姜明月

摘 要： 傳統(tǒng)路由協(xié)調(diào)控制器設(shè)計(jì)方法存在數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)少、傳輸不準(zhǔn)確等問題，無法將節(jié)點(diǎn)分配均衡，大大降低了網(wǎng)絡(luò)控制效率。為此，提出基于云計(jì)算環(huán)境下通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)調(diào)控制器的設(shè)計(jì)。構(gòu)建協(xié)調(diào)控制器模塊框圖，利用低壓差分技術(shù)設(shè)計(jì)光纖以太網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)云計(jì)算環(huán)境下控制器消息接收與發(fā)送處理以及格式轉(zhuǎn)換功能，實(shí)現(xiàn)可自動(dòng)調(diào)節(jié)的通信路由控制器。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究表明，該控制器設(shè)計(jì)可增加數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)，并提高數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確率，同時(shí)控制效果較強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)魯棒性較好。

關(guān)鍵詞： 云計(jì)算； 數(shù)據(jù)傳輸； 轉(zhuǎn)換； 通信網(wǎng)絡(luò)； 路由； 協(xié)調(diào)控制器

中圖分類號(hào)： TN915.02?34； TP332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）23?0101?03

Abstract： The traditional design method of routing coordinated controller has the problems of few data transmission times and inaccurate data transmission， and can′t balance the node allocation， which may reduce the control efficiency of the network greatly. Therefore， the design of the communication network routing coordinated controller in cloud computing environment is proposed. The block diagram of the coordinated controller model is constructed. The low?voltage differential technology is used to design the structure of the fiber optic Ethernet coordinated controller. The messages receiving and sending functions of the controller and the format conversion function are designed in cloud computing environment to realize the communication routing controller with automatic control function. The experimental results show that the controller can increase the times of data transmission and improve the accuracy of data transmission， and has perfect control effect and strong network node robustness.

Keywords： cloud computing； data transmission； conversion； communication network； routing； coordinated controller

0 引 言

隨著通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，可通過光纖以太網(wǎng)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)與多媒體之間的信息傳遞?；谠朴?jì)算環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)在25 000 GHz范圍內(nèi)可隨意設(shè)置大數(shù)量的協(xié)調(diào)控制器，并可反復(fù)使用，使用該控制器可將上百萬個(gè)頻道同時(shí)容納在其中，大大提高了通信質(zhì)量。云計(jì)算環(huán)境下通信網(wǎng)絡(luò)采用光纖以太網(wǎng)對(duì)協(xié)調(diào)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)通信的主要途徑。而傳統(tǒng)通信采用光纖通信方式進(jìn)行設(shè)計(jì)與構(gòu)建，存在傳輸性能差、數(shù)據(jù)傳輸不準(zhǔn)確，無法解決網(wǎng)絡(luò)傳輸寬帶高的問題，為此光纖以太網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。

在云計(jì)算環(huán)境下的路由協(xié)調(diào)控制器可降低網(wǎng)絡(luò)日常開銷，大大提高網(wǎng)絡(luò)連通度，延長使用壽命。隨著各項(xiàng)通信業(yè)務(wù)高速發(fā)展，有關(guān)協(xié)調(diào)控制的設(shè)計(jì)方法受到了人們重視，利用光纖資源建立起來的網(wǎng)絡(luò)能夠在全雙工模式下拓展鏈路長度，促使該技術(shù)的應(yīng)用由局域網(wǎng)延伸到任何傳輸網(wǎng)絡(luò)成為可能。通常情況下，基于云計(jì)算環(huán)境的路由協(xié)調(diào)控制器可進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，最大傳輸距離僅僅會(huì)受到物理層面限制，不會(huì)影響整個(gè)路由網(wǎng)絡(luò)傳輸情況。采用該設(shè)計(jì)方法可將所有技術(shù)兼容，并根據(jù)規(guī)定的城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，同時(shí)該控制器易于管理，成本較低，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男室部蓾M足用戶需求。

1 通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)調(diào)控制器模塊設(shè)計(jì)

云計(jì)算環(huán)境下通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)調(diào)控制器模塊設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

由圖1可知，該模塊設(shè)計(jì)是在云計(jì)算環(huán)境下將路由協(xié)調(diào)控制器移植到嵌入式系統(tǒng)中，在雙方協(xié)議規(guī)定之下完成綜合通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并通過操作按鍵控制綜合通信網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)控制器的工作模式；指示模塊的設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)工作狀態(tài)、側(cè)方向網(wǎng)絡(luò)連通狀態(tài)、流量統(tǒng)計(jì)[1]。

