基于內(nèi)嵌彈性分組環(huán)的SDH城域網(wǎng)系統(tǒng)仿真的研究

1、基于內(nèi)嵌彈性分組環(huán)的SDH城域網(wǎng)系統(tǒng)仿真的研究摘要：彈性分組環(huán)簡稱RPR，是一種新型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和技術(shù)，是為在寬帶IP城域網(wǎng)中滿足基于分組的城域網(wǎng)的要求而設(shè)計(jì)的，它綜合SDH、以太網(wǎng)、MPLS、ATM、WDM等協(xié)議和技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，為寬帶IP城域網(wǎng)提供一種優(yōu)化的解決方案。RPR組網(wǎng)方案可保證語音、數(shù)據(jù)、視頻、流媒體等業(yè)務(wù)在統(tǒng)一平臺(tái)上傳送。關(guān)鍵詞：彈性分組環(huán) 系統(tǒng)仿真 公平算法城域網(wǎng)是一種能支持多種通信協(xié)議、提供豐富的多業(yè)務(wù)、主要面向集體用戶、最大可覆蓋整個(gè)城市的公用網(wǎng)。隨著Internet的超常規(guī)發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)所承載的業(yè)務(wù)流量發(fā)生了很大的變化。一方面網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)流量持續(xù)不斷呈指數(shù)型增長；另一方面數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

2、流量漸漸超過其他的業(yè)務(wù)而成為網(wǎng)絡(luò)中占主導(dǎo)地位的業(yè)務(wù)流量。面臨著這些改變，現(xiàn)有的城域網(wǎng)技術(shù)也漸漸暴露出了很多問題。因此，很多運(yùn)營商都意識(shí)到必須將他們現(xiàn)有的針對話音優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)演變成針對數(shù)據(jù)優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)。近兩年來各種新一代的城域網(wǎng)技術(shù)層出不窮，其中彈性分組環(huán)(Resilient Packet Ring，RPR) 技術(shù)以其技術(shù)的先進(jìn)性，投資的有效性，性能的優(yōu)越性，支持業(yè)務(wù)的多樣性，為城域網(wǎng)提供了一個(gè)很好的解決方案。彈性分組環(huán)簡技術(shù)（簡稱RPR技術(shù)）是一種全新的、為IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的光纖傳輸技術(shù)，采用環(huán)形組網(wǎng)技術(shù)，將數(shù)據(jù)、話音、圖像業(yè)務(wù)合一，并解決了QOS分類、環(huán)保護(hù)等問題。它在具備了千兆以太網(wǎng)比較經(jīng)濟(jì)的

3、特點(diǎn)的同時(shí)，幀封裝比POS更為簡化和靈活，并具有空間復(fù)用機(jī)制和50ms環(huán)自愈保護(hù)特性。RPR自身的特點(diǎn)如雙環(huán)結(jié)構(gòu)、環(huán)保護(hù)、帶寬公平共享、拓樸自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、嚴(yán)格COS等，再加上MSTP自身的特點(diǎn)多業(yè)務(wù)傳送、TDM良好支持、嚴(yán)格的時(shí)延抖動(dòng)控制、成熟的管理、規(guī)模的應(yīng)用等，兩者優(yōu)勢的組合，可以針對不同業(yè)務(wù)應(yīng)用需求形成不同的網(wǎng)絡(luò)解決方案。本文對內(nèi)嵌RPR的SDH城域網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了軟件仿真，驗(yàn)證了系統(tǒng)工作的效果?？梢钥闯?，在城域網(wǎng)中引入內(nèi)嵌RPR的MSTP設(shè)備，主要的作用就在于提供具有電信級(jí)業(yè)務(wù)保護(hù)的，有QoS的數(shù)據(jù)承載通道，這樣做可以簡化數(shù)據(jù)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、節(jié)約城域光纖、提高數(shù)據(jù)傳送效率。內(nèi)嵌RPR技術(shù)使得

