（通信与信息系统专业论文）diffserv在高速路由转发平面的研究与微码实现.pdf

摘要 随着传输技术的发展和光纤技术在核心网的广泛应用，网络的“瓶颈”已从 链路转向节点。宽带化和高速化成为核心网路出器的发展趋势。而伴随网络流量 的增长，流量类型也日渐多样化。这就需要核心网路由器一改传统，在处理日益 膨胀的信息流的同时，具有区分服务能力，以满足不同业务的不同服务质量要求。 本文选用d i f f s e r v 作为核心网路由器实现i pq o s 的模型。在研究d i f t s e r v 模 型理论的基础上，给出了基于网络处理器的高速d i f f s e r v 路由器的物理实现结构 和逻辑层次。然后重点研究了路由转发平面上d i f f s e r v 的关键实现技术。针对现 有分类技术对i p v 6 支持的缺陷，提出了一种支持i p v 6 多域分类的算法，并对算法 性能进行了评估。依托i n t e l 网络处理器i x p 2 8 0 0 平台，设计了高速路由转发平面 实现d i f f s e r v 的总体方案，提出了各关键技术的具体实现方案，并在i n t e ls d k 4 0 开发环境下采用微码编程实现。为了满足高速数据流的处理要求，在分类技术的 微码实现中，对传统的流缓存模型进行了改进。为了更好地满足性能要求，还给 出了优化思路。 转发平面的整体方案，在s d k 4 0 提供的仿真环境下进行了性能仿真，在t 比 特路由器平台系统上进行了功能实测。测试结果表明在达到线速性能要求的同时 可以实现区分服务。 关键词：d i t t s e r v 路由转发平面网络处理器分类流量调节 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go ft r a n s f e rt e c h n o l o g ya n dt h ea p p l i c a t i o no ff i b e ri nt h ec o r e n e t w o r k ，t h eb o t t l e n e c ko fn e t w o r kh a st u r n e dt on o d ef r o ml i n k c o r er o u t e rb e c o m e s h i g h - s p e e da n db r o a d b a n dm o r ea n dm o r e 。b u tt h et y p e so ft r a f f i ca r ed i v e r s i f o r mw i t h t h ee x p l o d i n go fd a t as t r e a m t h i sn e e d st h ec o r er o u t e rt oh a v et h ea b i l i t yo f d i f f e r e n t i a t i n gt h es e r v i c e sw h i l ep r o c e s s i n gt h ee x p l o d i n gt r a f f i cw h i c hi s d i f f e r e n t f r o mt h et r a d i t i o n a lo n e s t h i sp a p e rc h o o s e sd i f f s e r va st h em o d e lf o rr e a l i z a t i o no fl pq o so nt h ec o r er o u t e r o nt h eb a s eo fr e s e a r c h i n go nt h et h e o r yo fd i l t s e r v , t h ep h y s i c a la r c h i t e c t u r ea n d l o g i c a ll a y e r so fd i f f s e r vr o u t e rb a s e do r ln e t w o r kp r o c e s s o ra r eg i v e n t h e np u tt h e e m p h a s i so nt h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rr e a l i z a t i o no fd i f f s e r vo nr o u t i n gd a t ap l a n e i n a l l u s i o nt ot h el i