基于混合路由的校園網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真研究

陳少光

（廣州軟件學(xué)院，廣東 廣州 510990）

0 引 言

隨著以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展，信息獲取與需求的基礎(chǔ)上人們對于網(wǎng)絡(luò)性能也有了更高的要求，網(wǎng)絡(luò)研究的核心也逐漸從過去的主機(jī)互聯(lián)向著內(nèi)容分發(fā)的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)型。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在多媒體發(fā)送上存在設(shè)計(jì)障礙，已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)今龐大的數(shù)據(jù)訪問與下載需求，為了滿足傳輸需求，新一代網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)也在快速發(fā)展中。軟件定義的網(wǎng)絡(luò)SDN技術(shù)基于將網(wǎng)絡(luò)控制平面和數(shù)據(jù)平面分離的原理，并使用控制器的集中視圖來統(tǒng)一管理域中的交換機(jī)，從而有效簡化了網(wǎng)絡(luò)部署，實(shí)現(xiàn)了靈活的網(wǎng)絡(luò)配置[1,2]。華為提出的協(xié)議為非感知轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，POF基于SDN的南向接口標(biāo)準(zhǔn)OpenFlow協(xié)議可以設(shè)計(jì)新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)而不受現(xiàn)有協(xié)議的限制，這對于網(wǎng)絡(luò)研究非常重要。本文以數(shù)字校園建設(shè)為例，應(yīng)用多中心混合路由進(jìn)行校園網(wǎng)設(shè)計(jì)，在傳統(tǒng)ZRP路由技術(shù)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，采用ARM-Linux平臺進(jìn)行整體架構(gòu)設(shè)計(jì)[3,4]。這種方法從協(xié)議層的中心節(jié)點(diǎn)抽取模塊，并通過主動(dòng)路由機(jī)制發(fā)送周期性信號，從而實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)下的無線通信，解決了傳統(tǒng)混合路由機(jī)制存在由于交換機(jī)制導(dǎo)致的路由與MAC尋址匹配問題。

1 校園網(wǎng)的特點(diǎn)

校園網(wǎng)主要用于保持學(xué)生日常學(xué)習(xí)及學(xué)校各部門間的日常交流，一般要求覆蓋廣、穩(wěn)定性強(qiáng)、可拓展性好以及建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。

1.1 建設(shè)原則

首先應(yīng)保持網(wǎng)絡(luò)成熟度高，由于校園網(wǎng)相較于普通企業(yè)機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)吞吐量高，數(shù)據(jù)處理量龐大，所以對于網(wǎng)路效率有著較高的要求，成熟度較高的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置可以很好保證網(wǎng)絡(luò)在這種負(fù)載大壓力環(huán)境下的穩(wěn)定性，同時(shí)其故障類型也比較固定，便于進(jìn)行日常的快速維護(hù)與恢復(fù)，不會(huì)影響教學(xué)及科研活動(dòng)。其次要具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對于高校及科研機(jī)構(gòu)而言，除了日常科研教學(xué)與政務(wù)外，最大的功能是信息輸出與共享。例如，實(shí)現(xiàn)高校間科研教學(xué)數(shù)據(jù)的交流與訪問，采用統(tǒng)一的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)有利于保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，提升數(shù)據(jù)共享效率與準(zhǔn)確性，同時(shí)模塊化的結(jié)構(gòu)也有利于日后對于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行升級與維護(hù)。再次對穩(wěn)定性和可靠性有著較高的要求，由于科研教學(xué)常常需要高校各部門機(jī)構(gòu)在一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)的占用網(wǎng)絡(luò)資源，如果出現(xiàn)經(jīng)常性斷網(wǎng)或者非法占用將對學(xué)校的日常運(yùn)營帶來極大的負(fù)面影響。然后高校網(wǎng)絡(luò)對于安全保密性也有著特殊要求，由于涉及到核心科研成果、學(xué)生信息以及教學(xué)資源等一系列因素，因此學(xué)校在校園網(wǎng)建設(shè)時(shí)都會(huì)提出較高要求，至少從內(nèi)部訪問控制與外部防火墻兩方面保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全[5.6]。系統(tǒng)建設(shè)時(shí)應(yīng)按照國家相關(guān)的規(guī)定進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)保密性建設(shè)。最后對于實(shí)用性與可行性也有著一定的要求，根據(jù)建設(shè)原則一般要求在各項(xiàng)性能滿足需求的前提下，考慮最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 典型的校園網(wǎng)功能架構(gòu)

以數(shù)字校園網(wǎng)的功能架構(gòu)為例（如下圖1），以信息中心為核心，將校園網(wǎng)分為內(nèi)部網(wǎng)和外部網(wǎng)兩部分。內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)或校園網(wǎng)絡(luò)包括教室、實(shí)驗(yàn)室、辦公室、圖書館、會(huì)議室以及學(xué)生和教師宿舍，提供教育、研究及學(xué)校管理，外部網(wǎng)絡(luò)包括與大學(xué)的點(diǎn)對點(diǎn)連接，提供外部信息的交換和服務(wù)，而信息中心則負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全管理。

