（通信与信息系统专业论文）高性能路由器内部通信协议的研究与实现.pdf

中文摘要 高性能路由器是因特网中的核心设备，随着高性能路由器容量的不断增大，传统的集 中式路由器结构难以满足其性能需求，因此，目前大容量高性能路由器多采用分布式体系 结构。在分布式路由器中，需要设计高效可靠的内部通信机制，以保证各个模块之间信息 传递的实时性和可靠性。采用以太网实现分布式系统的内部通信具有实现简单、可靠的优 点，但是目前以太网中采用的传输层协议t c p 及u d p 在保证传输的实时性及可靠性方面 皆存在着自身的不足，难以适应高性能路由器内部通信的要求。 本文结合国家8 6 3 计划信息技术领域高性能宽带信息网( 3 t n e t ) 专项的重大课题“可 扩展到t 比特的高性能i p v 4 v 6 路由器基础平台及实验系统”，详细分析了t 比特路由器内 部通信的需求及特点，在应用层设计了一种基于u d p 、适用于高性能路由器的内部通信协 议r i c p ，该协议采用基于速率的滑动窗口模型，保证数据的可靠有序传输；在r i c p 协议 中采用了一种基于共享公平带宽的拥塞控制策略r c f b u d p ，有效地改善了由于u d p 协 议缺乏有效的拥塞控制机制而造成的对内部通信协议承载的t c p 流的不公平现象；将安全 领域的m d 5 摘要算法应用于转发表项确认，保证了各接收端转发表项的严格一致。最后 在t 比特路由器上实现了基于r i c p 的硬件抽象层，并研究了其实现的关键技术，保证了 路由器高效可靠的内部通信及对接口设备的有效管理。 经测试，硬件抽象层体现了良好的稳定性和健壮性，同时实时性能够满足路由器系统 的要求。 关键词：路由器；内部通信；u d p ；t c p 友好；硬件抽象层 第1 页 ab s t r a c t h i g h p e r f o r m a n c er o u t e rh a sp l a y e dm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h ec o r en e t w o r k t h e m a i nf u n c t i o no fi n t e r n a lc o m m u n i c a t i o ni nh i g hp e r f o r m a n c er o u t e ri se x c h a n g i n gt h e i n f o r m a t i o na m o n gs u b s y s t e m so fd i s t r i b u t e dr o u t e r s w h i c hh a sh u g ei n f l u e n c eo nt h er e a lt i m e p e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t yo ft h er o u t e r c u r r e n tt r a n s m i s s i o np r o t o c o l ss u c ha st c p a n du d p h a v et h e i ro w nd i s a d v a n t a g e si ng u a r a n t e e i n gr e a lt i m ep e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t y , a n dc a n t m e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ei n t e rc o m m u n i c a t i o no fr o u t e r t h i sp a p e ri sb a s e do n ”h i g h p e r f o r m a n c ei p v 4 v 6r o u t e rf o u n d a t i o na n dl a b o r a t o r y s y s t e me x t e n dt ot e r a b i t ”w h i c hi st h ei m p o r t a n tp a r to f n a t i o n a l8 6 3p r o g r a m t h ep a p e rf i r s t a n a l y s e st h er e q u i r e m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i co ft e r a b i tr o u t e ri n t e m a lc o m m u n i c a t i o n t h e n d e s i g n sar o u t e ri n t e rc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l r i c pb a s e do nu d p f o