一種新型VPN網絡設計及QoS性能仿真

張麗諾,王占京,雷 波,王 凱

(1.中國電信股份有限公司北京研究院,北京 100035;2.北京郵電大學 信息光子學與光通信研究院,北京 100876)

一種新型VPN網絡設計及QoS性能仿真

張麗諾1,王占京1,雷 波1,王 凱2

(1.中國電信股份有限公司北京研究院,北京 100035;2.北京郵電大學 信息光子學與光通信研究院,北京 100876)

通過對現有各專網方案所存在問題及未來數據網絡演進趨勢的分析,以ATM-MPLS重疊網絡的方式設計了一種新型VPN方案,并提出在現網的具體構建策略,證明了該方案具有現實部署的可行性。通過OPNET實現語音、數據及視頻等多業務的仿真模擬,其中以數據業務響應時間作為量化指標,仿真結果表明該新型網絡在高負載下響應時間在0.6 s以內,且不累積擁塞,具有類似ATM的技術優勢,為寬帶網絡演進提供了一種解決思路。

寬帶網;VPN;重疊網絡;ATM;MPLS;QoS性能

1 引 言

如何在符合未來技術發展趨勢的同時,充分整合利用現有傳送網資源打造下一代精品寬帶網絡,是運營商未來幾年內在網絡建設和改造方面所面臨的最緊迫問題。目前,大客戶專線業務在中國各運營商的固網盈利收入中所占的比重很大,屬于重點保持和發展的業務類型。中國電信、中國聯通和中國移動三大運營商都構建了自己的專線網絡,重點發展政府、金融、知名大企業等高端客戶。這些客戶對專線業務的需求多樣化,涵蓋了二層VPN、三層VPN、MPLS VPN等多種技術,在迎合客戶需求的同時結合資源狀況和技術發展策略,各運營商都分別建設了多種專線承載網絡。例如中國移動的專線業務主要采用近幾年打造的MSTP(Multi-service Transfer Platform)專網承載;中國電信和中國聯通則充分利用其固有的光纖資源,分別構建了基礎數據網、IP/MPLS專網、SDH/MSTP專網來承載專線業務,其中基礎數據網和IP/MPLS網絡主要用于承載高端客戶的業務。隨著近年網絡應用的多樣化以及對未來新業務支持的需要,在承擔巨大帶寬壓力的同時,對專線承載網絡的QoS性能也提出了更高的要求。

為高端客戶提供質優價廉的專網解決方案,是運營商核心競爭力的關鍵因素。如今市場應用較成熟的專網技術均存在一些問題,其中ATM(AsynchronousTransfer Mode)基礎數據網因其多業務支持和完善的QoS保證使得在專網建設前期得到了大客戶的青睞。但是由于近年該技術已經基本不再發展,所支持的帶寬容量有限,核心網壓力巨大,現在國內ATM網絡干線及省網的中繼利用率都相對較高,難以滿足客戶未來對大帶寬業務的需求,繼續采用該技術的升級成本也較大,且未來運營維護成本將會逐漸升高。

MSTP技術由于其對數據業務的支持,逐漸取代SDH成為城域傳輸網的首選技術,適合部署于大客戶接入網側,如中國移動就是采用PTN+MSTP的方式進行網絡建設。盡管MSTP應用會長期存在,但基于發展趨勢,未來將逐漸傾向于PTN技術。

IP/MPLS適合在全國范圍內組網,一般運營商都建設了單獨的IP承載網,這樣有利于專網用戶獲得安全高效、低成本的專用網絡,而且有利于ISP開展增值業務。從IP/MPLS網絡應用來說,要求其具有業務混雜承載能力,支持語音、視頻、數據、3G以及未來各種新業務。同時專網必須保留公網出口,才能保證其業務的應用范圍,雖然配置了相關的安全策略,例如專線隔離、防火墻等技術,但基于IP技術的安全本質仍然不能消除大客戶的憂慮。另外,IP/MPLS QoS 由于采用 RSVP、Diff-Serv、TE 、VPN 等技術使其整個體系相對復雜,而在現網應用中,某些性能指標也還存在問題,例如TE的快速路由策略還難達到客戶對路由切換時間小于50 ms的要求。

