EoC帶寬增強方案的設計和實現(xiàn)

劉孝圣，劉 磊，鄭艷偉，彭 飛

（1.中國科學院大學，北京100190；2.中國科學院聲學研究所國家網絡新媒體工程技術研究中心，北京100190）

0 引 言

目前國內進行的混合光纖同軸電纜 （hybrid fiber－coaxial，HFC）接入網雙向化改造方案主要有有線傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務接口 規(guī) 范［1，2］（data over cable service interface specification，DOCSIS）方案和以太網無源光網絡＋基于同軸電纜的以太網傳輸［3］（Ethernet passive optical network＋Ethernet over coax，EPON＋EoC）方案。文獻 ［4］對這幾種接入方式進行了詳細的比較。EPON＋EoC 方案由于其網絡設計簡單、適合國情和維護簡單方便等優(yōu)點而被大規(guī)模采用［2，4］，但是其下行帶寬仍然不能滿足不斷增長的帶寬需求。為了進一步支持帶寬需求較大的業(yè)務，需要提升EoC網絡的下行帶寬，本文提出一種可以有效提升EoC 網絡下行帶寬的帶寬增強方案。由于該方案需要處理較大的網絡吞吐，因此選擇在網絡處理器平臺上予以實現(xiàn)。

1 EoC帶寬增強方案

圖1給出了EoC帶寬增強方案的部署。該方案通過在原有的EoC通道之外，新增多個QAM 通道，并利用這些新增通道提升接入用戶的下行帶寬。在EPON＋EoC 方案中，OLT 直接和因特網相連。而在該增強方案下，融合通道網關 （converged channel gateway，CCGW）橋接在OLT和因特網之間，每個OLT 搭配一個CCGW。橋接方式的好處在于不需要對報文進行特殊處理就能讓所有的數(shù)據(jù)包經過CCGW。該方案的優(yōu)勢在于，用戶在帶寬升級的過程中，僅需要更換或者在線升級機頂盒即可，而且可以根據(jù)實際的帶寬升級需求，通過更改IPQAM 資源數(shù)量來實現(xiàn)漸進擴容。第4節(jié)分析了該方案的帶寬提升效果。

圖1 EoC帶寬增強方案網絡部署

融合通道網關是該方案中的關鍵設備，CCGW 使用QAM 通道和IP通道協(xié)同下發(fā)數(shù)據(jù)，并使用IP通道作為回傳，充分利用QAM 通道高帶寬的優(yōu)勢實現(xiàn)非對稱的寬帶數(shù)據(jù)通信。作為多個用戶終端的網關設備，CCGW 需要承載較大的吞吐量，在傳統(tǒng)的通用處理器平臺上實現(xiàn)很難滿足其性能需求，因此在網絡處理器平臺上進行開發(fā)成為一種必要的選擇。本文提出了一種在OCTEON CN5860網絡處理器平臺上的設計和實現(xiàn)方式。實際測量結果顯示平均每個處理核心可以提供920 Mbps的吞吐量。

2 CN5860處理器簡介

CN5860處理器是Cavium 公司開發(fā)的64位MIPS架構的多核網絡處理器，采用系統(tǒng)級芯片技術，將多個同構處理引擎或處理核心 （process engine，PE）、多種功能的協(xié)處理器以及豐富的網絡接口集成在同一顆處理器上，通過集成一系列的硬件加速單元來優(yōu)化對網絡數(shù)據(jù)包的處理過程。如利用硬件進行TCP／UDP 數(shù)據(jù)包的校驗和計算、完整性檢查；利用硬件定時器設置實現(xiàn)對TCP數(shù)據(jù)流的加速處理，硬件支持多種加密算法［5，6］。支持16 個主頻為800 MHz的PE。圖2給出了CN5860處理器的硬件結構。