m i t a t i o no ft r a d i t i o n a lc l a s s i f i c a t i o ni ns u p p o r to fi p v 6 ，t h ep a p e r a d d r e s s e saa l g o r i t h mf o ri p v 6m u l t i f i e l dc l a s s i f i c a t i o na n de v a l u a t e st h ea l g o r i t h m p e r f o r m a n c e o nt h eg r o t m do fp l a t f o r mo fi u t e ln e t w o r kp r o c e s s o r , i x p 2 8 0 0 ，t h e h i g h - l e v e lp l a no fd i f f s e r va p p l i c a t i o no nh i g h - s p e e dr o u t i n gd a t a p l a n ei sd e s i g n e da n d t h e nt h ep l a n sf o re a c ho fk e yt e c h n o l o g i e s m o s to ft h ep l a n sh a sb e e nc o d e di nt h e s d k 4 0d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tu s i n gm i e r o c o d e t om e e t t h en e e do f m g h s p e e d t h i sp a p e ra l s og i v e st h em e t h o df o ro p t i m i z i n g t h et o t a lp l a ni ss i m u l a t e di nt h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n to fs d k 4 0f o r p e r f o r m a n c ea n dt e s t e do i lt h ep l a t f o r mo ft e r a b rr o u t e rf o rf u n c t i o n s t h ep l a nc a n r e a l i z ed i f f e r e n t i a t i n gs e r v i c e sa tt h es a m et i m ek e e p i n gt h el i n e r a t ep e r f o r m a n c e k e y w o r d ：d i f f s e r v r o u t i n gd a t a p l a n e n e t w o r kp r o c e s s o rc l a s s i f i e r t r a f f i ee o n d i t i o r t e r 创新性声明 y 6 9 5 3 8 4 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中加以标注和致酣中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期 立巫垦! 目 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证离 校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名 日期：之型! 自 n 期：o j _ ! 兰望 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 在过去的3 0 多年罩，i p 网络显示了其强大的生命力。i p 网络的前身是 a r p a n e t 网络。1 9 6 9 年美国国防部处于军事目的研制了a r p a n e t 网络，由于 其体系结构和技术的开放性，被学校、科研机构所采用。最初的i p 网络并不大， 主要用于科研团体内部的文件传递和数据共享。2 0 世纪9 0 年代以后，w e b 技术 的出现，将i p 网络的发展推向高潮。i n t e r e n t 作为最大的i p 网络，网络规模和业 务量以每6 8 个月翻一番的速度增长。