基于Fabric網絡平臺的中間件設計?

孫學

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

基于Fabric網絡平臺的中間件設計?

孫學

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

基于Fabric網絡拓撲及其傳輸特點，設計了模塊級綜合化信號與信息處理機的網絡通信中間件模型，詳細描述了其中的Fabric通信模型、網絡管理模型和圖形化配置監控模型。該中間件通過映射Fabric物理端口為多個邏輯通信端口，屏蔽網絡鏈路的容錯細節，以及靜態邏輯連接關系和應用部署的動態綁定，實現了位置無關的網絡通信、應用部署、容錯控制、配置及監控維護等處理機平臺基礎設施，減小了系統應用與機器平臺的設計耦合，增強了系統應用的設計靈活性，可以顯著提高系統應用的集成效率。

綜合化信號與信息處理機；開關網絡；中間件設計；網絡管理

1 引言

采用協議開放的開關互連技術（Fabric或Switched Fabric）取代共享總線技術實現以Fabric網絡為中心的信號與信息處理機硬件架構是模塊級高度綜合集成系統的首選方案［1，2］。同時，Fabric網絡也帶來了一系列需要解決的技術應用問題，涉及網絡通信、應用部署、容錯控制、配置及監控維護等，而且這些處理機平臺基礎設施對平臺應用設計人員具有較大技術挑戰性。

本文基于雙星型Fabric網絡平臺引入一種中間件設計模型，向下封裝復雜的Fabric網絡特性，向上提供應用構件間的交互接口，實現應用構件的邏輯關聯和動態配置功能，從而把綜合化設備緊耦合的物理關聯分解成松耦合的邏輯關聯，把功能波形的物理綜合問題分解為邏輯獨立的系統構件集成問題，把波形綜合對系統全局的關聯影響分解為構件集成對系統局部的接口影響，減小了系統應用與機器平臺的設計耦合，增強了系統應用的設計靈活性，可以顯著提高系統應用的集成效率。

本文第2節和第3節描述Fabric硬件拓撲和基于該平臺的中間件模型，第4節、第5節和第6節對該中間件模型的設計實現進行重點描述，分別是Fabric通信設計、網絡管理設計和圖形化配置及監控設計。

2 Fabric網絡拓撲

Fabric網絡拓撲如圖1所示［3］。S1-1、S1-2和S1-3交換節點構成主交換網絡S1，S2-1、S2-2和S2-3交換節點構成備交換網絡S2，S1和S2構成雙星型網絡拓撲。葉子節點與S1連接的鏈路稱為主鏈路，與S2連接的鏈路稱為備鏈路，SM1與SM2之間的鏈路為網絡同步鏈路。SM1為系統管理主節點，SM2為系統管理備節點；NM1為網管主節點，NM2為網管備節點；N1～N n為處理機平臺普通處理節點。

3 平臺中間件模型

Fabric網絡平臺的中間件結構模型如圖2所示［4］。N1、N2、N3等葉子節點由DSP、PowerPC以及FPGA-core等含有Fabric接口的處理器組成；S1和S2是對等拓撲結構的Fabric交換網絡，由Fabric交換節點組成。在以上Fabric網絡硬件平臺上，構建的中間件模型組成部分包括通信管理、節點管理、網絡管理以及系統管理。

通信管理完成Fabric接口驅動和網絡枚舉，提供網絡異構節點硬件的控制和操縱；通過媒體接入管理提取資源信息并完成標識符等信息的統一映射；完成物理鏈路帶寬分配等鏈路控制及其狀態管理；完成邏輯鏈路協議等傳輸控制和資源管理。

節點管理提供Fabric葉子節點資源的控制管理，包括節點BIT、程序的動態加載和在線更新等控制管理功能，提供節點工作狀態監控以及運行維護的遠程控制代理。

網絡管理是Fabric網絡的管理中樞，完成Fabric網絡資源的信息組織和倉儲，根據系統配置實現網絡物理拓撲和邏輯關聯關系管理、動態路由計算、網絡狀態監測和網絡鏈路的容錯處理，實現通信物理鏈路和邏輯鏈路的狀態收集和日志記錄。

系統管理是整個信號與信息處理機系統的管理中樞，提供Fabric網絡物理拓撲和邏輯對象關聯關系的配置和靜態規劃；提供網絡及節點遠程監控；提供系統節點資源的容錯處理以及應用部署策略等。

