（计算机科学与技术专业论文）ip虚拟交换机资源抽象及接口描述.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 i n t e m e t 正从单一服务形式的网络逐步向多服务、智能化网络发展。根据应用的需 求和特征，通过可编程机制动态适应网络环境和应用的变化是未来网络交换机发展的趋 势。 口网络是当今的主流发展通信网，传统的堡交拱机是建立在只能提供专门单一网 络服务b e 传输的基础上，其服务和功能是固定而封闭的，不具备编程进行服务调整、 提升或扩展的能力。本文介绍了坤多服务虚拟交换机结构( m v s w ) ，该结构基于资源 分割能够提供与多类应用相适应的、灵活的报文处理和转发控制服务。本文主要工作是 根据i p v s w 的技术思想，提出了一种资源分类方法，对p 交换机硬件资源进行抽象， 并在此基础上描述了疋虚拟交换机资源接1 ：3 ；然后调用接口操作形成d i f f s e r v 的软交 换机，验证了接口描述的合理性和可行性。资源接口描述包括两个方面：基本资源或功 能的可编程控制与扩展新的功能算法。口虚拟交换机有多种应用：在i p v s w 的软交换 层面通过资源接口的分割和绑定，形成不同的虚拟交换闭包。 关键词：虚拟交换机，硬件资源，资源接口 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t n 他i n t e r a c ti s i n c r e a s i n g l yc h a n g i n gf r o mt h en e t w o r kt h a tp r o v i d e ss i n g l es i m p l e s e r v i c et oa s o p h i s t i c a t e d i n f r a s t r u c t u r et h a td e l i v e r s m u l t i s e r v i c e s a c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n t a n dc h a r a c t e r i s t i co fa p p l i c a t i o n s ，d y n a m i c a d a p t a t i o n t o a p p l i c a t i o n s a n d n e t w o r ke n v i r o n m e n tt h r o u g hp r o g r a m m a b i l i t yi st h en n do fr o u t e r so rs w i t c h e s i pn e t w o r k sa r ew i d e l yu s e dt o d a y t r a d i t i o n a li ps w i t c h e sc a l lo n l y p r o v i d eb e s e r v i c e ， a n dt h e i rs e r v i c e sa n df u n c t i o n sa r ef i x e d ，s ow ec a nn o ta d j u s ta n du p g ，a d eo re x t e n dt h e f u n c t i o n so fs w i t c h e st h r o u g hp r o g r a m m a b i l i t y t h i sp a p e ri n t r o d u c e san e wi pv i r t u a l s w i t c h e sa r c h i t e c t u r ep r o v i d i n gm u l t i p l es e r v i c e ：i p v s w b a s e do nt h ev i r t u a lf o r w a r d i n g a r c h i t e c t u r eb yr e s o u r c ep a r t i t i o n t h ep v s wc a l lp r o v i d ef l e x i b l ep a c k e tp r o c e s s i n ga n d f o r w a r d i n gc o n t r o lt h a ta d a p t t oa p p l i c a t i o n s a c c o r d i n gt ot h ei d e ao f i p v s w , w ep r e s e n ta c l a s s i f ym e t h o do fr e s o u r c e s ，t h e na b s t r a c tt h ei ps w i t c hh a r d w a r er e s o u r c e s ，d e s c r i b et h ei p v i r t u a ls w i t c h e sr e s o u r c ei n t e r f a c e s w eu s et h ei n t e r f a c et of o r mt h ed i 