（通信与信息系统专业论文）forces路由器fe间数据传输机制研究与实现.pdf

f o 以e s 路由器f e 间数据传输机制的研究与实现 摘要1 基于转发件与控制件分离( f o 疋e s ) 架构的路由器，能很好 地满足下一代网络对路由器所提出的开放性、可扩展性和可编程 性的需求。本文主要在f o 疋e s 路由器总体框架的基础上研究f e 间数据传输机制并分析了实现中的若干关键技术，包括：f e 间数 据传输相关架构设计、f e 间拓扑发现技术和f e 数据传输相关 l f b 建模等等。 本文首先研究了f o 圮e s 路由器的体系结构，对f o 圮e s 架 构的模块化、构件化特性作了深入描述，并提出在f o 疋e s 路由 器应用中f e 间数据传输的需求模型以及f e 间数据传输实现的框 架。然后，对f e 间数据传输的控制协调机制进行研究，主要包 括：拓扑的发现和维护、f o 以e s 路由的管理、内部通道的流量控 制。接着，详细分析了f o 疋e s 路由器f e 间数据传输的具体实现 技术，重点阐述了数据传输处理流程中关键模块的工作原理。最 后，对实现进行了功能和性能测试，并对测试结果进行分析。本 文的工作为f o 疋e s 架构路由器新功能的扩展提供了参考范例， 同时也对f o 疋e s 路由器应用奠定了基础。 关键词：f o r c e s ；f e ；逻辑功能块；数据传输；业务 1 资助项目：国家8 6 3 计划项目“f o 疋e s 体系结构弓关键技术研究和国际标准制定”( 2 0 0 7 从0 1 2 2 0 1 ) ；国 家自然科学基金“松散耦含型分布式路由器的若干关键技术研究”( 6 0 6 0 3 0 7 2 ) ；浙江省基金项目“新一代 开放架构网络件体系、关键技术及标准协议的研究”( z 1 0 6 8 2 9 ) 。 r e s e a r c ha n di 蛋皿l e m e n t a t l 0 no fn 呵t e r f e p a c k e tt ra n s m i s s i o ni nt h ef o 心e sr o u t e r a bs t r a c t t h er o u t e rb a s e do nf o 疋e s ( f o n ) l ，a r d i n g 觚dc o n 臼- o le 1 锄e n ts 印a r a t i o n ) ， p r o p o s e db yf o 疋e sw o m n g 印u po f h l t e n l e te n 百n e 耐n gt i a s kf o r c ei nr o u t i i l g a r e a ，m e e t st l l e0 p 饥，n e x i b l ea n dp r 0 舢a b l ed e m a i l d so ft h en e x tg e i l e r a t i o n n e t w o r k s n i s 也e s i sr e s e a r c h e si i l t e r - f ep a c k e t 仃a n s m i s s i o nm e c h 锄i s m ，锄d a i l a l y z e ss e v e r a lk c yt e c h n 0 1 0 百e si nt h ei m p l e i i l 朗t a t i o n ，s l l c ha s ：心c t l i t e c t u r cd e s i 印 o fi n t 昏f ep a c k e t 劬i l s m i s s i o nr e l a t e d ，m et e c t l i l 0 1 0 9 yo fi n t 昏f et o p o l o g yd i s c 0 v e 哆 锄di n t e r f es e r v i c ep a c k e t 协a 1 1 s m i s s i o nl f br e l a t e dm o d e l i n g ，e t c f i r s t l 弘w er e s e 鲫c hm ef o r c e sa r c h i t e 咖r e ，p a n i c u l 砒yd e s c 曲em em o d u l a r l f b b a s e df e a t u s ， a i l dm e np r o p o s e dm er e q u i 獭n e i l t s 锄di m p l 锄c i 】衄t i o n 丘锄e 、阳r ko fi n t e r - f ep a c k e t 觚m s m i s s i o n s e c o n d l y w es t i l d ym ep r e l i m i n a 巧p h a s e w o r kf o ri i l t * f ep a c k e t 仃a i l s m i s s i o n ，i i l c l u d i n gi n t e r f et o p o l o g yd i s c o v e 巧a n d m a i l l t e i l a i