2.1 基本硬件單元

以 “接收－處理－轉發(fā)”網絡報文為例，通過說明該處理器的處理流程，來介紹涉及到的常用硬件組件。流程大致如下：①PIP／IPD （packet input processing unit／input packet data unit）單元接收數(shù)據(jù)包，進行如校驗、過濾等前期操作后，通過DMA 方式把鏈路層幀從PIP／IPD 的內部存儲空間拷貝至內存，并向SSO （schedule／synchronization／order unit）單元提交消息。內存由FPA （free pool allocator unit）單元管理，通過將內存分為若干種固定大小的塊達到高效管理內存、優(yōu)化數(shù)據(jù)包處理的效果。②SSO 單元維護消息隊列，將消息調度到合適的PE。③PE 處理報文，如加密、校驗、查找等操作。④PE 轉發(fā)該報文，PKO（packet output unit）單元同樣通過DMA 方式將 報文數(shù)據(jù)從FPA 單元拷貝到其內部的存儲空間，計算TCP／UDP的校驗和，發(fā)送數(shù)據(jù)包，并釋放消息和內存空間。

圖2 OCTEON CN5860網絡處理器硬件結構

在該平臺下，定時器也是由硬件實現(xiàn)。系統(tǒng)為每個PE設計了硬件Timer Ring結構，可以通過軟件方式設置時間間隔，生成消息，在定時時刻達到時，將消息送入SSO，由SSO 進行調度。

2.2 消 息

消息是SSO 進行調度的基本單位，是在OCTEON 平臺上開發(fā)應用時的一個重要概念。SSO 維護消息隊列，并且從消息隊列中取出消息時，根據(jù)消息的類型將該消息分配給PE 處理。除了在PIP／IPD 硬件接收到數(shù)據(jù)包時向SSO 提交消息 （此時消息攜帶鏈路層數(shù)據(jù)幀的完整信息）外，也可以利用系統(tǒng)內置的add＿work （）操作向SSO 中添加消息。常見的利用軟件設置消息的場景是添加定時器。由于定時器和數(shù)據(jù)包都是通過消息實現(xiàn)的，在PE收到消息時僅需簡單判斷是定時器消息還是報文消息即可。

3 CCGW 的設計和實現(xiàn)

作為該EoC帶寬增強方案中的關鍵設備，CCGW 需要融合兩種通道并優(yōu)化調度這兩種通道的帶寬資源。其特點體現(xiàn)在：

（1）采用類似于鏈路層交換機的 “學習－轉發(fā)”方式對上行數(shù)據(jù)包和未進行帶寬升級的用戶 （簡稱“未升級用戶”，下同）的下行數(shù)據(jù)包在原有的EoC通道上透明傳輸，利用網絡處理器平臺高效的轉發(fā)機制實現(xiàn)上行報文的快速處理。

（2）為已升級用戶的下行數(shù)據(jù)包選擇合適的通道（EoC通道或者某個QAM 通道）進行轉發(fā)，采用以流為單位的分配方式，保證屬于同一條流的數(shù)據(jù)包的順序關系。在QAM 通道轉發(fā)前，采用IP over DVB 中最常用的MPE（multi－protocol encapsulation）協(xié) 議 將 數(shù) 據(jù) 包 封 裝 成QAM設備所需的格式，利用網絡處理器多核并行處理的優(yōu)勢保證吞吐量。

（3）CCGW 維護、分配和回收QAM 通道的頻點資源，維護已升級終端的狀態(tài)信息，維護流和通道的對應關系，對這些信息的查詢操作次數(shù)要遠大于修改的次數(shù)，因此采用Hash表存儲，達到快速響應查詢請求的目的。采用令牌桶技術對用戶和各通道的流量進行限速，保證用戶的公平性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

由于CCGW 需要承載較大的吞吐量，因此在功能實現(xiàn)的同時，也必須考慮處理過程的優(yōu)化，減少不必要的開銷，加速網絡數(shù)據(jù)包的處理。結合OCTEON 5860 處理器的特性，根據(jù)上述CCGW 的主要特點，設計了CCGW 的模塊，并劃分為控制層面和數(shù)據(jù)層面，如圖3所示。

3.1 控制平面

控制平面主要負責與客戶端的信令交互、請求認證客戶、管理系統(tǒng)的頻點資源，以及維護終端狀態(tài)等。

3.1.1 基本模塊

控制平面的模塊和對應的功能如下：①頻點管理模塊負責管理、分配和回收頻點資源，維護頻點狀態(tài) （如剩余帶寬、用戶數(shù)量等）；②客戶端管理模塊維護終端狀態(tài)，包括終端標識、終端密碼、終端狀態(tài)、最大帶寬、業(yè)務類別等信息；③信令交互模塊負責與終端設備的信令交互，包括終端的注冊、?；畹冉换笪牡慕馕龊吞幚?；④配置管理模塊負責CCGW 的配置、管理以及請求對用戶進行認證；⑤輪播模塊通過在IPQAM 通道上廣播CCGW 的基本信息，供終端開機注冊使用。