同時,未來幾年內ATM/FR等基礎數據網將逐步退網,運營商的網絡戰略布局將全面向IP網絡架構演進。對于傳統固網運營商已建設的ATM網絡,充分利用其剩余的生命運行周期,同時兼顧網絡技術發展趨勢,設計一種網絡演進的過渡方案是比較合理的發展策略。本文通過對ATM與IP/MPLS技術的研究,提出基于重疊網絡方式的新型VPN方案,并根據現網情況設計了具體的網絡構建策略,最后通過計算機仿真在多業務的復雜網絡環境中驗證了該方案的QoS性能。

2 基于重疊網絡的模型設計和現網構建

2.1 模型設計

對傳統固網運營商來說,由于網絡類型、拓撲結構、業務種類等方面的不同,采用重疊網絡的演進方案實現技術的平滑升級過渡,對于增強業務競爭力、保持網絡的先進性以及增加運營收益具有十分重要的意義。我們采用邊緣ATM和核心IP/MPLS混合的網絡結構設計。這樣對運營商來講,在未來的通信網結構中,ATM網絡作為IP/MPLS核心網的邊緣接入網絡,采用PWE3偽線的技術仿真ATM業務[1],而ATM網絡則扮演多業務接入的角色。就市場需求、投資收益和未來網絡的戰略布局等因素綜合來講,該重疊網絡設計具有存在的價值。其模型如圖1所示。

圖1 基于重疊網絡的VPN模型Fig.1 The model of VPN based on interworking network

典型的ATM信元封裝到MPLS幀如圖1所示,PE路由器通過AC收到二層ATM數據幀后將其封裝上標簽(MPLS外部標簽),再通過LSP隧道轉發至遠端PE。在遠端PE,會將標簽移除,然后發送給遠端ATM設備。若是要在一條LSP隧道中實現PW的多路訪問,PE需要使用另一個標簽(MPLS內部標簽)來標示PW,其通用封裝格式包括隧道標簽、VC標簽、控制字段(可選)、二層數據幀[2]。

2.2 現網構建策略

基于ATM-MPLS重疊網絡的VPN建設目標是在不改變用戶的ATM接入方式、不改變用戶的ATM設備維護習慣的前提下,完成核心承載技術的演進。這樣用戶將感知不到核心網絡技術的改變,但其所屬的業務質量將得到保持或者提升。現網演進部署可分為近期、中期、遠期3個階段來實現,如圖2所示,預計在8～10年內完成本網絡構建。

(1)近期階段:基于未來網絡的建設目標,現有IP/MPLS網絡可承載二層VPN構建,或支持構建MPLS二層VPN專網。前期將首先對ATM網絡進行改造,加入雙核交換機(ATM/MPLS),一方面可以提高帶寬,降低中繼利用率,同時也可提供向MPLS技術擴展的能力。采用雙核交換機,可以進行省網和骨干網的合并,實現網絡的扁平化。

(2)中期階段:部署在ATM網絡的雙核交換機實現向MPLS擴展,構建中繼實現與IP網絡的互聯,完善核心節點布局,形成完整的IP設備核心層網絡,并將所有匯接節點的上聯中繼電路都遷移到IP/MPLS核心網絡中,進而完成對現有ATM核心節點的替換。

(3)遠期階段:保持ATM作為邊緣接入,將現有ATM核心交換機推入接入層,既擴展了帶寬又保持資產利用率。核心采用已建的IP/MPLS專網承載,中繼利用率保持在50%左右,以上整個過程用戶側的接入方式可不做任何改變。

圖2 網絡構建策略Fig.2 The construction strategies for current networks

3 網絡仿真

本文采用OPNET仿真軟件,對ATM、IP/MPLS以及基于混合組網構建的精品寬帶傳送網等3種網絡進行了建模,并對網絡關鍵性能指標進行仿真比較。

網絡仿真拓撲結構如圖3所示。其中,存在2個Video業務子網,具有1對Video客戶端;2個Voice業務子網,具有2對Voice客戶端;2個數據業務子網,具有2個WEB客戶端、2個EMAIL客戶端,以及2個WEB/EMAIL服務器;所有鏈路帶寬均為DS1。

圖3 網絡拓撲Fig.3 The topology of simulational network

在網絡仿真過程中,分別加入語音業務、視頻業務、高速上網業務等。語音業務:靜默長度服從均值為0.65 s的指數分布,會話突發長度服從均值為0.352 s的指數分布,編碼機制 G.711,幀速率1 frame/packet。視頻業務:視頻幀速率15 frame/s,數據速率0.3Mbit/s(像素128×120)。高速上網業務:WEB瀏覽-HTML 20 kbit/s,EMAIL 20 kbit/s,發送/接收間隔服從均值為10 s的指數分布。

