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IP虚拟交换机实现技术的研究

作　者: 可向民
导　师: 龚正虎
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 虚拟交换机软交换机多服务交换可编程路由器虚拟分割机制资源管理
分类号: TN915.03
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
下　载: 324次
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内容摘要

Internet的快速发展及其新应用(如语音、视频等)的引入，促进了对网络服务质量的研究。未来的集成服务分组网需要支持具有不同服务质量需求和控制机制的多样性应用，包括从目前Internet提供的尽力传送服务，到严格的延迟和速率保障服务以及复杂的增值服务。此外，应用和网络环境的变化需要动态适应的网络服务。网络服务主要通过路由器或交换机提供支持和保障，传统的路由器只能提供单一的尽力传送(BE)服务，且功能封闭固定，已不能适应新的应用需求。因此，研究能够支持动态自适应多服务转发的下一代路由器是目前网络技术发展所面临的主要问题。通过可编程机制动态适应应用和网络环境的变化，并在单一物理基础设施之上同时支持多类交换服务，是未来网络路由器发展的趋势。资源的分配和有效使用是实现应用网络流多服务转发或交换服务的关键。为了支持适应应用的多类虚拟转发服务，必须研究新的资源分割和控制机制。本文在详细研究主动和可编程网络技术以及分析各类QoS研究结果的基础上，提出了一种基于虚拟分割机制的IP虚拟交换机IPVSW(IP Virtual Switches)结构，它将多种类型的软交换服务映射到一个物理IP路由器之上，提供与多类应用网络流相适应的、灵活的分组处理和转发控制。IPVSW由逻辑上分离的三个层面和两个可编程接口构成，形成了层次式的动态多服务转发和控制机制。在对IPVSW的结构组成和功能机制进行深入的研究和分析后，本文研究了IPVSW实现的重要关键技术：路由器资源分割机制，提出了一种灵活而有效的资源虚拟分割(VP：Virtual Partition)算法，使IPVSW的动态虚拟多服务转发得到了更为有效地实现。本文对这一虚拟分割机制进行了详细的理论分析，设计和描述了相应的实现算法，并将其应用于IPVSW的原型实验系统中。本文主要研究成果包括以下几个方面： 1．独创性地提出了层次式IP虚拟交换机IPVSW的体系结构。IPVSW由IP硬交换、IP软交换和监控管理三个层面以及IP硬交换—软交换和IP软交换—监控管理两个可编程接口构成，它能够根据网络应用环境支持动态适应的多类网络流转发服务，包括资源对应用负载的自适应以及适应于应用环境的服务部署。 2．针对IPVSW结构，构建了基于抽象虚拟资源层的虚拟转发资源闭包Vsw(Virtual switchlets)和完成特定转发服务的扩展软交换机SSw(SoftSwitches)。Vsw是路由器局部转发资源的抽象表达，具备独立的分组转发能力，它有利于特定转发服务的控制使用。SSw控制使用Vsw完成特定转发服务，SSw面向应用网络国防科学技术大学研究生院学位论文流的控制能够使转发资源得到更为有效的利用，并优化相应应用网络流的转发。 3．针对IPVSW的虚拟多服务实现结构，创新性地提出了动态服务资源虚拟分割机制，并从理论上和实现上进行了深入的研究和分析，设计了基于服务曲线模型的算法，将其实现于IPVSW的原型系统中。虚拟分割机制对资源进行虚拟分割，形成可伸缩的虚拟资源区间，它能够为各类服务提供资源的隔离使用保护和一定的服务质量保障，并能够提供服务间的受控资源共享，使网络资源得到了灵活而有效的利用。 4．根据新一代IPVSW虚拟转发结构的基本思想和实现机制，设计和实现了一个IPVSW的部分原型系统，对IPVSW的基本实现思想及其控制机制进行了功能验证，包括虚拟分割机制的服务曲线算法。原型系统的控制界面使用CORBA标准，建立于 FreeBSD内核之上，并采用T ALTQ软件包。 5．初步研究和分析了IPVSW设计和实现中的其它一些关键技术，包括针对多类虚拟转发服务实现的调度算法，分类策略，基于软交换机服务的准入控制机制以及有效的大间隔软交换服务及其资源调整周期的实现方法等。综上所述，本文所构造的层次式IPVSW模型以及资源虚拟分割机制，能够灵活地支持动态多类转发服务，有效地实现IP包的转发功能与控制分离，为未来的高性能路由器研制和设计提供了理论和实践的尝试，具有相当重要的参考价值。由于IPVSW控制和实现机制复杂以及人力、实验环境等条件的限制，本文的研究仅仅是一个起步，而要实现IP虚拟交换机还需要解决很多难题，有待我们的不懈努力。

