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路由器公平排隊仿真模型研究與實現(xiàn)

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1　引　言
寬帶網(wǎng)絡的發(fā)展要求一個通信網(wǎng)絡要能同時支持多種不同的業(yè)務特性的流量 ， 也即能提供不同的服務質(zhì)量保證 ， 具體表現(xiàn)在滿足帶寬、時延、時延抖動等方面的不同需求 。因此網(wǎng)絡本身必須具有提供不同服務質(zhì)量的能力 ， 其中 ， 分組公平隊列調(diào)度算法是提供服務質(zhì)量保證的重要機制之一 。近年來 ， 基于GPS（Generalized Processor Share）［1］的分組公平排隊調(diào)度算法得到了廣泛的研究 ， 其中最重要的是WFQ［2］ 。WFQ考慮的不定長度分組的排隊和調(diào)度 ， 因此 ， 對WFQ的仿真通常使用事件驅(qū)動的方式 ， 模型需要維護的信息量大 ， 開銷較大 。另外 ， 對硬件的實現(xiàn)也是一種挑戰(zhàn) 。
但在當今許多高速路由器／交換機中 ， 為了提高傳輸效率 ， 通常采用定長交換技術 ， 處理數(shù)據(jù)單元為固定長度的“信元” 。對于不同長度的IP分組 ， 可以在交換前劃分成信元 ， 在輸出端重組后再發(fā)送到鏈路上去 。那么 ， 基于固定長度的信元排隊和調(diào)度的WFQ的實現(xiàn)也隨之而來 ， 這也是WFQ的一種特例 。在這種情況下 ， 固然可以采用事件驅(qū)動的方式來仿真WFQ ， 但本文提出了一種更有效的仿真模型 ， 他利用了信元輸出時間固定的特性 ， 采用固定時間驅(qū)動的方式 ， 從而簡化了仿真流程和減小了系統(tǒng)開銷 。此外 ， 對硬件的設計和實現(xiàn)也有指導意義 。
本文提出WFQ的仿真模型簡單、高效 ， 在研究單個交換節(jié)點的性能時 ， 為研究者提供了一種仿真工具 。本文主要對基于信元排隊的WFQ進行了建模和仿真 ， 并從帶寬分配的公平性方面與FIFO（許多路由器／交換機采用仍采用的排隊方式）進行了性能比較 ， 仿真結(jié)果表明基于信元排隊的WFQ適用于高速路由器／交換機中 。
2　基于信元排隊的WFQ
在提出仿真模型之前 ， 首先介紹WFQ和基于信元排隊的WFQ ， 這是模型建立的理論基礎和模型實現(xiàn)中的要害部分 。因此 ， 單獨提出并做簡單介紹 。
文獻［2］定義的WFQ基于：
（1）系統(tǒng)維持一個全局函數(shù)V（t） ， 稱為系統(tǒng)虛時間函數(shù) ， 用以記錄WFQ已經(jīng)提供的服務量 。V（t）也就是GPS系統(tǒng)中系統(tǒng)虛時間 。WFQ利用系統(tǒng)虛時間函數(shù)為每個分組計算其相應的開始時間標簽和完成時間 標簽如式（1）所示：
　
　
φi表示賦予會話i的任一正實數(shù) ， 這里可以理解為會話i預約的歸一化帶寬ri 。其中系統(tǒng)虛時間的維護是WFQ實現(xiàn)的要害 ， 按文獻［2］中的實現(xiàn)方法 ， V（t）更新的時刻不固定 ， 隨時都有可能必須使用事件驅(qū)動的方式實現(xiàn) 。
（2）執(zhí)行分組選擇策略 ， WFQ遵循最小完成時間標簽優(yōu)選（SFF ， Smallest Finishing time First） 。
基于信元排隊的WFQ與分組WFQ的不同可歸結(jié)于：
①信元長度固定 ， 調(diào)度事件發(fā)生間隔固定 。
②系統(tǒng)虛時間可以在每次調(diào)度時更新 。
其中②依據(jù)①和文獻［4］中的結(jié)論 ， 這充分利用了信元輸出時間固定的特點 。文獻［4］介紹了一種只在分組離開時更新V（t）的方法 ， 而信元輸出的時刻是固定的并且間隔相等 ， 那么對于基于信元的WFQ ， 我們只需要在間隔相等的固定時刻采用文獻［3］的技術就可以實現(xiàn) 。
3　模型建立
根據(jù)以上的分析 ， 仿真模型采用簡單的固定時間驅(qū)動的方法實現(xiàn) 。模型建立的幾點假設［3］：
（1）一個信元傳輸?shù)臅r間稱為一個時隙 。
（2）各輸入端信元的到達過程相互獨立 。
（3）信元只在每個時隙開始時到達 ， 輸出隊列容量足夠大 。
（4）模型建立和仿真研究都基于單播數(shù)據(jù)流 。一個具有N個輸入／輸出端口的WFQ模型的框圖如圖1所示 。

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