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作者潘登；徐佩霞；
英國作家潘登；夏電子工程與信息科學系；中國科學技術大學；合肥；230027;中國)；
作者單位:中國科學技術大學電子工程與信息科學系；230027;
文獻源數據的收集與處理，數據采集與學報；加工，編輯部郵箱，2003年04期
期刊榮譽:中文核心期刊主要內容概述:ASPT來源期刊CJFD。
中文關鍵詞交換式路由器；通用操作系統；路由器操作系統；
英文關鍵詞switch路由器；通用操作系統；路由器操作系統；
提出了壹種將通用操作系統及其上層路由軟件移植到交換路由器平臺的方案。該方案可以屏蔽交換路由器與傳統路由器的架構差異，從而將通用操作系統及其上層路由軟件移植到交換路由器的平臺上；同時兼顧了數據通信和管理維護的要求，為上層路由軟件提供了與傳統路由器相同的接口，使基於通用操作系統的路由軟件可以快速移植到交換式路由器上而又不失可擴展性。實際應用證明，該方案具有良好的靈活性和兼容性。
提出了壹種將通用操作系統及其路由軟件移植到交換路由器的新方案。該方案屏蔽了傳統路由器和交換路由器對應用層軟件的體系結構差異，從而可以在交換路由器平臺上支持通用操作系統及其路由軟件。該解決方案也被認為是數據通信和控制功能的要求。提供了與傳統路由器相同的訪問和控制方式...
國家8 63計劃資助項目(863-317-0199)
DOI CNKI:孫:SJCJ.0.2003-04-017
分類號TN915.05
文字快照簡介路由器最重要的工作就是根據IP包頭和路由過濾規則轉發IP包。其他功能包括路由表和路由器系統的維護。實際上，路由器可以看作是為IP網絡路由要求而設計的專用計算機。隨著互聯網承載業務的演進，互聯網對路由器性能的要求也在不斷提高。在交換路上
看看這個。
文章編號:100429037(2003)0420450205。
基於通用操作系統的交換式路由器操作系統的實現
潘登，徐佩霞
(中國科學技術大學電子工程與信息科學系，合肥，230027)
文摘:提出了壹種將通用操作系統及其上層路由軟件移植到交換式路由器平臺上的方案。這個方案可以向上屏蔽。
交換式路由器與傳統路由器架構的區別，從而將通用操作系統及其上層路由軟件移植到交換式路由器上。
站臺上；同時兼顧了數據通信和管理維護的要求，為上層路由軟件提供了與傳統路由器相同的接口，從而使
基於通用操作系統的路由軟件可以快速移植到交換式路由器上而不喪失其可擴展性。實際應用證實了這壹點
該方案具有良好的靈活性和兼容性。
關鍵詞:交換式路由器；通用操作系統；路由器操作系統
中國圖書館分類號:TN 915105；TP393文件識別碼:a
基金項目:國家863計劃(8632317201299)資助。
收到日期:2003203229；修訂日期:2003206215
基於的交換機路由器操作系統
通用操作系統
PA N D eng，X U P ei2x ia
(電子工程與信息科學系，
中國科學技術大學，合肥，230027
文摘:提出了壹種支持通用操作系統及其運行的新解決方案
開關rou ter已準備好。這種解決方案突出了傳統與現代之間的建築差異
rou ter和sw itch rou ter適用於兩個應用程序級別，因此可以支持壹般操作
兩個系統及其運行都在軟件平臺上。這種溶液也被認為是
對寬帶數據通信和控制功能的要求以及相同的訪問方式
和控制作為傳統路由器提供，因此這兩種路由器的路由是通用的
操作系統可以通過升級工具快速切換路由器平臺
靈活性。實踐證明，該方案具有良好的兼容性和靈活性。
關鍵詞:SW itch router；通用操作系統；常規操作系統
引用
路由器最重要的工作是根據IP數據包的報頭和路由，
過濾規則轉發IP數據包。其他功能包括路由表的維度。
路由器系統的保護與維護。事實上，路由器可以被視為
為IP網絡路由需求而設計的專用計算機。
隨著互聯網承載的業務的演進，互聯網對於路由來說非常重要。
對設備的性能要求也日益提高。在交換路由器中，數據包