rh i g hp e r f o r m a n c e r o u t e ra ta p p l i c a t i o nl e v e l t h ep r o t o c o lu s e ss l i d ew i n d o wm o d e lb a s e do nr a t ec o n t r o la n d c o n g e s t i o nc o n t r o ls t r a t e g yr c f b u d pb a s e do nf a i rb a n d w i d t hs h a r i n gi no r d e rt og u a r a n t e e t h er e l i a b i l i t yo fd a t at r a n s f e ra n dr e d u c i n gu n f a i m e s so ft c ps t r e a mw h i c h 也ei n t e m a l c o m m u n i c a t i o nb e a r i n g ，t h ep r o t o c o la l s oa p p l i e sm d 5a l g o r i t h m i n f o r w a r d i n g t a b l e a c k n o w l e d g e m e n tt og u a r a n t e et h es t r i c t l yu n i f o r mo ff o r w a r d i n gt a b l ea te v e r yr e c e i v ep o r t a t t h ee n do fp a p e r , r e a l i z e sah a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e rb a s e do nr i c po nt e r a b i tr o u t e r , r e s e a r c h e st h ek e yt e c h n i q u ew h i c hg u a r a n t e et h eh i g hp e r f o r m a n c ei n t e r n a lc o m m u n i c a t i o na n d e f f i c i e n ti n t e r f a c ed e v i c em a n a g e m e n t i nt h es y s t e mt e s t ，t h eh a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e rs h o w si t sg o o ds t a b i l i t ya n dr o b u s t n e s s ， a n dm e e tt h er e a lt i m er e q u i r e m e n to ft h er o u t e ri nt h em e a n t i m e k e yw o r d s = r o u t e r ；i n t e r n a lc o m m u n i c a t i o n ；u d p ；t c p f r i e n d l y ；h a r d w a r ea b s t r a c t i o n l a y e r 第l i 页 焦星工塞盔兰堡兰笪丝奎 表目录 表1r i c p 消息类型2 6 表2r i c p 协议有限状态表3 6 表3r i c p 有限消息表3 6 表4r i c p 模型状态转换表3 7 表5 硬件抽象层采用不同协议下发转发表项测试结果5 8 第v i 页 信息工程大学硕士学位论文 图目录 图1t 比特路由器的体系结构5 图2 路由器数据平面和管理平面体系结构图5 图3 路由器各处理单元拓扑结构示意图6 图4 带宽分配不公平性问题研究仿真网络1 3 图5 带宽分配不公平仿真结果示意图1 3 图6 拥塞崩溃仿真结果示意图( 3 条t c p 流和1 条u d p 流) 1 4 图7 拥塞崩溃仿真结果示意图( 1 条t c p 流和3 条u d p 流) 1 5 图8i p 数据分组头1 9 图9 仿真网络拓扑图2 1 图1 0d r o p t a i l 下r c f b - u d p 和t f r c 与t c p 共存吞吐量性能图2 2 图1 1r e d 下r c f b u d p 和t f r c 与t c p 共存时的吞吐量性能2 3 图1 2r i c p 报文格式2 6 图1 3 握手建立过程2 7 图1 4 滑动窗口模型示意图2 8 图1 5r i c p 报文收发过程2 9 图1 6 单播情况下一个发送端多个接收端示意图3 2 图1 7 哈希算法( 4 k b ) ：r p s 和响应时间3 4 图1 8 哈希算法( 1 3 5k b ) ：r p s 和响应时间3 5 图1 9 哈希算法( 1 m ) ：r p s 