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(wǎng)絡(luò)設(shè)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(xiàn)有各專網(wǎng)方案所存在問題及未來數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)演進趨勢的分析,以ATM-MPLS重疊網(wǎng)絡(luò)的方式設(shè)計了一種新型VPN方案,并提出在現(xiàn)網(wǎng)的具體構(gòu)建策略,證明了該方案具有現(xiàn)實部署的可行性。通過OPNET實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)及視頻等多業(yè)務(wù)的仿真模擬,其中以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)響應時間作為量化指標,仿真結(jié)果表明該新型網(wǎng)絡(luò)在高負載下響應時間在0.6 s以內(nèi),且不累積擁塞,具有類似ATM的技術(shù)優(yōu)勢,為寬帶網(wǎng)絡(luò)演進提供了一種解決思路。

寬帶網(wǎng);VPN;重疊網(wǎng)絡(luò);ATM;MPLS;QoS性能

1 引 言

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

為高端客戶提供質(zhì)優(yōu)價廉的專網(wǎng)解決方案,是運營商核心競爭力的關(guān)鍵因素。如今市場應用較成熟的專網(wǎng)技術(shù)均存在一些問題,其中ATM(AsynchronousTransfer Mode)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)網(wǎng)因其多業(yè)務(wù)支持和完善的QoS保證使得在專網(wǎng)建設(shè)前期得到了大客戶的青睞。但是由于近年該技術(shù)已經(jīng)基本不再發(fā)展,所支持的帶寬容量有限,核心網(wǎng)壓力巨大,現(xiàn)在國內(nèi)ATM網(wǎng)絡(luò)干線及省網(wǎng)的中繼利用率都相對較高,難以滿足客戶未來對大帶寬業(yè)務(wù)的需求,繼續(xù)采用該技術(shù)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(shù)由于其對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持,逐漸取代SDH成為城域傳輸網(wǎng)的首選技術(shù),適合部署于大客戶接入網(wǎng)側(cè),如中國移動就是采用PTN+MSTP的方式進行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。盡管MSTP應用會長期存在,但基于發(fā)展趨勢,未來將逐漸傾向于PTN技術(shù)。

IP/MPLS適合在全國范圍內(nèi)組網(wǎng),一般運營商都建設(shè)了單獨的IP承載網(wǎng),這樣有利于專網(wǎng)用戶獲得安全高效、低成本的專用網(wǎng)絡(luò),而且有利于ISP開展增值業(yè)務(wù)。從IP/MPLS網(wǎng)絡(luò)應用來說,要求其具有業(yè)務(wù)混雜承載能力,支持語音、視頻、數(shù)據(jù)、3G以及未來各種新業(yè)務(wù)。同時專網(wǎng)必須保留公網(wǎng)出口,才能保證其業(yè)務(wù)的應用范圍,雖然配置了相關(guān)的安全策略,例如專線隔離、防火墻等技術(shù),但基于IP技術(shù)的安全本質(zhì)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(shù)使其整個體系相對復雜,而在現(xiàn)網(wǎng)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(nèi)ATM/FR等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)網(wǎng)將逐步退網(wǎng),運營商的網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略布局將全面向IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進。對于傳統(tǒng)固網(wǎng)運營商已建設(shè)的ATM網(wǎng)絡(luò),充分利用其剩余的生命運行周期,同時兼顧網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展趨勢,設(shè)計一種網(wǎng)絡(luò)演進的過渡方案是比較合理的發(fā)展策略。本文通過對ATM與IP/MPLS技術(shù)的研究,提出基于重疊網(wǎng)絡(luò)方式的新型VPN方案,并根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)情況設(shè)計了具體的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建策略,最后通過計算機仿真在多業(yè)務(wù)的復雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中驗證了該方案的QoS性能。

2 基于重疊網(wǎng)絡(luò)的模型設(shè)計和現(xiàn)網(wǎng)構(gòu)建

2.1 模型設(shè)計

對傳統(tǒng)固網(wǎng)運營商來說,由于網(wǎng)絡(luò)類型、拓撲結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)種類等方面的不同,采用重疊網(wǎng)絡(luò)的演進方案實現(xiàn)技術(shù)的平滑升級過渡,對于增強業(yè)務(wù)競爭力、保持網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計。這樣對運營商來講,在未來的通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)中,ATM網(wǎng)絡(luò)作為IP/MPLS核心網(wǎng)的邊緣接入網(wǎng)絡(luò),采用PWE3偽線的技術(shù)仿真ATM業(yè)務(wù)[1],而ATM網(wǎng)絡(luò)則扮演多業(yè)務(wù)接入的角色。就市場需求、投資收益和未來網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略布局等因素綜合來講,該重疊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計具有存在的價值。其模型如圖1所示。

