基于混合路由的校園網架構設計與仿真研究

陳少光

（廣州軟件學院，廣東 廣州 510990）

0 引 言

隨著以計算機為基礎網絡通信的發展，信息獲取與需求的基礎上人們對于網絡性能也有了更高的要求，網絡研究的核心也逐漸從過去的主機互聯向著內容分發的方向進行轉型。傳統網絡在多媒體發送上存在設計障礙，已經無法適應現今龐大的數據訪問與下載需求，為了滿足傳輸需求，新一代網絡傳輸架構也在快速發展中。軟件定義的網絡SDN技術基于將網絡控制平面和數據平面分離的原理，并使用控制器的集中視圖來統一管理域中的交換機，從而有效簡化了網絡部署，實現了靈活的網絡配置[1,2]。華為提出的協議為非感知轉發協議，POF基于SDN的南向接口標準OpenFlow協議可以設計新的網絡架構而不受現有協議的限制，這對于網絡研究非常重要。本文以數字校園建設為例，應用多中心混合路由進行校園網設計，在傳統ZRP路由技術上進行優化改進，采用ARM-Linux平臺進行整體架構設計[3,4]。這種方法從協議層的中心節點抽取模塊，并通過主動路由機制發送周期性信號，從而實現自組網下的無線通信，解決了傳統混合路由機制存在由于交換機制導致的路由與MAC尋址匹配問題。

1 校園網的特點

校園網主要用于保持學生日常學習及學校各部門間的日常交流，一般要求覆蓋廣、穩定性強、可拓展性好以及建設標準統一。

1.1 建設原則

首先應保持網絡成熟度高，由于校園網相較于普通企業機構數據吞吐量高，數據處理量龐大，所以對于網路效率有著較高的要求，成熟度較高的網絡設置可以很好保證網絡在這種負載大壓力環境下的穩定性，同時其故障類型也比較固定，便于進行日常的快速維護與恢復，不會影響教學及科研活動。其次要具有統一標準，對于高校及科研機構而言，除了日常科研教學與政務外，最大的功能是信息輸出與共享。例如，實現高校間科研教學數據的交流與訪問，采用統一的建設標準有利于保證數據質量，提升數據共享效率與準確性，同時模塊化的結構也有利于日后對于網絡系統進行升級與維護。再次對穩定性和可靠性有著較高的要求，由于科研教學常常需要高校各部門機構在一段時間內持續的占用網絡資源，如果出現經常性斷網或者非法占用將對學校的日常運營帶來極大的負面影響。然后高校網絡對于安全保密性也有著特殊要求，由于涉及到核心科研成果、學生信息以及教學資源等一系列因素，因此學校在校園網建設時都會提出較高要求，至少從內部訪問控制與外部防火墻兩方面保證網絡系統的安全[5.6]。系統建設時應按照國家相關的規定進行相應的系統保密性建設。最后對于實用性與可行性也有著一定的要求，根據建設原則一般要求在各項性能滿足需求的前提下，考慮最優的經濟效益。

1.2 典型的校園網功能架構

以數字校園網的功能架構為例（如下圖1），以信息中心為核心，將校園網分為內部網和外部網兩部分。內部網絡或校園網絡包括教室、實驗室、辦公室、圖書館、會議室以及學生和教師宿舍，提供教育、研究及學校管理，外部網絡包括與大學的點對點連接，提供外部信息的交換和服務，而信息中心則負責整個網絡的安全管理。

圖1 典型校園網絡架構

校園網各層要遵守各層的標準化傳輸協議，同時層級之間構成的網絡整體也要遵循規范化的標準協議，一般也將這種層級協議集合稱為協議與層次的集合[7.8]。

2 多中心混合路由的校園網設計

傳統混合路由機制存在由于交換機制導致的路由與MAC尋址匹配問題，會因無效的重復尋址導致網絡資源過度占用和訪問時間延遲等一系列問題，給校園網絡訪問特別是選課旺季的網絡操作帶來許多阻礙，成為了校園網絡建設中亟待解決的一個問題。

目前采用的路由機制是每個連接節點都在固定的部署范圍內進行網絡覆蓋，這樣網絡互相重合的區域大，占用資源多且維護起來成本也高。改變節點為中心的組網方式，是優化目前這種組網結構的關鍵。以目前校園網資源占用情況來看，以相鄰節點資源占用量來進行組網中心選擇是一種更為合適的組網模式。本文設計的多中心校園網混合路由是在傳統ZRP路由技術上進行優化改進的設計方法，采用ARMLinux平臺進行整體架構設計[9]。由于路由與MAC地址在交互中存在失效問題，所以設計了基于原語觸發資源分配的交互規則，以規避這一問題，減少了在建立通話時因反復占用網絡資源所導致的網絡資源浪費。交互機制的引入也解決了路由與MAC地址獲取不同步的問題，節省了反復尋址的時間浪費，具體網絡架構如圖2所示。

