（通信与信息系统专业论文）宽带计算机网络的仿真方法与控制技术研究.pdf

华中理5 - 大学博士学位论文 摘要 在宽带多业务网络中。对网络进行性能分析和控制是至关重要的。论文针对宣堂随络仿 真方法和控制技术进行了深入的研究。主要工作包括：， - ，l 利用面向对象技术，对让簋扭圈络系统进行了分析与设计j 象出网络对象模型并 构建相关类型的数据结构：设计了计算机网络仿真系统的框架：利刚离散事件驱动仿真方 法，实现交换机模型的离散事件仿真算法设计。 2 ) r 。分析了离散事件仿真方法在宽带网络仿真中的弱点，提出了两种基于时间驱动的仿 真算法；使中一种算法在精度上与离散事件驱动仿真算法一致，但仿真速度明显加快，另一 种算法存在一定的仿真误差，但仿真速度要高得多：与时间驱动的流体仿真相比，这两种方 法都是针对离散系统的仿真，能提供对上层协议仿真的支持。 3 )针对目前宽带网络倍源模型的片面性，j 提山一种能同时拟合实际信源长、短相关特 性的新信源模型，并对其进行了相关结构分析；附视频源的拟台证实该模型能较好地同时描 述信源的两种相关结构。 4 ) j 捉 j 1 一种基下b p 神经网络的a t m 接入允许控制方案；f 该方案不仅具有自适应实 时控制的优点，而且不依赖于呼入的种类数目，同时不需呼入参数的更详细描述。因而具有 更犬的灵活性和适应面。仿真纬果表明该方案有充分人的接入区域和抗干扰能力。 5 ) 。分析在多类业务的网络中最小阻塞率的接入控制方法；( 在多类呼叫的环境中，给出 了最优阻塞率的接入区域，得到业务最大呼叫接入数应随负载增大和随逗留时间减小的结 论。w， 6 ) 提出缓冲区l j 限随当前漏桶速率变化的动态缓冲区门限漏桶方案j 雁以马尔可夫调 制泊松过程( m m p p ) 作为信源输入流时，用嵌入马尔可夫过程描述了该系统，得到了系统 状态在嵌入点和任意时刻的极限分布，从而获得信元损失率、信元平均时延及占用的有效带 宽等性能测度。数值分析结果显示信元损失率及平均信元时延性能较缓冲区门限漏椭方案有 显著提高，而且占用更少的带宽。 7 ) 提出了两种适合于各种负载情况卜的选择报文丢弃策略；f j 限部分报文丢弃 ( t p m d ) 策略和双门限早期报文丢弃( d b e m d ) 策略。新提出的策略能根据缓冲区的占 有罩自适应地改变其运行模式。数值分析结果表明，在各种负载条件f ，两种策略都表现出 相当好的性能。 8 ) j 提出基于动态门限的具有损失优先级的拥塞控制方案。该方案根据缓冲区占有量调 整低优先信源的服务速率，同时根据低优先信源的服务速率动态调整缓冲区门限。根据马尔 可夫调制泊松过程( m m p p ) 输入流，分析了其性能。数值分析结果表明，该方案比以往提 山的方案有更好的性能。广、 关健词：面向对象技术丫离散事件仿z 允许控制丫服务质量( o o s ) ，b p 神经网络 时间驱动仿羹：信源模z 漏桶( l b ) 方案，接入 拥塞控制。 。鑫滋。 ：。i熊 华中理_ t - 大学博士学位论文 a b s t r a c t f o rb r o a d b a n dn e t w o r k sw i t hm u l t i c l a s ss e r v i c e s ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n dn e t w o r kc o n t r o la r e e x t r e m e l yi m p o r t a n t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，m a n yd e e pr e s e a r c h e s h a v eb e e nd o n ei nt h ef i e l d so f n e t w o r ks i m u l a t i o na n dc o n t r 0 1 t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h i st h e s i si n c l u d e ： 1 ) b y t h eo b j e c t o r i e n t e da n a l y s i st e c h n o l o g y ，w ea n a l y z et h ec o m p u t e rn e t w o r ks y s t e ma n d a b s t r a c tm a n yn e t w o r km o d e l si nm o d e r nn e t w o r k b a s e do nd i s c r e t ee v e n ts i m u l a t i o n m e t h o d ，ac o m p u t e rn e t w o r ks i m u l a t i o ns y s t e m f r a m e w o r kh a sb e e nd e s i g n e d a sa n e x a m p l eo f a p p l y i n g d i s c r e t ee v e n ts i m u l a