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作者潘登；徐佩霞；
英国作家潘登；夏电子工程与信息科学系；中国科学技术大学；合肥；230027;中国)；
作者单位:中国科学技术大学电子工程与信息科学系；230027;
文献源数据的收集与处理，数据采集与学报；加工，编辑部邮箱，2003年04期
期刊荣誉:中文核心期刊主要内容概述:ASPT来源期刊CJFD。
中文关键词交换式路由器；通用操作系统；路由器操作系统；
英文关键词switch路由器；通用操作系统；路由器操作系统；
提出了一种将通用操作系统及其上层路由软件移植到交换路由器平台的方案。该方案可以屏蔽交换路由器与传统路由器的架构差异，从而将通用操作系统及其上层路由软件移植到交换路由器的平台上；同时兼顾了数据通信和管理维护的要求，为上层路由软件提供了与传统路由器相同的接口，使基于通用操作系统的路由软件可以快速移植到交换式路由器上而又不失可扩展性。实际应用证明，该方案具有良好的灵活性和兼容性。
提出了一种将通用操作系统及其路由软件移植到交换路由器的新方案。该方案屏蔽了传统路由器和交换路由器对应用层软件的体系结构差异，从而可以在交换路由器平台上支持通用操作系统及其路由软件。该解决方案也被认为是数据通信和控制功能的要求。提供了与传统路由器相同的访问和控制方式...
国家8 63计划资助项目(863-317-0199)
DOI CNKI:孙:SJCJ.0.2003-04-017
分类号TN915.05
文字快照简介路由器最重要的工作就是根据IP包头和路由过滤规则转发IP包。其他功能包括路由表和路由器系统的维护。实际上，路由器可以看作是为IP网络路由要求而设计的专用计算机。随着互联网承载业务的演进，互联网对路由器性能的要求也在不断提高。在交换路上
看看这个。
文章编号:100429037(2003)0420450205。
基于通用操作系统的交换式路由器操作系统的实现
潘登，徐佩霞
(中国科学技术大学电子工程与信息科学系，合肥，230027)
文摘:提出了一种将通用操作系统及其上层路由软件移植到交换式路由器平台上的方案。这个方案可以向上屏蔽。
交换式路由器与传统路由器架构的区别，从而将通用操作系统及其上层路由软件移植到交换式路由器上。
站台上；同时兼顾了数据通信和管理维护的要求，为上层路由软件提供了与传统路由器相同的接口，从而使
基于通用操作系统的路由软件可以快速移植到交换式路由器上而不丧失其可扩展性。实际应用证实了这一点
该方案具有良好的灵活性和兼容性。
关键词:交换式路由器；通用操作系统；路由器操作系统
中国图书馆分类号:TN 915105；TP393文件识别码:a
基金项目:国家863计划(8632317201299)资助。
收到日期:2003203229；修订日期:2003206215
基于的交换机路由器操作系统
通用操作系统
PA N D eng，X U P ei2x ia
(电子工程与信息科学系，
中国科学技术大学，合肥，230027
文摘:提出了一种支持通用操作系统及其运行的新解决方案
开关rou ter已准备好。这种解决方案突出了传统与现代之间的建筑差异
rou ter和sw itch rou ter适用于两个应用程序级别，因此可以支持一般操作
两个系统及其运行都在软件平台上。这种溶液也被认为是
对宽带数据通信和控制功能的要求以及相同的访问方式
和控制作为传统路由器提供，因此这两种路由器的路由是通用的
操作系统可以通过升级工具快速切换路由器平台
灵活性。实践证明，该方案具有良好的兼容性和灵活性。
关键词:SW itch router；通用操作系统；常规操作系统
引用
路由器最重要的工作是根据IP数据包的报头和路由，
过滤规则转发IP数据包。其他功能包括路由表的维度。
路由器系统的保护与维护。事实上，路由器可以被视为
为IP网络路由需求而设计的专用计算机。
随着互联网承载的业务的演进，互联网对于路由来说非常重要。
设备的性能要求也在提高。在交换路由器中，数据包
大多数处理(如转发)已经转移到以端口为中心。
硬件，只有路由规则的生成和维护，网络管理
管理和系统维护等复杂的工作仍然由软件部分来完成。