l c e ，r o u t em a i l a g e m e n ta i l di n t 锄a 1c h a n n e ln o wc o 仰的1 t l l i r d l y ，d c s e a r c h 懿 也ec o n c r e t em e m o d so fi n t e r f ep a c k e t 仃趾s m i s s i o nr e a l i z a t i o n ，f i o c u s i n go n 戗l ek e y m o d u l e si 1 1i n t 盯f ep a c k e tp r o c e s s f i n a l l y ，e x p 丽m e i l tr e s u l t ss h o wm ef e a s i b i l i t y a n de 丘i e c t i v c i l e s so fm ei m p le i 【l e l l t a t i o np a r t t h em a i nw o r ko ft h i st l l e s i sh a sp r o v i d e dr e 矗朗哪c ee x a l l 叩1 e sf o rf o 妃e sr o u t e r e x t e n s i o n s ，m e 锄w m l ef o r e c a s t sp r o s p e c t sf o rf o r ( ：e sr o u t e r 印p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：f o 妃e s ；f e ；l f b ；p a c k e tt r a n s m i s s i o n ；s e i c e i i 1 1 课题背景 1 1 1 开放可编程 1 引言 作为主要的联网设备，路由器的研究对未来互联网和电信网技术的发展和应 用都具有极其重要的意义【1 1 。一方面，人们一直在追求路由交换性能的快速提高 和带宽容量的扩展。另一方面，人们开始更多地关注起路由器本身在“功能方 面的灵活扩展问题，这是实现多网融合、业务融合的迫切需要。目前比较一致的 看法是，实现面向新一代网络高度灵活需求的路由交换节点的途径可以归纳为实 现开放性、可编程性和支持多服务的高度可重构性【2 】。“开放”指对路由器底层 构件资源充分地向用户开放，同时通过各个模块构件及相互接口的定义和通信协 议统一或标准化，使其具有高度的跨厂家相互兼容性和可互操作性。“可编程 是指支持对底层资源的编程控制，从操作层面支持按业务需求重组路由器中的模 块构件组成或者改变其属性。 开放可编程网络有以下优点： 1 ) 允许网络功能的快速配置和重组，实现智能化的动态网络，可大大加快 和方便网络升级及服务层上新业务的展开，并降低运营成本和风险； 2 ) 允许网络资源的综合、灵活利用，可为解决q o s 问题提供灵活的资源管 理环境； 3 ) 可使网络组件的控制器和伺服器产品分离，有利于排除垄断、增强良性 竞争，而且专一化也可使产品进步加快，这在p c 业的发展中已得到验证； 4 ) 网络设备设计变得快速、简单，积木式的开发加快了产品开发周期； 5 ) 有利于构建多网合一( 如i p v 4 、i p v 6 、a t m 、m p l s 、f r 、p s t n 等合一) 和多服务业务合一的多服务网络( m u l t i s e r v i c en e t w o r k s ) ，如多服务交 换机。 未来的网络体系架构设计应遵循两个原则： 1 ) 可扩展的原则 网络体系架构设计应该面向变化，具有可扩展性，能够提供柔性的服务，支 撑现有和未来大多数业务。所以网络必须能够脱离层出不穷的业务发展约束，能 够聚类不同的处理任务和网络业务，构建具备规模可缩放、功能可重构、服务可 定制等特性的网络体系架构。 网络节点设备体系架构应符合可扩展的原则，支持在其之上的不同提供商的 升级和功能、性能扩展。当前网络节点设备的体系结构是紧耦合的，缺乏灵活性， 采用专门设计的软硬件。可重构路由交换平台采用开放标准和积木式模型，模 块可互操作，软件可重用，则开发者可以在交换节点中集成不同厂商的软硬件 模块，方便地升级、扩展或重组交换平台的结构和服务。 2 1 模块化原则 模块化原则主要是指网络设备构建模块化方法。网络节点设备可以在功能及 性能的基础上被划分为多个相互作用的功能模块，模块能实现功能升级重组、性 能编程分配和管理分层配置，具有较强的可维护性( 如加载、卸载、升级和更新) 。 1 1 2 f o 疋e s 技术 f o 疋e s 是i e t f 路由领域( r d u t i n g a r e a ) 的一个工作组，专门研究开放可 编程的路由器体系结构和协议问题，是当前开放可编程网络研究最受关注的研究 组织之一【3 】【4 】。它的基本思想是把路由器分成转发件( f o 刑a r ( h ge l 锄e n t s ，f e ) 和控制件( c o n 仃0 le l e m e i l t s ，c e ) ，并认为其可由c e 、多个( 可达几百个) f e 以及连接它们的f o 妃e s 协议【5 】【6 1 构成。 