t i o nm e t h o d ，w ed e s i g na na l g o r i t h mf o i - s w i t c h 2 ) t h eu n f e a s i b i l i t yo fd i s c r e t ee v e n td r i v e ns i m u l a t i o nf o rh i g h - s p e e dn e t w o r ki sd i s c u s s e d ； t w os i m u l a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt i m ed r i v e ns i m u l a t i o na r eg i v e n ，o n eo fw h i c hi sa s p r e c i s ea st h a t b a s e do nd i s c r e t ee v e n ts i m u l a t i o n ，b u ti s f a s t e r ，a n dt h eo t h e rg e t sl e s s l ， p r e c i s i o n ，b u ti sm u c h f a s t e rt h a nt h ef o r m e r c o m p a r i n gw i t ht h ea l g o r i t h mb a s e do nt i m e f d r i v e nf l u i ds i m u l a t i o n ，b o t ho ft h ep r o p o s e da l g o r i t h m ss u p p o r tt h es u c c e e d i n gs i m u l a t i o n f o rh i g h - l e v e lp r o t o c 0 1 3)an o v e ls o u r c em o d e li s p r e s e n t e d w h i c hi s ac o m b i n a t i o no ft h es h o r t - r a n g ed e p e n d e n c e a n dt h el o n g - r a n g ed e p e n d e n c es o u r c em o d e l s ，a n dc a ns i m u l t a n e o u s l yc h a r a c t e rt h ea u t o c o r r e l a t i o ns t r u c t u r eo ft h es h o r ta n dl o n gr a n g ed e p e n d e n c e s i m u l a t i o nf o rv i d e ot r a f f i c s h o w st h em o d e lc a nc a p t u r es t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i co f t h er e a lt r a f f i cv e r yw e l l 4 )ac a l la d m i s s i o nc e n t r e l ( c a c ) s c h e m ef o ra t mn e t w o r k sb a s e do nb pn e u r a in e t w o r ki s g i v e n t h es c h e m ei si n d e p e n d e n to nc a l lc l a s sn u m b e ri na d d i t i o nt ot h ea d v a n t a g eo f a d a p t i v ec o n t r o l ，f u r t h e r m o r e ，n oe x t r ap a r a m e t e rd e s c r i p t i o n so f c a l l sa r en e e d e d t h e r e f o r e t h es c h e m ec a nb ea p p l i e de a s i l ya n dw i d e l y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a te x t r e m e l yl a r g e a c c e p t a n c er e g i o na n dg o o dr o b u s t n e s s a r eo b t a i n e d 5 ) ac a l la d m i s s i o nc o n t r o ls c h e m ew i t ho p t i m a lb l o c kp r o b a b i l i t yi n h i g h - s p e e dn e t w o r ki s p r e s e n t e d u n d e rt h ee n v i r o n m e n to