4、運(yùn)營商可以在城域網(wǎng)內(nèi)以低成本提供電信級(jí)的服務(wù)，在提供SDH級(jí)網(wǎng)絡(luò)生存性的同時(shí)又大大降低了傳送成本。其技術(shù)最突出的特點(diǎn)就是以太網(wǎng)的成本、SDH的可靠性和服務(wù)質(zhì)量三者完美的結(jié)合。本文通過對RPR的公平算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。證明了RPR技術(shù)的提出解決了上一代MSTP中采用EOS實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男实?、可用性差的弱點(diǎn)，使傳統(tǒng)的SDH煥發(fā)了新的生機(jī)。我們相信隨著標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的推進(jìn)和各廠家在實(shí)現(xiàn)技術(shù)方面的努力，RPR技術(shù)將得到廣泛的應(yīng)用。RPR網(wǎng)絡(luò)模型根據(jù)RPR技術(shù)的要求，環(huán)網(wǎng)模型必須采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，其中一根光纖順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，稱為外環(huán)；另一根光纖逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，稱為內(nèi)環(huán)。RPR在外環(huán)上傳送數(shù)據(jù)（下行），而在內(nèi)環(huán)反

5、方向上傳送對應(yīng)外環(huán)的控制包（上行）。內(nèi)環(huán)上的操作以此類推。環(huán)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有RPR MAC層的功能。光纖由數(shù)據(jù)鏈路模擬，采用2.5Gb/s速率。根據(jù)需要，也可以模擬10Gb/s，或者更高速率。系統(tǒng)仿真本文主要針對RPR的公平算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。如圖1-1所示，RPR是一個(gè)5個(gè)節(jié)點(diǎn)的雙環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)外環(huán)均采用2.5Gb/s鏈路帶寬。圖1-1 公平算法處理過程圖當(dāng)A、B、C三點(diǎn)都沒有新的流量注入時(shí)，假設(shè)按最短跳數(shù)（最短路徑）路由。設(shè)計(jì)環(huán)上的流量分布為：各節(jié)點(diǎn)向環(huán)上其他4個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送流量。為簡化起見，進(jìn)一步假設(shè)網(wǎng)絡(luò)流量均衡分布，各節(jié)點(diǎn)都具有同一權(quán)重。根據(jù)對稱性原則，網(wǎng)絡(luò)最終將趨于各節(jié)點(diǎn)向其他4個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生

6、同樣多的流量；各節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生同樣多的流量?？疾旃?jié)點(diǎn)A在環(huán)上產(chǎn)生的流量。節(jié)點(diǎn)A將在環(huán)上產(chǎn)生4種流量，分別是：A-B、A-C、A-D、A-E。根據(jù)最短路徑路由原則，其中流量A-B、A-C必須沿外環(huán)傳送，覆蓋路徑A-B、A-B-C；流量A-E、A-D則必須沿內(nèi)環(huán)傳送，覆蓋路徑A-E、A-E-D。同理可分析環(huán)上其他節(jié)點(diǎn)的流量分布情況。總之，該環(huán)網(wǎng)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)將分別在內(nèi)、外環(huán)上各產(chǎn)生且僅產(chǎn)生2種流量；且向某個(gè)特定目的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的流量只能出現(xiàn)在特定的單環(huán)上，要么選擇內(nèi)環(huán)，要么選擇外環(huán)，兩者只能選擇其一?？疾焱猸h(huán)上B-C這一鏈路分段，根據(jù)上述路由原則，該分段上存在三種流量，即B-C、B-D和A-C，且只可能存在這三

7、種流量。同理，在該環(huán)網(wǎng)的每個(gè)單環(huán)（外環(huán)、內(nèi)環(huán)）上的每一個(gè)鏈路分段上也都滿足這一條件，即：存在且僅存在3種流量。公平算法必須保證這3種流量公平地共享該分段上的帶寬資源，所以，每種流量都能且只能分配到該鏈路總帶寬1/3的份額。因此，在外環(huán)上B-C這一鏈路分段上，節(jié)點(diǎn)A產(chǎn)生的流量將占用1/3的總帶寬，而剩余2/3的總帶寬則由節(jié)點(diǎn)B產(chǎn)生的流量占用。首先以外環(huán)為例，考察一個(gè)單環(huán)上的帶寬效率。根據(jù)前述公平性分析：每一個(gè)節(jié)點(diǎn)在外環(huán)上最多只占用向下游2跳的鏈路分段，因此只在該環(huán)上產(chǎn)生2種流量，而每一個(gè)流量只占用總帶寬1/3的份額。因此，外環(huán)吞吐量可用下列算式計(jì)算：Throughput=522500=8333.

