（通信与信息系统专业论文）弹性分组环关键技术及其仿真模型研究.pdf

y5 7 8 8 8 摘要 弹性分组环( r e s i l i e n tp a c k e tr i n g ，后文简称t l p r ) 是一项新兴的城域网二层接入 标准。它集合以太网的高效性和s d h s o n e t 的可靠性于其一身，以分组网络为基础， 是新一代城域网组网的发展趋势，可用以平稳地向光网络过渡。 本文针对r p r 的关键技术进行研究，对r p r 现有的问题提出了改进的方案并通过 仿真进行了验证。 数据通道结构模型是r p r 实现的基础。在d p t ，r p t 等技术的基础上，r p r 工作 组提出的数据通道设计中，给出了一个原则性的建议结构。本文采用非强占优先机制的 m g 1 的排队模型，分析了采用单传递队列和双传递队列两种方案设计数据通道的延迟 特性，建立的数学模型定量的指出了两种设计下的各类报文的传输延迟特性，并给出了 延迟估算的方法。结果表明，使用双传递队列设计的方案相对单传递队列减少了a 类 报文的平均网络传输延迟，略微增加了b 类报文平均网络传输延迟，对c 类报文的平 均网络传输延迟没有影响。在现有提案的基础上，本文提出了改进的空间整形和二维调 度算法v d q f d r r 。与提案的算法相比，该算法既增加了对流量的可控性，又解决了线 头拥塞带来的低效问题。通过仿真验证，该策略使报文的接入延迟降低到约2 0 ，链 路利用率从原有的9 0 提升到9 8 。同时，v d q 的使用有助于实现灵活的公平控制。 r p r 中一个重要的特点是可以实现空间复用，提高带宽的利用率，但是空间复用 同时又带来了一个公平控制问题，即各个站点平等的享有带宽资源的调度问题。公平控 制是r p r 的另一个核心技术，本文分析了公平问题的来源、背景及现有的解决方案。 针对其中的集中式公平控制策略i k n 算法，提出了补充指派站点的协商处理的方法， 改善了其在容错机制上的缺陷。在r p r 工作组提案算法中反馈公平的思想基础上，提 出了一种多反馈公平算法，在该算法中，将多个拥塞点反馈的公平速率进行比较，选择 适当的速率作为本地各个数据流的控制速率，结合改进的空间整形和二维调度算法 v d q d r r ，以控制各个数据流的实际发送速率，该方法能够很好的解决线头拥塞、多 拥塞的问题，通过仿真验证，在多拥塞的情况下该算法的性能明显优于现有的各种公平 算法。 环保护控制和环拓扑控制是r p r 的另外两个重要控制功能。r p r 之所以能提供运营 级的话音业务，5 0 m s 保护机制是不可缺少的。与传统的s d h s o n e t 不同，r p r 的保护机 制无需5 0 的带宽预留，而且支持环回方式和导向方式，可靠且高效。r p r 的拓扑结构 相对简单，但其拓扑控制策略有多种，包括拓扑表结构控制和快慢两种触发方式等，这 些控制策略为业务在环上的方便配置实施提供了保证。本文进一步讨论了r p r 的环保护 机制和拓扑控制机制，在已有研究成果基础上完整地分析了r p rm a c 控制层的功能，指 1 。寨经作考、翩坶慧 勃垒文公布 。 出了r f r 拓扑和保护机制所存在的跨环操作、边缘q o s 等问题和下一步的研究方向。 最后，本文归纳总结与发展了r p r 的思想，设计了r p rm a c 模型的s d l 流程， 为系统分析r p r 各项关键技术的性能建立了一个完整而高效的r p r 仿真模型，弥补了 国内外现有的各种仿真模型的不完整性。建模中，根据o p n e t 建模特点，将s d l 模 型转换为o p n e t 模型，并描述了仿真模型的主要功能模块和实现方法，介绍了队列处 理模块和公平算法模块在仿真系统中的实现，给出了状态转换的机制和条件：通过面向 场景的仿真，分析了吞吐量、延迟和带宽利用率等性能指标；验证了仿真的结果和实际 计算的结果是符合的，证明了模型的正确性。为了验证本文改进算法的性能，本文设计 了包括多拥塞、线头拥塞、带宽回收等多种具体场景，通过分析仿真结果证明了改进算 法的优越性。 关键词：弹性分组环 线头拥塞 公平算法 空间整形 v d q d r r o p n e t s d l a b s t r a c t r e s i l i e n tp a c k e tr i n g ( r p r ) i san e wl a y e r 2a c c e s st e c h n o l o g yf o rm e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k s ( m a n ) r p r ，c o n c e n t r a t i n gt h ea d v a n t a g eo fe t h e r n e t sc o s t e f f e c t i v ea n dt h e f i b e rr i n gn e t w o r k sr e l i a b i l i t y , i sa s h i n i n gt e c h n o l o g yf o rm a n a n dc a nb eu s e de f f i c i e n t l