OPNET平台下的实时WDM网络建模与仿真

(北京航空航天大学 电子与信息工程学院，北京100191)

1 引 言

波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)网络是一种高带宽大吞吐量的网络，已经广泛应用于民用光局域网、光传送网[1]。由于其提供线性光信号的传输通路，可以支持多种协议和多种速率消息的并行传输，具备在单光纤上同时传送大量的独立模拟和数字信号的能力，并且通过简单地增加波长的方式来增加网络带宽，因此波分复用网络也能应用到实时性网络，例如机载航空电子网络等[2]。WDM网络结构有星形、环形和网状等不同结构[3]，其缺点是在设计网络结构时没有考虑到网络实时要求以及对其性能进行分析。OPNET网络仿真平台[4]作为一种通用网络仿真平台可以支持WDM网络仿真，从而逼真有效地对网络进行综合评价和分析，但是OPENT仿真平台中却没有针对WDM网络的仿真模型。本文提出了一种分级式混合结构的WDM网络，在OPNET仿真平台上对其进行层次化建模，对网络性能进行了仿真，并分析和评价了仿真结果。

2 基于混合WDM网络的结构设计

WDM网络分为星形广播型网络和波长路由型网络两种类型。其中星形广播网由网络节点和中心耦合器组成，消息通过可调谐光收发器发送接收消息，耦合器负责向所有节点转发消息。消息单跳传输，具有较好的实时性，然而由于MAC协议相对复杂，因此节点数目有限。波长路由网由固定光波长信道组成，消息可能通过多跳光波长信道转发，延迟略大，然而稳定性强，适合作骨干网络。对于实时性网络来说，网络节点数目可能为几十到上百个，采用统一的星形广播网是不现实的，本文设计了一种星形广播型WDM网络和波长路由网络相结合的混合结构分级式网络，子网内传输用星形广播网，波长路由网负责子网间传输，消息在子网内为单跳，延迟很小，并且子网间转发次数也有限，从而达到消息低延迟、高实时的传输目的。网络结构如图1所示。

图1 混合式WDM网络结构Fig.1 The composited WDM network structure

3 网络模型设计

3.1 子网内模型设计

(1)节点模型

节点模型见图2，pk-gen和sink模块分别为数据包产生和接收模块，mac-inf模块提供一个统一的接口mac层，处理上层来的消息，保证了进入mac层的消息的统一形式， mac层模块为多信道调度模块，是最重要的模块。发射包流的走向是：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。因为是多路传输信道，发射机和接收机上也连接了4条包流通道，每一条都对应着不同的波长通道。

图2 收发节点的节点域模型Fig.2 The node model of transmitting and receiving node

(2)进程模型

节点中节点模块内部有进程模型，由有限状态机组成，完成网络协议。设计mac-inf模块的进程模型如图3所示，完成的具体功能是设置和记录统计信息；send-pk-to-mac接收消息源模块的消息，封装成数据帧；send-pk-to-higher接收MAC层数据帧，进行消息统计。

图3 进程域mac-inf设计Fig.3 The processing model of mac-inf

设计mac模块的进程模型如图4所示，具体功能为place-pk-in完成接收mac-inf模块数据帧，插入消息队列。Send-control在每次调度周期上将此周期内消息加入调度队列。Schedule-pk完成每次调度周期上的消息多信道调度，安排消息传送的时间点(以自中断方式)和信道，此处采用的是EDD的调度方式，以保证消息的实时性传输。send-pk在控制调度调度安排的信道和时间点发送数据帧。check-pk完成接收接收机上收到的数据帧，判断地址，转发到mac-inf模块或丢弃。

图4 进程域mac设计Fig.4 The processing model of mac

3.2 骨干网模型设计

骨干网由8个转发节点构成，需建模转发节点。

(1)节点模型

转发节点由子网mac层模块、mac层接口模块、网间网mac层模块、子网接收机和发射机模块、网际网接收机和发射机模块组成。

图5 骨干网节点域Fig.5 The node model of backbone network

因为利用了基于层次化的设计思想，底层的设计与子网相同，接收机、发射机和子网mac层模块都和子网节点中的模型完全一样。exchange-mac-inf模块作为子骨干网的联接模块将外网传来的消息转化为子网中mac层所需的消息形式，同时将子网中需要往外传递的消息转化为骨干网mac层所需的形式。mac-out模块按照路由协议向骨干网发送消息，同时接收和转发骨干上的消息。骨干网发射和接收机为2个发射和2个接收波长信道。

