流調度模型A-Flow的設計

1.1 主動網中傳統的數據包調度策略及其改善
在主動網中，每個節點都會處理帶有程序的數據包。對輸入數據包的處理，由于以下兩個原因不利于資源管理：1) 當收到數據包時，處理中斷所需的時間不能強加給任何應用，因為數據包的目的地址是未知的，需要檢查數據包的內容來確定；2) 接收數據包所需的內存不能立即計算、分配。
對這類問題傳統的解決方法是，盡量簡化對無效數據包的處理。為此，數據包的處理過程分成兩個步驟：包分類和后繼協議處理。包分類主要是決定數據包的接收者，其思想主要體現在協議分層上：協議棧的某一層使用本層頭部的一個域來決定數據包送往上層的哪個協議。后繼協議處理則側重于對接受者的資源控制，網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據包的處理上而導致的網絡吞吐率嚴重下降的問題(尤其在網絡過載的情況下)[2]。
LRP是在內核空間用C語言實現的，且僅限于對傳統IP包的處理。為了同時調度主動包及傳統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網絡技術之上采用Java語言在用戶模式實現的A-Flow模型，它為每個主動數據流分配一個流隊列，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據包的處理時間。

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)采用對數據流注冊的方法，可以屏蔽底層網絡傳輸技術對上層主動計算功能的影響；流處理器(Flow Processor)實現對數據包的緩存、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)用于數據包緩存，流調度接口(Flow Dispatcher)聲明調度函數原型，流調度器(ANEPDispatcher)則負責將數據包調往正確的流。以下是各主要模塊的實現：

圖1 流調度模型A-Flow

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

2) 流調度器
一個實現Dispatcher接口的類ANEPDispatcher可以完成對輸入數據流的識別與分發。其算法比較簡單：
首先查看Buffer中的主動網標識符(ANid)。
如果該ANid已經在某個EE的Flow Dispatcher中注冊，則將此Buffer發往該Flow。
如果一個ANid沒有注冊并且未設置Discard位(其值由ANEP數據包頭部的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) 數據包緩存。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)。后者用來存放已經接收但尚未投遞的數據包。除非有空閑隊列可用，否則不能緩存數據包。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相關聯的。因此，分發到某個Processor的所有數據包的凈荷也同樣要分發到跟它相關聯的Dispatcher處，從而實現協議分層。調度之前，Processor會將自己的頭長度加到調度的偏移量上。(3) 數據包認證。Processor必須能夠識別某個數據包是否屬于某個流。這可以通過分析它所攜帶的數據來完成。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空間已經用完，即未給予Processor以足夠的內存。這時，直接丟棄該數據包即可，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Buffer“交換”。這樣，包含數據的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中注冊Flow Processor。它提供了直接訪問設備的方法，或訪問現有的協議棧，比如IPv4/UDP協議。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
拷貝數據包是Dispatcher不能完成的操作之一。因為一個數據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據備份。第一個接收包的Processor將它的freeBuffers跟收到數據包的系統Buffer進行交換，這個Buffer中帶有實際的數據，稱為原始Buffer(originalBuffer)。其余的Processor也會進行同樣的操作，但得到的Buffer中不包含實際數據，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據。分兩種情況：1) 對于dependentBuffer，需先將原始數據拷貝到它的內存中，然后才能將該Buffer從鏈表中刪除；2) 對于originalBuffer，則需先拷貝數據到第一個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需要發往多個目的地時，可以避免進行大量實際的數據拷貝。

主動網流調度模型A-Flow的研究