y f o r o p t i c a ln e t w o r k t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ek e y t e c h n o l o g i e so fr p r v i at h e o r e t i c a la n a l y s i sa sw e l la s s i m u l a t i o n s i m p r o v e m e n t sa r em a d e t os o l v es o m ed r a w b a c k so fc u r r e n tr p r p r o p o s a l sa n d s i m u l a t i o n sa r ea d o p t e dt op r o v et h e m d a t ap a t hi nr p ri st h eb a s ef o ro t h e rt e c h n o l o g i e s r p rw o r k g r o u ph a sp r o v i d e da p r o p o s e d r e s o l u t i o nf o rd a t a p a t h b a s e do nt h ed y n a m i cp a c k e tt r a n s p o r t ( d p t ) a n d r e s i l i e n tp a c k e t t r a n s p o r t ( r p t ) an o n p r e e m p t i v ep r i o r i t ym g 1q u e u i n gm o d e li s e s t a b l i s h e df o rr p rd a t ap a t h sp e r f o r m a n c ea n a l y s i s t h ed e l a yp e r f o r m a n c ef o ras i n g l e t r a n s i tq u e u ea n dt h a tf o rt h ed u a lt r a n s i tq u e u e sa r ea n a l y z e db y u s i n gt h i sm o d e l ，w h i c h g i v e sq u a n t i t a t i v ed e l a ye s t i m a t i o nm e t h o d sf o rt h e s et w od e s i g n s ac o n c l u s i o ng i v e nb yt h e p a p e ri s t h a tt h ed u a lq u e u e sd e s i g nd e c r e a s e st h em e a ne n d - t o e n dd e l a yf o rt h ec l a s s a t r a m ca n dh a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h o s ef o rt h ec l a s s ba n dc l a s s c 订a 位cc o m p a r i n 2t ot h e s i n g l eq u e u ed e s i g n t h ed e s i g nt h e o r yo fas h a p e ri sd e d u c e db ym a t h e m a t i cf o r m u l a st o m a k et h e u n d e r s t a n d i n gf o rt h es h a p e r sp a r a m e t e r sm o r ec l e a r l y , w h i c hg i v e ss c i e n t i f i c t h e o r y f o rt h ea p p l i c a t i o nc o n f i g u r a t i o n sf o rt h es h a p e r a ni m p r o v e d s p a t i a ls h a p e ra n d at w o d i m e n s i o n ss c h e d u l i n gv d q d r ra l g o r i t h mi sc r e a t e dt os o l v et h eh i g hd e l a ya n dl o w u t i l i z a t i o n p r o b l e m s c a u s e d b yh e a do fl i n e ( h o l ) t h ei m p r o v e dd i r e c t i o n f o rt h e a l g o r i t h mi sp r o v i d e di nt h ep a p e rm e a n w h i l e t h ea l g o r i t h mm a k e st h ea