支持QoS的实时Linux系统QR-Linux

摘要

随着IP网络向集成语音和视频等多媒体业务的下一代综合业务网络(NGN)发展，网络服务质量(QoS)问题成为了网络研究的重要课题。本文在操作系统领域对如何支持实时多媒体业务的服务质量进行了探讨。 本文在对Linux2.6内核进程调度、下半部机制以及网络子系统分析的基础上，通过将网络接受中断的推后工作交由具有实时优先级的内核线程执行，设计并实现了一种能更好的支持实时多媒体业务服务质量的实时Linux系统：QR-Linux(Real-timeLinuxforQoS)。 硬件中断的推后机制是影响Linux系统实时性能的重要因素。QR-Linux系统中将网络接受中断的推后工作以实时工作队列的形式在进程上下文中运行，因而可抢占和睡眠。对协议栈处理进行显式调度是QR-Linux系统改进网络实时性能的主要手段。据此，QR-Linux的设计思想是：用实时优先级不同的内核线程处理实时业务和非实时业务，利用Linux2.6提供的内核可抢占式进程调度，保证实时业务相对于非实时业务的优先处理，达到区分服务(DiffServ)的目的，从而提供更好的服务质量。 QR-Linux系统通过修改Linux2.6.11版本内核实现，主要解决了实时与非实时数据包的区分、实时工作队列的实现和网络接收工作者线程的使用三个关键性问题。之后，重新编译了Linux内核，构造了QR-Linux系统。 最后，在构建的网络测试环境中，利用网络性能评测工具Netperf分别对Linux系统和QR-Linux系统的网络吞吐率和请求/响应交互性能进行了对比测试。测试结果表明QR-Linux系统的实时网络数据包的处理性能明显优于Linux系统，并且保持了可伸缩性(scalable)，体现了系统的实时性，能够对实时多媒体业务的服务质量提供支持。 本文中构造的QR-Linux可以作为嵌入式网络设备和终端的实时操作系统应用。

目录

文摘

英文文摘

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引 言

1实时Linux操作系统概述

1.1实时操作系统的概念

1.2硬实时Linux操作系统

1.2.1 RT-Linux

1.2.2 Kurt-Linux

1.3软实时Linux操作系统

1.3.1 SILK

1.3.2 Qlinux

1.4 小结

2网络服务质量概述

2.1网络服务质量的概念

2.2 IETF的QoS体系结构

2.2.1 IntServ集成业务体系结构

2.2.2 DiffServ区分业务体系结构

2.3 小结

3 Linux 2.6内核分析

3.1 Linux内核概述

3.2 Linux内核开发和调试方法

3.2.1 Linux内核开发的特点

3.2.2编译内核与内核模块

3.2.3内核调试

3.3 Linux 2.6内核进程调度分析

3.3.1 O(1)调度

3.3.2内核抢占

3.4 Linux网络数据包接受过程分析

3.5 Linux 2.6内核的工作队列

4 QR-Linux系统设计与实现

4.1 QR-Linux系统设计

4.2区分实时与非实时数据包

4.2.1 IEEE 802.1P与IETF IP TOS服务分级协议

4.2.2区分的实现

4.3实时工作队列的实现

4.3.1工作的创建

4.3.2实时工作者线程

4.4网络接收工作者线程的使用

4.5小结

5 QR-Linux系统的测试与评估

5.1 QR-Linux系统测试环境

5.2 QR-Linux系统的测试工具和测试方法

5.2.1 Netperf网络性能测试工具

5.2.2 QR-Linux系统的测试方案

5.3 QR-Linux系统性能分析与评估

5.3.1 QR-Linux网络数据吞吐率性能评估

5.3.2 QR-Linux网络请求/响应性能评估

5.3.3 QR-Linux系统的网络处理可伸缩性评估

5.4小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