基于可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的高速數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)*

張 樂(lè)，武 杰

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代物理系 核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026）

0 引言

在一些工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，如大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由于數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)分布范圍廣、數(shù)據(jù)率高，從而需要在不同數(shù)據(jù)信道間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[1]，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中不可避免地需要數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送和管理。

傳統(tǒng)傳輸協(xié)議（如 TCP/IP、TFTP、SCTP等）的實(shí)現(xiàn)方法為在底層傳輸介質(zhì)基礎(chǔ)上依靠復(fù)雜的CPU運(yùn)算來(lái)保證數(shù)據(jù)的可靠性，在不同的CPU主頻下TCP性能測(cè)試如表1所示。

表1 不同CPU千兆[2-3]及百兆[4]以太網(wǎng)TCP數(shù)據(jù)率

可見(jiàn)傳統(tǒng)的TCP實(shí)現(xiàn)方案對(duì)CPU主頻依賴(lài)性強(qiáng)，隨之帶來(lái)的高功耗無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)低功耗的設(shè)計(jì)要求。本文在可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種高速數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)，在100 Mb/s和1 000 Mb/s信道之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和管理，在更低CPU主頻（168 MHz）情況下具有信道利用率高（百兆97%以上，千兆 98%以上）、可靠、可控、低功耗等特點(diǎn)。

1 節(jié)點(diǎn)所處網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在大規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、分布范圍廣，在有線數(shù)字傳感網(wǎng)絡(luò)中將采集節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)百兆以太網(wǎng)鏈路回傳，并通過(guò)數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯總通過(guò)千兆以太網(wǎng)鏈路向更高級(jí)進(jìn)行傳輸[5]，此方向?yàn)閿?shù)據(jù)通道（上行通道）。

另一方面需要對(duì)各采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制和管理，在大規(guī)模采集系統(tǒng)中，為減輕中心節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算壓力，采用分布式管理對(duì)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。接收千兆以太網(wǎng)鏈路命令利用本地低功耗MCU進(jìn)行分析處理，通過(guò)百兆以太網(wǎng)鏈路向下級(jí)發(fā)送，此方向?yàn)槊钔ǖ溃ㄏ滦型ǖ溃?。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)所處網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

傳統(tǒng)的通信協(xié)議（TCP/IP）需要復(fù)雜的路由協(xié)議，高層協(xié)議還需要大量的應(yīng)用服務(wù)，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)過(guò)于復(fù)雜，且對(duì)CPU運(yùn)算能力有較高要求。在相對(duì)較低的主頻及功耗條件下無(wú)法滿(mǎn)足高速、可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議在傳統(tǒng)通信協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行精心裁剪，對(duì)于一些工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用系統(tǒng)，如大規(guī)模地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，本協(xié)議針對(duì)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)底層硬件。上層軟件根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)，減少不必要的開(kāi)銷(xiāo)以適合高效率數(shù)據(jù)封裝，滿(mǎn)足高速、可控、可靠的數(shù)據(jù)傳輸需求[1]。

可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議包括：ACK回應(yīng)與超時(shí)重發(fā)機(jī)制；轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先及本地緩存機(jī)制；命令、回應(yīng)、確認(rèn)機(jī)制等。相比傳統(tǒng)的通信協(xié)議更適應(yīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，效率更高。

3 數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)利用FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)專(zhuān)用硬件接口，實(shí)現(xiàn)硬件ACK響應(yīng)和判斷、硬件重發(fā)、硬件轉(zhuǎn)發(fā)和硬件發(fā)送仲裁等功能，并利用低功耗MCU進(jìn)行命令響應(yīng)和數(shù)據(jù)處理。基于可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議在百兆以太網(wǎng)鏈路和千兆以太網(wǎng)鏈路之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和命令響應(yīng)。

3.1 硬件平臺(tái)及節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由三部分組成：

圖2 數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

（1）低功耗MCU，主要用于命令響應(yīng)和數(shù)據(jù)處理。硬件接口將數(shù)據(jù)及命令通過(guò)MII高速數(shù)據(jù)接口及低速命令接口將信息傳送至中央處理單元，經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)、需要向上級(jí)返回的命令響應(yīng)及向下級(jí)分發(fā)的命令通過(guò)對(duì)應(yīng)的接口發(fā)送至硬件接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。作為原型機(jī)硬件，MCU采用 ST公司 STM32F407，其基于 CortexTMM4架構(gòu)，主頻168 MHz。在原型機(jī)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了命令處理、高數(shù)據(jù)率（＞97 Mb/s）數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

