單Linux電信基站軟件解決方案

自從1991年Linux第一次面世以來，任何人也不會想到這個不起眼的操作系統(tǒng)現(xiàn)在會應(yīng)用得如此廣泛。無論是從嵌入式領(lǐng)域的智能手機(jī)到大型計算服務(wù)器都可以找到它的身影，而且無論什么工作它都完成得非常出色，因為Linux的開放性決定了其自身可以根據(jù)使用領(lǐng)域而高度定制。作為一個開源軟件，當(dāng)前業(yè)界的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可以最快地支持任何剛發(fā)布的硬件產(chǎn)品。同時，被世界各地的商業(yè)公司和志愿者一起參與開發(fā)和測試，它也變成了十分穩(wěn)定的操作系統(tǒng)之一。

Linux的設(shè)計原則決定了它的無所不能，但是對于特定領(lǐng)域它并不是最優(yōu)的解決方案。同樣對于嵌入式電信領(lǐng)域來說，為了追求滿足電信領(lǐng)域的高實時性和高吞吐量要求，大家一般都采用傳統(tǒng)的RTOS+Linux+運(yùn)行環(huán)境。

在傳統(tǒng)架構(gòu)中(參見圖1)，數(shù)據(jù)面處理采用RTOS+CPU/DSP方式，主要處理底層協(xié)議數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，通過RTOS的高實時性及多核CPU/DSP來達(dá)到性能需求。Linux自身的實時性較差，但是比較適合于高負(fù)載的復(fù)雜協(xié)議處理，因此一般用于完成用戶控制平面協(xié)議的處理和IP轉(zhuǎn)發(fā)等功能。這個方案在性能上可以保證電信產(chǎn)品的使用需求，但系統(tǒng)中存在多個處理器和多個不同操作系統(tǒng)平臺，對于用戶的維護(hù)和后續(xù)升級管理帶來很大負(fù)擔(dān)，同時也無法滿足當(dāng)前的低成本和低功耗要求。

圖1:典型的電信基站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

隨著近年來處理器硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，處理器的能力越來越強(qiáng)，多核平臺已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在電信領(lǐng)域，尤其是在ARM公司將 Cortex A15引入電信基站領(lǐng)域后，整合單芯片解決方案將成為業(yè)界主流。但是軟件領(lǐng)域的發(fā)展相對滯后，尤其是如何在SoC單芯片硬件環(huán)境下保證用戶已有成熟業(yè)務(wù)軟件的繼承使用，是每一個電信設(shè)備制造商關(guān)心的問題。

最簡單的解決方案是如圖2將Linux和RTOS按照AMP方式獨立運(yùn)行在多核CPU的不同核上。這種方案可以保證高實時能力，同時可以避免用戶應(yīng)用軟件的修改。但是該方案最大的問題是兩個操作系統(tǒng)要求在硬件資源使用上獨占，需要在使用前靜態(tài)分配好，系統(tǒng)運(yùn)行后則無法動態(tài)分配，沒有辦法做到資源共享。同一個硬件環(huán)境下同時運(yùn)行兩個獨立的系統(tǒng)也帶來了運(yùn)行安全方面的隱患。綜上所述，AMP方案前期設(shè)計簡單，方便于先前成熟軟件集成，但是后期維護(hù)成本較高，同時造成了硬件資源的浪費(fèi)。

圖2:AMP解決方案架構(gòu)圖。

Linux KVM是基于Linux內(nèi)核的虛擬機(jī)制，通過KVM可以在其上虛擬出原有RTOS所需要的運(yùn)行環(huán)境(參見圖3)。例如我們可以將原有業(yè)務(wù)軟件以及原有的RTOS一同移植到KVM的虛擬環(huán)境中，這種方式對業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件不需要任何修改。同時，整個系統(tǒng)硬件資源也由Linux統(tǒng)一分配，相對AMP方案避免了硬件資源的浪費(fèi)。KVM機(jī)制可以做到系統(tǒng)的安全隔離，保證了電信系統(tǒng)的運(yùn)行安全。但是該方案存在實時性較差(尤其是運(yùn)行在Linux內(nèi)核上RTOS的實時性)，很難應(yīng)用于電信協(xié)議等時隙要求較高的場合。