和响应时间3 5 图2 0r i c p 模型有限状态机3 7 图2 1t 比特路由器软件体系结构示意图4 0 图2 2 板间通信主控部分内部数据流程4 1 图2 3 定时器管理数据结构4 3 图2 4 单板信息结构b o a r ds t r u c t 示意图4 4 图2 5 板间通信单板部分报文接收处理流程图4 4 图2 6 环形队列示意图4 5 图2 7 报文发送流程4 6 图2 8 确认超时定时器回调函数流程4 6 图2 9 模块动态加载过程4 7 图3 0 虚拟驱动报文收发流程图4 9 图3 1r a d i x 树节点结构示意图5 0 第v i i 页 信息工程大学硕士学付论文 图3 2 接口配置信息数据结构5 1 图3 3 接口统计信息数据格式5 l 图3 4 单板状态机5 2 图3 5 设备管理模块维护转发表项数据结构5 3 图3 6 下发表项基本流程5 3 图3 7 摘要确认基本流程5 3 图3 8 内部通信时延及丢包率测试环境示意图5 6 图3 9 不同负载下内部通信的测试性能5 7 图4 0 硬件抽象层转发表项下发严格一致性测试环境示意图5 7 第v i i i 页 学位论文原创性声明 所提交的学位论文是本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，除了文中标注和致谢的相关内容外，论文中不包含其他个人或集体已经公开的研究成 果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文题目： 学位论文作者签 学位论文版权使用授权书 卅6 年窍铝l e t 本人完全了解信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权信息工程大学 可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借 阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 涉密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 学位论文作者签 作者指导教师签 6 月2 乡l e t 月日 笪皇三堡盔堂堡堂垡垒塞 第一章绪论 1 1 研究背景 随着信息产业的飞速发展，路由器成为互联网或者说i p 网络的核心设备，路由器技术 的进步及性能直接影响着互联网的发展【l 羽。总体来讲，路由器是工作在m 协议网络层、 实现子网之间转发数据的设备，其内部可以划分为控制平面和数据平面。路由器的控制平 面，运行在通用c p u 系统中，多年来一直没有多少变化。路由器的数据平面，为适应不同 的线路速度、不同的系统容量，采用了不同的实现技术。路由器的结构体系正是根据数据 通道转发引擎的实现机理来区分。简单而言，可以分为软件转发路由器和硬件转发路由器。 软件转发路由器使用c p u 软件技术实现数据转发，根据使用c p u 的数目，进一步区分为 单c p u 的集中式和多c p u 的分布式。硬件转发路由器采用网络处理器( n p ) 来完成快速路 由查找或更新，以保证线速的数据转发速率，高性能路由器中包转发和路由表查找都是由 路由器上各业务板硬件完成的，主控软件只完成路由协议报文处理、路由表计算以及将计 算好的路由表下发到转发板上等功能。 实现路由与转发分离，一方面使得各业务板可以独立于主控板实现高速转发，另一方 面也减少了主控的处理压力，使得主控板不必进行大量的数据转发处理，而只需负责路由 协议报文的处理及整个设备的管理功能。 随着互联网用户的急剧膨胀和用户业务多样化的需求的日益增长，高吞吐量及多样化 的业务需求要求路由器必需具有实时、可靠的数据传输性能。当前对路由器的研究主要是 集中在如何提高数据通道的性能开展的，以保证能够高效可靠地处理大量的网络数据。然 而，网络规模不断扩大带来的直接后果就是网络中尤其是骨干网络中路由信息交互频繁， 路由表规模不断增大，这使得网络中路由器的协议处理能力和稳定性也越来越重要，路由 协议的稳定性直接影响着互联网的稳定可靠运行。i n t e m e t 中每个路由器通常具有很多路由 表项，当一个路由器启动时，其它路由器往往在很短的时间内向其发送大量的路由信息， 这种大规模高速路由交互常常会导致路由器崩溃。路由器控制平厩负责路由信息的处理及 路由器的管理，其运行的效率及可靠性也越来越成为制约路由器性能提高的瓶颈，其中高 效可靠的路由器内部通信是保证路由器内部正常可靠运行的关键。 基于实现的灵活性及可扩展性考虑，路由器内部通信都在内部以太网实现。采用何种 基于内部以太网的数据传输实现方式对实现路由器内部数据的实时、有效、可靠的数据传 输起着至关重要的作用。当前传统的传输层协议主要有两种叮c p 和u d p 协议，目前 应用层的很多协议如h r r p 、t f t p 及多数的路由协议都是基于这两种传输层协议实现的。 