ATM流量控制器IP核的設計和實(shí)現

　　0 引言

　　ATM異步傳遞方式是建立在電路交換和分組交換基礎上的一種面向連接的快速分組交換技術(shù)，它采用定長(cháng)分組作為傳輸和交換的單位，并具有端到端QOS保證、完善的流量控制和擁塞控制，以及較好的技術(shù)綜合能力等優(yōu)勢，這些都是目前的IP技術(shù)所不及的。和傳統的STM電路相比，ATM技術(shù)對數據交換中猝發(fā)分組的適應能力和傳輸線(xiàn)路的利用率都是很高的。雖然，由于靈活性和價(jià)格的原因，ATM技術(shù)沒(méi)有獲得預期的成功，但其流量控制機制對當前變長(cháng)分組骨干網(wǎng)的流量控制還是具有重要的參考價(jià)值，所以有必要對ATM的流量控制及其實(shí)現方式進(jìn)行深入的研究。

　　IP核是一段具有特定電路功能的硬件描述語(yǔ)言代碼，該程序與集成電路工藝無(wú)關(guān)，因而可以移植到不同的半導體工藝中去生產(chǎn)集成電路芯片。隨著(zhù)CPLD／FPGA的規模越來(lái)越大，設計越來(lái)越復雜，使用IP核是一個(gè)趨勢。

　　本文研究了ATM流量控制的原理，并給出了一種IP核的實(shí)現方法，該IP核不僅可以用于獨立芯片，還可以作為系統的一個(gè)子模塊直接調用。

　　1 ATM流量特性分析

　　由于A(yíng)TM支持的業(yè)務(wù)范圍很廣，各種業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò )傳輸的要求也大不相同，所以需要對不同的業(yè)務(wù)進(jìn)行管理。當用戶(hù)建立連接時(shí)都必須與網(wǎng)絡(luò )達成一個(gè)合約，并在通信過(guò)程中要受該合約的約束，同時(shí)網(wǎng)絡(luò )按合約提供相應的服務(wù)，具體的業(yè)務(wù)特性參數描述如下：

　　(1)峰值信元速率(PCR)表示用戶(hù)可以發(fā)送信元的最大瞬時(shí)速率；

　　(2)持續信元速率(SCR)表示一段時(shí)間內的平均信元速率。但SCR并不是任意一段時(shí)間內的平均信元速率。它是一個(gè)ATM連接上的平均信元速率的上限值；

　　(3)最大突發(fā)長(cháng)度(MBS)指的是以峰值信元速率能夠連續發(fā)送的最大信元數目；

　　(4)最小信元速率(MCR)則是用戶(hù)可接受的最小信元傳送速率。

　　而后，ATM論壇又按照用戶(hù)要求的比特率特點(diǎn)將業(yè)務(wù)劃分為以下幾種主要的類(lèi)型：

　　(1)恒定比特率(CBR)

　　用戶(hù)要求固定帶寬的連接，帶寬大小由PCR說(shuō)明。該類(lèi)服務(wù)對CDVT有嚴格要求，適用于實(shí)時(shí)應用，如話(huà)音和視頻信號傳輸等。

　　(2)變比特率(VBR)

　　在連接期間的帶寬要求隨時(shí)間變化，其帶寬值用PCR、SCR、MBS表征，適用于突發(fā)的數據傳輸。

　　(3)不指明比特率(UBR)

　　支持非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，如文件傳送和電子郵件。UBR用PCR來(lái)表征，但網(wǎng)絡(luò )只是以“最大努力”來(lái)傳送這類(lèi)業(yè)務(wù)。

　　(4)可用比特率(ABR)

　　ABR不適用于實(shí)時(shí)應用，但它要求保持較低的信元丟失率。當連接建立時(shí)，系統將以PCR和MCR分別指明最大需求帶寬和最小可用帶寬。而當連接建立后，系統則將根據網(wǎng)絡(luò )當前負載情況的反饋信息來(lái)調整發(fā)送速率，但不能小于MCR。該類(lèi)常用于信令的傳輸。具體的流量類(lèi)型和參數見(jiàn)表1所列。

