虚拟路由（精选九篇）
虚拟路由 篇1
关键词：拥塞,虚拟通道,路径编码,自适应路由算法,网络负载
0 引言
片上网络(NoC,Network on Chip)是片上系统SoC未来发展的方向。NoC的核心思想是将计算机网络技术移植到芯片设计中，从体系结构上彻底解决总线架构带来的问题。NoC将网络原理和方法用于芯片的通讯上，比传统的总线交互更加便利。虚拟通道(Virtual Channel)是指在两个相连的路由节点之间共享物理信道的缓存。通常，在采用了虫孔路由技术的网络中引入虚拟通道，把一个缓存划分为多个虚拟通道，多个虚拟通道复用同一条物理信道[1]。
NoC路由算法可以分为确定性(Deterministic)路由算法和自适应(Adaptive)路由算法[2]。Li等人提出一种动态无死锁容错路由算法DyXY[3]，该算法为数据包选择最短路径，如果存在多条最短路径时，则根据拥塞情况，选择一条路径。Shubhangi D等人提出一种间歇性路由算法IX/Y[4]，在数据包头流片域保留一位，当其值为0时，数据包选择XY路由算法进行传输出；当其值为1时，数据包选择YX路由算法进行传输。HU和Lin等人提出了一种改进的无死锁转弯模型路由算法Odd-Even[5]，此算法根据当前结点所在的位置限制某些转弯，使得算法无死锁，具有很好的自适应性。Hu和Marchculescu提出动态路由算法DyAD[6]，该算法利用确定性路由算法和适应性算法相结合的方式，提高了算法的自适应性，当网络出现拥塞时，采用适应性路由算法；当网络无拥塞时，采用确定路由算法，此算法控制起来比较复杂，时间复杂度高。
1 自适应路由算法（VARA)
本文提出的自适应路由算法(VARA,Adaptive Routing Algorithm Based on Virtual Channel)是2D Mesh结构下解决路径选择和拥塞控制问题，怎样才能提高网络链路的利用率，怎样才能避免网络拥塞，本算法将会对此进行研究。
1.1 路径编码
在路径选择中将会做以下规定：0表示X方向，1表示Y方向。路由器根据该信息的最低位判断当前路由器的输出端口，并把路由信息右移一位，抛弃当前判断所用的信息位。每条数据包都使用这样一组二进制数序列来表示一条路径即路径中0的个数和1的个数表示源/目标节点X方向和Y方向上的距离。与此同时还要判断目的节点与源节点的相对位置关系即目的节点在源节点左右与上下方向，找到合适的路径。
1.2 路由算法选择
数据包并不能够直接决定任务的繁重大小。对基于虚拟通道的网络而言，任务的繁重程度是由数据包数量、数据包数据大小和每微片(flit)的大小所决定的。从第i位置的节点到第j位置的节点，其中Si→j代表任务量，n表示数据包数量，Wi→j表示数据包中数据大小，Wf缓冲区一个微片单位的大小。当每个数据包所包含的数据量大小不同时，则
一个网络中任务为SC时即没有达到网络的最大任务负载Smax，选择经典的XY路由算法，这样可以大大缩短所要找寻路径的时间消耗。因此，当Si→j+SC≤Smax时，选择XY路由算法。Si→j+SC>Smax时，则选择新的路径序列。
1.3 选择路径序列
计算源节点在X方向和Y方向上到达目标节点的距离。其次，要确定路径的条数。如图1所示，根据片上网络2D Mesh结构以简单的二进制进行编码。假设源节点S的位置为(m,n)，则记作S(m,n)，同理，目标节点记作D(p,q)，源节点与目标节点在X方向的距离为|p-m|,在Y方向的距离则为|q-n|。
在源节点与目标节点之间随机生成路径序列，可以生成的路径有种，表明源节点与目地节点距离越长可供选择的路径越多。
1.4 路径的适应度
网络负载包括链路负载与节点负载。当网络无阻塞时，能够保证数据包的正常传输。为了保证数据在已知的路径上传输不发生拥塞，就要做到以下两点：(1)相邻两路由节点之间的链路不发生阻塞。(2)路径所经过的路由节点缓冲区还有空余。保证网络不出现拥塞，对路由节点R(x,y)可以用ρ(x,y)表示本节点的适应度，Bmax表示缓冲区最大限度，Bnow表示缓冲区所占用的缓存，Sinput为此时传入本节点数据包。则可以计算出适应度：
当ρ(x,y)≤1时表示缓冲足够传入的数据包所占用。经过路由节点R(x,y)的路径可用。当ρ(x,y)>1时表示缓冲被占用，路由节点R(x,y)不可用。
两个路由节点之间的链路是否达到负载，可以用ρ(x-1,y)→(x,y)表示链路的适应度。表示链路的最大负载，上一节点传出的数据包为到达本节点数据包，Sinput为传入下一节点资源数。则有
当ρ(x-1,y)→(x,y)≤1时表示缓冲足够传入的数据所占用。因此链路可用。当ρ(x-1,y)→(x,y)>1时链路不可用。
网络通信时会链路负载与节点负载，计算缓冲区平均适应度是可以假设链路不会发生阻塞，则缓冲区平均适应度：
其中k=|p-m|+|q-n|.
假设缓冲区足够用，则链路平均适应度：
其中(a,b)→(c,d)属于路径序列中任意两个相邻节点的路径。
综上分析可知，网络整体平均适应度ρ=p*ρ1+q*ρ2,p、q为路由节点与路径在网络中所占的比率且p+q=1。由此可知，判断适应度要有以下条件：ρ(x,y)≤1，ρ(x-1,y)→(x,y)≤1且ρ<0.7（此参数可根据不同网络设定不同值，此处以0.7为例），通过上述条件可以判断网络路径的整体适应度，从而找到一条合适的路径。
1.5 拥塞控制
假如从源节点S传到目标节点D，路径序列为100即(1,1)(2,1)(2,2)(2,3)。假设节点(2,2)出现缓冲区不足或链路超负荷，则容易出现网络拥塞现象。因此，本文用到缓冲区预分配法与漏桶模型来避免拥塞。首先，我们对每一个路由节点进行缓冲区预分配，网络通信数据包进行分析决定对到达此节点的缓冲区进行预分配，如路由节点(2,2)则到达此节点的路由有R(1,2)、R(2,1)、R(2,3)、R(3,2)。可以在路由节点中增加一个资源计数器，来记录经过此节点的缓冲区。同时，节点每间隔一段时间对缓冲区重新进行分配，这样网络具有更好的适应性。其次，我们要在每个路由节点中加入一个“漏桶”，无论节点以多大速率发送资源，其都会以恒定的速率发送给下一路由节点。当节点发送过快时，“漏桶”满了之后，多余的数据将会丢弃。为了防止数据的丢失，在下一个路由节点的缓冲区中设立一个状态位，用来标记到此路由节点的缓冲区是否“忙”。若是“忙”，则可以“征用”其他节点在此节点分配的缓冲区，这样就可以防止数据包的丢失。其算法如下：
本文采取了路径编码、算法选择、适应度计算、拥塞控制等步骤，解决了路径选择和避免阻塞问题。路径选择方面主要用到了判断适应度，选出合适的路径。
2 仿真
本文采用gpNoCsim 1.0仿真器，它可以对NoC的Mesh、Tours、butterfly等多种拓扑结构仿真。网络性能的好坏可以从吞吐率、时延与功耗等方面进行分析，仿真实验中，实验通过对XY路由算法、minimal OE(odd-even)路由算法与自定义的自适应路由算法仿真进行性能分析。
(1)吞吐率
网络平均吞吐率(Throughput)是指每个周期内网络的每个节点平均可以接收的数据量，其取决于路由、仲裁和网络拓扑。
图2显示网络包注入率小于等于0.02时，自适应路由算法与XY路由算法的吞吐率几乎一样。当网络网络包注入率大于等于0.03时，自适应路由算法VARA的吞吐率还未达到饱和，直到0.03时才饱和。相比XY路由算法与OE路由算法，自适应路由算法(VARA)的吞吐率提高了12.1%与8.78%。
(2)时延
平均时延是指数据在网络中传输所需的平均时间，包括网络传输时间和输入通道队列等待时间。图3显示自适应路由算法与XY路由算法在包注入率小于0.03时，它们的平均时延几乎一样。包注入率在0.03与0.09时，自适应路由算法VARA在时延方面有优势。相比XY路由算法与OE路由算法，自适应路由算法(VARA)的平均时延降低了10.1%与5.96%。
3 结语
本文提出的一种自适应路由算法(VARA)，可以根据负载情况选择出一条合适的路径。同时，通过缓冲区预分配法与漏桶模型来避免出现网络拥塞的现象。与XY路由算法和OE路由算法相比，具有更低时延与功耗，在吞吐率方面也有提高，可以有效地避免网络堵塞，算法的复杂度很低，几乎和XY路由算法一样。
参考文献
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[3]Li M,Zeng Q A,Jone W B.Dy XY:A proximity congestion-aware deadlock-free dynamic routing method for network on chip[C].In Proceedings of the 43rd Annual Design Automation Conference.2006:849-852.
