（计算机应用技术专业论文）基于supanet的统一流适配技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着科学技术日新月异的发展，人们对网络的要求越来越高。有线电 视网，电信电话网以及传统计算机网络开始相互融合，相互渗透，三网合 一已经成为不可阻挡的大趋势。鉴于i n t e r n e t 难以为不同业务提供有力的 服务质量保证的现状，四川省网络通信技术重点实验室提出了单物理层用 户数据传输与交换平台体系结构( s u p a ) 。为了提高通信效率，s u p a 利 用带外信令技术将信控平台与用户平台分离，并将用户平台协议层次降低 至单物理层。 本论文主要针对单物理层用户数据传输与交换平台体系结构( s u p a ) 的流适配层( s a l ) 展开研究，其研究重点是从理论上建立一个能为不同 上层实体提供适配服务的适配模型，实现不同数据流到物理帧的无差别适 配。通过无差别适配，数据被封装成e p f 帧，并通过单物理层时槽交换技 术，在虚线路( v b ) 上进行高速交换。 在三网合一的大背景下，本文首先对s u p a n e t 中的数据做了深入地 分析和比较，将s u p a n e t 中的数据流划分为八种类型；然后提出了一种 数据流类型与优先级之间的动态映射机制；并最终建立了s u p a 的统一流 适配模型。 在统一流适配模型中，s a l 层被划分成两个不同的功能子层：适配服 务提供子层和物理帧封装子层。针对不同的应用场景，适配服务提供子层 向上提供三种不同的适配服务：面向控制服务、面向用户服务和面向中继 服务。面向控制服务为信控数据提供适配服务；面向用户服务为应用层用 户数据提供适配服务；面向中继服务为“借道”s u p a n e t 的数据提供适配 服务。适配服务提供子层的存在不仅为上层提供了明晰的服务接口，还屏 蔽了上层数据对适配服务的不同需求；物理帧封装子层完成对所有数据的 统一适配封装任务。此外，由于上层实体具有多样性，为了提升解封装的 处理效率，本文在e p f 头部增加了t y p e 字段用以标示e p f 载荷类型。 最后，本论文还利用o p n e t 网络仿真软件建立了一个简化的s u p a 网络模型，对统一流适配过程进行仿真实验。本文搭建了s u p a 主机s u p a 主机和s u p a 半网关s u p a 半网关的网络场景，用于验证三种适配服务方 案的可行性。除却可行性验证之外，本文还建立了多队列适配处理模型， 用于验证本文所提出的适配模型处理性能的高效性。 关键词单物理层用户数据传输与交换平台的体系结构；流适配层；适配 服务提供子层；面向以太网物理帧；优先级 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t t h eb a c k g r o u n do ft h ew o r kp r e s e n t e di nt h i st h e s i si ss i n g l ep h y s i c a l l a y e ru s e r - d a t at r a n s f e r & s w i t c h i n gp l a t f o r ma r c h i t e c t u r e ( s u p a ) i n t r o d u c e d b ys i c h u a nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nk e yl a b o r a t o r y ( s c n e t c o ml a b ) t o m e e tt h en e e d so fq o sf o rf u t u r em e r g e dn e t w o r k s s u p as i m p l i f i e st h e u s e r - d a t at r a n s f e rp l a t f o r m ( u - p l a t f o r m ) i n t oas i n g l ep h y s i c a ll a y e r ，w h i c h c a ng r e a t l yi m p r o v ee f f i c i e n c ya sw e l la sq o s p r o v i s i o n i n gf o ru s e rd a t ai nt h e u - p l a t f o r mw h i l er e m a i n si n t e r o p e r a b l ew i t he x i s t i n gi n t e r n e t t h i st h e s i sf o c u s e so nu n i v e r s a ld a t as t r e a ma d a p t a t i o nb e t w e e nu p p e r l a y e ra n de t h e r n e t o r i e n t e dp h y s i c a lf r a m e ( e p f ) s u b l a y e ri ns u p aw i t h r