圖3 CCGW 基本模塊結構

3.1.2 CCGW 與周邊設備的交互流程

圖4 給出了與終端注冊相關的報文交互流程。首先CCGW 通過QAM 通 道 輪 播NIT （network information table），NIT 中包含了CCGW 的注冊端口、注冊IP以及所在的業(yè)務組等注冊信息。輪播模塊還定時廣播PAT （program association table）和PMT （program map table），為終端提供與用戶一一對應的PnId （program number identifier）信息。采用輪播方案可以減少對終端設備的人工配置，也便于設備升級和部署。終端上線時掃描并鎖定對應頻點，解析NIT，獲取注冊信息后，向CCGW 注冊。注冊時，CCGW 需要向AAA 服務器認證用戶請求服務是否已授權，并為用戶分配QAM 通道，通道屬性包括PnId、頻點、調制方式等等。注冊成功后，需要在CCGW 和終端之間定時維護保活信令。

圖4 CCGW 與終端交互時序

3.2 數(shù)據(jù)平面

數(shù)據(jù)平面分上行和下行進行分別處理。對于上行數(shù)據(jù)包，CCGW 只需確定對應端口并轉發(fā)即可；對下行數(shù)據(jù)包的處理相對復雜，圖5給出了下行數(shù)據(jù)包的大致處理流程。首先檢查終端是否注冊，未注冊則直接通過IP 通道轉發(fā)；若注冊，則根據(jù)數(shù)據(jù)包的屬性確定轉發(fā)通道 （IP通道或者QAM 通道，QAM 通道也有多個）；若轉發(fā)到QAM 通道，首先進行通道的限速處理，然后經多層封裝后發(fā)往對應的IPQAM。以下對幾個模塊的處理細節(jié)進行詳述。

圖5 CCGW 數(shù)據(jù)層面下行數(shù)據(jù)包流程

3.2.1 流量分配模塊

對注冊用戶而言，下行通道分IP 通道和QAM 通道。由于兩種通道物理特性不同，傳輸延遲等也不同，容易造成客戶端接收時報文亂序。為了避免亂序，我們以流為單位進行分配，保證屬于同一條流的報文經過同一個通道傳輸。流標識由協(xié)議、目的IP、目的端口、源IP和源端口組合而成。優(yōu)先將數(shù)據(jù)流分配到帶寬較大的QAM 通道，在QAM 通道剩余帶寬 （可以通過通道限速功能的剩余令牌數(shù)推斷得到）不足時，將部分流分配或者切換到IP 通道上去，提高資源利用率。

3.2.2 封裝模塊

由于QAM 設備傳輸TS （transport stream）格式的數(shù)據(jù)包，所以在發(fā)往QAM 通道前要預先處理，這部分功能由封裝模塊提供。封裝主要分為3個步驟：

（1）MPE封裝［7］，包含12字節(jié)的MPE 頭部、4字節(jié)的尾部CRC字段和載荷部分，載荷部分即為下行的IP 包（包含IP層及其上層的報文信息），MPE 頭部中的長度字段指明該IP包的實際長度；

（2）將MPE 封裝后的報文進行切分，添加TS 頭部，形成為188字節(jié)的多個TS包，不足188字節(jié)則以0補齊；

（3）添加UDP／IP 頭部，目的字段填寫為對應的IPQAM 的IP 地 址 和 端 口。TS 中 的PID 字 段 與 注 冊 時CCGW 為終端分配的PnId相對應。由于封裝部分需要多層封裝，耗時最長，因此在實現(xiàn)時應盡量進行優(yōu)化。通過事先細致地分配報文每部分對應的空間，只需拷貝一次即可，減少了不必要的操作和時間開銷。

