高性能業(yè)務路由器系統(tǒng)軟件研究.pdf

1、目前，基于互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務需求和種類與日俱增。隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務擴展到視頻（如IPTV）、音頻（如Voice over IP）和虛擬專用網(wǎng)等應用，這就要求路由器不僅僅能夠完成傳統(tǒng)的盡力而為轉(zhuǎn)發(fā)，而且需要實現(xiàn)對多業(yè)務的有效承載。而位于網(wǎng)絡匯聚層的高性能業(yè)務路由器是用戶業(yè)務和服務提供商的接入控制點，是下一代互聯(lián)網(wǎng)中實現(xiàn)有效業(yè)務控制和區(qū)分的核心設備。由于其在下一代互聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵位置，業(yè)務路由器需要具備可擴展性和高可靠性，以應付網(wǎng)絡中各種流量和應用的需

2、求。此外，它應能夠根據(jù)策略實現(xiàn)動態(tài)資源分配，以滿足不同業(yè)務的資源需求。 業(yè)務路由器的軟件體系結(jié)構(gòu)決定了其靈活性和可擴展性。以往研究多基于PC架構(gòu)，缺乏對實際的網(wǎng)絡處理器系統(tǒng)的研究，不具備通用性和可操作性。在對具體硬件平臺抽象的基礎上，提出了一種用于業(yè)務路由器的可擴展路由軟件系統(tǒng)架構(gòu)（EROS－可擴展路由器操作系統(tǒng)）?；谀K化和層次化的結(jié)構(gòu)，提出了軟件轉(zhuǎn)發(fā)引擎（SFE）對底層硬件轉(zhuǎn)發(fā)引擎（如網(wǎng)絡處理器）進行了屏蔽。EROS可應用

3、于基于不同的網(wǎng)絡處理器的業(yè)務路由器平臺，解決了軟件系統(tǒng)的跨平臺要求。EROS中給出了一種分布式可靠通信機制（RCMS），結(jié)合了可靠組播和基于TCP Socket單播的機制，能夠滿足業(yè)務路由器內(nèi)部通信對可靠性的要求。 轉(zhuǎn)發(fā)處理是業(yè)務路由器數(shù)據(jù)平面的非常重要和復雜的問題。在分析了現(xiàn)有查找和分類技術(shù)基礎上，提出一種基于策略流的轉(zhuǎn)發(fā)方式。和傳統(tǒng)的基于分組的轉(zhuǎn)發(fā)方式不同，策略流轉(zhuǎn)發(fā)只需要對流的首分組進行復雜的分類和查找操作，并生成全局唯一

4、的流ID，而對該流的后續(xù)分組采用基于流ID的精確匹配即可。該機制優(yōu)點在于能夠提高轉(zhuǎn)發(fā)速率并具備業(yè)務的可擴展性，并兼顧IPv4和IPv6網(wǎng)絡的需求。通過建模分析了影響策略流轉(zhuǎn)發(fā)性能的關(guān)鍵因素，給出了一種加權(quán)LRU算法用于流規(guī)則替換，并比較了用于流匹配的各種哈希查找算法。 故障恢復是軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過基于連續(xù)馬爾可夫鏈的數(shù)學模型，系統(tǒng)地分析了現(xiàn)有故障恢復策略，并對其進行了數(shù)值分析。分析表明，現(xiàn)有機制無法適用于不同的網(wǎng)絡應用

5、場景?；诖耍岢隽艘环N基于自適應的故障恢復機制，該機制可用根據(jù)場景動態(tài)選擇恢復方式。實驗表明，該機制能夠提高系統(tǒng)的可用性，且導致的系統(tǒng)開銷較小，是一種合理且有效的故障恢復策略。 帶寬分配算法決定了業(yè)務路由器軟件對資源分配是否有效。目前，帶寬分配多基于區(qū)分服務和盡力轉(zhuǎn)發(fā)模型。在分析IP網(wǎng)絡中的帶寬分配的模型的基礎上，基于業(yè)務路由器的需求提出了一種通用的基于收入值的通用帶寬分配模型。該模型以最優(yōu)化收入值為約束條件進行動態(tài)資源分配，

6、具備物理平臺的無關(guān)性，有一定的理論創(chuàng)新性。從理論上證明了RBA問題與背包問題的等效，并將基于收入值的帶寬分配（RBA）問題劃分為靈活的RBA問題（FRBA）和嚴格的RBA（SRBA）問題，并證明了其與背包問題的等效。在貪婪算法的基礎上，分別給出了ASRBA和AFRBA算法對SRBA和FRBA問題進行求解。實驗表明，算法能夠有效地對RBA問題進行求解，并能在多項式時間內(nèi)完成。 在交換容量為128Gbps的業(yè)務路由器原型平臺上實現(xiàn)并