基于多種網(wǎng)絡體系的路由交換平臺軟件設計與研究

郭益鋒，姚智

（南通市第一人民醫(yī)院 信息科，江蘇 南通226001）

基于多種網(wǎng)絡體系的路由交換平臺軟件設計與研究

郭益鋒，姚智

（南通市第一人民醫(yī)院 信息科，江蘇 南通226001）

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展以及互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的不斷繁榮，傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡單一的拓展功能以及穩(wěn)定性不高等問題已經(jīng)影響到互聯(lián)網(wǎng)技術以及互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的發(fā)展。為解決該問題，本文在總結(jié)之前路由交換平臺軟件的問題和不足的基礎上，設計開發(fā)了一種基于多種網(wǎng)絡體系的路由交換平臺軟件，設計了平臺的總體框架，并在總框架的基礎上設計了能適應多種網(wǎng)絡體系的系統(tǒng)，并且設計了路由交換平臺的交換結(jié)構(gòu)算法。理論分析和仿真實驗表明，該路由交換平臺，能為以網(wǎng)絡流媒體業(yè)務為主的多種網(wǎng)絡體系提供良好的服務，達到了設計要求。

網(wǎng)絡業(yè)務多變性；路由交換平臺；可變定長分組交換；均衡調(diào)度機制

隨著科學技術突飛猛進的發(fā)展以及人們對信息技術越來越重視，為了滿足網(wǎng)絡使用者日益增加的需求，很多國家和組織計劃實施新一代的網(wǎng)絡發(fā)展計劃。希望通過心意到的網(wǎng)絡發(fā)展計劃使得網(wǎng)絡體系在協(xié)議，業(yè)務以及普及程度上得到一個大的提升。在計劃的實施過程中，參與研究的不僅是網(wǎng)絡方面的專家，許多數(shù)學家，通信領域的專家，甚至經(jīng)濟領域的專家都參與進來，為了制定一個先進的，穩(wěn)定的理論基礎。新一代網(wǎng)絡研究的問題很多，但其中比較重要的一部分就是現(xiàn)在很熱門的三網(wǎng)融合。所謂三網(wǎng)融合，就是將有線電視網(wǎng)，電信網(wǎng)以及因特網(wǎng)合并到一起。在網(wǎng)絡技術發(fā)展的過程中，網(wǎng)絡自身具有的動態(tài)性限制了使用者與研究人員對其進行全面而有效地分析，導致了網(wǎng)絡業(yè)務具有多樣性和不確定性的特征，為了使上述問題得到有效的解決，本文提出了路由交換平臺的概念，通過將網(wǎng)絡使用者和潛在運營商以及服務商分離開來的思想，高效動態(tài)地組織網(wǎng)絡資源，提供網(wǎng)絡服務，并最終實現(xiàn)資源可配置、節(jié)點可重構(gòu)、功能可重組的可重構(gòu)網(wǎng)絡。在此概念的基礎上，文中提出了一個基于多種網(wǎng)絡體系的路由交換平臺軟件設計，根據(jù)需求設計出平臺的結(jié)構(gòu)，以框架結(jié)構(gòu)為基礎，設計了可以支持多種網(wǎng)絡體系的交換方式，交換結(jié)構(gòu)以及交換機制，并設計了路由交換平臺的軟件和方案，綜合方案的提出，設計以及完成，能較好地解決當前網(wǎng)絡交換技術與網(wǎng)絡業(yè)務需求之間存在的矛盾［1-2］。

