基于网络处理器的流量控制设计与实现

论文摘要

随着互联网技术的发展,网络业务更加多样化和复杂化,网络流量日趋增加。作为承载网络服务的基础,对流量进行智能化的控制日益重要。但由于网络流量是海量而非线性的,对其控制的效率问题成为网络流量控制机制研究的瓶颈问题。为了提高处理速度,流量控制已经从软件控制转向软硬件结合的控制方式。而网络处理器则是为网络应用领域所专门设计的集成电路,具有可扩展性以及高速处理数据包的能力。网络处理器的出现将经典的“存储-转发”结构变为“存储-处理-转发”结构,为流量控制中的高速数据包处理提供了可能。本文研究了网络处理器的硬件构架及结构特点,软件模型,重点研究了网络处理器并行处理能力。本文以网络处理器为平台,提出了基于该平台的流量控制机制,设计和实现了该机制中的核心算法。该流量控制机制基于区分服务模型,包含四个数据包处理模块:包分类模块、标记与整形模块、队列管理模块、以及队列调度模块。本文对四个模块中所涉及到的相关算法进行了研究。为了适应流量控制机制的特点,对各个模块选择了适合的算法。其中:包分类模块采用软硬件结合的策略实现对数据包的快速有效分类;标记与整形模块采用STRCM算法对业务流加以标记区分;队列管理模块采用加权随机早期检测算法避免网络拥塞;队列调度模块中采用低队列延迟算法确保低延迟要求下的业务流优先调度,并提供最小带宽保证和业务隔离。所提出的流量控制机制结合了软件和硬件两方面的特点,既具有软件的灵活性,又具有硬件的高效性。为了对算法性能进行分析,本文选用Intel第二代网络处理器IXP2800构造基于网络处理器流量控制机制的硬件平台,以Intel SDK 4.2 Workbench Developer作为软件仿真平台,通过网络处理器中微引擎单元分别实现流量控制机制中相应包处理模块,基于多线程机制实现算法的并行,提高数据包处理效率,同时使流量控制机制更加模块化,易于扩展。实验结果表明,本文所提出得到算法能够达到对流量的分类、标记整形、队列管理及调度的目标。此外,算法能够满足高达10Gb/s网络流量的处理要求,大幅度提高了数据包处理的性能,在一定程度上解决了高速、智能网络上包处理的瓶颈问题。实验结果也证明了所提出流量控制机制的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 流量控制机制研究意义
• 1.1.1 流量控制机制的定义
• 1.1.2 流量控制机制与Qos
• 1.1.3 流量控制机制与流量工程
• 1.2 本文研究内容
• 1.3 论文结构
• 第2章 网络处理器
• 2.1 网络处理器的发展
• 2.2 网络处理器的定义与特性
• 2.2.1 网络处理器的定义
• 2.2.2 网络处理器的特性
• 2.3 网络处理器的基本架构
• 2.3.1 Intel IXA 架构
• 2.3.2 Intel 微引擎技术
• 2.3.3 Intel Xscale 技术
• 2.3.4 多线程技术
• 2.4 INTEL IXA 可移植编程架构
• 2.5 INTEL 系列网络处理器
• 2.5.1 Intel IXP2XXX 网络处理器
• 2.5.2 Intel IXP2800 网络处理器
• 2.6 小结
• 第3章 基于网络处理器的流量控制研究
• 3.1 流量控制的基本原理与体系结构
• 3.1.1 流量控制的基本原理
• 3.1.2 流量控制的体系结构
• 3.2 流量控制中的数据包处理
• 3.2.1 包分类
• 3.2.2 标记与整形算法
• 3.2.3 队列管理算法
• 3.2.4 调度
• 3.3 小结
• 第4章 基于网络处理器的流量控制机制NPTC 实现
• 4.1 NPTC 设计思想
• 4.2 NPTC 总体设计方案
• 4.3 NPTC 机制中数据包处理模块实现
• 4.3.1 包处理模块设计
• 4.3.2 包分类模块实现
• 4.3.3 标记与整形模块实现
• 4.3.4 队列管理模块实现
• 4.3.5 队列调度模块实现
• 4.4 小结
• 第5章 试验结果与分析
• 5.1 试验环境
• 5.2 仿真实验与结果分析
• 5.2.1 实验配置
• 5.2.2 仿真过程与结果分析
• 5.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间发表的论文和参加的项目