fm u l t i c l a s sc a l l s ，t h ea c c e p t a n c ea r e aw i t hm i n i m u mc a l l b l o c kp r o b a b i l i t yi so b t a i n e d n u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u mc a l ln u m b e rs h o u l d d e c r e a s ew i t ht h es t a y - t i m eo f t h ec a l la n di n c r e a s ew i t ht h ei n e do f t h ec a l l ： 6 ) an e w l e a k yb u c k e t ( l b ) s c h e m eb a s e do nd y n a m i cb u f f e rt h r e s h o l d si sg i v e n ，o fw h i c ht h e b u f f e rt h r e s h o l dc h a n g e sw i t ht h el e a k y r a t e b ya ne m b e d d e dm a r k e rp r o c e s s ，w eo b t a i nt h e l i m i t i n gd i s t r i b u t i o no f f i es y s t e m ss t a t ea fa ne m b e d d e dp o i n ta n d a fa n a r b i t r a r yt i m ew h e n 华中理工大学博士学位论文 u s i n gm a r k o vm o d u l a t e dp o i s s o np r o c e s s ( m m p p ) a s a ni n p u tt r a f f i c s ot h ep e r f o r m a n c e m e a s u r e m e n t so fc e l ll o s sp r o b a b i l i t y ，m e a nc e l ld e l a ya n de f f e c t i v eb a n d w i d t ho c c u p a n c y a r ee a s i l yo b t a i n e d n u m e r i c a lr e s u l ts h o w so u rs c h e m eh a sl o w e rc e l ll o s sp r o b a b i l i t ya n d l o w e rm e a nc e l ld e l a yt h a nt h a to fo t h e rl bs c h e m e s ，a n di m p o r t a n t l yn e e d sl e s sb a n d w i d t h r e s o u f c e 7 ) t w oi m p r o v e ds e l e c t i v ed i s c a r d i n gp o l i c i e sa r ep r o p o s e d ，c a l l e dt h r e s h o l d b a s e dp a r t i a l m e s s a g ed i s c a r d i n g ( t p m d ) p o l i c ya n dd o u b l et h r e s h o l d - b a s e de a r l ym e s s a g ed i s c a r d i n g ( d t e m d ) p o l i c yr e s p e c t i v e l y ，w h i c h c a na d a p tt h ev a r i e dl o a d si nn e t w o r k t h ef l e w p o l i c i e sc a nc h a n g ei t so p e r a t i o n sw i t ht h eo c c u p a n c yo ft h eb u f f e ra d a p t i v e l y n u m e r i c a l r e s u l t ss h o wt h en e t w o r kp e r f o r m a n c eu n d e rt h et w oi m p r o v e dp o l i c i e sc a ng e tg o o d p e r f o r m a n c e u n d e rv a r i o u sn e t w o r kl o a d s 8 ) a d y n a m i c t h r e s h o l db a s e dc o n g e s t i o nc o n t r o ls c h e m ew i t hl o s sp r i o r i t i e si sg i v e n ，i nw h i c h t h eb u f f e rt h r e s h o l di sd y n a m i c a l l yc h a n g i n gw i t ht h er a t eo fd a t as t r e a m w ea n a l y z et h e p e r f o r m a n c eo f t h en e ws c h e m ew h i l et h ea r r i v a l so fc u s t o m e r sa r ef r o mm a r k o v m o d u l a t e d e o i s s o np r o c e s s ( m m p p ) s o u r c e s n u m e r i c a lr e s u l ts h o w st h a tt h e d y n a m i ct h r e s h o l d s c h e m eo b t a i n sb e a e rp e r f o r m a n c e st h a nt h a to ft h es t a t i co n et h i si m p r o v e m e n tb e c o m e s m o r eo b v i o u s e s p e c i a l l yd u r i n gp e r i o d o fh e a v yl o a d s ，w h i c hi s e x a c t l y t h et i m eo f c o n g e s t i o no c c u r r e n c e k e y w o r d s ：o b j e c t o r i e n t e d ，d i s c r e t ee v e n ts i m u l a t i o n ，t i m ed r i v e ns i m u l a t i o n ，s o u r c em o d e l ，l e a k y b u c k e t ( l b ) s c h e m e ，c a l la d m i s s i o nc o n t r o l ( c a c ) ，q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) ，b pn e u r a ln e t w o r k ， c o n g e s t i o nc o n t r o l i i i 华中理工大学博士学位论文 前言 随着计算机和通信技术的发展、网络规模的扩人、网络拓扑的复杂化以及接入网络数和 圳户数星指数的增长，i n t e r n e t 的各种应用特别是多媒体技术的发展，使得网络建设愈来愈 幽难。国外自八十年代中期以来，在研究网络的设计、仿真与性能分析方面投入了大量的资金 羊1 1 人力，并相继生产了一批产品，其目的是在网络建设开始前，就可以使用成套的一 具有效地 进行设计、仿真各种网络环境，以便在网络实施前就能获得褴个网络的运行情况：流量分布、 响廊时间、吞吐率以及网络利用率等重要的网络性能指标，从而帮助网络设计者发现网络的瓶 颈，修改网络结构、1 ，点及链路的分布、路由配置及信道的带宽分配等，使网络结构更为优化， 网络的设计更为合理。这样就可人人提高网络性能、1 ，省网络的建设成本。另一方面，在网络 建成以后，通过网络性能分析j ：具，在获取现有网络运行参数的基础上，对现有的网络进行性 能分析，井提山改善网络的措施，从而达到提高网络性能的目的。 在我国现今的条件f ，计算机网络的设计主要是依靠技术人员根据经验完成。网络实施 前，一般未进行仿真实验研究以对网络进行优化，网络建成后也很少对系统进行性能评价 和测试。其原因是我国目前尚无网络设计、仿真与性能分析方面的产品，因此研究利开发一 套网络规划设计、仿真和性能分析的工具，很有现实意义。 本论文的研究i ：作是国家“九五”重点科技攻关项日“园区网络设计、模拟与性能 分析”的延续。目的是研究和开发一套适合我国国情的、实用的网络规划设计、仿真和性能 分析的i 具。由于当今网络正朝着综合多业务、高速化的方向发展，而网络仿真系统的设计 ! j 开发是一个庞人的系统t 程，它涉及软件l 程、仿真方法学、网络协议分析等多方面的内容， 冈此，本论文的i 作主要围绕网络仿真系统的设计、宽带网络的仿真方法、宽带网络信源的 仿真以及宽带多业务网络的控制技术等方面进行研究。 论文的第一章概述了现代通信网络的几种关键技术，分析了网络仿真系统和仿真方法的 发展状况，讨论了宽带网络的信源模型及控制技术的研究现状和发展趋势。 针对计算机网络设备及协议多样化的特点，论文的第一二章采用面向对象的分析和设计方 法对计算机网络系统进行了分析与设计，抽象山网络对象模型并构建相关类型的数据结 构；i 搜计了计算机网络离散事件仿真系统的框架：利n j 离散事件驱动仿真方法，实现了交换 机简化模型的离散事件仿真算法设计。 针对目前网络高速化的特点，论文的第三章分析了离散事件驱动仿真方法在宽带网络仿 真中的缺陷，提山了两种基丁时间驱动的仿真算法，计算机试验结果显示，其中一种算法在 精度上与离散事件驱动仿真一致，但仿真速度明显加快。