c c e s sd e l a yr e d u c e t o2 0 a n dm a k et h el i n ku t i l i z a t i o n u p g r a d ef r o m9 0 t o9 8 c o m p a r i n gt o t h er p r p r o p o s a l s ，w h i c hh a sb e e np r o v e db ys i m u l a t i o n s t h ev d q w i l lc o n t r i b u t et ot h ef a i r n e s s c o n t r o la tt h es a m et i m e s p a t i a lr e u s ei sa n o t h e ri m p o r t a n tf e a t u r ei nr p r i tc a nr a i s et h eb a n d w i d t hu t i l i z a t i o n b u tw i l l1 c a dt ot h en e e df o rf a i r n e s sc o n t r o lt h a ti sh o wt om a k ea 1 1s t a t i o n sf a i ri ns h 撕n g b a n d w i d t hr e s o u r c e t h eo r i g i n ，b a c k g r o u n da n de x i s t i n gs o l v es c h e m e sf o rf a i m e s sc o n t r o l a r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a ni m p r o v e m e n tf o rt h ec e n t r a l i z e df a i r n e s si k n a l g o r i t h mi s p r o v i d e db yc o m p l e m e n t a r i t i e sf o rt h en e g o t i a t i o np r o c e s so fd e s i g n a t e ds t a t i o na c o n t r o l m o d e li sm a d et o a n a l y z e r p rw o r k g r o u p d r a f t s s i n g l e f e e d b a c kf a i r n e s s a m u l t i f e e d b a c ka l g o r i t h mi sg i v e nt os o l v ep r o b l e m so ft h es i n g l ef e e d b a c k t h i sa l g o r i t h m c o m p a r e st h ef a i rr a t e so fm u l t i p l ef e e d b a c kp o i n t s ，c h o o s e sp r o p e rr a t e sa st h ec o n t r o lr a t e s f o rl o c a lt r a f f i c sa n d i n t e g r a t e s t h e s p a t i a ls h a p e r a n dt h et w od i m e n s i o n s s c h e d u l i n g v d q d r ra l g o r i t h m s oa st oc o n t r o lt h ea c t u a la d d r a t e so ft r a f f i c s t h e i m p r o v e d m u l t i f e e d b a c ka l g o r i t h mc a ns o t v et h eh o la n dm u l t i c h o k ep r o b l e m s t h ep e r f o r m a n c eo f - 1 1 1 i ti sb e a e rt h a nt h ee x i s t i n gf a i m e s sa l g o r i t h mi ne a s eo fm u l t i c h o k ee s p e c i a l l y , w h i c hh a s b e e n p r o v e db y s i m u l a t i o n s nc a l lp r o v i d eh i g he r r o rt o l e r a n c ep o s s i b i l i t i e sa tt h es a m et i m e t o p o l o g ya n dp r o t e c t i o na r et w oo t h e ri m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si