基于ACR的硬件抽象层结构及关键技术研究

1、基于acr的硬件抽象层结构及关键技术研究目前,大多数路由器均采纳分布式转发、集中式路由处理的体系结构。该结构方式使主处理单元与各从处理单元可以按照所处位置及执行任务的不同采纳不同的处理方式,但也使顶层管理软件对底层各从处理单元难以举行协调统一的管理。硬件抽象层hal(hardware abstraction layer)在规律上介于底层硬件与上层协议软件之间,维护两者之间的数据传递,并对底层各接口模块举行管理,屏蔽底层硬件详情,使得应用软件可以通过控制hal达到操纵底层硬件的目的。高性能路由器硬件抽象层的提出胜利解决了分布式路由器濒临的通用性支撑软件系统结构的设计问题,为构建开放通用的路由器软

2、件基础平台提供了保证。随着路由器承载业务能力的不断增加,大规模接入汇聚路由器的设计与实现也被提上了议事日程。acr(大规模接入汇聚路由器)是3tnet(高性能宽带网)网络的关键设备。该设备采纳acr宽带接入方式,即通过带有远端用户接口单元(riu)、基于以太网传输接口的分合路器(emdi)组成树形分叉地域分布式系统构架,保证大规模的用户挺直接入骨干高速网络,实现视频点播、网络电视、ip电话等宽带业务,从而越发减化了网络拓扑结构,使业务引入越发迅速,运营策略越发多样化。大规模用户接入方式也给路由器硬件抽象层的实现方式及信息的实时、高速传输提出了新的挑战,主要表现在以下几个方面:首先,承载业务量的

3、数量及种类的增多对路由器内部通信的实时性、高效性提出了更多的要求;第二,大规模用户接入方式增强了路由器对外接口的数量,从而带来了设备管理上的难度;再次,从系统的通用性及可扩展性考虑,要求构建一种具有可扩展性且不依靠于硬件详细实现方式的软件体系结构,便利路由软件的移植和应用。由此可见,硬件抽象层的高度稳定性、可扩展性及牢靠性将挺直影响路由器的各项性能指标。因为大规模用户接入方式的特性,使得以前基于ipv6路由器的硬件抽象层的实现方式已经不适应数据高速传输及多用户接入的管理方式。本文将在研究硬件抽象层基本结构的基础上,提出一种适用于大规模接入汇聚路由器的hal的通用性软件结构设计及实现方式,提供高

4、效、牢靠的内部通信,并针对多用户接入数量不确定的状况,提出动态加载虚拟驱动模块的实现办法,增加路由器面对acr接入方式的可用性。1 硬件抽象层基本结构及功能实现按照文献提出的计划,高性能路由器硬件抽象层可分为内部通信、虚拟驱动及设备管理三大模块,这三部分模块互相协作,共同完成面对实际的用户设备接口的功能模拟及硬件详情的屏蔽,并对其举行统一协调的管理。硬件抽象层对用户设备接口的功能模拟主要由虚拟驱动模块完成,包括数据包的收发及协议报文的预处理等工作,为上层协议软件提供标准的api函数;而对用户设备的接口管理则由上层网络管理软件通过设备管理模块对其举行管理配置及监控;内部通信模块运行于内部以太网络

5、,协调各模块之间的功能接口,保证各从处理单元与主处理单元之间实时牢靠的数据传输。其基本结构1所示。图1 硬件抽象层基本结构暗示图按照各模块的功能可知,硬件抽象层内部通信模块是各分处理单元与主处理单元信息交互的重要传输通道。内部通信模块汇合各底层设备的数据并按照类型分流至各上层处理模块,同时,数据维护模块对虚拟设备及各处理单元的维护信息也需要通过内部通信模块举行。因此,内部通信模块采纳何种基于内部以太网的数据传输实现方式,对路由器内部数据的实时、有效、牢靠传输起着至关重要的作用。当前内部通信模块采纳基于分隔符的tcp传输方式,在应用层数据包的起始部分附加有特定格式的分隔符和数据长度域,解决了因为