圖1 典型校園網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

校園網(wǎng)各層要遵守各層的標(biāo)準(zhǔn)化傳輸協(xié)議，同時(shí)層級之間構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)整體也要遵循規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，一般也將這種層級協(xié)議集合稱為協(xié)議與層次的集合[7.8]。

2 多中心混合路由的校園網(wǎng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)混合路由機(jī)制存在由于交換機(jī)制導(dǎo)致的路由與MAC尋址匹配問題，會(huì)因無效的重復(fù)尋址導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源過度占用和訪問時(shí)間延遲等一系列問題，給校園網(wǎng)絡(luò)訪問特別是選課旺季的網(wǎng)絡(luò)操作帶來許多阻礙，成為了校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中亟待解決的一個(gè)問題。

目前采用的路由機(jī)制是每個(gè)連接節(jié)點(diǎn)都在固定的部署范圍內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋，這樣網(wǎng)絡(luò)互相重合的區(qū)域大，占用資源多且維護(hù)起來成本也高。改變節(jié)點(diǎn)為中心的組網(wǎng)方式，是優(yōu)化目前這種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。以目前校園網(wǎng)資源占用情況來看，以相鄰節(jié)點(diǎn)資源占用量來進(jìn)行組網(wǎng)中心選擇是一種更為合適的組網(wǎng)模式。本文設(shè)計(jì)的多中心校園網(wǎng)混合路由是在傳統(tǒng)ZRP路由技術(shù)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，采用ARMLinux平臺進(jìn)行整體架構(gòu)設(shè)計(jì)[9]。由于路由與MAC地址在交互中存在失效問題，所以設(shè)計(jì)了基于原語觸發(fā)資源分配的交互規(guī)則，以規(guī)避這一問題，減少了在建立通話時(shí)因反復(fù)占用網(wǎng)絡(luò)資源所導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)。交互機(jī)制的引入也解決了路由與MAC地址獲取不同步的問題，節(jié)省了反復(fù)尋址的時(shí)間浪費(fèi)，具體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 多中心混合路由的校園網(wǎng)架構(gòu)

最底層為MAC層，其通過原語觸發(fā)機(jī)制實(shí)現(xiàn)與傳輸層的業(yè)務(wù)交換與控制。網(wǎng)絡(luò)傳輸層共有4個(gè)模塊，分別是路由模塊、資源模塊、傳輸模塊以及接口處理模塊[10]。其中，路由模塊中包括路由消息和路由表兩部分，消息處理中又包括接收處理模塊，并設(shè)定有路由選擇機(jī)制。本文研究的核心點(diǎn)也是路由機(jī)制的選擇，為了適應(yīng)拓?fù)渥兓斓惹闆r，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)量和鄰居節(jié)點(diǎn)連接度判斷每個(gè)節(jié)點(diǎn)是否應(yīng)該建立主動(dòng)區(qū)域。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)量很大時(shí)，該節(jié)點(diǎn)建立主動(dòng)路由區(qū)域，節(jié)點(diǎn)周期性廣播MR消息，鄰居節(jié)點(diǎn)收到MRREQ消息之后建立反向路由。如果MRREQ消息的生命周期TTL不等于0，則轉(zhuǎn)發(fā)MRREQ消息同時(shí)單播一個(gè)RREP_C消息給源節(jié)點(diǎn)建立正向路由，其具體觸發(fā)流程如圖3所示。

圖3 消息選擇機(jī)制觸發(fā)流程

這種機(jī)制減少了在建立通話時(shí)，因反復(fù)占用網(wǎng)絡(luò)資源建立維護(hù)路由所導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)，極大提升了網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。路由列表是進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間通信的維護(hù)記錄的主要來源，基于ZRP_M的路由列表與基于傳統(tǒng)ZRP的區(qū)別主要體現(xiàn)在地址、業(yè)務(wù)類型、路由狀態(tài)、定時(shí)器以及鏈路信噪比5個(gè)方面，具體區(qū)別如表1所示。