3.2.3 MAC轉發(fā)模塊

該模塊的主要作用是對未升級用戶的數(shù)據(jù)包進行透傳，其功能類似于鏈路層交換機。對于進入CCGW 的數(shù)據(jù)包，記錄和更新源MAC與進入的物理端口，存儲在MAC 轉發(fā)表中，該表采用Hash桶實現(xiàn)；對于CCGW 轉發(fā)的數(shù)據(jù)包，如果其目的地址在Hash表中，則往對應的物理端口上進行轉發(fā)，否則向除進入端口外的其它所有物理端口轉發(fā)。由于查找該表是處理報文的第一步，因此還在該表項中設置了表示是否注冊的標志位，從而減少了一次向終端管理模塊查詢注冊狀態(tài)的開銷。

3.2.4 限速模塊

為了保證用戶的公平性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要對用戶進行限速處理。用戶限速和通道限速均采用令牌桶實現(xiàn)。令牌桶是一種簡單有效、易實現(xiàn)的流量控制方式。主要步驟是：①系統(tǒng)初始化時，初始化定時器消息；②當定時器消息被調度后，根據(jù)與上一次觸發(fā)的時間差和用戶購買的帶寬大小往令牌桶里添加相應個數(shù)的令牌；③當系統(tǒng)轉發(fā)時，減去與數(shù)據(jù)包大小成正比的令牌個數(shù)，如果剩余令牌不足，則丟棄該數(shù)據(jù)包。

3.3 CCGW 的實現(xiàn)

我們采用OCTEON 5860處理器平臺配套的SE （simple executive）操作環(huán)境，關于該操作環(huán)境的詳細介紹參考文獻 ［8］。在該環(huán)境下開發(fā)可直接操作底層的PE、內存、協(xié)處理器等硬件資源，因此有助于提升系統(tǒng)的吞吐量。

根據(jù)CCGW 的功能，可將CCGW 視為鏈路層和網絡層設備。在通用處理器平臺 （通常安裝Linux系統(tǒng)）上，獲取鏈路層和網絡層數(shù)據(jù)通常利用libpcap等工具或原始套接字進行抓包［9］。而在該平臺下，PIP／IPD 在接收到網絡幀時就向SSO 提交消息，在實現(xiàn)時，PE 直接向SSO 請求消息，判斷消息類型，若是報文消息，則通過物理端口分辨上下行報文，解析報文的頭部字段，然后進行針對性的操作；如果是定時器消息，則分辨定時器種類后合理處理該定時器任務。發(fā)送報文時，CCGW 直接封裝好MAC 層幀，并調用底層硬件轉發(fā)報文，實現(xiàn)報文的快速傳輸。

CCGW 使用了很多定時器：輪播模塊需要定時向終端廣播注冊信息、信令交互模塊需要超時重傳、限速模塊需要定時增加令牌、MAC轉發(fā)模塊需要刪除老化表項以節(jié)約內存等。相較于Linux上的基于信號的軟件定時方式，使用硬件定時器精度高，并且也被統(tǒng)一成消息，更方便使用，有效地保證了上層的業(yè)務處理的高效性。

其它的一些優(yōu)化還有：利用RNG 硬件協(xié)處理器為配置管理模塊提供隨機數(shù)生成功能、利用硬件加密單元為配置管理模塊提供MD5校驗、利用硬件校驗單元計算UDP 數(shù)據(jù)包和TCP報文的校驗和等。

3.4 軟件架構

除了利用好網絡處理器平臺提供的多種硬件加速功能外，還需要選擇合適的軟件架構［5，6］。在多核處理器件上的軟件架構主要有流水線架構、混合架構和完全并行結構。流水線架構中的每個PE均完成部分任務，每個任務對應1個PE，所有的PE加起來共同完成整個應用，混合結構類似于流水線架構，但其中的部分任務可以由多個PE共同完成。而在完全并行的軟件架構，每個PE 均完成整個應用。采用流水線架構和優(yōu)化流水線的好處在于對特定應用可以優(yōu)化指令緩存 （instruction cache，Icache）的命中率，提高指令執(zhí)行的效率。對于處理流程長，指令數(shù)量較多的應用來說，使用流水線方式可以提升Icache的命中率，從而提升性能指標。采用完全并行結構的好處在于數(shù)據(jù)緩存的效率更高，且方便實現(xiàn)、易擴展。我們實際測量了CCGW 的主流程的運行時間，約為6800個執(zhí)行周期，一般1個周期對應著1 條指令，考慮到內部的循環(huán)函數(shù)，訪存延遲等，主流程的指令數(shù)實際上小于6800。而OCTEON 5860處理器的每個PE的Icache的容量是32KB，每條MIPS指令占4字節(jié)空間，因此每個PE 可以容納8192 條指令，大于主流程的指令數(shù)。因此我們采用了完全并行的軟件架構。第4節(jié)給出的測試結果驗證了CCGW 使用這種架構的合理性。

