OPNET平臺(tái)下的實(shí)時(shí)WDM網(wǎng)絡(luò)建模與仿真

(北京航空航天大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，北京100191)

1 引 言

波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)網(wǎng)絡(luò)是一種高帶寬大吞吐量的網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于民用光局域網(wǎng)、光傳送網(wǎng)[1]。由于其提供線性光信號(hào)的傳輸通路，可以支持多種協(xié)議和多種速率消息的并行傳輸，具備在單光纖上同時(shí)傳送大量的獨(dú)立模擬和數(shù)字信號(hào)的能力，并且通過(guò)簡(jiǎn)單地增加波長(zhǎng)的方式來(lái)增加網(wǎng)絡(luò)帶寬，因此波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)也能應(yīng)用到實(shí)時(shí)性網(wǎng)絡(luò)，例如機(jī)載航空電子網(wǎng)絡(luò)等[2]。WDM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有星形、環(huán)形和網(wǎng)狀等不同結(jié)構(gòu)[3]，其缺點(diǎn)是在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)沒(méi)有考慮到網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)要求以及對(duì)其性能進(jìn)行分析。OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)[4]作為一種通用網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)可以支持WDM網(wǎng)絡(luò)仿真，從而逼真有效地對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和分析，但是OPENT仿真平臺(tái)中卻沒(méi)有針對(duì)WDM網(wǎng)絡(luò)的仿真模型。本文提出了一種分級(jí)式混合結(jié)構(gòu)的WDM網(wǎng)絡(luò)，在OPNET仿真平臺(tái)上對(duì)其進(jìn)行層次化建模，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了仿真，并分析和評(píng)價(jià)了仿真結(jié)果。

2 基于混合WDM網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

WDM網(wǎng)絡(luò)分為星形廣播型網(wǎng)絡(luò)和波長(zhǎng)路由型網(wǎng)絡(luò)兩種類(lèi)型。其中星形廣播網(wǎng)由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和中心耦合器組成，消息通過(guò)可調(diào)諧光收發(fā)器發(fā)送接收消息，耦合器負(fù)責(zé)向所有節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息。消息單跳傳輸，具有較好的實(shí)時(shí)性，然而由于MAC協(xié)議相對(duì)復(fù)雜，因此節(jié)點(diǎn)數(shù)目有限。波長(zhǎng)路由網(wǎng)由固定光波長(zhǎng)信道組成，消息可能通過(guò)多跳光波長(zhǎng)信道轉(zhuǎn)發(fā)，延遲略大，然而穩(wěn)定性強(qiáng)，適合作骨干網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于實(shí)時(shí)性網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目可能為幾十到上百個(gè)，采用統(tǒng)一的星形廣播網(wǎng)是不現(xiàn)實(shí)的，本文設(shè)計(jì)了一種星形廣播型WDM網(wǎng)絡(luò)和波長(zhǎng)路由網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)分級(jí)式網(wǎng)絡(luò)，子網(wǎng)內(nèi)傳輸用星形廣播網(wǎng)，波長(zhǎng)路由網(wǎng)負(fù)責(zé)子網(wǎng)間傳輸，消息在子網(wǎng)內(nèi)為單跳，延遲很小，并且子網(wǎng)間轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)也有限，從而達(dá)到消息低延遲、高實(shí)時(shí)的傳輸目的。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 混合式WDM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 The composited WDM network structure

3 網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)

3.1 子網(wǎng)內(nèi)模型設(shè)計(jì)

(1)節(jié)點(diǎn)模型

節(jié)點(diǎn)模型見(jiàn)圖2，pk-gen和sink模塊分別為數(shù)據(jù)包產(chǎn)生和接收模塊，mac-inf模塊提供一個(gè)統(tǒng)一的接口mac層，處理上層來(lái)的消息，保證了進(jìn)入mac層的消息的統(tǒng)一形式， mac層模塊為多信道調(diào)度模塊，是最重要的模塊。發(fā)射包流的走向是：pk-gen到mac-inf，到mac，最后到bt-0；接收包流的走向是：br-0到mac，到mac-inf，最后到sink。因?yàn)槭嵌嗦穫鬏斝诺溃l(fā)射機(jī)和接收機(jī)上也連接了4條包流通道，每一條都對(duì)應(yīng)著不同的波長(zhǎng)通道。

