基于IXP网络处理器的分组调度机制实现及研究

摘要

基于多处理器体系结构的网络处理器(NP)通过利用网络中存在的三种并行性：PLP、ILP、IPP，可以提供高速的处理能力。同时网络处理器具有的对硬件的完全可编程性，也使得用网络处理器实现路由器等网络设备在计算机网络与通信领域具有重要的应用前景。目前越来越多的高端路由器等网络设备开始使用网络处理器。 随着网络上各种不同应用的出现，我们需要在路由器中实现QoS以提供对不同业务的区分服务，路由器等网络设备提供QoS的核心技术是分组调度机制。完善的分组调度机制能提供诸如带宽、延迟、抖动和丢失率等的性能保证，适应用户和应用的服务质量要求。同时分组调度机制也能改进拥塞控制，提供系统服务公平性和服务类间保护。 本文研究了基于网络处理器IXP2400的并行方式下IP数据包的分类、队列管理、DRR/WRR/PS分组调度等功能实现技术。讨论了多微引擎通信，即如何定义有效的接口以实现多微引擎协同工作的问题；临界区访问，即怎样设计算法从而保持数据包的顺序性的问题；还包括如何有效利用网络处理器中通用寄存器，传输寄存器和邻接寄存器来最大可能避免并行过程中带来的互斥等技术问题；如何有效利用专用硬件加速程序执行速度等。模拟器分析结果表明，本文实现的调度机制能够提供一定的OoS，该结论对利用网络处理器(NP)设计其他网络设备具有一定的借鉴意义。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1网络处理器的诞生与发展

1.1.1路由器发展

1.1.2网络处理器发展

1.2基于网络处理器分组调度机制研究的意义

1.3本文的贡献

第2章IXP2400网络处理器

2.1IXP2400硬件体系结构

2.1.1可编程处理器

2.1.2功能接口

2.1.3 IXP2400和IXP1200的区别

2.2IXP2400软件体系结构

2.2.1软件开发平台

2.2.2IXA可移植编程框架

2.2.3IXA重要数据结构

2.3微引擎编程模式

2.3.1微引擎流水

2.3.2微引擎并行

2.3.3两种方式的结合

2.3.4两种线程模式

2.4编写网络应用程序的步骤

第3章系统结构总体设计

3.1实现分组调度机制的主要功能模块

3.1.1分组分类

3.1.2队列管理

3.1.3分组调度

3.2分组调度机制在IXP2400上的设计

3.2.1总体结构图

3.2.2微引擎通讯接口设计

3.2.3流程说明

第4章分组调度机制实现

4.1数据处理微引擎实现

4.1.1调度循环

4.1.2全局数据结构

4.1.3线程同步分析

4.1.4多线程设计

4.1.5以太网头部去除微块

4.1.6四维分类

4.2队列管理微引擎实现

4.2.1主要数据结构

4.2.2队列查找模块

4.2.3入队列模块

4.2.4出队列模块

4.2.5接口分析

4.2.6同步分析

4.2.7多线程算法设计

4.3分组调度微引擎实现

4.3.1主要数据结构

4.3.2接口分析

4.3.3并行实现分析

4.3.4线程组成及同步分析

4.3.5 DRR微引擎实现

4.3.6 WRR微引擎实现

4.3.7 PS微引擎实现

4.4系统初始化和启动

第5章性能分析

5.1IXP2400 simulation eviroment

5.1.1媒体交换结构接口(media and switch fabric interface)

5.1.2网络数据模拟器(nework traffic simulator plug-ins)

5.2模拟试验基本配置

5.3性能测试

5.3.1分类算法测试

5.3.2分组调度算法测试

5.4测试结果总结

第六章总结与展望

6.1算法的特点

6.2进一步的研究方向

参考文献

致谢