e g a r dt od a t af o r m a t s t h eg o a lo fa d a p t a t i o ni s s u e si st om a k ed i f f e r e n tu p p e r d a t ab ee n c a p s u l a t e do rd e c a p s u l a t e di n d i s t i n g u i s h a b l yb e t w e e nu p p e rl a y e r s a n de p fs u b l a y e ri no r d e rt o i m p r o v ee f f i c i e n c yo fd a t at r a n s m i s s i o n b y m e a no fe t h e r n e t - o r i e n t e dp h y s i c a lf r a m et i m e s l o ts w t i c h i n g ( e p f t s ) ，e p f c a nb es w i t c h e da th i g hs p e e di np h y s i c a ll a y e rv i av i r t u a ll i n e s ( v l s ) a f t e ri n t e n s i v ea n a l y s i s ，t h ep o t e n t i a ld a t af l o wi ns u p a n e tc a nb e c l a s s i f i e di n t o8g r o u p s t h er u l eo ff l o wc l a s s i f i c a t i o ni sd y n a m i c t h ed a t a o fe v e r yg r o u pc a nm a pi n t oap r i o r i t y i no r d e rt of i tw i t ht h ed y n a m i cr u l eo f f l o wc l a s s i f i c a t i o n ，t h er u l eo fp r i o r i t ym a p p i n gi sa l s od y n a m i c b a s e do nt h e r e s e a r c ho ff l o wc l a s s i f i c a t i o na n d p r i o r i t ym a p p i n g ，au n i v e r s a l s t r e a m a d a p t a t i o nm o d e lh a sb e e ns e tu p i nt h em o d e lo fa d a p t a t i o n ，t h es t r e a ma d a p t a t i o nl a y e ri sd i v i d e di n t o t w os u b l a y e r s ：a d a p t a t i o ns e r v i c ep r o v i d es u b l a y e r ( a s p s ) a n dp h y s i c a l f r a m e e n c a p s u l a t i o ns u b l a y e r ( p f e s ) t h em a i nf u n c t i o n o fa s p si s p r o v i d i n gd i f f e r e n ta d a p t a t i o ns e r v i c ef o rd i f f e r e n tu p p e rl a y e re n t i t i e s a c c r o d i n gt ot h ed i f f e r e n c eo fu p p e rl a y e re n t i t i e s r e q u e s t s ，t h ea d a p t a t i o n s e r v i c ei sd i v i d e di n t ot h r e et y p eo fs e r v i c e s ，i e ，c o n t r o l - o r i e n t e ds e r v i c e ， u s e r - o r i e n t e ds e r v i c ea n dr e l a y o r i e n t e ds e r v i c e a d d i t i o n a l l y , af i e l dn a m e d t y p ei sa d d e di nt h eh e a d e ro fe p fi no r d e rt om a r kt h et y p eo fp a y l o a d f i n a l l y ，o p n e tn e t w o r ks i m u l a t i o ns o f t w a r ei s u s e dt ov a l i d a t et h e f e a s i b i l i t yo