圖1 基于重疊網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)幀后將其封裝上標簽(MPLS外部標簽),再通過LSP隧道轉(zhuǎn)發(fā)至遠端PE。在遠端PE,會將標簽移除,然后發(fā)送給遠端ATM設(shè)備。若是要在一條LSP隧道中實現(xiàn)PW的多路訪問,PE需要使用另一個標簽(MPLS內(nèi)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(shù)據(jù)幀[2]。

2.2 現(xiàn)網(wǎng)構(gòu)建策略

基于ATM-MPLS重疊網(wǎng)絡(luò)的VPN建設(shè)目標是在不改變用戶的ATM接入方式、不改變用戶的ATM設(shè)備維護習慣的前提下,完成核心承載技術(shù)的演進。這樣用戶將感知不到核心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的改變,但其所屬的業(yè)務(wù)質(zhì)量將得到保持或者提升。現(xiàn)網(wǎng)演進部署可分為近期、中期、遠期3個階段來實現(xiàn),如圖2所示,預計在8～10年內(nèi)完成本網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。

(1)近期階段:基于未來網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)目標,現(xiàn)有IP/MPLS網(wǎng)絡(luò)可承載二層VPN構(gòu)建,或支持構(gòu)建MPLS二層VPN專網(wǎng)。前期將首先對ATM網(wǎng)絡(luò)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(shù)擴展的能力。采用雙核交換機,可以進行省網(wǎng)和骨干網(wǎng)的合并,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的扁平化。

(2)中期階段:部署在ATM網(wǎng)絡(luò)的雙核交換機實現(xiàn)向MPLS擴展,構(gòu)建中繼實現(xiàn)與IP網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián),完善核心節(jié)點布局,形成完整的IP設(shè)備核心層網(wǎng)絡(luò),并將所有匯接節(jié)點的上聯(lián)中繼電路都遷移到IP/MPLS核心網(wǎng)絡(luò)中,進而完成對現(xiàn)有ATM核心節(jié)點的替換。

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

圖2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建策略Fig.2 The construction strategies for current networks

3 網(wǎng)絡(luò)仿真

本文采用OPNET仿真軟件,對ATM、IP/MPLS以及基于混合組網(wǎng)構(gòu)建的精品寬帶傳送網(wǎng)等3種網(wǎng)絡(luò)進行了建模,并對網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標進行仿真比較。

網(wǎng)絡(luò)仿真拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中,存在2個Video業(yè)務(wù)子網(wǎng),具有1對Video客戶端;2個Voice業(yè)務(wù)子網(wǎng),具有2對Voice客戶端;2個數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)子網(wǎng),具有2個WEB客戶端、2個EMAIL客戶端,以及2個WEB/EMAIL服務(wù)器;所有鏈路帶寬均為DS1。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓撲Fig.3 The topology of simulational network

在網(wǎng)絡(luò)仿真過程中,分別加入語音業(yè)務(wù)、視頻業(yè)務(wù)、高速上網(wǎng)業(yè)務(wù)等。語音業(yè)務(wù):靜默長度服從均值為0.65 s的指數(shù)分布,會話突發(fā)長度服從均值為0.352 s的指數(shù)分布,編碼機制 G.711,幀速率1 frame/packet。視頻業(yè)務(wù):視頻幀速率15 frame/s,數(shù)據(jù)速率0.3Mbit/s(像素128×120)。高速上網(wǎng)業(yè)務(wù):WEB瀏覽-HTML 20 kbit/s,EMAIL 20 kbit/s,發(fā)送/接收間隔服從均值為10 s的指數(shù)分布。

QoS是網(wǎng)絡(luò)在傳輸數(shù)據(jù)流時要求滿足的一系列服務(wù)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(shù)在網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中使用并具備可比性的參數(shù)指標來反映各網(wǎng)絡(luò)性能。在本次仿真過程中,選取了HTTP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)響應時間作為評價網(wǎng)絡(luò)性能的參數(shù)指標,當業(yè)務(wù)響應時間較長時,表示該網(wǎng)絡(luò)性能指標較弱,對業(yè)務(wù)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(wǎng)絡(luò)

在ATM網(wǎng)絡(luò)上仿真上述的3種業(yè)務(wù),其中視頻業(yè)務(wù)、語音業(yè)務(wù)類型為rt-VBR,HTTP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類型為UBR。在網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)在高負載下的業(yè)務(wù)保障能力。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 ATM網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)響應時間Fig.5 The response time of ATM

從仿真結(jié)果來看,在諸多通信網(wǎng)絡(luò)的QoS技術(shù)中,還是以ATM QoS技術(shù)最為全面和有效。背景流量業(yè)務(wù)優(yōu)先級與HTTP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)相同,但在數(shù)據(jù)傳輸過程中基于UPC功能按照流量合同進行了適當?shù)囊种?因此并未對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的響應時間產(chǎn)生較大的影響?？傊?ATM QoS機制所包含的業(yè)務(wù)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(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)質(zhì)量。