当前很多路由器都采用传统的t c p 作为内部通信的传输层协议，t c p 协议是基于流的 第1 页 信息- t 稃大学硕士学位论文 传输协议1 6 j ，由于其面向连接性，因此具有良好的可靠性，在路由器内部流量较小的情况 下保证了数据的可靠有序传递，然而由于其严格的顺序递交和确认重传机制引入了额外的 传输流量和较大的时延，对于外部接口数量众多、路由协议交互频繁的高端路由器来讲， 应用传统的t c p 协议已经不能适应高性能路由器实时性的要求。另外，t c p 协议具有的报 文头标大以及尽可能传送最大的部分片报文段的特点，都不适合用于传输路由器内部报文 长度较小、频率较高的实时控制信息；u d p 协议是基于数据报的传输协议1 7 1 ，具有传输快 速、简单的特点，用其来作为路由器内部通信传输层的承载协议，可以保证数据的实时传 输，但由于u d p 协议的面向无连接性的特点，使得u d p 协议属于不可靠传输协议，而且 u d p 协议本身没有拥塞控制机制。u d p 业务相对于t c p 业务的不公平的带宽竞争方式容 易导致网络拥塞甚至崩溃，如果用其作为内部通信的传输协议，必须在应用程序中解决它 的可靠性及对t c p 的不公平性问题。 “可扩展到t 比特的高性能i p v 4 v 6 路由器基础平台及实验系统”是国家8 6 3 计划信 息技术领域高性能宽带信息网( 3 t n e t ) 专项的重大课题，其目的是研制完成可扩展到t 比 特的i p v 4 v 6 路由器基础平台。本课题的目的在于设计一种基于u d p 、适用于高性能路由 器的内部通信协议r i c p ( r o u t e ri n t e rc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 ) ，并在t 比特路由器中予以 实现。 1 2 本文的主要研究内容 本文结合“可扩展到t 比特的高性能i p v 4 v 6 路由器基础平台及实验系统”这一国家 8 6 3 计划重大课题，在对传输层协议及路由器内部通信量进行分析的基础上，以设计一个 基于u d p 、适用于高性能路由器，高效、可靠的路由器内部通信协议r i c p 为目的，围绕 u d p 非连接的不可靠传输问题，从理论、设计及实现三方面进行研究。本文的主要研究内 容如下： 夺根据路由器内部通信在t 比特路由器中的作用，分析了路由器内部通信的数据类 型及特点，给出了基于u d p 的i u c p 的功能需求。 针对u d p 业务带来的带宽分配不公平及拥塞崩溃问题，在分析了两种比较典型的 t c p 友好的端到端的拥塞控制机制的基础上，研究了一种基于公平带宽的u d p 拥 塞控制策略r c f b u d p ，该策略对t c p 应用是友好的，并适用于路由器内部通信 的c s 模型。 设计了适用于t 比特路由器内部通信的r i c p 协议模型，包括其可靠性保证、拥 塞控制策略、定时器及状态机设计等。 夺设计并实现了基于r i c p 协议的t 比特路由器硬件抽象层，包括板间通信、虚拟 驱动及设备管理模块，并给出其功能介绍及实现机制，为路由器内部提供实时可 第2 页 笪星三翌盔堂堡主堂丝堡塞 靠的数据传输及有效的内部管理。 对硬件抽象层进行了性能测试并对结果进行了分析。 1 3 本文的结构和安捧 本文各章的内容安排如下： 第一章。简要介绍了课题背景、研究问题以及论文的组织结构。 第二章。分析了路由器内部通信数据类型的特点和对实时性、可靠性的要求，指出了 以太网传输协议自身的局限性对内部通信中报文时延及丢包的重要影响，并在对t c p 及 u d p 协议进行比较分析的基础上给出了基于u d p 的适用于高性能路由器的内部通信协议 r j c p 应达到的功能需求。 第三章：分析了路由器内部通信所应用的u d p 业务带来的带宽分配不公平及拥塞崩 溃问题，讨论了目前两种典型的t c p 友好的端到端的拥塞控制机制基于窗口的a i m d 算法及基于速率的t f r c 协议，这些控制策略主要模仿t c p 的拥塞控制机制，且没有考虑 到当时网络环境的实际情况，因此并不是实时最优的。在此基础上，研究了一种基于公平 带宽的u d p 拥塞控制策略r c f b u d p ，该策略适用于路由器内部通信，对t c p 应用是友 好的，并且提高了网络的吞吐量和利用率，也具有较好的鲁棒性。最后给出了其与t f r c 的t c p 友好性的仿真分析比较。 第四章t 在第二、三章分析的基础上，设计并分析了基于u d p 的路由器内部通信协 议r i c p 模型，包括其报文格式、传输机制及状态机设计等。r i c p 采用基于速率的滑动窗 口模型，保证数据的可靠有序传输；采用r c f b u d p 拥塞控制策略，通过对发送端速率的 调整，可以有效地改善由于u d p 协议缺乏有效的拥塞控制机制而造成的对t c p 流的不公 平现象；并能够适应c s 服务模型，以组播单播自适应方式进行报文的传输，从而保证 了在路由器内部通信中的应用。为了保证收发双方报文严格一致，采用了基于m d 5 的摘 要确认算法。 第五章：根据r i c p 协议的设计，在t 比特路由器中设计实现了硬件抽象层，为路由 器内部提供实时可靠的数据传输及有效的内部管理。