ft h ea d a p t a t i o nm o d e l at o p o l o g yn e t w o r ke n v i r o n m e n ti ss e tu p b ym e a n so fo p n e tm o d e l e r i nt h e s i m u l a t i o nm o d e l ，t h ew h o l ew o r k p r o c e s s e so ft h r e e s e r v i c e sa r es i m u l a t e d f u r t h e r m o r e ，a m u l t i q u e u e s i m u l a t i o nm o d e li ss e iu p t h el i n ku t i l i z a t i o no fm u l t i - q u e u em o d e li s c o l l e c t e db a s e do nd i f f e r e n ti n p u t ss h o w st h a tt h ec a p t i t yo fa d a p t a t i o nm o d e l d i s c u s s e di nt h i sp a p e rc a nb ev a l i d a t e d k e yw o r d ss i n g l ep h y s i c a ll a y e ru s e r - d a t at r a n s f e r & s w i t c h i n gp l a t f o r m a r c h i t e c t u r e ( s u p a ) ； s t r e a m a d a p t a t i o nl a y e r ( s a l ) ； a d a p t a t i o ns e r v i c ep r o v i d es u b l a y e r ( a s p s ) ；e t h e r n e t o r i e n t e d p h y s i c a lf r a m e ( e p f ) ；p r i o r i t y 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保蕃d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名! 棒收 日期：砷名7 名中号 、爹 ：q ， 名 加 华油 师 - 老 ： 导 期 指 日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 本文将通过深入分析s u p a 中的数据流，提出一种动态的流分类规则和优 先级映射机制。 2 将s u p a 中各种数据对适配服务需求的差异，提出一种能屏蔽打不通数据 对适配需要的差异的统一流适配技术方案，从而进一步降低s u p a 的处理 时延，提高s u p a 的处理效率。 3 本文将利用o p n e t 仿真软件进行方案的可能性验证。此外还将利用o p n e t 的多进程机制，建立多队列的仿真模型，从实验层面验证的统一流适配模 型的高效性。 o，f 愎 7 怿p 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 论文背景介绍 第1 章绪论 电信电话网拥有较为悠久的历史，诞生至今已经经过了1 0 0 年的发展。 它是在电话网的基础上发展而来的，主要传输的数据为语音信号。有线电 视网以电视信号为最主要传输对象，至今也经历了数十年的发展历程。计 算机是最晚诞生的网络，以a r p a n e t 接受t c p i p 协议为标志。i n t e r n e t 在短短的几十年间得到飞速的发展，目前因特网拥有的5 0 0 0 多万用户已 经覆盖了社会的各个方面。i n t e r n e t 以其简单的5 层结构和网络层采用简 单的无连接协议为特点，为用户提供“b e s te f f o r t ”服务n 1 。 电信电话网和有线电视网都以双绞线为传输媒介，双绞线有限的传输 能力成为电信电话网和有线电视网的发展瓶颈。虽然i n t e r n e t 也以电话网 作为传输基础，但是它因为灵活性和廉价优势，得到飞速的发展。i n t e r n e t 在全球的成功使得电视网和电话网逐渐与i n t e r n e t 相互融合，这就是所谓 的“三网合一”n 1 。但i n t e r n e t 缺乏服务质量保障机制的缺点成为三网合一 的一大阻碍。 为了解决i n t e r n e t 缺乏服务质量保障机制的问题，业界希望通过在i p 层增加子层的方式来达到目的口1 。于是，资源预留协议h 1 ( r s v p - - r e s o u r c e r e s e r v a t i o ns e t u pp r o t o c 0 1 ) 、区别服务崎1 ( d i f f s e r v m d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ) 、 集成服务哺1 ( i n t e s e r v m i n t e g r a t e ds e r v i c e ) 等技术被相继提出。