　　2 ATM流量控制器的原理和設計

　　實(shí)際應用中最常見(jiàn)的兩種業(yè)務(wù)模式是CBR和VBR，它們分別對應著(zhù)當前通信傳輸的語(yǔ)音和數據業(yè)務(wù)。針對ATM的流量算法為GCRA(一般信元速率算法)。該算法可采用公式GCRA (I，L)來(lái)描述。其中I是時(shí)間增量，表示相對當前時(shí)刻的下一個(gè)信元到達時(shí)間間隔的理論值(期望值)。L是信元時(shí)延偏差容限，表示相對期望值的下一信元可以提前到達的最大容忍范圍。對應于雙漏桶算法，它可以表示為第一級漏桶處理PCR，相應模型為GCRA1 (1／PCR，CDVT)。第二級漏桶處理SCR的相應模型為GCRA2 (1／SCR，BT+CDVT)，根據ATM論壇規定，PCR是必須的，而SCR是可選的。如果其中的L的值較大，則將增大數據的突發(fā)程度。第一級漏桶的監控是針對單個(gè)信元的，經(jīng)過(guò)第一級漏桶的平均速率可以得到控制，但是突發(fā)性還是沒(méi)有得到控制。第二級漏桶是以監控若干個(gè)信元為目的，它對突發(fā)性有良好的監控和抑制作用。對于CBR型的流量，只需要第一級漏桶，因為它沒(méi)有數據突發(fā)的概念，而對于VBR業(yè)務(wù)類(lèi)型，第二級漏桶也是需要的，因為它有數據突發(fā)可能，所以要對它進(jìn)行監控。其兩級漏桶算法的示意圖如圖1所示。

　　由此可見(jiàn)，ATM的流量控制技術(shù)是較為復雜的，而且也是其精髓之所在。在參考各種資料的基礎上，本文提出了一種流控的調度算法。這種調度算法是基于各個(gè)UTOPIA的PHY接口實(shí)現的。每個(gè)PHY的接口上可能存在多種流量類(lèi)型(如CBR，VBR等)。該算法可根據每個(gè)PHY的流量類(lèi)型來(lái)設置相應的多個(gè)調度表，每個(gè)表代表一種流量類(lèi)型(如CBR，VBR等)。每個(gè)表由多個(gè)時(shí)隙槽組成，每個(gè)時(shí)隙槽中有多個(gè)要請求發(fā)送的ATM連接，每個(gè)時(shí)隙槽中的連接容量定義為cell per slot(CPS)。每個(gè)表由兩個(gè)指針組成，分別為實(shí)時(shí)指針RP和服務(wù)指針SP，其中RP在每經(jīng)過(guò)CPS個(gè)CELL發(fā)送時(shí)間后將移動(dòng)到下一個(gè)時(shí)隙槽，而SP則要等到某個(gè)時(shí)隙槽沒(méi)有等待發(fā)送的CELL時(shí)才能往下移動(dòng)。如果一個(gè)連接在本時(shí)隙槽發(fā)送完后接著(zhù)被調度到下個(gè)時(shí)隙槽發(fā)送，那么，此時(shí)將達到連接的最大比特速率為：

　　鏈接的最大速率=PHY端口的線(xiàn)速／CPS

　　同理，某連接的最小速率就表示在每次表的輪詢(xún)過(guò)程中只被調度一次，其可以表示為：

　　最小比特速率=PHY端口的線(xiàn)速／((時(shí)隙數-1)×CPS)