圖2 收發(fā)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)域模型Fig.2 The node model of transmitting and receiving node

(2)進(jìn)程模型

節(jié)點(diǎn)中節(jié)點(diǎn)模塊內(nèi)部有進(jìn)程模型，由有限狀態(tài)機(jī)組成，完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。設(shè)計(jì)mac-inf模塊的進(jìn)程模型如圖3所示，完成的具體功能是設(shè)置和記錄統(tǒng)計(jì)信息；send-pk-to-mac接收消息源模塊的消息，封裝成數(shù)據(jù)幀；send-pk-to-higher接收MAC層數(shù)據(jù)幀，進(jìn)行消息統(tǒng)計(jì)。

圖3 進(jìn)程域mac-inf設(shè)計(jì)Fig.3 The processing model of mac-inf

設(shè)計(jì)mac模塊的進(jìn)程模型如圖4所示，具體功能為place-pk-in完成接收mac-inf模塊數(shù)據(jù)幀，插入消息隊(duì)列。Send-control在每次調(diào)度周期上將此周期內(nèi)消息加入調(diào)度隊(duì)列。Schedule-pk完成每次調(diào)度周期上的消息多信道調(diào)度，安排消息傳送的時(shí)間點(diǎn)(以自中斷方式)和信道，此處采用的是EDD的調(diào)度方式，以保證消息的實(shí)時(shí)性傳輸。send-pk在控制調(diào)度調(diào)度安排的信道和時(shí)間點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀。check-pk完成接收接收機(jī)上收到的數(shù)據(jù)幀，判斷地址，轉(zhuǎn)發(fā)到mac-inf模塊或丟棄。

圖4 進(jìn)程域mac設(shè)計(jì)Fig.4 The processing model of mac

3.2 骨干網(wǎng)模型設(shè)計(jì)

骨干網(wǎng)由8個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，需建模轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

(1)節(jié)點(diǎn)模型

轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)由子網(wǎng)mac層模塊、mac層接口模塊、網(wǎng)間網(wǎng)mac層模塊、子網(wǎng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)模塊、網(wǎng)際網(wǎng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)模塊組成。

圖5 骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)域Fig.5 The node model of backbone network

因?yàn)槔昧嘶趯哟位脑O(shè)計(jì)思想，底層的設(shè)計(jì)與子網(wǎng)相同，接收機(jī)、發(fā)射機(jī)和子網(wǎng)mac層模塊都和子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中的模型完全一樣。exchange-mac-inf模塊作為子骨干網(wǎng)的聯(lián)接模塊將外網(wǎng)傳來(lái)的消息轉(zhuǎn)化為子網(wǎng)中mac層所需的消息形式，同時(shí)將子網(wǎng)中需要往外傳遞的消息轉(zhuǎn)化為骨干網(wǎng)mac層所需的形式。mac-out模塊按照路由協(xié)議向骨干網(wǎng)發(fā)送消息，同時(shí)接收和轉(zhuǎn)發(fā)骨干上的消息。骨干網(wǎng)發(fā)射和接收機(jī)為2個(gè)發(fā)射和2個(gè)接收波長(zhǎng)信道。

(2)進(jìn)程模型

mac-out模塊是骨干網(wǎng)接口的mac層，完成按路由協(xié)議選擇路由發(fā)送和接收子網(wǎng)、轉(zhuǎn)發(fā)骨干網(wǎng)的消息。從wait狀態(tài)，接收子網(wǎng)包流中斷到來(lái)時(shí)(本地子網(wǎng)或外部子網(wǎng))，進(jìn)入send-pk_out進(jìn)程，按照路由協(xié)議判定所選路徑，若該路徑的發(fā)射隊(duì)列中消息數(shù)目超過(guò)協(xié)議所規(guī)定的限度，則在兩條外發(fā)路徑中選擇發(fā)射隊(duì)列長(zhǎng)度較小的那一條，插入發(fā)射機(jī)隊(duì)列。當(dāng)接收機(jī)中斷到來(lái)時(shí)，進(jìn)入send-pk-in進(jìn)程，進(jìn)行消息判斷，若是該子網(wǎng)的消息，直接返回wait狀態(tài)，若是中轉(zhuǎn)的消息，則緊接著進(jìn)入send-pk-out進(jìn)程，中轉(zhuǎn)功能。