大多數處理(如轉發)已經轉移到以端口為中心。
硬件，只有路由規則的生成和維護，網絡管理
管理和系統維護等復雜的工作仍然由軟件部分來完成。
好的。
實際上，路由器采用的操作系統可以分為三類。
Class: (1)以思科的IO S為代表的特殊操作系統，往往
在網絡骨幹節點中發現；(2)用V xWo rk s表示的嵌入
嵌入式系統，小辦公室常見？家庭接入設備；(3)
如果采用通用操作系統，則設置在骨幹節點和用戶接入處。
這種裝備在所有裝備上都有。比如采用君iper的路由產品。
使用L inux作為操作系統。通用操作系統上的各種路徑
網絡管理軟件已經發展了相當長的時間，其功能、性能
性能、穩定性、升級靈活性都很優秀，但是這些軟件還是
第18卷第4期
2003年6月5438日+2月
數據采集和處理
數據采集與應用雜誌。加工
第18號文件
2003年十二月
然而，它是為傳統路由器架構開發的，不能直接使用。
用於新的路由器架構。本文提出在通用操作系統中
在系統的驅動程序棧中插入壹個中間層，這樣系統內核和
而運行在其上的路由、網管等上層軟件屏蔽了下層。
硬件的特殊性，從而將上層軟件與高速硬件平臺結合起來。
放在壹起。該方案已應用於高速邊緣路由器
該系統具有良好的實用性和可擴展性。
1交換式路由器和傳統路由器在體
系統結構的差異
路由器工作在網絡的第三層，它的處理工作主要
涵蓋了七層模型中的下三層，包括:物理接口處理，數
根據鏈路層處理，網絡層路由查找，轉發和排隊
管理[1]。在傳統的路由器架構中，硬件部分
只實現物理層處理，其余工作需要消耗系統計算。
資源完成情況:包括CPU周期、內存容量、總線帶寬。
等等，所以性能也受到這些資源的限制。在交換路由中
在路由器中，路由處理器只處理系統維護和路由表維護。
少量的工作，數據流處理是由相對獨立的硬件完成的。
成功不再受系統計算資源的限制，因此其性能遠遠優於。
傳統路由器[2]。如圖1所示。
(壹)傳統路由器架構
(b)交換式路由器體系結構
圖1路由器的邏輯結構
就體系結構而言，傳統路由器和交換路由器
有明顯的區別:在傳統路由器中，所有物理接口
直接連接到總線，內核可以通過總線直接訪問它。
壹些接口；在交換路由器中，只有控制卡是直接的。
附在總線上，內核必須通過控制卡間接訪問每壹個。
壹個接口。這導致驅動程序在操作系統內核中代表網絡接口。
移動對象和移動對象的區別:傳統路由器中，內核有幾個網絡。
網絡設備驅動對象實例，每個實例通過總線直接維護。
為內核及其上層軟件提供基本操作的端口。
尋求支持。在交換路由器中，公共網絡設備驅動程序
動態對象不能直接維護端口，也不能支持系統內核和
上層軟件操作。因此，交換路由器體系結構的特點
這種特殊性使得通用操作系統和上層軟件無法直接應用。
這個問題有兩個解決方案:(1)大量修改內核。
以及適應新架構的各種相關軟件的源代碼。這
這種方式存在開發工作量大、周期長、局限性強的缺點。
點，失去了使用通用操作系統的靈活性；(2)在開車時
壹個中間層被添加到堆棧中，以支持普通網絡驅動對象所能做的事情。
支持所有操作，使系統內核和上層軟件基本上
它無需修改就可以在交換路由器上運行。這是本。
本文提出的中間層方案。該方案克服了第壹種方法。
法律的復雜性，在保持靈活性的基礎上，可以迅速
將通用操作系統和上層軟件移植到交換式路由器上。
在的硬件平臺上。
2中間層設計
中間層的功能包括數據通信和控制。從
考慮到數據通信，每個端口的功能與傳統端口相當。
路由器中的網絡接口，因此每個物理端口都包括在內。
內核中應該有相應的網絡驅動實例。這樣，我們可以互相支持
這種上層軟件運行是為了滿足數據通信功能的需要。
考慮到控制功能，我們應該把每壹個可能
邏輯運算映射成硬件運算；能夠與多個設備通信。
交流。上層應用包括系統維護、路由軟件和網絡管理軟件。
件；下部設備包括處理引擎和端口。具有控制功能的工具
體實現與硬件平臺有關。考慮到多個應用可能同時
操作壹個硬件設備，壹個應用程序也可以同時操作多個設備。
設備，在實施時必須考慮到對多個並發操作的支持。
