

WCMP实现原理

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0-3为ECMP等价选路，4-15为WCMP按权重分配。

multipath TCP

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同时打开多个 TCP 会话，这种方式将数据分成多个部分，然后每个会话发送其中的部分。有效开放多个并行的 TCP 会话，为MulTCP，在一个 TCP 会话模拟多个并行的 TCP 会话的行为。这些行为为并行的 TCP 会话假设相同的端点几相同的端到端网络路径。一个使用多个并行会话的 TCP 进化，但试图通过网络以多种路径传输这些会话，这就是多路径 TCP。

参考文献：
[1] Hopps C E. Analysis of an equal-cost multi-path algorithm[J]. 2000.
[2] Zhou J, Tewari M, Zhu M, et al. WCMP: Weighted cost multipathing for improved fairness in data centers[C]//Proceedings of the Ninth European Conference on Computer Systems. ACM, 2014: 5.
[3] https://www.oschina.net/translate/mptcp
[4] He J, Rexford J. Toward internet-wide multipath routing[J]. IEEE network, 2008, 22(2).