将转发件与控制件分离需要定义一个结构化的框架以及相关的协议，使一个 f 0 疋e s 网络单元( n e 研o r ke l e m e n t ，n e ) 内部的控制平面( c o n 昀lp l a n e ) 和 转发平面( f o 唧a r d i n gp 1 a 1 1 e ) 之间的信息交换标准化，从而使c e 与f e 成为在 物理上分离的标准组件。这种在物理上分离网络设备组件，并使用统一的标准和 规范来指导产品的开发与运营的做法，充分发挥了开放网络的优势，使得各个组 件按照相应的功能划分，各自独立发展，互不干涉，在一定程度上加速了这些组 件的开发与发展。另一方面，各组件间相应的标准协议接口，又能迅速地把这些 组件有机地组合成为一个整体，实现与普通组件组成的系统完全相同或更多的功 能。 2 1 2 国内外研究现状 1 2 1 f o 疋e s 路由器相关研究 通信网络领域开放可重构技术及协议标准的研究可以追溯到1 9 9 6 年左右的 开放信令( o p e i l s 谵) 【7 】技术研究。称为“o p e i l s i g 的学术组织提出给交换机和 路由器提供开放接口，以便实现网络设备的模块化和快速更新，但是o p e i l s 谵 并没有制定出相应的标准。随后先后出现的各种研究试图制定出具有不同层次开 放性和可重构性的体系结构和接口标准，主要有： 1 9 9 8 年i e e e 主导制定的p 1 5 2 0 参考模型【8 】将结构细分为四层：v a l u c a d d e d s e i c el a y 盯，n e 呐o r kg e l l 甜cs e i c e sl a y e r ，r t i l a ln e t 、) l ，o r kd e v i c el a y e r 和 p h y s i c a le l e m e n t sl a y e r ，前二层隶属于控制面，后二层隶属于数据面。进一步研 究后发现这种控制面和数据面的串行细分方法其实并不实用，也不简洁。因为网 络中的许多功能并不能单在控制或数据层面的一个层次接口上实现，利用p 1 5 2 0 模型就必须将功能串行瓜分在多层上，使问题变得更加复杂，有时甚至难以实现。 因此，p 1 5 2 0 的研究最终没有成功。 i e t f 组织的g s m p 【9 】工作组针对交换机提出了主( 指控制器) 一从( 指交 换件) 结构思想。交换件由交换件属性统一描述。如通过g s m p 能够建立或撤 消连接、配置网络接口、获取统计和错误信息等。g s m p 并未对交换件内资源作 分类管理。g s m p 制定了r f c1 9 8 7 、r f c2 2 9 7 、r f c3 2 9 2 等用于控制器和交换 机之间的通信协议。该类管理协议对转发件的资源管理功能相比s n m p 等得到 大大提高，但由于体系结构在模块化开放性上远远不够，资源管理的范围和灵活 性不足，导致g s m p 并没有得到广泛应用。 m s f 【1 0 】组织建立的目的是为了实现通过s w i t c hf a b r i c 相连的异类网络如i p 、 m p l s 、基于s s 7 的v o i p 腑f r 、a t m 等之间的交互。m s f 定义了a p p l i c a t i o n p l a n e 、c o n t r o lp l a i l e 、s w i t c h i n gp l a j l e 、a d 印t a t i o np l 锄e 和m a i l a g e m e n tp l 锄e 五 个面。m s f 将转发( 交换) 和控制分离结构作为其一个i p 网络的子集，其它交 换网络如7 号信令s s 7 网作为另一个子集。m s f 只在结构层面上定义结构，将 3 细层留给各异类网络自己定义。m s f 建议使用g s m p 用于面向连接交换机的控 制，使用i e t f 的媒体网关控制协议m e g a c o 进行媒体网关控制。 n p f 】试图把基于网络处理器开发的设备中的各软件和硬件模块之间的接 口标准化，比如在控制面，n p f 定义了针对各类网络服务的a p i 集合。在转发 面，则定义了类似“通用交换接口协定c s 这样可用于网络处理单元的接口 标准。n p f 的工作主要由h l t e l 推动。由于i n t e l 公司对网络领域的战略调整，目 前n p f 研究进展缓慢。 开放架构及接口研究中，目前在研且影响最大的是i e t f 组织的f o 忙e s 工 作组【1 2 】的研究。f o 疋e s 针对一般网络设备提出了控制件一转发件分离的基本结 构( 1 讧c 3 6 5 4 、i 强c 3 7 4 6 ) 。转发件由包含各类标准化的逻辑功能块( l f b ) 组 成，并可由控制件按需要构造数据包处理拓扑结构【1 3 1 。转发件的灵活性具体表 现为l f b 间的拓扑构造和l f b 的属性控制。控制件和转发件间的信息交换按照 f o 疋e s 协谢1 4 】实现。f o 把e s 协议基于转发件中的积木式资源l f b 模块对转发 件进行管理。