（2）千兆以太網(wǎng)硬件接口部分，主要由 Xilinx Spartan 6 FPGA和Broadcom千兆以太網(wǎng)芯片組成。在FPGA內(nèi)編寫(xiě)專(zhuān)用通信硬件接口，硬件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)、接收、本地?cái)?shù)據(jù)發(fā)送。其內(nèi)部的可拓展RDT（Reliable Data Transmission）模塊根據(jù)幀類(lèi)型及地址進(jìn)行自動(dòng)ACK確認(rèn)、本地發(fā)送與轉(zhuǎn)發(fā)仲裁、超時(shí)等待及重發(fā)等，通過(guò)拓展RDT模塊增加發(fā)送緩存區(qū)數(shù)目可以有效地增加信道的利用率。FPGA使用Xilinx TriMode Ethernet Logic Core[6]通過(guò)RGMII接口與以太網(wǎng)芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過(guò)以太網(wǎng)物理層與其他數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)及主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。測(cè)試100 m CAT6類(lèi)網(wǎng)線傳輸正確。

（3）百兆以太網(wǎng)硬件接口部分主要由Xilinx Spartan 6 FPGA和TI TLK100百兆以太芯片組成。在FPGA內(nèi)由硬件實(shí)現(xiàn)接收、自動(dòng)ACK生成和發(fā)送。其內(nèi)部可拓展RDT模塊自動(dòng)完成ACK確認(rèn)、發(fā)送仲裁、超時(shí)等待及重發(fā)。測(cè)試200 m CAT6類(lèi)網(wǎng)線傳輸正確。

3.2 可靠數(shù)據(jù)傳輸及可控?cái)?shù)據(jù)管理協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

為保證數(shù)據(jù)在對(duì)稱(chēng)的信道之間進(jìn)行可靠、可控的交換，結(jié)合硬件平臺(tái)和可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

（1）ACK回應(yīng)及超時(shí)重發(fā)

發(fā)送方發(fā)出數(shù)據(jù)幀后等待ACK回應(yīng)，收到正確的ACK回應(yīng)后表明本次發(fā)送正確完成，進(jìn)行下一幀的發(fā)送；若超時(shí)后未收到ACK回應(yīng)或回應(yīng)錯(cuò)誤則進(jìn)行重發(fā)并在重發(fā)幀內(nèi)重發(fā)次數(shù)位段進(jìn)行加一（區(qū)別重發(fā)次數(shù)不同的幀），進(jìn)入下一次的等待回應(yīng)過(guò)程。

對(duì)于ACK回應(yīng)在鏈路發(fā)生偶然性誤碼的情況下，通過(guò)重發(fā)可以排除可恢復(fù)性錯(cuò)誤，發(fā)生不可恢復(fù)故障時(shí)向高層應(yīng)用報(bào)告錯(cuò)誤，由上層應(yīng)用判斷并進(jìn)行動(dòng)態(tài)路由，尋找其他可靠的數(shù)據(jù)鏈路完成發(fā)送或是進(jìn)入低功耗待機(jī)模式以節(jié)約能源。ACK機(jī)制同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)流量控制，可根據(jù)需要停止ACK回應(yīng)終止本地接收，或有計(jì)劃地控制ACK幀的回應(yīng)頻度對(duì)鏈路數(shù)據(jù)率進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽匦?，借此排除整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸中數(shù)據(jù)率的隨機(jī)性，通過(guò)ACK回應(yīng)保證數(shù)據(jù)均勻。

ACK等待和重發(fā)由硬件接口內(nèi)部的RDT模塊實(shí)現(xiàn)，在實(shí)現(xiàn)協(xié)議的同時(shí)減輕了CPU的運(yùn)算壓力。如圖3所示，本地?cái)?shù)據(jù)先由RDT模塊緩存，多發(fā)送緩存可提高信道的利用率，根據(jù)幀信息確定是否需要重發(fā)，發(fā)送完成后等待ACK，若收到回應(yīng)則進(jìn)行下一次發(fā)送，否則重發(fā) （重發(fā)次數(shù)+1），若重發(fā)次數(shù)達(dá)到上限 （本文設(shè)定為4），則認(rèn)為本次發(fā)送失敗，通知上層應(yīng)用，以硬件實(shí)現(xiàn)的方式使得低CPU主頻、高數(shù)據(jù)率的實(shí)現(xiàn)成為可能。