在我国，预计未来1 0 年，骨干网所需的容 量将至少是今天的数十上百倍，超大容量将成为下一代网络的基本特征【4 4 1 。骨干 网的通信能力将提高到太比特级( 1 0 ”b i t s ) 。 随着密集波分复用技术w d w m ( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 4 3 1 等 光纤技术在骨干网络的广泛应用，光纤链路的容量每1 2 个月就增大一倍。而做为 网络的核心设备路由器，其核心处理器的处理速度则是每1 8 个月增加一倍( 摩尔 定律) 。这种滞后一步( 1 0 c k s t e p ) 的发展关系，使得网络的发展的“瓶颈”已由 网络链路转向了业务节点路由器。宽带化和高速化成为路由器特别是骨干网路由 器发展的一个趋势【4 。 伴随网络容量的不断扩大，网络上的业务类型也在向多样化发展。传统的以 e m a i l ，f t p ( f i l et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 等为主的非实时数据业务已不能满足人们的 需求。视频会议，视频点播v o d ( v i d e oo nd e m a n d ) ，i p 电话等实时多媒体业务 正以前所未有的速度涌现。i p 网络正在从单纯的数据传输网向可以同时承载普通 数据流、音频流和视频流的多业务承载网演进。 但是，由于i p 技术先天的“公平性”，对所有数据报文都做无差别处理，在数 据报文传输过程中，也没有简单易行的传输优先权设置和保障办法，因此传统的 基于i p 技术的路由器也只能提供“尽力而为”的服务。在这样的服务模式下，对 于i p 语音、v o d 此类时延敏感的应用来说，确保数据报文的有效传输即q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 始终是一个有难度的问题。因此，智能化，对q o s 的支持是 骨干网路由器发展的另一个趋势。 针对服务质量的问题，2 0 世纪9 0 年代初期，i e t f 组织在i pq o s 领域做了第一 次尝试，并于1 9 9 年推出了基于资源预留r s v p ( r e s o u c er e s e v a t i o np r o t o c 0 1 ) 的 i n t s e r v 解决方案【6 8 】。i n t s e r v 是一种基于流的q o s 技术。它主要借鉴了窄带p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t ) 领域的成功经验，通信前先通过信令协议建立端 d i f f s e r v 卉高速路由转发平面的聊究与徽码实现 到端的通信路径，从而提供一种面向连接的服务质量有保障的服务。但同样的思 想在i p 领域却没有获得成功，其中一个重要的原因在于i p 网络与p s t n 网络的流量 模型和业务模型是不同的p5 】；同时i n t s e r v 面向动态虚电路、依赖于网络流状态的特 点决定了其高复杂性，最终导致其可扩展性差、鲁棒性差、实现难度大，因而发 展逐渐受阻，从其推出至今并没有获得规模的商用。 为了寻求扩展性和简易性，i e t f 组织在1 9 9 8 年提出了基于d s c p ( d i f f s e r v c o d ep o i n t ) 的d i f f s e r v 解决方案1 7 ，】。这是一种基于类的q o s 技术。它将应用数 据流聚合为有限数量的类，并为之分配不同的服务优先级，从而满足不同业务的 q o s 要求。d i f f s e r v 摒弃了i n t s e r v 中复杂的信令操作，将复杂的流量监管、分类 等操作推向网络的边缘，简化了网络核心处的处理，从而很好地解决了扩展性问 题。与i n t s e r v 相比，d i f f s e r v 具有如下的优点： 实现简单 d s 域和d s 区的两级层次化结构：在d s 域内，保持服务提供策略和p h b 的一致性；但d s 区内的各d s 域可以支持不同的p h b 和不同的服务提供策略， 从而为i n t e m e t 中各i s p 提供不同接入服务的商业模式提供了便利。 总体集中控制策略( i n t s e r v 采用分布式的控制策略) ，便于网络的管理。 灵活性与通用性提高。利用面向对象的模块化思想与封装思想，逻辑模块之 间既相对独立，又可以有多种组合，为商家预留了施展空间。 处理效率高，部署及实施可以分步进行。 正是由于上述原因，在企业网内部和核心网等大规模网络中，d i f f s e r v 已得到 广泛地应用。