系統管理的應用部署、網絡拓撲規劃和邏輯關聯配置與網絡管理的接口，提供邏輯對象與物理實體之間的動態綁定，這是綜合化設備緊耦合的物理關聯分解成松耦合的邏輯關聯的關鍵。

網絡管理和通信管理的接口提供物理對象和邏輯對象，邏輯對象關聯信息的集中式分發，實現應用程序之間面向對象的信息交互。

另外，通信管理的網絡接口和驅動與網絡管理的資源掃描進行接口，這是網絡底層硬件特性所固有的接口。通過硬件層次緊耦合換取應用層次松耦合設計，把功能波形的物理綜合問題分解為邏輯獨立的系統構件集成問題。

系統管理的節點監控與節點管理之間的系統控制接口提供系統級控制管理通道；系統管理的網絡監控與網絡管理之間的平臺控制接口提供Fabric平臺級控制管理通道。這兩個通道的分離設計，有利于把波形綜合對系統全局的關聯影響分解為構件集成對系統局部的接口影響，同時也為系統和平臺的配置、監視和維護提供了遠程控制通道。

4 Fabric通信設計

在分布式信號與信息處理機處理器之間或處理器的不同線程之間，Fabric通信軟件利用Fabric網絡底層硬件通信機制和操作系統的資源調度策略，實現Fabric接口通信資源的管理機制（如收發單元的管理）、數據緩存管理機制（如Fabric接口內外部存儲資源的復用策略）、發送接收隊列的管理機制、物理資源和邏輯資源的關聯策略（如邏輯端口管理）、定時管理以及握手協議等，通過少量的通信庫函數為應用程序提供高效的數據傳輸服務。

根據中間件模型設計，Fabric通信軟件需要具備在同一個Fabric物理端口提供多個邏輯端口通信能力，這是應用程序之間面向對象的信息交互的基礎，如圖3所示。

在ISO／OSI七層模型和TCP／IP四層模型基礎上，結合Fabric網絡特性為通信軟件設計高效輕量的協議分層模型如圖4所示。

Fabric通信軟件包括進程間通信（IPC）功能和網管代理功能。IPC部分提供高速可靠的進程間通信功能；網管代理部分輔助網管實現對網絡中各節點的Fabric接口管理和維護，為IPC部分的正常運行提供支持。與參考模型相比，Fabric協議更類似于TCP／IP參考模型，得益于Fabric交換技術，數據鏈路層和網絡層設計更為簡約。

接口封裝：IPC通過網管接口和應用接口分別向網管和應用程序提供相應的服務。應用程序只需使用其所提供的接口獲取網管代理和IPC所提供的服務，而無需關心通信協議內部是如何傳輸和實現的。

網管代理：網管代理將網管發出的控制命令與信息傳送到每個節點，每個節點上的網管代理再分別控制IPC中的功能，實現如建立連接、掛起連接等一系列的操作，通過這種方式實現網管對節點通信的集中管理。

傳輸層：在IPC中傳輸層將邏輯鏈路層的鏈路復用成多條邏輯的鏈路，為每個鏈路分配端口標識并維護這些鏈路的狀態。應用程序收發的數據通過傳輸層的處理后到達邏輯鏈路層。

邏輯鏈路層：所有復用的邏輯鏈路最終匯合在這一層上，保障所有數據的收發并維護在該層上的鏈路。該層同時保障數據的優先級，如果在該層的隊列中同時存在多個優先級的數據，高優先級的數據要比低優先級的數據先出隊列并發送出去。

媒體接入控制層：該層是對硬件的抽象接口，實現上層協議和Fabric底層硬件特性隔離，使用統一的接口實現數據的收發與配置。

5 網絡管理設計

在綜合化信號與信息處理機系統中，Fabric網絡是由多個節點板卡通過底板互連的，使得同一個板卡內及板卡之間的連接關系是確定的，網絡的規模隨著接入板卡的多少存在變化，但網絡中的節點連接關系是確定的，即實際的網絡拓撲必然是最大設定拓撲結構的子集，如圖5所示。

雙星型Fabric網絡采用了兩級容錯方法，第1級為中心交換網絡容錯，第2級為交換鏈路容錯，如圖7所示。當主網絡鏈路故障，備網絡工作正常時，進行主備網絡切換，實現第1級中心網絡容錯；當備網絡鏈路繼續故障時，這時網絡帶故工作實現第2級網絡鏈路容錯；備網絡故障或單網絡工作時，主網絡鏈路故障直接進行第2級鏈路容錯。

