路由器操作系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、近年來(lái)，因特網(wǎng)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但我國(guó)的數(shù)據(jù)類(lèi)通信產(chǎn)業(yè)還處在方興未艾的階段，這也給了中國(guó)的產(chǎn)業(yè)界一個(gè)很好的發(fā)展契機(jī)。我們要研制具有自主產(chǎn)權(quán)的2600系列和3600系列低端路由器正是在這種條件下提出來(lái)的。 本文的主要研究是路由器的一個(gè)很重要的方面：路由器操作系統(tǒng)。我們所采用的操作系統(tǒng)原型是具有開(kāi)放源代碼的Linux。由于現(xiàn)有的Linux具有與作為路由器操作不相適應(yīng)的方面，我們需要對(duì)其進(jìn)行有針對(duì)性的改造。我們根據(jù)以小區(qū)為代表的接

2、入應(yīng)用環(huán)境，提出了實(shí)時(shí)應(yīng)用與非實(shí)時(shí)應(yīng)用并存的操作系統(tǒng)模型。我們認(rèn)為，作為接入設(shè)備，我們的路由器不但應(yīng)該要提高它的包吞吐率，而且還應(yīng)該具有一定的接入控制能力。這樣，改造后的Linux應(yīng)該不但應(yīng)該能支持實(shí)時(shí)性、解決嚴(yán)重限制了短包轉(zhuǎn)發(fā)率的活鎖問(wèn)題，還應(yīng)該能提供一定的QoS保障。 目前的Linux內(nèi)核是不可搶占的，不能很好地支持實(shí)時(shí)性。目前已經(jīng)存在若干Linux實(shí)時(shí)變種，其中要以Rtlinux和RTAI的雙內(nèi)核機(jī)制做得最好。但是這種機(jī)制

3、具有與生俱來(lái)的移植性差和執(zhí)行環(huán)境比較脆弱等缺陷，我們決定采用內(nèi)核完全搶占化的技術(shù)。我們采用這種完全搶占化的理論基礎(chǔ)是，Linux的SMP版本中被旋轉(zhuǎn)鎖保護(hù)起來(lái)的代碼是不可重入的，其余的代碼都是可重入的。我們將這種旋轉(zhuǎn)鎖改造成為一種僅具有一個(gè)信號(hào)量的睡眠鎖，使得這些不可重入?yún)^(qū)具有重入性，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)Linux內(nèi)核的搶占化。為了配合這種改造的完成以及有效地克服活鎖問(wèn)題，我們還對(duì)中斷處理進(jìn)行了線程化。 對(duì)Linux現(xiàn)有進(jìn)程調(diào)度機(jī)制的改造

4、也是支持實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)一個(gè)很重要的方面。目前Linux的調(diào)度機(jī)制基于時(shí)期(epoch)的定期更新優(yōu)先級(jí)的方法，具有多方面的局限性。對(duì)于這種情況，我們提出了等級(jí)的優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，將所有的進(jìn)程分為中斷任務(wù)、實(shí)時(shí)任務(wù)和普通任務(wù)三個(gè)等級(jí)，中斷任務(wù)具有最高的優(yōu)先級(jí)，普通任務(wù)具有最低的優(yōu)先級(jí)，每個(gè)等級(jí)具有自己的調(diào)度算法。中斷任務(wù)等級(jí)采用的是基于線程池、優(yōu)先級(jí)相對(duì)固定的算法，能有效地克服活鎖問(wèn)題，也能提供一定的QoS保障；實(shí)時(shí)任務(wù)等級(jí)采用的是基

5、于固定優(yōu)先級(jí)的RMA算法；普通任務(wù)等級(jí)則采用基于調(diào)度表、以公平性為目的調(diào)度算法，能有效克服Linux基于時(shí)期(epoch)的調(diào)度方法所帶來(lái)的問(wèn)題。 死鎖問(wèn)題和優(yōu)先級(jí)倒置的問(wèn)題是我們?cè)趯?duì)Linux內(nèi)核改造中遇到的兩個(gè)很重要的問(wèn)題。對(duì)于死鎖問(wèn)題，我們采用了相對(duì)簡(jiǎn)單的基于資源順序使用的方法；對(duì)于優(yōu)先級(jí)倒置問(wèn)題，我們則采用了優(yōu)先級(jí)繼承的方法。通過(guò)這兩種方法，有效地克服了死鎖問(wèn)題和優(yōu)先級(jí)倒置問(wèn)題。 本文還對(duì)Linux基于頁(yè)面機(jī)制的