nr p r t h i sp a p e rg i v e s t h ep r o t e c t i o na d v a n t a g e sc o m p a r i n gt os d h s o n e t w h i c hc a n p r o v i d e t h e5 0 m s p r o t e c t i o n o fs d h s o n e ta sw e l la st h eh i g h e rl i n ku t i l i z a t i o n t h ep r o b l e ms u c ha st h eo p e r a t i o nf o r t r a f f i ca c r o s sr i n ga n de d g eq o sa r em e n t i o n e di nt h ep a p e ra n df u t u r ew o r kf o rt h e s et w o t e c h n o l o g i e sa r ep r o v i d e da tt h es a m e t i m e af i l l lo p n e ts i m u l a t i o nm o d e li sc o n s t r u c t e db a s e do nt h ea n a l y s i sa n ds t u d vo fr p r t h et h o u g h t sa n ds t e p si nc o n s t r u c t i n gt h es i m u l a t i o nm o d e la n dam a p p i n gb e t w e e ns d l a n do p n e ts o f t w a r ea r ep r o v i d e dt o g i v e t h e o r e f i c a l g u i d a n c ef o rt h eo t h e rm o d e l i n g p r o b l e m t h i sp a p e rd e s c r i b e st h e m o d u l ef u n c t i o na n dr e a l i z a t i o nm e t h o di no p n e t t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d i m p r o v e da l g o r i t h m sa r ep r o v e db y t h eo p n e tm o d e l a n dt h i sw i l l c o n t r i b u t et ot h ed e v e l o p m e n to f r p r e q u i p m e n t sa c c o r d i n g l y k e y w o r d s ：r e s i l i e n tp a c k e tr i n g f a i r n e s sc o n t r o l v d q d r r o p n e t h o l s p a t i a ls h a p i n g s d l 1 绪论 本章阐述了弹性分组环( r p r ) 技术产生的背景以及意义，指出了r p r 中的关键技术分析了r p r 技术的标 准化进程和国内外研究现状厦存在的f * 3 题- ，最后简要介绍本文研究的主要内容。 1 1 引言 当前通信网的建设有两个明显的迹象，一是虽然话音业务继续增长，但数据业务快 速兴起，已成为主要的通信发展领域。所以，通信网建设正在从基于电路交换的电话网 进化为基于分组交换的、以数据为中心的新型通信网。第二个迹象是围绕着数据通信， 用户的业务类型需求逐步多样化，业务量需求也正以前所未有的速度不断增长 1 。 从网络发展角度看，e t h e m e t 因其简单性、易扩展性及高性价比，在局域网中已占 主导地位，且传输速率正以每三到五年十倍的速度增长 2 。广域网方面，基于同步数 字序列( s d h ) 和密集波分复用( d w d m ) 的骨干网传输速率已达到t b p s 。城域网方 面，需要在不降低网络性能和可靠性的前提下提供更加经济的城域网解决方案 3 。 2 0 0 0 年1 1 月，i e e e8 0 2 1 7 工作组正式成立，目标旨在定义一个r p r 标准，优化 城域网拓扑环上数据包的传输。r p r 是先进的针对分组优化的光传输技术，它结合了 以太网的经济性和光纤环网的高带宽利用率和可靠性，有如下技术优势： 1 利用空间重用技术，一根光纤环上可以分段传输数据，两根光纤上可以同时传输数 据，提高了带宽的利用率 4 ，6 】。 2 支持业务分级( s l a ) 以及即插即用等特性，使其具有电信级的服务质量保证。 3 采用公平接入机制，把环上的整个带宽作为一个全局资源分配给用户，使环上每一 个用户能够公平的使用带宽。 4 采用了环回和导向两种保护方式，提供电信级小于5 0 m s 保护倒换支持 7 。 