三層交換機的研究、實現(xiàn)及高速路由器多播排隊與調(diào)度的研究.pdf

1、隨著Internet基于多播技術(shù)的新業(yè)務的不斷涌現(xiàn)和寬帶通信技術(shù)的飛速發(fā)展，研究和設計高性能、高速度的交換、路由設備，以高的吞吐率和服務質(zhì)量，來滿足日益增長的網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)任務量的需求，已經(jīng)成為當前的熱點研究課題。 本文是在參加、完成了國家“九五”重點科技攻關(guān)項目“用于局域網(wǎng)的ATM交換機的研究與開發(fā)”(97-769)所取得的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，以國家科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項目“具有路由功能的寬帶接入交換機的研制及其產(chǎn)業(yè)化”(01C262

2、12110295)為背景，論述了JY-NET24三層交換機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)軟件的設計與實現(xiàn)，結(jié)合基于多播技術(shù)的新業(yè)務迅猛發(fā)展的現(xiàn)實，對多播在包括三層交換機在內(nèi)的高速路由器中的調(diào)度進行了深入的研究，并取得了一些重要的研究成果。 本文首先介紹了三層及多層交換機的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，在回顧了高速路由器的發(fā)展歷程后，對高速路由器中多播排隊模型及調(diào)度策略和多播調(diào)度算法的研究現(xiàn)狀進行了綜述。對三層交換機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展進行了研究，重點研究了可擴展系統(tǒng)

3、結(jié)構(gòu)后，本文提出了可伸縮三層交換機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計方案，詳細介紹了基于這種結(jié)構(gòu)的JY-NET24三層交換機的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其各模塊的結(jié)構(gòu)和功能。我們在歷經(jīng)了系統(tǒng)設計、硬件邏輯設計、背板/快速以太網(wǎng)交換模塊/千兆以太網(wǎng)模塊的PCB設計后，又對JY-NET24三層交換機系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的功能和性能進行了嚴格的測試。測試結(jié)果表明，JY-NET24三層交換機硬件系統(tǒng)的性能達到了國外同類產(chǎn)品的水平。 在總結(jié)了ATM接入交換機通用的幾種方案后，提出

4、了適用于局域網(wǎng)的ATM接入三層交換機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的建議方案。隨著無線局域網(wǎng)和城域網(wǎng)的迅猛發(fā)展，我們看到了無線接入三層交換機的市場前景和研究的必要性，不失時機地提出了安全性高、方便網(wǎng)絡管理、高性價比的WLAN三層交換機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 針對JY-NET24三層交換機可伸縮的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，我們提出了與之相適應的系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)。為了追求高性能價格比，在充分比較了VxWorks、pSOSystem等商用實時性操作系統(tǒng)和Linux操作系統(tǒng)，尤其對比分析

5、了它們各自的系統(tǒng)調(diào)度機制后，選擇了高性價比的Linux作為JY-NET24三層交換機的操作系統(tǒng)。通過對Linux的實時化改造，使其成為符合三層交換調(diào)度等各方面要求并具有較好實時性的操作系統(tǒng)。為了使Linux內(nèi)核支持單設備、多端口三層交換設備，我們創(chuàng)造性地提出并實現(xiàn)了一種驅(qū)動程序接口方案，使得三層交換設備驅(qū)動與Linux內(nèi)核實現(xiàn)無縫連接。在此基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)軟件中其它各主要模塊：驅(qū)動程序、路由軟件和網(wǎng)絡管理等進行了設計實現(xiàn)。經(jīng)過嚴格的測試和

6、長時間的應用，JY-NET24三層交換機于2003年6月通過了由沈陽市科技局主持的科技成果鑒定，并得到了專家的一致好評。更重要的是，一項具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品誕生了。 為了滿足應用需要、滿足用戶對基于多播的業(yè)務的需求，為進一步提高包括三層交換機在內(nèi)的路由器的多播路由、調(diào)度處理能力，我們提出并采用了能夠完全避免HOL阻塞的多播隊列結(jié)構(gòu)方案。為了更準確地研究多播排隊的動態(tài)變化和調(diào)度機制，提出并建立了這種隊列結(jié)構(gòu)的通用數(shù)學模型。為了提

7、高調(diào)度的效率并且簡化硬件邏輯的結(jié)構(gòu)，提出了以變長多播數(shù)據(jù)包作為調(diào)度對象的調(diào)度思想。在新提出的通用多播排隊數(shù)學模型基礎(chǔ)上，給出了穩(wěn)定傳輸率系統(tǒng)中隨機到達過程應滿足的條件，并提出了保證穩(wěn)定傳輸?shù)恼{(diào)度策略。通過對已有多播調(diào)度算法的分析，特別是對采用扇出分割機制多播調(diào)度算法的分析，我們發(fā)現(xiàn)已有的算法存在餓死和效率較低等問題。為了解決這些問題，在調(diào)度策略的理論指導下，我們建立了高效實用的輸入隊列，創(chuàng)建了高吞吐率、低時延、適當實現(xiàn)復雜度的PGMF算