光纖以太網(wǎng)控制器由可集成的介質(zhì)訪問物理接口器和媒介控制器組成，該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制時(shí)，需遵循IEEE 802.3規(guī)則，并支持100BASE?TX標(biāo)準(zhǔn)，媒體介入控制層（MAC）和物理層（PHY）分別與ISO協(xié)議模型中的第3層和第2層相對(duì)應(yīng)[2]。

協(xié)調(diào)控制器基本接口是在媒體介入控制層（MAC）的簡單總線接口，該層次可為網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)送與接收提供途徑，通過內(nèi)部媒體獨(dú)立接口給物理層（PHY）提供數(shù)據(jù)傳輸接口；而物理層（PHY）主要負(fù)責(zé)與光纖以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。

由圖2可知，對(duì)協(xié)調(diào)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，無論物理接口是串行還是并行都能正確完成工作，物理接口采用的是IEEE 1596.3低壓信號(hào)，并使用8/16位的鏈路作為協(xié)議端點(diǎn)規(guī)范，該規(guī)范詳細(xì)規(guī)定了采用8/16位鏈路數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)鐘與幀信號(hào)傳輸時(shí)，不能偏離傳輸途徑，且不可反復(fù)傳輸[4]。endprint

利用低壓差分技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行傳輸時(shí)，可使用短距離低擺幅恒流差分信號(hào)，并在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體上實(shí)現(xiàn)。其工作頻率為300 MHz左右，沿著上下時(shí)鐘對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該接口網(wǎng)絡(luò)流量較高，同時(shí)，由于所有信號(hào)都集中在一條差分線上，因此可采用較多引腳來完成龐大數(shù)量的信號(hào)傳輸。

2 通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)調(diào)控制器軟件設(shè)計(jì)

2.1 控制器消息接收與發(fā)送處理設(shè)計(jì)

信息接收處理的主要功能是將接收信息轉(zhuǎn)換為光纖以太網(wǎng)包，具體過程如圖3所示。

（1） 接收控制模塊主要負(fù)責(zé)從接口處接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，并進(jìn)行拆包，將拆分之后的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包發(fā)送給請(qǐng)求數(shù)據(jù)模塊以備處理[5]。

（2） 信息接收處理模塊主要從請(qǐng)求數(shù)據(jù)模塊中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并從請(qǐng)求數(shù)據(jù)中提取與之相關(guān)的信息，將此信息進(jìn)行分類處理。

如果接收到的信息是經(jīng)過物理接口模塊而返回的反響信息，那么需將該信息重新送入請(qǐng)求響應(yīng)模塊之中，以備發(fā)送接口控制模塊對(duì)信息進(jìn)行提取與發(fā)送；如果接收到的信息需要重寫或重讀，則需將其轉(zhuǎn)換為具有查詢地址的代碼儲(chǔ)存在寄存器中；如果接收到的信息郵箱信息，那么將該信息以數(shù)據(jù)的形式發(fā)送到請(qǐng)求模塊中，以備進(jìn)行下一步處理。

（3） 消息模塊是實(shí)現(xiàn)信息傳遞、接收與處理的功能模塊，主要負(fù)責(zé)對(duì)接收到的信息以郵箱形式進(jìn)行整合，方便構(gòu)成光纖以太網(wǎng)包[6]。

該模塊需控制子模塊以及18個(gè)郵箱模塊，當(dāng)信息發(fā)送到郵箱時(shí)，先控制子模塊按照郵箱號(hào)碼進(jìn)行分段標(biāo)記，并將其分成郵箱信息和郵箱消息數(shù)據(jù)；然后存入到各個(gè)郵箱模塊中，通過計(jì)算獲得郵箱信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址；最后將郵箱數(shù)據(jù)存入到消息數(shù)據(jù)中。

郵箱模塊主要完成郵箱匹配和產(chǎn)生超時(shí)信號(hào)處理，而消息模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)超時(shí)信息進(jìn)行清除整理操作，如果郵箱內(nèi)信息處理超時(shí)，那么會(huì)出現(xiàn)清空郵箱信號(hào)，這樣可確保郵箱不被阻塞。

