大規(guī)模接入?yún)R聚路由器的HAL結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究

目前，大多數(shù)路由器均采用分布式轉(zhuǎn)發(fā)、集中式路由處理的體系結(jié)構(gòu)[1]。該結(jié)構(gòu)方式使主處理單元與各從處理單元可以根據(jù)所處位置及執(zhí)行任務(wù)的不同采用不同的處理方式，但也使頂層管理軟件對底層各從處理單元難以進(jìn)行協(xié)調(diào)統(tǒng)一的管理。硬件抽象層HAL(Hardware Abstraction Layer)在邏輯上介于底層硬件與上層協(xié)議軟件之間，維護(hù)兩者之間的數(shù)據(jù)傳遞，并對底層各接口模塊進(jìn)行管理，屏蔽底層硬件細(xì)節(jié)，使得應(yīng)用軟件可以通過控制HAL達(dá)到操縱底層硬件的目的。高性能路由器硬件抽象層的提出[2]成功解決了分布式路由器面臨的通用性支撐軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題，為構(gòu)建開放通用的路由器軟件基礎(chǔ)平臺提供了保證。

隨著路由器承載業(yè)務(wù)能力的不斷增強(qiáng)，大規(guī)模接入?yún)R聚路由器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)也被提上了議事日程。ACR(大規(guī)模接入?yún)R聚路由器)是3Tnet(高性能寬帶網(wǎng))網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備。該設(shè)備采用ACR寬帶接入方式，即通過帶有遠(yuǎn)端用戶接口單元(RIU)、基于以太網(wǎng)傳輸接口的分合路器(EMDi)組成樹形分叉地域分布式系統(tǒng)構(gòu)架，保證大規(guī)模的用戶直接接入骨干高速網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)視頻點(diǎn)播、網(wǎng)絡(luò)電視、IP電話等寬帶業(yè)務(wù)，從而更加減化了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使業(yè)務(wù)引入更加快速，運(yùn)營策略更加多樣化。

大規(guī)模用戶接入方式也給路由器硬件抽象層的實(shí)現(xiàn)方式及信息的實(shí)時、高速傳輸提出了新的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：首先，承載業(yè)務(wù)量的數(shù)量及種類的增多對路由器內(nèi)部通信的實(shí)時性、高效性提出了更多的要求；其次，大規(guī)模用戶接入方式增加了路由器對外接口的數(shù)量，從而帶來了設(shè)備管理上的難度；再次，從系統(tǒng)的通用性及可擴(kuò)展性考慮，要求構(gòu)建一種具有可擴(kuò)展性且不依賴于硬件具體實(shí)現(xiàn)方式的軟件體系結(jié)構(gòu)，方便路由軟件的移植和應(yīng)用。由此可見，硬件抽象層的高度穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性及可靠性將直接影響路由器的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

由于大規(guī)模用戶接入方式的特性，使得以前基于IPv6路由器的硬件抽象層的實(shí)現(xiàn)方式已經(jīng)不適應(yīng)數(shù)據(jù)高速傳輸及多用戶接入的管理方式。本文將在討論硬件抽象層基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種適用于大規(guī)模接入?yún)R聚路由器的HAL的通用性軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方式，提供高效、可靠的內(nèi)部通信，并針對多用戶接入數(shù)量不確定的情況，提出動態(tài)加載虛擬驅(qū)動模塊的實(shí)現(xiàn)方法，增強(qiáng)路由器面向ACR接入方式的可用性。

1 硬件抽象層基本結(jié)構(gòu)及功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)文獻(xiàn)[2]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(xì)節(jié)的屏蔽，并對其進(jìn)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(bào)文的預(yù)處理等工作，為上層協(xié)議軟件提供標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行管理配置及監(jiān)控；內(nèi)部通信模塊運(yùn)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(shí)時可靠的數(shù)據(jù)傳輸。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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(hù)模塊對虛擬設(shè)備及各處理單元的維護(hù)信息也需要通過內(nèi)部通信模塊進(jìn)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(shí)現(xiàn)方式，對路由器內(nèi)部數(shù)據(jù)的實(shí)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[3]。但該方式?jīng)]能解決TCP傳輸方式的消耗過大、實(shí)時性不強(qiáng)的問題[4]。同時，消除分割符恢復(fù)報(bào)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(shí)時性。系統(tǒng)的實(shí)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[5]，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(bào)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(shí)現(xiàn)一種基于UDP的內(nèi)部通信的可靠性傳輸機(jī)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(jìn)行，路由器業(yè)務(wù)類型的擴(kuò)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(shí)現(xiàn)方法，增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)

內(nèi)部通信模塊處于硬件抽象層的底層，運(yùn)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(shí)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(diǎn)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(yùn)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(jìn)行通信，主要基于以下幾點(diǎn)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(hù)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(jì)算機(jī)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?qiáng)。而可靠性是內(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(shí)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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。

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(jìn)行真正的數(shù)據(jù)傳輸之前，首先要進(jìn)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(bào)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(hù)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(bào)文。如果在規(guī)定的時間內(nèi)收不到對方的KEEPALIVE報(bào)文，說明斷鏈，要進(jìn)行相應(yīng)的斷鏈處理。


2.3 接收端丟失確認(rèn)及滑動窗口

發(fā)送UDP報(bào)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(rèn)信息，如果發(fā)送方在規(guī)定時間內(nèi)沒有收到確認(rèn)信息，則認(rèn)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(shí)現(xiàn)流量控制，防止擁塞。每個發(fā)送方維護(hù)一個重發(fā)隊(duì)列，保存著一定數(shù)量的發(fā)送而沒被確認(rèn)的報(bào)文，該隊(duì)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(diǎn)，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(hù)機(jī)制。在實(shí)際應(yīng)用中證明上述方法可靠高效，能夠維護(hù)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(jìn)行讀寫操作。虛擬驅(qū)動模塊運(yùn)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(bào)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(shí)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(shí)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[6]；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(shí)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(shí)現(xiàn)各虛擬設(shè)備的動態(tài)加載過程，達(dá)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(dá)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(jìn)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。

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(jìn)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(shí)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(zhǔn)函數(shù)進(jìn)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(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)內(nèi)核虛擬驅(qū)動模塊與實(shí)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(shí)際接口單元在接入段拓?fù)渲械奈恢迷O(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(bào)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(shí)際接口單元的拓?fù)湫畔?，以供?nèi)部通信使用。在內(nèi)核中維護(hù)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(diǎn)維護(hù)一個收發(fā)報(bào)文的數(shù)據(jù)隊(duì)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(jìn)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(jìn)行。虛擬驅(qū)動模塊運(yùn)行在內(nèi)核空間，而內(nèi)部通信模塊運(yùn)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(hù)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(diǎn)維護(hù)一個收發(fā)報(bào)文的數(shù)據(jù)隊(duì)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(jìn)行。接收報(bào)文過程：內(nèi)部通信模塊將從接口單元接收的報(bào)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(bào)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(hù)的通過虛擬接口設(shè)備名稱維護(hù)的數(shù)據(jù)隊(duì)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(duì)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(jì)及實(shí)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(shí)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(kuò)展和多用戶接入特性，并且在上層軟件實(shí)現(xiàn)中，基本上可以不考慮底層硬件細(xì)節(jié)，增強(qiáng)了路由器的開放性及可擴(kuò)展性。