圖3 RDT模塊的設(shè)計(jì)及可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布?shí)現(xiàn)

（2）轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先及本地緩存

節(jié)點(diǎn)間級(jí)聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，需要將下游節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)向主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)及轉(zhuǎn)發(fā)主機(jī)向下游發(fā)送的命令，同時(shí)需要進(jìn)行本地的接收和發(fā)送。轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先和本地緩存可以保證整個(gè)鏈路的通暢和鏈路數(shù)據(jù)可靠不丟。

圖4 轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先與本地緩存機(jī)制

①轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先：在千兆鏈路通信建立伊始通過(guò)上層應(yīng)用判斷鏈接方向確定上行（靠近主機(jī)）與下行（連接其他數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)），在通信過(guò)程中當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到來(lái)自上游的命令時(shí)判斷是否為本地命令，若為本地命令則通過(guò)硬件通道傳至本地處理單元進(jìn)行命令解析和處理，若非本地命令則向下游轉(zhuǎn)發(fā)；收到下游發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀時(shí)則向上游主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)或命令，即轉(zhuǎn)發(fā)緩存非空時(shí)，無(wú)論本地發(fā)送緩存內(nèi)是否有數(shù)據(jù)或命令需要發(fā)送，優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)，待鏈路空閑時(shí)進(jìn)行本地發(fā)送。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中千兆鏈路數(shù)據(jù)率高，多級(jí)節(jié)點(diǎn)級(jí)聯(lián)對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高，緩存壓力大，優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)可以避免本地轉(zhuǎn)發(fā)緩存的壓力。

②本地緩存：在千兆鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)必須同時(shí)接收下級(jí)采集節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、匯總及相應(yīng)的處理后存入本地緩存，當(dāng)千兆以太網(wǎng)空閑時(shí)將本地?cái)?shù)據(jù)通過(guò)千兆以太網(wǎng)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。本地?cái)?shù)據(jù)和來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)共享千兆以太網(wǎng)鏈路，如果整個(gè)系統(tǒng)的平均數(shù)據(jù)率高于千兆鏈路的最大數(shù)據(jù)率則數(shù)據(jù)可靠性一定無(wú)法滿(mǎn)足，需要對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)及鏈路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確恰當(dāng)?shù)臈l件下，整體數(shù)據(jù)率低于（或等于）千兆的最大數(shù)據(jù)率，通過(guò)本地緩存的機(jī)制可以保證在轉(zhuǎn)發(fā)的同時(shí)各節(jié)點(diǎn)的本地?cái)?shù)據(jù)可靠有序地發(fā)送。根據(jù)數(shù)據(jù)量及分布可以推算出合理的緩存大小，保證本地接收數(shù)據(jù)不丟在轉(zhuǎn)發(fā)空閑時(shí)而發(fā)送至主機(jī)。

其硬件實(shí)現(xiàn)如圖3所示，本地發(fā)送數(shù)據(jù)緩存在RDT模塊內(nèi)經(jīng)過(guò)ACK確認(rèn)及重發(fā)處理后與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)或ACK一起送至發(fā)送仲裁模塊，通過(guò)硬件接口進(jìn)行判斷并依照轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

（3）命令、回應(yīng)、確認(rèn)機(jī)制

為保證命令執(zhí)行的正確性，TCP/IP協(xié)議內(nèi)的三次握手用于建立鏈接及四次握手關(guān)閉連接。對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，命令隨機(jī)性高、命令短暫（64 B）及間隔不可控，采用類(lèi)似RUDP協(xié)議[7]將判斷鏈路可靠性和命令執(zhí)行（信息傳達(dá)）過(guò)程合二為一，保證命令執(zhí)行可靠，同時(shí)相比TCP基于鏈接的機(jī)制，效率和功耗方面更適合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。具體過(guò)程如圖5所示。

圖5 命令響應(yīng)機(jī)制對(duì)比

①命令發(fā)起方發(fā)送一個(gè)含有信息的命令至接收方，等待對(duì)方響應(yīng)，若對(duì)方無(wú)響應(yīng)則進(jìn)行固定次數(shù)重發(fā)，判斷發(fā)生故障后通知上層應(yīng)用進(jìn)行處理；

②接收方進(jìn)行響應(yīng)，通過(guò)命令回應(yīng)幀回傳信息，上級(jí)無(wú)響應(yīng)則進(jìn)行固定次數(shù)重發(fā)，判斷發(fā)生故障后撤銷(xiāo)本次命令，通知上層應(yīng)用進(jìn)行處理，并等待下次命令；