嬲e r vs s w s w h i c h p r o v et h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo fo u rw o r k t h er e s o u r c ei n t e r f a c e si n d u d et h eb a s i c r e s o u r c e so rf u n c t i o n sa n d a l g o r i t h m st oe x p a n dn e w f u n c t i o n s i pv i r t u a ls w i t c h e sc a nu s ei n m a n yw a y s ：t h eu p p e rl e v e l c a nd i v i d ea n db i n dt 1 1 eh a r d w a r er e s o u l c e t h r o u g ht h e s e i n t e r f a c e st of o r md i 髓r e n tv i r t u a ls w i t c h l e t s k e y w o r d s ：v ir t u ai $ wit c h e s h a r d w a r er e s o u r c e s ，r e s o u r c ein t e r f a c e 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第l 章绪论 i n t e m e t 及其应用( 语音，视频，电子商务，安全等) 的迅速发展要求网络能够快速 提供多样的、新的网络服务( 可靠视频组播，i p 电话等) 和功能，具备更多的灵活性和适 应能力。 i p 网络是当今的主流通信网络。传统的i p 交换机，路由器建立在只能提供专门单一 网络服务( b e ：b e s t e f f o r t 传输) 的模型基础上，其服务和功能是固定而封闭的，只可以 进行配置，不具备编程进行服务调整、提升或扩展的能力。然而，用户服务需求的多样 性以及不断出现的新的服务都要求网络设备( 交换机路由器) 具有动态适应性，能够针对 用户的需要和新应用的要求快速编程来进行服务部署或扩展，或者根据网络环境的不同 快速部署相适应的网络交换服务。这就需要一种新型的、更为灵活的交换机路由器结构， 它提供公开的可编程接口及控制，支持交换服务的动态快速构成和部署。而采用i p 虚 拟交换机( v i r t u a ls w i t c h e s ) 技术就是一解决方案，能将一i p 交换机分割成多个逻辑上 分离的交换机。 本文i p 虚拟交换机资源抽象及接口描述在介绍分析i p v s w 技术思想的基础上， 对i p 交换机硬件资源进行了抽象，并描述了i p 虚拟交换机资源接口，通过此接口可以 分割交换机资源，调用接口操作，形成各种虚拟交换闭包。 1 1 相关研究发展概述 研究一个问题应首先应知道它的发展现状， 当前交换机可编程技术的研究方向及研究机构， 系。 1 1 1 可编程和主动网络技术研究 了解与它相关的研究。本节简要介绍了 并分析它与我们实现的虚拟交换机的关 可编程网络是最近几年发展起来的一种新型的网络结构，其目的是为了更快地适 应网络新技术和应用的发展，使网络能够快速创建、部署和管理支持新的技术和服务。 可编程网络的主要思想是通过一定的远程通信控制手段，利用公开可编程接口和定的 服务构成方法和工具，在网络中动态创建和部署应用或报文流所需要的服务、协议或功 能，以便有效地使用网络资源、改善网络流的性能或者为应用提供增值服务。而这一切 的实现有赖于相应的虚拟交换机技术的支持。 目前的可编程网络技术研究主要有两大阵营：公开信令( o p e n s i g ) 2 2 和主动网络 f a n ：a c t i v e n e t w o r k ) j 2 3 。 o p e n s i g 借鉴智能网( a n 0 的方法，通过a t m 交换机的控制平面公开网络控制，它 通过使用一组公开可编程网络接口，公开对交换机的服务控制访问，在网络内构造不同 的和新的控制结构( 如虚拟网控制结构) ，以便支持a t m 、i n t e m e t 和移动多媒体网络的 动态q o s 控制和服务创建。o p e n s i g 的可编程基础是其传输、控制和管理之间的清晰分 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 界，它允许服务提供者使用中间件工具( 如c o r b a ) 操作网络状态以便构建和管理新的 网络服务。o p e n s i g 的主要代表是c o l u m b i a 大学的x b i n d 1 4 及其随后的g e n e s i s 虚拟衍 生网( s p a w n i n gn e t w o r k s ) 2 7 1 ，它们都是基于a t m 网络的。 主动网络的研究主要局限于现有i p 网络，它基于“主动报文”概念而进行报文的 可编程操作和控制转发，形成了新的存储一计算一转发模式。主动报文( c a p s u l e 或 s m a r t p a c k e t ) 的报文数据域包含数据和程序代码，其代码用于构成操作和控制报文的程 序或调用网络节点程序处理报文。