　　假設PHY0的調度表的初始狀態(tài)如圖2左上角的圖形所示，其中CPS=2，有8個(gè)時(shí)隙(timeslot)，PHY0共有兩個(gè)流量類(lèi)型，那么，將有兩個(gè)優(yōu)先級的調度表，分別是CBR和UBR業(yè)務(wù)類(lèi)型，顯然CBR業(yè)務(wù)類(lèi)型的優(yōu)先級高于UBR。調度表中的空白表示該時(shí)隙沒(méi)有連接，連接1、2被安排在時(shí)隙B發(fā)送，連接3在時(shí)隙C，連接4、5、6在時(shí)隙D。CBR和UBR都是PCR通信類(lèi)型，它們可根據參數PCR來(lái)進(jìn)行調度。對于連接1、2，PCR=1／2MaxPCR；對于連接3，PCR=1／3MaxPCR；對于連接4、5、6，PCR=1／4MaxPCR。開(kāi)始時(shí)，服務(wù)指針和實(shí)時(shí)指針都指向時(shí)隙A。從圖2可以看到PHY0的整個(gè)調度過(guò)程。第一次調度時(shí)，兩個(gè)調度表的當前時(shí)隙(時(shí)隙A)均沒(méi)有CELL；第二次調度時(shí)，調度表中仍沒(méi)有連接，實(shí)時(shí)指針指向下一個(gè)時(shí)隙(時(shí)隙B)；第三次調度時(shí)，CBR調度表的時(shí)隙B中有連接2和1，先調度2發(fā)送，然后為連接2重新安排調度，由于連接2的PCR=1／2MaxPCR，所以將2寫(xiě)入時(shí)隙D；第四次調度時(shí)，連接1的處理類(lèi)似；第五次調度時(shí)，調度連接3，其下次調度安排在時(shí)隙F；第六次調度時(shí)。CBR和UBR調度表的當前時(shí)隙(時(shí)隙C)中都沒(méi)有連接，實(shí)時(shí)指針指向時(shí)隙D；第七次調度時(shí)，CBR和UBR調度表的時(shí)隙D中均有連接，由于CBR優(yōu)先級高．故從CBR調度表中讀取連接1；第八次調度時(shí)，連接2被調度，實(shí)時(shí)指針指向時(shí)隙E，注意到此時(shí)由于UBR的連接未被調度，所以SP的指針就指在了那里：第九次調度時(shí)，CBR調度表的時(shí)隙E中沒(méi)有連接，而UBR的時(shí)隙D有3個(gè)連接要求調度，這時(shí)從UBR調度表中調度連接4，調度完后根據流量參數將連接4寫(xiě)入時(shí)隙H；第十次調度時(shí)，調度連接5，然后將連接5寫(xiě)入時(shí)隙H同時(shí)實(shí)時(shí)指針下移，但是，因為還有連接6沒(méi)有被調度，所以服務(wù)指針還在D處。其余的調度可以以此類(lèi)推。

　　3 功能仿真及驗證

　　該ATM流量控制器可采用硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL進(jìn)行描述。圖3所示是在ModelSim軟件環(huán)境中進(jìn)行功能仿真的相應仿真結果。

　　在圖3所示的PHY0調度功能仿真結果中，CLK是工作時(shí)鐘，reset是復位信號，S_Req是調度請求信號(S_Req有效時(shí)進(jìn)行調度)，clr_S是調度請求清除信號，PHY是選中的物理設備的地址(即要進(jìn)行調度的物理設備地址)，chn是調度到的ATM的連接號。APCLC是當前調度到的連接所連接的下一個(gè)連接號，PCR是峰值信元速率對應的時(shí)隙調度速率，CPS是每個(gè)時(shí)隙發(fā)送的信元數，CPS_CNT是信元計數，ATY是ATM通信類(lèi)型指示(00表示PCR通信類(lèi)型)。本設計中的CBR和UBR都是PCR通信類(lèi)型，所以ATT均為00。從仿真結果可以看出，調度到的連接號依次為0、0、2、1、3、0、1、2、4、5、2、1、3、6、1、2…，可見(jiàn)，與上面調度算法的分析結果一致。

　　4 結束語(yǔ)

　　本文主要研究了在FPGA上利用VerilogHDL實(shí)現ATM流量控制的方法，提出了一種較為實(shí)用的算法機制，并在此基礎上給出了對應的IP核設計。通過(guò)對其進(jìn)行的功能仿真結果表明，該算法運行良好且高效，可以滿(mǎn)足實(shí)際系統的需要。