基于ACR/Tbit路由器的硬件抽象層的通用性軟件結(jié)構(gòu)

　　1 硬件抽象層基本結(jié)構(gòu)及功能實現(xiàn)

　　根據(jù)文獻提出的方案,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節(jié)的屏蔽,并對其進行統(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)動模塊完成,包括數(shù)據(jù)包的收發(fā)及協(xié)議報文的預(yù)處理等工作,為上層協(xié)議軟件提供標(biāo)準的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)備管理模塊對其進行管理配置及監(jiān)控;內(nèi)部通信模塊運行于內(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時可靠的數(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,數(shù)據(jù)維護模塊對虛擬設(shè)備及各處理單元的維護信息也需要通過內(nèi)部通信模塊進行。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)傳輸實現(xiàn)方式,對路由器內(nèi)部數(shù)據(jù)的實時、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、實時性不強的問題。同時,消除分割符恢復(fù)報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)的實時性。系統(tǒng)的實時性對于用戶業(yè)務(wù)急劇增多的ACR路由器而言是一個迫切需要解決的問題。UDP是一個面向消息的傳輸協(xié)議,其最大數(shù)據(jù)緩沖區(qū)長度為8192～65536字節(jié),滿足一次傳輸一個完整報文的條件。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)致它是一個不可靠傳輸,文中第二部分將討論如何實現(xiàn)一種基于UDP的內(nèi)部通信的可靠性傳輸機制。

　　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)動進行,路由器業(yè)務(wù)類型的擴展使得用戶接口數(shù)量增多并呈現(xiàn)接入時間的不確定性,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態(tài)加載虛擬驅(qū)動模塊的實現(xiàn)方法,增強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)部通信的可靠性實現(xiàn)

　　內(nèi)部通信模塊處于硬件抽象層的底層,運行于內(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)議進行通信,主要基于以下幾點考慮:

　　首先,UDP協(xié)議是一個無連接協(xié)議,傳輸數(shù)據(jù)之前源端與終端不需建立連接,因此不需維護連接狀態(tài)。這樣服務(wù)器端可以使用一個或幾個端口同時向多個客戶端發(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個字節(jié),相對于TCP的20個字節(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、傳輸帶寬和計算機性能的影響,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?。而可靠性是?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客戶端(各從處理單元)對一個服務(wù)器端(主處理單元)的方式,使多個用戶接口模塊可以在不同時間接入主控。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socket端口以便及時接收不同端口的數(shù)據(jù),又起到定時器的作用。當(dāng)規(guī)定時間內(nèi)收不到數(shù)據(jù)時,能夠及時返回繼續(xù)在阻塞模式下等待,從而既能及時收發(fā)數(shù)據(jù),又降低資源消耗。

　　2.2 三次握手過程

　　每個客戶端與服務(wù)器端進行真正的數(shù)據(jù)傳輸之前,首先要進行一個握手的建立過程,如圖3所示。握手過程成功后則表示雙方通信通道正常,只有在得知握手成功后雙方才可以正常地收發(fā)報文,從而克服了UDP協(xié)議方式的面向無連接性。為了隨時檢測和維護雙方鏈路的通連性,每個客戶端與服務(wù)端在一定的間隔時間內(nèi)要互發(fā)KEEPALIVE報文。如果在規(guī)定的時間內(nèi)收不到對方的KEEPALIVE報文,說明斷鏈,要進行相應(yīng)的斷鏈處理。

　　圖3 握手建立過程

　　2.3 接收端丟失確認及滑動窗口

　　發(fā)送UDP報文時在自定義的內(nèi)部數(shù)據(jù)頭中加入所發(fā)送數(shù)據(jù)的序號,接收端收到后發(fā)送確認信息,如果發(fā)送方在規(guī)定時間內(nèi)沒有收到確認信息,則認為該包丟失,會連同原包的序號重新發(fā)送。