f o 心e s 结构与g s m p 结构的区别是，从f o 疋e s 观点来看，g s m p 的交换件其实只有一个l f b ，即“交换l f b ，所以g s m p 交换件内资源可重 构性被大大限制，只有其资源属性可设置，而资源的连接拓扑结构等均不能重构 改动。 i e t ff o r c e s 工作组在2 0 0 3 年和2 0 0 4 年分别完成了f o 妃e s 的需求( r f c 3 6 5 4 ) 和框架( r f c3 7 4 6 ) 研究，目前主要进行以下技术领域研究： f o 疋e s 协议。2 0 0 3 年，浙江工商大学提交的“g r m p 协议 、n e l 公司和 n o k i a 公司联合提交的“f a c t 协议 、z y l l ) 【公司和i b m 公司联合提交的“n e t l i n k 2 协议”成为f o 妃e s 协议的候选协议。通过f o r c e s 工作组对候选协议的讨论分 析，2 0 0 4 年成立了f o r c e s 协议设计组，由来自h n e l 、i b m 、n o k i a 、z y l l x 、e t r i 和浙江工商大学的7 名研究人员组成。f o 妃e s 协议设计组从2 0 0 4 年9 月提交第 0 版“f o 妃e s 协议 草案开始，经过4 年多的工作，第2 2 版的f o r c e s 控制协 议已经在2 0 0 9 年3 月被批准成为i e t f 标准类i 心c ，这是大陆学者为主完成的 少数几个i e t f 标准类r f c 之一，是中国在互联网标准制定方面的重要突破。 f o r c e sf e 模型草案由n c l 等人员在2 0 0 3 年首先提出，2 0 0 9 年上半年， 第1 6 版的草案已经被批准成为i e t f 标准类i 强c 。 4 l f b 定义方面，j o e l 提交了最早的草梨15 1 ，但是只是定义了少数几个l f b ； 华为公司提交了用于v p n 的f o 疋e sf el f b “b 的草案【16 】；浙江工商大学与国 家数字程控交换工程技术研究中心( n d s c ) 联合提交了一个f o r c e sl f bl i b 的草案【1 7 1 ，定义了较多提供基本功能的l f b 。 i b m 提交了f o 以e sm i b 草案1 引。 f o 疋e st m l 研究。浙江工商大学与z y n x 人员联合提交了f o 疋e st m l 草 案f 1 9 1 ，主要内容是传输层原语的定义。浙江工商大学单独还提交了基于t c p u d p 的t m l 方案【2 0 】。i n t e l 和z y n x 等则分别提交了使用t c p 和s c t p 的t m l 方案 【2 l 】f 2 2 】 o m t e l 等提交了有关f o 妃e s 协议和模型可能应用例子的草案【2 3 1 。 朗讯等提交了发现和管理f e 之间拓扑结构的的草案【2 4 】。 f o 疋e s 技术研究得到i e t f 、i t u 、n p f 等多家标准制定组织的推动。n p f 的核心架构将基于f o 把e s 协议实现。在2 0 0 5 年i t u - tn g nf o c u sm u p 中， 朗讯提出了软路由器( s o r r o u t e r ) 【2 5 】的概念，基本思路是将i e t ff o 佗e s 体系 结构移用到r r u 。n e l 推出的i x a ( i n t e r n e te x c h a i l g e 灿c l l i t i e c t u r e ，互联网交换 架构) 开发计划，在体系结构上融入了f o 疋e s 协议和n p f 协议【2 6 1 。 本文充分利用本实验室在f o 酊e s 方向上的现有研究成果，对f o 疋e s 路由 器f e 间数据传输应用和实现机制进行研究，对f o 疋e s 路由器的应用前景作了 很好的展望。 1 2 2 f o 妃e s 路由器f e 间数据传输机制的研究 一个f o 疋e s 路由器网络单元( n e ) 通常由一个主要的c e 和多个冗余的 c e 以及可能可多达几百个的转发件( f o n a r d i n ge l e n l e i l t s ，f e ) 组成，转发件 可以是异构的，它们可能包含不同的构件，也可以在不同的平台上实现，比如网 络处理器、p c 等，其网络拓扑可能是环形、网形、星形甚至是其它复杂的形状。 普通的数据转发时，往往数据包从其中一个转发件的接口进入，然后可能经过多 个转发件，再从某转发件的接口出去。转发件间要实现数据包转发，就需要知 道下一跳等路由信息，此时即要求转发件能感知邻接甚至整个转发件间拓扑信息 用以确定可能的下跳。除了普通数据转发，有时f o 以e s 路由器支持多业务处 5 理，它通过几个f e 的组合进行分布式处理完成某种业务，多个组合完成多种业 务，这种组合往往意味着给需要作业务处理的数据包在内部f e 间传输时指定固 定的业务处理路径，这时候转发件同样需要知道整个转发件间拓扑。当f o 圮e s 路由器运行过程中f e 间拓扑关系可能有人为的更改或者某个f e 设备出现故障， 所有f e 必须能及时感知拓扑的变更并及时更新自己的路由，以免数据包被错误 的路由甚至进入死循环。