基于内嵌弹性分组环的SDH城域网系统仿真的研究

1、基于内嵌弹性分组环的SDH城域网系统仿真的研究摘要：弹性分组环简称RPR，是一种新型的网络结构和技术，是为在宽带IP城域网中满足基于分组的城域网的要求而设计的，它综合SDH、以太网、MPLS、ATM、WDM等协议和技术的优点，为宽带IP城域网提供一种优化的解决方案。RPR组网方案可保证语音、数据、视频、流媒体等业务在统一平台上传送。关键词：弹性分组环 系统仿真 公平算法城域网是一种能支持多种通信协议、提供丰富的多业务、主要面向集体用户、最大可覆盖整个城市的公用网。随着Internet的超常规发展，网络所承载的业务流量发生了很大的变化。一方面网络中的业务流量持续不断呈指数型增长；另一方面数据业务

2、流量渐渐超过其他的业务而成为网络中占主导地位的业务流量。面临着这些改变，现有的城域网技术也渐渐暴露出了很多问题。因此，很多运营商都意识到必须将他们现有的针对话音优化的网络演变成针对数据优化的网络。近两年来各种新一代的城域网技术层出不穷，其中弹性分组环(Resilient Packet Ring，RPR) 技术以其技术的先进性，投资的有效性，性能的优越性，支持业务的多样性，为城域网提供了一个很好的解决方案。弹性分组环简技术（简称RPR技术）是一种全新的、为IP数据业务设计的光纤传输技术，采用环形组网技术，将数据、话音、图像业务合一，并解决了QOS分类、环保护等问题。它在具备了千兆以太网比较经济的

3、特点的同时，帧封装比POS更为简化和灵活，并具有空间复用机制和50ms环自愈保护特性。RPR自身的特点如双环结构、环保护、带宽公平共享、拓朴自动发现、严格COS等，再加上MSTP自身的特点多业务传送、TDM良好支持、严格的时延抖动控制、成熟的管理、规模的应用等，两者优势的组合，可以针对不同业务应用需求形成不同的网络解决方案。本文对内嵌RPR的SDH城域网系统设计进行了软件仿真，验证了系统工作的效果。可以看出，在城域网中引入内嵌RPR的MSTP设备，主要的作用就在于提供具有电信级业务保护的，有QoS的数据承载通道，这样做可以简化数据网的网络结构、节约城域光纤、提高数据传送效率。内嵌RPR技术使得

4、运营商可以在城域网内以低成本提供电信级的服务，在提供SDH级网络生存性的同时又大大降低了传送成本。其技术最突出的特点就是以太网的成本、SDH的可靠性和服务质量三者完美的结合。本文通过对RPR的公平算法进行了仿真验证。证明了RPR技术的提出解决了上一代MSTP中采用EOS实现以太网数据传输的效率低、可用性差的弱点，使传统的SDH焕发了新的生机。我们相信随着标准化进程的推进和各厂家在实现技术方面的努力，RPR技术将得到广泛的应用。RPR网络模型根据RPR技术的要求，环网模型必须采用双环结构，其中一根光纤顺时针旋转，称为外环；另一根光纤逆时针旋转，称为内环。RPR在外环上传送数据（下行），而在内环反

5、方向上传送对应外环的控制包（上行）。内环上的操作以此类推。环上的每个节点具有RPR MAC层的功能。光纤由数据链路模拟，采用2.5Gb/s速率。根据需要，也可以模拟10Gb/s，或者更高速率。系统仿真本文主要针对RPR的公平算法进行仿真验证。如图1-1所示，RPR是一个5个节点的双环结构，内外环均采用2.5Gb/s链路带宽。图1-1 公平算法处理过程图当A、B、C三点都没有新的流量注入时，假设按最短跳数（最短路径）路由。设计环上的流量分布为：各节点向环上其他4个节点同时发送流量。为简化起见，进一步假设网络流量均衡分布，各节点都具有同一权重。根据对称性原则，网络最终将趋于各节点向其他4个节点产生