并对其三个组成模块板间通信、虚拟 驱动和设备管理模块在系统中的位置、功能及具体实现机制进行详细分析，包括多线程并 行处理、定时器管理机制、多用户虚拟设备驱动程序的动态加载及对内部拓扑可变的路由 器设备管理机制等。 第六章，设计了硬件抽象层的性能测试方案，性能测试以及分析结果表明，硬件抽象 层完全可以满足t 比特路由器在传输时延和丢包率方面的要求，性能良好。 最后对全文进行总结，并提出今后的研究方向。 第3 页 笪星三堡盔兰堡主堂笪笙銮 第二章t 比特路由器内部通信分析 分布式系统内部通信是分布式各子系统之间进行信息交互的桥梁，分布式系统的一个 主要的特点是各子系统之间相互独立又相互协作。各子系统可以根据不同的需求各自采用 不同的处理方式，同时各子系统之间需要进行信息的交互和管理，这就使得分布式系统内 部通信需要具有较强的兼容性及实时的数据传递功能。具体到t 比特路由器内部通信，其 主要功能是实现分布式路由器各子系统之间信息的交互，并能适用于t 比特路由器分布式 数据转发、集中式路由处理的体系结构的特点。实时性及可靠性是衡量路由器内部通信的 主要性能指标【s 】，这是由路由器内部通信在路由器中的作用及所交互的数据特性决定的。 本章从t 比特路由器体系结构入手，分析了t 比特路由器内部通信的数据分类、特点以及 内部通信的主要功能要求，从而给出了路由器内部通信协议r i c p 的性能指标。 本章结构如下：第一节介绍t 比特路由器体系结构，说明了各组成部分的基本功能； 第二节分析了路由器内部通信的数据类型及特点，指出t 比特路由器内部通信中主要存在 两种类型的报文：路由协议报文及路由器内部管理报文，不同类型的报文对内部通信传输 的实时性及可靠性有着不同程度的要求；第三节分析了当前传输层的两个主要传输协议 t c p 和u d p 协议在实时性及可靠性传输上的优缺点，由此给出了基于u d p 的路由器内部 通信协议m c p 的功能要求。 2 1t 比特路由器体系结构 t 比特路由器体系结构如图1 所示，t 比特路由器采用高速分布式数据转发和集中式 路由处理的总体结构布局，将路由计算、控制等非实时任务同包转发等实时任务分开，分 别由不同部分完成，从而保证处理性能。t 比特级路由器系统的基本结构由路由单元、系 统级光背板、系统级内部通信和中央处理机组成，各路由单元除了通过系统级光背板互通 外还通过系统级内部通信与中央处理机交互。 路由单元完成用户数据分组、协议分组和控制分组的分离。用户数据分组通过高速互 连光背板在路由单元之间互通；协议分组及控制分组通过系统级内部通信送中央处理机处 理；同时中央处理机通过系统级内部通信对所有各路由单元进行控制、管理与维护。 第4 页 信息t 稃大学硕十学位论文 图1t 比特路由器的体系结构 t 比特路由器体系结构按照功能来划分可以分为控制平面和数据平面，控制平面负责 进行路由器的路由计算及管理等工作，数据平面进行数据的转发、调度等。如图2 所示： 嵌入式宴时操作系统 皇 i i lii 内部以太网 ， l 静| 静i l l i i i 交换底板 h 图2 路由器数据平面和管理平面体系结构图 第5 页 信息t 程大学硕士学位论文 协议层负责路由的计算，形成路由表，通过内部通信经内部以太网下发给转发处理模 块形成转发表。线路接口模块通过内部通信模块把路由协议报文及管理信息报文上交给主 控处理机，需要转发的数据报文则通过转发一交换一调度等处理过程通过相应的线路接口输 出。内部通信模块处理所有路由单元各端口模块上交的报文，通过分类后送至主控处理机 相应模块统一进行处理。 由t 比特路由器的体系结构可以看出，内部通信是实现各路由单元及其端口模块与主 控处理机之间协议报文和控制信息传输的桥梁。此外，内部通信还起着将t 比特路由器分 布式的各处理单元的数据通过处理集中上报至上层主控处理单元的作用，这样便于路由器 管理软件对各处理单元进行统一有效的管理，从而利于系统的维护和扩展。由于内部通信 传输的数据与路由器的管理控制功能关系紧密，需要较多的灵活性强的处理，考虑到以太 网传输实现简单、灵活及可扩展性较强，内部通信采用交换式1 0 0 0 m i o o m 以太网实现， 路由单元上各端口模块及主控采用总线方式的物理拓扑结构通过以太网相连，这样各路由 单元可以独立的进行调试及功能的扩展，并且路由单元与主控的物理位置比较灵活，符合 路由器的模块化结构和可扩展性的要求。 虽然路由单元上各端口模块与主控处理单元之间采用总线方式的物理拓扑结构，但由 于各端口模块之间是各自独立的，并且由主控处理单元通过内部通信统一对其进行管理， 因此在逻辑实现上是星形结构，其拓扑图分别如图3 所示。这种拓扑结构决定了内部通信 在实现上需要采用c s ( c l i e n t s e r v e r ，客户机服务器) 的模式，其良好的交互性有利于 主控处理单元对各端口模块进行统一的管理，同时相对独立的路由单元各模块也可以根据 任务的不同采用不同的操作系统和灵活的处理方式，有利于系统的扩展。c s 模式点对点 的结构模式，使得c l i e n t 与s e r v e r 之间只有两层结构，尽量减少了内部网络的通信量，响 应速度快，有利于处理大量数据。 