QoS是網絡在傳輸數據流時要求滿足的一系列服務要求,具體可以量化為帶寬、延遲、延遲抖動、丟包率、吞吐量等性能指標。由于不同類型技術在網絡指標的評估方面存在差異,需要選擇一種可以同時在這3種網絡中使用并具備可比性的參數指標來反映各網絡性能。在本次仿真過程中,選取了HTTP數據業務響應時間作為評價網絡性能的參數指標,當業務響應時間較長時,表示該網絡性能指標較弱,對業務保障能力較差。背景流量模型如圖4所示。

圖4 背景流量模型Fig.4 The model of background traffic

3.1 ATM網絡

在ATM網絡上仿真上述的3種業務,其中視頻業務、語音業務類型為rt-VBR,HTTP數據業務類型為UBR。在網絡中加載背景流量模型,與不加載背景流量的情況進行對比,考察ATM網絡在高負載下的業務保障能力。仿真結果如圖5所示。

圖5 ATM網絡的業務響應時間Fig.5 The response time of ATM

從仿真結果來看,在諸多通信網絡的QoS技術中,還是以ATM QoS技術最為全面和有效。背景流量業務優先級與HTTP數據業務相同,但在數據傳輸過程中基于UPC功能按照流量合同進行了適當的抑制,因此并未對數據業務的響應時間產生較大的影響。總之,ATM QoS機制所包含的業務分類、流量控制和擁塞控制等功能,再加上ATM固定幀長等流量特性因素,保證了ATM網絡的業務質量。

3.2 IP/MPLS網絡

在IP/MPLS網絡上仿真上述的3種業務,然后在網絡中加載背景流量模型,并和不加載背景流量的情況進行對比,考察IP/MPLS網絡在高負載下的業務保障能力。仿真結果如圖6所示。

圖6 IP/MPLS網絡的業務響應時間Fig.6 The response time of IP/MPLS

IP/MPLS QoS機制的核心思想其實也來源于ATM QoS技術。IP/MPLS的多業務QoS機制采用Diff-serv體系結構,即對進入MPLS網絡邊緣節點的數據流進行優先級的標記,一般利用二層幀的優先級字段或IP分組中的DS字段來區分,在MPLS核心網絡中各節點進行不同優先級的隊列調度,高優先級的流量優先轉發,從而保障了高等級用戶的服務質量。MPLS的業務區分功能是由MPLS報文頭中的3 bit EXP值實現,例如在PE的MPLS側端口,將802.1p/q優先級字段中的參數根據規則映射到MPLS EXP位[3],如表1所示。這樣在MPLS核心網絡中,所有P路由器都可以正確識別數據的優先級來進行調度。在本仿真實驗中,視頻業務、語音業務等級為4,HTTP數據業務類型等級為0。

表1 802.1p優先級到MPLS EXP的映射Table 1 The mapping of priority from 802.1p to MPLS EXP

從仿真結果來看,IP/MPLS網絡在業務背景流增大時,鏈路擁塞使得數據業務響應時間指標變差,這是因為IP/MPLS保證相關業務服務質量的QoS機制是以犧牲優先級較低業務為代價的。總之,與ATM網絡性能相比,IP/MPLS的粗顆粒度業務區分機制、業務流特性、數據幀長度等因素,決定了該網絡具有如此的QoS特性。

3.3 基于ATM-MPLS重疊網絡的VPN

在ATM-MPLS網絡上仿真上述3種業務,然后在網絡中加載背景流量模型,并和不加載背景流量的情況進行對比,考察ATM-MPLS網絡在高負載下的業務保障能力。仿真結果如圖7所示。

圖7 ATM-MPLS網絡的業務響應時間Fig.7 The response time of ATM-MPLS interworking network

基于重疊網絡的VPN QoS機制支持在ATM邊緣連接中所配置的流量合同和相關QoS。PE可實現ATM業務類型到MPLS區分服務PHB的映射,其映射關系如表2所示[4]。

