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(luò)體系的路由交換平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)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(shù)的快速發(fā)展以及互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的不斷繁榮，傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)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(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展。為解決該問題，本文在總結(jié)之前路由交換平臺(tái)軟件的問題和不足的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于多種網(wǎng)絡(luò)體系的路由交換平臺(tái)軟件，設(shè)計(jì)了平臺(tái)的總體框架，并在總框架的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了能適應(yīng)多種網(wǎng)絡(luò)體系的系統(tǒng)，并且設(shè)計(jì)了路由交換平臺(tái)的交換結(jié)構(gòu)算法。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)表明，該路由交換平臺(tái)，能為以網(wǎng)絡(luò)流媒體業(yè)務(wù)為主的多種網(wǎng)絡(luò)體系提供良好的服務(wù)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)多變性；路由交換平臺(tái)；可變定長(zhǎng)分組交換；均衡調(diào)度機(jī)制

隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展以及人們對(duì)信息技術(shù)越來越重視，為了滿足網(wǎng)絡(luò)使用者日益增加的需求，很多國(guó)家和組織計(jì)劃實(shí)施新一代的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展計(jì)劃。希望通過心意到的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展計(jì)劃使得網(wǎng)絡(luò)體系在協(xié)議，業(yè)務(wù)以及普及程度上得到一個(gè)大的提升。在計(jì)劃的實(shí)施過程中，參與研究的不僅是網(wǎng)絡(luò)方面的專家，許多數(shù)學(xué)家，通信領(lǐng)域的專家，甚至經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的專家都參與進(jìn)來，為了制定一個(gè)先進(jìn)的，穩(wěn)定的理論基礎(chǔ)。新一代網(wǎng)絡(luò)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(luò)技術(shù)發(fā)展的過程中，網(wǎng)絡(luò)自身具有的動(dòng)態(tài)性限制了使用者與研究人員對(duì)其進(jìn)行全面而有效地分析，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)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(tái)的概念，通過將網(wǎng)絡(luò)使用者和潛在運(yùn)營(yíng)商以及服務(wù)商分離開來的思想，高效動(dòng)態(tài)地組織網(wǎng)絡(luò)資源，提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并最終實(shí)現(xiàn)資源可配置、節(jié)點(diǎn)可重構(gòu)、功能可重組的可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。在此概念的基礎(chǔ)上，文中提出了一個(gè)基于多種網(wǎng)絡(luò)體系的路由交換平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)，根據(jù)需求設(shè)計(jì)出平臺(tái)的結(jié)構(gòu)，以框架結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了可以支持多種網(wǎng)絡(luò)體系的交換方式，交換結(jié)構(gòu)以及交換機(jī)制，并設(shè)計(jì)了路由交換平臺(tái)的軟件和方案，綜合方案的提出，設(shè)計(jì)以及完成，能較好地解決當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求之間存在的矛盾［1-2］。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

多種網(wǎng)絡(luò)體系的路由交換平臺(tái)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)就是功能比較靈活，但伴隨著功能的靈活，平臺(tái)的結(jié)構(gòu)就不可避免要設(shè)計(jì)的相對(duì)復(fù)雜。也就是說，若平臺(tái)結(jié)構(gòu)的層次越多越分明，功能就更多樣，同時(shí)路由交換平臺(tái)的重構(gòu)粒度越小，其功能也越靈活，平臺(tái)的結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。為了在靈活性與結(jié)構(gòu)復(fù)雜性中找到一個(gè)平衡點(diǎn)，即在保證滿足使用者需求的前提下盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(tái)合理的確定了節(jié)點(diǎn)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(gè)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(duì)交換流程和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行控制。其余的4個(gè)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(jì)算進(jìn)程、緩存交換開關(guān)、存儲(chǔ)器和拓?fù)溥B接等。系統(tǒng)將這些不同的資源進(jìn)行整合，形成簡(jiǎn)單的系統(tǒng)處理模塊，這些模塊由于是由各個(gè)不同的資源組合而成，進(jìn)而帶有各個(gè)資源本身的功能，所以可以支持多種網(wǎng)絡(luò)體系的路由交換。網(wǎng)絡(luò)用戶可以根據(jù)研究和應(yīng)用需求進(jìn)行個(gè)性化構(gòu)件設(shè)計(jì)，并在已經(jīng)構(gòu)建好的重構(gòu)框架中進(jìn)行加載和應(yīng)用［4］。