另一种算法存在一定的仿真误差， 但仿真速度要高得多；而且，与时间驱动的流体仿真相比，这两种方法都是针对离散系统的 仿真能提供对上层协议仿真的支持。 i v 华中理工大学博士学位论文 计算机网络仿真的首要环节是网络信源模型的仿真，针对目前宽带网络信源模型的片面 性，论文第四章提出一种能同时拟合实际信源长、短相关特性的新信源模型，并对其进行了 相关结构分析；对视频源的拟合证实该模型能较好地同时描述信源的两种相关结构因此t 可以作为真实信源提供给仿真系统。 在目前的宽带多业务网络中，a t m 网络是应用较为，“泛的一类网络。因此，仿真a t m 网络具有十分重大的意义。而对a t m 进行仿真，首先要研究a t m 网络的运行协议a 作为 仿真宽带网络的基础，从第五章到第八章，论文对宽带网络( 主要针对a t m 网络) 的允许 接入控制交通整形，拥塞控制，进行了较为深入的分析和研究。第五章第二节分析了现有 的允许接入控制方案存在着各种困难，提出一种基于b p 神经网络的允许接入控制方案，该 方案具有自适应实时控制、不依赖于呼入种类数目，无需呼入参数的更详细描述的优点，因 而具有更大的灵活性和适应面。仿真结果表明该方案有充分大的接入区域和抗干扰能力。同 时，在第五章第三节中分析了在多类业务网络中最小阻塞率的接入控制方法。在多类呼叫的 环境中给出了最优阻塞率的接入区域，得到业务最大呼叫接入数应随负载增大和随逗留时 间减小的结论。第六章提出缓冲区门限随当前漏桶速率变化的动态缓冲区门限漏桶方案。在 以马尔可夫调制泊松过程( m m p p ) 作为信源输入流时，得到了系统状态在任意时刻的稳态 分布，获得信元损失率、信元平均时延及占用的有效带宽等性能测度。数值分析结果显示性 能较缓冲区门限漏桶方案有显著提高，而且占用更少的带宽。第七章给出了两种适合于各种 负载情况下的选择报文丢弃策略：门限部分报文丢弃( t p m d ) 策略和双门限早期报文丢弃 ( d b e m d ) 策略。新提出的策略能根据缓冲区的占有量自适应地改变其运行模式。数值分 析结果表明，在各种负载条件下，两种策略都表现出相当好的性能。第八章在分析各种具有 损失优先级拥塞控制方案的基础上。提出基于动态门限的具有损失优先级的拥塞控制方案。 该方案根据缓冲区占有量调整低优先信源的服务速率，同时根据低优先信源服务速率动态调 整缓冲区门限。以m m p p 作为输入流，分析了该方案的性能。数值分析结果表明，该方案 比以往提出的方案有更好的性能。 虽然本论文主要是探讨计算机网络的仿真方法与宽带网络的控制技术，但提出的方法、 方案并不局限于计算机网络领域，对其他领域同样具有借鉴意义。如论文中基于离散系统的 时间驱动仿真算法，同样适合于对其他离散系统的仿真。 由于作者学识有限，论文中难免存在许多不足之处，敬请批评指正。 v 华中理_ t - 大学博士学位论文 第一章绪 论 概述了计算机网络和数据通信的发展及该领域当今涌现的新技术；论述了高速数据 通信的发展趋势；介绍了国内外网络仿真系统的开发与应用：讨论了网络仿真技术的 发展，现状及趋势；对高速网络仿真中的重要内容：信源模型和控制技术的进展进行 了分析和预测；提出本论文的研究内容 1 1 引言 目前网络最重要的发展趋势是因特网( i n t e r n e t ) ，无数基于w e b 技术的数据收集， 商业开发，在线购物以及多媒体应用已经改变了因特网作为一个电子邮件和文件传输 系统的传统形象。这些新应用导致了借助因特网处理日常商务的网络用户数目的增长。 所有这些，都使得网络流量呈几何级数增长；并且，企业网络的固有特性也发生了变 化。其中最重要的变化之一就是由于因特网流量和内部网流量的组合，以及象视频会 议这样的多目传输应用的不断增长，而造成对网络流量模式的完全不可预知性。因特 网和将其用于商业目的的应用不断发展所带来的长远意义。是用户对带宽、对网络同 时提供多种类型服务的需求将爆炸式地增长。因此，网络的发展已经进入千兆位和综 合业务的宽带网络年代。 网络的高速化和复杂化，网络业务的多样化，使得网络的设计与控制变得更为重要 和困难。因此，网络设计、控制方案研究和性能分析的重要手段一一仿真系统的开发和 应用显得尤为重要。而在仿真系统中，仿真方法的研究和网络协议的仿真是两个重要 的方面。仿真方法直接反映了该仿真系统的真实性、可靠性、可行性，网络协议的正 确仿真，影响到仿真的结果与实际系统是否相符，在网络协议的仿真中网络交通信 源模型和控制方案的仿真是两个重要的研究内容。因此，研究较好的仿真系统设计方 案，开发快速可靠的网络仿真算法以及研究符合实际的信源模型，分析对网络交通 流的控制方法是设计和开发网络仿真系统必须首先解决的问题。本章将分析和介绍这 几个方面目前的发展状况。 1 2 当代计算机网络中的新技术 各种新型业务以及将来未知业务的迅速兴起，都要求话音、视频、图象等多媒体信 息和数据同时在i n t e r n e t 上传输。尽管i n t e r n e t 取得了和正在发挥着巨大的作用但非 华中理工大学博士学位论文 常明显，现有的i n t e m e t 已经越来越不能胜任当前的业务发展需要。