主控处理单元 内部通信l 内部以太网 t7 000 l 兹单元l ll 单元2 觜ll单冗nl 物理拓扑结构逻辑拓扑结构 图3 路由器各处理单元拓扑结构示意图 第6 页 信息工程大学硕士学位论文 2 2 内部通信的实时性及可靠性要求 2 2 1 内部通信的数据类型分类 内部通信位于主控板上，所有上报至主控板需要进行处理的数据都通过内部通信来处 理并分发至主控板上各处理模块；而经主控板上各处理模块处理后的数据也通过内部通信 下发至各业务板，经由内部通信的数据类型主要有以下两大类型： 路由协议报文：路由器接收的路由协议报文经内部通信上交至主控处理器的路由协议 处理单元，对路由协议进行协议处理，产生的各种协议报文也通过内部通信下发至线卡输 出。经内部通信的路由协议主要有r i p 、o s p f 、b g p 、i s i s 等，这些协议的路由信息都 被封装在i p 包中进行传输。 内部管理报文：路由器为一个分布式的处理、集中式路由管理的体系结构，由路由器 管理模块统一对路由器各业务板进行管理，包括各种配置命令、维护路由器主控处理器与 各业务板之间正常运行的探测报文等；同时路由协议计算形成的路由表项也经路由器管理 模块处理后形成转发表通过内部通信下发到转发处理模块上。 其中，内部管理报文中路由器内部对硬件单板的管理配置报文仅在初始配置及硬件设 备发生变化时产生，路由器内部通信中的主要流量为路由协议报文及下发到转发板上的转 发表项。路由协议用作建立以及维护路由表，转发表用作为每个i p 包选择输出端口和或下 一跳地址。网络中路由协议报文的交互引起路由器中内部通信的主要流量，分为以下几种 情况： 路由协议初始化路由交互信息：路由协议初始化时，路由信息库为空，需要向外发送 路由请求信息以获知外界的路由情况，其它路由器收到请求后会将自身的路由信息发送至 该路由器，以供协议进行路由计算形成初始的路由表。在骨干网中，这部分信息在路由器 启动时往往会形成较大的流量。 路由协议定期发送路由状态维护信息：每种路由协议都要定时对外发送定时更新信 息，以通告自己的链路状况及探测对方的链路是否正常。比如r i p 协议必须周期性地把路 由表发给它相邻的路由器，其它的路由器以此来更新自己的路由表。比如o s p f 协议定期 发送链路状态信息，通告本路由器的链路状态；r i p 需要每3 0 秒发送本路由器的路由表给 邻居，这部分信息构成了路由器内部通信中正常的协议流量。 路由更新信息：当某事件引起某条路由可用或不可用时，网络中的路由信息状态发生 了改变，路由协议会更新自身的路由表并通过洪泛的方式通告给它所知道的每个路由，其 它的路由器收到后也更新自身的路由信息表并通告给其它的路由，路由更新信息遍及整个 网络，引发重新计算最佳路径，最终达到所有路由器一致公认的最佳路径。这样由于链路 状态改变而引起的路由更新往往在网络中产生突发性的流量，如果路由算法不可靠或者路 第7 页 信息t 稃大学硕士学位论文 由器传输时延太大导致路由不能快速收敛往往就会导致路由抖动，严重的会引起整个网络 的不稳定。 主控下发转发表项给转发板：以上各种情况所引起的路由信息的变化经路由器主控处 理机中相应的路由处理模块处理后，形成更新的路由表下发给转发板。在路由器初始状态 及路由更新频繁时，转发表项的下发也会在路由器内部通信形成大的数据流量。 由上述情况可知，t 比特路由器内部通信流量具有流量大、突发性强的特点。t 比特 路由器作为运行在骨干网的核心路由器，接口数量众多、路由信息交互频繁、需要支持至 少1 m ( 1 0 4 8 5 7 6 条) 的路由表项，路由协议报文及由主控下发至转发处理模块的转发表项 形成路由器内部通信的主要数据流量。作为各业务板与主控处理板之间信息交互的数据通 道，其实时性及可靠性对路由器的性能有着重大的影响。 2 2 2 内部通信的实时陛及可靠性要求 在骨干网中，核心路由器的路由信息交互非常频繁，如果内部通信的时延超出了路由 更新的要求，则会给网络造成网络故障的错觉，从而影响到网络上其它节点的路由信息的 变化，严重的甚至会导致大规模的路由不稳定。一种典型的网络故障情况描述如下：因特 网上与某链路相连的路由器认为该链路出现故障，则该路由器马上向其相邻路由器发送撤 销相应网络前缀的路由更新消息。紧接着，该路由器邻接的路由器收到路由更薪消息并采 取一定的操作，首先，撤销故障网络前缀，其次将受到该故障链路影响的网络前缀封装成 路由更新消息传递给其相邻路由器。这之后，路由更新消息将继续在因特网上传播，这种 路由更新有可能波及到因特网上很多甚至所有路由器。同时，在这些路由器收到路由更新 消息后会依据自己的策略进行路由更新然后再生成新的路由更新消息传播给与其直接相 连的路由器，这样就可能造成不同路由器对因特网拓扑变化的看法不同。最终，在因特网 上的由最初网络故障所造成的路由更新会越来越多从而导致大规模的路由不稳定。 同时，路由器需要根据各转发板上的转发表项来选择对数据报文的转发路径，经内部 通信下发至各转发板上的转发表项必须保持高度的一致性，否则将直接导致路由器不可 用。 