【正文】 口。因此，基于軟件的流量生成器，其數(shù)據(jù)流線速率依賴于軟件運行的硬件環(huán)境，擴展性差，數(shù)據(jù)包帶寬有限，無法對多端口、高速率的交換機進行性能評估。例如，分布式網(wǎng)絡流量生成器（DITG），使用PC機來模擬實現(xiàn)流量生成器，根據(jù)不同協(xié)議（如TCP，UDP，DNS和VoIP等），用戶可通過多種隨機分布模型來建模數(shù)據(jù)包發(fā)送時間間隔和數(shù)據(jù)包長度，以產(chǎn)生特定流量模型的數(shù)據(jù)流?；谟布膶Ｓ昧髁可善?，根據(jù)被測交換機采用的協(xié)議類型（如TCP/IP等），可以實現(xiàn)不同網(wǎng)絡流量模型下的特定協(xié)議類型的數(shù)據(jù)流，但價格十分昂貴，其價格一般在幾萬到幾十萬美元[1] 。流量生成器用于產(chǎn)生給定交換機性能測試所需的數(shù)據(jù)流，以模擬實際的網(wǎng)絡環(huán)境中的負載流量，其數(shù)據(jù)包速率和數(shù)據(jù)流量特性（如數(shù)據(jù)包發(fā)送時間間隔分布、數(shù)據(jù)包長度分布），在測試交換機系統(tǒng)的性能參數(shù)（如緩存和調度能力）中至關重要。作為SAN的一個鮮明特點，光纖通道(Fibre Channel, FC)技術的高性能、高可靠性、易擴展性等優(yōu)點讓其備受關注。目前的社交應用網(wǎng)絡雖然相較上世紀六七十年代發(fā)展起來的網(wǎng)絡技術，在傳輸速率和傳輸誤碼率等方面都有所改善，但仍難以滿足人們對高質量網(wǎng)絡環(huán)境的需求。伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，隨之而來的是對互聯(lián)網(wǎng)高帶寬嚴格要求。到2017年，視頻將成為客戶因特網(wǎng)的主要流量，網(wǎng)絡技術的改進使媒體信息分享的流量越來越多，包括電影和電視節(jié)目。在2014年《IEEE Spectrum》雜志上，根據(jù)從全球ISP觀察到的數(shù)據(jù)，Cisco預計，8090%的因特網(wǎng)流量將是某種形式的視頻，其他流量則包括由M2M通訊和移動設備產(chǎn)生。同樣2014年的國際電信聯(lián)盟發(fā)布的報告顯示，5年前全球互聯(lián)網(wǎng)用戶僅僅20億，而如今全球約30億人在使用著互聯(lián)網(wǎng)，占據(jù)了全球總人數(shù)的40%。關鍵詞：FC交換機，交換機驗證測試平臺，流量生成器，流量模型IABSTRACTABSTRACTAlong with the development of storage area network(SAN), Fibre Channel(FC) switch gradually step into people39。本文研究設計了一種面向交換機的基于軟硬交互的流量生成器，優(yōu)化了現(xiàn)有的軟件硬件流量生成器，并給出了幾種應用比較廣泛的流量模型。摘要摘 要隨著存儲區(qū)域網(wǎng)絡(Storage Area Network and SAN Protocols, SAN)的發(fā)展，光纖通道(Fibre Channel, FC)交換機逐漸走進人們的視野。流量生成器作為交換機功能驗證性能測試的關鍵模塊也隨之成為研究重點。最后通過Modelsim對流量生成器單元進行功能仿真，并在實驗開發(fā)板上使用流量生成器進行交換機測試，驗證了設計的正確性。