尽管集成服 务、区别服务都试图通过对单个数据流或同类数据流进行资源预留的方式 提高i n t e r n e t 对服务质量的保证，从而改善i n t e r n e t 的服务质量。然而， 无论r s v p 加集成服务，还是区别服务，到目前为止充其量只能在局部范 围内提供比“尽其所能”的传统i n t e r n e t 服务质量稍好的服务，也就是说它 们都只能提供一个“b e t t e rb e s te f f o r t ”服务。因为在全球范围内，多数网络 还不具备支持大量实时数据流的网络传输能力，所以上述技术在局部范围 内有可能实施服务质量保证，但在整个i n t e r n e t 范围内全面实现服务质量 保证体系还不具备条件3 。另外，集成服务和区别服务对用户的服务质量 保证的承诺具有概率统计特性。当资源紧张时，将采用不同的缓解策略或 约束控制策略，甚至丢弃分组。上述服务质量保证技术最多只能在轻负载 情况下部分地改进i n t e r n e t 提供的服务质量，且总体收效甚微。导致这种 结果的真正原因是i n t e s e r v 和d i f f s e r v 都试图在i p 层通过资源预留来控 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 制传输资源地使用，但在数据链路层，特别是物理层缺少直接对服务质量 进行控制的机制，因而无法从根本上提供服务质量保证 1 。 当人们发现前文提及的几种技术仍旧不能使i n t e r n e t 拥有更好的服务 质量保证时，人们开始探究新的方法来解决服务质量的问题。于是，人们 将目光聚焦在优化计算机网络体系结构的方向上。业界希望通过利用带外 信令的思想，对用户平台进行简化来减少处理时间，提高处理效率。其中 典型的技术为多协议标签交换( m p l s m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 口妇盼别。m p l s 将用户平台简化到两层，也相应地提出了一些保证服务质量 的技术。虽然m p l s 在保证服务质量方面的努力取得了一定的成效，但也 不能彻底解决服务质量保证问题。因为m p l s 虽然在2 层进行了资源预留 的工作，但没有把链路层的资源映射到物理层上，只是把服务质量保证的 压力交给了物理层哺1 。 另一方面，通信技术的发展也给计算机网络带来了潜移默化的影响。 例如：物理层信道误码率的进一步降低，使得链路层的压力逐渐变小。随 着通信技术的发展，物理层变得越来越“厚”，链路层变得越来越“薄”，这 样的变化为计算机网络的发展提供了一个新的变革方向。如果能够将数据 链路层帧与物理帧协调一致，数据链路层的相关功能就完全可以被取代， 未来的体系结构中数据链路层与物理层便可以两层合一，这样就可以进一 步简化用户平台的层次，进一步提高处理和传输效率1 。 考虑到现有网络体系结构不能满足“三网合一”的网络的高速传输、交 换和服务质量保证的现状，四川省网络通信技术重点实验室提出了一种全 新的网络体系结构s u p a ( s u p a i s i n g l ep h y s i c a ll a y e r u s e r d a t a t r a n s f e r & s w i t c h i n gp l a t f o r ma r c h i t e c t u r e ) u 引。s u p a 利用带外信令技术，将 体系结构分离成信控平台和用户平台，并将用户平台简化成单物理层。通 过优化计算机网络体系结构，s u p a 不仅可以减少数据的处理时延、提高 处理效率，还可以将针对不同数据流进行的资源预留直接映射到物理层 上，从根本上解决服务质量得不到保证的问题n 1 。 1 1 1s u p a 的协议层次模型和接口 s u p a 将用户平台降低至单物理层，但信控平台和管理平台仍保留 i n t e r n e t 原有的5 层协议层次，这样有利于与i n t e r n e t 互连，也保护了以往 的众多投资n 引。s u p a 的协议层次和接口如图卜1 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 d u m a 昌号暇 s u p a 竭张s u p a 中问张 -_l_ i 上 嘧啦m l 凹 q o s 胛 t 籼肿q o s n p殴 豫r 口q o s l i p 改用o 即f 口 s u p a 城内 0 s p ft | d e p0 印ft m 口 s 呻a 域 陛序b o pa c p c e p 用户系统 b a pa c p c e p 一 b a pc e p 内信令控 t 】田兀) p 的撇 皿p l u d pt i i t ：皇 皤 d理乎面的口r d m 埔叠口 ，v q - o ： e i h e 加mm a c 协泣重 鼬e f n c t l 正a cl ir h e m e t m a c 平面的协 e t h e 诚p h v s i c ml 基臂 i t t q t e t h e r 位, tp h y s i c a l1 撇iie t h e r n 吐p h v s i c j dl a v e r漱 d w d m 值司酗 i i d w d m lld f d m o ， l 一o 、 l ! i i ， ， j 撞棒锻平面的用户嘲络楼n !