主动网络允许以报文传输粒度而非通过可编程控制面 板来定制网络服务，其新服务对动态运行的支持远远超过o p e n s i g 。主动网络模型主要 由主动节点操作系统内核( n o d e o s ) 、可编程执行环境( e e ) 以及主动报文构成。主动网络 的代表是m i t 开发的a n t s 6 ( j e 动网络传输系统) ，它采用报文囊( c a p s u l e ) 在主动网络 中动态部署通信协议。报文囊是程序传递、控制和服务构造的主要运载工具。主动节点 分析报文囊并执行关联转发例程、控制本地资源的使用、维护本地状态、支持代码发布 服务以自动部署新服务。a n t s 是应用级的主动网络可编程原型，使用j a v a 编写，运行 于用户空间，主要实现端到端的控制行为和处理，因此，对报文的转发性能有较大的影 响。其它的主动网络研究主要有：交换件( s w i t c h w a r e ) 7 、b b n 的s m a r tp a c k e t s 5 】、液 体软件( l i q u i ds o f t w a r e ，a r i z o n a 大学) 2 1 】和按需控制( c 0 d ：c o n t r o lo nd e m a n d ，a t & t ) 【1 7 】 等。 1 1 2 相关研究项目 虚拟交换机的研究动机主要是增加网络的灵活性和智能，加速网络新技术和服务 的发展。与虚拟交换机相关的研究目前主要有基于a t m 的虚拟交换机和i p 主动路由器， 它们主要涉及到单一特殊流( q o s 流) 的处理和开发新的操作系统内核。 1 1 2 1 r e m p e s t 项目 t e m p e s t 项目【1 5 ( c a m b r i d g e 大学) 提出了一个a t m 虚拟交换机结构( 如图1 1 所示) ， 它主要由交换机分割器( p r o s p e r o ) 和交换控制接h ( a r i e l ) 组成。p r o s p e r o 分割a t m 交换 机的资源，产生可供动态引入的不同控制结构( m p l s ，p n n i 等) 操作的虚拟交换闭包 ( s w i t c h l e t ) 。p r o s p e r o 实施对s w i t c h l e t 的调用策略，将每一个控制结构的控制动作限制于 其合法拥有的资源子集。在一个物理a t m 交换机之上，p r o s p e r o 与a r i e l 服务器( 直接 映射到交换机控制接口) 通信，划分资源并为每一个创建的s w i t c h l e t 提供一组单独的 a r i e l 。控制结构通过公开的a r i e l 控制其s w i t c h l e t 。 第2 页 旦堕型兰茎查盔茎堑壅竺坚堂竺笙苎 s w i t c hd r i v e r ( p r o s p e r 。) 一s c i 图1 1 t e m p e s t 虚拟交换机结构图 在此结构中，p r o s p e r o 通过四个逻辑接口将交换机分割成多个虚拟交换机。这四个 接口分别是：( 1 ) 从全局控制交换机行为的接口；( 2 ) 控制每个虚拟交换机行为的接口； ( 3 ) 查询交换机剩余资源的接口：( 4 ) 创建、删除虚拟交换机，在虚拟交换机之间分 割资源的接口。后两个接口之间是紧密联系的，前者对后者的动作有着决定性的作用。 此项目将底层资源抽象为带宽、缓冲空间和队列调度器、标志、路由表、链路带宽和处 理器等。 在t e m p e s t 中，每个端口有一个配置参数等价带宽( e q u i v a l e n t b a n d w i d t h ) ，该参数 是带宽、缓冲空间和队列调度器三者的抽象。这三个参数决定了虚拟交换机的性能，因 此配置等价带宽也叫做性能表参数配置。t e m p e s t 还有其它一些配置表，如虚拟交换配 置表、v s 控制配置表、v s 端口带宽配置表等。 1 1 2 2 路由器插件 路由器插件( r o u t e r p l u g i n s ：w a s h i n g t o n 大学) 【1 6 是针对特定应用流( 视频流) 进行转 发处理的可配置内核软件插件，是路由器的特殊处理扩展件。路由器插件对进来的报文 进行分类，识别报文所属特性，将其送到插件中对应的特定报文流处理单元进行处理。 路由器插件中的报文处理通路结合了特殊流处理，在结构上融合了n o d e o s 和e e 的功 能，但不提供支持多个e e 的操作系统内核接口。 路由器插件不是种层次结构，没有我们将在i p 虚拟交换机中介绍的接口及通过 接口的调用操作。此结构使用d a g ( d i r e c t e d a c y c l i c g r a p h ，定向循环图) 来实现过滤 表，它对非缓冲流的报文进行分类，对词表可以进行多种优化：使用哈希表来实现路由 表，对路由表的控制和一般路由器一样。 1 1 2 3p r o n t o 项目 p r o n t o 3 2 是a t & t 实验室根据服务级别路由【3 3 的思想开发出来的一个动态可编 程主动路由器。它的原形系统是基于l i n u x 的内核实现的，可支持服务活动不同时间范 围上的编程功能。