5 采用拓扑自动识别机制，当出现环路上增减节点、光纤中断、节点失效等事件时， 可触发环上相应节点发出拓扑更新信息，更新拓扑数据库，增强环路的自愈能力， 同时可减少人工配置所带来的人为错误 9 1 3 】。 r p r 技术使得运营商在城域网内以低成本提供电信级的服务成为可能，在提供 s d h s o n e t 网络生存性的同时降低了传送费用，r p r 最引入注目的特点就是支持电路 仿真，可以用来承载城域网语音业务。虽然i e e e 8 0 2 1 7 工作组还在进行r p r 标准的制 定和测试工作，但是由于预期的良好市场前景，许多公司都已推出了不同标准的r p r 城域交换机产品，以期在激烈的市场竞争中占得先机，如c i s c os y s t e m ，c o r r i g e n t s y s t e m s ，n o r t e ln e t w o r k ，l u m i n o u sn e t w o r k s 等都已有r p r 设备投入商用 1 5 。 目前中国的各大电信运营商包括中国电信、联通、网通、移动、吉通都把宽带网络 的建设作为各自发展的主要方向；除此之外，一些新兴的运营商也在全国范围或本地范 围不遗余力的推广宽带网络；在沿海经济发达省份，一些新兴的运营商已经建成了一些 宽带城域网。 中国网通已经在广州等部分城市采用了r p r 的城域网平台。相信随着i e e e8 0 2 1 7 标准化工作的进行，综合多种传输技术优势的r p r 会成为创建下一代高速光纤城域网 的首选技术。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 r p r 标准化工作 r p r 协议概念的提出是由市场需求推动的。因此，r p r 自提出以来，便受到各方面 的重视。在很短的时间内，多个国际标准化组织成立相关工作组，进行标准化工作，并 将多厂家间设备互通作为一个重要的议程。现在，在国际方面，有4 个国际组织在进行 r p r 的标准化工作，包括i e e e 、r p r 联盟、i t u i t 、i e t f ，这4 个组织间互相协作， 各有分5 2 1 1 6 。 i e e e8 0 2 1 7 工作组负责r p r 相关基本协议的标准化工作。i e e e 从2 0 0 0 年初就开 始关于r p r 的论证工作，在汇总众多厂商和电信服务供应商意见和建议的基础上，于 2 0 0 0 年1 1 月正式成立i e e e8 0 2 1 7 弹性分组环工作组，开始进行标准化工作。 i e t f 于2 0 0 0 年1 2 月正式成立了i p o r p r 工作组，研究r p r 如何同动态路由协议 和m p l s 相结合，并制定多厂家互通标准。 2 0 0 0 年1 月，l u m i n o u s 、l a n t e r n 、r i v e r s t o n e 、c y r a s 、d y n a r c 等新兴通信公司，以 及c i s c o 、n o r t e l 等大通信公司成立了弹性分组环联盟r e s i l i e n t p a c k e t r i n g a l l i a n c e 1 7 ， 其工作目标在于支持i e e e8 0 2 1 7 工作组的工作，促进r p r 技术规范的制定，加速支持 r p r 的产品的推广过程，侧重于多厂家互通标准制定及互通演示工作。 i t u t 已成立x m s r 工作组，x m s r 解决方案理念与8 0 2 1 7 类似，现双方正通力 合作进行x m s r 相关标准化工作。 1 2 2 数据通道结构模型 除了这些国际标准化组织进行的工作以外，很多研究机构也在开展r p r 的标准化 研究工作。数据通道结构模型是r p r 各技术在实现中的基础，为r p r 各种功能传输的 数据或信令提供平台。良好的节点结构模型的设计与实现可充分发挥空间复用技术的优 势，提供多优先级业务区分服务，大大提高网络效率，保证实时性业务的服务质量。 c i s c o 是最早开展r p r 通道结构模型研究工作的公司之一，并研制出了动态分组传 输技术( d y n a m i cp a c k e t t r a n s p o r t ，后文简称d p t ) 1 8 】，用于直接在光纤上高效、可 靠地传输礤分组数据 1 9 。d p t 也是r p r 的前身之一，其数据通道模型使用的是 r f c 2 8 9 2 建议的空间重用协议模型( s p a t i a l r e u s ep r o t o c o l ，后文简称s r p ) 2 0 。d p t 中空间复用的使用，结合以太网的数据传输的高效性和s d h s o n e t 的可靠性的思想， 但d p t 的数据通道模型在很多地方也还有待完善，两种优先级如何提供高实时性、严 格抖动限制的业务服务，模型的简单使公平处理的精细程度和流量控制能力相对较弱。 c i s c o 提出d p t 解决方案的同时，l u m i n o u s 等新兴公司也推出了具有自己特色的解 决方案r p t 。r p t 的一个巨大的优势就是它和m p l s 技术的无缝的结合，从而简化了 i p 前向转发。