目前为止，f o 妃e s 工作组关于f e 间数据传输机制的 研究，主要基于两个协议草案，这两个草案是在加拿大召开的第6 4 届i e t f 大 会上向i e t ff o 妃e s 工作组提交的。它们分别提到在一个f o 疋e sn e 内部的f e 拓扑结构的发现和维护皿刀以及f e 间数据包传输的路由机制等问题。 1 ) f o 佗e sn e 内部f e 拓扑结构发现与维护 f o 圮e sn e 内部f e 拓扑结构发现与维护这个协议草案是由l u c 朗t ，i n t e l ， z n ) i ) 【和m e 酉s t o 等国际知名大公司的代表提出的。其所关注的主要问题是当c e 与f e 建立连接后，在一个f o 疋e sn e 内部，f e 拓扑结构的发现与维护等问题。 它的主要思想是每个f e 仅维护自己与相邻f e 的拓扑结构信息，并将拓扑结构 的变动情况及时通知c e ( 或由c e 通过询问的方式获得) 。c e 根据各个f e 提供 的局部拓扑信息，构建出整个n e 内部的全局拓扑结构，然后再把相应信息传递 给f e 。f e 可以利用这些信息动态地生成n e 内部的路由表以及其它优化设计所 需的信息。 2 ) f o 疋e sn e 内部f e 间路由机制 f o 疋e s n e 内部f e 问路由机制这个协议草案是由华为技术有限公司的工程 师提出的。其所关注的主要问题是当c e 与f e 建立连接后，在一个f o r c e sn e 内部，数据包在f e 间传输所需的路由机制。该方案由c e 和f e 共同实现，c e 利用己知的n e 内部的f e 拓扑结构信息，计算并维护f e 间数据包传输的内部 路由表，然后将相应信息发给f e ( 每个f e 只需获得与自己转发内部数据包相关 的路由信息即可) 。f e 获得这些信息以后，就可以用它来完成n e 内部数据包的 转发了。 此外，实验室课题组老师曾做过基于网络处理器的f o 心e s 路由器内部各个 f e 间通信方法的研究【2 8 】，该研究采用同一厂商生产的网络处理器( i n t e l p 2 4 0 0 和i x p 2 8 5 0 ) 来实现我们所开发的f o r c e s 路由器的三个f e ，并将其分别通过背 6 板与一块z x 5 0 0 0 以太网交换板相连。这样，在f e 间交换的就是普通的以太网 帧。将f e 间通信的信息加在以太帧头及其负载( 目前主要是i p 包) 之间，随数 据包一起传给下一个f e 。f e 间通信的信息可以包含许多内容，比如f e 间的路 由信息，f e 的拓扑结构发现信息，前一个f e 传给下一个f e 关于数据包的转发 信息、重组信息和q o s 信息( 对具有q o s 功能的路由器而言) 等等。该研究通过 两个l f b ：m d - e n c a pl f b ( m e t 扣a t a - e n c 印s u l a t i o nl o 舀c a lf u n c t i o nb l o c k ，元数 据封装逻辑功能块) 和m d d e c 印l f b ( m e t a d a t a - d e c 印s u l a t i o nb 百c a lf u n c t i o n b l o c k ，元数据解封装逻辑功能块) 封装解封装消息来实现携带元数据的数据包在 f e 间的传递。 1 3 本文的研究内容 本论文主要研究以下几个问题： 1 ) 研究f o 疋e s 路由器f e 问数据传输的需求； 2 ) 研究f o 庀e s 架构下f e 间数据传输框架； 3 ) 研究f o r c e s 路由器f e 间数据传输实现机制； 4 ) f o 疋e s 路由器f e 间数据传输的测试。 在这几部分工作中，研究分析f o 疋e s 架构下f e 间数据传输框架是本文的 工作重点。本文分析f o 疋e s 路由器f e 间数据传输的需求，提出满足需求的 f o 疋e s 路由器f e 间数据传输模型，并设计f e 间数据传输实现方案。本文f e 间数据传输实现包含两大内容：基于f e 间数据传输的控制协调机制研究和 f o r c e s 路由器f e 间数据传输机制。前者的工作包括n e 内部( 1 1 1 t r a n e ) 拓扑 的发现和维护、路由管理、内部通道的流量控制三大块。通过分析各个方面的特 点及应用环境，研究适合的关键技术，针对f o 妃e s 中间件构造其实现技术。 1 4 主要贡献和创新点 本文主要贡献如下： 1 ) 提出了套f o r c e s 路由器f e 间数据传输的需求模型，为f o 疋e s 路由 器的应用提供了思路。 2 ) 提供了f o 疋e s 路由器功能扩展方法。不仅可以体现f o 庀e s 架构的优势， 7 还验证了f o 忙e s 路由器良好的开放可编程性。 3 ) 开发实现了多个数据传输相关的l f b ，第三方可以直接应用而不用关心 具体实现细节。 总之，本文扩展了f o 忙e s 路由器的功能，为f o 以e s 路由器的功能扩展方 法提供了范例。 