好的。
实际上，路由器采用的操作系统可以分为三类。
Class: (1)以思科的IO S为代表的特殊操作系统，往往
在网络骨干节点中发现；(2)用V xWo rk s表示的嵌入
嵌入式系统，小办公室常见？家庭接入设备；(3)
如果采用通用操作系统，则设置在骨干节点和用户接入处。
这种装备在所有装备上都有。比如采用君iper的路由产品。
使用L inux作为操作系统。通用操作系统上的各种路径
网络管理软件已经发展了相当长的时间，其功能、性能
性能、稳定性、升级灵活性都很优秀，但是这些软件还是
第18卷第4期
2003年6月5438日+2月
数据采集和处理
数据采集与应用杂志。加工
第18号文件
2003年十二月
然而，它是为传统路由器架构开发的，不能直接使用。
用于新的路由器架构。本文提出在通用操作系统中
在系统的驱动程序栈中插入一个中间层，这样系统内核和
而运行在其上的路由、网管等上层软件屏蔽了下层。
硬件的特殊性，从而将上层软件与高速硬件平台结合起来。
放在一起。该方案已应用于高速边缘路由器
该系统具有良好的实用性和可扩展性。
1交换式路由器和传统路由器在体
系统结构的差异
路由器工作在网络的第三层，它的处理工作主要
涵盖了七层模型中的下三层，包括:物理接口处理，数
根据链路层处理，网络层路由查找，转发和排队
管理[1]。在传统的路由器架构中，硬件部分
只实现物理层处理，其余工作需要消耗系统计算。
资源完成情况:包括CPU周期、内存容量、总线带宽。
等等，所以性能也受到这些资源的限制。在交换路由中
在路由器中，路由处理器只处理系统维护和路由表维护。
少量的工作，数据流处理是由相对独立的硬件完成的。
成功不再受系统计算资源的限制，因此其性能远远优于。
传统路由器[2]。如图1所示。
(一)传统路由器架构
(b)交换式路由器体系结构
图1路由器的逻辑结构
就体系结构而言，传统路由器和交换路由器
有明显的区别:在传统路由器中，所有物理接口
直接连接到总线，内核可以通过总线直接访问它。
一些接口；在交换路由器中，只有控制卡是直接的。
附在总线上，内核必须通过控制卡间接访问每一个。
一个接口。这导致驱动程序在操作系统内核中代表网络接口。
移动对象和移动对象的区别:传统路由器中，内核有几个网络。
网络设备驱动对象实例，每个实例通过总线直接维护。
为内核及其上层软件提供基本操作的端口。
寻求支持。在交换路由器中，公共网络设备驱动程序
动态对象不能直接维护端口，也不能支持系统内核和
上层软件操作。因此，交换路由器体系结构的特点
这种特殊性使得通用操作系统和上层软件无法直接应用。
这个问题有两个解决方案:(1)大量修改内核。
以及适应新架构的各种相关软件的源代码。这
这种方式存在开发工作量大、周期长、局限性强的缺点。
点，失去了使用通用操作系统的灵活性；(2)在开车时
一个中间层被添加到堆栈中，以支持普通网络驱动对象所能做的事情。
支持所有操作，使系统内核和上层软件基本上
它无需修改就可以在交换路由器上运行。这是本。
本文提出的中间层方案。该方案克服了第一种方法。
法律的复杂性，在保持灵活性的基础上，可以迅速
将通用操作系统和上层软件移植到交换式路由器上。
在的硬件平台上。
2中间层设计
中间层的功能包括数据通信和控制。从
考虑到数据通信，每个端口的功能与传统端口相当。
路由器中的网络接口，因此每个物理端口都包括在内。
内核中应该有相应的网络驱动实例。这样，我们可以互相支持
这种上层软件运行是为了满足数据通信功能的需要。
考虑到控制功能，我们应该把每一个可能
逻辑运算映射成硬件运算；能够与多个设备通信。
交流。上层应用包括系统维护、路由软件和网络管理软件。
件；下部设备包括处理引擎和端口。具有控制功能的工具
体实现与硬件平台有关。考虑到多个应用可能同时
操作一个硬件设备，一个应用程序也可以同时操作多个设备。
设备，在实施时必须考虑到对多个并发操作的支持。
保持住。
基于以上考虑，中间层由控制卡驱动模块和中频组成。
干网络驱动器实例。在图2 (a，b)中，分别给出了它们。
传统路由器的结构和驱动方式以及本文提出的方法
中间层的位置和驱动方式。
No.4潘登等:基于通用操作系统451的交换式路由器操作系统的实现
