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博士论文答辩------高性能路由器软件体系结构研究
高性能路由器软件体系结构研究 博士研究生:徐 恪 指导教师: 吴建平 教授 主要内容 选题背景和意义 主要研究工作 主要贡献 具体的研究工作 主要结论和进一步的研究工作 选题背景和意义 常见的路由器软件体系结构 厂家专用:IOS,JUNOS 通用操作系统:Linux + GateD 实时操作系统内核加网络协议:VxWorks 为何要研究路由器软件体系结构 提高性能 保证网络安全 可扩展性、可编程性 适应下一代互联网发展的要求 主要研究工作 路由器硬件体系结构和软件体系结构综述 提出了一种可扩展的路由器软件体系结构 设计和实现了高性能路由器操作系统HEROS 设计和实现了基于扩展服务组件的路由转发与扩展服务层并研究了其中的分组分类和处理器调度等关键算法。 提出了一种主动网络原型系统。 主要贡献(一) 提出了一种可扩展的路由器软件体系结构。 整个体系结构由三层组成,分别是路由转发和扩展服务层,高性能路由器操作系统层和硬件抽象层。 提出了一种基于扩展服务组件的路由转发与扩展服务层软件结构,设计和实现了其中的各个组成部分。 主要贡献(二) 设计和实现了高性能路由器操作系统HEROS。 HEROS既可以用于单处理器平台的路由器,又可以用于采用分布式多处理器结构的高性能路由器。 HEROS操作系统的主要创新点包括采用形式化描述技术给出了微内核清晰明确的定义;全面采用面向对象技术设计的操作系统内核保证了软件的可扩展性和高效率。 HEROS的分布式通信机制可以用于不同性能要求的分布式路由器。 主要贡献(三) 提出了一种基于无冲突哈希Trie树的多维IP分类算法。 高性能的多维IP分组分类算法是路由转发与扩展服务层的基础。Grid of Tries算法是目前最常用的分类算法,但是它在多维IP分类方面有一定的局限性。 提出了一种基于无冲突哈希Trie树的多维IP分类算法。该算法不仅克服了Grid of Tries算法在多维IP分类方面的局限性,而且在时间和空间性能上都优于Grid of Tries,是目前时间复杂性和空间复杂性方面综合性能比较好的分类算法。 主要贡献(四) 提出了一种基于计算任务输入输出队列长度阈值的处理器调度算法。 该调度算法根据扩展服务任务的输入输出队列长度进行处理器调度。通过合理的选择调度方案和输入输出队列的长度阈值,可以保证不同的调度要求。实际测试和基于随机Petri网模型的分析计算均表明该算法具有良好的性能。 主要贡献(五) 提出了一种主动网络原型系统。 实现了可扩展路由器软件体系结构的扩展服务路由器既可以用于现有的互联网络实现各种网络功能的动态扩展,也可以用于构造主动网络和下一代互联网络。 作者基于扩展服务路由器建立了一种主动网络原型系统。该主动网络原型系统由扩展服务路由器,主动扩展服务组件服务器,密钥分发中心组成。该主动网络原型系统在保证网络灵活性的同时可以充分保证扩展服务组件的安全性。 路由器软件体系结构综述-体系结构发展过程 单一内核 可配置 可扩展 可编程 路由器软件体系结构综述-BSD内核中的控制路径 路由器软件体系结构综述-BSD内核中的数据路径 路由器软件体系结构综述-微软的RRAS体系结构 路由器软件体系结构综述-x-kernel体系结构 路由器软件体系结构综述-ALTQ体系结构 路由器软件体系结构综述-ANTS体系结构 路由器软件体系结构综述-Scout/Joust体系结构 路由器软件体系结构综述-SwitchWare体系结构 路由器软件体系结构综述-RouterPlugin体系结构 可扩展路由器软件体系结构(一) 可扩展路由器软件体系结构(二) 硬件抽象层 IP分组的封装 数据移动 维护硬件配置数据库 可扩展路由器软件体系结构(三) 高性能路由器操作系统层 高性能路由器操作系统层的作用是利用硬件抽象层完成的SK_BUFF操作和提供的数据移动操作原语向路由转发和扩展服务层提供服务。 屏蔽硬件细节,可以使用共享内存,也可以使用消息机制。可以使用CPU进行节点间数据传送,也可以使用节点间DMA机制。 可扩展路由器软件体系结构(四) 路由转发与扩展服务层 最基本的能够完成IP分组路由转发的一系列模块 输入端口分组分类器 IP路由与转发 输出端口分组调度器 对扩展服务的支持 高性能路由器操作系统的设计要求 采用实时多任务内核。 采用微内核体系结构。 精简高效。 实现高性能的缓冲管理。 实现高性能的分布式通信机制。 接口清晰。 高性能路由器操作系统HEROS的总体结构 高性能路由器操作系统HEROS的单处理器内核 基于微内核体系结构 其多任务内核实现了基于优先级的抢先式调度 高效率的任务间同步和通信原语 实时的中断处理 简单高效的内存管
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