圖3:Linux KVM解決方案。

如何在Linux基礎(chǔ)上提供更加高效的實時處理能力，同時又簡化多操作系統(tǒng)并存帶來的軟件復(fù)雜性?為此，Enea(宜能)公司在用戶空間實現(xiàn)了LWRT(Light-weight Run-time Threading,輕量級運(yùn)行環(huán)境)。LWRT是針對多核使用場景設(shè)計的，它基于Linux用戶空間的標(biāo)準(zhǔn)Pthread作為運(yùn)行載體，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了可確定的調(diào)度方式、信號機(jī)制和內(nèi)存管理。通過這種方式，LWRT內(nèi)部的線程切換和信號處理不再依靠Linux內(nèi)核調(diào)度機(jī)制，而是完全在用戶態(tài)的LWRT內(nèi)部實現(xiàn)。這在減少系統(tǒng)開銷的同時，也實現(xiàn)了嚴(yán)格意義上的實時切換。圖4描述了基于LWRT電信基站軟件架構(gòu)。

圖4:LWRT多核解決方案。

為了保證整個LWRT的實時性，我們需要將其承載的容器Linux Pthread綁定到一個物理內(nèi)核上，通過這種方式使LWRT像單獨運(yùn)行在這個物理內(nèi)核的傳統(tǒng)RTOS一樣。同時，我們在LWRT上設(shè)計了用戶態(tài)中斷處理模型，將整個中斷處理過程放在用戶態(tài)進(jìn)行。在Linux內(nèi)核只需要在上半部中向LWRT發(fā)出中斷信號，而所有的下半部處理完全實現(xiàn)在用戶態(tài)的LWRT中。整個中斷處理不再有內(nèi)核互斥鎖的影響，從而保證了高實時處理能力。

先進(jìn)的設(shè)計保證了高效的性能，在一個實際測試環(huán)境中對于一個簡單的信號觸發(fā)-線程切換-信號接收的線程切換模型，LWRT可以在不超過200個周期內(nèi)完成，且該數(shù)據(jù)不會隨著CPU占用率增高而受到影響，而在同一硬件條件下，采用Linux標(biāo)準(zhǔn)線程完成同樣的切換動作需要大約3500個時鐘周期，測試解決見圖5.整個切換過程達(dá)到了高實時性要求。Linux上將不再只是運(yùn)行控制面代碼，用戶完全可以將數(shù)據(jù)面處理遷移到Linux上。基于這種方案我們將不再需要RTOS,而是將RTOS的功能基于LWRT來提供。

圖5:LWRT線程切換和Pthread線程切換對比。

目前整個電信領(lǐng)域向IP化發(fā)展，針對于IP數(shù)據(jù)處理，Enea實現(xiàn)了PAX(數(shù)據(jù)包加速基礎(chǔ))解決方案。PAX同樣運(yùn)行在Linux的用戶態(tài)。

它實現(xiàn)了基于圖形方式現(xiàn)實的IP報文分析處理流程，在PAX中可以完成IP轉(zhuǎn)發(fā)、IPSec、流量控制和ARP/WLAN網(wǎng)橋，以及數(shù)據(jù)包檢查DPI等IP通訊中最消耗資源的處理。針對于數(shù)據(jù)面的這些處理過程不再依賴于原有Linux內(nèi)核IP協(xié)議棧實現(xiàn)，而是由PAX及其相關(guān)的硬件加速器一起完成。這樣便將原有Linux IP轉(zhuǎn)發(fā)能力提高數(shù)倍，而非常適合于可擴(kuò)展、高吞吐量和低時延的IP協(xié)議處理，尤其適用于基于IP的無線基站、控制器、智能防火墻、入侵檢測系統(tǒng)和防病毒掃描網(wǎng)關(guān)等產(chǎn)品中。同時，PAX提供的圖像化追蹤(tracing)和分析(profiling)功能可以方面用戶找出系統(tǒng)瓶頸所在，進(jìn)行針對性優(yōu)化。