面向组播环境的高性能路由器QoS机制研究与实现

论文摘要

互联网已经不再是单一的数据业务网,VoIP、视频会议、网络游戏以及其它多媒体应用占据的比例日益增多,这些业务不仅需要互联网改变以往尽力而为的服务模式,针对不同的业务提供有差别的服务,而且许多应用,如IPTV等,还需要能够大大地节省网络带宽的组播技术的支持。此外,网络流量的急剧增长所导致的日益严重的网络拥塞问题,对QoS和组播技术的发展提出了迫切需求。实施拥塞控制是QoS机制正常工作的必要前提。长期以来,大部分研究工作主要集中在端系统上如何实施有效的端到端拥塞控制。近年来,学术界逐步认识到在网络中间结点上,如高性能路由器,如何有效运用拥塞控制机制的重要性。这是因为路由器作为互联网的核心设备,在很大程度上决定了网络的性能。迄今为止的相关研究在拥塞控制机制、算法、改进措施等方面均取得了可喜的进展,但研究高性能路由器的QoS,不仅要重视拥塞控制、丢弃策略等单方面技术的研究,还必须重视如何从路由器的整体上支撑QoS的研究,从影响QoS的各个方面入手,经过整体分析研究,综合采取多种技术解决性能瓶颈。因此,研究路由器对QoS的支持成为网络QoS研究中的重要环节。本文在区分服务体系结构下,从路由器的网络拥塞控制入手,针对组播环境下高性能路由器的QoS及其支撑机制展开研究,通过软硬件协同处理机制,在模型指导下,建立了一个高效的路由器QoS处理机制QoSRESM,研究并提出了一系列相关算法,有效提高了路由器的QoS能力。QoSRESM建立于组播环境下高性能QoS路由器模型MQ-Router之上,该机制给出了对区分服务的支持策略、队列设计方法、阈值机制和流量控制机制,并研究了支持组播的丢弃概率表的设计方法。首次提出了充分利用路由器全局拥塞信息指导流量控制,及早避免或缓解系统拥塞的思想。论文研究并实现了MQ-Router模型的全局流量控制算法。设计了报文丢弃策略:利用队列阈值与报文属性阈值相结合的多阈值控制机制,对不同优先级的报文进行相应的处理;对于等待交换的报文和等待输出的报文,根据丢弃概率进行丢弃。并且运用稳定性理论原理给出了报文丢弃概率的计算方法。论文研究并实现了MQ-Router模型的宏差分流带宽管理算法。该算法根据每条流的供给速率是否符合其最小带宽和最大带宽要求、流的优先级以及系统的拥塞情况,决定流的丢弃概率,进行丢弃决策,从而调整每条流获得的带宽,满足每条流的QoS需求。论文研究并实现了MQ-Router模型的两种并行支撑机制,即网络处理器多线程并行处理机制对报文处理速度的影响、并行存储访问机制对系统吞吐量的影响,给出了有效的解决方案。上述全局流量控制算法、宏差分流带宽管理算法、多线程并行处理机制以及并行存储访问机制均在基于MQ-Router模型的高性能QoS路由器原型系统中得到了实验验证,验证结果表明,上述算法或机制均能有效改善路由器的相关技术指标,综合采用上述措施能够显著提高路由器的整体QoS性能。本文的研究受到国家自然科学基金重点课题和国家863计划重点课题支持,主要研究成果已应用于“新一代互联网高性能路由器”,取得了良好的效果。该项目2006年国家科技进步奖二等奖已通过评审。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 网络应用的发展
• 1.1.2 网络技术的发展
• 1.1.3 QoS体系结构的发展
• 1.2 组播环境下高性能QOS路由器的主要问题
• 1.2.1 QoS路由器模型及其处理机制
• 1.2.2 流量控制问题
• 1.2.3 路由器QoS支撑机制研究
• 1.3 论文研究内容和主要贡献
• 1.4 内容安排和论文结构
• 第二章 相关研究工作
• 2.1 拥塞控制机制
• 2.1.1 端系统拥塞控制算法研究
• 2.1.2 路由器拥塞控制算法研究
• 2.2 对区分服务的支持
• 2.3 并行机制在高性能路由器中的重要作用
• 2.3.1 多线程并行机制
• 2.3.2 提高存储带宽
• 2.4 本章小结
• 第三章 面向组播环境的QOS路由器模型MQ-ROUTER
• 3.1 QOS路由器模型MQ-ROUTER
• 3.2 MQ-ROUTER的QOS处理机制
• 3.3 策略与报文重标记
• 3.4 MQ-ROUTER队列机制
• 3.4.1 输入端
• 3.4.2 交换单元
• 3.4.3 输出端
• 3.5 MQ-ROUTER阈值设计
• 3.5.1 队列长度阈值
• 3.5.2 报文属性阈值
• 3.6 MQ-ROUTER模型的流量控制机制
• 3.6.1 全局拥塞控制反馈机制
• 3.6.2 多阈值控制机制
• 3.6.3 支持组播的传输/丢弃概率表设计
• 3.7 MQ-ROUTER模型的报文处理流程
• 3.8 本章小结
• 第四章 MQ-ROUTER的全局流控和带宽管理算法
• 4.1 支持组播QOS的全局端口状态感知拥塞控制算法CAGPS
• 4.1.1 主要思想
• 4.1.2 算法描述
• 4.1.3 计算丢弃概率
• 4.1.4 实现及验证
• 4.2 面向单播和组播QOS的带宽管理算法BMPDF
• 4.2.1 路由器内部带宽分配
• 4.2.2 宏差分流带宽分配算法描述
• 4.2.3 宏差分流丢弃概率计算
• 4.2.4 实验验证
• 4.3 本章小结
• 第五章 MQ-ROUTER模型并行支撑机制及算法
• 5.1 多线程并行机制
• 5.1.1 线程停顿类型
• 5.1.2 线程停顿对性能的影响
• 5.1.3 多线程停顿隐藏原理
• 5.1.4 并行机制与处理器性能之间的关系
• 5.1.5 实现与测试结果
• 5.2 并行存储访问机制
• 5.2.1 并行存储设计
• 5.2.2 测试结果
• 5.3 本章小结
• 第六章 基于MQ-ROUTER模型的路由器原型系统的实现
• 6.1 路由器控制模型
• 6.2 验证MQ-ROUTER模型的路由器结构
• 6.2.1 硬件结构
• 6.2.2 微码结构与功能
• 6.2.3 控制微码
• 6.2.4 转发微码
• 6.2.5 NPAS服务
• 6.3 验证模型的相关QOS机制实现
• 6.3.1 主要定时器
• 6.3.2 主要计数器
• 6.3.3 多阈值机制的实现
• 6.3.4 全局反馈机制的实现
• 6.3.5 流队列调度步长
• 6.4 测试结果
• 6.5 本章小结
• 第七章 结束语
• 7.1 本文总结
• 7.2 研究工作展望
• 致谢
• 攻读博士期间发表的论文
• 攻读博士期间参与的科研工作和获奖情况
• 参考文献
• 缩略语