圖6 mac-out模塊進(jìn)程域模型Fig.6 The processing model of mac-out

3.3 數(shù)據(jù)幀和鏈路建模

子網(wǎng)內(nèi)鏈路模型采用廣播的bus鏈路模型，通道數(shù)目(Channel Count)設(shè)置為4，來(lái)模擬波分多路信道，發(fā)射速度(Data Rate )設(shè)置為1 Gbit/s。骨干網(wǎng)鏈路模型為點(diǎn)到點(diǎn)的單工鏈路，屬性為單通道，支持的數(shù)據(jù)傳輸速度為10 Gbit/s 。

圖7 數(shù)據(jù)幀模型Fig.7 The data model

4 性能仿真

4.1 網(wǎng)絡(luò)延遲分析

該試驗(yàn)主要驗(yàn)證該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中消息的延遲特性是否能保證實(shí)時(shí)要求。網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)均勻分配，消息長(zhǎng)度為5 000 bit，deadline為5 000 μs。圖8為平均消息延時(shí)曲線，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載小于等于8 Gbit/s時(shí)(即每個(gè)節(jié)點(diǎn)消息產(chǎn)生間隔為0.000 025 s時(shí)，即每秒鐘產(chǎn)生0.2 Gbit數(shù)據(jù)量時(shí))，消息的平均延時(shí)較小，不大于16 μs(其中發(fā)送延時(shí)為5 μs，調(diào)度間隙延時(shí)為7.5 μs，阻塞延時(shí)小于3.5 μs)，可以較好地滿(mǎn)足消息的實(shí)時(shí)性，從而得到網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)負(fù)載要求。

圖8 網(wǎng)絡(luò)延遲Fig.8 The delay of network

4.2 吞吐量仿真

目的是得到系統(tǒng)最大的吞吐量(單位時(shí)間內(nèi)成功接收到的消息)。仿真得到的吞吐量與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載(單位時(shí)間內(nèi)消息源產(chǎn)生的比特?cái)?shù))的變化關(guān)系曲線如圖9所示。

圖9 網(wǎng)絡(luò)吞吐量Fig.9 The throughout of network

由圖可知，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小時(shí)(小于20 Gbit/s)，網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加線性增加；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載超過(guò)20 Gbit/s時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量不再增加，而保持在17.5 Gbit/s，由此我們也得到系統(tǒng)的最大吞吐量為17.5 Gbit/s。

4.3 鏈路利用率仿真實(shí)驗(yàn)

圖10驗(yàn)證了子網(wǎng)鏈路的利用率水平。消息長(zhǎng)度設(shè)置為5 000 bit， deadline設(shè)置為5 000 μs，消息間隔分別設(shè)置為：0.000 005 s，0.000 010 s，0.000 020 s，0.000 050 s。消息的目標(biāo)地址按等概率密度函數(shù)分布，即子網(wǎng)內(nèi)(包括轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn))的節(jié)點(diǎn)等概率。消息的deadline設(shè)置為1 s，仿真時(shí)間設(shè)置為1 ms。由于是多信道總線型鏈路，考慮到消息的實(shí)時(shí)性和發(fā)射機(jī)接收機(jī)可調(diào)諧性，信道平均傳輸速率0.47 Gbit/s。

圖10 鏈路利用率Fig.10 The utilization of link

5 結(jié) 論

本文從實(shí)時(shí)性網(wǎng)絡(luò)要求出發(fā)，研究并設(shè)計(jì)了基于混合結(jié)構(gòu)的分級(jí)式實(shí)時(shí)WDM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。用OPNET平臺(tái)上層次化建模仿真方法得到該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最大吞吐量為17.5 Gbit/s，信道平均傳輸速率為0.47 Gbit/s，并且在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載小于等于8 Gbit/s時(shí)，可以較好地滿(mǎn)足消息的實(shí)時(shí)性，具有一定的實(shí)用性。混合結(jié)構(gòu)中消息的實(shí)時(shí)調(diào)度算法以及轉(zhuǎn)發(fā)策略等內(nèi)容是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

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