表1 兩種路由策略對比

在傳輸模塊部分，多中心混合路由與傳統(tǒng)ZRP混合路由的區(qū)別在與定義了適合進(jìn)行多中心轉(zhuǎn)換的信息交互機(jī)制，包括主動(dòng)區(qū)域路由消息結(jié)構(gòu)、原語結(jié)構(gòu)以及資源原語。其中，原語結(jié)構(gòu)與資源原語是ZRP_M結(jié)構(gòu)所特有的，其主要作用是減少消息傳輸不同步所導(dǎo)致的資源浪費(fèi)。消息收發(fā)模塊在沿用傳統(tǒng)模塊的基礎(chǔ)上增加了原語消息模塊，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸層之后進(jìn)入應(yīng)用層直接和客戶端項(xiàng)實(shí)現(xiàn)各種用戶操作。通過初步建模比較可以發(fā)現(xiàn)，ZRP_M結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)ZRP結(jié)構(gòu)相比在網(wǎng)絡(luò)開銷性上具有很大的優(yōu)勢。傳統(tǒng)架構(gòu)每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須周期性廣播路由信息，而ZRP_M結(jié)構(gòu)不必如此。ZRP_M結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)開銷為4(r-1)2+4(r-1)+1，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)開銷為32(4r2-1)，其中r表示跳數(shù)。

通過采用MATLAB進(jìn)行延遲開銷比較可以發(fā)現(xiàn)，開銷隨半徑增大而增大。通常情況網(wǎng)絡(luò)區(qū)域最佳半徑為2跳或3跳，而ZRP_M結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比正符合這一最佳范圍區(qū)域，能夠最大限度提升網(wǎng)絡(luò)資源的利用。區(qū)域半徑對延遲開銷的影響如圖4所示。

圖4 區(qū)域半徑對延遲開銷影響

3 仿真試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，本文設(shè)計(jì)了變化較快的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎碌姆抡嬖囼?yàn)，采用NS2模擬器進(jìn)行模擬。該模擬器是在原NS模擬器上升級的產(chǎn)品，利用Linux作為平臺進(jìn)行操作，其編程語言為C/C++，主要功能特點(diǎn)是對復(fù)雜問題的精準(zhǔn)快速模擬計(jì)算。具體試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 仿真試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

仿真的性能評價(jià)主要依靠尋路時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)開銷以及投遞率3個(gè)指標(biāo)，延遲評價(jià)傳輸速度，網(wǎng)絡(luò)開銷中的凈開銷用于評價(jià)協(xié)議性能，其占比越大越好，投遞率用于進(jìn)行可靠性評價(jià)。根據(jù)上表中所設(shè)計(jì)的工況建立模型，鑒于單一測試準(zhǔn)確度偏低，本文采用多次仿真的均值模式進(jìn)行評價(jià)。

3.2 仿真分析

從圖5可以看出節(jié)點(diǎn)速率對于評價(jià)協(xié)議延遲有著很高正相關(guān)性。在混合路由機(jī)制中，ZRP進(jìn)行了主動(dòng)區(qū)域維護(hù)保持相對較好的穩(wěn)定性，而ZRP_M在主動(dòng)區(qū)域維護(hù)基礎(chǔ)上引入了路由緩存機(jī)制與備份機(jī)制，使得其在變化較快的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎碌姆€(wěn)定性相較于ZRP更好。

圖5 節(jié)點(diǎn)速度對延遲影響

從投遞率看（如圖6所示），主動(dòng)路由的鏈路有效利用率最高，AODV相對較較差。混合路由機(jī)制下，ZRP_M和ZRP因?yàn)槎加芯彺鏅C(jī)制所以在變化較快的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎掠休^高的鏈路有效性，但ZRP_M由于緩存條數(shù)更多所以優(yōu)越性更好。

圖6 節(jié)點(diǎn)速度對投遞率影響

從凈開銷占用情況看（如圖7所示），傳統(tǒng)主動(dòng)和按需路由隨節(jié)點(diǎn)速度升高，開銷占用率上升極快速。基于ZRP的混合路由，趨勢較為平緩具有前者的優(yōu)勢的結(jié)合，可以保證在變化較快的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎聻檩^大量的業(yè)務(wù)提供傳輸，而不引起網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過大的問題，這對于校園網(wǎng)多出口鏈路的設(shè)計(jì)有更好的匹配性，也便于進(jìn)行運(yùn)維。

圖7 節(jié)點(diǎn)速度對開銷比影響

4 結(jié) 論

本文從校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的角度描述了網(wǎng)絡(luò)需求和功能，并在此基礎(chǔ)上基于OSI架構(gòu)設(shè)計(jì)了多中心混合路由的校園網(wǎng)架構(gòu)，并通過進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)其傳輸性能及穩(wěn)定性較高，可以解決傳統(tǒng)混合路由機(jī)制存在的諸多問題。

在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究路由機(jī)制，采用ZRP_M結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)ZRP結(jié)構(gòu)，并采用仿真模擬來分析二者的優(yōu)劣，分別從尋路時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)開銷以及投遞率3個(gè)角度進(jìn)行評價(jià)，發(fā)現(xiàn)ZRP_M結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)越性。研究成果解決了校園組網(wǎng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化問題，為提升校園網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)和提高科研網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量提供了技術(shù)支持。