因此- 为适应现有 的和将来不断发展的新业务需要，下一代i n t e r n e t 必须具备高速率( g i g a b i t s s e c o n d ) 、 高传输性能、高可靠性、用户的服务质量( q o s ) 保证、网络安全性保障等特点。为此， 各发达国家正在建设高速的网络基础设施，如美国正在建设下一代i n t e r n e t ( n g i ) 和 i n t e r n e t 2 的试验平台。所有这一切，都离不开高速网络新技术的研究与应用。 1 2 i现代宽带数据通信网络技术 伴随着新业务的出现和新的用户需求，今天的网络采用了1 0 0 m b p s 的技术- - f a s t e t h e r n e t 和f d d ! ，而且更高速度的技术a t m 、千兆位以太网，千兆位路由器，第 三层交换等日益得到应用。 1 2 1 1 光纤分布式数据接口( f i b e rd i s t r i b u t e dd a t ai n t e r f a c e ) 光纤分布式数据接口( f d d i ) 是一种使用光纤作为传输媒体、高速的、通用的高 性能光纤令牌环网，它能在小范围内互连高速计算机系统，或作为城域网互连较小的 局域网络，或作为主干网互连在较大范围的主机。f d d i 的主要特性有：1 ) 使用基于i e e e 8 0 2 5 令牌环标准的令牌传递m a c 协议和8 0 2 2l l c 协议标准因而与i e e e8 0 2 局域 网兼容；2 ) 利用多模或单模光纤构成有容错能力的双环拓扑，数据率为1 0 0 m b p s ，光 倍号的码元传输速率为1 2 5 m b a u d ，能连接超过1 0 0 0 台工作站，最大站间距离为2 k i n ， 传输距离为2 0 0 k m ；3 ) 具有动态带宽分配能力，故能同时提供同步和异步数据服务， 最大分组长度为4 5 0 0 字节。 由于市场对高速，远距离网络的需求日益增长f d d i 曾在九十年代初期获得了飞 速发展。但f d d i 的最大缺点就是价格较贵，而且随着今天对带宽的更高要求以及快速 以太网和千兆位以太网的发展，f d d i 的发展将受到很大的限制。 1 2 1 2 异步转移模式( a t m ) 异步转移模式a t m 是建立在电路交换和分组交换基础上一种新的交换技术。它是 一种快速分组交换技术，其主要的优点是：1 ) 选用固定长度的信元( c e l l ) 作为信息 传输单位，有利于综合业务传输和高速交换，信元的头部为固定的5 字节，长度固定 的头部可使结点的功能尽量减少，缩短了信元的处理时间；2 ) 能支持不同速率的各种 业务；3 ) 所有信息在最低层是以面向连接的方式传送，以保持电路交换适合于传送实 时性很强业务的优点：4 ) 由于光纤信道的误码率极低，容量很大，因此在a t m 网中 不必在数据链路层进行差错控制和流量控制，因而提高了信元在网络中的传送速率。 2 华中理工大学博士学位论文 a t m 技术在近年来得到了很大的发展，并在当前得到了广泛的应用。但由于近年来 i n t e m e t 和t c p i p 协议的迅速普及，网络被越来越多地用于传输i p 业务。而在a t m 上传输i p 包需要进行协议转换，而且要把一个i p 倍包拆成多个信元分别传输，从而增加了3 0 的额外 开销，因此，a t m 技术的进步发展将会受到限制，这也正是目前i p o v e rs d h 、i po v e rw d m 等技术呼声日高的原因所在。当然，由于a t m 技术实现了音频、视频、数据的统一传输，在 以多媒体应用为主要业务的网络中仍然有较大的技术优势，而且，a t m 技术可以被其他技术借 用或直接应用( 如i p 交换技术) ，因此，a t m 技术的研究将在很长的一段时问内继续得到发展。 1 2 1 3 千兆位以太罔( g i g a b i te t h e r n e t ) 技术 千兆位以太网技术是在以太网和快速以太网的基础上发展起来的新一代以太网技术。由以 太网所支持的简易网络升级，以及对新应用和数据类型处理的灵活性、网络的可伸缩性，使得 千兆位以太网成为目前高速、高带宽网络的战略性选择。它主要具有以f 几个特性：1 ) 简便、 真接的高性能升级，而且无网络崩溃危险：千兆位以太网采用和以前的l o 兆、1 0 0 兆位以太网 相同的帧格式，采用基本c s m a c d 访问方式解决共享介质的冲突问题，协议简单；2 ) 总体 性的开销较小：近年来，以太网的连接开销大大降低了，早期产品就能提供较好的性能价格比， 而且由于现有系统的用户早已熟悉了以太网技术，对以太网的技术支持开销将远远低于其它的 技术；3 ) 支持新应用和新数据类型的能力：快速以太网和千兆位以太网所增大的网络带宽，和 由局域阿交换所增强的性能使得将数据和视频综合在以太网上传输已经成为可能，新型协议 的出现( 如提供资源预留功能的资源预留协议( r s v p ) ) ，新标准的出现( 如8 0 2 i q 和8 0 2 i p ， 它们可支持虚拟局域网网络( v l a n ) 和在网络中传输数据包的优先级功能) ，广泛使用的先进 视频压缩技术( 如m p e g - - 2 ) ，使千兆位以太网成为视频和多媒体通信极其诱人的解决方案； 4 ) 网络设计的灵活性：基于带宽要求和经费情况，以太网可为共享式的( 使用中继器) 或交换 式的网络。