傻翻舒蛏面的咧整腰睡隘且j 用玉 h 钯n 塘t 应用黼铺 j j l ；同甄张蚋用户i ， p a y l o a d l e n g t h ) 木创建一个分段类型的缓存幸 s e g m e n t _ h a n d l e = o p s a t _ b u r _ c r e a t e ( o p c s a r b u ￥j y p e s e g m e n t , o p c _ s a r b u fo p t _ d e f a u l t ) ； 幸将当前数据插入到缓存中掌 o p s a ts e g b u f - p k i n s e r t ( s e g m e n t h a n d l e ，o l d s t r e a m ，0 ) ； | 粤进行瓿浅毒| w h i l e ( s t r e a m l e n t h 0 ) 毒从缓存取出2 0 0 0 字节的数据木 o l d s t r e a m = o p s a r s r c b u f _ s e g r e m o v e ( s e g m e n t h a n d l e ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 7 页 p a y l o a d l e n g t h ) ； 更新缓存中数据的长度 s t r e a m l e n t h - = p a y l o a d l e n g t h ； 宰调用封装函数进行封装掌 c u r r t s t r e a m = e n c a p ( o l d s t r e a m ，e n c a p e n t r y ) ； o p _ p k _ s e n d ( c u r r t s t r e a m ，0 ) ； ) o p s a r _ b u f _ d e s t r o y ( s e g m e n t _ h a n d l e ) ； ) 幸如果当前长度等于有效载荷长度，则直接封装成e p f 帧，并发送幸 e l s e c u r r t s t r e a m = e n c a p ( o l d s t r e a m ，e n c a p _ e n t r y ) ； o p _ p k _ s e n d ( c u r r t s t r e a m ，0 ) ； 5 1 4 3 中继模块的s a l 进程模型的功能设计 在面向中继服务中，m a c 帧的最大长度为e p f 帧有效载荷的长度， 所以中继数据不用进行切割。当接收到的m a c 帧长度不足2 0 0 0 字节时， 就需要对其进行填充，填充完成后，再进行e p f 帧的封装工作。在面向中 继服务中，e p f 头部的控制字段也是利用r e q u e s t 中的i n d e x 对u m i b 进 行索引而得的。 当中继数据需要填充时，s a l 首先申请一个缓存，然后计算需要填充 的数据长度( p a d d i n g _ s i z e ) ，最后生成一个长度为p a d d i n g _ s i z e 的b u l k 插 入到缓存的最后。当填充过程完成后，便调用封装函数对当前数据进行封 装。填充过程的具体实现代码如下： 搴如果当前m a c 帧的长度不足2 0 0 0 字节木 i f ( s t r e a m l e n t h i d ) & & ( i i d ) o u t = e n t r y ； ) 宰查找失败，打印错误信息牛 i f ( o u t = = o p c _ n i l ) s u p ae p fe r r o r _ s a l ( ”m i bs e a r c hi sf a i l e d n ”， o p c _ n i l ，o p c _ n i l ) ； 5 2 仿真过程及结果 在本节中，将分别展示三种适配服务的仿真运行过程，并分析本实验 在不同的参数输入下的仿真结果。 5 2 1 面向控制服务的仿真过程 对于面向控制服务的服务提供过程，本节将以v l i 为“1 ”的s u p a 专 用协议的适配封装过程为例，详细介绍信控数据适配封装的全过程。 信控数据由节点h o s t 中的s r c 模块产生。在生成信控数据后，s i c 模 块就向s a l 发送r e q u e s t ，r e q u e s t 的参数为r e q _ t y p e 、f r a m e t y p e 、e n c a pi n f o 和c t r l d a t a 。r e q u e s t 的具体内容如图5 8 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 图5 - 9 ( a 1 信控长帧内容 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 图5 - 9 ( a 1 信控长帧内容 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 2 图5 - 9 ( b ) 信控短帧内容 部中的t y p e 字段用于标示e p f 载荷的类型，该字段由g 白适配服务类型进行填写。