圖2 多中心混合路由的校園網架構

最底層為MAC層，其通過原語觸發機制實現與傳輸層的業務交換與控制。網絡傳輸層共有4個模塊，分別是路由模塊、資源模塊、傳輸模塊以及接口處理模塊[10]。其中，路由模塊中包括路由消息和路由表兩部分，消息處理中又包括接收處理模塊，并設定有路由選擇機制。本文研究的核心點也是路由機制的選擇，為了適應拓撲變化快等情況，網絡根據每個節點的業務量和鄰居節點連接度判斷每個節點是否應該建立主動區域。當節點的業務量很大時，該節點建立主動路由區域，節點周期性廣播MR消息，鄰居節點收到MRREQ消息之后建立反向路由。如果MRREQ消息的生命周期TTL不等于0，則轉發MRREQ消息同時單播一個RREP_C消息給源節點建立正向路由，其具體觸發流程如圖3所示。

圖3 消息選擇機制觸發流程

這種機制減少了在建立通話時，因反復占用網絡資源建立維護路由所導致的網絡資源浪費，極大提升了網絡質量。路由列表是進行節點間通信的維護記錄的主要來源，基于ZRP_M的路由列表與基于傳統ZRP的區別主要體現在地址、業務類型、路由狀態、定時器以及鏈路信噪比5個方面，具體區別如表1所示。

表1 兩種路由策略對比

在傳輸模塊部分，多中心混合路由與傳統ZRP混合路由的區別在與定義了適合進行多中心轉換的信息交互機制，包括主動區域路由消息結構、原語結構以及資源原語。其中，原語結構與資源原語是ZRP_M結構所特有的，其主要作用是減少消息傳輸不同步所導致的資源浪費。消息收發模塊在沿用傳統模塊的基礎上增加了原語消息模塊，通過網絡傳輸層之后進入應用層直接和客戶端項實現各種用戶操作。通過初步建模比較可以發現，ZRP_M結構與傳統ZRP結構相比在網絡開銷性上具有很大的優勢。傳統架構每個節點必須周期性廣播路由信息，而ZRP_M結構不必如此。ZRP_M結構網絡開銷為4(r-1)2+4(r-1)+1，傳統結構網絡開銷為32(4r2-1)，其中r表示跳數。

通過采用MATLAB進行延遲開銷比較可以發現，開銷隨半徑增大而增大。通常情況網絡區域最佳半徑為2跳或3跳，而ZRP_M結構與傳統結構相比正符合這一最佳范圍區域，能夠最大限度提升網絡資源的利用。區域半徑對延遲開銷的影響如圖4所示。

圖4 區域半徑對延遲開銷影響

3 仿真試驗

3.1 試驗設計

為了驗證結構的優越性，本文設計了變化較快的大規模網絡拓撲下的仿真試驗，采用NS2模擬器進行模擬。該模擬器是在原NS模擬器上升級的產品，利用Linux作為平臺進行操作，其編程語言為C/C++，主要功能特點是對復雜問題的精準快速模擬計算。具體試驗參數設置如表2所示。

表2 仿真試驗參數設計

仿真的性能評價主要依靠尋路時延、網絡開銷以及投遞率3個指標，延遲評價傳輸速度，網絡開銷中的凈開銷用于評價協議性能，其占比越大越好，投遞率用于進行可靠性評價。根據上表中所設計的工況建立模型，鑒于單一測試準確度偏低，本文采用多次仿真的均值模式進行評價。

3.2 仿真分析

從圖5可以看出節點速率對于評價協議延遲有著很高正相關性。在混合路由機制中，ZRP進行了主動區域維護保持相對較好的穩定性，而ZRP_M在主動區域維護基礎上引入了路由緩存機制與備份機制，使得其在變化較快的大規模網絡拓撲下的穩定性相較于ZRP更好。

圖5 節點速度對延遲影響

從投遞率看（如圖6所示），主動路由的鏈路有效利用率最高，AODV相對較較差。混合路由機制下，ZRP_M和ZRP因為都有緩存機制所以在變化較快的大規模網絡拓撲下有較高的鏈路有效性，但ZRP_M由于緩存條數更多所以優越性更好。

圖6 節點速度對投遞率影響

從凈開銷占用情況看（如圖7所示），傳統主動和按需路由隨節點速度升高，開銷占用率上升極快速。基于ZRP的混合路由，趨勢較為平緩具有前者的優勢的結合，可以保證在變化較快的大規模網絡拓撲下為較大量的業務提供傳輸，而不引起網絡負載過大的問題，這對于校園網多出口鏈路的設計有更好的匹配性，也便于進行運維。

圖7 節點速度對開銷比影響

4 結 論

本文從校園網絡建設的角度描述了網絡需求和功能，并在此基礎上基于OSI架構設計了多中心混合路由的校園網架構，并通過進行比較，發現其傳輸性能及穩定性較高，可以解決傳統混合路由機制存在的諸多問題。

在此基礎上進一步研究路由機制，采用ZRP_M結構替代傳統ZRP結構，并采用仿真模擬來分析二者的優劣，分別從尋路時延、網絡開銷以及投遞率3個角度進行評價，發現ZRP_M結構具有明顯的優越性。研究成果解決了校園組網設計的優化問題，為提升校園網絡化建設和提高科研網絡質量提供了技術支持。