图2中间层的位置和驱动方式
控制卡驱动模块作为中间层的核心，维护控制。
卡上的所有端口、存储器映射、中断和循环缓冲队列。
资源。它实现了数据通道和控制通道。向下直接驱动
动态控制卡与各端口和处理引擎通信；右边，一边
控制通道的接口由内核调用陷阱提供；另一个
方面为虚拟网络驱动程序实例提供了一个数据通道接口。虚构/虚拟的
对于操作系统内核中的每个物理端口，网络驱动程序实例都是真实的。
现在是一个网络驱动的例子。它们在控制卡驱动模块的基础上工作。
基本上不直接控制硬件，所以叫虚拟网络驱动现实。
举例。虚拟网络驱动程序实例封装了控制卡驱动程序模块提供的信息。
数据传输功能，并为内核和上层软件提供普通网络
网络驱动实例的同一个调用接口。下面分别给出数据通信。
通道和控制通道的实现方案。
211数据通道的功能与实现
虚拟网络驱动实例和物理端口是一一对应的。
内核数据收发器的功能包括三个方面:
(1)发送到虚拟网络驱动程序实例的数据包应由
其对应于端口输出；
(2)此端口接收的数据包也由该虚拟网络驱动。
将动态实例提交给系统内核；
(3)中间层还可以流式传输虚拟网络驱动程序实例。
控制操作，避免拥塞造成的数据丢失。
注意，图2 (b)中的交换结构在固定长度的信元中交换。
数据，其格式如图3所示，其中信元标头占用4个字节，而分组
包括处理引擎号和端口号字段。为了收藏？发送者，处理领导
引擎号和端口号分别是信元的源端口和目的端口。
口的对应值。
根据图2 (b)所示的系统结构，可以知道它是由处理触发的
引擎号和端口号可以确定端口的物理位置。控制卡驱动器
动态模块在其内部驱动信息数组中维护虚拟网络。
驱动程序实例和端口之间的对应关系。
图3数据单元结构
发送数据时，虚拟网络驱动程序实例从内核网络部门接收数据。
获取要单独发送的数据，以及指向实例本身的指针。
一起提交给控制卡驱动模块。一方面，控制卡驱动
通过这个指针，模块可以驱动虚拟网络实例。
流量控制设置；另一方面，控制卡驱动模块根据虚拟网络
网络驱动器实例指针查找驱动器信息表以获得目标端口物理信息。
位置信息，包括处理引擎号和端口号。端口物理位
集合信息将被填充到所有要发送的数据包中。
在单元格标题中。控制卡驱动模块将信元发送到。
交换结构，交换结构和处理引擎分别基于处理索引
引擎号和端口号将信元转发到目的端口。最后一个港口
从接收到的信元中恢复原始数据并发送出去。
接收数据时，端口也会将数据拆分成几个信元。
一步一步上传。考虑到交换结构的循环优先级机制，I
上传数据包的过程可能会受到来自其他端口的数据的影响。
偷窃。因此，控制卡驱动模块根据源按压接收的信元
端口位置信息(包括处理引擎号和端口号)保存到
在不同的缓冲区。当接收到与数据包相关的所有信件时
元，控制驱动模块可以重新组织数据，并根据源端口
位置信息被参考驱动信息表以获得到端口相应虚拟点。
指向虚拟网络驱动程序实例的指针，从而激活虚拟网络驱动程序。
实例接收数据。虚拟网络驱动程序实例从属控制卡驱动程序模块
块，它是以网络驱动程序的正常方式调用的。
net if- rx接口向内核提交数据。数据收发器实现结构
如图4所示。
值得注意的是，在交换式路由器中，处理引擎
通过交换结构交换的是IP包；在通用操作系统中，
452数据采集与处理卷18
图4数据收发的实现结构
网络驱动程序通常在链路层处理帧。即控制卡驱动模块
数据通道对的数据格式不同。因此，在
发送数据时，控制卡驱动模块需要从链接帧中获取链接帧。
从提取IP数据包并将其转发到端口；而在接收数据时，则相反。
来自端口的IP包被链路帧封装，然后向上提交。为了
例如，需要恢复源站和目标站的物理接地。
地址、负载类型和帧检查[3]。对于承载IP包的以太网
显然，目标站的物理地址和帧的有效载荷类型[4]是已知的。
是的。实现中使用的操作系统是L inux，它基于虚拟
在网络驱动源代码中设置可以让内核不帧。
检查[5]。因此只有源站物理地址是未知的。如果需要硬的
给定真实的源站物理地址，增加了硬件的复杂度。
度；如果控制卡驱动程序模块中的源物理地址是伪造的，则
可能会导致内核ARP管理的混乱。为了简化硬件设置
在设计中，源物理是在控制卡驱动模块中伪造的。