同时还具有第三层路由功能，基于r p t 技术的设备可以承载具有突发性 的i p 业务，同时支持传统语音传输，是适用于中小型城域网骨干到接入的技术 1 5 。 数据通道的研究可以分为环路侧和支路侧两方面。r p r 节点的环路侧使用传递队列 作中继缓存。在设计上可采用单传递队列设计和双传递队列设计两种方式。 文献 2 1 】中则通过建模和数学分析的方法比较了在d p t 模型中双队列设计和单队列 设计两种模式下的包传输时延，并得出了以下结论：高优先级的传输延迟在单队列设计 比双队列设计下要大，而对于低优先级情况，两种设计下的延迟相似。 文献 2 2 1 中通过仿真证明了相对于单传递队列设计，双传递队列方式可获得更高的 带宽利用率和低的环接入延迟。 r p r 节点支路侧模型讨论的重点是本地队列调度的问题。文献 2 3 1 中提到，基于时 间戳的公平调度队列包括w f q ( w e i g h t e d f a i rq u e u i n g ) 2 4 ，2 5 ，2 6 】，w f 2 q ( w o r s t c a s e f a i rw e i g h t e df a i rq u e u i n g ) 3 2 ，3 4 ，3 5 ，s c f q ( s e l f - c l o c k e df a i rq u e u i n g ) 【3 0 ，3 6 ， s f q ( s t a r t t i m e f a i r q u e u i n g ) f 3 3 等虽然能够较好的实现公平调度，但它们的算法复杂 度都无法低于o ( 1 0 9 ( n ) ) ，其中n 是传输流的数目，这在高速传输时，代价是很昂贵的 2 3 1 。 文中描述了差额循环调度( d e f i c i tr o u n dr o b i n ，后文简称d r r ) ，它能实现每个数据 包o ( 1 ) 的复杂度，并且该方法在硬件中容易实现。d r r 还能够提供很好的抖动控带1 j 2 7 。 文献 2 9 1 中指出d r r 算法可提供完美的仿真结果，它在算法上比w f q 简单，同时 能保证包调度的负载平衡。 文献 2 7 】讨论了在环上空问重用和线头拥塞的关系，提出了一种基于每个目的地址 的调度算法，搭建了j a v a 模型，仿真了些场景，结果显示，其提出的调度算法可获 得高的吞吐性能并减少线头拥塞，如果没有线头拥塞，那么仿真性能和传统的类似。 1 2 3 带宽公平分配 r p r 环上带宽如何公平分配给环上站点，是r p r 需讨论的另一个关键问题。带宽 公平问题并不是r p r 特有的，在很多网络中都存在公平控制问题。因此对公平算法的 研究，有一定的普遍意义，同时针对r p r 技术它又有一定的特殊性。公平的目标是让 期望分享链路带宽的信息流公平的获得资源，这种公平不是简单意义上的相等，在不同 的场景下，会有不同的公平结果。带宽公平的同时，理想的公平算法应能使链路的利用 率最大化。 文献 6 1 ，介绍了一种名为m a g n e t 的全局公平算法，该算法使用一种“停一走” 的机制控制接入，这种算法对传播延迟特性十分敏感，因此在实际使用中效果不佳。 文献 5 4 1 ，描述了一种空间带宽复用的环网络设计原则，提出了在传统l a n m a n 设计上加入提供空间复用和并发传输功能的设计结构，并为该结构网络提出了一种分布 式的公平机制。该机制使用低延迟硬件控制信令。全双工双环结构，空间复用，可靠的 公平机制，加上新兴的光纤技术构成了m e t a r i n g 的基本结构。从m e t a r i l a g 的特性上看， 它在很多方面可以看作是r p r 的雏形，或着说，r p r 的很多技术最早都源于m e t a r i n g 。 文献 5 4 钊对m e t a r i n g 结构提出一种更高效的全局公平算法，该算法使用一种叫 s a t ( s a t 源于单词s a t i s f i e d ) 的信令，实现了连续平稳的速率控制。 文献【5 5 】，提出了一种解决空间复用环结构或总线结构网络公平问题的本地公平算 法，该算法相对全局公平，其优势在于不再把整个网络视作一个单一的通信资源，提高 链路效率和网络的吞吐量。文献 5 5 】进一步作了算法的性能研究，认为其算法比基于 s a t 的全局公平在性能上有极大的提高，在某些特殊的流量背景下，可以到达最大一最 小公平定义 5 6 1 的最优吞吐性能。 文献 5 7 提出并评估了一种改进的空间复用环网的公平算法。作者重点研究了依赖 传输配额控制环上站点发送信息的公平性，并提出一种更灵活的配额自适应( q u o t a a d a p t a t i o n ) 分配方法，达到吞吐和延迟性能的折衷。结合s a t 机制，作者使用i n f o ( 1 n f o 来源单词i n f o r m ) 信令通知自适应的配额，使最终的公平结果在吞吐和延迟 性能上有所提升。 公平问题不只是环网络的问题，最近在无线a d - h o c 领域的很多研究都试图解决公 平和信道利用率之间的平衡问题。多种资源管理算法和协议提出来支持无线网络中的 q o s 5 9 1 。a d h o c 网络中，完全分布式的特点导致传输冲突和吞吐量的下降及无法保证 q o s 的服务。