信控帧的t y p e 字段值蔓 t i r 0 1 ) 。 j 户服务的仿真过程 户的服务中，当s a l 模块接收到s r c 发送的数据后，需里 qi n d e x 对u m i b 索引得到e p f 帧的头部控制信息，并， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 3 页 于2 0 0 0 字节的数据进行切割。 面向用户服务的r e q u e s t 中的r e q t y p e 为1 ，表示当前请求为面向用 户适配服务的请求：i n d e x 为u m 1 b 库索引，该值在s r c 中随机生成而得。 s r c 发送的r e q u e s t 内容如图5 - l o 所示。 图5 1 0 用户数据内容 图5 - 1 0 中产生的用户数据长度为4 8 0 0 0b i t s ，需要进行切割，切割的 方式如4 2 节所述。当切割完成后，适配封装函数被调用，用于完成封装 工作。图5 1 1 显示了用户数据的切割与封装过程。 图5 - l l 用户数据切割过程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 4 页 所示 经过切割后，用户数据被封装成e p f 帧。用户数据帧内容如图5 1 2 图5 1 2 用户e p f 帧内容 5 2 3 面向中继服务的仿真过程 在面向中继服务中s i c 模块产生的数据为m a c 帧。如果数据长度不 足有效载荷长度便对其进行填充。请求面向中继服务的r e q u e s t 中r e t l _ t y p e 的值为2 ，表示当前请求为面向中继适配服务的请求；参数i n d e x 为 u - m i b 索引，该值在s i c 中随机产生而得。s f c 发送的请求面向中继服务的 r e q u e s t 内容如图5 1 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 5 页 图5 1 3 中继数据内容 图5 1 3 中产生的中继数据长度为6 4 b i t s ，需要进行填充，填充的方式 如4 2 节所述。当填充工作完成后，便调用封装函数对其进行封装。填充 过程如图5 1 4 所示： 圈5 1 4 中继数据填充过程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 6 页 中继数据经过填充，被最终封装成e p f 帧。其具体内容如图5 2 1 5 所 幽5 1 5 中雏e p f 帧内容 从图5 - 8 、图5 - 9 、图5 1 0 、图5 1 1 、图5 1 2 、图5 1 3 、图5 1 4 和图 5 1 5 可以看出：三种适配服务的提供过程与4 1 节、4 2 节和4 3 节中描述 的服务提供过程一致，s a l 能够根据上层的适配请求准确地提供适配服 务。此实验结果直接验证了本文提出的适配模型的可行性。( 注：图5 - 9 、 图5 1 2 与图5 - 1 5 中数据长度均不包括前导序列的长度。由于虚拟路由器 机制、s e c 机制与本研究无关，所以本实验并未详细标示虚拟路由器与s e c 机制的相关控制字段，而是用r e s e r v e d 字段代替。此简化工作不影响本实 验结果) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 7 页 5 2 4 仿真结果 实验利用三组不同的概率分布作为输入，得到三组不同的输出结果。 本实验搜集了链路利用率这一参数，详细分析了其在不同输入下的输出结 果。 5 2 4 1 泊松分布 仿真实验一：包产生的间隔时间服从泊松分布，参数选择为 p a s s i o n ( 1 0 ) ；随机种子数1 2 8 ；链路数据传输速率为2 0 2 4 0b i f f s ；仿真时间 为6 小时。实验结果如图5 1 6 所示： 图5 - 1 6 ( a ) 面向黼悔哟耐猢橙分布 图5 - 1 6 ( c ) 面向用户服务泊橙分布 图5 - 1 6 ( d ) 面向中继服务泊松分布 5 2 4 2 常量分布 仿真实验二：包产生的间隔时间服从常量分布，参数采用c o n s t a n t ( i ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 8 页 随机种子数1 2 8 ；链路数据传输速率为2 0 2 4 0 b i t s ；仿真时间为6 小时。 实验结果如图5 1 7 所示： 5 - 1 7 ( 0 面向控制瞄砖旬服务常量分布! 9 1 5 - 1 7 ( b ) 面向控龇长蝴务常量分布 一 一一：= l 一 。腿苎“l fr ：i ：f 1 一f 。