地址方法，同时修改虚拟网络驱动源代码，重载。
帧头处理功能[6]。这样，内核ARP表就不会被伪造
地址，它通过查询端口访问和刷新ARP记录。
实现。
212控制通道的功能与实现
控制功能的通信也基于单元，其操作包括
维护管理和表同步。维护管理主要是开展各种
询问通常通过几次双向沟通来完成。每个通信都有
有效载荷只有几个字节，可以由一个信元承载。但是
表同步是将上层软件维护的表复制到相关硬件上。
包括ARP表、路由和分类表等。表同步操作包括
并且大量的数据传输需要由多个小区承载。控制函数
都是设备的问题，所以都在掌控之中？反馈单元还
必须包括目标设备的物理位置信息。
在实际操作中，所有上层应用程序和设备
基于控制通信复用控制信道，其特征在于:
(1)不同的应用程序可能同时访问同一设备；
(2)应用程序也可以同时访问多个设备；
(3)相同设备的相同应用程序的操作通常
连续的。
为了支持这种复用操作，所有的承载控制信息和逆
提要的头不仅包括目标硬件的物理位置和操作。
除了指令之外，它还包括命令类型和应用程序类型信息。控制？计数器
饲养细胞结构如图5所示。
图5控制？反馈单元结构
图5:处理引擎号和端口号来确定设备。
位置；接受？发送元件分别是信元的源端口的总目的地。
的端口的相应值；设备和应用程序之间定义了命令代码。
为每个可能的操作分配一个代码；控制卡驱动中的应用程序代码
在动态模块和上层应用程序之间预定义。每种可能的应用都分为
匹配一个代码。这些应用包括网络管理、路由维护和硬件维度。
保护和ARP信息获取等。
上层应用程序通过内核调用陷阱(IOCTL)启动控制。
通道操作，同时给出目标设备的物理位置和命令类。
类型代码和应用类型代码。控制卡驱动模块发送这些字母
信息被填入控制单元，然后发送到设备。设备把这些
代码直接复制到反馈单元格中，之后再添加反馈。
信息。控制卡驱动模块为每个应用程序分配一个周期。
Buffer，它根据应用程序类型对收到的反馈进行排队。
中等。上层应用程序从其对应的循环缓冲器中读取反馈。
单元格，然后根据单元格中的物理位置信息，命令代码
可以确定对应于反馈的原始命令，从而可以分析反馈数据。
妥善处理。这样就实现了各种控制功能的控制。
通道的多路复用。如图6所示。
潘登等人:基于通用操作系统453的交换式路由器操作系统的实现
图6控制通信的实现结构
3结论理论
鉴于传统的路由器体系结构和交换式路由器主体
架构、通用操作系统和在其上开发的路由的差异
软件不能直接应用于交换路由器。本文提出了
夹层方案可以有效解决这个问题。对该方案的全面审查
考虑到数据通信和管理维护的要求，它提供了上层。
界面与原模型基本一致，路由软件用在
在不丧失其灵活性和可伸缩性的情况下，它可以直接应用于
在交换式路由器中。尽管该方案仅在特定平台上
它已经在特定的操作系统上实现了，但是不难看出，这
这种思维对操作系统没有特别的依赖，完全有可能。
移植到其他通用操作系统。本文提出的方案已被采用
国家863项目高速边缘实用综合接入系统
在路由器的开发中取得了良好的实用效果。这篇文章是为了国家
高性能路由器的软件开发提出了一种高效快捷的方式。
该方案具有良好的应用前景。
参考资料:
[1 ]李书行se J F，Ro ss KW计算机网络:热门2
以互联网为特色的道恩app roach。一个ddison
W esley Longman出版社，2001。332~ 341.
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计算机系统，2001，8: 943 ~ 945。
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法律出版社，2002年。683~ 685
[ 6 ] Rubini A. L inux设备驱动程序。第二次编辑离子[M ]。
奥赖利出版社，2001。455~ 458
作者简介:潘登(19772)，男，博士研究生，研究方向:互联网。
架构与网络安全，e2mail:mail.ustc.edu.cn潘登；
徐佩霞(19412)，女，教授，博士生导师，研究方向:音视频。
编码，非线性处理，下一代网络。
454数据采集与处理卷18