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[5]Hu J,Marculescu R.Communication and task scheduling of application-specific network on chip[C].In Proceediongs of Computers and Digital Techniques,IEEEIET,2005:643-651.
WinR2创建虚拟路由 篇2
通过添加Windows Server 2008 R2的“路由与远程访问服务”，可以创建虚拟路由，
准备环境：1台Win2008R2服务器，配有2张网卡，地址分别为：131.100.0.254/24(公网)、192.168.1.254/24(内网)。
一、添加服务器角色
打开“服务器管理器”，添加角色
二、配置NAT
通常我们需要将内网地址转换为公网地址，以连接到Internet，这时候可以使用NAT。
在“管理工具”中打开“路由和远程访问”，然后“配置并启用路由和远程访问”。
选择“网络地址转换(NAT)”
选择公网的网段所用的网卡
完成之后，可以尝试在192.168.1.1/24网段任何一个客户端ping一下131.100.0.1/24网段的任意一台计算机。
下图显示了从192.168.1.22去Ping了131.100.0.1，所反映出来的映射的结果，
在上述测试中我们使用了NAT，从而实现了192.168.1.1/24网段通向131.100.0.1/24网段。但是，反向ping却不通。
删除“NAT”之后，系统将自动采取“LAN路由”模式，192.168.1.1/24网段与131.100.0.1/24网段双向可以Ping 。
三、禁用路由和远程访问
四、LAN路由
如果要实现多个网段连续跳跃，需要手动添加静态路由表。
五、通过修改注册表启用IP路由
不添加“路由和远程访问”角色。在命令提示符下面输入：regedit
展开HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMCurrentControlSetservicesTcpipParameters，将IPEnableRouter的值改为1。
这样就在RTR01服务器启用了IP路由，但仅限于IPv4通信。
虚拟子网中路由器常见故障与处理 篇3
路由器(Router)是最常见的网络设备之一,它的主要功能是在不同的子网之间建立通信信道,以实现子网之间数据的互联互通,并确保数据传输的快速、准确,又称网关设备(Gateway),在OSI模型里面,工作在第三层, 即网络层。早期的路由器功能简单,通俗的讲就是可以让一根网线,同时满足多人上网的功能,类似于墙上有一个插口,而你有很多用电设备,那么需要买插排,那么这个插排就可以相当于路由器。随着信息技术的革新,路由器的性能、功能等都有质的飞跃,市面上也出现了多种层级、 标准各异的路由产品,具体分类如下所示。
其一,根据路由产品的数据吞吐量大小可以分为低、中、高三个档次,与之对应的吞吐指标一般为小于25Gbps,介于25Gbps与40Gbps之间,高于40Gbps,当然不同厂家、不同年代之间,这个数据门槛或有不同。
其二,根据路由产品的结构有模块化与非模块化之分, 前者可以根据用户业务需求增加或调整产品配置,端口数量不固定,有一定的冗余,而非模块化的路由产品一般功能简单,端口固定,当然价格也低廉。
其三,根据路由器在网络中的位置不同有“中间节点路由”和“边界路由”之分,前者工作在网络的中间部分, 负责在不同网络之间转发数据,主要服务目的是实现网络互连,而边界路由器主要负责连接不同网络之间的路由器, 因此它主要工作在网络的边缘部分。
其四,根据服务对象以及要实现的功能有“接入路由器”“企业路由器”“骨干路由器”以及“太比特路由器” 之分,这种分类方法在业界比较常见。接入路由器连接家庭或ISP内的小型企业客户,通常价格较低,功能简单, 配置容易,有时也被称为SOHO路由器,如Tp-link、D-link等公司出品了大量的SOHO路由产品。校园级或企业级路由器在规模上比接入路由要大,需要连接的终端系统较多, 对这一类别的客户而言,高性价比的实现多端点互连且能支持不同的服务质量是他们的最终目标。企业级路由器不仅能将网内机器分成多个碰撞域,且能灵活控制一个网络的大小。除此之外,企业级路由器在功能上还支持一定的服务等级,有多个优先级别,部分功能稍强的企业路由还支持多种协议,如IP、IPX及Vine等,一般还要求支持防火墙、有包过滤功能和大量管理、安全策略及虚拟子网 (VLAN)功能。骨干级路由器工作在企业级网络的上端, 负责企业路由器的互联互通,由于其服务对象的特点,骨干级路由首先要考虑的是速度和可靠性,特别是在硬件方面,要确保长时间稳定工作,多数骨干路由产品采用电话交换网技术,如热备份、双电源、双数据通路等来确保产品工作稳定。太比特路由器是伴随着光纤通信的快速发展而被研发出来的新一代路由器,随着光纤到户已经成为现实,原有的路由产品已不适应技术规范,因此,必须要研制出与原始宽带相对应的路由器,这为太比特路由提供了市场,不过该技术现在还主要处于开发实验阶段。
2路由器在虚拟子网中的作用
所谓虚拟子网(又称VLAN,Virtual Local Area Network), 通常只有通过划分子网才可以隔离广播,但是VLAN的出现打破了这个定律。它的作用就是将物理上互连的网络在逻辑上划分为多个互不相干的网络,这些网络之间是无法通讯的,就好像互相之间没有连接一样。因此,广播也就隔离开了。处于相同VLAN的计算机,不论物理上它们与哪个交换机连接,之间的通信就跟在独立的交换机上一样, 相同VLAN中的广播该有VLAN中的计算机才能收到, 不会发送到其它VLAN,正因为如此就很好的控制非必要的广播报文的扩散,提高了网络内宽带资源的利用率,也减少了主机接收这些不必要的广播所带来的资源浪费。对于企业而言,将网络根据企业组织架构划分为多个VLAN网段,可以保障网络安全,强化网络管理。例如,财务部、人事部的数据就不允许其他部门的人看到或者侦听截取到。更重要的是由于VLAN逻辑上连接而非物理连接, 所以它可以提供灵活的用户与主机管理、带宽分配及资源优化等服务。不过,当不同VLAN内的主机需要通信时, 则必须通过一个三层设备(路由器)才能实现。
3虚拟子网中路由器常见故障及诱因