(2)进程模型

mac-out模块是骨干网接口的mac层，完成按路由协议选择路由发送和接收子网、转发骨干网的消息。从wait状态，接收子网包流中断到来时(本地子网或外部子网)，进入send-pk_out进程，按照路由协议判定所选路径，若该路径的发射队列中消息数目超过协议所规定的限度，则在两条外发路径中选择发射队列长度较小的那一条，插入发射机队列。当接收机中断到来时，进入send-pk-in进程，进行消息判断，若是该子网的消息，直接返回wait状态，若是中转的消息，则紧接着进入send-pk-out进程，中转功能。

图6 mac-out模块进程域模型Fig.6 The processing model of mac-out

3.3 数据帧和链路建模

子网内链路模型采用广播的bus链路模型，通道数目(Channel Count)设置为4，来模拟波分多路信道，发射速度(Data Rate )设置为1 Gbit/s。骨干网链路模型为点到点的单工链路，属性为单通道，支持的数据传输速度为10 Gbit/s 。

图7 数据帧模型Fig.7 The data model

4 性能仿真

4.1 网络延迟分析

该试验主要验证该网络结构中消息的延迟特性是否能保证实时要求。网络业务均匀分配，消息长度为5 000 bit，deadline为5 000 μs。图8为平均消息延时曲线，网络负载小于等于8 Gbit/s时(即每个节点消息产生间隔为0.000 025 s时，即每秒钟产生0.2 Gbit数据量时)，消息的平均延时较小，不大于16 μs(其中发送延时为5 μs，调度间隙延时为7.5 μs，阻塞延时小于3.5 μs)，可以较好地满足消息的实时性，从而得到网络的实时负载要求。

图8 网络延迟Fig.8 The delay of network

4.2 吞吐量仿真

目的是得到系统最大的吞吐量(单位时间内成功接收到的消息)。仿真得到的吞吐量与网络负载(单位时间内消息源产生的比特数)的变化关系曲线如图9所示。

图9 网络吞吐量Fig.9 The throughout of network

由图可知，网络负载较小时(小于20 Gbit/s)，网络吞吐量随网络负载的增加线性增加；当网络负载超过20 Gbit/s时，网络的吞吐量不再增加，而保持在17.5 Gbit/s，由此我们也得到系统的最大吞吐量为17.5 Gbit/s。

4.3 链路利用率仿真实验

图10验证了子网链路的利用率水平。消息长度设置为5 000 bit， deadline设置为5 000 μs，消息间隔分别设置为：0.000 005 s，0.000 010 s，0.000 020 s，0.000 050 s。消息的目标地址按等概率密度函数分布，即子网内(包括转发节点)的节点等概率。消息的deadline设置为1 s，仿真时间设置为1 ms。由于是多信道总线型链路，考虑到消息的实时性和发射机接收机可调谐性，信道平均传输速率0.47 Gbit/s。

图10 链路利用率Fig.10 The utilization of link

5 结 论

本文从实时性网络要求出发，研究并设计了基于混合结构的分级式实时WDM网络结构。用OPNET平台上层次化建模仿真方法得到该网络结构最大吞吐量为17.5 Gbit/s，信道平均传输速率为0.47 Gbit/s，并且在网络负载小于等于8 Gbit/s时，可以较好地满足消息的实时性，具有一定的实用性。混合结构中消息的实时调度算法以及转发策略等内容是未来研究的重点。

参考文献：

[1] Sivalingam K, Subramaniam S. Optical WDM Networks: Principles and Practice[M]. Boston: Kluwer, 2000.

[2] Habiby S F，Hackert M J. Ronia results: WDM-based optical networks in aircraft applications Avionics[C]// Proceedings of IEEE Conference on Avionics Fiber-Optics and Photonics.[S.l.]:IEEE,2008 :71-72.

[3] Salour M M, Bellamy J C. A WDM optical network for avionics[C]// Proceedings of IEEE Conference on Avionics Fiber-Optics and Photonics.USA:IEEE, 2005:13-14.

[4] 王文博,张金文.OPNET Modeler与网络仿真[M].北京:人民邮电出版社,2003.

WANG Wen-bo, ZHANG Jin-wen. OPNET Modeler and Network Simulation[M]. Beijing:People′s Posts and Telecommunications Press,2003.(in Chinese)