流調度模型A-Flow的設計

流調度模型A-Flow的設計

1.1 主動網(wǎng)中傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)包調度策略及其改善
在主動網(wǎng)中，每個節(jié)點都會處理帶有程序的數(shù)據(jù)包。對輸入數(shù)據(jù)包的處理，由于以下兩個原因不利于資源管理：1) 當收到數(shù)據(jù)包時，處理中斷所需的時間不能強加給任何應用，因為數(shù)據(jù)包的目的地址是未知的，需要檢查數(shù)據(jù)包的內容來確定；2) 接收數(shù)據(jù)包所需的內存不能立即計算、分配。
對這類問題傳統(tǒng)的解決方法是，盡量簡化對無效數(shù)據(jù)包的處理。為此，數(shù)據(jù)包的處理過程分成兩個步驟：包分類和后繼協(xié)議處理。包分類主要是決定數(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域來決定數(shù)據(jù)包送往上層的哪個協(xié)議。后繼協(xié)議處理則側重于對接受者的資源控制，網(wǎng)絡包的延遲處理技術LRP就是為了解決太多時間花在那些最終需要丟棄的數(shù)據(jù)包的處理上而導致的網(wǎng)絡吞吐率嚴重下降的問題(尤其在網(wǎng)絡過載的情況下)[2]。
LRP是在內核空間用C語言實現(xiàn)的，且僅限于對傳統(tǒng)IP包的處理。為了同時調度主動包及傳統(tǒng)IP包，且從移動代碼的安全性考慮，本文提出一個架構于傳統(tǒng)網(wǎng)絡技術之上采用Java語言在用戶模式實現(xiàn)的A-Flow模型，它為每個主動數(shù)據(jù)流分配一個流隊列，與上層EE相關的主動包將直接遞交給上層進行計算處理，其他主動包則交給默認流處理，這樣可以大大減少對無效數(shù)據(jù)包的處理時間。

1.2 A-Flow主要模塊設計
在A-Flow模型中如圖1所示，流管理器(Flow Manager)采用對數(shù)據(jù)流注冊的方法，可以屏蔽底層網(wǎng)絡傳輸技術對上層主動計算功能的影響；流處理器(Flow Processor)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)包的緩存、認證及凈荷調度等核心功能。其他輔助類包括流緩沖隊列(Flow Buffer)用于數(shù)據(jù)包緩存，流調度接口(Flow Dispatcher)聲明調度函數(shù)原型，流調度器(ANEPDispatcher)則負責將數(shù)據(jù)包調往正確的流。以下是各主要模塊的實現(xiàn)：

圖1 流調度模型A-Flow

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

2) 流調度器
一個實現(xiàn)Dispatcher接口的類ANEPDispatcher可以完成對輸入數(shù)據(jù)流的識別與分發(fā)。其算法比較簡單：
首先查看Buffer中的主動網(wǎng)標識符(ANid)。
如果該ANid已經(jīng)在某個EE的Flow Dispatcher中注冊，則將此Buffer發(fā)往該Flow。
如果一個ANid沒有注冊并且未設置Discard位(其值由ANEP數(shù)據(jù)包頭部的Flags域標識)，則調度此Buffer到默認Flow。
否則，丟棄該Buffer。

3) 流處理器
這是A-Flow模型的核心類，它有三個功能：(1) 數(shù)據(jù)包緩存。每個流中都有兩個隊列：一個是空閑隊列(freeBuffers)，另一個是已用隊列(usedBuffers)。后者用來存放已經(jīng)接收但尚未投遞的數(shù)據(jù)包。除非有空閑隊列可用，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) 凈荷調度。一個Processor和另一個Dispatcher相關聯(lián)的。因此，分發(fā)到某個Processor的所有數(shù)據(jù)包的凈荷也同樣要分發(fā)到跟它相關聯(lián)的Dispatcher處，從而實現(xiàn)協(xié)議分層。調度之前，Processor會將自己的頭長度加到調度的偏移量上。(3) 數(shù)據(jù)包認證。Processor必須能夠識別某個數(shù)據(jù)包是否屬于某個流。這可以通過分析它所攜帶的數(shù)據(jù)來完成。Processor是通過下面的過程來完成對輸入流的調度工作的。首先，Processor檢查它的freeBuffers隊列是否為空。若為空，則說明這個Flow的Buffer空間已經(jīng)用完，即未給予Processor以足夠的內存。這時，直接丟棄該數(shù)據(jù)包即可，無需進行額外的處理。若不為空，則將Buffer從隊列中取出，并與調度路徑中的系統(tǒng)Buffer“交換”。這樣，包含數(shù)據(jù)的Buffer就被插入Processor的接收隊列中。

4) 流管理器
該類提供了一套方法以在系統(tǒng)中注冊Flow Processor。它提供了直接訪問設備的方法，或訪問現(xiàn)有的協(xié)議棧，比如IPv4/UDP協(xié)議。下面是一個注冊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) 流緩沖隊列
拷貝數(shù)據(jù)包是Dispatcher不能完成的操作之一。因為一個數(shù)據(jù)包有可能被傳給多個Flow Processor進行處理，所以要求有它自己的可寫的數(shù)據(jù)備份。第一個接收包的Processor將它的freeBuffers跟收到數(shù)據(jù)包的系統(tǒng)Buffer進行交換，這個Buffer中帶有實際的數(shù)據(jù)，稱為原始Buffer(originalBuffer)。其余的Processor也會進行同樣的操作，但得到的Buffer中不包含實際數(shù)據(jù)，稱之為從屬Buffer(dependentBuffer)。originalBuffer與dependentBuffer之間通過鏈表連接起來。
當在一個Buffer上進行寫操作或匹配操作時，必須先將它聲明為“independent”，指的是：將它從鏈表中移出，必要的話還需拷貝數(shù)據(jù)。分兩種情況：1) 對于dependentBuffer，需先將原始數(shù)據(jù)拷貝到它的內存中，然后才能將該Buffer從鏈表中刪除；2) 對于originalBuffer，則需先拷貝數(shù)據(jù)到第一個dependentBuffer，并將它聲明為余下Buffer的originalBuffer。將Buffer設置為相關鏈表的目的是，當一個Buffer需要發(fā)往多個目的地時，可以避免進行大量實際的數(shù)據(jù)拷貝。

主動網(wǎng)流調度模型A-Flow的研究