虚拟子网中路由器故障常分为两种:一是环境故障; 二是自身故障。前者指处于路由器处于不同网络连接方式下发生的故障,或后者主要指产品的硬件故障和系统故障。
3.1路由器环境故障表现及诱因
虚拟子网(VLAN)之间要实现通信或各VLAN要通过路由器来实现共享上网,据此可知在虚拟子网内因路由器故障导致的表现形式主要有以下几点。
(1)配置路由器后VLAN之间无法实现通信,一般来说能诱因如下:A. 端口未加入了指定的VLAN;B.VLAN内接口down,网线故障;C. 未启用VLANIF接口;D.VLAN网段错误;E. 路由器间未配置Trunk接口。
(2)配置路由器后部分或者全部VLAN终端无法访问外网,可能诱因如下:A. 接口未加入了指定的SubVLAN;B.Sub-VLAN内的接口down,以太网接口的Link灯应该点亮,否则检查网线;C.Sub-VLAN未加入了指定的Super-VLAN;D.Super-VLAN对应的VLANIF接口异常。
3.2路由器自身故障表现及诱因
自身故障主要是指路由器产品的硬件故障和系统故障。
3.2.1路由器的硬件故障
不管是哪种型号的路由器,基础硬件都是一样的,主要包括:CPU、存储器、电源模块、电线电缆、CSU/DSU模块、接口等,主要故障表现多为以下几个部分。
(1)系统不能正常加电。具体表现为,开启路由器电源后,前面板的电源灯不亮,风扇不工作,对于这种情况,首先应核查电源部分,包括三厢插座供电是否异常, 供电电压是否的额定范围,电线电缆是否漏电、断裂,以及供电部分接触是否稳固,有时候厂家为了节省成本,刻意降低了导线内铜丝的规格,工作一段时间后将无法承担标准的电流负载,故必要时可予以更换,经过上述操作后若故障仍未排除,则可判定故障源位于电源模块上,此时应检查电源保险丝是否完好,若更换保险之后,故障还是没有排除,则极有可能是路由器电路板烧坏,只能送至专业售后处维修。
(2)零部件损坏。故障表现为把某部件插到路由器接口时,企业网络系统的其余模块均工作稳定,但系统无法检测新接入的部件;有时也表现为所插部件能被正确识别,配置也完全没有问题,但接口就是无法正常工作。诱因分析:系统无法检测新接入的部件,一般原因可能是零部件自己不良或接口部分损坏,而后者故障的诱因80% 以上是由于路由产品自身的物理故障造成的。若是前者, 一般采用替换法来排障,如果路由器能识别并正确使用更换的部件,说明被替换的插件有问题;否则,就在接口处继续做替换,即更换其它接口来试验,若在更换接口后能够识别,说明原来的接口有问题。至于路由器能够检测到新的接口缺无法正常工作,多数原因是由于内部电路元件失效造成的,特别是当电源不稳定,稳压做的不够好时, 局部电流超过限额,很容易出现这种情况,此时需要借助专业检测设备来分析。
(3)散热不良或设备不兼容。故障表现为刚上网一切正常,数据上传下载也很流畅,但是经过一段时间,网速开始明显下降,甚至频繁掉线,经过检查发现硬件连接与配置均无问题,则故障原因极有可能是路由器产品自身质量差,当大量的数据需要处理时路由器因过载而故障。
若经过分析发现企业配置的路由完全能够胜任当时的数据流量,则需要检测硬件(路由器、Modern、光纤接入器)的工作温度是否在正常的范围,最简单的方法是用手背触碰其表面,当发现温度过高时,尝试改善路由器所处空间的散热条件,看情况会否好转。倘若路由器设备的负载在正常范围内,也无其它质量问题,工作温度也无异常, 则要考虑是否受到网络或者病毒攻击,再次则考虑是否路由器的型号和网络服务供应商(ISP)的局端设备不兼容, 此时建议认真阅读说明书,必要时致电发行方的技术人员予以确认,若因设备不兼容而频繁掉线的话,唯一的办法是更换路由器,从这个角度上将,在设计网络并购置路由器时首先就要认真分析需求,为路由器的数据处理能力留有冗余,此外还要关注硬件间的匹配和兼容问题,如此方能避免后续麻烦。
3.2.2路由器软件故障
(1)路由器配置故障。和交换机一样,路由器只有经过合理的配置才能正常工作,而且这些配置不仅要符合路由器自身的功能特点,而且还要符合所在网络的具体要求。配置故障的常见表现为,将工作均正常的总部网络与分部网络通过专线连接,之后却发现网络无法通信,具体而言就是两端路由器的广域网端口不能互通,一般而言可在总部的路由器上运行“show interface serial number”命令,查看端口工作状态,若返回Serial is down,则表示本题Modern之间无信号传输,若虽然返回了up但却提示line protocol down,则故障原因肯定是两端路由器未做配置或配置错误,应立刻查验两端是否封装了相同的协议。
(2)软件不支持特定的功能。常见表象为企业宽带路由器配置正确无误,但却无法实现特定功能。一般来说问题出在软件系统上。由于生产路由器的厂家众多,行业对于新型路由产品的标准无法100% 统一,导致路由器的系统软件存在多个版本,各版本支持的功能有所不同,当路由器部分功能无法实现时,首先应升级软件,一般来说就可以解决问题。类似故障要引起企业网管的足够重视, 因为在排障时极易误认为是硬件或配置故障,被企业网管所忽视,特别是有些大型的企业,部门众多,企业用户在功能使用上的需要比较频繁,若其中某一两个常用功能失效,有可能会造成巨大损失。
(3)路由器系统软件故障,具体表现为路由器开机后立刻进入rmon状态,说明路由器操作系统(IOS)崩溃, 此时应考虑联系技术员将IOS重写一遍。
(4)系统软件升级失败:具体表现为在对系统软件进行升级时,发现系统无论怎样也不能完成升级,原因有可能是升级的软件的大小超过了路由器的NVRAM容量, 这时应该先扩充NVRAM的容量然后再升级系统软件,该问题容易被忽略。
4虚拟子网路由器排障流程
虚拟子网(VLAN)之间要实现通信或各VLAN要通过路由器来实现共享上网,一般来说VLAN内路由器的自身故障较少出现,即使出现也往往可通过替代法更换硬件而得到解决。所以在虚拟子网内因路由器故障导致的表现形式主要是:配置路由器后VLAN之间无法实现通信,部分或者全部VLAN终端无法访问外网,据此制定两个基于路由器的虚拟子网路由器排障流程如图1所示。
5总结
虚拟路由 篇4
随着路由行业的发展，其市场需求也很高，也许很多用户好不了解H3C路由器配置，这里就给大家做一个详细的介绍。在目前很多网络中，路由器、三层交换机搭配接入交换机的组合被广泛使用。而其中经常使用的VLAN设置，原先基本都是靠交换机来实现。但随着路由器技术的发展，VLAN技术也被引入到路由器中。那么在路由器中实现VLAN有什么好处呢?