全文目录

中文摘要  7-9
英文摘要  9-11
第一章绪论  11-19
  §1．1 研究背景  11-13
  §1．2 研究内容与目标  13-16
    1．2．1 名词术语解释  14
    1．2．2 研究内容  14-15
    1．2．3 研究目标  15-16
  §1．3 研究工作与成果  16-18
    1．3．1 研究工作  16-17
    1．3．2 研究成果  17-18
  §1．4 论文结构  18-19
第二章虚拟交换机的研究现状  19-31
  §2．1 ATM虚拟交换机技术  19-21
  §2．2 编程扩展路由器  21-25
    2．2．1 主动节点模型  22-23
    2．2．2 Pronto可编程路由器  23-24
    2．2．3 路由器插件（Router Plugins）技术  24-25
  §2．3 MSF的多服务交换模型  25-26
  §2．4 DARWIN网络服务资源管理模型  26-28
  §2．5 IP虚拟交换机的研究问题  28-31
第三章 IP虚拟交换机的体系结构研究  31-63
  §3．1 基本结构分析  32-34
  §3．2 IP虚拟交换所基于的硬交换结构  34-40
    3．2．1 共享转发处理模块的并发分布式路由器  35
    3．2．2 IPVSW实现所基于的IP硬交换结构  35-36
    3．2．3 资源虚拟化和抽象  36-40
  §3．3 IP软交换层面及其实现机制研究  40-47
    3．3．1 资源分割控制器及其资源分割机制  42
    3．3．2 软交换机服务构造  42-45
    3．3．3 软交换服务或资源的调整机制  45
    3．3．4 软交换机服务的带宽和延迟保障  45-46
    3．3．5 可编程机制  46-47
  §3．4 监控与管理  47-50
  §3．5 可编程接口  50-56
    3．5．1 IP硬交换—软交换接口  50-54
    3．5．2 IP软交换—监控管理接口  54-56
  §3．6 IP虚拟交换路由器的运行机制  56-60
    3．6．1 动态路由信息控制  56-58
    3．6．2 IP软交换层面的运行机制  58-60
  §3．7 小结  60-63
第四章 IP虚拟交换机的关键技术研究  63-70
  §4．1 多服务虚拟交换的分割方式  63-64
  §4．2 资源分割机制的研究  64-65
  §4．3 调度算法的研究和选择  65-67
  §4．4 虚拟软交换机的准入控制  67-68
  §4．5 分类处理  68-70
第五章资源的虚拟分割机制研究  70-85
  §5．1 路由器资源分割问题  70-71
  §5．2 虚拟分割机制的研究  71-77
    5．2．1 虚拟分割算法的设计与研究  71-76
    5．2．2 富余资源的共享  76-77
  §5．3 软交换机的服务曲线模型  77-82
    5．3．1 流的服务曲线模型  77-78
    5．3．2 软交换机的服务曲线  78-80
    5．3．3 软交换机的内部服务曲线  80-82
  §5．4 IPVSW的性能分析和比较  82-83
  §5．5 结论  83-85
第六章 IP虚拟交换机原型系统的设计与实现  85-98
  §6．1 原型系统的设计与实现  85-89
    6．1．1 原型系统实验平台和环境  86
    6．1．2 原型系统的设计和实现  86-89
  §6．2 IPVSW的基本实现思想验证  89-95
  §6．3 资源虚拟分割机制的实现和验证  95-97
  §6．4 小结  97-98
第七章 IP虚拟交换机的应用环境  98-107
  §7．1 基于IPVSW的多服务虚拟网络技术  98-102
  §7．2 在VPN服务中的应用  102-103
  §7．3 对区分服务（DIFFSERV）的支持  103-107
第八章结束语  107-111
  §8．1 研究工作总结  107-109
  §8．2 将来的研究  109-111
图表目录  111-112
攻读博士学位期间发表的论文  112-114
致谢  114-116
参考文献  116-123
附录A IPVSW原型系统中各模块实现介绍  123-128
  §A．1 ALTQ在IPVSW中的实现  123-125
  §A．2 ROUTE指令  125-126
  §A．3 服务端守侯程序  126-128
附录B 可编程网络接口标准IEEE P 1520  128-129

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