流調(diào)度模型A-Flow的設(shè)計(jì)

1.1 主動(dòng)網(wǎng)中傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)包調(diào)度策略及其改善
在主動(dòng)網(wǎng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)處理帶有程序的數(shù)據(jù)包。對(duì)輸入數(shù)據(jù)包的處理，由于以下兩個(gè)原因不利于資源管理：1) 當(dāng)收到數(shù)據(jù)包時(shí)，處理中斷所需的時(shí)間不能強(qiáng)加給任何應(yīng)用，因?yàn)閿?shù)據(jù)包的目的地址是未知的，需要檢查數(shù)據(jù)包的內(nèi)容來(lái)確定；2) 接收數(shù)據(jù)包所需的內(nèi)存不能立即計(jì)算、分配。
對(duì)這類(lèi)問(wèn)題傳統(tǒng)的解決方法是，盡量簡(jiǎn)化對(duì)無(wú)效數(shù)據(jù)包的處理。為此，數(shù)據(jù)包的處理過(guò)程分成兩個(gè)步驟：包分類(lèi)和后繼協(xié)議處理。包分類(lèi)主要是決定數(shù)據(jù)包的接收者，其思想主要體現(xiàn)在協(xié)議分層上：協(xié)議棧的某一層使用本層頭部的一個(gè)域來(lái)決定數(shù)據(jù)包送往上層的哪個(gè)協(xié)議。后繼協(xié)議處理則側(cè)重于對(duì)接受者的資源控制，網(wǎng)絡(luò)包的延遲處理技術(shù)LRP就是為了解決太多時(shí)間花在那些最終需要丟棄的數(shù)據(jù)包的處理上而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)吞吐率嚴(yán)重下降的問(wèn)題(尤其在網(wǎng)絡(luò)過(guò)載的情況下)[2]。
LRP是在內(nèi)核空間用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，且僅限于對(duì)傳統(tǒng)IP包的處理。為了同時(shí)調(diào)度主動(dòng)包及傳統(tǒng)IP包，且從移動(dòng)代碼的安全性考慮，本文提出一個(gè)架構(gòu)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之上采用Java語(yǔ)言在用戶(hù)模式實(shí)現(xiàn)的A-Flow模型，它為每個(gè)主動(dòng)數(shù)據(jù)流分配一個(gè)流隊(duì)列，與上層EE相關(guān)的主動(dòng)包將直接遞交給上層進(jìn)行計(jì)算處理，其他主動(dòng)包則交給默認(rèn)流處理，這樣可以大大減少對(duì)無(wú)效數(shù)據(jù)包的處理時(shí)間。

1.2 A-Flow主要模塊設(shè)計(jì)
在A-Flow模型中如圖1所示，流管理器(Flow Manager)采用對(duì)數(shù)據(jù)流注冊(cè)的方法，可以屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)對(duì)上層主動(dòng)計(jì)算功能的影響；流處理器(Flow Processor)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)包的緩存、認(rèn)證及凈荷調(diào)度等核心功能。其他輔助類(lèi)包括流緩沖隊(duì)列(Flow Buffer)用于數(shù)據(jù)包緩存，流調(diào)度接口(Flow Dispatcher)聲明調(diào)度函數(shù)原型，流調(diào)度器(ANEPDispatcher)則負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)包調(diào)往正確的流。以下是各主要模塊的實(shí)現(xiàn)：

圖1 流調(diào)度模型A-Flow

1) 流調(diào)度接口
首先，需要定義Dispatcher接口以調(diào)度輸入數(shù)據(jù)包，該接口聲明了一個(gè)抽象函數(shù)dispatchBuffer()。一個(gè)Dispatcher或者緩存一個(gè)數(shù)據(jù)包，或者指向另一個(gè)緩存該數(shù)據(jù)包的Dispatcher。

2) 流調(diào)度器
一個(gè)實(shí)現(xiàn)Dispatcher接口的類(lèi)ANEPDispatcher可以完成對(duì)輸入數(shù)據(jù)流的識(shí)別與分發(fā)。其算法比較簡(jiǎn)單：
首先查看Buffer中的主動(dòng)網(wǎng)標(biāo)識(shí)符(ANid)。
如果該ANid已經(jīng)在某個(gè)EE的Flow Dispatcher中注冊(cè)，則將此Buffer發(fā)往該Flow。
如果一個(gè)ANid沒(méi)有注冊(cè)并且未設(shè)置Discard位(其值由ANEP數(shù)據(jù)包頭部的Flags域標(biāo)識(shí))，則調(diào)度此Buffer到默認(rèn)Flow。
否則，丟棄該Buffer。