创新点： 首先，由于国内外对f o 妃e s 技术的研究还处于探索阶段，在具体实现过程 中可以参考的资料以及借鉴的经验很少。因此，我们所做的研究为验证f o 疋e s 协议的可行性提供了重要的依据，也为其它团体或组织研究f o 妃e s 协议提供了 重要的参考，具有一定的创新性。 然后，本文提出了一种f o 妃e s 路由器f e 间数据传输的实现技术，给出具 体的实现方法。由于国内外尚未有本文中提出的应用需求的构想和实现，所以 本文的开发工作具有一定的创新性，为f o 佗e s 路由器应用前景作了展望，同 时也为f o 圮e s 路由器的继续研究提供了参考。 1 5 本文结构 本文的正文部分共分为六章，现将其内容概述如下： 第一章是绪论，首先介绍了本课题的研究背景，包括开放可编程和f o 贮e s 技术，然后研究了f o r c e s 路由器的研究以及f o 妃e s 路由器f e 间数据传输机 制的国内外研究现状。在此基础上，提出本文的研究内容、主要贡献及创新点， 最后是本文的内容安排。 第二章研究了f o 圮e s 路由器体系架构和l f b 扩展特性，提出了一种f o 疋e s 路由器f e 间数据传输的需求模型，最后依据需求模型和l f b 扩展特性提出了 f o 疋e s 路由器f e 间数据传输的具体实现框架。 第三章详细研究分析了f e 间数据传输前期阶段的工作，包括拓扑发现和维 护、路由管理和内部通道的流量控制，对它们的实现架构、协议细节、子模块的 工作原理、相关数据结构等等都作出了相应的研究和设计，包含若干关键技术。 第四章依据本文提出的f e 间数据传输需求模型对数据传输处理流程作了具 体的研究和设计，对数据传输相关重要l f b 进行建模，同时对非业务数据包和 业务数据包的处理过程等等都作出了具体分析。 第五章主要就本文的实现部分进行测试，并对测试结果进行了分析，证明了 相关方案的正确性与可行性。 第六章对现有研究工作总结，并对进步研究工作提出了自己的见解。 9 2 f o 圮e s 路由器f e 间数据传输框架 随着f o r c e s 技术和f o 疋e s 架构的研究已经曰趋成熟，f o 疋e s 路由器f e 间数据传输机制的研究成为了f o 以e s 路由器迈向实际应用的重要步骤之一。而 f o 庀e s 路由器f e 间数据传输机制的实现是应该和将来f o 疋e s 路由器的应用紧 密联系在一起的。f e 可以是不同厂家独立研发生产的不同的模块、软件或硬件， 丰富的功能对f e 问的数据传输提出了不同的需求。本章首先研究了f o r c e s 路 由器体系架构和l f b 扩展特性，接着提出了一种f o 尤e s 路由器f e 间数据传输 的需求模型，最后依据需求模型和l f b 扩展特性提出了f o 疋e s 路由器f e 间数 据传输的具体实现框架。 2 1 f o 疋e s 路由器体系架构 图2 1 模块化的f o 疋e s 路由器软件体系结构 如图2 1 所示，模块化的f o 圮e s 路由器软件体系结构分为主控部分和被控 部分。主控c e 和被控f e 使用f o r c e s 协议通过内部通信网络交互信息。 主控c e 负责路由交换平台的业务配置、运行管理、状态监控、路由计算、 路由下发、软件构件重构。 被控f e 负责数据报文转发、路由协议报文处理、路由表更新、构件重构。 主控c e 软件体系结构包括以下部分。 管理模块：负责主控c e 的运行管理，并与外界网络管理系统交互。 构件代理属于管理模块：接收重构指令，负责管理路由交换平台的构件重构。 是路由交换平台进行重构的执行体。 应用构件：在路由交换平台中实现各种应用的控制性的一系列构件，如路由 协议等。是软件重构过程中的被操作对象。软件构件运行环境：提供构件间通信 机制，并支持构件与底层协议栈之间协议报文的传递。屏蔽底层操作系统的差异， 提供标准应用编程接口，如h 础表操作函数、消息队列操作函数等。 f o 正e s 协议服务：为主控c e 提供f o 疋e s 协议支持。主要完成f o 佗e s 建 链，维护f o 疋e s 链路状态；对f o r c e s 协议消息进行封装和解封装操作；f o 疋e s 协议消息的发送及接收。采用口、e 1 e n l e t 作为载体。 操作系统：使用l i n u x 操作系统。 被控f e 软件体系结构包括以下部分。 f o 圮e s 协议：负责与主控c e 通信，通过f o 疋e s 协议接收数据和命令，完 成f o 酊e s 协议消息的发送及接收等操作。 l f b 库( 构件抽象) ：负责构件资源的管理。l f b ( l o 西c a lf 啪c t i o nb l o c k ， 逻辑功能块) 是构件在f o 把e s 体系中抽象名称。该层主要包括构件属性、能力 和事件的抽象并以瑚l 文件描述的对应l f b 的属性、能力和事件中体现，并在 定义后向f o r c e s 中间件管理。l f b 操作接口：及c e 对构件的控制接口，对上 层软件系统屏蔽下层构件资源的具体细节，提供标准的接口及操作管理接口定 义。以上两者完成屏蔽各种底层的不同操作接口及不同属性特征，实现抽象操作 到具体操作的映射，完成对被控模块功能可重构的支持。 构件资源：实现特定功能的构件实体集。 