同样，干兆位以太网可以是交换、路由和共享式的。而且所有当今网络互联技术， 包括正在发展中的如i p 相关技术和第三层交换技术与千兆位以太网都是兼容的。 千兆位以太网弱点包括：”距离问题：千兆位以太网使用低价的光纤媒质，因而需要有其 它的长距离传输技术或者其它昂贵的光纤转发器。因此，当蚝距离传输时，可能最终解决方案 的接体价格并不便宜；2 ) 服务质量( q o s ) 问题：千兆以太网缺少真正意义的q o s 。可以对运 行的数据有优先级( p r i o r i t y ) 的区别处理或者c o s ( c l a s so fs e r v i c e ) 的功能，但不是a t m 交 换技术中使用的q o s ，两种技术是有本质区别的；3 ) 帧尺寸问题：i e e e8 0 1 3 z 标准规定了最 小的帧长是5 1 2 字节。这个最小帧长能够严重影响网络的利用，如在最坏的情况下( 传输整个 只有6 4 个字节的数据包) ，千兆位以太网的有效信息通过量降低到1 2 0 m b p s ( 只有连接负载的 1 2 ) ，而最近个在i n t e r n e 上l p 传输包的统计数据表明1 p 网传输中超过8 0 的流量是低 于5 1 2 字节的。 华中理工大学博士学位论文 1 2 1 4 第三层交换技术 多层交换技术是当今l a n 交换和路由技术的一个实用性发展。交换技术由于本身 所固有的、比路由技术更加廉价的特性，消除了限制网络增长的、在扩展性和吞吐率 方面的约束，同时还为正在出现的新一代千兆位以太网的应用构建了基础。实现多层交换 技术有许多方法如在a t m 网上高速转发l p 数据包的l p 交换技术、标记交换技术、及基于路 由的i p 汇聚技术等。 多层交换技术的主要优点有：1 ) 可伸缩性：多层交换或第三层交换可以将a t m 与第三层 路由器集成在一起，标记交换使得a t m 交换可以完全集成到基于数据包的互连网和网络核心 中，同时又不存在由下- 纯粹的第二层交换网络由上层的路由器覆盖所引发的伸缩性问题；2 ) 流 量管理：第三层交换通过集成第二层的功能简化了基于路由的互连网中的流量管理；3 ) 性能： 多层交换可以通过简化包的转发和交换来实现商性能的平台，这种简化技术使得未来的交换机 平台可支持数千兆位的高速接口。 1 2 1 5 宽带i p 传送技术 随着宽带业务在因特网上传输的需求，i p 业务如何传送成为最热门的话题。现有的电子交 换技术正在走向极限，未来的i p 传输势必采用光纤作为传输媒体并采用波分复用( w d m ) 技 术。然而，由于i p 采用包交换方式，而不是面向连接的技术。人们希望能够通过传送技术，将 面向连接的优点赋予i p ，同时希望在技术上实现层间连接的智能化，提高传输效率、改善控制。 目前提出的传送方法，主要有i p o v e r a t m ，i po v e r s d h 和i p o v e r w d m 。 i i p o v e r a t m ：a t m 本身关注的是寻找出一个虚通路( v c ) ，然后作出交换的决定。a t m 可以提供面向连接的服务，依据提供虚通路个数不同，可靠地提供预定的o o s 服务，也可以提 供面向数据报的服务。为了让i p 在a t m 上运行，人们先后提出l a n e 、m p o a 等技术。然而， 这些方法从根本上是建立起i p 和电路之间的映射关系，显得复杂而低效，于是，人们又提出了 m p l s ( 多协议标记交换) 。所谓m p l s 就是在i p 包上添加一个3 2 位的标签信息，用以改善路 由网络的效率和控制。路由器可以根据指定的o o s 等级按预定的路径发送数据包。这种方法将 第三层的智能灵活性和可扩展性，与第二层的交换机制( 不包括面向连接的服务) 结合起来。i p o v e ra t m 适用于多种业务的电信环境以及服务质量较高的i p 业务。 2 i po v e rs d h ：s d h 网的主要特点是同步复用以及标准光接口处强大的网管功能。s d h 的灵活性和可扩展性使它成为宽带数字网的基础传送网络。因为s d h 是第一层，i p 是第三层 用p p p 将i p 和s d h 结合起来，p p p 直接映射到s d h 帧就可以省掉a t m 层，保留了i p 网的无 连接特性，从而简化了网络的体系结构，提高了传输效率。a t m 的传输效率仅为8 0 ，s d h 传输效率却可达9 5 。 4 华中理工大学博士学位论文 千兆位以太网的出现和千兆位路由器以及l 2 l 3 l 4 ( 多层) 交换机的出现是i p 技术进步的 重要标志。第三层交换( l 3s w i t c h ) 以线速实现包交换，高端包交换速率已达5 0 0 07 i 包s 以 上。总吞吐量可达7 0 g s 。实际上1 po v e rs d h 即是千兆位以太网o v e rs d h 。其端口密度和端 口费用均优于a t m 。 3 1 po v e rw d m ：w d m 提供的帧格式有千兆位以太网和s d h 两种，所以可以直接用千 兆位路由器，按i p 的方式进行工作，不至于出现转换成s d h 帧格式时把一个i p 包分在两个s d h 帧中或在一个s d h 帧中包含两个小的i p 包，这样都会浪费资源。