圖1 路由交換平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)圖

2 路由交換平臺(tái)的交換方式

因特網(wǎng)中維持不同網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)信息是需要分組進(jìn)行的，其中組別分為頭部和負(fù)載兩部分，其中又可以細(xì)分為不定長(zhǎng)分組交換和定長(zhǎng)分組交換兩種方式，這兩種方式的判別依據(jù)是有分組時(shí)長(zhǎng)度是否固定來區(qū)別的。前一種分組方式在面對(duì)復(fù)雜多樣的網(wǎng)絡(luò)要求時(shí)可以體現(xiàn)其穩(wěn)定性和廣泛性，但是在進(jìn)行大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，由于自身的拓展性較差，會(huì)導(dǎo)致傳送速率低，還會(huì)產(chǎn)生明顯的數(shù)據(jù)抖動(dòng)。若一直采用此交換方式進(jìn)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(huì)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)造成很大的損壞，會(huì)嚴(yán)重影響到服務(wù)質(zhì)量和使用者的體驗(yàn)。為了能在不定長(zhǎng)分組交換方式下支持實(shí)時(shí)交互式流媒體業(yè)務(wù)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者提出了很多改進(jìn)技術(shù)，雖然這些技術(shù)可以緩解服務(wù)質(zhì)量的下滑，但因?yàn)榧s束條件太多，大大的限制和影響了網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展性［5-6］。

所以在實(shí)際應(yīng)用中，最常用也是最科學(xué)的還是選擇定長(zhǎng)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(luò)定長(zhǎng)分組交換，該模式的特點(diǎn)是在傳輸?shù)倪^程中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)以及傳輸方式使用的都是長(zhǎng)度固定的信號(hào)，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(zhǎng)分組交換，該模式的特點(diǎn)是在傳輸?shù)倪^程中使用的是不定長(zhǎng)模式，而在交換結(jié)構(gòu)中采用的是定長(zhǎng)交換。本系統(tǒng)選擇的是后者，也就是內(nèi)部分組交換，因?yàn)榇四Ｊ娇梢愿鶕?jù)使用者的需求，進(jìn)行靈活的調(diào)整。該模式的方案分為3個(gè)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(jìn)行不定長(zhǎng)的分組，具體來說，分組時(shí)需要將分割的長(zhǎng)度進(jìn)行比較，若分組時(shí)的長(zhǎng)度小于負(fù)載可以接受的長(zhǎng)度時(shí)，采用尾部填零的方法對(duì)齊定長(zhǎng)分組的有效負(fù)載長(zhǎng)度，如圖2所示，分割長(zhǎng)度大于負(fù)載接受的極限時(shí)，則再次進(jìn)行不定長(zhǎng)分組，若最后一個(gè)分片長(zhǎng)度小于有效負(fù)載則同樣采用尾部填零的方法補(bǔ)齊如。第二部就是在分組完成后的每一部分前加上一個(gè)有效地負(fù)載原件，使之成為一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)，并在后面的交換操作中進(jìn)行處理。最后，在交換處理完成后，按照之前不定長(zhǎng)分組的順序?qū)⒚科Y(jié)構(gòu)進(jìn)行重新排列。這么選擇的原因是可以對(duì)硬件電路起到簡(jiǎn)化的左右，方面電路的設(shè)計(jì)與維護(hù)，控制資源的合理運(yùn)用，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和可控行，降低了交換操作時(shí)傳輸帶寬的利用率。