p r o n t o 主动路由器如图1 2 所示。 第3 页 里堕型堂茎查奎兰坚塞竺堕兰堡垒奎 图1 2p r o n t o 主动路由器结构 p r o n t o 主动路由器包括三个主要部分：提供普通服务的转发引擎、若干个驻留并执 行由服务定义的功能的执行环境以及前面两部份的接口界面。执行环境由一个虚拟机和 一个环境管理器组成。环境管理器负责对执行环境中程序进行鉴权、安装和管理，分发 控制信息给执行进程。可根据要求动态地安装或删除执行环境。在执行环境调用界面之 下转发引擎抽象为六个主要的功能部件：数据通道中的分类器( c l a s s f i e r ) 、队列管理器 ( q u e u i n g ) 和链路调度器( l i n ks c h e d u l e r ) 。在数据通路外的信令处理器( s i g n a l i n g ) 、 查询响应引擎( q u e r y & r e s p o n s e ，o r e ) 和c p u 资源调度管理器( c p us c h e d u l e r ) 。各 功能部件根据其功能特性、可扩展性、可编程性进行封装，以支持不同粒度地对转发数 据进行交互控制。 p r o n t o 的分类器根据i p 头和传输级别头将报文分为各种数据流，并且用流句柄标 识流，它定义了四种操作原语：a d d ，u p d a t e ，r e m o v e 和g e t 。队列管理器只提供了增 加队列操作。链路以统计复用方式共享，定义了以下操作原语：q u e r y ，s u b s c r i b e ，r e t r i e v ， r e s p o n s e 。链路调度器采用可预测的公平带宽分配法，每个输出设备分配的队列数都一 样，且有与之对应的调度器，缺省调度方法为f i f o ；调度器接口支持的操作原语有： i n i ts c h e d u l e ，g e t， ，。还抽象了_root a d da d dl e a ff i n d r e m o v ea t t a c hm o v ep r o n t o c p u 资源，将c p u 分割为多个i d 不同的子c p u ，不同的服务可以调用不同的子c p u ， 而在我们的i p 虚拟交换机中，我们将这一工作交给了交换机操作系统本身。 p r o n t o 在其原型基础上实现了三种应用：与服务相关的拥塞自适应控制、多媒体流 的平滑控制和可靠多目传播。性能模拟的结果说明，路由器的负载主要由所安装运行的 应用服务决定，原型系统中所增加的控制功能对路由器并不构成大的负载。 1 1 3 发展趋势 与交换机的可编程性相关的研究项目国外还有一些，d a r p a 主动节点体系结构， p r i n c e t o n 大学的可扩展路由器【3 】，支持动态q o s 资源管理中间件，d a r w i n ( e m u ) 等。 但是包括前面介绍的t e m p e s t 、p r o n t o 在内，它们或是针对本身就是信元交换的a t m 交 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 换机，即使是对i p 交换机的研究，也存在对交换机的资源抽象过于简单，没有体现出 当今先进交换机体系结构特点，特别是没有体现出主干网络核，t l , 路由器分布式功能的特 点。在下一章将详细介绍我们的i p 虚拟交换机的结构。 由于现行网络的主流仍然是t c p i p 网络，所以i p 虚拟交换机仍然是主要发展方向。 根整个网络产品的发展趋势类似，i p 虚拟交换机的很多功能将要逐渐硬件化。可能的一 种实现方法就是在硬件实现上将资源进行单位化分割，并且公开所有的接口实现，并简 化我们在本文中的描述和实现方法。 1 2 研究工作 在硕士阶段，我主要研究的课题是i p 虚拟交换机资源抽象及接口描述，它是国家 8 6 3 计划“信息网络前言技术研究：虚拟交换机”的一部分。 1 2 1 课题背景 近几年，i n t e m e t 以其惊人的速度影响着社会各个方面。在我国，网络起步的时间 较晚，但是网络设备市场的规模正在以成倍的速度增长。在使用、发展传统网络产品的 同时，为了适应网络发展的高速度，我们须努力研究网络的前沿技术。 我们的课题就是一个这样的项目。我们首先要研究掌握传统路由器的结构与功能， 分析掌握现有的和可能出现的网络应用，根据这些要求分析出的i p 虚拟交换机应该具 备的功能，从而设计出一种新型的交换机结构。在设计出此结构之后，本课题着重对交 换机硬件资源进行了抽象，并描述了我们设计的结构中的i p 虚拟交换机资源接口。 1 2 2 课题任务 在这期间，我完成的工作有： 熟悉了交换机的硬件资源与功能； 熟悉了目前国内外对虚拟交换机的相关研究工作及主要技术； 讨论设计了i p 虚拟交换机体系结构：i p v s w 。 根据i p v s w 的思想，对i p 硬交换资源进行了抽象： 描述了i p 虚拟交换机资源接1 ：3 ，向i p 软交换层面提供了原语操作及调用接口。 调用接口操作构造了d i f f s e r v 的p h b ，验证了工作的合理性。 1 2 3 研究的意义 未来的网络是宽带化、智能化、集成化的网络，是一种能提供多种服务的网络( 语 音服务，视频服务。