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現方式,提供高效、可靠的內部通信,并針對多用戶接入數量不確定的情況,提出動態加載虛擬驅動模塊的實現方法,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,共同完成面向實際的用戶設備接口的功能模擬及硬件細節的屏蔽,并對其進行統一協調的管理。硬件抽象層對用戶設備接口的功能模擬主要由虛擬驅動模塊完成,包括數據包的收發及協議報文的預處理等工作,為上層協議軟件提供標準的API函數;而對用戶設備的接口管理則由上層網絡管理軟件通過設備管理模塊對其進行管理配置及監控;內部通信模塊運行于內部以太網絡,協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時可靠的數據傳輸。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型分流至各上層處理模塊,同時,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內部通信模塊進行。因此,內部通信模塊采用何種基于內部以太網的數據傳輸實現方式,對路由器內部數據的實時、有效、可靠傳輸起著至關重要的作用。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度域,解決了由于Nagle算法產生的包粘滯問題。但該方式沒能解決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銷并降低系統的實時性。系統的實時性對于用戶業務急劇增多的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議,其最大數據緩沖區長度為8192～65536字節,滿足一次傳輸一個完整報文的條件。在內部以太網中采用UDP傳輸方式具有明顯的優勢。但由于UDP協議的無連接性,導致它是一個不可靠傳輸,文中第二部分將討論如何實現一種基于UDP的內部通信的可靠性傳輸機制。

　　硬件抽象層對用戶設備接口的功能模擬主要通過虛擬驅動進行,路由器業務類型的擴展使得用戶接口數量增多并呈現接入時間的不確定性,從而帶來用戶設備管理上的難度。針對此種情況,文中第三部分提出動態加載虛擬驅動模塊的實現方法,增強路由器面向多用戶接入方式的可用性。

　　2 基于UDP傳輸方式的內部通信的可靠性實現

　　內部通信模塊處于硬件抽象層的底層,運行于內部交換網絡,完成底層硬件與上層控制軟件的數據傳輸,實現對底層硬件的初步屏蔽分離;針對分布式體系結構特點及多用戶接入的業務需求,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路接口單元模塊上,采用UDP傳輸協議進行通信,主要基于以下幾點考慮:

　　首先,UDP協議是一個無連接協議,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。這樣服務器端可以使用一個或幾個端口同時向多個客戶端發送消息,符合分布式結構體系的要求。

　　其次,UDP信息包很短,只有8個字節,相對于TCP的20個字節的信息包的額外開銷很小,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,適用于內部以太網絡的數據傳輸。

　　但由于UDP方式的無連接性,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現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

　　服務器端運行在Linux操作系統下,采用多線程方式收發各類數據;客戶端運行在Vxworks操作系統,采用多任務方式收發各類數據。這樣由于多線程及多任務并行運行的特性,在內部以太網的傳輸條件下,使得收發數據的速率可以滿足系統的要求。基本的基于UDP協議的無連接客戶端/服務器端通信程序如圖2所示。

　　圖2 基于UDP協議的無連接客戶端/服務器端通信程序

　　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。內部通信根據所傳遞數據的不同類型,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,從相同的端口收發同類數據。在服務器端通過select()系統調用,既可以輪詢各個socket端口以便及時接收不同端口的數據,又起到定時器的作用。當規定時間內收不到數據時,能夠及時返回繼續在阻塞模式下等待,從而既能及時收發數據,又降低資源消耗。