实时操作系统：运行的操作系统( 如l i n u x ，v x w b r k s ) 。 协议中间件采用f o 以e s 技术，f o 疋e s 中间件的主要特点有： 1 ) 透明的用户接口、开放的体系结构 为f o 疋e s 协议的使用者提供一套完整的开发平台，使用者无需熟 悉f o 疋e s 协议相关细节 为上层使用者提供一套规范方便的a p i 接口 与构件实体的接口进行了标准化，构件实体模块开发商能很方便地 添加或删除一个具体的构件 2 ) 软、硬件平台的高适应性及可移植性 支持多种不同的操作系统平台，l i n u ) 【v x 、o r k s 等。 适用于各种构件实体实现技术( 如：a s i c 、n p 、f p g a 、p c 机) 。 可以复用设备开发商原有的硬件和软件。 f o 妃e s 中间件的这些特点使得不同平台不同实现方式的构件规范地集中到 一起实现功能多样、业务需求丰富的易扩展路由器，并将所有构件的重要参数及 管理交由主控端统一控制。对于用户或开发厂商来说无需关心中间件的具体实现 就可以扩展路由器的功能。所以可以说，f o r c e s 中间件可看作一个独立的功能 实体。 所以，对于f 们e s 路由器来说，新的功能扩展通常意味着l f b 或构件资源 的丰富及组合，而增加的这些l f b 或构件资源往往包含于主控和被控两端。c e 端应用构件主要负责f e 相应功能构件的控制或管理，通过相应l f b 的操作接口 来实现，而f e 端负责功能构件的实现及应用。 l f b 扩展特性如图2 2 所示，假设扩展一项功能只需要构件x 就能完成， 则将这种功能添加到f o r c e s 路由器上的过程对于被控端来说相当于图中所示的 三个步骤的操作。 第一步：将构件x 的主要的也就是须交由主控端管理或控制的属性、能力、 事件等抽象成对应l f b 的属性、能力、事件，l f b 数据内容分成类和实例两部 分。l f b 类由控制件和转发件共享，而l f b 实例由转发件上报给控制件。l f b 数据以x m l 格式文件存储，因为x m l 较之传统的数据结构定义模式，有很大 的灵活性、通用性和跨平台性，x m l 对树形结构数据的强大表达能力正符合支 持控制与转发分离路由器的控制件对转发件构件属性灵活处理的需求。l f b 的抽 象过程就是构件的属性、能力等相关信息的抽象并通过x m l 语言表达出来的过 程，编译时通过解析器解析生成注册代码，实现构件向f o 疋e s 中间件的注册。 1 2 注册完成后，所有主控端对被控端的操作就映射成对具体路径的操作。 图2 - 2 l f b 扩展特性 第二步：由于f o 疋e s 中间件与构件实体的接口进行了标准化以l f b 的标准 操作接口予以体现，每个l f b 的操作接口包括对l f b 整体操作接口、砌b u t e 操作接口、事件p r o p e 啊操作接口都遵循严格的命名格式，将操作接口代码实现， 并提供包含这些操作接口的头文件用于注册。 第三步：开发构件x 。然后将构件x 加载到构件实体集中，若不希望构件x 作为一个独立的构件进行工作，就需要将其插入到适当的位置，并与其它构件连 接一起完成更复杂的功能。 从以上分析中我们可以看出模块、构件化的f o 以e s 路由器具有很强的扩展 性。 2 2 f o 圮e s 路由器f e 间数据传输需求模型 f e 间数据传输主要分为两类，一种是普通的数据转发交换，另一种可称为 分布式业务数据交换。前者比较容易理解，无需赘述，对于后者，这里我们提出 分布式构件的概念。分布式构件指的是随着业务种类需求的增加，构件数目将会 变得越来越庞大，将其集中在一个转发设备上完成难免会遇到各种各样的瓶颈， 我们可以设想将构件分散到多个设备上，拥有不同构件的转发件采用串联形式， 拥有相同的构件的转发件采用并联形式( 某些特殊构件工作量大可交给多个同样 的设备处理) ，完成实现灵活拆分组合的分布式业务处理。 我们假想了f e 问数据传输应用实例拓扑基础模型，图2 3 中a ) 是串联模 式，3 个f e 完成不同的业务处理功能，比如在防火墙过滤业务中f e l 负责口层 图2 3f e 间应用拓扑基础模型 层过滤，f e 2 负责传输层过滤，f e 3 负责应用层过滤。b ) 为并联模式，并行的 目的是分摊工作量，提高工作效率，并行的f e 通常完成相同的功能，如图2 3 中的f e l 和f e 2 。c ) 为a ) 和b ) 的结合。 图2 4 集群异构唯业务处理模型 我们可将这种分布式的、多个f e 共同完成一种业务的f e 结构称为业务集 群f e 。以上三种可作为业务集群f e ( s e i c ec l u s t e rf o 刑a r d i l l ge 1 e m e n t s ) 的基 础模型，同一集群完成一类业务( 比如a ) 中三个f e 分别负责p 层、传输层、 应用层过滤，三者都是防火墙功能) ，通常同一集群内部串联的f e 是异构的， 并联的是同构的，而不同的集群往往是异构的( h e t e r o g 锶e o l l s ) ，比如集群一完 成口s e cv p n 功能，集群二完成防火墙过滤功能等等，经过衍生可得到如图2 - 4 所示的集群异构f e 业务处理模型。 