圖2 不定長(zhǎng)分組長(zhǎng)度小于有效負(fù)載長(zhǎng)度情形

3 路由交換平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方案

路由交換平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方案可以從數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和交換結(jié)構(gòu)的重構(gòu)角度進(jìn)行討論和分析。在數(shù)據(jù)鏈路層中，該平臺(tái)的重新構(gòu)成需要設(shè)計(jì)到五層參考模型的物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。在物理層，SDH和DWDM等光纖傳輸技術(shù)已經(jīng)能為可重構(gòu)路由交換平臺(tái)支持多種網(wǎng)絡(luò)體系提供統(tǒng)一的承載模式?？芍貥?gòu)路由交換平臺(tái)的實(shí)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(jí)組IPIG和一組接入平面出級(jí)組件IPOG構(gòu)成，能夠完成可重構(gòu)路由交換平臺(tái)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(jí)組件FPIG和一組轉(zhuǎn)發(fā)平面出級(jí)組件FPOG構(gòu)成，能夠完成可重構(gòu)路由交換平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)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(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供了一個(gè)邏輯承載點(diǎn)。這個(gè)過程中還有一個(gè)比較重要的問題就是，如圖3所示的交換平臺(tái)示意圖中，真正的重構(gòu)器件其實(shí)并沒有像別的組件那樣真實(shí)的嵌入到平臺(tái)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(jiǎn)單的對(duì)平臺(tái)的各個(gè)組件進(jìn)行控制和分析，但是在實(shí)際的也就是最終實(shí)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(tái)軟件在數(shù)據(jù)鏈路層采用的是統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)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(luò)業(yè)務(wù)是各不相同的，這些不同的業(yè)務(wù)都可經(jīng)過本路由交換平臺(tái)的輸入端口進(jìn)入，在數(shù)據(jù)層進(jìn)行輸入輸出操作后接入平面入級(jí)組件IPIG，各個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)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(luò)類型域進(jìn)行分類。分類時(shí)，根據(jù)業(yè)務(wù)需求的不同，將不同的業(yè)務(wù)依據(jù)邏輯的先后順序自動(dòng)的分配到對(duì)應(yīng)的下載節(jié)點(diǎn)中，等待轉(zhuǎn)發(fā)或者處理。通常說的路由交換平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)層的重構(gòu)其實(shí)分為兩個(gè)部分，一個(gè)是可重構(gòu)路由交換平臺(tái)中邏輯承載節(jié)點(diǎn)的增加或刪除導(dǎo)致的轉(zhuǎn)發(fā)組件FPGA的重構(gòu)，另一個(gè)是可重構(gòu)路由交換平臺(tái)采用可變定長(zhǎng)分組交換方式。在平臺(tái)中，每一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)都都提供一種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，所以在平臺(tái)的設(shè)計(jì)過程中，為了實(shí)現(xiàn)更多的服務(wù)，盡可能多的在每條主線上設(shè)計(jì)各個(gè)不同的邏輯節(jié)點(diǎn)，這樣就會(huì)提供盡可能多的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，不同的業(yè)務(wù)會(huì)自動(dòng)對(duì)應(yīng)所屬的網(wǎng)絡(luò)邏輯節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)用戶的需求進(jìn)行自行的處理或者輸入輸出數(shù)據(jù)，分段后的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流分組，將按照分組頭部的輸入輸出端口域和承載網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)域存儲(chǔ)在可重構(gòu)路由交換平臺(tái)的交換組件SG的輸入緩存中［9］。

圖3 路由交換平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方案示意圖

4 性能仿真與分析

為了驗(yàn)證基于多種網(wǎng)絡(luò)體系的路由交換平臺(tái)軟件的性能，本測(cè)試采用的是麻省理工大學(xué)研制的SIM仿真軟件，利用此軟件對(duì)本系統(tǒng)使用的RESA算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并且將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其它算法進(jìn)行比較。SIM軟件是一種基于時(shí)間間隔控制的仿真器，整個(gè)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊并聯(lián)連接，每個(gè)模塊的作用也各不相同，可以做到分時(shí)復(fù)用，具體的結(jié)構(gòu)如圖4所示。未來網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)主要以網(wǎng)絡(luò)流媒體業(yè)務(wù)為主，因此，時(shí)延抖動(dòng)性能是調(diào)度算法的適應(yīng)未來網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)發(fā)展的重要指標(biāo)。所以在此系統(tǒng)的測(cè)試時(shí)，著重對(duì)輸出端口在進(jìn)行大數(shù)據(jù)以及高流量時(shí)的時(shí)延抖動(dòng)性進(jìn)行了細(xì)致的測(cè)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(hù)了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流帶寬分配的公平性，還具有比WFQ更好的時(shí)延抖動(dòng)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(luò)發(fā)展的動(dòng)態(tài)性，導(dǎo)致人們難以全面地對(duì)網(wǎng)絡(luò)行為進(jìn)行有效分析，同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)了一種可以支持多種網(wǎng)絡(luò)體系的路由交換平臺(tái)軟件，設(shè)計(jì)了平臺(tái)的總體框架，并在總框架的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了能適應(yīng)多種網(wǎng)絡(luò)體系的系統(tǒng)。經(jīng)過對(duì)算法的設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)表明，該路由交換平臺(tái)，能為以網(wǎng)絡(luò)流媒體業(yè)務(wù)為主的多種網(wǎng)絡(luò)體系提供良好的服務(wù)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

［1］吳援明，寧正容，梁恩志.自相似業(yè)務(wù)模型進(jìn)展通信學(xué)報(bào)［M］.北京：人民郵電出版社，2003.

［2］梁振光.電磁兼容原理技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］徐悟，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)一體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議機(jī)制、算法設(shè)計(jì)與路由器技術(shù)［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(wù)模型進(jìn)展通信學(xué)報(bào)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

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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(hào)：201510059

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