三層交換機的研究、實現及高速路由器多播排隊與調度的研究.pdf

1、隨著Internet基于多播技術的新業(yè)務的不斷涌現和寬帶通信技術的飛速發(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量，來滿足日益增長的網絡轉發(fā)任務量的需求，已經成為當前的熱點研究課題。 本文是在參加、完成了國家“九五”重點科技攻關項目“用于局域網的ATM交換機的研究與開發(fā)”(97-769)所取得的經驗基礎上，以國家科技型中小企業(yè)技術創(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業(yè)化”(01C262

2、12110295)為背景，論述了JY-NET24三層交換機系統(tǒng)結構和系統(tǒng)軟件的設計與實現，結合基于多播技術的新業(yè)務迅猛發(fā)展的現實，對多播在包括三層交換機在內的高速路由器中的調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度策略和多播調度算法的研究現狀進行了綜述。對三層交換機系統(tǒng)結構發(fā)展進行了研究，重點研究了可擴展系統(tǒng)

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

4、了適用于局域網的ATM接入三層交換機系統(tǒng)結構的建議方案。隨著無線局域網和城域網的迅猛發(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、方便網絡管理、高性價比的WLAN三層交換機的系統(tǒng)結構。 針對JY-NET24三層交換機可伸縮的系統(tǒng)結構，我們提出了與之相適應的系統(tǒng)軟件結構。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)造性地提出并實現了一種驅動程序接口方案，使得三層交換設備驅動與Linux內核實現無縫連接。在此基礎上，對系統(tǒng)軟件中其它各主要模塊：驅動程序、路由軟件和網絡管理等進行了設計實現。經過嚴格的測試和

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權的產品誕生了。 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的路由器的多播路由、調度處理能力，我們提出并采用了能夠完全避免HOL阻塞的多播隊列結構方案。為了更準確地研究多播排隊的動態(tài)變化和調度機制，提出并建立了這種隊列結構的通用數學模型。為了提

7、高調度的效率并且簡化硬件邏輯的結構，提出了以變長多播數據包作為調度對象的調度思想。在新提出的通用多播排隊數學模型基礎上，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)定傳輸的調度策略。通過對已有多播調度算法的分析，特別是對采用扇出分割機制多播調度算法的分析，我們發(fā)現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、適當實現復雜度的PGMF算