　　滑動窗口的目的主要是為了實現(xiàn)流量控制,防止擁塞。每個發(fā)送方維護一個重發(fā)隊列,保存著一定數(shù)量的發(fā)送而沒被確認的報文,該隊列剩余空間的大小可以限制應(yīng)用部分發(fā)包的速率。由于UDP協(xié)議是基于消息的傳輸協(xié)議而非基于流的,因此不必考慮發(fā)送端可以接收多少數(shù)據(jù),只需知道能否接收數(shù)據(jù)即可。

　　總之,采用UDP傳輸控制方式主要考慮到其傳輸簡單快速、額外開銷較小的特點,但這是以犧牲一定的可靠性為前提的,因此必須在應(yīng)用程序中增加可靠性保護機制。在實際應(yīng)用中證明上述方法可靠高效,能夠維護內(nèi)部通信有序、快速的數(shù)據(jù)傳輸。

　　3 基于多用戶的用戶接入管理

　　在Linux操作系統(tǒng)下,系統(tǒng)把設(shè)備映射為一個特殊的設(shè)備文件,用戶程序可以像對其他文件一樣對該設(shè)備文件進行讀寫操作。虛擬驅(qū)動模塊運行在Linux操作系統(tǒng)下,模擬從處理單元上的接口單元,形成收發(fā)協(xié)議報文功能和數(shù)量與此一致的硬件抽象層虛擬接口單元。因此,每個實際的接口單元都在內(nèi)核中對應(yīng)一個注冊的虛擬設(shè)備,以便于上層控制軟件對數(shù)據(jù)平面的管理與數(shù)據(jù)交互。

　　3.1 多用戶虛擬設(shè)備驅(qū)動程序的動態(tài)加載

　　虛擬驅(qū)動在內(nèi)核中的功能通過動態(tài)加載方式實現(xiàn)。通常的動態(tài)加載方式是將驅(qū)動程序作為一個整體模塊,在需要時再加入內(nèi)核;由于多用戶接入方式使得在某一時刻內(nèi)核中注冊的接口單元數(shù)量不確定,如果實施一次性加載會冗余太多,不利于資源的有效利用。因此,在內(nèi)核中加載一個基本模塊的前提下,實現(xiàn)各虛擬設(shè)備的動態(tài)加載過程,達到以一個基本的虛擬設(shè)備控制多個設(shè)備驅(qū)動模塊的功能。

　　如圖4所示,對虛擬驅(qū)動設(shè)備的控制由內(nèi)部通信模塊與設(shè)備管理模塊共同完成。設(shè)備管理模塊通過內(nèi)部通信模塊下達加載、卸載虛擬驅(qū)動的命令,通過內(nèi)部通信模塊與虛擬驅(qū)動的控制通道進行。內(nèi)部通信模塊通過調(diào)用ioctl()采用不同的命令字完成對虛擬驅(qū)動模塊的控制過程。

　　圖4模塊動態(tài)加載過程

　　基本驅(qū)動模塊的加載采用通常的驅(qū)動模塊加載方式,即調(diào)用module_init()函數(shù)進行基本模塊的初始化及在內(nèi)核中的注冊過程。以該基本驅(qū)動模塊為基礎(chǔ),當(dāng)內(nèi)部通信模塊收到加載某個用戶設(shè)備接口的命令后,通過調(diào)用該基本模塊的Base_ioctl()在內(nèi)核中注冊一個新的驅(qū)動設(shè)備,該注冊設(shè)備才是與實際接口單元相對應(yīng)的虛擬驅(qū)動模塊,應(yīng)用程序?qū)τ脩粼O(shè)備數(shù)據(jù)的讀寫都是通過這些注冊的接口設(shè)備而非基本設(shè)備提供的標(biāo)準函數(shù)進行。這樣的動態(tài)加載過程使得當(dāng)沒有設(shè)備加載時在內(nèi)核中只存在一個基本的虛擬驅(qū)動模塊,只有需要注冊的用戶才將其對應(yīng)的設(shè)備接口的虛擬驅(qū)動模塊加載到內(nèi)核中,從而減少系統(tǒng)冗余,便于管理。

