支持QoS的交换技术研究

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。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”的解耦模式，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”将多种网络设计成一种网络。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。课题研究依托国家973计划信息技术领域子课题《一体化网络体系结构模型及交换路由理论与技术》，为了更好地应对交换技术所面临的严峻挑战，对一体化网络体系下新型的交换机理、原理与关键技术展开研究，研究内容具有重要的理论意义和实用价值。

针对路由交换设备对于交换技术的QoS需求，本文首次将标识的概念引入交换结构，提出了基于标识的交换技术，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CICQ交换结构设计出支持区分服务的DS-CICQ交换结构，在不同类业务和不同输出端口，采用基于标识支持区分QoS的分布式动态双轮询ID-DDRR调度算法，调度复杂度大大降低；在对主流PPS交换技术现状分析的基础上，针对并行交换中的保序和区分QoS问题，提出一种新型的PSVIOQ-CICQ解决方案；设计出一种新型的PPS体系结构PSCICQ，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；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；在分析研究三级Clos网交换结构和调度算法的基础上，提出了一种支持QoS的三级Clos分布式交换结构，并基于该结构提出了DHIRRM调度算法，使该交换结构的设计能提供优良的QoS策略。针对交换结构性能评价问题，提出基于效用函数支持QoS的交换结构性能评价模型；最后，将一体化网络的重要思想引入到MPLS网络，研究了MPLS协议在新一代网络交换路由的应用，提出了基于一体化MPLS网络架构的协调数据流抢占机制。

基于标识和带缓存交叉开关交换单元研究了交换技术的QoS保障问题，研究内容属于宽带信息网络学科前沿，研究成果避免交换结构及实现机制方面缺乏QoS保证的缺陷，能够满足不同业务对QoS的需求，实现网络一体化并为用户提供普适服务，有望对新一代信息网络特别是交换技术的发展与应用起到促进作用。

本书将作者近几年在一体化网络下支持QoS交换技术方面研究中取得的成果进行归纳、总结。内容主要取材于作者在各种期刊和国际会议上公开发表的论文，同时融入国内外学者在该领域取得的优秀研究成果，力求全面、系统地概括国内外最新研究成果，反映发展动态。但难免会存在一些不足之处，欢迎专家及同行多提宝贵意见。