视频服务，v p n ，等) 。它应该有很强的灵活性，安全性和可靠性， 允许二次开发商网络营运商快速发开发和布置新的网络服务。另外，未来的网络应该在 一定程度上允许用户按照自己的意愿和要求控制网络所提供的服务，按照自己定义的协 议传输信息，使网络应用客户化。这就必须有相应的提供可编程接口的路由器( 交换机) 作基础。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 本课题可编程能力及其控制的实现将使虚拟交换机的原型系统及真正的虚拟交换 机的实现成为可能，它将为软交换机和交换机分割器的实现技术研究的开展打下基础， 它也将为交换芯片，结点操作系统，交换控制软件的实现打下基础，并最终使网络通讯 由被动转为主动。 1 3 论文的组织 这篇论文是对自己在硕士阶段课题研究的一个总结和升华，全文共分五章。 本章绪论主要介绍选题背景、意义，虚拟交换机的发展现状和相关研究工作， 以及本课题的基本情况。 第二章i p 虚拟交换机的体系结构阐述了i p 交换机的硬交换结构和我们设计的 i p 虚拟交换机的体系结构：i p v s w 。i p v s w 是一种层次结构。 第三章i p 虚拟交换机资源抽象及接口描述主要抽象了i p 交换机硬交换资源和 功能扩展，并描述了i p 虚拟交换机资源接口。此可编程接口是实现i p 虚拟交换机的关 键技术之一。任何服务都要通过此接口使用交换机资源。 第四章( i p 虚拟交换机的接口调用实例在资源抽象和分割的基础上，调用接口操 作构造了p h b 软交换机a f 和e f ，模拟表明我们的虚拟交换机能够根据需要提供相应 的软交换服务。 第五章i p 虚拟交换机的应用主要介绍i p 虚拟交换机多路由信息的控制，给出 了虚拟交换机的原型系统，并用基于i p 虚拟交换机的多服务网络和v p n 服务两个例子 进行了验证。 最后是对全文的一个总结，并介绍了i p 虚拟交换机将来的工作。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第2 章i p 虚拟交换机的体系结构 在讨论i p 虚拟交换机的具体实现之前，为其设计一个合理的体系结构是最为重要 的任务之一。任何一个整体系统的设计，结构对最后实现及功能都有着很重要的影响。 因此，在本章，我们首先介绍传统i p 交换机的硬件结构，然后再给出我们设计的i p 虚 拟交换机的体系结构，并分析该结构的特点和主要功能。 2 1l p 交换机结构 路由器的结构有很多，如总线式、分布式等。我们实现的i p v s w 虚拟交换机结构 基于现代的分布式路由器，并且以核心路由器作为主要的资源研究对象，即i p v s w 的 底层的交换资源或功能是i p 分布式核心路由器。下面分别介绍当今主要流行的两种分 布式核心路由器结构，然后描述我们的i p 虚拟交换机模型所基于的核心路由器的资源 和功能结构以及需要进行的改造，以实现我们的虚拟交换机的功能。 2 1 1 共享转发处理模块的分布式路由器 图2 1共享转发处理模块的分布式路由器( 交换机) 第一种分布式路由器结构如图2 1 所示，它由分布的线卡( 接口模块) 、分布的转发 引擎模块以及控制处理机通过交叉开关互连而构成。其主要特点是多个转发模块是分布 共享式的，即从所有接口进入的报文可以使用转发引擎池的任何一个转发模块进行转发 处理。这一特点增加了使用转发引擎所需要的调度，即需要适当的调度机制将要求进行 转发处理的报文调度到比较空闲的转发引擎进行转发处理，以平筏和有效地利用转发模 块资源。转发引擎的调度是这一交换结构的一个重要环节和难点。共享分布式转发模块 的路由器结构的主要优点是能够有效地利用转发处理资源。 2 1 2 分布式核心路由器结构 i p v s w 交换结构主要基于分布式核心路由器。核心路由器属于分布式转发结构， 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 由多个接口模块和一个控制处理机通过交换开关互连组成，如图2 2 所示。接口模块包 含线卡( 端口) 和转发引擎( f e n g ) ，f e n g 使用其内的选路表实现对报文的转发，报文通 过交换开关发往出端。控制处理机运行各种选路协议形成路由表分发给各转发模块，同 时完成管理和其它控制功能。它与共享转发处理模块的分布路由器相比，不需要调度转 发引擎，中央控制处理机就不会成为瓶颈，从而提高了转发处理的效率。而且这种结构 更利于虚拟交换机对资源进行抽象、封装，也利于资源的分割。 图2 2核心路由器结构 2 2l p 虚拟交换机的体系结构 我们设计的i p 虚拟交换机路由器是一种可灵活配置多种不同类型交换转发服务的 新型的交换机路由器体系结构，它能够根据不同的网络应用流类型，将交换机路由器 分割为提供相应交换转发服务的控制和处理虚拟实体。该虚拟实体称之为虚拟交换闭包 ( v s w ) ，它与控制的软交换机( s s w ) 关联形成软交换服务，能够针对不同的网络应用数据 流进行优化转发和特殊处理，以便有效地利用网络资源，改善对特定应用数据流的转发 性能和服务质量。i p 虚拟交换机针对i p 报文进行处理，面向的是i n t e m e t 网络报文流。 