在高速路由器( 骨干路由器) 上实现d i f l s e r v 模型将可以有效地解 决核心网处业务多样化所带来的不同服务质量需求的难题。 1 2d i f f s e r v 在路由器中的应用现状 由于i n t s e r v 实现复杂，国内外众多路由器生产厂商推出的具有q o s 功能的路 由器都支持d i _ s e n ，模型。这种设备能够根据预先设置的策略对数据流进行精确 的分类和管理，并在它们进入广域网之前对其进行最适合的标记，因此可以实现数 据流快速和高效的交换，达到真正的端到端的服务质量。但是由于r f c 相关规范 中仅给出了模型框架，并没有给出具体的实现方式，目前d i f f s e r v 的实现还没有 一个统一的方法。下面就对国内外著名路由器设备生产商应用d i f f s e r v 的现状做 简要介绍。 业界龙头c i s c o 公司依托c i s c o i o s 软件p ”，为企业和用户提供目前行业中最为 综合性的服务质量解决方案。c i s c oi o s 是一个与硬件分离的软件体系结构，可根 据网络技术的不断发展，动态升级以适应不断变化的技术( 硬件和软件) 。i o s 可 第一章绪论 以被视作一个网际互连中枢，负责管理和控制复杂的分布式网络的资源和功能， 使得商业用户构造与i e t f 的d i f f s e r v 和i n t s e r v 模型一致的网络。c i s c ol o s 软件中的 d i f f s e r v 模型包括如下5 个功能的实现：( 1 ) 分类部件：采用模块化的q o sc l i ( c o m m o n l a n g u a g ei n f r a s t r u c t u r e ) 结构，提供基于接口、m a c 地址、d s c p 优先 级的多种分类方式，同时支持保证接入速率c a r ( c o m m i t t e da c c e s sr a t e ) 和分布 式保证接入速率d c a r ( d i s t r i b u t e dc o m m i t t e da c c e s sr a t e ) 。( 2 ) 调节部件：采用 基于类的加权公平队列调度算法c b w f q ( c l a s sb a s e dw e i g h t e df a i rq u e u e ) 和加 权早期丢弃w r e d 算法、分布式加权早期丢弃d w r e d ( d i s t r i b u t e dw e i g h e d r a n d o me a r l yd e t e c t ) 的缓冲区管理算法，支持g t s ( g e n e r i c 丁r a m cs h a p p i n g ) 和 f r t s ( f r a m e r e l a yt r a f f i cs h a p p i n g ) 的整形。( 3 ) 转发部件：采用c i s c oe x p r e s s f o r w a r d i n g 转发模块。( 4 ) p h b 部件：e f 采用低延迟队y f j l l q ( l o wl a t e n c yq u e u e ) 实现，a f 使用c b w f q 和w r e d 结合实现。( 5 ) 计费部件：采用基于类的计费 m i b ( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e ) 和c l i 。 作为全球第二大的路由器设备制造商j u n i p e r 公司1 3 4 1 ，则是依托自己强大的硬 件a s i c 设计能力，开发支持d i f f s e r v 功能的i n t e n e tp r o c e s s o ri ia s i c 芯片，提供一 个基于硬件的q o s 路由器。与i n t e r n e t p r o c e s s o r i i a s i c 配套的j u n o s 软件只需对其 进行简单的配置和维护就可以实现良好的d i f f s e r r 功能支持。 国内几大著名的通信设备厂商如华为、中兴、港湾等，在其路由器产品中也 都提供d i f f s e r v 支持。 华为于2 0 0 1 年推出的n e s 0 核心骨干路由器1 3 ”，采用支持基于类的队列管理 技术c b q ( c l a s s b a s e dq u e u i n g ) 等先进调度技术和w r e d 算法，提供精确的流 量监管和流量整形功能；提供定义复杂规则的功能，可以鉴别细粒度的流，提供 基于d i f f s e r v 完善的q o s 保证。 