s vision. As the key module of verifying swich function,Traffic generator also bee a research focus.This paper designes a switchbased traffic generator with hardware and software interacting,and optimizes the existed software or hardware traffic generator. Several traffic models of extensive applicated are given. Finally,simulate the functions of traffic generator and verification platform with Modelsim, and test the performance parameters of FC switch with verification platform on experimental development board. The result proves the design correctly.Key Word：Fibre Channel Switch, Switch Verification Platform, Traffic Generator, Traffic modelII目錄目 錄第1章 引言 1 課題背景 1 國內外發(fā)展現(xiàn)狀 2 研究意義 3 主要工作和文章結構 4第2章 交換機及流量產(chǎn)生器關鍵技術 5 交換機模塊介紹 5 交換機概述 5 交換單元 7 Crossbar交換結構排隊策略 8 CICQ交換結構的調度算法 9 交換機幀結構 11 交換機相關參數(shù) 11 流量生成器模塊介紹 12 軟件式流量生成器 12 硬件式流量生成器 14 本章小結 15第3章 網(wǎng)絡流量模型研究 16 流量模型概述 16 短相關流量模型 16 長相關流量模型 17 泊松流量模型 17 模型分析 17 模型建立 18 馬爾科夫調制的泊松流量模型 18 模型分析 19 模型建立 20 自相似流量模型 21 自相似概念 22 模型分析 23 模型建立 25 本章小結 26第4章 交換機及驗證平臺架構設計 27 交換機模塊 27 微處理器模塊 29 微處理器配置模塊 29 微處理器控制模塊 30 微處理器軟件控制 30 流量生成器模塊 31 交換機監(jiān)測器模塊 33 延時統(tǒng)計與吞吐率統(tǒng)計模塊 33 本章小結 34第5章 測試與分析 35 模型仿真驗證 35 泊松流量模型驗證 35 馬爾科夫調制的泊松分布模型驗證 36 自相似模型驗證 38 流量生成器功能仿真 39 交換機性能測試 41 延時特性測試 42 吞吐率特性測試 43 本章小結 45第6章 結論 46 工作總結 46 不足與展望 46參考文獻 47致謝 49外文原文 50外文譯文 58III第1章 引言第1章 引言 課題背景2014年的第33次中國互聯(lián)網(wǎng)絡發(fā)展狀況統(tǒng)計報告顯示，%。隨著計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展，人們的生活水平逐漸提高，對生活質量的追求也隨之提升，高清影視和快速網(wǎng)絡瀏覽將是將來網(wǎng)絡生活的必然要求。2012年，全球因特網(wǎng)年流量才528ETB，5年大約增長3倍。從P2P，到CDN，由于根據(jù)流量計價，給ISP極大的壓力?；ヂ?lián)網(wǎng)所承載的文本數(shù)據(jù)、簡單語音視頻等傳統(tǒng)業(yè)務已經(jīng)開始向語音、各種形式的高清視頻（網(wǎng)絡視頻、節(jié)目點播、P2P）、大型3D互聯(lián)網(wǎng)游戲等多媒體方面轉變。在如此之大的流量帶寬需求下，存儲區(qū)域網(wǎng)絡(Storage Area Network and SAN Protocols, SAN)應時而生。光纖通道是一種高性能的通信協(xié)議，它具有三種拓撲結構：點對點、仲裁環(huán)、交換機，交換機則是其中最為復雜的拓撲結構，作為網(wǎng)絡中繼設備，F(xiàn)C交換機是構建光纖通道網(wǎng)絡的必需設備。