1 系統(tǒng)總體框架設計

多種網(wǎng)絡體系的路由交換平臺的特點和優(yōu)勢就是功能比較靈活，但伴隨著功能的靈活，平臺的結(jié)構(gòu)就不可避免要設計的相對復雜。也就是說，若平臺結(jié)構(gòu)的層次越多越分明，功能就更多樣，同時路由交換平臺的重構(gòu)粒度越小，其功能也越靈活，平臺的結(jié)構(gòu)也越復雜。為了在靈活性與結(jié)構(gòu)復雜性中找到一個平衡點，即在保證滿足使用者需求的前提下盡量使結(jié)構(gòu)簡單化，必須從重構(gòu)維度和重構(gòu)粒度兩方面入手，路由交換平臺合理的確定了節(jié)點的重構(gòu)維度和重構(gòu)粒度，其框架如圖1所示，包括重構(gòu)管理平面、控制平面、交換平面、轉(zhuǎn)發(fā)平面、接入平面以及各個平面間的連接鏈路［3］。其中在右側(cè)的重構(gòu)管理平面是框架中比較重要的一部分，其按照使用者的需求來對交換流程和數(shù)據(jù)庫進行控制。其余的4個平面又有各自不同的控制，接入或交換等不同資源組成，這些資源元素包括基于FPGA的邏輯塊、基于微處理器的計算進程、緩存交換開關、存儲器和拓撲連接等。系統(tǒng)將這些不同的資源進行整合，形成簡單的系統(tǒng)處理模塊，這些模塊由于是由各個不同的資源組合而成，進而帶有各個資源本身的功能，所以可以支持多種網(wǎng)絡體系的路由交換。網(wǎng)絡用戶可以根據(jù)研究和應用需求進行個性化構(gòu)件設計，并在已經(jīng)構(gòu)建好的重構(gòu)框架中進行加載和應用［4］。

圖1 路由交換平臺框架結(jié)構(gòu)圖

2 路由交換平臺的交換方式

因特網(wǎng)中維持不同網(wǎng)絡業(yè)務信息是需要分組進行的，其中組別分為頭部和負載兩部分，其中又可以細分為不定長分組交換和定長分組交換兩種方式，這兩種方式的判別依據(jù)是有分組時長度是否固定來區(qū)別的。前一種分組方式在面對復雜多樣的網(wǎng)絡要求時可以體現(xiàn)其穩(wěn)定性和廣泛性，但是在進行大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，由于自身的拓展性較差，會導致傳送速率低，還會產(chǎn)生明顯的數(shù)據(jù)抖動。若一直采用此交換方式進行數(shù)據(jù)交換，由于自身系統(tǒng)產(chǎn)生的延遲以及數(shù)據(jù)失真會對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)造成很大的損壞，會嚴重影響到服務質(zhì)量和使用者的體驗。為了能在不定長分組交換方式下支持實時交互式流媒體業(yè)務，系統(tǒng)的設計者提出了很多改進技術，雖然這些技術可以緩解服務質(zhì)量的下滑，但因為約束條件太多，大大的限制和影響了網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的擴展性［5-6］。

所以在實際應用中，最常用也是最科學的還是選擇定長分組的交換方式。此交換方式主要分為兩種模式，一種是以ATM為代表的全網(wǎng)絡定長分組交換，該模式的特點是在傳輸?shù)倪^程中，各個節(jié)點以及傳輸方式使用的都是長度固定的信號，另一種是在因特網(wǎng)中使用比較廣泛的路由器內(nèi)部定長分組交換，該模式的特點是在傳輸?shù)倪^程中使用的是不定長模式，而在交換結(jié)構(gòu)中采用的是定長交換。本系統(tǒng)選擇的是后者，也就是內(nèi)部分組交換，因為此模式可以根據(jù)使用者的需求，進行靈活的調(diào)整。該模式的方案分為3個部分，首先在路由器的輸入端口處將外部的交換結(jié)構(gòu)進行不定長的分組，具體來說，分組時需要將分割的長度進行比較，若分組時的長度小于負載可以接受的長度時，采用尾部填零的方法對齊定長分組的有效負載長度，如圖2所示，分割長度大于負載接受的極限時，則再次進行不定長分組，若最后一個分片長度小于有效負載則同樣采用尾部填零的方法補齊如。第二部就是在分組完成后的每一部分前加上一個有效地負載原件，使之成為一個完整的結(jié)構(gòu)，并在后面的交換操作中進行處理。最后，在交換處理完成后，按照之前不定長分組的順序?qū)⒚科Y(jié)構(gòu)進行重新排列。這么選擇的原因是可以對硬件電路起到簡化的左右，方面電路的設計與維護，控制資源的合理運用，增強了系統(tǒng)的靈活性和可控行，降低了交換操作時傳輸帶寬的利用率。