保持住。
基於以上考慮，中間層由控制卡驅動模塊和中頻組成。
幹網絡驅動器實例。在圖2 (a，b)中，分別給出了它們。
傳統路由器的結構和驅動方式以及本文提出的方法
中間層的位置和驅動方式。
No.4潘登等:基於通用操作系統451的交換式路由器操作系統的實現
圖2中間層的位置和驅動方式
控制卡驅動模塊作為中間層的核心，維護控制。
卡上的所有端口、存儲器映射、中斷和循環緩沖隊列。
資源。它實現了數據通道和控制通道。向下直接驅動
動態控制卡與各端口和處理引擎通信；右邊，壹邊
控制通道的接口由內核調用陷阱提供；另壹個
方面為虛擬網絡驅動程序實例提供了壹個數據通道接口。虛構/虛擬的
對於操作系統內核中的每個物理端口，網絡驅動程序實例都是真實的。
現在是壹個網絡驅動的例子。它們在控制卡驅動模塊的基礎上工作。
基本上不直接控制硬件，所以叫虛擬網絡驅動現實。
舉例。虛擬網絡驅動程序實例封裝了控制卡驅動程序模塊提供的信息。
數據傳輸功能，並為內核和上層軟件提供普通網絡
網絡驅動實例的同壹個調用接口。下面分別給出數據通信。
通道和控制通道的實現方案。
211數據通道的功能與實現
虛擬網絡驅動實例和物理端口是壹壹對應的。
內核數據收發器的功能包括三個方面:
(1)發送到虛擬網絡驅動程序實例的數據包應由
其對應於端口輸出；
(2)此端口接收的數據包也由該虛擬網絡驅動。
將動態實例提交給系統內核；
(3)中間層還可以流式傳輸虛擬網絡驅動程序實例。
控制操作，避免擁塞造成的數據丟失。
註意，圖2 (b)中的交換結構在固定長度的信元中交換。
數據，其格式如圖3所示，其中信元標頭占用4個字節，而分組
包括處理引擎號和端口號字段。為了收藏？發送者，處理領導
引擎號和端口號分別是信元的源端口和目的端口。
口的對應值。
根據圖2 (b)所示的系統結構，可以知道它是由處理觸發的
引擎號和端口號可以確定端口的物理位置。控制卡驅動器
動態模塊在其內部驅動信息數組中維護虛擬網絡。
驅動程序實例和端口之間的對應關系。
圖3數據單元結構
發送數據時，虛擬網絡驅動程序實例從內核網絡部門接收數據。
獲取要單獨發送的數據，以及指向實例本身的指針。
壹起提交給控制卡驅動模塊。壹方面，控制卡驅動
通過這個指針，模塊可以驅動虛擬網絡實例。
流量控制設置；另壹方面，控制卡驅動模塊根據虛擬網絡
網絡驅動器實例指針查找驅動器信息表以獲得目標端口物理信息。
位置信息，包括處理引擎號和端口號。端口物理位
集合信息將被填充到所有要發送的數據包中。
在單元格標題中。控制卡驅動模塊將信元發送到。
交換結構，交換結構和處理引擎分別基於處理索引
引擎號和端口號將信元轉發到目的端口。最後壹個港口
從接收到的信元中恢復原始數據並發送出去。
接收數據時，端口也會將數據拆分成幾個信元。
壹步壹步上傳。考慮到交換結構的循環優先級機制，I
上傳數據包的過程可能會受到來自其他端口的數據的影響。
偷竊。因此，控制卡驅動模塊根據源按壓接收的信元
端口位置信息(包括處理引擎號和端口號)保存到
在不同的緩沖區。當接收到與數據包相關的所有信件時
元，控制驅動模塊可以重新組織數據，並根據源端口
位置信息被參考驅動信息表以獲得到端口相應虛擬點。
指向虛擬網絡驅動程序實例的指針，從而激活虛擬網絡驅動程序。
實例接收數據。虛擬網絡驅動程序實例從屬控制卡驅動程序模塊
塊，它是以網絡驅動程序的正常方式調用的。
net if- rx接口向內核提交數據。數據收發器實現結構
如圖4所示。
值得註意的是，在交換式路由器中，處理引擎
通過交換結構交換的是IP包；在通用操作系統中，
452數據采集與處理卷18
圖4數據收發的實現結構
網絡驅動程序通常在鏈路層處理幀。即控制卡驅動模塊
數據通道對的數據格式不同。因此，在
發送數據時，控制卡驅動模塊需要從鏈接幀中獲取鏈接幀。
從提取IP數據包並將其轉發到端口；而在接收數據時，則相反。
來自端口的IP包被鏈路幀封裝，然後向上提交。為了
例如，需要恢復源站和目標站的物理接地。
地址、負載類型和幀檢查[3]。對於承載IP包的以太網