然而目前用于FC交換機驗證的網(wǎng)絡流量產(chǎn)生器，大多是基于硬件的專用流量生成器或基于軟件的流量生成器。基于軟件的流量生成器，可以配置為不同協(xié)議類型，靈活配置各種網(wǎng)絡流量模型。但是該流量生成器能達到的數(shù)據(jù)流線速率僅為611Mbps。 國內外發(fā)展現(xiàn)狀FC交換機技術就目前來看已經(jīng)比較成熟，一般能夠實現(xiàn)Gbps量級的高速數(shù)據(jù)交換。另外IBM、McDATA公司也都是FC交換機的重點研究公司。研究機構以學術、科研單位為主，華中科技大學、電子科技大學、北京郵電大學等理工科院校在近幾年內先后開始了對光纖通道的深入研究。在產(chǎn)業(yè)界，主要以代理銷售國外公司的產(chǎn)品為主，華為技術有限公司已經(jīng)開始在存儲網(wǎng)絡解決方案上試水光纖通道產(chǎn)品，具有良好的發(fā)展前景?；谲浖牧髁可善鲃t有許多種，且大多以開源為主。目前比較主流的流量生成器大多為國外所研究，如：Paul 等人研究開發(fā)了 TG（traffic generator），這種流量發(fā)生器支持 TCP 和 UDP 兩種協(xié)議應用程序的測試，而且支持多播，可以設置 TTL，QoS，ToS 等一些網(wǎng)絡參數(shù)，它的缺點是不能產(chǎn)生多重數(shù)據(jù)流，而且流量模型比較簡單；Vinay Ribeiro 等人研究開發(fā)了泊松流量發(fā)生器（Poisson_gen），這種流量發(fā)生器只能產(chǎn)生泊松模型的數(shù)據(jù)流；Joel 等人研究開發(fā)了 harpoon 流量發(fā)生器，它是一種功能比較完善的流量發(fā)生器，可以通過選擇具有重尾分布大小的文件和 ON/OFF 傳輸模型產(chǎn)生自相似流量，它的缺點的是對 VoIP 等一些語音業(yè)務以及視頻業(yè)務模擬不夠，并且沒有日志記錄，不便于信息統(tǒng)計；Scapy 流量發(fā)生器是一個互動的包操作程序，它可以偽造和解碼大多數(shù)協(xié)議的數(shù)據(jù)包，然后相應的發(fā)送包、請求包、應答包或者捕捉包。 研究意義FC交換機作為光纖網(wǎng)絡的中繼設備，在光纖通道網(wǎng)絡中扮演著不可或缺的角色。此外，在航電系統(tǒng)領域，F(xiàn)C交換網(wǎng)絡可以在數(shù)據(jù)傳輸速度、延遲、抗干擾等方面有質的提升，推進我國在該領域的進步。而現(xiàn)有的交換機驗證的流量生成器要么價格昂貴不適合開發(fā)測試，要么擴展性低過于依賴硬件環(huán)境。因此長期深入的設計研究流量生成器并合理運用于FC交換機的測試和驗證，進行具有自主知識產(chǎn)權的核心技術研究，能夠對我國的網(wǎng)絡方面帶來巨大的優(yōu)勢，是我國走科技強國的必經(jīng)之路。本論文的章節(jié)組織如下：第一章簡要介紹了本課題的選題背景依據(jù)、國內外研究現(xiàn)狀、研究意義和論文的主要內容。第三章則是對軟件平臺上的網(wǎng)絡流量模型的建立進行介紹，實現(xiàn)泊松流量模型、馬爾科夫調制的泊松流量模型以及自相似流量模型。第五章對網(wǎng)絡流量模型進行模型仿真驗證，然后對流量生成器進行測試，最后對FC交換機進行驗證測試。65第2章 交換機及流量產(chǎn)生器關鍵技術第2章 交換機及流量產(chǎn)生器關鍵技術在研究設計整個面向交換機驗證的流量生成器硬件系統(tǒng)之前，我們必須要對交換機和流量生成器的相關知識做出介紹，并對系統(tǒng)組成的關鍵技術有一點的了解。 交換機模塊介紹 交換機概述交換機作為網(wǎng)絡中繼設備，是搭建互聯(lián)網(wǎng)的核心組成部分，其性能也直接影響網(wǎng)絡服務的質量。