基于混合路由的校园网架构设计与仿真研究

陈少光

（广州软件学院，广东 广州 510990）

0 引 言

随着以计算机为基础网络通信的发展，信息获取与需求的基础上人们对于网络性能也有了更高的要求，网络研究的核心也逐渐从过去的主机互联向着内容分发的方向进行转型。传统网络在多媒体发送上存在设计障碍，已经无法适应现今庞大的数据访问与下载需求，为了满足传输需求，新一代网络传输架构也在快速发展中。软件定义的网络SDN技术基于将网络控制平面和数据平面分离的原理，并使用控制器的集中视图来统一管理域中的交换机，从而有效简化了网络部署，实现了灵活的网络配置[1,2]。华为提出的协议为非感知转发协议，POF基于SDN的南向接口标准OpenFlow协议可以设计新的网络架构而不受现有协议的限制，这对于网络研究非常重要。本文以数字校园建设为例，应用多中心混合路由进行校园网设计，在传统ZRP路由技术上进行优化改进，采用ARM-Linux平台进行整体架构设计[3,4]。这种方法从协议层的中心节点抽取模块，并通过主动路由机制发送周期性信号，从而实现自组网下的无线通信，解决了传统混合路由机制存在由于交换机制导致的路由与MAC寻址匹配问题。

1 校园网的特点

校园网主要用于保持学生日常学习及学校各部门间的日常交流，一般要求覆盖广、稳定性强、可拓展性好以及建设标准统一。

1.1 建设原则

首先应保持网络成熟度高，由于校园网相较于普通企业机构数据吞吐量高，数据处理量庞大，所以对于网路效率有着较高的要求，成熟度较高的网络设置可以很好保证网络在这种负载大压力环境下的稳定性，同时其故障类型也比较固定，便于进行日常的快速维护与恢复，不会影响教学及科研活动。其次要具有统一标准，对于高校及科研机构而言，除了日常科研教学与政务外，最大的功能是信息输出与共享。例如，实现高校间科研教学数据的交流与访问，采用统一的建设标准有利于保证数据质量，提升数据共享效率与准确性，同时模块化的结构也有利于日后对于网络系统进行升级与维护。再次对稳定性和可靠性有着较高的要求，由于科研教学常常需要高校各部门机构在一段时间内持续的占用网络资源，如果出现经常性断网或者非法占用将对学校的日常运营带来极大的负面影响。然后高校网络对于安全保密性也有着特殊要求，由于涉及到核心科研成果、学生信息以及教学资源等一系列因素，因此学校在校园网建设时都会提出较高要求，至少从内部访问控制与外部防火墙两方面保证网络系统的安全[5.6]。系统建设时应按照国家相关的规定进行相应的系统保密性建设。最后对于实用性与可行性也有着一定的要求，根据建设原则一般要求在各项性能满足需求的前提下，考虑最优的经济效益。

1.2 典型的校园网功能架构

以数字校园网的功能架构为例（如下图1），以信息中心为核心，将校园网分为内部网和外部网两部分。内部网络或校园网络包括教室、实验室、办公室、图书馆、会议室以及学生和教师宿舍，提供教育、研究及学校管理，外部网络包括与大学的点对点连接，提供外部信息的交换和服务，而信息中心则负责整个网络的安全管理。

图1 典型校园网络架构

校园网各层要遵守各层的标准化传输协议，同时层级之间构成的网络整体也要遵循规范化的标准协议，一般也将这种层级协议集合称为协议与层次的集合[7.8]。

2 多中心混合路由的校园网设计

传统混合路由机制存在由于交换机制导致的路由与MAC寻址匹配问题，会因无效的重复寻址导致网络资源过度占用和访问时间延迟等一系列问题，给校园网络访问特别是选课旺季的网络操作带来许多阻碍，成为了校园网络建设中亟待解决的一个问题。

目前采用的路由机制是每个连接节点都在固定的部署范围内进行网络覆盖，这样网络互相重合的区域大，占用资源多且维护起来成本也高。改变节点为中心的组网方式，是优化目前这种组网结构的关键。以目前校园网资源占用情况来看，以相邻节点资源占用量来进行组网中心选择是一种更为合适的组网模式。本文设计的多中心校园网混合路由是在传统ZRP路由技术上进行优化改进的设计方法，采用ARMLinux平台进行整体架构设计[9]。由于路由与MAC地址在交互中存在失效问题，所以设计了基于原语触发资源分配的交互规则，以规避这一问题，减少了在建立通话时因反复占用网络资源所导致的网络资源浪费。交互机制的引入也解决了路由与MAC地址获取不同步的问题，节省了反复寻址的时间浪费，具体网络架构如图2所示。