6、同样多的流量；各节点产生同样多的流量。考察节点A在环上产生的流量。节点A将在环上产生4种流量，分别是：A-B、A-C、A-D、A-E。根据最短路径路由原则，其中流量A-B、A-C必须沿外环传送，覆盖路径A-B、A-B-C；流量A-E、A-D则必须沿内环传送，覆盖路径A-E、A-E-D。同理可分析环上其他节点的流量分布情况。总之，该环网上每个节点将分别在内、外环上各产生且仅产生2种流量；且向某个特定目的节点产生的流量只能出现在特定的单环上，要么选择内环，要么选择外环，两者只能选择其一。考察外环上B-C这一链路分段，根据上述路由原则，该分段上存在三种流量，即B-C、B-D和A-C，且只可能存在这三

7、种流量。同理，在该环网的每个单环（外环、内环）上的每一个链路分段上也都满足这一条件，即：存在且仅存在3种流量。公平算法必须保证这3种流量公平地共享该分段上的带宽资源，所以，每种流量都能且只能分配到该链路总带宽1/3的份额。因此，在外环上B-C这一链路分段上，节点A产生的流量将占用1/3的总带宽，而剩余2/3的总带宽则由节点B产生的流量占用。首先以外环为例，考察一个单环上的带宽效率。根据前述公平性分析：每一个节点在外环上最多只占用向下游2跳的链路分段，因此只在该环上产生2种流量，而每一个流量只占用总带宽1/3的份额。因此，外环吞吐量可用下列算式计算：Throughput=522500=8333.

8、3（Mb/s） （1-1）可见，外环带宽效率可提高3.3倍以上。同理，内环带宽效率也能提高3.3倍以上。因此，整个环网（双环）带宽效率可用下列算式计算：Throughput=22500=16666.7（Mb/s） （1-2）而一个相同配置的SDH环网，吞吐量最多不过2.5Gb/s，即使双环同时都用来传送流量，也不超过5Gb/s。可见，由于实现了带宽的统计复用，RPR环网带来了带宽效率的数倍增益，展现了巨大的优越性。针对上述分析，进行了仿真实验，仿真结果如图1-2所示。可以看到，实验网络的平均吞吐量近似于8333.3M/s，完全符合前述分析的理论值。图1-2 网络吞吐量5节点环网因此，仿真实验验

9、证了公平算法带宽统计复用的效果。下面在介绍当RPR环上无流量，而当注入新的流量时公平算法的处理过程。如图1-1所示。环中有A、B、C、D四个节点，流量通过外环传送。首先B、C节点分别发送1000Mbit/s流量至节点D，在CD段共享带宽，CD段链路消耗的带宽为2Gb/s，无拥塞。接下来节点A在节点B、C之后1s也注入1000Mb/s流量发送至节点D，这时CD段流量要达到3Gb/s，超过RPR链路带宽极限值2.5Gb/s，CD段出现拥塞。根据公平算法，C节点本地计算，立即将本地上载的流量降至500Mb/s，同时通过内环反向发送控制报文给B，传递拥塞和公平算法信息。B节点收到控制报文后，也立即降低

10、本地上载的流量，根据公平算法计算值，C、B两节点的上载流量都调整为750Mb/s。同时B节点继续向上游A节点传送公平算法控制报文。A节点收到控制报文后也作相应处理。这样依次下来，最后A、B、C三个节点的上载流量都调整为833Mb/s，公平享用带宽。在这个案例中的流量都是要求绝对公平的流量。RPR还支持对带宽的独占以及加权的公平方式，即各节点上载的流量值未必均等。节点B仿真结果如图1-3所示，1-2s时间段，节点B独占全部带宽。2-3s时间段，因为接入节点A的流量，节点B不得不与节点A、C共享外环的833Mbit/s带宽，根据公平算法的约束，节点A、B、C平均分配到833Mbit/s带宽。图1-3 节点B带宽分配节点A仿真结果如图1-4所示，1-2s时间段，不占用带宽。2-3s时间段，由于节点A注入1000Mbit/s流量，节点A与节点B、C共享外环的833Mbit/s带宽。图1-4 节点A带宽分配通过以上仿真结果可以看出，公平算法能够根据网上的流量需求，动态地调整带宽分配，不需要任何指配。本文主要研究内嵌RPR的MSTP在S