在路由器上实现VLAN可以把一些原本需要上面组合的情况变成路由器 、 二层交换机搭配接入交换机的组合。而一般二层交换机的价格是三层交换机的1/2 ~ 1/3，所以通过使用路由器VLAN可以节省整体采购成本，
H3C新一代宽带路由器ER系列能够全面支持VLAN特性，通过路由器可以轻松把局域网划成多个虚拟隔离区域，例如按照企业的不同部门进行划分，可以保证虚拟网络之前互相独立，以保证信息安全。同时基于WEB的智能化管理界面，让管理员的手工操作更简单，这也有助于提升管理效率。
除了可以实现虚拟网络划分，H3C路由器配置针对不同行业还作了定制的优化设计。例如，在酒店网络环境中，根据公安部82号令，要求酒店中每一个房间都必须划分VLAN，而且报文必须携带VLAN号以进行上网监控。管理员需要对每间客房、办公区都单独划分VLAN，来保证信息安全与可控。如果管理员分别去H3C路由器配置每一个房间的VLAN，工作量将非常大。
虚拟路由 篇5
本论文主要结合虚拟坐标系统，对无线网络地理路由算法进行了改进设计，从能量消耗最小的角度出发设计了基于虚拟坐标系统的节能式无线网络地理路由协议，以期从中找到可靠可行的无线网络节点能耗节省模式，并以此和广大同行分享。
1 无线传感网络地理路由协议实现原理概述
这里以经典算法——GRWLI算法为例说明无线传感网络地理路由协议算法实现的基本原理。GRWLI (Geographic Routing without Location Information) 路由协议是A.Rao等人提出的一种只需要少数节点精确位置信息就可正确路由的地理路由机制。
GRWLI路由协议的基本实现原理是利用利用无线传感网络中的某一个节点，一般是SINK节点，以该节点建立一个全局坐标系，这样就可以知道整个无线传感网络中的每一个节点的位置坐标，从而建立了整个无线传感网络的位置表，由此便可以进行基于节点坐标系的数据的地理路由传输。实际上，一旦建立了整个无线传感网络节点的地理位置坐标，GRWLI路由协议便可以通过事先设计好的算法进行路由的选择，从而完成数据信息的传输，但是对于该路由协议而言，如何选择合适的SINK节点，以及如何通过SINK节点的位置坐标确立其他节点的位置坐标，从而建立整个无线传感网络的地理路由表，是该协议能否实现路由数据传输的关键。
在无线传感网络中，要为每个节点都建立属于自己的位置坐标，一方面每个节点在进行数据路由传输的过程中会首先进行自身地理坐标的计算与校核，这样就会损耗大量能量，大大降低了节点数据信息传输的寿命，因此，如何在建立整个无线传感网络节点地理位置坐标的前提下，实现数据路由传输的能量损耗的降低，这是当前无线传感网络地理路由协议机制研究的一个重点，这也是本研究课题的研究意义所在，就是为了探讨一种能耗较低的全局无线传感网络节点坐标下的地理路由协议机制。
2 基于虚拟坐标系统的无线传感网络地理路由协议算法设计
2.1 传统地理路由协议算法存在的问题
目前所实现的无线传感网络路由协议算法中，通过对实际应用中所暴露出来的缺陷问题的总结，当前地理路由协议在无线传感网络中的应用中存在的问题主要表现在以下两个方面：
1) 首先，目前无线传感网络在布局的时候，都是通过飞机等工具播撒实现节点随机布局，这样容易造成节点分布密度不均匀，更严重的是很多无线网络节点在进行数据传输的时候，能量的损耗也是不均匀的，这会导致部分节点因为能量消耗殆尽而提前失效，从而造成整个无线传感网络的数据路由链路的断开或者空洞，造成数据传输的丢包率增大，延迟性增大，大大降低了无线传感网络路由的稳定性和可靠性。
2) 其次，目前无线传感网络地理路由协议机制，多数都是基于GRS算法实现的，这主要是因为GRS算法具有计算复杂度低、路由路径生成速度快、路径链短等优点而被广泛采用，但是单纯使用GRS算法也会为无线传感网络节点数据传输带来负面影响，那就是该算法过于重视路由地理位置信息的传输连续性而忽略了节点传输的能量损耗，实际上在有些网络环境下，数据包根本无法传输到目的节点。
综上所述，结合上面分析的两个问题缺陷，非常有必要对无线路由算法实施改进，从能量设计的角度设计节能有效的地理路由协议算法。
2.2 算法描述设计
带着这些问题，本论文提出一种具体的算法——基于虚拟坐标系统的能量有效地理路由算法 (Energy-Efficient Geographic Routing Based on Virtual Coordinate——EEGRBVC) ，该算法是基于节点状态与网络路由链路能耗均衡性相结合的方案。
1) 算法实现原理描述
EEGRBVC算法将网络节点地理位置坐标与节点工作状态结合起来，实现了在寻找路由链最短的前提下的能耗节省，能耗节省主要是通过寻找下一个工作状态为空闲节点的方式来实现的，以空闲节点作为下一个网络节点分发中心，进行数据的路由转发。在EEGRBVC算法中，主要是通过节点的地理位置坐标换算建立整个无线传感网络坐标网格的，每个节点的地理位置坐标 (x, y) 可以通过函数GetNodeLocation (x, y) 来获取，为每个节点的空闲状态与忙碌状态赋予状态标定值，从而建立整个无线传感网络节点的地理位置坐标网格与工作状态表，利用上述算法实现每个节点在接收到数据路由信息后，利用该算法寻找距离当前节点最近、路由链最短的空闲节点，从而将数据路由传输至下一个网络节点，同时自己转入休眠状态以节省能耗。
2) 基于虚拟坐标系统的网格实现
在EEGRBVC算法中，如何建立节点自身地理位置坐标的路由表是算法功能实现的关键。而在EEGRBVC算法的邻节点发现过程中，每个节点以时间间隔Tb周期性的广播BEACON分组，每个节点建立邻节点表保存接收到的BEACON信息。建立各节点地理位置坐标的路由表需要设定网格边长α，通过网格边长与当前节点的坐标，计算出下一个节点的坐标范围，在该范围内选择节点状态为空闲状态的节点进行数据的路由传输，如果在该网格范围内所有节点全部为忙碌，则综合选择路由链最短以及能耗损失最小的节点作为数据传输的下一个节点，同时当前节点在完成数据传输后自动转入休眠状态。
EEGRBVC算法利用上述的过程作为网格建立的基础，它令BEACON信息包含节点ID号、节点所在位置Nloc以及节点类型Type和节点状态。一旦源节点向目标区域发出查询，便触发路由过程，开始网格建立阶段：源节点产生控制信息Ctrl_M，并将Ctrl_M发送至目标区域方向上相邻网格中的某个节点，其中网格单元大小为a×a, Ctrl_M由网格有效期GL、源节点MAC标记SID、源节点位置SLoc、上一跳节点位置PLoc、当前节点位置CLoc、下一跳节点位置Lp、目标区域位置Dp等构成的元组。该路由传输过程反复进行，直到数据在整个无线传感网络中被传输到目的节点。
2.3 算法性能对比仿真测试
为了说明本文设计节点系统低能耗，在同样的测试环境，相同的节点，发送相同的数据时，与经典的无线传感网络路由协议算法GRWLI分簇算法进行的网络处于工作状态下的网络能耗模型仿真进行比较。GRWLI算法让节点参与特定的节点集群内的多跳通信，簇头再进行数据集合，减少向基站传送的消息数量，从而节省能量、提高网络扩展性。在这里，借助于专业的网络性能测试仿真平台NS-2软件，两种算法在软件平台中进行构建，并且设定网络节点数相同，发送相同数据n的情况下，对两种算法的能耗进行比较，结果如图1所示。