i 图5 - 1 7 ( c ) 面向用户服务常量分布 图5 - 1 7 ( d ) 面向中继服务常量分布 5 2 4 3 指数分布 仿真实验三：包产生的间隔时间服从指数分布，参数为e x p o n e n t i a l ( 0 1 ) ；随机种子数1 2 8 ；链路数据传输速率为2 0 2 4 0 0 b i t s ；仿真时问为 6 小时。实验结果如图5 1 8 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 9 页 图5 - 1 8 1 a ) 面向控崎蜘月务指数分布图5 - 1 8 ( b ) 面向控$ 啦恻蝴射匕数分布 图5 - 1 s ( c ) 面向用户服射匕数分布图5 - 1 8 ( d ) 面向中继服务指数分布 从图5 1 6 、图5 - 1 7 、图5 - 1 8 ，共1 2 副实验结果图可以看出：三组实 验中面向控制( 短帧) 服务的链路利用率均低于同组的其他数据，而面向 用户服务的链路利用率都是最高的。经过深入分析，发现产生上述结果的 主要原因为以下三点： l 在面向用户服务、面向控制( 长帧) 服务以及面向中继服务中， 数据最终被封装成e p f 长帧，而面向控制( 短帧) 服务采用的帧 格式为e p f 短帧。所以，面向信控( 短帧) 服务的链路利用率总是 低于同组的其他数据。 2 e p f 长帧的长度为2 0 2 4 字节，而e p f 短帧的长度为6 4 字节，长 帧的长度约为短帧长度的3 2 倍。所以，面向控制( 短帧) 服务的 链路利用率约为其他三种服务输出结果的1 3 2 。 3 面向用户适配服务仿真模型中，发包器每次产生的帧长度为e p f 帧有效载荷的整数倍：而面向中继服务、面向控制( 长帧) 服务中， s r c 每次产生的数据长度均不高于e p f 帧有效载荷的长度。s r c 每 发一次包，面向用户服务可能发送一个以上的e p f 帧到链路侧： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 0 页 而面向信控f 长帧) 服务和面向中继服务每次均只能发送一个e p f 帧到链路侧。所以面向用户服务的链路利用率总是略高于面向信 控( 长帧) 服务和面向中继服务的链路利用率。 通过反复实验，发现当输入在一定的范围内时，各种适配服务的链路 利用率均随着输入的增大而提高：但当输入增大到一定程度时，链路利用 率便不再增加，这一结果说明单队列适配模型确实存在效率瓶颈。为了进 一步验证本文提出适配模型的高效性，本文将单队列适配模型改进成多队 列适配模型后，再次仿真。 5 2 5 多进程仿真过程 5 2 5 1 节点模型设计 为了进一步提高处理效率，本文将上文的适配模型改进成多队列模 型。多队列模型的网络结构与图5 - 1 中描述的网络模型一致( 本节改进了 s u p a 主机中的适配模型，用于验证多队列适配模型的高效性) ，多队列模 型的节点模型是利用o p n e t 下的q u e u e 建立的，其具体结构如图5 1 9 所 月： 回 m d 固 札d 图5 1 9 多队列节点模型图 图5 - 1 9 中的s r c 、s e n d 以及r c c 三个模块的功能与单队列模型中的功 能相似，此处不再赘述。本节将着重介绍p r o c 与s e r v i c e 模块。 p r o c 模块：是一个q u e u e m o d u l e ，是实现多队列的关键。通过该模块 可以建立队列结构，建立的队列可以利用o p n e t 提供的a p l 进行操作。 本模型建立了三个队列，一个c t r l和两个 。用_queueu s e rq u e u ec t r l q u e u e 于存放信控数据：u s e rq u e u e 用于存放用户数据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 1 页 s e r v i c e 模块：此模块负责响应流中断，判断适配请求的类型，提供适 配服务，并将数据放入对应的队列中。 o s e s a l 模块：负责封装用户数据。该模块具体实现的功能与图5 - 6 中 s a l 模块相似。 c t r l s a l 模块：负责封装信控数据，具体实现的功能与图5 - 6 中s a l 模 块相似。 p r o c 模块中包含的进程为根进程，s e r v i c e ，u s es a l 和c t r ls a l 三个模 块中各包含一个进程模型用于声明进程，此三个进程为p r o c 的子进程。在 实现多队列模型时，子进程在唤醒后开始工作。通过子进程间的协同工作， 实现多队列模型下的多进程并行适配过程。 5 2 5 2 进程模型设计 p r o c 中包含的进程为根进程，主要用于为完成进程调度。其进程模型 如图5 - 2 0 所示： 图5 - 2 0p r o c 进程模型圈 如图5 - 2 0 所示：该进程模型中包含两个状态： i n i t ：为强制状态，用于完成初始化的工作。完成的工作包括：创建三 个子进程r 为每个队列调度设置权值的初值等。 w a i t ：为非强制状态，主要的功能是轮询节点中三个队列，完成数据 的调度工作，并唤醒相应的子进程对数据进行处理。 s e r v i c e 进程为p r o c 进程的一个子进程，当s e r v i c e 完成入队列工作后， 便唤醒父进程一p r o c 进程。