基于Power Architecture處理器的IP業(yè)務匯聚算法實現(xiàn)

司偉 姚萌 劉小勇

關鍵詞：自組網(wǎng)；IP業(yè)務；數(shù)據(jù)包匯聚算法；Power Architecture處理器

自組網(wǎng)通信系統(tǒng)具有無中心、自組織、自愈合、抗毀性強、支持動中通等特點，可以在不依賴網(wǎng)絡基礎設施的場景中提供可靠的組網(wǎng)通信能力，在軍民用領域均有廣闊的應用前景。

無線自組網(wǎng)通信系統(tǒng)作為一種依托無線信道完成實現(xiàn)的通信系統(tǒng)，包括傳輸容量及物理帶寬等關鍵指標在內(nèi)的通信能力都受到很多限制且易受到干擾。特別是在無中心自組網(wǎng)通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通信時隙需收發(fā)節(jié)點進行預約確定且每個時隙可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量是確定的，在沒有進行IP業(yè)務匯聚的系統(tǒng)中，傳輸較短的數(shù)據(jù)包與傳輸較長的數(shù)據(jù)包需要消耗相同的時隙資源，造成時隙資源的浪費。特別是在業(yè)務帶寬受限的情況下，這種浪費會嚴重影響設備的實際使用體驗。

為了解決時隙資源的浪費問題，必須提升無線自組網(wǎng)通信系統(tǒng)在實際應用場景下的傳輸能力，本文提出了一種IP業(yè)務匯聚算法，并基于Power Architecture處理器硬件平臺進行實現(xiàn)。

1IP業(yè)務匯聚硬件平臺方案

本系統(tǒng)硬件平臺采用恩智浦公司的P4080DS開發(fā)系統(tǒng)進行開發(fā)。

該開發(fā)系統(tǒng)的核心控制模塊采用恩智浦公司P4080多核通信處理器。該處理器采用45nm工藝技術(shù)，集成了8個Power Architecture e500mc內(nèi)核，運行頻率1.5GHz，同時可以提供豐富的外設總線接口和高性能數(shù)據(jù)通路加速邏輯及網(wǎng)絡，能夠滿足高性能應用的需求，以相對較低的功耗提供高性能的網(wǎng)絡服務。

P4080DS開發(fā)系統(tǒng)提供一個10/100/1000BASE-T網(wǎng)絡接口，可以方便地實現(xiàn)IP業(yè)務的接入；支持4GBDDR3存儲單元和128MB NOR FLASH;支持PCI-e，SGMII，Rapidl/0等多種高速接口，可以方便地與其他模塊實現(xiàn)互聯(lián)互通。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

2IP業(yè)務匯聚算法的實現(xiàn)

IP業(yè)務匯聚算法在P4080處理器上進行實現(xiàn)，具體的算法需要實現(xiàn)發(fā)送端和接收端的功能。其中，發(fā)送端包括數(shù)據(jù)接收模塊、路由尋址模塊、鄰節(jié)點消息隊列、業(yè)務匯聚模塊，接收端包括解匯聚模塊、路由尋址模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、鄰節(jié)點消息隊列及業(yè)務匯聚模塊：接收端的鄰節(jié)點消息隊列及業(yè)務匯聚模塊與發(fā)送端共用，以完成數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)：發(fā)送端將需要發(fā)送的業(yè)務或維護數(shù)據(jù)，通過路由尋址模塊送入下一跳節(jié)點所對應的消息隊列，經(jīng)業(yè)務匯聚模塊在合適的時機完成匯聚后發(fā)送至傳輸信道：接收端接收到匯聚幀后，解匯聚模塊將數(shù)據(jù)包恢復，路由尋址模塊解析恢復后的數(shù)據(jù)包，依據(jù)解析結(jié)果進行中繼轉(zhuǎn)發(fā)或通過數(shù)據(jù)發(fā)送模塊送往相應的目的地址。相關原理框圖如圖2、圖3所示。