6、nagle算法产生的包粘滞问题。但该方式没能解决tcp传输方式的消耗过大、实时性不强的问题。同时,消退分割符复原报文的完整性也增强了应用程序的处理复杂度,从而不行避开地增强系统的开销并降低系统的实时性。系统的实时性对于用户业务急剧增多的acr路由器而言是一个迫切需要解决的问题。udp是一个面对消息的传输协议,其最大数据缓冲区长度为819265536字节,满足一次传输一个完整报文的条件。在内部以太网中采纳udp传输方式具有显然的优势。但因为udp协议的无衔接性,导致它是一个不行靠传输,文中其次部分将研究如何实现一种基于udp的内部通信的牢靠性传输机制。硬件抽象层对用户设备接口的功能模拟主要通过虚

7、拟驱动举行,路由器业务类型的扩展使得用户接口数量增多并展现接入时光的不确定性,从而带来用户设备管理上的难度。针对此种状况,文中第三部分提出动态加载虚拟驱动模块的实现办法,增加路由器面对多用户接入方式的可用性。2 基于udp传输方式的内部通信的牢靠性实现内部通信模块处于硬件抽象层的底层,运行于内部交换网络,完成底层硬件与上层控制软件的数据传输,实现对底层硬件的初步屏蔽分别;针对分布式体系结构特点及多用户接入的业务需求,内部通信模块以clientserver的方式分离运行于主处理单元模块及各线路接口单元模块上,采纳udp传输协议举行通信,主要基于以下几点考虑:首先,udp协议是一个无衔接协议,传输

8、数据之前源端与终端不需建立衔接,因此不需维护衔接状态。这样服务器端可以用法一个或几个端口同时向多个客户端发送消息,符合分布式结构体系的要求。第二,udp信息包很短,惟独8个字节,相对于tcp的20个字节的信息包的额外开销很小,便于数据的迅速传递。再次,吞吐量不受拥塞控制算法的调整,只受应用软件生成数据的速率、传输带宽和计算机性能的影响,适用于内部以太网络的数据传输。但因为udp方式的无衔接性,使得udp传输的牢靠性不强。而牢靠性是内部通信模块所必需具有的性能,因此考虑在应用软件中实现udp传输方式的牢靠性保证,主要采纳以下方式:2.1 多线程无衔接的c/s通信方式服务器端运行在操作系统下,采纳

9、多线程方式收发各类数据;客户端运行在vxworks操作系统,采纳多任务方式收发各类数据。这样因为多线程及多任务并行运行的特性,在内部以太网的传输条件下,使得收发数据的速率可以满足系统的要求。基本的基于udp协议的无衔接客户端/服务器端通信程序2所示。图2 基于udp协议的无衔接客户端/服务器端通信程序该通信过程采纳多个客户端(各从处理单元)对一个服务器端(主处理单元)的方式,使多个用户接口模块可以在不同时光接入主控。内部通信按照所传递数据的不同类型,采纳相对固定的不同的端口号,不同的客户端采纳不同的ip地址,从相同的端口收发同类数据。在服务器端通过select()系统调用,既可以轮询各个soc

10、ket端口以便准时接收不同端口的数据,又起到定时器的作用。当规定时光内收不到数据时,能够准时返回继续在堵塞模式下等待,从而既能准时收发数据,又降低资源消耗。2.2 三次握手过程每个客户端与服务器端举行真正的数据传输之前,首先要举行一个握手的建立过程,3所示。握手过程胜利后则表示双方通信通道正常,惟独在得知握手胜利后双方才可以正常地收发报文,从而克服了udp协议方式的面对无衔接性。为了随时检测和维护双方链路的通连性,每个客户端与服务端在一定的间隔时光内要互发keepalive报文。假如在规定的时光内收不到对方的keepalive报文,解释断链,要举行相应的断链处理。图3 握手建立过程2.3 接收

11、端走失确认及滑动窗口发送udp报文时在自定义的内部数据头中加入所发送数据的序号,接收端收到后发送确认信息,假如发送方在规定时光内没有收到确认信息,则认为该包走失,会连同原包的序号重新发送。滑动窗口的目的主要是为了实现流量控制,防止拥塞。每个发送方维护一个重发队列,保存着一定数量的发送而没被确认的报文,该队列剩余空间的大小可以限制应用部分发包的速率。因为udp协议是基于消息的传输协议而非基于流的,因此不必考虑发送端可以接收多少数据,只需知道能否接收数据即可。总之,采纳udp传输控制方式主要考虑到其传输容易迅速、额外开销较小的特点,但这是以牺牲一定的牢靠性为前提的,因此必需在应用程序中增强牢靠性庇