使用公平调度机制将改善网络流量，共享资源 6 5 。典型的有面向q o s 的m a c 层设计，包调度和接纳控制设计等。追求带宽的公平分配和最大的资源利f ； j 率 成为两个最重要的设计的目标 6 8 1 。 环网络的公平对解决其他网络公平问题也有帮助，文献 5 8 讨论了高速m e t a 网络中 的公平控制问题。文中作者就借鉴了文献 5 4 中基于s a t 公平的思想，将拓扑网络划分 为多个逻辑上的环，每个环上都使用s a t 实现公平，提出了一种叫m u l t i s a t 的公平机 制，解决高速m e t a 网中的公平问题。 r p r 中的公平问题有其自身的特点，文献 5 2 ，5 3 提出了一种与传统公平问题解决方 法完全不同的解决办法。该算法被作为r p r 公平算法的一个提案已提交协议制订和讨 论。使用一个指派站点作为控制中心，这个指派站点产生公平报文，公平报文通过在全 环传递三周完成流量信息收集、公平计算( 带宽分配) 以及公平分配结果三个工作。 1 2 4 仿真模型研究 对网络模型的研究通常有理论分析法、测试床分析法和仿真分析法。 相对理论分析的空泛和测试床分析的风险，第三种方法越来越受到大家的青睐。仿 真系统的设计模型可以足够接近真实，所以没有太大的风险，理论分析得到的结论，特 别是一些数据结论，可以通过仿真轻松获得。再者，仿真分析是用软件搭建了一个模拟 的系统，因此技术一旦确认或成熟，仿真建模的思想甚至大多数设计过程都可以为实际 设备所用。 目前国内外有很多研究机构正在开展对r p r 协议性能的仿真研究，c i s c o 公司已经 提供d p t 的仿真模型和白皮书，与r p r 协议有很多类似之处 1 8 】。加拿大的卡尔顿大 学( c a r l e t o nu n i v e r s i t y ) 光网络实验室利用o p n e t 建立了符合r p r 草案d 1 1 的网络 模型 8 2 ，现正在从事草案d 2 3 的仿真。r i c eu n i v e r s i t y 主要应用n s 2 网络仿真器对 r p r 进行仿真研究，他们提出了自己的r p r 公平算法d v s r 并检验了它的性能【8 3 】， 现在已经提供了开发源代码的d v s r 仿真器，a t & t 的许多研究结果就得益于它的仿真 器。挪威的奥斯陆大学( u n i v e r s i t yo fo s l o ) ，它的仿真研究实验室主要从事基于j a v a 的r p r 仿真研究，现已经根据最新的草案d 2 3 建立了仿真模型，但其模型也是一定程 度上简化的模型，对于复杂的网络背景环境，无法作真实的分析，仍需检测单个的功能 模块 7 0 。 模型在最初的开发上应遵循能够更方便的使用在评估r p r 的性能指标上。模型实 现后，可利用模型对r p r 关键技术点再做相应仿真研究，作为理论研究的一个证明， 在没有完整理论模型体系时，仿真模型研究应也能作为验证结论的一种有效途径。 建模的过程需要运用多种工具。现有的广泛使用的网络仿真工具主要是n s 一2 和 o p n e t ，而o p n e t 又以更出色的用户界面和编程环境 8 5 1 ，以及对各种网络及应用的 支持，可作为首选的仿真工具。在以前的仿真无线网络的协议中，曾接触过o p n e t 相 关的文献。 8 6 介绍了基于包传递的o p n e t 的建模流程， 8 7 讨论了面向对象系统的建 模结构的概念。而接触的模型主要是建立i e e e8 0 2 1 i 8 9 ，9 0 1 和a d h o e 9 1 模型的例子。 但都没有一套系统的把协议等文本语言转变成计算机能够理解和编译的语言代码的详 细方案。考虑到在文章 9 2 件使用s d l 算法描述语言 9 3 1 和o p n e t 仿真软件相结合的 方法。计划在建模过程中提出一种整体网络建模的思想和结构化方法，能够为以后的建 模积累经验并简化建模的难度和工作量，提高建模的效率。 1 3 r p r 技术发展趋势和有待进一步研究的课题 r p r 相关的协议正在进一步完善中，i e e e 8 0 2 1 7 工作组大概每两个月就更新了一次 r p r 协议草案。制订具有更好的互通性，提供更好服务质量的协议是各个工作组共同 的目标，也是r p r 技术发展的趋势之一。r p r 的多种关键技术中也包含众多有待进一 步研究的课题。 在数据通道相关的研究工作中，寻求一个更加准确的数学分析模型是数据通道技术 下一步研究工作的重点之一，因为一个系统合理的理论模型可以准确有效地指导数据通 道技术优化。另外，关于数据通道中本地队列的调度问题，提出更好的调度算法，使本 地向各个目的地发送的流量公平的接入环路，同时获得高链路利用率和低接入延迟，是 该课题研究目标。 由于集中式算法在可靠性上的缺陷，r p r 目前的草案采用的公平算法 6 7 还是分布 式的，该算法使用公平报文作为反馈通知上游节点限制发送速率，最终达到公平，但对 多拥塞流量背景下，不能正常工作。找到一种能处理各种类型拥塞情况下的可靠的公平 算法是公平控制问题研究的核心。研究具有高可靠性的多拥塞流量下的公平算法将是有 待进一步研究的内容。 