圖2 不定長分組長度小于有效負載長度情形

3 路由交換平臺實現(xiàn)方案

路由交換平臺的實現(xiàn)方案可以從數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和交換結(jié)構(gòu)的重構(gòu)角度進行討論和分析。在數(shù)據(jù)鏈路層中，該平臺的重新構(gòu)成需要設計到五層參考模型的物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層。在物理層，SDH和DWDM等光纖傳輸技術已經(jīng)能為可重構(gòu)路由交換平臺支持多種網(wǎng)絡體系提供統(tǒng)一的承載模式?？芍貥?gòu)路由交換平臺的實現(xiàn)方案如圖3所示，具體包括如下幾部分，接入平面由一組接入平面入級組IPIG和一組接入平面出級組件IPOG構(gòu)成，能夠完成可重構(gòu)路由交換平臺數(shù)據(jù)鏈路層的承載和重構(gòu)。轉(zhuǎn)發(fā)平面由一組轉(zhuǎn)發(fā)平面入級組件FPIG和一組轉(zhuǎn)發(fā)平面出級組件FPOG構(gòu)成，能夠完成可重構(gòu)路由交換平臺網(wǎng)絡層的承載和重構(gòu)，在此過程中FPIG和FPOG所扮演的作用是為每一個網(wǎng)絡節(jié)點提供了一個邏輯承載點。這個過程中還有一個比較重要的問題就是，如圖3所示的交換平臺示意圖中，真正的重構(gòu)器件其實并沒有像別的組件那樣真實的嵌入到平臺中去，而只是掛靠在旁邊，這么做的好處就是可以更加穩(wěn)定和簡單的對平臺的各個組件進行控制和分析，但是在實際的也就是最終實現(xiàn)方案中，重構(gòu)組件與控制組件一樣嵌入在轉(zhuǎn)發(fā)組件中［7-8］。

本路由交換平臺軟件在數(shù)據(jù)鏈路層采用的是統(tǒng)一的網(wǎng)絡業(yè)務流，其種類依據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層各層的作用以及類型的不同而不同。其每一層承載的網(wǎng)絡業(yè)務是各不相同的，這些不同的業(yè)務都可經(jīng)過本路由交換平臺的輸入端口進入，在數(shù)據(jù)層進行輸入輸出操作后接入平面入級組件IPIG，各個不同的網(wǎng)絡業(yè)務經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換以及串并聯(lián)的操作后，由IPIG的幀分路構(gòu)件依據(jù)其數(shù)據(jù)鏈路層幀結(jié)構(gòu)的承載網(wǎng)絡類型域進行分類。分類時，根據(jù)業(yè)務需求的不同，將不同的業(yè)務依據(jù)邏輯的先后順序自動的分配到對應的下載節(jié)點中，等待轉(zhuǎn)發(fā)或者處理。通常說的路由交換平臺網(wǎng)絡層的重構(gòu)其實分為兩個部分，一個是可重構(gòu)路由交換平臺中邏輯承載節(jié)點的增加或刪除導致的轉(zhuǎn)發(fā)組件FPGA的重構(gòu)，另一個是可重構(gòu)路由交換平臺采用可變定長分組交換方式。在平臺中，每一個邏輯節(jié)點都都提供一種網(wǎng)絡服務，所以在平臺的設計過程中，為了實現(xiàn)更多的服務，盡可能多的在每條主線上設計各個不同的邏輯節(jié)點，這樣就會提供盡可能多的網(wǎng)絡服務，不同的業(yè)務會自動對應所屬的網(wǎng)絡邏輯節(jié)點，每個節(jié)點會根據(jù)用戶的需求進行自行的處理或者輸入輸出數(shù)據(jù)，分段后的網(wǎng)絡業(yè)務流分組，將按照分組頭部的輸入輸出端口域和承載網(wǎng)絡業(yè)務域存儲在可重構(gòu)路由交換平臺的交換組件SG的輸入緩存中［9］。

