基于ACR/Tbit路由器的硬件抽象層的通用性軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　本文將在討論硬件抽象層基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出一種適用于大規(guī)模接入?yún)R聚路由器的HAL的通用性軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方式,提供高效、可靠的內(nèi)部通信,并針對多用戶接入數(shù)量不確定的情況,提出動(dòng)態(tài)加載虛擬驅(qū)動(dòng)模塊的實(shí)現(xiàn)方法,增強(qiáng)路由器面向ACR接入方式的可用性。

　　1 硬件抽象層基本結(jié)構(gòu)及功能實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)文獻(xiàn)提出的方案,高性能路由器硬件抽象層可分為內(nèi)部通信、虛擬驅(qū)動(dòng)及設(shè)備管理三大模塊,這三部分模塊相互配合,共同完成面向?qū)嶋H的用戶設(shè)備接口的功能模擬及硬件細(xì)節(jié)的屏蔽,并對其進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)的管理。硬件抽象層對用戶設(shè)備接口的功能模擬主要由虛擬驅(qū)動(dòng)模塊完成,包括數(shù)據(jù)包的收發(fā)及協(xié)議報(bào)文的預(yù)處理等工作,為上層協(xié)議軟件提供標(biāo)準(zhǔn)的API函數(shù);而對用戶設(shè)備的接口管理則由上層網(wǎng)絡(luò)管理軟件通過設(shè)備管理模塊對其進(jìn)行管理配置及監(jiān)控;內(nèi)部通信模塊運(yùn)行于內(nèi)部以太網(wǎng)絡(luò),協(xié)調(diào)各模塊之間的功能接口,保證各從處理單元與主處理單元之間實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 硬件抽象層基本結(jié)構(gòu)示意圖

　　根據(jù)各模塊的功能可知,硬件抽象層內(nèi)部通信模塊是各分處理單元與主處理單元信息交互的重要傳輸通道。內(nèi)部通信模塊匯集各底層設(shè)備的數(shù)據(jù)并根據(jù)類型分流至各上層處理模塊,同時(shí),數(shù)據(jù)維護(hù)模塊對虛擬設(shè)備及各處理單元的維護(hù)信息也需要通過內(nèi)部通信模塊進(jìn)行。因此,內(nèi)部通信模塊采用何種基于內(nèi)部以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)方式,對路由器內(nèi)部數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、有效、可靠傳輸起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)前內(nèi)部通信模塊采用基于分隔符的TCP傳輸方式,在應(yīng)用層數(shù)據(jù)包的起始部分附加有特定格式的分隔符和數(shù)據(jù)長度域,解決了由于Nagle算法產(chǎn)生的包粘滯問題。但該方式?jīng)]能解決TCP傳輸方式的消耗過大、實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的問題。同時(shí),消除分割符恢復(fù)報(bào)文的完整性也增加了應(yīng)用程序的處理復(fù)雜度,從而不可避免地增加系統(tǒng)的開銷并降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性對于用戶業(yè)務(wù)急劇增多的ACR路由器而言是一個(gè)迫切需要解決的問題。UDP是一個(gè)面向消息的傳輸協(xié)議,其最大數(shù)據(jù)緩沖區(qū)長度為8192～65536字節(jié),滿足一次傳輸一個(gè)完整報(bào)文的條件。在內(nèi)部以太網(wǎng)中采用UDP傳輸方式具有明顯的優(yōu)勢。但由于UDP協(xié)議的無連接性,導(dǎo)致它是一個(gè)不可靠傳輸,文中第二部分將討論如何實(shí)現(xiàn)一種基于UDP的內(nèi)部通信的可靠性傳輸機(jī)制。

　　硬件抽象層對用戶設(shè)備接口的功能模擬主要通過虛擬驅(qū)動(dòng)進(jìn)行,路由器業(yè)務(wù)類型的擴(kuò)展使得用戶接口數(shù)量增多并呈現(xiàn)接入時(shí)間的不確定性,從而帶來用戶設(shè)備管理上的難度。針對此種情況,文中第三部分提出動(dòng)態(tài)加載虛擬驅(qū)動(dòng)模塊的實(shí)現(xiàn)方法,增強(qiáng)路由器面向多用戶接入方式的可用性。

　　2 基于UDP傳輸方式的內(nèi)部通信的可靠性實(shí)現(xiàn)

　　內(nèi)部通信模塊處于硬件抽象層的底層,運(yùn)行于內(nèi)部交換網(wǎng)絡(luò),完成底層硬件與上層控制軟件的數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)對底層硬件的初步屏蔽分離;針對分布式體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及多用戶接入的業(yè)務(wù)需求,內(nèi)部通信模塊以ClientServer的方式分別運(yùn)行于主處理單元模塊及各線路接口單元模塊上,采用UDP傳輸協(xié)議進(jìn)行通信,主要基于以下幾點(diǎn)考慮:

　　首先,UDP協(xié)議是一個(gè)無連接協(xié)議,傳輸數(shù)據(jù)之前源端與終端不需建立連接,因此不需維護(hù)連接狀態(tài)。這樣服務(wù)器端可以使用一個(gè)或幾個(gè)端口同時(shí)向多個(gè)客戶端發(fā)送消息,符合分布式結(jié)構(gòu)體系的要求。

　　其次,UDP信息包很短,只有8個(gè)字節(jié),相對于TCP的20個(gè)字節(jié)的信息包的額外開銷很小,便于數(shù)據(jù)的快速傳遞。

　　再次,吞吐量不受擁塞控制算法的調(diào)節(jié),只受應(yīng)用軟件生成數(shù)據(jù)的速率、傳輸帶寬和計(jì)算機(jī)性能的影響,適用于內(nèi)部以太網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。

　　但由于UDP方式的無連接性,使得UDP傳輸?shù)目煽啃圆粡?qiáng)。而可靠性是內(nèi)部通信模塊所必須具有的性能,因此考慮在應(yīng)用軟件中實(shí)現(xiàn)UDP傳輸方式的可靠性保證,主要采用以下方式:

　　2.1 多線程無連接的C/S通信方式

　　服務(wù)器端運(yùn)行在Linux操作系統(tǒng)下,采用多線程方式收發(fā)各類數(shù)據(jù);客戶端運(yùn)行在Vxworks操作系統(tǒng),采用多任務(wù)方式收發(fā)各類數(shù)據(jù)。這樣由于多線程及多任務(wù)并行運(yùn)行的特性,在內(nèi)部以太網(wǎng)的傳輸條件下,使得收發(fā)數(shù)據(jù)的速率可以滿足系統(tǒng)的要求。基本的基于UDP協(xié)議的無連接客戶端/服務(wù)器端通信程序如圖2所示。

　　圖2 基于UDP協(xié)議的無連接客戶端/服務(wù)器端通信程序

　　該通信過程采用多個(gè)客戶端(各從處理單元)對一個(gè)服務(wù)器端(主處理單元)的方式,使多個(gè)用戶接口模塊可以在不同時(shí)間接入主控。內(nèi)部通信根據(jù)所傳遞數(shù)據(jù)的不同類型,采用相對固定的不同的端口號,不同的客戶端采用不同的IP地址,從相同的端口收發(fā)同類數(shù)據(jù)。在服務(wù)器端通過select()系統(tǒng)調(diào)用,既可以輪詢各個(gè)socket端口以便及時(shí)接收不同端口的數(shù)據(jù),又起到定時(shí)器的作用。當(dāng)規(guī)定時(shí)間內(nèi)收不到數(shù)據(jù)時(shí),能夠及時(shí)返回繼續(xù)在阻塞模式下等待,從而既能及時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù),又降低資源消耗。