中兴z x r l 0 系列路由器【37 1 ，通过对流量进行分类、排队以及优先队列机制， 实现基于流、用户或应用的d i f f s e r v 解决方案。另外该系列路由器还可以通过硬 件的速率限制和m p l s 进一步完善相关的功能。 港湾网络的n e th a m m e r 系列路由器【3 8 】支持基于d i f f s e r v 模型的i p m p l s q o s 策略，为网络业务流量提供了精确的流分类粒度：支持c a r g t s 流量整形、 r e d w r e d 等多种拥寨避免机制和w f q c b w f q 等多种队列管理机制，精确保 证不同业务的带宽和时延，极大地增强了对网络流_ 蕈= 拥塞的有效控制。 从上述应用可以看出，d i i t s e r v 已经成为中低端路由器中不可或缺的功能。随 着网络流量向高速化和多样化发展，d i f f s e r v 也正在或将在高端路由器中崭露头 角。国外如c i s c o 公司己推出了支持d i f f s e r v 的太比特级高端路由器，目前国内还 没有推出支持d i f f s e r v 的太比特级高端路由器。 4 d i f f s e r v 在高速路由转发平面的研究与微码实现 1 3 本文的主要内容 本文的目标是基于d i f f s e r v 原理罩理论和其在中低端路由器的的现有应用， 研究如何在高速路由器( 侧重于转发平面) 实现d i f f s e r v 功能，从而保证路由器 线速转发性能的同时提供良好的q o s 服务质量保证以满足骨干路由器高速化和智 能化的发展需求。 为了达到此目标，本文首先对d i f f s e r v 理论进行了深入地研究，重点研究了 d i f f s e r v 在路由器中地实现部件。同时，对高速路由器的体系结构进行了分析，并 从物理和逻辑两个层面分析了d i f f s e r v 在高速路由器的实现，从而对d i f f s e r v 路 由器有一个整体认识。然后，对d i f f s e r v 在路由转发平面的关键实现技术进行了 研究和分析，并以i n t e l 公司的第二代网络处理器支持1 0 g b p s 处理速率的 i x p 2 8 0 0 为开发平台，对d i f f s e r v 在高速路由器转发平面的应用进行了研究和实 现。依据i x p 2 8 0 0 的软件设计规范，提出了高速路由转发平面实现d i f f s e r v 的整 体软件架构设计思路；然后进一步对d i f f s e r v 实现中的各个关键部件进行了实现。 主要包括分类部件，流量调节部件和p h b ( p e rh o pb e h a v i o r ) 。对于分类部件，针 对传统的基于流缓存的分类方法在高速路由器中耗费大量存储资源的不足，本文 对该传统方法进行了改进。基于i p v 6 网络逐渐商用的背景，本文给出了一种支持 i p v 6 多域分类的分类器的设计思路。整体转发平面的代码( 结合转发模块) ，在i n t e l 开发工具提供的仿真环境下进行了仿真，并在t 比特路由器基础平台和实验系统 上进行了实测，测试结果基本可以达到线速转发要求和实现区分服务功能。 本文各章节内容安排如下： 第二章研究了d i f f s e r v 模型，在详细分析了d i t t s e r v 路由器实现的关键部件 的基础上，从物理层面和逻辑层面对高速d i f f s e r v 路由器的体系结构进行了分析。 第三章对路由转发平面实现d i f f s e r v 的几个关键技术进行了研究。并针对传 统方法在高速处理方面的不足，提出了改进和新算法。 第四章给出了基于i x p 2 8 0 0 的d i f f s e r v 在高速转发平面的微码实现方法。首 先对总体实现方案进行了设计，然后对各个关键技术进行了实现。 第五章给出了微码实现方案的仿真验证结果、实测结果和结构分析。 第六章为全文的结束。 第一章d i f f s e r v 路由器体系结构 第二章d i f f s e r v 路由器体系结构 本章第一节首先介绍了d i f f s e r v 模型的基本思想，第二节重点对r f c 规范文 档中d i f f s e r v 路由器的功能部件进行了介绍；第三节介绍了高速d i f f s e r v 路由器 的体系结构。在对传统的路由器系统结构进行了介绍之后，分析了高速路出器实 现d i f f s e r v 的路由体系架构，并对d i f f s e r v 在路由器中物理和逻辑层面的整体实 现进行了分析。 