图1中实线是本文设计的节点系统在一直处于工作状态下的能耗，虚线表示的是经典的无线传感网络路由协议算法GRWLI算法中推导的无线传感器网路能耗模型所仿真的结果。从图中我们可以看到，在相同的情况下，两个模型的能耗都随着时间的推移而成线性增长，但本文设计的无线传感器网络节点系统的EEGRBVC算法能耗要小于GRWLI算法中的能耗。
3 结束语
本文对于无线传感网络节点的地理路由协议算法的分析设计，只是从虚拟坐标的角度探讨了能量节省的设计方法，实际上，无线网络节点能耗和很多因素有关系，因此具体的更加贴合实际的地理路由协议还有待于广大技术人员的深入研究与探讨，本文只是做了一次有益的尝试和探索。
参考文献
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虚拟路由 篇6
关键词：虚拟拓扑,单层卫星网,CEMR
基于虚拟拓扑的单层卫星网路由算法就是根据卫星网运行周期性特点, 将卫星网系统周期划分为一系列的时间片段, 在每个时间片段内, 卫星网拓扑是固定不变的, 卫星网拓扑的变化只发生在时间片切换点上, 这样就可以采用最短路径算法找到最优路径和备选路径。
基于虚拟拓扑的单层卫星网路由算法有很多种, 比较成熟的有DT-DVTR算法、FSA算法、CEMR算法、ELB路由算法等, 在端到端延时和分组丢失率方面, CEMR算法具有明显的性能优势。
1 CEMR路由算法简介
CEMR路由算法是研究移动卫星网络中多路径路由问题的一种算法。它以单层类铱星 (Iridium-like) 极轨卫星星座为场景, 该星座由6个倾角接近90°的轨道平面组成, 每个轨道平面均匀分布有11颗卫星。同一轨道平面内的星间双向链路称为轨内星间链路 (Inter-plane ISL) , 轨内星间链路可以一直保持着, 其传播延时总是固定的。轨间星间链路的长度随着卫星的运动是变化的, 所以随着卫星的运动, 轨间星间链路的传播延时始终在变化。
CEMR算法通过动态虚拟拓扑研究拓扑动态性问题, 卫星网络建模在一个系统周期T上, 时间离散的卫星位置的快照。系统周期T可以分成n个时间间隔Δt[t0, t1], [t1, t2], …, [tn-1, tn]。在一个时间间隔Δt内, 拓扑可以进一步用图G描述。链路状态改变仅发生在离散时间点t0, t1, t2, …, tn。时间间隔Δt足够小, 以考虑每条星间链路的代价在整个时间间隔内是恒定的。
2 CEMR路由算法原理
CEMR路由算法分成3个部分:路由发现、路由维护以及流量分配。
与传统路由算法仅将传播延时作为路由代价度量不同, CEMR路由算法采用星间链路长度和流量负载两个因素影响的延时作为代价度量, 而这两个对路由性能有重要影响的参数是动态改变的。第一个参数是传播延时Tp。第二个参数是排队延时Tq。假设在时刻t一个分组进入一个给定的链路队列, 其期望队列延时Texp能够通过下面的公式计算得到:
其中, Lav为平均分组长度, C是链路容量, n (t) 是时刻t队列中的分组数。假设一个时间间隔的起始点是ts, 该时间间隔的平均期望队列延时可以用下面的公式计算得到:
这段时间间隔内的路由代价Rcost (ts) 可以依据下列公式计算得到:
Rcost (ts) =Tp (ts) +Tq (ts)
卫星的运动是确定的, Tp是可以计算得到的, 不确定的是Tq。CEMR采用类似于OSPF路由协议的方法, 一个轨道平面相当于一个区域 (area) , 本轨道平面的发言人与其他轨道平面发言人交换链路状态信息, 从而构建路由信息库 (RIB) , 产生的RIB能够通过轨内链路分发到同轨道平面内的其他卫星中。
CEMR使用基于可逆哈希函数的编码方案, 定义路径标识符PathID作为全局链路接口标识符。一个节点的链路ID使用全局的哈希函数进行本地哈希。
PathID中有1bit TIF信息, TIF比特的缺省值是0, 表示分组没有经历时间间隔转换。
3 PathID验证算法
PathID验证算法如下所示。 (TIF表示转换指示比特域, 正在处理的分组在时刻t到达当前节点, Tr表示从t时刻到下一个间隔转换的时间长度)
4 CEMR路由算法总结
CEMR路由算法使用PathID全局路径标识实现卫星网络的多路径路由, 流量分配到多个可行路径, 降低了卫星网络延时, 提高了吞吐量, 实现了负载均衡功能。PathID验证算法确保了分组转发一致性, 分析结果表明, CEMR路由算法提出的时间早, 技术成熟, 性能比较完善, 在延时和丢包率方面相对于其他传统算法具有更好的性能。
参考文献
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虚拟路由 篇7
关键词：VRRP协议,虚拟路由器,局域网,路由冗余,负载均衡
近年来,随着Internet的迅猛发展,依赖于网络的应用便迅速增长。这就对网络的可靠性提出了很高的要求。斥资对所有网络设备进行更新当然是一种很好的可靠性解决方案;但本着采用廉价冗余的思路,在可靠性和经济性方面找到平衡点。虚拟路由冗余协议(VRRP)就是一种很好的可靠性解决方案。这种方案在解决网络设备备份的同时还能解决流量分担负载均衡的问题。在局域网中,通过规划虚拟路由器和VRRP的配置,不但可以提高网络的稳定性和可靠性,而且还能实现网络的流量分担,节省了用户的投资,具有重大的应用价值。
1 VRRP技术
虚拟路由冗余协议(Virtua I Router Redundancy Protocol,简称VRRP协议)在该协议中,一对路由设备协同工作,对终端IP设备的默认网关(Defau It Gateway)进行冗余备份,当一台路由设备宕机时,备份路由设备及时接管转发工作,向用户提供透明的切换,起到提高网络可靠性的作用。VRRP协议是RFC标准协议,能方便的实现各厂家设备间的互通,正是由于VRRP协议具有这些优点,使它成为建设一个稳定可靠网络所需的有力工具。
在VRRP协议中,有两组重要的概念:VRRP路由器和虚拟路由器,主控路由器和备份路由器。VRRP路由器是指运行VRRP的路由器,是物理实体,虚拟路由器是指VRRP协议创建的,是逻辑概念。一组VRRP路由器协同工作,共同构成一台虚拟路由器,该虚拟路由器对外表现为一个具有唯一固定IP地址和MAC地址的逻辑路由器。处于同一个VRRP组中的路由器具有两种互斥的角色:主控路由器和备份路由器,一个VRRP组中有且只有一台处于主控角色的路由器,可以有一个或者多个处于备份角色的路由器。VRRP协议使用选择策略从路由器组中选出一台作为主控,负责ARP相应和转发IP数据包,组中的其它路由器作为备份的角色处于待命状态,当由于某种原因主控路由器发生故障时,备份路由器能在几秒钟的时延后升级为主路由器。由于此切换非常迅速而且不用改变IP地址和MAC地址,故对终端使用者系统是透明的,用户不必关心具体过程,只要把缺省路由器设为虚拟路由器的IP地址即可,从而实现VRRP的备份功能。