8、3（Mb/s） （1-1）可見，外環(huán)帶寬效率可提高3.3倍以上。同理，內(nèi)環(huán)帶寬效率也能提高3.3倍以上。因此，整個(gè)環(huán)網(wǎng)（雙環(huán)）帶寬效率可用下列算式計(jì)算：Throughput=22500=16666.7（Mb/s） （1-2）而一個(gè)相同配置的SDH環(huán)網(wǎng)，吞吐量最多不過2.5Gb/s，即使雙環(huán)同時(shí)都用來傳送流量，也不超過5Gb/s?？梢姡捎趯?shí)現(xiàn)了帶寬的統(tǒng)計(jì)復(fù)用，RPR環(huán)網(wǎng)帶來了帶寬效率的數(shù)倍增益，展現(xiàn)了巨大的優(yōu)越性。針對上述分析，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果如圖1-2所示。可以看到，實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐量近似于8333.3M/s，完全符合前述分析的理論值。圖1-2 網(wǎng)絡(luò)吞吐量5節(jié)點(diǎn)環(huán)網(wǎng)因此，仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)

9、證了公平算法帶寬統(tǒng)計(jì)復(fù)用的效果。下面在介紹當(dāng)RPR環(huán)上無流量，而當(dāng)注入新的流量時(shí)公平算法的處理過程。如圖1-1所示。環(huán)中有A、B、C、D四個(gè)節(jié)點(diǎn)，流量通過外環(huán)傳送。首先B、C節(jié)點(diǎn)分別發(fā)送1000Mbit/s流量至節(jié)點(diǎn)D，在CD段共享帶寬，CD段鏈路消耗的帶寬為2Gb/s，無擁塞。接下來節(jié)點(diǎn)A在節(jié)點(diǎn)B、C之后1s也注入1000Mb/s流量發(fā)送至節(jié)點(diǎn)D，這時(shí)CD段流量要達(dá)到3Gb/s，超過RPR鏈路帶寬極限值2.5Gb/s，CD段出現(xiàn)擁塞。根據(jù)公平算法，C節(jié)點(diǎn)本地計(jì)算，立即將本地上載的流量降至500Mb/s，同時(shí)通過內(nèi)環(huán)反向發(fā)送控制報(bào)文給B，傳遞擁塞和公平算法信息。B節(jié)點(diǎn)收到控制報(bào)文后，也立即降低

10、本地上載的流量，根據(jù)公平算法計(jì)算值，C、B兩節(jié)點(diǎn)的上載流量都調(diào)整為750Mb/s。同時(shí)B節(jié)點(diǎn)繼續(xù)向上游A節(jié)點(diǎn)傳送公平算法控制報(bào)文。A節(jié)點(diǎn)收到控制報(bào)文后也作相應(yīng)處理。這樣依次下來，最后A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)的上載流量都調(diào)整為833Mb/s，公平享用帶寬。在這個(gè)案例中的流量都是要求絕對公平的流量。RPR還支持對帶寬的獨(dú)占以及加權(quán)的公平方式，即各節(jié)點(diǎn)上載的流量值未必均等。節(jié)點(diǎn)B仿真結(jié)果如圖1-3所示，1-2s時(shí)間段，節(jié)點(diǎn)B獨(dú)占全部帶寬。2-3s時(shí)間段，因?yàn)榻尤牍?jié)點(diǎn)A的流量，節(jié)點(diǎn)B不得不與節(jié)點(diǎn)A、C共享外環(huán)的833Mbit/s帶寬，根據(jù)公平算法的約束，節(jié)點(diǎn)A、B、C平均分配到833Mbit/s帶寬。圖1-3 節(jié)點(diǎn)B帶寬分配節(jié)點(diǎn)A仿真結(jié)果如圖1-4所示，1-2s時(shí)間段，不占用帶寬。2-3s時(shí)間段，由于節(jié)點(diǎn)A注入1000Mbit/s流量，節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B、C共享外環(huán)的833Mbit/s帶寬。圖1-4 節(jié)點(diǎn)A帶寬分配通過以上仿真結(jié)果可以看出，公平算法能夠根據(jù)網(wǎng)上的流量需求，動(dòng)態(tài)地調(diào)整帶寬分配，不需要任何指配。本文主要研究內(nèi)嵌RPR的MSTP在S