因此，路由器内部通信不同的数据类型对实时性及可靠性要求的侧重点不同，路由协 议报文的传输对实时性要求大于可靠性，而路由表项对传输的可靠性要更严格。路由器内 部通信需要根据不同数据的要求采用不同的处理方式。 根据t 比特路由器总体技术方案要求，t 比特路由器内部通信应该达到以下功能及性 能指标： 功能需求： 1 、为各种路由协议软件提供可靠的、一致的和高实时性的系统服务。 第8 页 信息t 稗大学硕士学伊论文 2 、提供完善的路由器硬件管理功能。 性能需求： 1 、内部通信的吞吐量不小于l o m 。 2 、转发表容量大于1 m 。 虽然路由协议对实时性的要求比较严格，但如果不可靠的链路传输导致包的丢失而引 起路由信息的重传反而降低了协议的实时性。以b g p 协议为例，i b g p 会话的可靠性对于 底层传输的稳定性是比较敏感的。如果路由器内部通信不能保证b g p 报文在线卡与主控路 由处理单元之间的可靠传输，从而使得b g p 报文无法及时地送达对等体，就会造成b g p 会话的失败。i b g p 会话失败后，路由表中的所有相关路由被删除，这些路由撤销报文可 能会引发大量路由重新计算，导致路由抖动产生，甚至会造成某些网络地址不可达。b g p 是广泛使用的域间路由协议，由于b g p 路由表必须表达i p 网络全部子网的信息，因此网 络中的b g p 路由表项往往达到十几万条，其路由的更新在网络中造成的流量是巨大的， b g p 健壮性直接影响到因特网的可靠性。可见，内部通信也需要在保证实时性的同时维护 系统的可靠性。 2 3 路由器内部通信协议r i c p 实现功能要求 内部通信采用交换式1 0 0 0 m 1 0 0 m 以太网实现，在内部通信中，造成报文的时延或丢 失主要有以下原因： 1 、数据交互的两端由于处理速度不同造成的延时和丢包：内部通信处于主控处理机 及各业务端口模块之间，由于通信两端的对数据的处理速度不同，当速度高的一方向速度 低的一方发送报文时，数据会在输入端口发生拥塞。如果以太网承载的是t c p i p 的协议 包，则t c p 的传输机制会自动重发被丢弃的数据包，可以想象每个产生了丢包的输入端口 都将重新发包，引发新一轮的拥塞和丢包，结果是导致网络的吞吐率大幅下降；如果以太 网承载的是u d p i p 的协议包，由于u d p 是无连接的传输协议，则会导致报文乱序甚至在 输入端口直接被丢弃。 2 、传输协议自身的局限性：以太网上主要有两种传输协议t c p 及u d p 协议。t c p 是一种基于连接的传输协议，对发送的每一个数掘报文都必须进行确认及超时重传，这在 保证数据可靠传输的同时也增加了网络的负担及处理的花费，突发性的数据量往往会造成 拥塞：拥塞控制机制是t c p 在网路拥塞时采取的自发调节措施，当检测到拥塞时，t c p 会自动降低发送速率，但t c p 拥塞控制仅能约束遵守拥塞控制机制的数据源，而没有采取 拥塞控制策略的数据流如u d p 流则会抢占带宽，造成t c p 流速持续下降，甚至引起网络 崩溃。基于无连接的u d p 协议有传输速度快、占用资源少的优点，但也由此引起的数据 包的丢失、乱序等问题。 第9 页 信息工稗大学硕十学付论文 由此可见，单纯依靠传输层协议t c p 及u d p 皆无法满足路由器内部通信的可靠 及实时性要求，这就需要设计一个适用于t 比特路由器的内部通信协议。从路由器系统整 体的兼容性及可扩展性考虑，要求在保证原协议栈完整性的基础上加强系统的性能，因此 在本课题中，t 比特路由器内部通信协议的设计应尽量在基于协议层的基础上在应用层上 实现。 如果以t c p 为以太网传输层的承载协议来设计内部通信协议，为了改善t c p 流与u d p 流的带宽竞争能力，则需要改进协议栈中t c p 拥塞控制机制，不利于系统的扩展。并且 t c p 是面向消息流的，它保证传递发送者所发出的字节序列，但是并不保证按照这些字节 所写入时的组传送，t c p 总是尽可能以最大分片长度发送一个消息流，因此不适用于基于 报文的传输；同时t c p 协议为了保证数据传输的可靠性，采用确认重传等机制也相对复杂， 对于每个报文t c p 协议都要发送确认信息，既增大了网络中的流量也耗费资源。 相对于t c p 报文2 0 字节的报头长度，u d p 协议报头长度仅为8 字节，相对于t c p 协议系统开销小、具有传输快速、简单的特点，用其来作为路由器内部通信传输层的承载 协议，可以保证数据的实时传输；u d p 协议的面向无连接性，使其可以支持组播，适用于 路由器内部通信的c s 服务模型；而且u d p 协议是基于数据报的传输协议，适合用于传 输路由器内部报文长度较小、频率较高的实时控制信息。如果用其作为内部通信的传输层 承载协议，可以在应用层来完善u d p 传输协议应用于内部通信的不足之处，实现相对比 较灵活。 基于以上因素，本课题考虑基于u d p 传输方式、在应用层上实现适用于高性能路由 器的内部通信协议r j c p ( r o u t e ri n t e r n a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 。