③上級(jí)收到命令回應(yīng)表示命令執(zhí)行過(guò)程完成，命令成功；若未收到對(duì)應(yīng)的命令回應(yīng)表明命令失敗，撤銷(xiāo)命令。

回應(yīng)確認(rèn)機(jī)制排除了鏈路誤碼的影響，同時(shí)排除了命令一方出現(xiàn)錯(cuò)誤后命令繼續(xù)執(zhí)行，發(fā)生不可逆錯(cuò)誤的可能。相比軟件實(shí)現(xiàn)的RUDP機(jī)制，在相同功耗及CPU主頻下，基于硬件的重發(fā)、ACK發(fā)送及確認(rèn)實(shí)現(xiàn)，具有更高的命令執(zhí)行效率。

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 數(shù)據(jù)率測(cè)試

利用多發(fā)送緩存的硬件模擬數(shù)據(jù)源發(fā)送數(shù)據(jù)幀到數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)，由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換后發(fā)送至主機(jī)，在保證數(shù)據(jù)正確可靠的前提下得到測(cè)試數(shù)據(jù)（表2）。根據(jù)幀協(xié)議及以太網(wǎng)幀傳輸協(xié)議，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中存在前導(dǎo)（（7+1）B）、CRC（4 B）、幀間隔（12 B）共 24 B 無(wú)效數(shù)據(jù)，即：

可得，在有效長(zhǎng)度（Payload Size）為 500 B和 1 000 B時(shí)信道的可知理論有效帶寬及測(cè)試得到實(shí)際帶寬利用率如表2所示。在幀長(zhǎng)度較小情況下，通過(guò)168 MHz MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，由于CPU運(yùn)算能力造成瓶頸限制，無(wú)法達(dá)到更高的帶寬利用率。

表2 信道最大有效帶寬與實(shí)際有效帶寬對(duì)比

4.2 命令響應(yīng)測(cè)試

節(jié)點(diǎn)與下級(jí)站體以最小幀長(zhǎng)度64 B反復(fù)進(jìn)行10 000次命令、回應(yīng)、確認(rèn)的命令響應(yīng)過(guò)程，未發(fā)生錯(cuò)誤。對(duì)比數(shù)據(jù)利用PC基于RUDP進(jìn)行模擬站體間短暫 （最小幀長(zhǎng)）頻繁（類(lèi)似多個(gè)下級(jí)站分別進(jìn)行）的命令交換過(guò)程，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 節(jié)點(diǎn)與PC命令響應(yīng)效率對(duì)比

CPS（CMD Per Second）/MHz為單位主頻下的每秒執(zhí)行命令響應(yīng)數(shù)，每條命令響應(yīng)過(guò)程由命令、回應(yīng)、確認(rèn)三部分組成。由表3可見(jiàn)，對(duì)于下行通道在較低的CPU主頻下，本節(jié)點(diǎn)依然保持較高的命令執(zhí)行效率。在實(shí)際系統(tǒng)中可以滿(mǎn)足對(duì)下級(jí)站體進(jìn)行分布式管理的需求。

現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)在保證千兆鏈路和百兆鏈路通信及站體命令響應(yīng)下正常工作功耗約3.5 W，其中千兆以太網(wǎng)PHY（兩個(gè)）功耗約 1.6 W，百兆以太網(wǎng) PHY（兩個(gè)）功耗300 mW，MCU功耗約 300 mW，F(xiàn)PGA （兩個(gè)） 功耗約 300 mW，電源效率損失約700 mW，控制層功耗約占總功耗的10%，物理層占85%。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)的可靠數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)協(xié)議的硬件實(shí)現(xiàn)在較低的CPU主頻及功耗下保證鏈路的高利用率。通過(guò)本地緩存和轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制保證了不同鏈路的數(shù)據(jù)交換。結(jié)合MCU實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理。在原型機(jī)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)兩個(gè)百兆以太網(wǎng)和兩個(gè)千兆以太網(wǎng)接口，實(shí)現(xiàn)百兆鏈路96%、千兆鏈路98%以上的鏈路利用率，對(duì)至少200道（每道數(shù)據(jù)率400 Kb/s左右）數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理和采集數(shù)據(jù)傳輸。作為普遍的協(xié)議及信道交換實(shí)現(xiàn)方法，可以做到與底層鏈路的速度和數(shù)目無(wú)關(guān)，具有普遍的適用性。

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