图2 多中心混合路由的校园网架构

最底层为MAC层，其通过原语触发机制实现与传输层的业务交换与控制。网络传输层共有4个模块，分别是路由模块、资源模块、传输模块以及接口处理模块[10]。其中，路由模块中包括路由消息和路由表两部分，消息处理中又包括接收处理模块，并设定有路由选择机制。本文研究的核心点也是路由机制的选择，为了适应拓扑变化快等情况，网络根据每个节点的业务量和邻居节点连接度判断每个节点是否应该建立主动区域。当节点的业务量很大时，该节点建立主动路由区域，节点周期性广播MR消息，邻居节点收到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，则转发MRREQ消息同时单播一个RREP_C消息给源节点建立正向路由，其具体触发流程如图3所示。

图3 消息选择机制触发流程

这种机制减少了在建立通话时，因反复占用网络资源建立维护路由所导致的网络资源浪费，极大提升了网络质量。路由列表是进行节点间通信的维护记录的主要来源，基于ZRP_M的路由列表与基于传统ZRP的区别主要体现在地址、业务类型、路由状态、定时器以及链路信噪比5个方面，具体区别如表1所示。

表1 两种路由策略对比

在传输模块部分，多中心混合路由与传统ZRP混合路由的区别在与定义了适合进行多中心转换的信息交互机制，包括主动区域路由消息结构、原语结构以及资源原语。其中，原语结构与资源原语是ZRP_M结构所特有的，其主要作用是减少消息传输不同步所导致的资源浪费。消息收发模块在沿用传统模块的基础上增加了原语消息模块，通过网络传输层之后进入应用层直接和客户端项实现各种用户操作。通过初步建模比较可以发现，ZRP_M结构与传统ZRP结构相比在网络开销性上具有很大的优势。传统架构每个节点必须周期性广播路由信息，而ZRP_M结构不必如此。ZRP_M结构网络开销为4(r-1)2+4(r-1)+1，传统结构网络开销为32(4r2-1)，其中r表示跳数。

通过采用MATLAB进行延迟开销比较可以发现，开销随半径增大而增大。通常情况网络区域最佳半径为2跳或3跳，而ZRP_M结构与传统结构相比正符合这一最佳范围区域，能够最大限度提升网络资源的利用。区域半径对延迟开销的影响如图4所示。

图4 区域半径对延迟开销影响

3 仿真试验

3.1 试验设计

为了验证结构的优越性，本文设计了变化较快的大规模网络拓扑下的仿真试验，采用NS2模拟器进行模拟。该模拟器是在原NS模拟器上升级的产品，利用Linux作为平台进行操作，其编程语言为C/C++，主要功能特点是对复杂问题的精准快速模拟计算。具体试验参数设置如表2所示。

表2 仿真试验参数设计

仿真的性能评价主要依靠寻路时延、网络开销以及投递率3个指标，延迟评价传输速度，网络开销中的净开销用于评价协议性能，其占比越大越好，投递率用于进行可靠性评价。根据上表中所设计的工况建立模型，鉴于单一测试准确度偏低，本文采用多次仿真的均值模式进行评价。

3.2 仿真分析

从图5可以看出节点速率对于评价协议延迟有着很高正相关性。在混合路由机制中，ZRP进行了主动区域维护保持相对较好的稳定性，而ZRP_M在主动区域维护基础上引入了路由缓存机制与备份机制，使得其在变化较快的大规模网络拓扑下的稳定性相较于ZRP更好。

图5 节点速度对延迟影响

从投递率看（如图6所示），主动路由的链路有效利用率最高，AODV相对较较差。混合路由机制下，ZRP_M和ZRP因为都有缓存机制所以在变化较快的大规模网络拓扑下有较高的链路有效性，但ZRP_M由于缓存条数更多所以优越性更好。

图6 节点速度对投递率影响

从净开销占用情况看（如图7所示），传统主动和按需路由随节点速度升高，开销占用率上升极快速。基于ZRP的混合路由，趋势较为平缓具有前者的优势的结合，可以保证在变化较快的大规模网络拓扑下为较大量的业务提供传输，而不引起网络负载过大的问题，这对于校园网多出口链路的设计有更好的匹配性，也便于进行运维。

图7 节点速度对开销比影响

4 结 论

本文从校园网络建设的角度描述了网络需求和功能，并在此基础上基于OSI架构设计了多中心混合路由的校园网架构，并通过进行比较，发现其传输性能及稳定性较高，可以解决传统混合路由机制存在的诸多问题。

在此基础上进一步研究路由机制，采用ZRP_M结构替代传统ZRP结构，并采用仿真模拟来分析二者的优劣，分别从寻路时延、网络开销以及投递率3个角度进行评价，发现ZRP_M结构具有明显的优越性。研究成果解决了校园组网设计的优化问题，为提升校园网络化建设和提高科研网络质量提供了技术支持。