为了实现这些要求和控制机制，i p 虚拟交换机体系结构需要解决以下的主要问题： 适应网络技术的发展和不断出现的新应用，提供能够快速动态地扩展和配备新的网 络功能和控制以及新的服务( 如i p 电话交换，可靠视频组播，基于w 曲的交换) 功能。 动态验证、加载并激活特定应用的交换服务模块是虚拟交换机结构中需要解决的关键问 题。 使虚拟交换机结构能够适应不同的网络环境和应用需求，快速装配并提供适应性的 网络交换服务( 如移动通信，v p n ) ，并可根据环境的变化，迅速调整相适的或应急的网 络服务( 安全通路、安全壁垒的建立和撤销) 。虚拟交换机应能提供支持实现交换服务的 动态调整的控制结构机制。 针对网络应用环境的多样性，提供可编程动态调整的多服务交换平台支持。提供支 持多类交换服务共存的运行环境与控制、管理机制。 虚拟交换机体系结构提供的各种环境和控制机制应是安全的，它能够保障各种虚拟 交换服务的安全运转，资源的可靠和有效使用，并防止恶意的代码侵入。 许多可编程网络研究团体提出了支持动态编程构造网络数据流服务的可编程交换 机路由器体系结构模型。这些体系结构模型包括d a r p a 主动网络工作组提出的主动节 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 点结构、a t m 虚拟交换机结构、路由器插件以及可扩展路由器结构等。目前对a t m 虚 拟交换结构的研究比较成熟，但是该虚拟交换机结构仅限于a t m 网络的多媒体应用控 制支持。主动节点体系结构主要针对特定应用流进行处理，用来处理端到端的服务。这 种实现机制对网络条件的变化比较敏感，可能会导致网络节点的服务处理环境和状态环 境的频繁变化，导致报文处理和转发性能与下坡率的降低。路由器插件实现对特定数据 流的处理，它只能实现某一单独的路由器转发处理能力( 如视频流报文调度) ，而且它 与主动节点一样，对网络的动态环境比较敏感。 现代网络应用的发展要求网络能够提供越来越多的服务，而不同的应用数据流对交 换机路由器的处理方式要求是不同的。只有提供与应用数据流相适应的报文处理和转发 机制和算法，才能有效地利用网络资源，提高网络交换机路由器的处理效率，使其发挥 更好的性能，使网络更好地适应于应用。同时，交换机路由器提供的服务也应动态地适 应网络技术和应用的不断发展和进步。为此，我们的目标是设计一个新型的i p 虚拟交 换机结构，通过其提供的控制机制和公开的可编程接口，能够快速、动态创建和部署适 应性的交换服务。并且，考虑到在某一段时期内，特定网络环境中的应用数据流类型一 般较为固定，为了使网络服务更好地发挥效率，我们所设计的虚拟交换机结构主要考虑 支持时间跨度比较长而稳定的网络交换服务。这样就避免了主动网络和路由器插件对网 络动态环境的敏感性问题了。 i p 虚拟交换机控制机制的实现方式是其结构的关键性问题，怎样有效地实现共享交 换机资源的虚拟交换控制，关系到虚拟交换服务实现的效率、性能和安全性。虚拟交换 服务对数据通路报文的处理复杂度以及对链路的控制程度，直接影响到数据流转发的性 能。通过编程实现的虚拟交换机可涉及到链路或控制通路操作，对数据通路的过多干预 会引起转发性能的下降，影响经典的b e 转发通路。因此，对用户而言，我们设计的虚 拟交换机的资源接1 3 比较抽象，对资源的分割粒度较大，用户通过调用这些接口来利用 资源，对资源最基本的控制由操作系统实现。控制扩展件与相应的链路紧密结合或关联， 形成我们所需要的有效的虚拟交换服务。 主动网络和路由器插件的不稳定性就是因为它们加载扩展控制服务的方式造成的。 因此，我们需要提供一个可编程控制和管理环境，通过公开可编程接口动态实现控制扩 展功能的加载，并与所需要的资源或功能对象关联形成所需要的虚拟交换服务。 基于以上的考虑，我们提出了如下的新型i p 虚拟交换机体系结构框架，如图2 3 所 示。它具有以下的特征： 第9 页 嘲防科学技术大学珏j f 究乍院学能沦文 图23虚拟变换机体系结构 层次性结构：虚拟交换机采用了控制软件与交换硬件分离的分层逻辑模型，形 成了相对独立的三个平面：底层的物理t p 硬交换层面、中间的i p 软交换层而 和顶层的软交换控制和管理层面。控制和管理层面提供软交换服务的引入、加 载、激活及控制和管理的可编程环境，并对共同运行的软交换机的服务数据流 量负载及使用的资源进行监控、统计。i p 软交换层面通过资源分割控制器形成 虚拟交换闭包( v s w ) 及其关联的s s w ，将路由器按需分割为包含一定资源抽象 集的v s w ，并对其资源及功能实行控制使用，位于该层面的s s w 提供对多类网 络数据流的专门转发控制操作和处理，其转发所使用的交换资源为相应v s w 所 限定，v s w 具有一定的资源伸缩能力。i p 硬交换层面包括底层的物理交换机( 路 由器) 提供的硬件资源( 如转发引擎) 和内核软件资源，并抽象底层路由器的资 源或功能，以便通过可编程机制进行控制和使用。妒硬交换层面的资源或功能 可以通过i p 虚拟交换机资源接口使用或控制。 支持多个虚拟软交换服务( s s w ) 共存于同一虚拟交换机结构及其控制环境中：可 根据网络应用环境的需要，同时支持络数据流交换服务。如：b e 数据流、i p p h o n e 流、视频流、v p n 流等。为了保证多类网络报文流的交换或转发效率，共存的 虚拟软交换服务应控制在尽可能少的范围内，一般2 3 种左右的软交换服务类 型较为适宜。