　　各用戶接口單元與虛擬驅(qū)動的數(shù)據(jù)交互通過內(nèi)部通信模塊與虛擬驅(qū)動的數(shù)據(jù)通道進行,所對應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用為該注冊設(shè)備的dev_ioctl()。在該功能函數(shù)中,實現(xiàn)用戶空間與內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)交互。

　　3.2 對多用戶接口設(shè)備虛擬驅(qū)動的管理

　　為實現(xiàn)內(nèi)核虛擬驅(qū)動模塊與實際接口單元的一一對應(yīng),必須解決各驅(qū)動模塊的命名原則問題。將每個實際接口單元在接入段拓撲中的位置設(shè)置為不同的參數(shù),在內(nèi)部通信中這些參數(shù)作為傳輸數(shù)據(jù)的報頭信息出現(xiàn),根據(jù)它們可以生成一個唯一的字符串作為對應(yīng)該接口單元的虛擬驅(qū)動設(shè)備名稱,而且根據(jù)設(shè)備名稱亦可還原出實際接口單元的拓撲信息,以供內(nèi)部通信使用。在內(nèi)核中維護一個由各注冊設(shè)備名稱所組成的動態(tài)鏈表,每個鏈表節(jié)點維護一個收發(fā)報文的數(shù)據(jù)隊列,虛擬驅(qū)動與其他模塊的數(shù)據(jù)交互都通過該鏈表進行。

　　3.3 對虛擬設(shè)備數(shù)據(jù)讀寫過程

　　對數(shù)據(jù)的讀寫過程主要是在虛擬驅(qū)動模塊、內(nèi)部通信模塊及上層控制軟件之間進行。虛擬驅(qū)動模塊運行在內(nèi)核空間,而內(nèi)部通信模塊運行在用戶空間,因此,主要解決用戶空間與內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)傳遞問題。通過memcpy_tofs()及memcpy_fromfs()系統(tǒng)調(diào)用用戶空間與內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)交互。

　　在內(nèi)核中維護一個由各注冊設(shè)備名稱所組成的動態(tài)鏈表,每個鏈表節(jié)點維護一個收發(fā)報文的數(shù)據(jù)隊列,虛擬驅(qū)動與其他模塊的數(shù)據(jù)交互都通過該鏈表進行。接收報文過程:內(nèi)部通信模塊將從接口單元接收的報文通過ioctl()調(diào)用傳給虛擬驅(qū)動。該函數(shù)通過struct net_device *dev結(jié)構(gòu)找到對應(yīng)的虛擬設(shè)備的dev_ioctl()功能函數(shù),調(diào)用memcpy_fromfs()將數(shù)據(jù)拷貝至內(nèi)核空間,經(jīng)過處理后通過netif_rx()函數(shù)通知上層協(xié)議有數(shù)據(jù)傳入。發(fā)送報文過程:虛擬驅(qū)動將從上層軟件取出的數(shù)據(jù)放至自身維護的通過虛擬接口設(shè)備名稱維護的數(shù)據(jù)隊列中,內(nèi)部通信模塊通過ioctl()論詢各接口設(shè)備數(shù)據(jù)隊列是否有數(shù)據(jù)可讀,如果有數(shù)據(jù),虛擬驅(qū)動通過memcpy_tofs()調(diào)用將數(shù)據(jù)拷貝至用戶空間提供的緩沖區(qū)中。

　　文中針對大規(guī)模用戶接入方式的特性,討論了一種基于ACR/Tbit路由器的硬件抽象層的通用性軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計及實現(xiàn)方式,并研究了其關(guān)鍵技術(shù),包括基于UDP傳輸方式的內(nèi)部通信的可靠性實現(xiàn)及基于多用戶的動態(tài)模塊加載技術(shù),適用于路由器承載業(yè)務(wù)量的擴展和多用戶接入特性,并且在上層軟件實現(xiàn)中,基本上可以不考慮底層硬件細節(jié),增強了路由器的開放性及可擴展性。