三層交換機(jī)的研究、實(shí)現(xiàn)及高速路由器多播排隊(duì)與調(diào)度的研究.pdf

1、隨著Internet基于多播技術(shù)的新業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)和寬帶通信技術(shù)的飛速發(fā)展，研究和設(shè)計(jì)高性能、高速度的交換、路由設(shè)備，以高的吞吐率和服務(wù)質(zhì)量，來(lái)滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)量的需求，已經(jīng)成為當(dāng)前的熱點(diǎn)研究課題。 本文是在參加、完成了國(guó)家“九五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“用于局域網(wǎng)的ATM交換機(jī)的研究與開(kāi)發(fā)”(97-769)所取得的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，以國(guó)家科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目“具有路由功能的寬帶接入交換機(jī)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(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，結(jié)合基于多播技術(shù)的新業(yè)務(wù)迅猛發(fā)展的現(xiàn)實(shí)，對(duì)多播在包括三層交換機(jī)在內(nèi)的高速路由器中的調(diào)度進(jìn)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(jī)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(duì)高速路由器中多播排隊(duì)模型及調(diào)度策略和多播調(diào)度算法的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。對(duì)三層交換機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展進(jìn)行了研究，重點(diǎn)研究了可擴(kuò)展系統(tǒng)

3、結(jié)構(gòu)后，本文提出了可伸縮三層交換機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了基于這種結(jié)構(gòu)的JY-NET24三層交換機(jī)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?cè)跉v經(jīng)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件邏輯設(shè)計(jì)、背板/快速以太網(wǎng)交換模塊/千兆以太網(wǎng)模塊的PCB設(shè)計(jì)后，又對(duì)JY-NET24三層交換機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的功能和性能進(jìn)行了嚴(yán)格的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，JY-NET24三層交換機(jī)硬件系統(tǒng)的性能達(dá)到了國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的水平。 在總結(jié)了ATM接入交換機(jī)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(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的建議方案。隨著無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)和城域網(wǎng)的迅猛發(fā)展，我們看到了無(wú)線(xiàn)接入三層交換機(jī)的市場(chǎng)前景和研究的必要性，不失時(shí)機(jī)地提出了安全性高、方便網(wǎng)絡(luò)管理、高性?xún)r(jià)比的WLAN三層交換機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 針對(duì)JY-NET24三層交換機(jī)可伸縮的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，我們提出了與之相適應(yīng)的系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)。為了追求高性能價(jià)格比，在充分比較了VxWorks、pSOSystem等商用實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)和Linux操作系統(tǒng)，尤其對(duì)比分析

5、了它們各自的系統(tǒng)調(diào)度機(jī)制后，選擇了高性?xún)r(jià)比的Linux作為JY-NET24三層交換機(jī)的操作系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)Linux的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性的操作系統(tǒng)。為了使Linux內(nèi)核支持單設(shè)備、多端口三層交換設(shè)備，我們創(chuàng)造性地提出并實(shí)現(xiàn)了一種驅(qū)動(dòng)程序接口方案，使得三層交換設(shè)備驅(qū)動(dòng)與Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。在此基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)軟件中其它各主要模塊：驅(qū)動(dòng)程序、路由軟件和網(wǎng)絡(luò)管理等進(jìn)行了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試和

6、長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用，JY-NET24三層交換機(jī)于2003年6月通過(guò)了由沈陽(yáng)市科技局主持的科技成果鑒定，并得到了專(zhuān)家的一致好評(píng)。更重要的是，一項(xiàng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品誕生了。 為了滿(mǎn)足應(yīng)用需要、滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)基于多播的業(yè)務(wù)的需求，為進(jìn)一步提高包括三層交換機(jī)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(duì)列結(jié)構(gòu)方案。為了更準(zhǔn)確地研究多播排隊(duì)的動(dòng)態(tài)變化和調(diào)度機(jī)制，提出并建立了這種隊(duì)列結(jié)構(gòu)的通用數(shù)學(xué)模型。為了提

7、高調(diào)度的效率并且簡(jiǎn)化硬件邏輯的結(jié)構(gòu)，提出了以變長(zhǎng)多播數(shù)據(jù)包作為調(diào)度對(duì)象的調(diào)度思想。在新提出的通用多播排隊(duì)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，給出了穩(wěn)定傳輸率系統(tǒng)中隨機(jī)到達(dá)過(guò)程應(yīng)滿(mǎn)足的條件，并提出了保證穩(wěn)定傳輸?shù)恼{(diào)度策略。通過(guò)對(duì)已有多播調(diào)度算法的分析，特別是對(duì)采用扇出分割機(jī)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(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，在調(diào)度策略的理論指導(dǎo)下，我們建立了高效實(shí)用的輸入隊(duì)列，創(chuàng)建了高吞吐率、低時(shí)延、適當(dāng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的PGMF算