作者

2014年8月

第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究目的意义 5
1.2 一体化网络研究 7
1.2.1 一体化网络体系结构 7
1.2.2 一体化网络中的交换与路由 12
1.3 课题研究思路与研究工作 16
1.4 本章小结 18
参考文献 20
第二章 支持QoS的交换结构及调度算法分析 22
2.1 引言 22
2.2 典型交换结构分析 23
2.2.1 分组交换Crossbar型交换结构 23
2.2.2 交叉点无缓存Crossbar型交换结构 24
2.2.3 交叉点带缓存Crossbar型交换结构 27
2.3 支持QoS的调度算法分析 29
2.3.1 基于OQ结构的典型调度算法分析 30
2.3.2 基于IQ结构的典型调度算法分析 31
2.3.3 基于CIOQ结构的典型调度算法分析 32
2.3.4 基于CICQ结构的典型调度算法分析 34
2.4 基于标识支持QoS的交换技术分析 36
2.5 本章小结 38
参考文献 38
第三章 基于标识支持区分QoS的 CICQ调度机制研究 44
3.1 引言 44
3.2 相关术语及定义 45
3.2.1 区分QoS 45
3.2.2 分组信息头格式 52
3.3 DS-CICQ交换结构 53
3.4 ID-DDRR调度算法 55
3.4.1 带宽分配方案 55
3.4.2 两个调度阶段 57
3.4.3 关于份额函数 59
3.4.4 ID-DDRR算法描述 59
3.5 性能评估 62
3.5.1 算法理论分析 62
3.5.2 算法公平性证明 63
3.5.3 算法仿真实验分析 64
3.6 本章小结 68
参考文献 69
第四章 基于标识支持区分QoS的PPS 解决方案PSVIOQ-CICQ 71
4.1 引言 71
4.2 并行交换现状分析 72
4.3 PSVIOQ-CICQ交换结构 77
4.4 调度算法 79
4.4.1 相关概念和约定 79
4.4.2 负载均衡算法 80
4.4.3 DDRRP信元重组算法 82
4.5 仿真结果与分析 85
4.5.1 仿真环境 85
4.5.2 仿真结果分析 87
4.6 本章小结 92
参考文献 93
第五章 基于标识支持区分QoS的PPS解决方案PSCICQ 96
5.1 引言 96
5.2 PSCICQ交换结构 97
5.3 调度算法 98
5.3.1 相关定义 98
5.3.2 解复用器负载分担算法 99
5.3.3 中心交换平面调度机制 101
5.3.4 DPRR汇聚模块调度机制 104
5.4 性能分析 107
5.5 仿真结果与分析 110
5.6 PSCICQ和PSVIOQ-CICQ的比较 116
5.7 本章小结 120
参考文献 121
第六章 支持QoS的多级交换结构研究 122
6.1 引言 122
6.2 支持QoS的三级Clos分布式交换结构 123
6.2.1 输入端口的设计 124
6.2.2 输出端口的设计 130
6.3 交换结构的特性分析 131
6.3.1 分布式队列调度 131
6.3.2 一次调度 132
6.3.3 负载均衡 133
6.4 一种基于时限优先级可预测匹配的调度机制—DHIRRM 134
6.4.1 任务模型 134
6.4.2 DHIRRM算法描述 135
6.4.3 预测匹配 136
6.5 本章小结 137
参考文献 138
第七章 基于效用函数支持QoS的交换结构性能评价模型 139
7.1 引言 139
7.2 业务流的效用函数现状分析 140
7.3 业务流的时延效用函数 141
7.3.1 语音流的时延效用函数 141
7.3.2 视频流的时延效用函数 142
7.3.3 TCP流的时延效用函数 143
7.3.4 三种业务流的时延效用函数 144
7.4 基于时延的效用函数评价模型 145
7.4.1 评价等级定义 145
7.4.2 评价模型构建 146
7.4.3 评价模型分析 146
7.4.4 评价模型的扩展 147
7.4.5 仿真实验分析 151
7.5 双指标效用函数评价模型 153
7.5.1 双指标模型的构建 153
7.5.2 双指标评价模型分析 154
7.6 本章小结 156
参考文献 157
第八章 MPLS协议在新一代网络交换路由应用中的研究 158
8.1 引言 158
8.2 基于协调数据流抢占机制总体架构 160
8.2.1 工作流程 160
8.2.2 添加边缘路由表 161
8.2.3 MPLS通知报文格式 163
8.3 发送吞吐量信息封包的设计 164
8.3.1 标志变量 165
8.3.2 回传吞吐量信息封包 165
8.3.3 抢占通知封包 166
8.3.4 启动抢占机制条件 167
8.4 TPN传输等级定义 168
8.5 TPN机制工作原理 170
8.5.1 TPN工作流程 170
8.5.2 TPN带宽保留算法 172
8.6 LSR工作原理 174
8.6.1 Ingress LSR工作模块 175
8.6.2 Core LSR工作模块 177
8.6.3 Egress LSR工作模块 178
8.7 仿真实验与结果分析 179
8.7.1 仿真软件 179
8.7.2 具有TPN功能的NS扩展 181
8.7.3 仿真与分析 183
8.8 本章小结 193
参考文献 194
附录A 并行交换系统仿真平台PPS-CICQ-SIM的设计 196
A.1 引言 196
A.2 并行交换系统仿真平台PPS-CICQ-SIM建模 198
A.2.1 系统中的主要类及其相互关系 199
A.2.2 系统对象模型 204
A.2.3 系统动态模型 207
参考文献 209

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