仿真研究上，建立功能模块完整的仿真模型是各研究机构共同目标。建立完整的 r p r 仿真模型，并利用仿真模型研究r p r 的性能特性，有助于r p r 其他相关研究工作， 足下一步工作中一个十分有价值的研究课题。 1 4 本文主要研究内容及章节安排 光网络的发展日新月异，原来用来传送数据业务的方式已经发生了很大的变化。 r p r 弹性分组环作为光网络中封装口数据业务的一种新兴技术，内容涉及控制理论、 排队沦、公平调度理论、优化理论、信息技术等多方面的内容。本文依托国家8 6 3 计划 引导项目“实达系列网络交换机和路由器产品的丌发和研制”( 编号2 0 0 2 a a 0 0 1 0 0 9 ) 科研课题，结合当前国际上r p r 的研究现状和发展趋势，针对存在的问题，做了如下 研究工作： 建立了r p r 数据通道的排队论分析模型。研究了单传递队列和双传递队列的延迟 特性。通过数学推导分析了整形器的工作原理和设计思想，可以指导整形器参数的配置。 随后提出了改进的空间整形和二维调度算法v d q d r r ，解决了数据传输中可能出现的 线头拥塞问题，并对空间整形的二维调度算法指出了进一步改进的方向。 在分析和评价现有公平算法的基础上，本文提出了一种多反馈公平算法，结合改进 的空间整形和二维调度算法v d q d r r ，能够很好的解决多拥塞问题并提供较高的容错 性。在多拥塞的情况下，本文所提出的算法性能明显优于现有的公平算法。 本文采用o p n e t 网络仿真工具建立了一个完整的r p r 网络仿真模型，并根据仿真 模型具体评估了本文提出的改进的空间整形和二维调度算法v d q d r r 和改进的多反 馈公平算法的性能。仿真结果不仅说明了改进算法的性能优于现有其他算法，而且验证 了仿真模型的正确性。 本文各章节内容组织如下： 首先在第一章综述了r p r 弹性分组环技术的特点及研究现状，归纳了r p r 发展趋 势和研究动向，提出了本文研究的主要问题。第二章研究了r p r 数据通道的数学分析 模型。第三章集中研究了目前的几种r p r 公平算法，提出了多反馈公平算法。第四章 首先介绍了r p r 的拓扑保护机制，并阐述了r p r 拓扑保护机制相对于s d h 的优势。 同时指出了r p r 拓扑和保护机制所存在的问题和需要进一步研究的内容。第五章提出 了建立o p n e tr p r 模型的思想和步骤，根据草案d2 , 0 搭建了r p r 仿真模型。为研究 r p r 协议、开发协议、评价算法、提供了检测的基础。并通过几个仿真场景，检验了 几种改进的算法，提供了可信的依据。最后，在第六章对全文进行了总结并展望了今后 的研究方向。 2r p r 数据通道分析 数据通道结构模型是r p r 各种关键技术实现的基础。通过建立数据通道的数学模型可以有效的分析r p r 中的 各种关键技术。本章建立了一个非强占优先机制的m g 1 的排队模型，研究了采用单传递队列和双传递队列两种方 案设计数据通道的延迟特性。本章还详细分析了整形器的工作原理和设计思想，推导了整形器重要参数的选择依据 对配置整形器参数起到了指导性的作用。最后本章提出了一种改进的空间整形和二维调度算法v d q d r r ，与提案 算法相比。该算法既增加了对流量的可控性，又解决了线头拥塞带来的低效问题。 2 1m a c 模型概述 r p r 层次结构模型与o s i 参考模型对应关系如图2 - 1 所示 图2 1r p r 与o $ 1 层次模型对应关系 6 7 1 r p r 协议主要讨论的内容位于o s i 模型中的1 5 2 5 层。具体分为物理协调子层， m a c 数据通道子层和m a c 控制子层，其中m a c 控制子层又包括公平、保护、拓扑、 环选择和o a m 五个控制子模块。上下层接口分别与逻辑链路控制子层( m a c 客户湍) 和物理帧封装层连接，构成完整的1 、2 层模型。 r p r 协议的模块划分适应了r p r 的环形拓扑结构。对于环上的每个节点模型，它 应该包括一个客户端实体，一个m a c 实体和两个物理层实体。两个物理层实体分别与 东西向链路相连。同时，一个m a c 实体包括一个m a c 控制实体和两个m a c 数据通 道，两个数据通道分别和内外子环对应。子环0 ( 即外环) 上的发送和子环1 ( 即内环) 上的接收定义为东向物理接口，子环l 上的发送和子环0 上的接收定义为西向物理接口。 如图2 2 所示： 图2 - 2 站点结构 本文后续章节将根据r p rm a c 模型特点，分别从数据通道、公平、拓扑和保护四 个方面讨论r p r 关键技术，分析这些技术的特点和思想，对其中部分算法和策略提出 了自己的改进方法，并进行分析和仿真论证。 2 2 数据通道模型介绍 本节阐述数据通道模块的功能定义，现有的一些模型的设计以及数据通道的基本处 理流程。 数据通道的选择和数据通道上的操作统一被称为m a c 数据通道，如前文2 1m a c 模型概述中所阐述，m a c 接入包含内外子环两个数据通道操作，环选择是m a c 控制 子层的一个单元，它负责选择帧在哪个子环数据通道上传输，由于其与数据通道的关系 密切，因此并入本节数据通道介绍，不再作为控制模块单独讨论。