第一代交換機采用計算機的架構，采用集中式處理器和存儲器進行IP查找、校驗、計算和分組交換等操作，如圖21所示。圖21 第一代交換機架構如圖22所示，第二代交換機增強了線卡的功能，將IP地址查詢、檢查和更新查找表、檢查計算校驗等功能集成到線卡，而線卡使用獨立的處理器來完成相應操作，分組存儲交換仍使用集中式的處理器和存儲器。圖22 第二代交換機架構第三代交換機的交換架構如圖23所示，使用交換矩陣（Switch Fabric）進行分組交換，并在線卡上增加獨立的緩沖器以暫存不能被轉發(fā)的數(shù)據(jù)包。經(jīng)過長期發(fā)展，在排隊方式和調度算法上都有很大進步，因而第三代交換機架構被廣泛應用于商用交換機中。圖24 第四代交換機的交換架構第四代交換機以多機柜的形式出現(xiàn)，其組成形式如圖24所示。交換矩陣是第三代交換機的基礎，也是現(xiàn)代交換機的核心技術。 交換單元FC交換機在功能上主要由線卡、控制器和交換單元組成，F(xiàn)C交換單元是FC交換機的核心組織結構，其性能直接決定著FC交換機的整體性能。 Crossbar交換結構，又被稱為縱橫是交換矩陣或交叉開關矩陣，現(xiàn)在較為廣泛的用來構建不同的交換結構，Corssbar交換結構是典型的空分交換結構（SpaceDivision Switching，SDS）[3] ，空分交換結構的特點是多對輸入端口和多對輸出端口之間有多條通路可用，當內部無阻塞時，不同的輸入端口和輸出端口之間可以同時地進行數(shù)據(jù)包傳輸。圖25 Crossbar交換結構如圖25所示，是一個規(guī)模為N端口交換機的Crossbar交換結構。N端口交換機的Crossbar交換結構有N個輸入端口，記為i（），輸出端口記為j（），交叉點開關記為。 Crossbar交換結構排隊策略在實際的交換機設計中，Crossbar交換結構一般會加入一定數(shù)量的緩存作為數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)，用來暫存還未能被及時處理的數(shù)據(jù)包。輸入及交叉點聯(lián)合排隊也就是在傳統(tǒng)的crossbar的每一個交叉點上設置一定數(shù)量的緩存，使交換結構的每個輸入端口和輸出端口可以相互獨立的進行各種操作，避免集中式調度。CICQ結構可以使用分布式調度，分布式調度的輸入端口之間的調度是獨立的，可以異步執(zhí)行，互相不影響。并且CICQ結構支持變長分組處理，可以避免其他額外的開銷，不需要內部加速比，其在無加速比的情況下延時性能也是也比其他結構更好或者相當。如圖26所示，輸入及交叉點聯(lián)合排隊交換結構在每個Crossbar交叉點開關設置有少量的數(shù)據(jù)包緩存，是一種帶緩存的Crossbar結構，也稱為buffered Crossbar。采用CICQ交換結構的交換單元，由于加入了Crossbar內部交叉點緩存，交叉點緩存隊列擁有獨立的輸入端口和輸出端口，并且兩個端口可以進行異步讀寫操作，因此輸入端口到交叉點緩存的輸入調度和交叉點緩存到輸出端口的輸出調度相互分離。CICQ交換結構中，每個輸入端口和每個輸出端口都有自己的調度器，執(zhí)行不同的調度算法。輸出調度器則被設置在交叉點緩存和輸出端口之間，負責檢測有效的交叉點緩存和輸出端口的數(shù)據(jù)通路，并按照輸出調度算法在有效的輸出通路之間選擇一個建立起輸出傳輸鏈路，將交叉點緩存的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)捷敵龆丝?。常用的算法有：RR（Round Robin）算法、LQF（Longest Queue First）算法、LQD（Longest Queue Detecting）算法、OCF（Oldest Cell First）算法以及MCBF(Most Critical Buffer First)算法。Yoshigo對每個交叉點設置一個數(shù)據(jù)包緩存的Crossbar交換結構采用RR算