i po v e r w d m 的最大优势在 于巨人的带宽潜力。目前商用的w d m 系统速率已达3 2 0 g b s 。w d m 的重要特点是有达数十乃 至上百个可用波道，彼此间互相隔离。因而很容易兼容不同性质和协议的业务，起到业务汇集 的作用。不需要在同一电路上( 如a t m 上) 用复杂的结构汇集各种业务。因此前景十分看好。 1 2 2未来通信罔的发展趋势 由于互联网的用户数指数增长，计算机的性能迅速提高，互联网上多媒体应用加多，各种 i p 技术的飞速发展使i p 互联网的业务和其他i p 业务爆炸式的增长。随着i p 业务的持续指数 增长，宽带i p 传送和交换技术的发展，i p 协议最终将在互联网、有线电视网和电话网中主导未 来。 1 3计算机网络仿真技术的国内外发展概况 随着国际互联网的迅猛发展，以及通信网络在社会、经济、文化、政治等各个方面 的作用越来越大，通信网络技术的发展程度直接反映了国家的科技实力。目前，通信 网络的发展趋势是高速化和规模化，网络上传输的业务呈宽带化、多样化，多媒体( 视 频，话音，数据) 在同一网络上传输已成为迫切需要，用户对服务商提供的服务质量 要求越来越高，因此，怎样管理和控制高速网络及其传输的业务，保证对用户的承诺， 是在网络设备研制和网络建设中需要解决的一项十分重要的内容。在目前，对网络进 行性能预分析和仿真测试是研究开发新的网络设备以及对新组建网络测试的有效方法 和必不可少的手段。对网络及其设备的性能测试和分析大多基于两种方法：理论研究 分析方法和仿真分析方法。理论分析太复杂、效率过低而不适合在大规模的实际系统 中应用。而在仿真分析中，计算机能详细跟踪设计的细节，优化改进网络设计的结果， 而且，仿真结果比其他方式的分析的结果更易于让人理解。因此，应用仿真技术进行 网络的分析与测试更为真实和可靠，从而成为目前广泛采用的一种的分析途径。所以， 研究先进的仿真方法研制和开发网络仿真平台是一项十分有意义的研究方向也是 岛。氨 5 华中理_ t - 大学博士学位论文 近年来国内外竞争的重点。 1 3 1计算机啊络仿真平台研倒的日内外现状 根据设计的目标和应用范围，计算机网络仿真系统大体可分为两种不同的类型：一 类是专用的网络仿真： 具。这类工具的特点是实现的功能非常单纯和有限，但较为细 致和精确，其主要目的是开发者用来验证网络协议的性能或是专用于仿真某种类型 网络或网络设备的性能。如q u a r t s 一1 1 是一个专门用来仿真a t m 网络路由算法的仿真 j ：具，又如，许多研究人员开发的各类试验平台，这类工具大多建立在某种仿真引擎 ( 如c s i m l 8 t “，n s ) 的基础上。另一类是用于完整网络仿真的软件系统；这类系统一 般能仿真由不同网络设备组成的实际网络，具有网络发计的拓扑生成、网络业务源和 网络设备协议执行过程的仿真、性能分析等较为完备的功能，目前已涌现出很多这类 产晶，比较著名的有：m i l 3 公司的o p n e t ”、c a d e n c e 公司的b o n e sd e s i g n e r ”、c a c i 公司的c o m n e ti l l 封，n e t r u l e 公司的n e t r u e ”，p r o p h e s y 公司的p r o p h e s y 等。在 这类产品中，有基于微型计算机w i n d o w s 平台的网络设计1 、仿真与性能分析系统 也 有基于工作站的u n ix 平台下相应的系统。前者的产品更广泛、普遍；而后者则要少一 些，且十分昂贵。例如r a d c o m ，该系统采用数据库技术，建立各种网络拓扑结构模型， 针对l a n 、m a n 和w a n 进行仿真，也可对主要的网络互连设备( 如路由器、网桥、集线 器等) 进行仿真，应用对象处理技术对网络拓扑结构及网络性能进行分析和优化。n d a 网络设计与分析公司则研制了一套基于w i n d o w s 平台的网络仿真与性能分析的软件包。 针对l a n 、m a n 的流量、路由协议、路由选择进行了较好的设计与仿真，并用排队论与 离散时间算法进行了性能分析和评价。p r o p h e s y 公司研制开发的系统是基于微机 w i n d o w s 平台的，可用于l a n w a n 仿真的，比较完整的仿真系统。而n e t s y s 公司则推 出了一套基于工作站与s u n n e tm a n a g e r 网管环境的网络设计、仿真与性能分析系统， 并计划推广到i b m 和h p 工作站上，但价格十分昂贵。此外，还有许多公司的产品也十 分有特色，如美国的c o m n e t 、m i l 3 等公司和德国的西门子公司的产品，以及其他一些 公司尚有一些单独仿真某一网络设备性能的虚拟网络系统。 - 我国在计算机网络建设方面的起步较晚，在网络设计、仿真与性能评价方面有一 些专家作过不少工作，发表过不少研究论文 8 - j5 ，但这些研究大多数尚局限于理论模型 和仿真方法的研究。作为一个完整的系统尚未问世。 1 3 2 罔培仿真方法概述 6 华中理工大学博士学位论文 目前网