2 1d i f f s e r v 模型原理 d i f f s e r v 的目标在于简单有效，以满足实际应用对可扩展性的要求。d i f f s e r v 采用如下两个途径，达到简单有效处理的目的【l i ： 简化网络内部节点的服务机制。在内部节点只进行简单的调度转发，而流状 态信息的保存与流监控机制的实现等只在边界节点进行，内部节点是状态无关的。 简化网络内部节点的服务对象。采用聚集传输控制，服务对象是流聚集( s t r e a m a g g r e g a t e ) 而非单流，单流信息只在网络边界保存和处理。 目前d i f f s e r v 仍在不断发展，i e t f 成立专门的d i f f s e r v 工作组 7 1 完成d i f f s e r v 的标准化工作。d i f f s e r v 模型的定义在r f c 文档中给出了正式规范。这些定义包 括d i f f s e r v 架构和主要概念【9 1 ，d s 字段的定义【旧1 ，a f 和e f 的逐跳行为p h b ( p e r h o p b e h a v i o r ) 1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 i ，d i f f s e r v 的网络管理。一个典型的d i t t s e r v 模型框架如图 2 1 所示： 图2 - 1d i f t s e r v 模型示意 d i f f s e r v 模型机制中提出了d i f f s e r v 域的概念。一个d i f f s e r v 域由许多路由器 组成，这些路由器按照通用的服务配置策略进行工作，包含处于边界的边缘路由 器和处于内部的核心路由器，如图2 1 所示。d i f f s e r v 模型的基本思想是处于 6d i f f s e r ve 1 高速路由转发平面的研究与微码实现 d i f f s e r v 域边缘的路由器按照分类规则对数据流进行分类，实现数据流的类聚，同 一类称为一个行为聚合b a ( b e h a v i o ra g g r e g a t e ) 。边缘路由器或用户主机为不同 的类分配不同的d s 码点d s c p 值，并将该值映射到i p v 4 报文头的t o s ( t y p eo f s e r v i c e ) 字段和i p v 6 报文头部的t c ( t r a f f i cc l a s s ) 字段。不同的类在核心路由 器中将具有不同的转发特性p h b 。 目前己标准化的p h b 有缺省型b e ( b e s t e f f o r t ) 、加速型e f f ”】 ( e x p e d i t e df o r w a r d i n g ) 、确保型a f l l t l ( a s s u r e df o r w a r d i n g ) 。每一种p h b 都有 推荐的d s c p 码点值i l 。b e 类型的推荐码点为0 0 00 0 0 。 e fp h b 保证任何时候接受此服务流的离丌速率大于或等于设定速率；而且这 种保证不受其它传输流的影响。因而与其它p h b 共存时，e f 总是优先级最高的。 若e f 的实现机制是任意抢占式的，则必须设置e f 流特性的上限( 如最高速率、 最大突发量) ，超过上限的分组一律丢弃，以防止恶意的e f 流肆意凌略其它流。 e f 类型的推荐码点是1 0 1 1 1 0 。 a f 对应的业务初衷是：在网络拥塞的情况下仍能保证用户拥有一定量的预约 带宽，服务原则是：无论是否拥塞，保证用户占有预约的最低限量的带宽；当网 络负载较轻而有空闲资源时，用户也可以使用更多的带宽。根据资源预留规格， 各d s 节点为每个a fp h b 组预留一定量资源，以保证a f 组对应的流在任何时候 能获得预约最小带宽。d s 节点还应保证，在同一a f 组内，低丢弃优先级流聚集 的丢失率应小于高丢弃优先级流；即拥塞时，d s 节点应尽量避免低丢弃优先级流 中的分组被丢弃，而更多的丢掉高丢弃优先级流中的分组。但无论属于哪个优先 级，同一a f 组内不能改变流内分组的顺序。a fp h b 组族包含n 个相互独立的 a f p h b 组，每组中m 个p h b 分属m 个相对丢弃优先级。目前的定义n = 4 ，m = 3 。 