3.2 IP/MPLS網(wǎng)絡(luò)

在IP/MPLS網(wǎng)絡(luò)上仿真上述的3種業(yè)務(wù),然后在網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)在高負載下的業(yè)務(wù)保障能力。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 IP/MPLS網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)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(shù)。IP/MPLS的多業(yè)務(wù)QoS機制采用Diff-serv體系結(jié)構(gòu),即對進入MPLS網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點的數(shù)據(jù)流進行優(yōu)先級的標記,一般利用二層幀的優(yōu)先級字段或IP分組中的DS字段來區(qū)分,在MPLS核心網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點進行不同優(yōu)先級的隊列調(diào)度,高優(yōu)先級的流量優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā),從而保障了高等級用戶的服務(wù)質(zhì)量。MPLS的業(yè)務(wù)區(qū)分功能是由MPLS報文頭中的3 bit EXP值實現(xiàn),例如在PE的MPLS側(cè)端口,將802.1p/q優(yōu)先級字段中的參數(shù)根據(jù)規(guī)則映射到MPLS EXP位[3],如表1所示。這樣在MPLS核心網(wǎng)絡(luò)中,所有P路由器都可以正確識別數(shù)據(jù)的優(yōu)先級來進行調(diào)度。在本仿真實驗中,視頻業(yè)務(wù)、語音業(yè)務(wù)等級為4,HTTP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類型等級為0。

表1 802.1p優(yōu)先級到MPLS EXP的映射Table 1 The mapping of priority from 802.1p to MPLS EXP

從仿真結(jié)果來看,IP/MPLS網(wǎng)絡(luò)在業(yè)務(wù)背景流增大時,鏈路擁塞使得數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)響應時間指標變差,這是因為IP/MPLS保證相關(guān)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的QoS機制是以犧牲優(yōu)先級較低業(yè)務(wù)為代價的?？傊?與ATM網(wǎng)絡(luò)性能相比,IP/MPLS的粗顆粒度業(yè)務(wù)區(qū)分機制、業(yè)務(wù)流特性、數(shù)據(jù)幀長度等因素,決定了該網(wǎng)絡(luò)具有如此的QoS特性。

3.3 基于ATM-MPLS重疊網(wǎng)絡(luò)的VPN

在ATM-MPLS網(wǎng)絡(luò)上仿真上述3種業(yè)務(wù),然后在網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)在高負載下的業(yè)務(wù)保障能力。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 ATM-MPLS網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)響應時間Fig.7 The response time of ATM-MPLS interworking network

基于重疊網(wǎng)絡(luò)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(guān)QoS。PE可實現(xiàn)ATM業(yè)務(wù)類型到MPLS區(qū)分服務(wù)PHB的映射,其映射關(guān)系如表2所示[4]。

表2 ATM業(yè)務(wù)類型到區(qū)分服務(wù)類型的映射Table 2 ATM service category to Diff-Serv classmapping

從仿真結(jié)果來看,ATM-MPLS網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)響應時間符合標準,并未產(chǎn)生擁塞。這是因為重疊網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)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(jīng)過的二層幀封裝是透明的,如圖1所示。這樣位于邊緣ATM網(wǎng)絡(luò)可以在流量控制、擁塞控制等方面保證ATM-MPLS重疊網(wǎng)絡(luò)整體的QoS性能。在連接建立階段,邊緣ATM網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的用戶/網(wǎng)絡(luò)接口的UPC機制還提供了監(jiān)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(yōu)點。

4 結(jié) 論

從仿真結(jié)果可以看出,在網(wǎng)絡(luò)負載加重時,ATM與重疊網(wǎng)絡(luò)VPN的響應時間指標仍然符合標準,未出現(xiàn)IP/MPLS網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況,可見該新型VPN方案在多業(yè)務(wù)QoS保障方面具有較好的表現(xiàn)。在網(wǎng)絡(luò)部署建設(shè)方面,運營商需要綜合考慮已存在網(wǎng)絡(luò)的贏利性、技術(shù)趨勢、生命周期、客戶結(jié)構(gòu)等因素,制定合理的網(wǎng)絡(luò)演進策略,而ATM-MPLS重疊網(wǎng)絡(luò)VPN方案既可以在老的ATM網(wǎng)絡(luò)退網(wǎng)前加以充分利用,實現(xiàn)最大價值,同時又符合未來IP化的技術(shù)趨勢,該方案可作為實現(xiàn)全網(wǎng)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(shù)設(shè)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(xiàn)為高級工程師,主要從事下一代傳送網(wǎng)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(xiàn)為研發(fā)工程師,主要從事下一代傳送網(wǎng)研究;

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

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(xiàn)為研發(fā)工程師,目前主要從事基礎(chǔ)數(shù)據(jù)網(wǎng)、傳送網(wǎng)研究;

LEI Bo was born in Chongqing,in 1980.He