并根据s s w 的类型和数量动态分割( 分配) 和调度交换机资源：根 据具体网络中的应用流情况，为相应的s s w 分割对应比例的资源和相适应的功 能或算法。 支持动态加载软交换机服务：运行时，根据网络环境中应用数据流的变化，动 态加载并切换到相应的交换服务。对于每一种虚拟交换服务，为保持虚拟软交 换服务的稳定性，改善网络服务的性能，高效地使用网络资源，我们采用大间 隔服务调整周期。 稳定而灵活的软交换服务周期设置和调整，根据在较长时间内网络上的数据流 一般不会变化特点，我们采用大间隔的软交换服务调整周期，它符合交换机 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 路由器的数据转发服务特点，在提供可编程灵活性的同时，保证了虚拟软交换 提供的网络数据流转发服务的稳定性和性能。对于服务调整，我们定义服务宽 度s v ( 能够保障服务的特定报文流容量，如带宽，流数) 及偏差值6 ，并设置了 大间隔服务周期t s ( 根据具体网络环境和应用的相对稳定特征) 。在t s 内不作 调整，每隔t s ，如果该类网络流服务容量( 服务的数据流负载) 的统计平均值在 s v 6 ，s v + 6 】范围内，则不作调整，否则对其进行调整以适应相应网络应用流 情况的变化。这一方法减少了动态调整对交换服务性能的影响。 通过控制和管理层面的可编程接口控制和管理s s w 间的通信和资源调配：可编 程环境提供一组调用操作或工具，用于控制和管理各类软交换服务。 虚拟交换机各部分的主要功能描述如下： 底层l p 交换机提供i p 硬交换层面的资源：交换机，路由器是核心路由器的分布 式结构，由多个线卡、交换转发模块和交换背板组成，每个线卡具有多个端口， 并带有分类器、处理器( c p u ) 、排队缓冲区和调度器( 算法) 等。接口模块自带 存储器、快速转发引擎和转发表等。它需要提供可编程接口( i p 虚拟交换机资 源接口) 以实现对交换机资源或功能( 算法类型及参数) 的控制和利用。我的课 题研究的核心部分就是描述该可编程接口，并对资源、功能进行抽象。 资源或功能虚拟抽象层：对硬件资源或功能进行结构化抽象，形成交换机的软 件抽象模型，以便于虚拟交换机对资源的控制、使用和管理。 i p 交换机资源分割控制器：在资源抽象的基础上，分割底层交换资源( 包括硬件 和软件资源) ，形成多个不同类型的虚拟交换闭包( v s w ) 。由于交换机路由器资 源的统计复用特性，我们的分割器的实现方法为：根据正在运转的s s w 控制使 用的v s w 的类型和数量，按流量负载比例及其重要性( 优先权加权值) 复用共享 资源的虚拟分割机制，即根据应用网络流的类型( 具有相应的加权值) 和流量统 计，为各类s s w 对应的v s w 分配相应比例的资源量。交换机分割器的主要功 能之一控制和管理v s w 对底层资源或功能的使用，跟踪各个v s w 对带宽、端 口、报文队列、调度器、缓冲区、转发引擎和c p u 等资源的使用情况，并根据 监控和管理层面提供的对i p 软交换层面中软交换机的监控统计信息和运转的 s s w 类型和路由器资源整体使用情况作出适时的调整。资源分割控制器和v s w 共同作用，限制软交换机使用和操作的资源范围。交换机资源的分割粒度决定 了分割策略实现的复杂度，细粒度的资源分割可以只涉及到某一特定报文流所 使用的资源，需要保留每一个流的状态，而i n t e m e t 中流经每一个路由器( 尤其 是核心路由器) 的数据流是非常巨大的。因此，需要保留大量的状态，而管理这 些状态所需要占用的资源和操作比较多，导致转发效率下降，实现复杂度变高。 我们的实现是面向应用类的网络数据流交换和转发( s s w 具有应用意识能力) ， 并基于现代路由器功能模块化的特点，故采用了针对汇聚类数据流( 如视频流) 的粗粒度分割策略。这样的分割机制既实现了优化网络报文流转发的分类虚拟 软交换服务，又使得操作和状态管理简单化，保证了网络报文流转发的性能。 虚拟交换闭包( v s w ) ：v s w 是分割路由器的一部分资源构成的结构相对独立的、 交换功能或控制方式不同的抽象逻辑交换机。多个v s w 实现对底层交换机资源 的分割复用共享。根据底层具体的交换机资源情况，可以形成比较常用的s s w 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 对应的各类逻辑交换机( 如：i p 数据( 实现常规b e 转发) 、i p p h o n e 、i pv i d e o 、 d i f f s e r v 中的予类、各类常用的v p n 类、针对w e b 流类型以及实现安全转发 保护通路等1 。 软交换机( s s w ) 服务构造：根据网络环境和应用报文流的交换需求，在v s w 的 基础上创建相应交换和转发控制处理功能的软交换机，并通过控制层面动态加 载到l p 软交换层面为用户提供所需的虚拟软交换服务( 如i pp h o n e ) 。v s w 及其 关联的控制网络数据流转发操作和行为的s s w 构成了能有效地转发应用数据 流的软交换服务。