此唤醒中断对于p r o c 进程而言为自中断，p r o c 进程响应此自中断，开始队列轮询调度工作。s e r v i c e 的进程模型如图5 2 1 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 2 页 图5 2 1s e r v i c e 进程模型图 如图5 2 1 所示：s e r v i c e 也包含了两个状态： i n i t ：为强制状态，完成初始化工作。在本进程模型中没有完成具体 的工作，仿真开始后便直接转移到w a i t 状态。 w a i t ：为非强制状态，主要任务为响应菰中断，完成a s p s 子层的工作。 w a i t 在将引发流中断的数据加入到不同的队列后便唤醒父进程开始工作。 5 2 5 3p r o c 进程模型功能设计 根据5 2 5 2 小节的描述可知，p r o c 进程的功能主要是创建子进程以 及完成队列调度并唤醒相对应的予进程。具体实现代码如下： r 创建子进程 p h u s e r _ e n c a p = o p _ p r o _ c r e a t e ( ”u s e s a l m u l t i ”，o p c _ n i l ) ； p hc t d e n c a p = o p _ p r o c r e a t e ( 1 s m s a l _ m u l t i ”，o p c - n i l ) ； p h s e r v i c e = o pd r o c r e a t e ( ”s e r v i c e t h r e a d , o p c - n i l ) ； p 注册s e r v i c e 进程响应流中断， 叩一i n t r p t _ t y p e r e g i s t e r ( o p c - i n t r p t s t r m ，p h s e r v i c e ) ； l 判断队列x 是否为空 i f ( ! o p s u b q e m p t y ( x ) ) f r 从对头取出数据包， p k p t r = o p s u b q p k r e m o v e ( x ，o p c q p o s h e a d ) ； l r 唤醒对应的子进程封装数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 3 页 o p _ p r o i n v o k e ( p h _ x x x e n c a p ，p k p t r ) ； 减少权值 w r _ q u e x ； 5 2 5 4s e r v i c e 进程模型功能设计 根据5 2 5 2 小节的描述，该进程模块主要用于响应流中断，处理上 层适配请求，完成数据的入队操作，其具体实现代码如下： s w i t c h ( r e q _ _ t y p e ) 幸信控类数据加入到o 号队列宰 c a s e0 ： i f ( o p _ s u b q _ p k _ i n s e r t ( o ，p k p t r , o p c _ q p o s t a i l ) ! = o p c _ q i n s o k ) 幸插入失败，便丢弃数据幸 o p _ p k _ d e s t r o y ( p k p t r ) ； ) b r e a k ； ) c a s e1 ： 宰用户数据插入1 ，2 号队列 1 号队列满，再插入2 号队列事 i f ( o p _ s u b q _ p k i n s e r t ( 1 ，p k p t r , o p c o p o s 1 a i l ) ! = o p c q i n s o k ) i f ( o p s u b q p k _ i n s e r t ( 2 ，p k p t r , o p c q p o s t a i l ) ! = o p c q i n s o k ) 宰插入失败，丢弃数据宰 西南交通大学硕士研究生学位论文第聃页 o p _ p k d e s t r o y ( p k p t r ) ； ) b r e a k ： 获取父进程旬柄 p h _ p a r e n t = o p _ p r o _ p a r c n l ( o p _ p r o _ s e l f ( ) ) ； 广唤醒父进程 o p _ p r oi n v o k e ( p h _ p a r e n t ，o p cn i l ) ； 5 2 6 多进程仿真结果 为了验证多队列适配模型的处理效率，本文将设置不同的输入和调整 链路传输速率，搜集链路利用率这一参数。通过分析链路利用率，考查多 队列适配模型的处理效率。 仿真实验一：1 0 组用户数据发包器以及1 组信控数据发包器均以包产 生的间隔时间服从指数分布e x p o n e n t i a l ( 0 1 ) 的速率产生数据包，链路数据 传输速率为9 6 0 0 0 0b i t s ，输出的链路利用率如图5 - 2 2 ( a ) 所示： 仿真实验二：2 0 组用户数据发包器以及5 组信控数据发包器均以包 产生的间隔时间指数分布e x p o n e n t i a l ( o 1 ) 的速