同时在VRRP中,答应一台路由器加入多个备份组,通过多备份组设置可以实现负荷分担。两台路由器互为备份。在路由器正常时,两台路由器各自分担一部分数据流量;当其中一台路由器出现故障时,另一台路由器就会自动分担起所有数据流量,数据的传输不会受到任何的影响。这样既达到负载均衡,又实现相互备份的目的。
2 虚拟路由集群设计
局域网一般采用层次化模型设计,即将复杂的网络设计分成三个层次,每个层次着重于某些特定的功能,这样就能够使一个复杂的大问题变成许多简单的小问题。三层网络架构设计的网络有三个层次:核心层、汇聚层、接入层。其中,核心层的功能主要是实现骨干网络之间的优化传输,骨干层设计任务的重点通常是冗余能力、可靠性和高速的传输。网络的控制功能最好尽量少在骨干层上实施。核心层一直被认为是所有流量的最终承受者和汇聚者,所以对核心层的设计以及网络设备的要求十分严格。核心层设备将占投资的主要部分。核心层需要考虑冗余设计。
单核心网络模型适用于规模小,信息节点少,对网络冗余性要求不高的网络,一般中小网络最为常见,而双核心网络模型适用于规模大,信息节点多,网络冗余性要求高的网络,故本次虚拟路由集群设计使用双核心网络。
2.1 网络拓扑图设计
网络拓扑(Topology)结构是指用传输介质互连各种设备的物理布局。网络拓扑图的设计必须经过科学合理的设计,设备的选择、物理链路冗余设计等。
网络拓扑图结构决定了网络的运行效率和扩展性,并且与建设和运行费用有关。因此,网络拓扑结构设计必须兼顾高可靠性,经济性,流量分布合理性,以及便于维护管理性等功能。网络拓扑图很直观的反映出网络设备及各级层结构,整体思路清晰,根据不同层次选择不同的网络设备。本方案网络拓扑图整体规划如图1所示:
2.2 IP地址规划
对于小型园区网络,由于上网用户少、设备数量少,所以建议使用地址空间小的192.168.0.0/16的网络。而对于中大型园区网络,如三层结构的校园网,由于上网人数多,设备数量多,建议采用地址空间大的10.0.0.0/8的网络。
核心交换机IP规划如表1所示:
局域网主机配置如表2所示:(PC1属于VLAN10,PC2属于VLAN20)
核心交换机备份组配置如表3所示:
虚拟局域网(VLAN)是将局域网内广播域逻辑地划分为若干子网。在一个交换局域网中,所有局域网段通过交换机连接到一起,路由器连在交换机上(如果是三层交换机,则不需路由器),可以按网段和站点的逻辑分组形成广播域,通过在局域网交换机内过滤广播包,使得源于特定虚拟局域网的信息包仅传送到那些也属于这个虚拟局域网的网段上。虚拟局域网之间的寻径由路由器完成。
根据具体需求等情况综合分析,局域网IP地址规划如表4所示:
2.3 路由协议选择
OSPF(Open Shortest Path First开放式最短路径优先)是一个内部网关协议(Interior Gateway Protocol,简称IGP),用于在单一自治系统(autonomous system,AS)内决策路由。OSPF路由协议是一种典型的链路状态(Link-state)的路由协议,一般用于同一个路由域内。在这里,路由域是指一个自治系统(Autonomous System),即AS,它是指一组通过统一的路由政策或路由协议互相交换路由信息的网络。在这个AS中,所有的OSPF路由器都维护一个相同的描述这个AS结构的数据库,该数据库中存放的是路由域中相应链路的状态信息,OSPF路由器正是通过这个数据库计算出其OSPF路由表的。作为一种链路状态的路由协议,OSPF将链路状态广播数据LSA(Link State Advertisement)传送给在某一区域内的所有路由器,这一点与距离矢量路由协议不同。运行距离矢量路由协议的路由器是将部分或全部的路由表传递给与其相邻的路由器。
2.4 网络设备选择
通过对目前市场上设备的性能分析,结合企业实际和对网络扩展性的考虑,以及基于高性能、全交换,可扩展性强,系统安全,保密性高,管理简单,保护投资的选择原则,在网络的层次结构中,主干设备选择应预留一定的能力,以便将来扩展,而低端设备则够用即可,因为低端设备更新较快,且易于扩展。
由于企业网络结构复杂,需要交换机能够接续全系列接口,例如光口和电口、百兆、千兆和万兆端口,以及多模光纤接口和长距离的单模光纤接口等。其交换结构也应能根据网络的扩容灵活地扩大容量。其软件应具有独立知识产权,应保证其后续研发和升级,以保证对未来新业务的支持。由于网络往往是一个具有多种厂商设备的环境,因此,所选择的设备必须能够支持业界通用的开放标准和协议,以便能够和其他厂商的设备有效地互通。[9]
故选择了以下4款设备:
出口设备:Internet-3640 1台。
核心设备:SW-3640 2台,配置以太网接口1块。
汇聚设备:S-3640 2台,每台配置1块以太网接口。
接入设备:接入层交换机2台,pc 2台。
链路设备:万兆光纤、千兆光纤、双绞线。
2.5 配置过程
这里仅介绍配置VRRP协议,可以实现网关设备的冗余。在SW1上,设置VLAN 10为Master,VLAN 20为Backup,在SW2上设置VLAN 10为Backup,VLAN 20为Master。
SW1(config)#ip routing//开启三层交换机的路由功能
2.6 网络测试
对于刚刚建成的新网络,必须进行一些列严格的测试,才能保证网络功能实现及正常运行,网络测试一般包括单体测试、连通性测试、冗余性测试。其中冗余性测试如下:
配置好后查看VRRP信息如下,在SW1上查看VRRP信息如图2所示:
3 结束语
测试表明,基于VRRP协议的局域网虚拟路由器集群能够在企业局域网中发挥网关冗余和负载均衡作用,大大提高了局域网的可靠性,在企业网中有广泛的应用。
参考文献
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虚拟路由 篇8
1 引入虚拟路由冗余协议
VRRP(Virtual Router Redundancy Protocol,虚拟路由冗余协议)就是一种很好的提高网络稳定性的解决方案。在该协议中,对共享多存取访问介质(如以太网)上终端IP(Internet Protocol,网络之间互连的协议)设备的默认网关进行冗余备份,从而在其中一台路由设备宕机时,备份路由设备及时接管转发工作,向用户提供透明的切换,提高了网络服务质量。
VRRP是一种局域网接入设备容错协议,VRRP将局域网的一组路由器或三层交换机设备(包括一个Master即活动路由器和若干个Backup即备份路由器)组织成一个虚拟路由器,称之为一个备份组,保证访问资源时不会中断。
在没有使用VRRP的校园网中,一般与网络中心服务器群的连接拓扑结构如图1所示,采用一台交换机与网络中心核心交换机进行连接,容易出现单点故障,对网络的稳定性有很大影响,一旦故障发生,将导致整个分支网络完全不能正常使用。
2 虚拟路由冗余协议原理
VRRP通过多台路由器或三层交换机实现冗余,任何时候只有一台路由器为主路由器,其他的为备份路由器。路由器间的切换对用户是完全透明的,用户不必关心具体过程,只要把缺省路由器设为虚拟路由器的IP地址即可。路由器间的切换过程如下:
1)VRRP协议采用竞选的方法选择主路由器。比较各台路由器优先级的大小,优先级最大的为主路由器,状态变为Master。若路由器的优先级相同,则比较网络接口的主IP地址,主IP地址大的就成为主路由器,由它提供实际的路由服务。
2)主路由器选出后,其它路由器作为备份路由器,并通过主路由器发出的VRRP报文监测主路由器的状态。当主路由器正常工作时,它会每隔一段时间发送一个VRRP组播报文,以通知备份路由器,主路由器处于正常工作状态。如果组内的备份路由器长时间没有接收到来自主路由器的报文,则将自己状态转为Master。当组内有多台备份路由器时,重复第1步的竞选过程。通过这样一个过程就会将优先级最大的路由器选成新的主路由器,从而实现VRRP的备份功能。
VRRP技术不但用于局域网连接外网的路由器的备份,还广泛用于网络核心层三层交换机的冗余备份。核心层处于网络的中心,网络之间的大量数据都通过核心层设备进行交换,同时承担不同VLAN(Virtual Local Area Network,虚拟局域网)之间路由的功能。核心层设备一旦宕机,整个网络即面临瘫痪。因此,在校园网设计中,核心设备的选择,一方面要求其具有强大的数据交换能力,另一方面要求其具有较高的可靠性,一般选择高端核心三层交换机。同时,为进一步提高核心层的可靠性,避免核心层设备宕机造成整个网络瘫痪,一般在核心层再放置一台设备,作为另一台设备的备份,一旦主用设备整机出现故障,立即切换到备用设备,确保网络核心层的高度可靠性。采用VR-RP的主干网络部分拓扑结构如图2所示。
3 应用虚拟路由冗余协议
核心层三层交换机的切换需要应用VRRP技术。为提高网络的可靠性,在网络核心层放置两台三层交换机(S3550A、S3550B),接入层二层交换机(S2126G)分别连接两台核心交换机。在大型园区网络中,为抑制广播信号,提高网络的性能,同时实现网络的安全访问控制,一般根据具体情况将整个网络分成多个不同的VLAN,VLAN中主机的默认网关设置为三层交换机上VLAN的接口地址。
VRRP协议将网络中两台三层交换机(S3550A、S3550B)组成VRRP备份组,针对于网络中每一个VLAN接口,备份组都拥有一个虚拟缺省网关地址。所有VLAN内的主机通过这个虚拟IP访问VLAN之外的网络资源,但实际的数据处理有备份组内活动(Master)交换机执行。如果活动交换机发生了故障,VRRP协议将自动由备份交换机(Backup)来替代活动交换机。由于网络内的终端配置了VRRP虚拟网关地址,发生故障时,虚拟交换机没有改变,主机仍然保持连接,网络将不会受到单点故障的影响,这样就很好地解决了网络中核心交换机切换的问题。
在VRRP中,允许一台路由器或三层交换机加入多个备份组,通过多备份组设置可以实现负荷分担。如图2所示,交换机S3550A作为备份组1的Master交换机,同时又为备份组2的Backup备份交换机。而交换机S3550B正好相反,作为备份组2的Master,并为备份组1的Backup备份交换机。一部分主机使用备份组1的虚拟IP作网关,另一部分主机使用备份组2的虚拟IP作为网关。这样,既达到分担数据流,又实现相互备份的目的。具体配置信息如表1所示。
两台三层交换互为备份。在交换机正常时,两台交换机各自分担一部分数据流量;当其中一台交换机出现故障时,另一台交换机就会自动分担起所有数据流量,数据的传输不会受到任何的影响。这样既达到负载均衡,又实现相互备份的目的。
对于使用固定网关的网络,当此网关出现故障时,要想将故障对用户的影响降低到最小,VRRP协议无疑是最低价的选择。对于使用多个网关的网络中可以使用VRRP协议让不同的网关之间互相备份,这样既不会增加网络设备,同时又达到了热备份的目的,使网络故障发生时用户的损失降至最低。而且VRRP是RFC(Request for Comments,请求注解)标准协议,能方便地实现各厂家设备间的互通。
使用VRRP协议,不用改造目前的网络结构,最大限度保护了当前投资,只需最少的管理费用,却大大提升了网络性能,具有重大的应用价值。
摘要：随着网络应用的不断深入和发展,用户对网络可靠性的需求越来越高。对于处于网络边缘终端用户的主机,运行一个动态路由协议来实现可靠性是不可行的,一般校园网通过路由器连接外网,局域网内用户主机通过配置默认网关来实现与外部网络的访问。如何通过配置一个默认网关,就可以实现网络冗余,保持网络的畅通,虚拟路由器冗余协议很好地解决了此问题。
关键词：虚拟路由,协议,备份,负载均衡
参考文献
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虚拟路由 篇9
关键词：虚拟化技术,软件路由,组播网络,网络视频
随着科技的发展, 虚拟化、软件路由、组播网络等新兴技术发展逐渐成熟, 在计算机网络领域产生了较大的影响。许多单位、企业需要组建内部网络, 实现数据共享, 并在此基础上实现如视频会议、在线音视频播放等功能。为实现网络的充分利用和数据的高效传输, 在虚拟化、软件路由的基础上搭建组播网络是一个理想的选择。
1 技术概述
1.1 虚拟化技术
虚拟化技术是云计算的基础, 将原本直接安装在个人计算机硬件上的OS转换为虚拟机, 在一台实体机器上同时运行多个不同的操作系统[1]。文中采用VMware公司的虚拟操作系统ESXi5.0, 通过配套的VMware v Sphere Client 5.0控制虚拟机及其子操作系统的安装和网络配置。
1.2 Router OS软件路由器
Router OS是一个基于Linux的路由操作系统, 可以安装在计算机硬件上作为一个普通路由器。软件经历了多次更新和改进, 使其功能不断增强和完善。特别在无线、认证、策略路由、带宽控制和防火墙过滤等功能上有着突出的功能[2]。
文中使用的是ROS3.30版本, 并安装Multicast组播功能包, 设置其组播功能。在虚拟机上安装6个ROS路由器, 通过ESXi内部网络设置搭建一个组播网络[1]。
1.3 组播网络
组播是主机之间“一对一组”的通讯模式, 加入了同一个组的主机可以接收到此组内的所有数据, 网络中的交换机和路由器只向有需求者复制并转发其所需数据。主机可以向路由器请求加入或退出某个组, 网络中的路由器和交换机有选择地复制并传输数据, 即只将组内数据传输给那些加入组的主机。这样既能一次将数据传输给多个有需要 (加入组) 的主机, 又能保证不影响其他不需要 (未加入组) 的主机的其他通讯[3]。
组播网络中有几个比较重要的协议, 如IGMP (组播管理协议) 、PIM-DM (协议无关组播密集模式) 、PIM-SM (协议无关组播稀疏模式) 等[4]。
文中通过2种方法测试组播网络: (1) 通过组播测试工具Wsend和Wlisten, 在服务器端利用Wsend发送组播数据包, 在客户机端利用Wlisten接收组播数据包, 查看接收速率和掉包率等, 以判断组播网络的连通性和稳定性。 (2) 利用视频播放软件VLC在服务器端搭建视频服务器, 并发送组播数据包, 同时在多个客户机端输入组播地址收看视频, 查看视频播放情况。