為實現(xiàn)對IP業(yè)務數(shù)據(jù)包的匯聚及解匯聚，需要對數(shù)據(jù)包進行封裝并增加額外的幀頭。將系統(tǒng)接收到的IP業(yè)務數(shù)據(jù)包、系統(tǒng)網(wǎng)絡維護數(shù)據(jù)包增加2字節(jié)幀長字段、1字節(jié)幀序號字段、1字節(jié)目的節(jié)點號字段，封裝為一個待匯聚的單幀。在匯聚時，將1個或多個單幀進行組合，并增加2字節(jié)幀長字段、1字節(jié)單幀數(shù)量字段、1字節(jié)下一跳節(jié)點號字段，封裝為一個匯聚幀。

在發(fā)送端，數(shù)據(jù)接收模塊接收來自于業(yè)務終端的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包或無線自組網(wǎng)設備產(chǎn)生的網(wǎng)絡維護數(shù)據(jù)包，由路由尋址模塊確定數(shù)據(jù)包的下一跳節(jié)點，將其封裝為單幀并送人對應的消息隊列中。業(yè)務匯聚模塊根據(jù)當前數(shù)據(jù)包長度及時隙資源空閑狀態(tài)來確定是否進行業(yè)務匯聚，若時隙資源空閑，則無需匯聚直接發(fā)送，若當前日寸隙資源被占用，則進行業(yè)務匯聚。基于此，算法可以在不引入額外時延的基礎上提升傳輸效率。

在接收端，解匯聚模塊接收到數(shù)據(jù)包后進行解匯聚，并將解析出的單幀送人路由尋址模塊，路由尋址模塊進一步解析數(shù)據(jù)包，依據(jù)目的節(jié)點號判定是否進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。若需要轉(zhuǎn)發(fā)，則送人各鄰居節(jié)點對應的消息隊列再次判斷是否匯聚，若無需轉(zhuǎn)發(fā)，則送人數(shù)據(jù)收發(fā)模塊完成數(shù)據(jù)包的傳輸。

3系統(tǒng)性能測試

系統(tǒng)性測試包括系統(tǒng)點對點通信吞吐量測試和傳輸時延測試。測試框圖如圖4所示。

3.1吞吐量測試

在2Mbps通信速率檔位下，使用網(wǎng)絡誤碼儀經(jīng)過通信系統(tǒng)雙向?qū)Πl(fā)包長為64字節(jié)的IP數(shù)據(jù)包。在未實現(xiàn)IP業(yè)務匯聚功能的系統(tǒng)上最大僅可實現(xiàn)約320Kbps的業(yè)務傳輸；當采用了本算法后，雙向傳輸速率可達到1.9Mbps。刨除算法開銷后基本實現(xiàn)了滿速率傳輸。

3.2傳輸時延測試

在2Mbps通信速率檔位下，使用網(wǎng)絡誤碼儀經(jīng)過通信系統(tǒng)雙向?qū)Πl(fā)共計1Mbps的背景流量，同時使用兩臺計算機經(jīng)過通信系統(tǒng)進行ping包測試。在未實現(xiàn)IP業(yè)務匯聚功能的系統(tǒng)上，平均ping包時延（單跳往返）可達約120ms；當采用本算法后，平均ping包時延僅需約55ms。

應用IP業(yè)務匯聚算法前后測試結(jié)果的對比如表1所列。

4結(jié)束語

將基于Power Architecture處理器硬件平臺實現(xiàn)的具有IP業(yè)務匯聚功能的自組網(wǎng)通信系統(tǒng)的通信能力，同傳統(tǒng)無線自組網(wǎng)通信系統(tǒng)進行對比，其吞吐量和在具有背景流量下的通信時延均有明顯改善。其不同于傳統(tǒng)的點對點傳輸設備的IP業(yè)務匯聚算法，本文算法支持多節(jié)點組網(wǎng)中繼傳輸，且不引入額外傳輸時延。該算法有效提升了無線自組網(wǎng)系統(tǒng)的傳輸效率以及設備的實用性。