圖3 路由交換平臺實現(xiàn)方案示意圖

4 性能仿真與分析

為了驗證基于多種網(wǎng)絡體系的路由交換平臺軟件的性能，本測試采用的是麻省理工大學研制的SIM仿真軟件，利用此軟件對本系統(tǒng)使用的RESA算法進行仿真實驗，并且將實驗結(jié)果與其它算法進行比較。SIM軟件是一種基于時間間隔控制的仿真器，整個軟件采用模塊化設計，各個模塊并聯(lián)連接，每個模塊的作用也各不相同，可以做到分時復用，具體的結(jié)構(gòu)如圖4所示。未來網(wǎng)絡業(yè)務主要以網(wǎng)絡流媒體業(yè)務為主，因此，時延抖動性能是調(diào)度算法的適應未來網(wǎng)絡業(yè)務發(fā)展的重要指標。所以在此系統(tǒng)的測試時，著重對輸出端口在進行大數(shù)據(jù)以及高流量時的時延抖動性進行了細致的測試和分析，經(jīng)過與一般系統(tǒng)比較后可知，RESA調(diào)度算法不僅維護了網(wǎng)絡業(yè)務流帶寬分配的公平性，還具有比WFQ更好的時延抖動性能。

圖4 SIM仿真軟件結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié) 論

傳統(tǒng)信息網(wǎng)絡發(fā)展的動態(tài)性，導致人們難以全面地對網(wǎng)絡行為進行有效分析，同時，網(wǎng)絡穩(wěn)定性不高以及交互模式單一等問題也日益顯著。因此，文中設計了一種可以支持多種網(wǎng)絡體系的路由交換平臺軟件，設計了平臺的總體框架，并在總框架的基礎上設計了能適應多種網(wǎng)絡體系的系統(tǒng)。經(jīng)過對算法的設計與仿真實驗表明，該路由交換平臺，能為以網(wǎng)絡流媒體業(yè)務為主的多種網(wǎng)絡體系提供良好的服務，達到了設計要求。

［1］吳援明，寧正容，梁恩志.自相似業(yè)務模型進展通信學報［M］.北京：人民郵電出版社，2003.

［2］梁振光.電磁兼容原理技術及應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［3］徐悟，計算機網(wǎng)絡一體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議機制、算法設計與路由器技術［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

［4］吳援明，寧正容，梁恩志自相似業(yè)務模型進展通信學報［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

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［7］水平，史俊杰，田慶安.開關穩(wěn)壓電源—原理、設計與實用電路［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2005.

The design and research of the software design of the routing and sw itching platform based on a variety of network system s

GUO Yi-feng，YAO Zhi
（Departmentof Information，The First People's Hospital of Nantong City，Nantong 226001，China）

With the rapid development of Internet technology and the Internet business rising prosperity，the traditional Internet network expanding functions of single and stability is not high has affected the Internet technology and the development of the Internet business.To help solve the problem，based on the summary before routing exchange platform software，on the basis of problems and the insufficiency，designed and developed a software system based on a variety of network routing exchange platform，design the overall framework of the platform，and on the basis of the general framework design can adapt to a variety of network system，and designs the routing exchange platform for the exchange structure algorithm.Theoreticalanalysis and simulation experiments show that the chain exchange platform，relyingmainly on network streamingmedia business fora variety ofnetwork system to provide a good service andmeet the design requirements.

Network business variability；routing exchange platform；variable fixed-length packet switching；balanced schedulingmechanism

TN99

A

1674－6236（2016）20-0027-03

2015-10-12 稿件編號：201510059

郭益鋒（1978—），男，江蘇南通人，工程師。研究方向：醫(yī)學信息管理。