2 搭建组播网络
2.1 在虚拟机上安装操作系统
ESXi5.0安装好之后, 通过v Sphere Client登录到管理界面, 创建操作系统, 在操作系统安装完成后, 仍可以通过管理工具修改操作系统上硬件的数量和参数。安装好6个ROS系统、1个基于Windows Server2003的视频服务器、3个基于Windows Server 2003的客户机。
2.2 组播网络拓扑
虚拟设备网络连接如图1所示, 每个ROS都有2个网卡, 每个终端都有一个网卡, 根据设计的设备连接图, 配置虚拟机的网络。ESXi的网络设置中, 将每个实体网卡当作一个交换机, 虚拟的操作系统通过交换机组建内部网络[1], 设置好的网络如图2所示。
2.3 连通内部网络
配置好网络后, 需要配置各ROS及主机客户机的IP地址, 以达到主机与客户机的数据连通[2], 如图3所示。
根据设计好的IP地址, 登入ROS操作系统内部配置好相对应的IP地址。并在路由器上指定相应的IP网关。各ROS路由器及客户机的网关如下
ROS1:192.168.1.1;ROS2:192.168.2.1;ROS3:192.168.2.1。
ROS4:192.168.2.1;ROS5:192.168.3.1;ROS6:192.168.5.1。
Client1:192.168.4.1;Client2:192.168.6.1;Client3:192.168.7.1。
设置好IP地址及网关后, 仍需要设置各路由器的网络地址转换 (NAT) 的方式, 将所有路由器IP模块的firewall中nat部分设置为chain=srcnat, action=masquerade[2]。
登入每个路由器及客户机中, 使用ping命令连接服务器的IP地址, 全部可以ping通, 至此ROS路由器的初步设置基本完成, 在此基础上进行组播网络的配置。
2.4 组播配置
组播网络中需要将一个路由器设置为RP汇聚点 (Rendezvous Point) , 其作用是告诉周围路由器组播源的方位, 从而形成一个从组播源到接收者的通道[4]。本文将ROS1作为整个组播网络的RP, 其他的路由器通过ROS1访问组播源。
文中ROS3.30采用PIM-SM稀疏模式协议和IGMPv2协议。安装好multicast扩展包之后, 在routing模块中的PIM进行设置, 具体设置如下[5]。
设置ROS1:
[admin@ROS1]>routing pim interface add ether1, ether2//使ether1和ether2支持PIM和IGMP协议
[admin@ROS1]>routing pim interface p//查看各网卡及其支持的组播协议
[admin@ROS1]>routing pim rp add address=192.168.1.251 group=239.255.255.0/24//设置组播网络的RP, 并设置IP地址为ROS 1上ether1的IP地址, 并划定了组播地址范围。
其他5个ROS的设置基本相同, 需要在设置RP时将RP的IP地址写为ROS1的ether1的地址192.168.1.251。当所有的路由器设置完成后, 组播网络搭建完毕。
3 组播网络运行及测试
3.1 利用组播工具测试网络连通性
在路由器的配置阶段, 已经证实了各子网间的连通性, 需要测试的是组播网络是否已经正常工作。在视频服务器Video Server上运行Wsend程序, 添加一个组播地址, 这个地址需要在之前设置的RP的组播组内。设置过程如图4所示。
在客户机Client1上运行Wlisten程序, 设置要接收数据包的组播地址。设置过程如图5所示。服务器VideoServer上Wsend程序开始发送数据包, 如图6所示。
客户机Client1上Wlisten接收组播数据包, 如图7所示。
可以看到, 数据包的延迟微小, 丢包率几乎为0, 说明此组播网络稳定。另外2个客户机的测试方法和Client1相同, 经过测试, 组播网络已经连通, 效果较为理想。
3.2 利用VLC测试组播网络上的视频播放
本文使用一个开源视频播放软件VLC video player, 它既是一个视频播放器, 也可以通过配置, 作为一个视频服务器, 发送视频数据, 从其他客户端接收数据, 实现实时的视频数据传输。
将本地视频文件通过组播方式将视频流发送出去的设置为:File———Wizard———Stream to network———Choose———从本地选择相应的视频文件———选择Streaming method为UDP Multicast, 组播地址为239.255.255.254, 默认端口1234———转码格式为MPEG TS———Time-to-Live (TTL) 设为128———Finsh。还需要在Setting———Preferences———Sreaming Output中将Time-to-Live设置为128。
设置完成后, 服务器端视频播放不显示, 只显示进度条, 如图8所示。
在客户机Client1端, 打开VLC播放器, 输入组播播放地址, File———Open Network Sream在Network选项中选择UDP/RTP Multicast, IP地址239.255.255.254, Port1234———Finsh。设置完成后开始播放视频软件, 如图9所示。
其他客户端Client2, Client3与Client1设置完全相同, 经过测试, 均可正常播放。测试视频播放的流畅度方面, 采取的方式是对视频文件在本地直接播放的速率、组播服务器发送组播视频流的速率及客户端接收视频流的速率进行对比。
如图10~图12所示, 组播视频服务器的输入比特率为1 171 kbit·s-1, 而客户端接收组播视频的输入比特率为900 kbit·s-1, 说明在传输过程中, 视频的传输速率降低很小;客户端播放过程丢帧数很小;经过长时间的播放, 视频出现的卡顿现象较少。以上现象都说明视频数据在组播网络的传输较顺畅, 视频播放效果良好。
测试视频服务器的负载方面, 对视频服务器的CPU负载进行记录:当3个客户端同时采用点播方式播放视频流时, 视频服务器的负载达到100%;当3个客户端采用组播方式播放视频流时, 视频服务器的负载约降低了80%。这说明组播对视频服务器的负载有一定的减小。当组播网络进一步放大, 有更多的路由器、服务器、客户端时, 对服务器负载减小、视频流传输的速度将会有更大的提升, 组播的优势也会更明显地显现出来。
4 结束语
虚拟化、软件路由、组播网络都是近些年来发展较为迅速的技术, 文中将这3种技术结合, 提出了一种组播的解决方案, 并进行测试。用较小的成本实现了组播网络, 具有一定的实用性。从实验结果来看, 方案较好地完成了预期的目标, 由于将数据传输的负载转移到了路由器上, 大幅减轻了视频服务器的负载, 证实了组播网络对多用户视频播放性能有较大的提升。
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