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一体化网络下支持QoS的交换技术研究

李秀芹  
【摘要】:随着信息网络多媒体业务的兴起,路由交换设备交换结构对服务质量支持的问题再次受到关注,如何实现具有QoS保证的交换技术也得到了学术界和产业界的广泛重视。而当前的交换结构和调度算法的研究主要集中在提高吞吐率,降低时延等方面。随着不同应用的增加,将来的交换结构必须能够考虑到对更加丰富的QoS保证的支持。现有信息网络的原始设计思想基本上是一种网络支撑一种主要服务的模式,在此基础上的演进与发展难以突破原始设计思想的局限,无法满足网络及服务的多样性需求。 “一体化网络”通过三次解析映射,将标识理论贯穿了从服务层到网通层的整个网络体系架构,可以把不同业务类型通过映射关系反映到网通层。结合“十一五”国家973计划项目《一体化网络体系结构模型及交换路由理论与技术》的研究工作,针对路由交换设备对于交换技术的QoS需求,通过对一体化网络体系结构的分析,深入研究现有典型交换结构和调度算法对支持QoS的不足,本文首次将标识的概念引入交换结构,提出了基于标识支持区分QoS的交换技术。基于标识的交换避免了对数据包的深度解析,能对不同的业务类进行感知识别。 本课题主要包括以下几个方面的工作: 1.对传统的典型交换技术进行了分析和评述,提出了基于标识支持QoS的交换技术。从交换系统对QoS支持的角度,对目前典型的交换结构及其调度算法进行了较为全面的分类、分析、比较,传统的交换基本都是基于每流调度的;由于在穿过路由器的网络流量中同时并存的数据流可能多达上百万个,数据流粒度的路由、交换以及QoS控制在现有的硬件条件下极难实现;在此基础上,将标识的概念引入交换结构,提出了基于标识的交换,给出了适合一体化网络基于标识支持QoS的交换技术应具有的特征;基于标识的交换以业务类为单位管理网络数据流,业务类的数目基本上数百个量级,即易于管理,又可以精确反映不同业务的QoS需求。 2.研究了基于标识支持区分QoS的CICQ调度机制。对通信中用到的标识和区分QoS进行了定义和说明,基于CICQ交换结构设计出支持区分服务的DS-CICQ交换结构,在DS-CICQ交换结构基础上,提出一种基于标识支持区分QoS的分布式动态双轮询ID-DDRR调度算法。在不同类业务和不同输出端口,采用双指针双轮转型调度策略,调度复杂度大为降低;其份额函数是基于队长信息和优先级的;ID-DDRR算法能够为数据分组提供不同层次的服务保证,能够实现所有预约带宽在GD业务与GB业务及LG之间的分配;理论分析和仿真实验一致说明,ID-DDRR算法具有良好的时延性能和公平特性,与现有算法相比,能够更好地支持区分服务,从而实现QoS保障。 3.提出一种基于标识支持区分QoS的PSVIOQ-CICQ解决方案。分析了主流PPS交换技术的研究现状,并基于联合输入交叉节点排队交换结构提出一种新型的PPS体系结构——PSVIOQ-CICQ。方案PSVIOQ-CICQ的设计中采用虚拟队列技术,输入缓存设置成N个VOQ,与负载均衡器协同完成负载均衡分配,输出缓存设置成N个VIQ,与分组整合器协同完成信元的按序转发并提供QoS保障,采用CICQ作为中间交换平面,充分发挥其优点,仿真表明PSVIOQ-CICQ具有较好的公平性、负载均衡性和扩展性,整体达到了设计目标要求,但仿真也显示系统的吞吐率和时延性能在非均匀业务源下,特别是重负载时,还存在不足。 4.针对PSVIOQ-CICQ的不足,提出一种基于标识支持区分QoS的新型PSCICQ解决方案。基于联合输入交叉节点排队交换结构提出一种新型的PPS体系结构——PSCICQ,其每一解复用器中引入NK个信元大小的缓存。基于PSCICQ体系结构,提出一种基于标识支持区分QoS的PPS调度机制。证明了PSCICQ体系结构能够保证业务信元的传输顺序;利用带缓存交叉开关的分布式调度特性,以业务类为单位管理网络数据流,在汇聚模块设置少量缓存采用双指针轮询算法DPRR实现区分QoS保障,保证了交换对高层不同业务类的有效支持。仿真实验表明:文中提出的基于标识支持区分QoS的新型PPS实现方案是有效的,在满负载情况下获得高达99%以上的吞吐率,在过载情况下根据预定带宽分配输出链路带宽,系统确保分组具有时延的上界,能够比较均衡的将负载分配到各中间交换平面,具有较好的负载均衡度,与目前主流的PPS设计相比,易于硬件实现,具有较好的扩展性。 5.研究了基于效用函数支持QoS的交换结构性能评价模型。分析了业务流的效用函数研究现状,给出了业务流的时延效用函数,提出了一种新型的性能评价模型——基于时延的效用函数评价模型,并借助“效用”最大化等理论,寻找出网络资源配置的较优方案。并且将该模型进行扩展,把时延、带宽这两个与业务流本身性质和用户直观感受最密切的指标科学地结合起来,提出了双指标的评价模型,使评价更具综合性、直观性和实用性。本方案能有效利用现有网络资源为各种业务流尽可能提供更好的QoS。


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