该模型既支持普通的数据转发，也支持多业务处理，可扩展性强。普通的数 据转发通过查找各自的路由表来实现，业务交换则通过每个集群根据各自的业务 1 4 规则是否满足，进而决定是否查找各自的业务表转发以达到业务处理的目的。 在f e 间数据传输需求中，应注意一点，在路由器中，当一个包经过一个 n e 的时候，无论经过多少个f e 其报头t t l 域中的数值只能减1 。 2 3 f e 间数据传输框架 本章第一小节已经详细分析了f o r c e s 路由器模块化、构件化的特性，实现 f e 间数据传输机制相当于是对f o r c e s 路由器基本功能的扩展，我们可以据此 提出图2 5 所示的f o 疋e s 路由器f e 间数据传输框架。 f o 圮e s 路由器f e 间数据传输可分为两个阶段：f e 问数据传输预处理阶段 和f e 间数据传输处理阶段。f e 间数据传输预处理阶段指的是f e 间数据传输处 理所必需做的前期性工作，其中主要两部分是拓扑的发现和维护和路由的管理， 这两者是f e 间数据传输必需环节。f e 间数据传输处理阶段完成数据传输的控 制，包括业务规则的管理，何时以及如何使用预处理阶段产生的拓扑表和路由表 并转发。 图2 5f o 疋e s 路由器f e 间数据传输框架 所以图2 5 中扩展的部分即阴影部分主要分三大模块：h l 仃a n e 拓扑管理、 路由管理和f e 间数据传输控制。其中每大模块的工作分为c e 和f e 两端，实 现主要通过多个l f b 的添加来体现。c e 端应用构件主要负责f e 相应功能l f b 的控制或管理，而f e 端负责l f b 的实现及应用。 2 4 本章小结 本章首先研究了f 。疋e s 路由器体系架构及l f b 扩展特性，接着提出了 f 。r c e s 路由器f e 间数据传输的需求模型，最后依据需求模型提出了f 。妃e s 路 由器f e 间数据传输的具体实现框架。 1 6 3 基于f e 间数据传输的控制协调机制研究 基于f e 间数据传输的控制协调机制研究为f e 间数据传输服务，该阶段的 工作研究是实现f e 间数据传输的前提，这些工作主要包括拓扑发现和维护、路 由管理和内部通道的流量控制，本章对它们的实现架构、协议细节、子模块的工 作原理等等都作出了相应的研究和设计。 3 1 拓扑发现和维护 3 1 1 f e 的动态发现和统一配置 在f o 妃e s 协议实现过程中，有两个重要的运行阶段，即：p r e - a s s o c i a 抽n 运行阶段和p o s t - a s s o d a t i o n 运行阶段。p r e _ a s s o d a t i o n 运行阶段主要是c e 和f e 分别进行初始化，是包含在c e m ( c em a i l a g e r ，c e 管理者) 和f e m ( f em 觚a g 凹， f e 管理者) 的工作。初始化过程通过f i p ( f en t i a t ep r o t o c o l ，f e 初始化协议) 通道进行，如图3 1 所示。p r c - a s s o c i a t i o n 运行阶段结束以后就进入了 p o s t a s s o c i a t i o n 运行阶段，在这个阶段，c e 和f e 通过f o 以e s 通道进行通信。 主控c e 应用构件 软件构件运行环境 c e m f o r c e s 协议中间件 i 圉 遮? ， 弋夕 f 0 r c e s 协议中间件 f e mu m ( 构件抽象) 构件实体 键控f e 图3 1f o 疋e s 协议运行阶段 1 7 本节研究p r e - a s s o c i a t i o n 阶段的f e 的发现和统一管理机制。 3 1 1 1 p r e - a s s o c i a t i o n 需求 原先的f e 通过单独地人工配置独立配置文件，不仅可能造成f e i d ，i p 的 冲突，人力的浪费也是不可避免，因此提出了集中管理和统一配置的需求。 f e 主应用程序参数配置需求主要是t m l ( t r a n 跚r tm 印p i n gl a y 传输匹 配层) 启动参数需求。为了满足对不同传输层协议和传输媒介的支持，t m l 可 以支持一种或多种不同传输映射层协议。针对不同的传输映射层协议，需要配置 的典型参数包括： 连接类型和相关数据。例如，如果采用m 厂r c p 舢d p 连接，那么t c p 和 u d p 端口和口地址需要配置。 c e 和f e 的编号。 安全机制的参数，如密钥。 建立链接的参数，比如每1 秒最多发送3 条建链消息，或者以递增指数 比例计算超时，最多发送4 条建链消息。 协议层i d 。 夺传输连接数量。 夺传输连接容量，比如带宽。 允许支持的连接q o s 策略( 或拥塞控制策略) 。 本文基于目前t c p + u d p 的t m l 版本，需要配置的参数有：本地i p 地址、 本地u d p 端口、c e t c p 端口、工作类型、安全类型、优先级、消息到达控制、 拥塞控制、c e 和本f e 的编号。 3 1 1 2 n p 通道 初始化过程包括c e 对f e 进