a f 类型的推荐码点如表2 2 所示： 表2 2a f 的推荐码点 0 0 0 10 0 0 l l0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1o 0 1 1 1o o 0 l lo 第二章d i f f s e l z v - z 路由器体系结构 2 2d i f f s e r v 路由器的功能部件 r f c 2 4 7 5 一j 中给出了路由器实现d i f f s e r v 模型必须具备的功能部件。在单域 实现d i f f s e r v ，d i f f s e r v 域中的路由器( 也称为d i f l s e r v 路由器) 必须包含如下三 个关键部件：分类器、流量调节器和p h b 。下面对三个关键部件的功能作简单介 绍。 分类器根据数据报文头的某些字段识别业务流中的数据报文，实现数据流的 类聚，然后指导它们进入其它的流量调节器模块接受进一步处理。r f c3 2 8 9 ”j 中 定义了两种分类器：d s c p 分类器( d s c pc l a s s i f i e r ) 和多域分类器( m u l t i p l ef i e l d c l a s s i f i e r ) 。d s c p 分类器仅根据d s c p 码点对数据报文分类，多域分类器根据报 文头中的一个或多个字段值，例如源地址，目的地址，d s 段，协议标识符，源端 口号，目的端口号，以及其它信息对数据报文进行分类。 流量调节器包括测量器，整形监管器和或重标记器，其目的是保证进入d s 域的业务流都符合t c a ( t a f i l ec o n t r o la g r e e m e n t ) 指定的规则。测量器负责测量 由分类器根据t c a 指定的业务量简档选出的数据报文流的时间特征，将测量结果 ( 也称为测量器状态) 传递给其它调节功能模块，从而引发对符合或不符( 在某 种程度上) 业务量简档的每个数据报文的特殊处理。标记器负责把数据报文的d s 字段设置为特定的编码点值，并将标记过的数据报文加入到特定的d s 行为集合中 去。整形器负责延迟一个业务流中部分或全部数据报文的传输，以便使业务流符 合业务量简档的要求。整形器通常有一个有限大小的缓冲区，当缓冲区没有更多 的空间容纳需延迟的数据报文时，数据报文就会被丢弃。分类部件和流量调节部 件之间的模块关系如图2 3 所示： 流重调节部件 图2 - 3 分类器和流量调节器的关系 d i f t s e r v 模型的q o s 保证是通过p h b 实现的，p h b 决定了d s 节点即路由器 分配给不同b a 的资源量，p h b 可以根据p h b 之间的资源占用的相对优先级或观 察到的流量特征如时延和丢包率来描述。其实现机制包括缓冲区管理和分组调度 技术。但是i e t f 只规范p h b 定义( p h b 的定义见2 1 节中对p h b 的描述) 。而 不涉及具体的实现机制。 d i l i s e r v 盘高速 ! 各由转发卜嘶的研究与微码实现 由于i e t f 指定的规范文档中并没有给出一个实现d i f l s e r v 模型统一的方法， 因此对于d i f f s e r v 路由器，各个路由器厂商都有各自不同的实现方法，这也给各 厂商留出了很大的自由空间。 2 3 高速d i f f s e r v 路由器系统结构 随着网络的发展，路由器的体系结构也经历了数次变革1 3 9 1 。为了迎合高速的 需求，第五代路由器的核心转发部件采用高性能的网络处理器n p ( n e t w o r k p r o c e s s o r ) 来实现。图2 - 4 是构建高速路由器的物理结构框图。 一、 f操诈系统和管理，配置软件17 背板 图2 - 4 基本的路由器系统结构 从图中可以看出，路由器主要由四部分组成：1 ) 控制卡。它的主要功能是运 行路由器上的实时操作系统，路由协议。2 ) 线卡包含多个端口和做为转引擎的网 络处理器。完成路由查表转发的功能。3 ) 背板，连接各个接口，完成信号的连接。 4 ) 交换结构完成报文的交换。在第五代路由器的体系结构中普遍采用大容量的立 体交叉开关的交换结构。 但是传统的基于i p 技术的路由器只支持尽力转发的服务，不支持d i f f s e r v 模 型提供的区分服务。高速路由器要支持d i f f s e r v 功能，必须实现2 2 节中的三个功 能部件。从物理结构上来说，支持d i f l s e “功能的高速路由器的硬件结构与普通 的高速路由器并没有差别。因此需要从逻辑层面上来分析高速d i f f s e r v 路由器的 结构。 图2 - 4 给出的是路由器在物理层面的实现结构。路由器做为网络中的节点设 备，是整网部署d i f f s e r v 实现d i i t s e r v 提供的服务的核心。