此外，該模塊還可負(fù)責(zé)對(duì)消息長度、分段號(hào)所產(chǎn)生的消息進(jìn)行接收，并將其返回到信息接收處理模塊中[7]。

（4） 對(duì)信息處理后，將所接收的郵箱數(shù)據(jù)通過傳輸發(fā)送到數(shù)據(jù)模塊中，并重新組成光纖以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，通過光纖以太網(wǎng)發(fā)送模塊完成消息接收與發(fā)送處理。

2.2 協(xié)調(diào)控制器內(nèi)部功能設(shè)計(jì)

2.2.1 信息接收控制功能

該模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)消息組成的消息頭和數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，在該模塊中，將接收后的信息根據(jù)數(shù)據(jù)中存在的信息數(shù)據(jù)包來判斷光纖以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的標(biāo)志。其接收控制功能還需負(fù)責(zé)接收重寫、重讀和普通信息，并將接收到的信息儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫中[8]。

2.2.2 信息接收處理功能

信息接收處理模塊的狀態(tài)機(jī)如圖4所示。

該狀態(tài)機(jī)主要根據(jù)協(xié)調(diào)控制器的不同類型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存并接收，并存在以下幾種情況：

（1） 如果將光纖以太網(wǎng)信息儲(chǔ)存到郵箱模塊中，對(duì)應(yīng)的消息數(shù)據(jù)一般為不處理狀態(tài)；

（2） 如果信息為“重寫”狀態(tài)，那么需判斷寄存器空間是否需要將此信息重新輸入，如果需要輸入，那么在寄存器空間內(nèi)使用“寫”狀態(tài)清除重寫信息；

（3） 如果信息為“重讀”狀態(tài)，那么需將信息儲(chǔ)存到“讀”隊(duì)伍中，該隊(duì)伍可將讀取數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到請(qǐng)求響應(yīng)數(shù)據(jù)模塊中，如果沒有明確儲(chǔ)存器地址，那么“讀”狀態(tài)需清除所有“重讀”信息[9]。

3 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證云計(jì)算環(huán)境下通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)調(diào)控制器設(shè)計(jì)的性能，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)在Matlab平臺(tái)上進(jìn)行，利用一臺(tái)臺(tái)式電腦，并安裝雙端口萬兆位的光纖以太網(wǎng)控制器，支持外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)總線。該部件為虛擬化的硬件優(yōu)化特性，支持網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一格局，允許局域網(wǎng)、儲(chǔ)存網(wǎng)等任何網(wǎng)絡(luò)共享，此外，使用集成物理層（PHY）的適配器和刀片服務(wù)器夾層卡。

選取云計(jì)算環(huán)境下通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)范圍為2 400 m×2 400 m二維區(qū)域，進(jìn)行隨機(jī)分布，參數(shù)設(shè)置如表2所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境與參數(shù)設(shè)置可知，通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)調(diào)控制器的設(shè)計(jì)可進(jìn)行定量分析，采用本文設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)傳輸性能分析實(shí)驗(yàn)，將傳輸次數(shù)與正確傳輸概率作為測試指標(biāo)，由此獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為100時(shí)，采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇螖?shù)約為7 800次，并且隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加，上升速度逐漸變慢；而在云計(jì)算環(huán)境下的協(xié)調(diào)控制器設(shè)計(jì)所進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇螖?shù)約為12 000次，并且隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加，傳輸次數(shù)逐漸增多。

將傳統(tǒng)方法與本文方法對(duì)信息傳輸準(zhǔn)確概率進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知：在節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少時(shí)，采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法對(duì)信息傳輸?shù)恼_概率約為0.87，并且隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而呈現(xiàn)下降趨勢；而在云計(jì)算環(huán)境下協(xié)調(diào)控制器設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_概率約為0.98，不會(huì)因?yàn)槭艿焦?jié)點(diǎn)數(shù)量的影響而降低，展示了該設(shè)計(jì)方法的優(yōu)越性，信息傳輸準(zhǔn)確率高于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

4 結(jié) 語

通信路由協(xié)調(diào)控制器的特點(diǎn)是直接利用內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)來控制模塊，成功移植精簡鏈路規(guī)范，并在云計(jì)算環(huán)境下對(duì)通信路由協(xié)調(diào)控制程序進(jìn)行編寫，使其轉(zhuǎn)換為具有規(guī)范協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)，該控制器設(shè)計(jì)可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能，進(jìn)而完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體控制。針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法存在傳輸性能差、數(shù)據(jù)傳輸不準(zhǔn)確等問題，采用云計(jì)算環(huán)境下設(shè)計(jì)方法可有效提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)聂敯粜裕阅?優(yōu)越，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

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