这一部分提供支持各种软交换服务的功能原语或函数库，并 可进行必要的扩充，同时提供软交换机的运行环境，加载的软交换机首先由监 控和管理层面进行安全认证和正确性验证，并交由i p 软交换层面激活软交换 机，提供所需的交换服务，并由i p 软交换层面控制各个软交换机协同提供交换 转发服务。i p 软交换层面是i p 虚拟交换机可编程支持环境的主要部分，是各 类软交换服务的构成支持、运行和受控的核心。这一层面提供了各种服务支持 和资源控制的编程工具，支持和控制各类v s w 及其关联的软交换机的构成、加 载、激活、运转和服务资源及功能调整，并接收来自监控和管理层面对软交换 机的监控统计信息。它涉及到软交换机的构成方法及其对资源和服务对象( 相应 数据流) 的控制机制。 软交换机( s s 州：是v s w 的软件控制对象，它控制和操作相应的应用网络数据 流的转发行为，控制和处理流经v s w 的数据流，实施对v s w 转发报文的控制 调整。我们的设计原则是尽可能减少对数据通路报文转发性能的影响，因此， s s w 可包括替换或增强的数据转发通路控制功能( 如队列管理、各类报文的处理 方式、报文调度等) ，但也可包括简单和必要的数据通路处理功能扩充( 如安全 处理等) ，以便尽可能地减少对报文转发性能的影响。软交换机也包括控制相应 数据流转发的信令或协议( 如s s 7 、视频组播协议以及支持i p 电话的其它协议 等) ，s s w 的通路建立信令或协议建立相应软交换机的服务网( 虚拟网) ，并负责 属于该类软交换服务的全局网络资源的建立、使用和协调。新的或更加有效的 信令或协议可通过1 p 虚拟交换机的可编程机制快速扩展到l p 软交换层面，通 过给特定的软交换机构成使用，这是虚拟交换机不同于传统交换机的一个重要 特点。软交换机实际实现用户所需要的交换控制和操作功能，直接提供给应用 所具有的相应类型的报文流使用。我们的i p 虚拟交换机结构支持常用的软交换 机结构和功能，如d i f f s e r v 类软交换机、i pp h o t i e 软交换机、i pv i d e o 软交换机 ( 针对视频流进行优化控制处理) 以及各类v p n 软交换机等，并可根据网络技术 和应用的发展添加新的软交换机。 软交换服务监控和管理器：i p 虚拟交换机的控制和管理可分为两个部分：一方 面负责维护和管理现有的所有软交换机，负责从远端下载新的软交换机，并对 其进行安全验证和功能正确性校验；将应用需求的软交换机引入并安装到主虚 拟交换机的监控和管理环境。另一方面就是负责监控运转中的各类软交换机的 状况，使用库结构保存软交换机及其关联的v s w 的资源分割映射结构以控制其 资源或功能的使用，本地缓存并管理最常用的软交换机。监控和统计各类软交 换机的网络流量负载，并通过i p 软交换层面在一定的范围内调整软交换机( 某 第1 2 页 些资源、功能及参数) 。同时它还支持对各类应用网络流的监控和统计，作为软 交换机类型调整的依据。 这新型的i p 虚拟交换机多服务体系结构可以集成各种网络服务功能，灵活而快 速地部署多种报文交换服务，并可针对特定应用数据流优化报文转发性能。 2 3 小结 本章主要在介绍了现行交换机的体系结构和我们的虚拟交换机所基于的核心路由 器的体系结构之后，详细分析了虚拟交换机体系结构的设计思想，并给出了分层结构的 i p 虚拟交换机体系结构，分析了此结构的特点和功能。i p 虚拟交换机从结构上分为i p 硬交互层面、i p 软交换层面、监控和管理层面三部分组成。软交换层面通过i p 虚拟交 换机资源接口使用、控制交换机各种硬件资源和功能；监控管理层面则使用软交换机机 可编程控制接口( s c i ) 控制i p 软交换层面。 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第3 章i p 虚拟交换机资源抽象及接口描述 i n t e m e t 及其应用的发展要求网络具备更多的灵活性和适应能力，越来越多的信息 和服务选择以i p 报文为载体融合到i n t e m e t 来满足人们各种各样而且不断发展的要求。 而传统网络的体系结构中下面几个固有的缺陷已经制约了i n t e m e t 服务的进一步发展。 设备的系统封闭性：在网络服务竞争中，服务提供商之间的竞争最终体现在是否能 快速地为用户部署高质量的服务。但现在他们所依赖的网络设备几乎都是封闭的系统， 其硬件和软件都是由同一个网络通信商独家研发，只可以进行参数配置，不能增加新的 功能为上层服务提供灵活的支持。而且这种封闭性还导致了不同厂商网络设备互联、互 操作性较差的问题。因此，以后的网络设备都必须公开、具有可编程性，允许使用者或 者中间开发商调用其逻辑功能一实现新的功能，支持上层服务。 单一的网络服务：基于i p 协议的网络结点只能提供“最大努力( b e s t - e 丘o r t ) ”的报 文传输转发服务，网络结点通过路由协议相互通讯来寻找报文的出口路径，每个i p 报 文的转发相互独立。互联网上的信令控制任务完全由服务器和客户承担，得不到网络结 点的有效支持。这使得互联网上的新业务很难有效地发展。 服务质量得不到保证：互联网结点对所有i p 报文一视同仁地尽“最大努力”进行转 发，然而对于一些特殊服务( 如语音、视频、设备监控、网络计算等) 的报文希望可以 进行特殊的处理，以保证在最坏的情况下也可以保证服务的最低的质量要求( 如最大时 延、最