3) 流處理器
這是A-Flow模型的核心類(lèi)，它有三個(gè)功能：(1) 數(shù)據(jù)包緩存。每個(gè)流中都有兩個(gè)隊(duì)列：一個(gè)是空閑隊(duì)列(freeBuffers)，另一個(gè)是已用隊(duì)列(usedBuffers)。后者用來(lái)存放已經(jīng)接收但尚未投遞的數(shù)據(jù)包。除非有空閑隊(duì)列可用，否則不能緩存數(shù)據(jù)包。使用者必須保證有足夠的緩存可使用。(2) 凈荷調(diào)度。一個(gè)Processor和另一個(gè)Dispatcher相關(guān)聯(lián)的。因此，分發(fā)到某個(gè)Processor的所有數(shù)據(jù)包的凈荷也同樣要分發(fā)到跟它相關(guān)聯(lián)的Dispatcher處，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)議分層。調(diào)度之前，Processor會(huì)將自己的頭長(zhǎng)度加到調(diào)度的偏移量上。(3) 數(shù)據(jù)包認(rèn)證。Processor必須能夠識(shí)別某個(gè)數(shù)據(jù)包是否屬于某個(gè)流。這可以通過(guò)分析它所攜帶的數(shù)據(jù)來(lái)完成。Processor是通過(guò)下面的過(guò)程來(lái)完成對(duì)輸入流的調(diào)度工作的。首先，Processor檢查它的freeBuffers隊(duì)列是否為空。若為空，則說(shuō)明這個(gè)Flow的Buffer空間已經(jīng)用完，即未給予Processor以足夠的內(nèi)存。這時(shí)，直接丟棄該數(shù)據(jù)包即可，無(wú)需進(jìn)行額外的處理。若不為空，則將Buffer從隊(duì)列中取出，并與調(diào)度路徑中的系統(tǒng)Buffer“交換”。這樣，包含數(shù)據(jù)的Buffer就被插入Processor的接收隊(duì)列中。

4) 流管理器
該類(lèi)提供了一套方法以在系統(tǒng)中注冊(cè)Flow Processor。它提供了直接訪(fǎng)問(wèn)設(shè)備的方法，或訪(fǎng)問(wèn)現(xiàn)有的協(xié)議棧，比如IPv4/UDP協(xié)議。下面是一個(gè)注冊(cè)UDP流的例子：
Initialization:
private Hashtable udpFlows = new Hashtable();
Register Flow module : registerUDPFlow(int port, FlowDispatcher fd)
Integer udpPort = new Integer(port);
UDPFlow udpFlow = (UDPFlow)udpFlows.get(udpPort);
if (udpFlow == NULL) then
udpFlow = new UDPFlow(port, fd);
udpFlows.put(udpPort, udpFlow);

5) 流緩沖隊(duì)列
拷貝數(shù)據(jù)包是Dispatcher不能完成的操作之一。因?yàn)橐粋€(gè)數(shù)據(jù)包有可能被傳給多個(gè)Flow Processor進(jìn)行處理，所以要求有它自己的可寫(xiě)的數(shù)據(jù)備份。第一個(gè)接收包的Processor將它的freeBuffers跟收到數(shù)據(jù)包的系統(tǒng)Buffer進(jìn)行交換，這個(gè)Buffer中帶有實(shí)際的數(shù)據(jù)，稱(chēng)為原始Buffer(originalBuffer)。其余的Processor也會(huì)進(jìn)行同樣的操作，但得到的Buffer中不包含實(shí)際數(shù)據(jù)，稱(chēng)之為從屬Buffer(dependentBuffer)。originalBuffer與dependentBuffer之間通過(guò)鏈表連接起來(lái)。
當(dāng)在一個(gè)Buffer上進(jìn)行寫(xiě)操作或匹配操作時(shí)，必須先將它聲明為“independent”，指的是：將它從鏈表中移出，必要的話(huà)還需拷貝數(shù)據(jù)。分兩種情況：1) 對(duì)于dependentBuffer，需先將原始數(shù)據(jù)拷貝到它的內(nèi)存中，然后才能將該Buffer從鏈表中刪除；2) 對(duì)于originalBuffer，則需先拷貝數(shù)據(jù)到第一個(gè)dependentBuffer，并將它聲明為余下Buffer的originalBuffer。將Buffer設(shè)置為相關(guān)鏈表的目的是，當(dāng)一個(gè)Buffer需要發(fā)往多個(gè)目的地時(shí)，可以避免進(jìn)行大量實(shí)際的數(shù)據(jù)拷貝。

主動(dòng)網(wǎng)流調(diào)度模型A-Flow的研究