顯然，目標站的物理地址和幀的有效載荷類型[4]是已知的。
是的。實現中使用的操作系統是L inux，它基於虛擬
在網絡驅動源代碼中設置可以讓內核不幀。
檢查[5]。因此只有源站物理地址是未知的。如果需要硬的
給定真實的源站物理地址，增加了硬件的復雜度。
度；如果控制卡驅動程序模塊中的源物理地址是偽造的，則
可能會導致內核ARP管理的混亂。為了簡化硬件設置
在設計中，源物理是在控制卡驅動模塊中偽造的。
地址方法，同時修改虛擬網絡驅動源代碼，重載。
幀頭處理功能[6]。這樣，內核ARP表就不會被偽造
地址，它通過查詢端口訪問和刷新ARP記錄。
實現。
212控制通道的功能與實現
控制功能的通信也基於單元，其操作包括
維護管理和表同步。維護管理主要是開展各種
詢問通常通過幾次雙向溝通來完成。每個通信都有
有效載荷只有幾個字節，可以由壹個信元承載。但是
表同步是將上層軟件維護的表復制到相關硬件上。
包括ARP表、路由和分類表等。表同步操作包括
並且大量的數據傳輸需要由多個小區承載。控制函數
都是設備的問題，所以都在掌控之中？反饋單元還
必須包括目標設備的物理位置信息。
在實際操作中，所有上層應用程序和設備
基於控制通信復用控制信道，其特征在於:
(1)不同的應用程序可能同時訪問同壹設備；
(2)應用程序也可以同時訪問多個設備；
(3)相同設備的相同應用程序的操作通常
連續的。
為了支持這種復用操作，所有的承載控制信息和逆
提要的頭不僅包括目標硬件的物理位置和操作。
除了指令之外，它還包括命令類型和應用程序類型信息。控制？計數器
飼養細胞結構如圖5所示。
圖5控制？反饋單元結構
圖5:處理引擎號和端口號來確定設備。
位置；接受？發送元件分別是信元的源端口的總目的地。
的端口的相應值；設備和應用程序之間定義了命令代碼。
為每個可能的操作分配壹個代碼；控制卡驅動中的應用程序代碼
在動態模塊和上層應用程序之間預定義。每種可能的應用都分為
匹配壹個代碼。這些應用包括網絡管理、路由維護和硬件維度。
保護和ARP信息獲取等。
上層應用程序通過內核調用陷阱(IOCTL)啟動控制。
通道操作，同時給出目標設備的物理位置和命令類。
類型代碼和應用類型代碼。控制卡驅動模塊發送這些字母
信息被填入控制單元，然後發送到設備。設備把這些
代碼直接復制到反饋單元格中，之後再添加反饋。
信息。控制卡驅動模塊為每個應用程序分配壹個周期。
Buffer，它根據應用程序類型對收到的反饋進行排隊。
中等。上層應用程序從其對應的循環緩沖器中讀取反饋。
單元格，然後根據單元格中的物理位置信息，命令代碼
可以確定對應於反饋的原始命令，從而可以分析反饋數據。
妥善處理。這樣就實現了各種控制功能的控制。
通道的多路復用。如圖6所示。
潘登等人:基於通用操作系統453的交換式路由器操作系統的實現
圖6控制通信的實現結構
3結論理論
鑒於傳統的路由器體系結構和交換式路由器主體
架構、通用操作系統和在其上開發的路由的差異
軟件不能直接應用於交換路由器。本文提出了
夾層方案可以有效解決這個問題。對該方案的全面審查
考慮到數據通信和管理維護的要求，它提供了上層。
界面與原模型基本壹致，路由軟件用在
在不喪失其靈活性和可伸縮性的情況下，它可以直接應用於
在交換式路由器中。盡管該方案僅在特定平臺上
它已經在特定的操作系統上實現了，但是不難看出，這
這種思維對操作系統沒有特別的依賴，完全有可能。
移植到其他通用操作系統。本文提出的方案已被采用
國家863項目高速邊緣實用綜合接入系統
在路由器的開發中取得了良好的實用效果。這篇文章是為了國家
高性能路由器的軟件開發提出了壹種高效快捷的方式。
該方案具有良好的應用前景。
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作者簡介:潘登(19772)，男，博士研究生，研究方向:互聯網。
架構與網絡安全，e2mail:mail.ustc.edu.cn潘登；
徐佩霞(19412)，女，教授，博士生導師，研究方向:音視頻。
編碼，非線性處理，下壹代網絡。
454數據采集與處理卷18