表2 ATM業務類型到區分服務類型的映射Table 2 ATM service category to Diff-Serv classmapping

從仿真結果來看,ATM-MPLS網絡的業務響應時間符合標準,并未產生擁塞。這是因為重疊網絡可實現ATM端到端的QoS、OAM及信令等互通,實際上可認為是ATM端到端的電路連接,中間所經過的二層幀封裝是透明的,如圖1所示。這樣位于邊緣ATM網絡可以在流量控制、擁塞控制等方面保證ATM-MPLS重疊網絡整體的QoS性能。在連接建立階段,邊緣ATM網絡的CAC機制決定接受或拒絕用戶的請求;通信過程階段,在邊緣網絡的用戶/網絡接口的UPC機制還提供了監測和限制功能。因此該重疊模型事實上還保留了許多ATM QoS的優點。

4 結 論

從仿真結果可以看出,在網絡負載加重時,ATM與重疊網絡VPN的響應時間指標仍然符合標準,未出現IP/MPLS網絡的擁塞情況,可見該新型VPN方案在多業務QoS保障方面具有較好的表現。在網絡部署建設方面,運營商需要綜合考慮已存在網絡的贏利性、技術趨勢、生命周期、客戶結構等因素,制定合理的網絡演進策略,而ATM-MPLS重疊網絡VPN方案既可以在老的ATM網絡退網前加以充分利用,實現最大價值,同時又符合未來IP化的技術趨勢,該方案可作為實現全網IP承載的過渡,具有較高的實用價值。另外,該新型VPN方案可認為是基于二層技術設計的,理論上應具有較好的安全性,下一步若能對此進行驗證將會使其有望成為近年可供運營商選擇的網絡演進方案之一。

[1]IETF RFC3985,Pseudo Wire Emulation Edge-to-Edge(PWE3)Architecture[S].

[2]IETF RFC4717,Encapsulation Methodsfor Transport of Asyn-chronous Transfer Mode(ATM)over MPLS Networks[S].

[3]Santiago Alvarez.QoS for IP/MPLS Networks[M].Indianapolis:Cisco Press,2006.

[4]ATM-MPLS Network Interworking Version 2.0[S].

[5]陳敏.OPNET網絡仿真[M].北京:清華大學出版社,2004.

CHEN Min.Network simulation with OPNET[M].Beijing:Tsinghua University Press,2004.(in Chinese)

ZHANG Li-nuo was born in Beijing,in 1979.She received the B.S.degree in 2001.She is now a R&D engineer.Her research concerns data network technology and transport network.

王占京(1974—),男,陜西人,1997年獲學士學位,現為高級工程師,主要從事下一代傳送網的研究工作;

WANG Zhan-jing was born in Shaanxi Province,in 1974.He received the B.S.degree in 1997.He is now a senior engineer.His research concerns the next generation transport network.

雷 波(1980—),男,重慶人,2005年獲工學碩士學位,現為研發工程師,主要從事下一代傳送網研究;

王 凱(1984—),男,河南焦作人,現為碩士研究生,主要研究方向為傳送網技術、寬帶通信技術。

WANG Kai was born in Jiaozuo,Henan Province,in 1984.He is now a graduate student.His research concerns transport network,broadband communications.

Email:wangkai@bupt.edu.cn,carlwang.x2@gmail.com

Design and QoS Simulation of a New T ype of Virtual Private Network

ZHANG Li-nuo1,WANG Zhan-jing1,LEI Bo1,WANGKai2
(1.China Telecom Corporation Limited Beijing Research Institute,Beijing 100035,China;2.Institute of Optical Communication and Optoelectronics,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China)

By analysing both the shortcomings of the existing private networks and the evolution trend of data networks,a new type of VPN(Virtual Private Network)solution is designed.Then the construction strategies for existing networks are proposed,and the new VPN solution is proved to be feasible.Voice/data/video services are simulated by OPNET,and under the condition of the heavy background traffic the response time of the new VPN solution is less than 0.6 swithout congestion.This new VPN solution is considered to be a good solution for the evolution of broadband networks.

broadband network;VPN;interworking network;ATM;MPLS;QoS performance

the M.S.degree in 2005.He is now a R&D engineer.His research concerns the next generation transport network.

TN915;TP393.02

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.034

1001-893X(2012)06-0997-06

2011-09-29;

2012-03-31

張麗諾(1979—),女,北京人,2001年獲學士學位,現為研發工程師,目前主要從事基礎數據網、傳送網研究;

LEI Bo was born in Chongqing,in 1980.He