由于u d p 协 议的上述特点，r i c p 需要完善u d p 传输方式面向无连接的特性所造成的报文不可靠及由 于缺乏拥塞控制而造成的对其承载的t c p 业务的不公平性等问题。同时，根据以上t 比特 路由器内部通信的作用及内部通信数据的特点，适用于高性能路由器的内部通信协议r i c p 应能达到以下要求： 1 、适用于c s 的模式：t 比特路由器分布式数据转发、集中式路由处理的体系结构决 定了主控处理单元与路由单元各端口模块之间应采用c s 模式，c p 协议应能适用于c s 服务模式的数据传输及管理方式。 2 、可靠性保证：基于u d p 协议的r i c p 需要解决u d p 传输中的丢包、乱序等问题， 同时，针对转发表项的下发，需要采取严格的可靠性保证措施保证各转发板上转发表项的 严格一致性。 3 、拥塞控制机制：r i c p 协议必须有处理突发数据流量的功能。由于u d p 协议是没有 拥塞控制机制的，当检测到链路拥塞时，r i c p 应能采取可靠的流控机制，以保证能够与 t c p 流共享公平带宽。 第1 0 页 信息t 程大学硕士学何论文 4 、实时传输：无论路由信息的交互还是路由器内部管理信息在内部通信中的传输都 要求良好的实时性，这就要求基于u d p 的r i c p 协议在整体的设计和实现时要考虑到系统 的实时性要求，使处理尽量简单、高效。 5 、异常处理机制：当有异常错误发生时，r i c p 可以采取相应的异常处理措施。 2 4 本章小结 t 比特路由器内部通信运行于路由器内部以太网，是路由器主控处理机与路由单元各 端口模块问进行信息交互的桥梁，其实时性及可靠性对路由器的性能及网络的稳定有着重 要的影响。在本章中首先根据t 比特路由器的体系结构分析了内部通信中的数据类型及流 量特点，指出在内部通信中主要存在两大类的数掘流量：路由协议报文及路由器内部管理 报文，其中路由器内部管理报文中的路由表项是由路由协议报文的路由信息计算形成并下 发给转发板的，路由更新会造成网络中突发的数据流量。随后，本章分析了内部通信的实 时性及可靠性对网络中路由协议的稳定性的影响以及造成报文丢失及延时的因素，由此提 出了设计一个基于u d p 传输协议，适用于高性能路由器的内部通信协议r i c p ，并列出了 其功能需求。 第l l 页 信息t 程大学硕士学竹论文 第三章t c p 友好的拥塞控制策略 3 1 引言 基于t 比特路由器内部通信流量大、突发性强的特点，上一章指出了需要设计一种在 u d p 传输层协议基础上的内部通信协议r i c p 。然而，由于u d p 协议自身没有端到端的拥塞 控制机制，当内部通信网络拥塞时，其承载的t c p 流由于存在拥塞控制，会自动降低发送 速率，而u d p 流会占据越来越多地带宽，这就导致了网络资源在各源端分配的严重不公平， 网络资源分配的不公平反过来会加重拥塞情况，甚至可能导致拥塞崩溃1 9 1 。因此，对于采 用基于u d p 的r i c p 协议，必须在检测到链路拥塞时，能采取可靠的流控机制，以保证能够 与网络中的t c p 流共享公平带宽。 路由器内部通信采用c s 服务模型，客户端与服务器端分别为收发数据的双方，因此 路由器内部通信的拥塞控制属于端到端拥塞控制的研究范围。本章首先详细分析了两种典 型的t c p 友好的端到端的拥塞控制机制，包括基于窗口的a i m d 算法及基于速率的t f r c 协 议，这两种拥塞控制机制能够在一定程度上改善u d p 业务对于t c p 的不公平性，然而它们 主要是模仿t c p 的拥塞控制机制，没有考虑到当时网络环境的实际情况，因此并不是实时 最优的。在此基础上，文中研究了一种基于公平带宽的拥塞控制策略r c f b u d p ，并将该 策略应用于路由器内部通信。该策略在计算共享公平带宽的基础上，通过平滑调整速率的 方式发送数据。经仿真验证，该策略对t c p 应用是友好的，具有较好的鲁棒性。 3 2u d p 业务带来的问题 在t c p i p 网络中，当检测到拥塞时，源端降低发送速率是最常采用的拥塞解决方案、 它降低了向网络输入的载荷。t c p 使用的是一种和式增加积式减少( a d d i t i v ei n c r e a s e m u l t i p l i c a t i v e d e c r e a s e ，a i m d ) 的基于窗口的端到端拥塞控制机制，其源端发送速率由拥塞 窗口控制。随着慢启动、加速递减、拥塞避免，以及超时定时器的指数加权算法的研究进 展，t c p 业务引起的网络拥塞问题己经基本上得到了解决【lo 】。但是，目前网络中一些t ! t c p 流尤其是用u d p 作为传输层协议的应用在互联网上的使用量大大增加，其本身根本没有拥 塞控制机制，对网络拥塞没有反应。 当发生拥塞时，实现了拥塞控制功能的t c p 应用对拥塞作出反应，自动降低发送速率， 减少在网络中的流量，而一些不具有拥塞控制功能的i t c p 流则无动于衷，这就会导致严 重的不公平性，甚至会导致网络因拥塞而发生崩溃。 3 2 1 带宽分配的不公平性 公平性是