預先設定最大拓撲中每個節點的關鍵信息，并將最大拓撲信息保存于非易失存儲區，使得系統枚舉的每個節點的關鍵信息均可從模板拓撲中提取，提高了網絡枚舉效率，保證了關鍵應用的確定性時延指標。

網絡中間件的通信配置模型如圖6所示。系統管理向Fabric葉子節點發送程序加載控制指令，向Fabric主網管下發程序部署指令；網絡管理根據程序間的邏輯關聯關系和網絡物理拓撲，執行動態路由配置并向系統管理上報節點間通信配置結果。

6 圖形化配置及監控設計

采用在GUI上構造網絡拓撲的方式，錄入與讀取網絡物理部件拓撲連接關系。通過圖形化描述把應用程序模塊信息封裝成標準化的圖形化軟件構件，每個軟件部件信息包括軟件模塊名稱、對外接口名稱及其綁定的邏輯端口號等信息。把硬件處理模塊信息封裝成標準化的圖形化硬件部件，每個硬件部件信息包括硬件類型、硬件模塊插槽編號等信息。采用鼠標拖動軟件構件到硬件部件相應的處理器中來表達軟件在硬件上的部署和信息綁定關系，在軟件部件端口間畫連接線表達軟件部件之間的連接關系。

用這種可視化方式來翻譯和表達網絡物理拓撲、邏輯關聯關系，以及部署關系等配置信息，并通過軟件工具自動轉換成網絡管理軟件可以識別的文本格式，實現所見即所得的網絡配置、監視和維護控制，簡化了中間件的使用要求并提升了用戶體驗，如圖8所示。

7 小結

本文提出了一種基于雙星型Fabric網絡拓撲的中間件設計模型，能夠提供與位置無關的網絡通信、應用服務的動態部署、網絡節點的容錯控制，以及圖形化的配置、監控與運行維護功能。在某綜合化信號與信息處理機的設計和集成應用過程中，基于該設計模型的中間件軟件功能穩定、性能優良；基于該中間件設計的綜合化系統與平臺耦合度小，能提高3～5倍的系統集成效率，效果明顯。本文可供相關工程設計參考。

［1］錢義東.雙星型網絡拓撲可靠性分析［J］.計算機工程，2009，35（16）：224-227.

QIANYi-dong.Availability Analysis of Double-star Network Topology［J］.Computer Engineering，2009，35（16）：224 -227.（in Chinese）

［2］孫學，段求輝，陳穎.StarFabric技術綜述［J］.中國電子科學研究院學報，2007，2（2）：191-196.

SUN Xue，DUAN Qiu-hui，CHEN Ying.A Survey of Star-Fabric Technology［J］.Journal of China Academy of Electronics and Information Technology，2007，2（2）：191-196.（in Chinese）

［3］Gunkel M，Schneiders M.Aggregation Networks：Cost Comparison ofWDM Ring vs.Double Star Topology［C］／／Proceedings of2008 International Conference on Optical Network Design and Modeling.Vilanova i la Geltru：IEEE，2008：1-5.

［4］AEEC／ARINC 651-1，Design guidance for integrated modular avionics［S］.

Midd leware Software Design Based on Switched Fabric Platform

SUN Xue
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

Based on Fabric topology and its characteristics，amiddleware designmodel of the Fabric platform applied in the Integrated Modular Architecture Signal＆Information Processor is proposed.The Fabric communication model，the Fabric managementmodel，and the graphic Configuration＆Surveillance＆Control（CSC）model are described.Themiddlewaremaps Fabric physical port tomultiple logic communication ports，shields the details ofmending link faults，and bundles the static logic connection relationship and the dynamic deploymentofapplications.Itprovides themain platform infrastructure of processor，including the function of Fabric communication independent on place，the function of application deployment，the function of faults tolerance control，the function of CSC，and the function of Fabricmaintenance.Italleviates the coupling between applications and processor platform，promotes the agility of application design，and greatly accelerates the integration of applications of the system.

integrated signal＆information processor；switched Fabric；middleware design；network management

the M.S.degree from Chongqing University in 2004.He is now an engineer.His research concerns switch Fabric，distributed computing and array computing.

1001-893X（2011）11-0079-05

2011-06-01；

2011-09-26

TN915；TP393

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.11.016

孫學（1978—），男，重慶合川人，2004年于重慶大學獲碩士學位，現為工程師，主要研究方向為交換式總線、分布式計算和陣列計算技術。

Email：sun8xue＠163.com

SUN Xue was born in Hechuan，Chongqing，in 1978.He