12、护机制。在实际应用中证实上述办法牢靠高效,能够维护内部通信有序、迅速的数据传输。3 基于多用户的用户接入管理在linux操作系统下,系统把设备映射为一个特别的设备文件,用户程序可以像对其他文件一样对该设备文件举行读写操作。虚拟驱动模块运行在linux操作系统下,模拟从处理单元上的接口单元,形成收发协议报文功能和数量与此全都的硬件抽象层虚拟接口单元。因此,每个实际的接口单元都在内核中对应一个注册的虚拟设备,以便于上层控制软件对数据平面的管理与数据交互。3.1 多用户虚拟设备驱动程序的动态加载虚拟驱动在内核中的功能通过动态加载方式实现。通常的动态加载方式是将驱动程序作为一个整体模块,在需要时再加入

13、内核;因为多用户接入方式使得在某一时刻内核中注册的接口单元数量不确定,假如实施一次性加载会冗余太多,不利于资源的有效利用。因此,在内核中加载一个基本模块的前提下,实现各虚拟设备的动态加载过程,达到以一个基本的虚拟设备控制多个设备驱动模块的功能。4所示,对虚拟驱动设备的控制由内部通信模块与设备管理模块共同完成。设备管理模块通过内部通信模块下达加载、卸载虚拟驱动的指令,通过内部通信模块与虚拟驱动的控制通道举行。内部通信模块通过调用ioctl()采纳不同的指令字完成对虚拟驱动模块的控制过程。图4模块动态加载过程基本驱动模块的加载采纳通常的驱动模块加载方式,即调用module_init()函数举行基本

14、模块的初始化及在内核中的注册过程。以该基本驱动模块为基础,当内部通信模块收到加载某个用户设备接口的指令后,通过调用该基本模块的base_ioctl()在内核中注册一个新的驱动设备,该注册设备才是与实际接口单元相对应的虚拟驱动模块,应用程序对用户设备数据的读写都是通过这些注册的接口设备而非基本设备提供的标准函数举行。这样的动态加载过程使得当没有设备加载时在内核中只存在一个基本的虚拟驱动模块,惟独需要注册的用户才将其对应的设备接口的虚拟驱动模块加载到内核中,从而削减系统冗余,便于管理。各用户接口单元与虚拟驱动的数据交互通过内部通信模块与虚拟驱动的数据通道举行,所对应的系统调用为该注册设备的dev_

15、ioctl()。在该功能函数中,实现用户空间与内核空间的数据交互。3.2 对多用户接口设备虚拟驱动的管理为实现内核虚拟驱动模块与实际接口单元的一一对应,必需解决各驱动模块的命名原则问题。将每个实际接口单元在接入段拓扑中的位置设置为不同的参数,在内部通信中这些参数作为传输数据的报头信息浮现,按照它们可以生成一个唯一的字符串作为对应当接口单元的虚拟驱动设备名称,而且按照设备名称亦可还原出实际接口单元的拓扑信息,以供内部通信用法。在内核中维护一个由各注册设备名称所组成的动态链表,每个链表节点维护一个收发报文的数据队列,虚拟驱动与其他模块的数据交互都通过该链表举行。3.3 对虚拟设备数据读写过程对数据

16、的读写过程主要是在虚拟驱动模块、内部通信模块及上层控制软件之间举行。虚拟驱动模块运行在内核空间,而内部通信模块运行在用户空间,因此,主要解决用户空间与内核空间的数据传递问题。通过memcpy_tofs()及memcpy_fromfs()系统调用用户空间与内核空间的数据交互。在内核中维护一个由各注册设备名称所组成的动态链表,每个链表节点维护一个收发报文的数据队列,虚拟驱动与其他模块的数据交互都通过该链表举行。接收报文过程:内部通信模块将从接口单元接收的报文通过ioctl()调用传给虚拟驱动。该函数通过struct net_device *dev结构找到对应的虚拟设备的dev_ioctl()功能函数,调用memcpy_fromfs()将数据拷贝至内核空间,经过处理后通过netif_rx()函数通知上层协议有数据传入。发送报文过程:虚拟驱动将从上层软件取出的数据放至自身维护的通过虚拟接口设备名称维护的数据队列中,内部