采用ACR/Tbit路由器的硬件抽象層通用性軟件結構設計

本文將在討論硬件抽象層基本結構的基礎上,提出一種適用于大規模接入匯聚路由器的HAL的通用性軟件結構設計及實(shí)現方式,提供高效、可靠的內部通信,并針對多用戶(hù)接入數量不確定的情況,提出動(dòng)態(tài)加載虛擬驅動(dòng)模塊的實(shí)現方法,增強路由器面向ACR接入方式的可用性。

　　1 硬件抽象層基本結構及功能實(shí)現

　　根據文獻提出的方案,高性能路由器硬件抽象層可分為內部通信、虛擬驅動(dòng)及設備管理三大模塊,這三部分模塊相互配合,共同完成面向實(shí)際的用戶(hù)設備接口的功能模擬及硬件細節的屏蔽,并對其進(jìn)行統一協(xié)調的管理。硬件抽象層對用戶(hù)設備接口的功能模擬主要由虛擬驅動(dòng)模塊完成,包括數據包的收發(fā)及協(xié)議報文的預處理等工作,為上層協(xié)議軟件提供標準的API函數;而對用戶(hù)設備的接口管理則由上層網(wǎng)絡(luò )管理軟件通過(guò)設備管理模塊對其進(jìn)行管理配置及監控;內部通信模塊運行于內部以太網(wǎng)絡(luò ),協(xié)調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)可靠的數據傳輸。其基本結構如圖1所示。

　　圖1 硬件抽象層基本結構示意圖

　　根據各模塊的功能可知,硬件抽象層內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。內部通信模塊匯集各底層設備的數據并根據類(lèi)型分流至各上層處理模塊,同時(shí),數據維護模塊對虛擬設備及各處理單元的維護信息也需要通過(guò)內部通信模塊進(jìn)行。因此,內部通信模塊采用何種基于內部以太網(wǎng)的數據傳輸實(shí)現方式,對路由器內部數據的實(shí)時(shí)、有效、可靠傳輸起著(zhù)至關(guān)重要的作用。當前內部通信模塊采用基于分隔符的TCP傳輸方式,在應用層數據包的起始部分附加有特定格式的分隔符和數據長(cháng)度域,解決了由于Nagle算法產(chǎn)生的包粘滯問(wèn)題。但該方式?jīng)]能解決TCP傳輸方式的消耗過(guò)大、實(shí)時(shí)性不強的問(wèn)題。同時(shí),消除分割符恢復報文的完整性也增加了應用程序的處理復雜度,從而不可避免地增加系統的開(kāi)銷(xiāo)并降低系統的實(shí)時(shí)性。系統的實(shí)時(shí)性對于用戶(hù)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(wèn)題。UDP是一個(gè)面向消息的傳輸協(xié)議,其最大數據緩沖區長(cháng)度為8192～65536字節,滿(mǎn)足一次傳輸一個(gè)完整報文的條件。在內部以太網(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(wú)連接性,導致它是一個(gè)不可靠傳輸,文中第二部分將討論如何實(shí)現一種基于UDP的內部通信的可靠性傳輸機制。

　　硬件抽象層對用戶(hù)設備接口的功能模擬主要通過(guò)虛擬驅動(dòng)進(jìn)行,路由器業(yè)務(wù)類(lèi)型的擴展使得用戶(hù)接口數量增多并呈現接入時(shí)間的不確定性,從而帶來(lái)用戶(hù)設備管理上的難度。針對此種情況,文中第三部分提出動(dòng)態(tài)加載虛擬驅動(dòng)模塊的實(shí)現方法,增強路由器面向多用戶(hù)接入方式的可用性。

　　2 基于UDP傳輸方式的內部通信的可靠性實(shí)現

　　內部通信模塊處于硬件抽象層的底層,運行于內部交換網(wǎng)絡(luò ),完成底層硬件與上層控制軟件的數據傳輸,實(shí)現對底層硬件的初步屏蔽分離;針對分布式體系結構特點(diǎn)及多用戶(hù)接入的業(yè)務(wù)需求,內部通信模塊以ClientServer的方式分別運行于主處理單元模塊及各線(xiàn)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(wú)連接協(xié)議,傳輸數據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(gè)或幾個(gè)端口同時(shí)向多個(gè)客戶(hù)端發(fā)送消息,符合分布式結構體系的要求。

　　其次,UDP信息包很短,只有8個(gè)字節,相對于TCP的20個(gè)字節的信息包的額外開(kāi)銷(xiāo)很小,便于數據的快速傳遞。

　　再次,吞吐量不受擁塞控制算法的調節,只受應用軟件生成數據的速率、傳輸帶寬和計算機性能的影響,適用于內部以太網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸。

　　但由于UDP方式的無(wú)連接性,使得UDP傳輸的可靠性不強。而可靠性是內部通信模塊所必須具有的性能,因此考慮在應用軟件中實(shí)現UDP傳輸方式的可靠性保證,主要采用以下方式:

　　2.1 多線(xiàn)程無(wú)連接的C/S通信方式

　　服務(wù)器端運行在Linux操作系統下,采用多線(xiàn)程方式收發(fā)各類(lèi)數據;客戶(hù)端運行在Vxworks操作系統,采用多任務(wù)方式收發(fā)各類(lèi)數據。這樣由于多線(xiàn)程及多任務(wù)并行運行的特性,在內部以太網(wǎng)的傳輸條件下,使得收發(fā)數據的速率可以滿(mǎn)足系統的要求?；镜幕赨DP協(xié)議的無(wú)連接客戶(hù)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(wú)連接客戶(hù)端/服務(wù)器端通信程序

　　該通信過(guò)程采用多個(gè)客戶(hù)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(hù)接口模塊可以在不同時(shí)間接入主控。內部通信根據所傳遞數據的不同類(lèi)型,采用相對固定的不同的端口號,不同的客戶(hù)端采用不同的IP地址,從相同的端口收發(fā)同類(lèi)數據。在服務(wù)器端通過(guò)select()系統調用,既可以輪詢(xún)各個(gè)socket端口以便及時(shí)接收不同端口的數據,又起到定時(shí)器的作用。當規定時(shí)間內收不到數據時(shí),能夠及時(shí)返回繼續在阻塞模式下等待,從而既能及時(shí)收發(fā)數據,又降低資源消耗。