基于多種網絡體系的路由交換平臺軟件設計與研究

郭益鋒，姚智

（南通市第一人民醫院 信息科，江蘇 南通226001）

基于多種網絡體系的路由交換平臺軟件設計與研究

郭益鋒，姚智

（南通市第一人民醫院 信息科，江蘇 南通226001）

隨著互聯網技術的快速發展以及互聯網業務的不斷繁榮，傳統互聯網絡單一的拓展功能以及穩定性不高等問題已經影響到互聯網技術以及互聯網業務的發展。為解決該問題，本文在總結之前路由交換平臺軟件的問題和不足的基礎上，設計開發了一種基于多種網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絡體系的系統，并且設計了路由交換平臺的交換結構算法。理論分析和仿真實驗表明，該路由交換平臺，能為以網絡流媒體業務為主的多種網絡體系提供良好的服務，達到了設計要求。

網絡業務多變性；路由交換平臺；可變定長分組交換；均衡調度機制

隨著科學技術突飛猛進的發展以及人們對信息技術越來越重視，為了滿足網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絡發展計劃。希望通過心意到的網絡發展計劃使得網絡體系在協議，業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絡方面的專家，許多數學家，通信領域的專家，甚至經濟領域的專家都參與進來，為了制定一個先進的，穩定的理論基礎。新一代網絡研究的問題很多，但其中比較重要的一部分就是現在很熱門的三網融合。所謂三網融合，就是將有線電視網，電信網以及因特網合并到一起。在網絡技術發展的過程中，網絡自身具有的動態性限制了使用者與研究人員對其進行全面而有效地分析，導致了網絡業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，高效動態地組織網絡資源，提供網絡服務，并最終實現資源可配置、節點可重構、功能可重組的可重構網絡。在此概念的基礎上，文中提出了一個基于多種網絡體系的路由交換平臺軟件設計，根據需求設計出平臺的結構，以框架結構為基礎，設計了可以支持多種網絡體系的交換方式，交換結構以及交換機制，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絡交換技術與網絡業務需求之間存在的矛盾［1-2］。

1 系統總體框架設計

多種網絡體系的路由交換平臺的特點和優勢就是功能比較靈活，但伴隨著功能的靈活，平臺的結構就不可避免要設計的相對復雜。也就是說，若平臺結構的層次越多越分明，功能就更多樣，同時路由交換平臺的重構粒度越小，其功能也越靈活，平臺的結構也越復雜。為了在靈活性與結構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構簡單化，必須從重構維度和重構粒度兩方面入手，路由交換平臺合理的確定了節點的重構維度和重構粒度，其框架如圖1所示，包括重構管理平面、控制平面、交換平面、轉發平面、接入平面以及各個平面間的連接鏈路［3］。其中在右側的重構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據庫進行控制。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。系統將這些不同的資源進行整合，形成簡單的系統處理模塊，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絡體系的路由交換。網絡用戶可以根據研究和應用需求進行個性化構件設計，并在已經構建好的重構框架中進行加載和應用［4］。

圖1 路由交換平臺框架結構圖

2 路由交換平臺的交換方式

因特網中維持不同網絡業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是有分組時長度是否固定來區別的。前一種分組方式在面對復雜多樣的網絡要求時可以體現其穩定性和廣泛性，但是在進行大量數據傳輸的過程中，由于自身的拓展性較差，會導致傳送速率低，還會產生明顯的數據抖動。若一直采用此交換方式進行數據交換，由于自身系統產生的延遲以及數據失真會對系統結構造成很大的損壞，會嚴重影響到服務質量和使用者的體驗。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務，系統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量的下滑，但因為約束條件太多，大大的限制和影響了網絡體系結構的擴展性［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為代表的全網絡定長分組交換，該模式的特點是在傳輸的過程中，各個節點以及傳輸方式使用的都是長度固定的信號，另一種是在因特網中使用比較廣泛的路由器內部定長分組交換，該模式的特點是在傳輸的過程中使用的是不定長模式，而在交換結構中采用的是定長交換。本系統選擇的是后者，也就是內部分組交換，因為此模式可以根據使用者的需求，進行靈活的調整。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構進行不定長的分組，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構，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將每片結構進行重新排列。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 路由交換平臺實現方案

路由交換平臺的實現方案可以從數據鏈路層、網絡層和交換結構的重構角度進行討論和分析。在數據鏈路層中，該平臺的重新構成需要設計到五層參考模型的物理層，數據鏈路層和網絡層。在物理層，SDH和DWDM等光纖傳輸技術已經能為可重構路由交換平臺支持多種網絡體系提供統一的承載模式。可重構路由交換平臺的實現方案如圖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構成，能夠完成可重構路由交換平臺數據鏈路層的承載和重構。轉發平面由一組轉發平面入級組件FPIG和一組轉發平面出級組件FPOG構成，能夠完成可重構路由交換平臺網絡層的承載和重構，在此過程中FPIG和FPOG所扮演的作用是為每一個網絡節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方案中，重構組件與控制組件一樣嵌入在轉發組件中［7-8］。

本路由交換平臺軟件在數據鏈路層采用的是統一的網絡業務流，其種類依據數據鏈路層各層的作用以及類型的不同而不同。其每一層承載的網絡業務是各不相同的，這些不同的業務都可經過本路由交換平臺的輸入端口進入，在數據層進行輸入輸出操作后接入平面入級組件IPIG，各個不同的網絡業務經過數模轉換以及串并聯的操作后，由IPIG的幀分路構件依據其數據鏈路層幀結構的承載網絡類型域進行分類。分類時，根據業務需求的不同，將不同的業務依據邏輯的先后順序自動的分配到對應的下載節點中，等待轉發或者處理。通常說的路由交換平臺網絡層的重構其實分為兩個部分，一個是可重構路由交換平臺中邏輯承載節點的增加或刪除導致的轉發組件FPGA的重構，另一個是可重構路由交換平臺采用可變定長分組交換方式。在平臺中，每一個邏輯節點都都提供一種網絡服務，所以在平臺的設計過程中，為了實現更多的服務，盡可能多的在每條主線上設計各個不同的邏輯節點，這樣就會提供盡可能多的網絡服務，不同的業務會自動對應所屬的網絡邏輯節點，每個節點會根據用戶的需求進行自行的處理或者輸入輸出數據，分段后的網絡業務流分組，將按照分組頭部的輸入輸出端口域和承載網絡業務域存儲在可重構路由交換平臺的交換組件SG的輸入緩存中［9］。

圖3 路由交換平臺實現方案示意圖

4 性能仿真與分析

為了驗證基于多種網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使用的RESA算法進行仿真實驗，并且將實驗結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，具體的結構如圖4所示。未來網絡業務主要以網絡流媒體業務為主，因此，時延抖動性能是調度算法的適應未來網絡業務發展的重要指標。所以在此系統的測試時，著重對輸出端口在進行大數據以及高流量時的時延抖動性進行了細致的測試和分析，經過與一般系統比較后可知，RESA調度算法不僅維護了網絡業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仿真軟件結構圖

5 結 論

傳統信息網絡發展的動態性，導致人們難以全面地對網絡行為進行有效分析，同時，網絡穩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絡體系的系統。經過對算法的設計與仿真實驗表明，該路由交換平臺，能為以網絡流媒體業務為主的多種網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：機械工業出版社，2007.

［3］徐悟，計算機網絡一體系結構、協議機制、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，梁恩志自相似業務模型進展通信學報［M］.北京：電子工業出版社，2004.

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［7］水平，史俊杰，田慶安.開關穩壓電源—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：醫學信息管理。