通常实现d i f f s e r v 的 路由器可以分为相互关联的两个部分：数据通路和控制通路。数据通路的任务是 根据相关设定完成数据的分类和转发；控制通路是完成数据通路的相关参数的设 第二章d i l t s e r v 路由器体系结构 9 定，必要时与外界进行通信，以进行资源预留。因此，从逻辑层面来讲，路由器 的体系结构可以分为路由转发平面( 也可称为数据转发平面或简称为数据平面) 和控制平面两个层面。下面，就从逻辑层面来分析高速路由器中实现d i f f s e r v 的 逻辑结构。 2 2 节中对路由器实现d i f f s e r v 所需的功能部件进行了较为详细的描述。对三 个部件进行逻辑层面的划分，可以得到表2 5 。对于三个功能部件，数据平面和控 制平面都有所涉及。分类器和流量调节器以数据转发平面为主，而p h b 则以控制 平面为主。这样的逻辑层面划分，和各个部件的功能是分不开的。 表2 - 5d i f f s e r v 路由器功能部件的逻辑层面划分 高速d i f t s e r v 路由器逻辑层面的结构框图如图2 - 6 所示。 制平面 图2 - 6 高速d i f f s e r v 路由器逻辑结构 从图2 - 6 可以看出，路由转发平面包含了d i f f s e r v 功能实现的全部部件，是 d i f f s e r v 在高速路由器中实现的主要平面。控制平面只是辅助路由转发平面完成各 种数据结构的构建和更新。因此，本文将重点关注d i f f s e r v 路由器在路由转发平 面的实现。 本文依托的路由器硬件平台系统是t 比特路由器基础平台和试验系统。浚路 由器系统线卡上的n p 选用i n t e l 公司的i x p 2 8 0 0 ，其转发速率是1 0 g b p s ( 1 0 9 b i tp e r s e c o n d ) ，是目前处理速率最高的n p 之一。线卡采用4 个i x p 2 8 0 0 完成2 0 g 的交 换容量。路由系统中的交换结构选用具有2 0 g 交换容量的高速交换开关。整个路 出路由系统通过多线卡和多机架互连可以实现t 比特级的转发速率。 第三章d i f f s e r v 在路由转发半面的关键实觋技术 第三章d i f f s e r v 在路由转发平面的关键实现技术 d i a s e r v 在路由器中的实现主要包含三个部件：分类器、流量调节器和p h b 。 从逻辑层面来讲，三个部件的实现既涉及路由转发平面又涉及控制平面。而本章 只对三个部件在路由转发平面的通用实现技术进行研究。并在此基础上，针对高 速的性能需求和i p v 6 网络逐渐商用的发展需求，对现有的分类算法进行了改进， 提出了一种软件实现i p v 6 多域报文分类的方法。 3 1 1 报文分类的定义 3 1 报文分类 i p 分类技术最早应用在防火墙技术中，现在已经广泛地应用在基于策略的路 由、y p n 和q o s 控制中。那么，究竟什么是i p 分类【。l ? i p 分类是如伺定义的昵? 定义3 1 一个地址d 是一个长度为w 比特的比特串( 这里是指二值比特串， 各比特取0 和l 两个值) ； 定义3 2 一个前缀p 是长度介于0 到w 间的一个比特串，l e n g t h ( p ) 表示前缀p 的 以比特数为单位的长度； 定义3 3 如果d 开始的l e n g t h ( p ) 个比特与p 相同，就称前缀p 与地址d 匹配； 定义3 4 报文头h 是有k 个域的实体，报文头的各个域分别表示成 h 1 】，h 2 i ，h k ，其中每个域都是比特串； 定义3 5 一条过滤规n r 也具有k 个域。与过滤规则的一个域r 【i 相关联的有一 个匹配方式，它可以是下面三种匹配方式中的任何一个：精确匹配( e x a c t m a t c h ) ， 前缀匹配( p r e f i xm a t c h ) 或范围匹酉g ( r a n g em a t c h ) ； 定义3 6 域r i 通过一个数值来指定，如果报文头h 的域h i 】与过滤规n r 的域 r 【i 】满足h i 】= r i 】，那么就称h i 】与r i 精确匹配； 定义3 7 域r i 】通过一个前缀来指定，如果报文头h 的域h 【i 】与过滤规则r 的表 示前缀的域r 【i 】匹配，那么就称h 【i 与r 【i 前缀匹配： 定义3 8 域r i j 恿过一个范围指定，也e l i r i = v a l l v a l 2 ，如果报文头h 的域 h i 】与过滤规则r 的域r 【i 满足v a i l l ，它从d 维中任选 一维生成第一级查