4 測試結果與分析

4.1 CCGW 性能測試

CCGW 實現(xiàn)在OCTEON 5860處理器平臺上，每個PE主頻800MHz，整體內存為4GB。我們利用QAM 設備和終端測試了CCGW 功能的完整性和正確性。為了測量CCGW的性能，我們根據(jù)實際部署的場景，利用OCTEON 5860處理器平臺仿真了終端設備，仿真的終端設備可以模擬多個終端。在測試中，通過模擬900個終端，與CCGW 進行交互并通過QAM 通道接收數(shù)據(jù)。模擬終端設備主要的功能是與CCGW 進行交互，并與應用服務器進行交互，應用服務器回送大量數(shù)據(jù)包，經過CCGW 封裝后從QAM 通道轉發(fā)。

我們測試了PE數(shù)和對應的QAM 通道的吞吐量之間的關系。從模擬客戶端到CCGW 的上行流量維持在850 Mbps，從應用服務器往CCGW 端的下行流量等于QAM 通道的吞吐量。圖6給出了測試的結果。從圖中可以看出，隨著PE數(shù)的增長，吞吐率呈線性地增長，這反映了該實現(xiàn)良好的可擴展性。每增加一個PE，吞吐量約增加920 Mbps。在使用8 個PE 的情況下，QAM 通道的吞吐量達到7.3 Gbps，由于平臺的物理網口所限，無法測量更多PE 對應的最大吞吐量。但從圖中的線性性質可以近似推算出在更多PE情況下的吞吐量。在實際部署中，可以根據(jù)實際需要的吞吐量大小配置合適的PE數(shù)量，減少設備的能量消耗。

圖6 CCGW QAM 通道吞吐量與核數(shù)的關系

4.2 帶寬增強方案效果分析

上述測試結果表明CCGW 的實際性能足以滿足設計要求。為了說明該增強方案的有效性，表1給出了EoC 帶寬增強解決方案的帶寬增強效果。一個光線路終端 （optical line terminal，OLT）接入帶寬為1Gb／s，1：32的分光比，每個EoC局端覆蓋200戶，業(yè)務接入率假定為10%，那么對于未采用增強方案 （即表中的普通方案）的用戶來說，其下行帶寬為：1Gb·s－1／32／ （200×10%）＝1.6Mb／s。采用帶寬增強方案的用戶，每個OLT 配置1個CCGW，每個IPQAM 設備提供1Gb／s帶寬，CCGW 和IPQAM 的配比為1：4 （即1個CCGW 配套4個QAM，CCGW 的吞吐量達到4Gb／s），那么下行帶寬將增加4倍，達到8 Mb／s；若配比為1：9 （CCGW 的吞吐量達到9Gb／s），那么下行帶寬將增加9 倍，達到16 Mb／s。綜上可見該方案可以顯著地提升下行帶寬效果。

表1 EoC帶寬增強方案的效果

5 結束語

為了進一步提升EPON＋EoC 雙向改造后的有線電視網的下行接入帶寬，本文提出了一種EoC 帶寬增強方案。詳細分析了該方案中的關鍵設備CCGW 的作用和功能，由于該設備需要承載較大的網絡流量，因此采用基于網絡處理器的實現(xiàn)方案。結合OCTEON CN5860處理器的功能和特性，設計了CCGW 的主要模塊，并最終在該網絡處理器平臺上實現(xiàn)了CCGW，并對該設備進行了測試，測試結果顯示出該實現(xiàn)方案具有較高的吞吐量和良好的可擴展性，可以顯著地提升用戶的下行帶寬。下一步將繼續(xù)優(yōu)化內部處理模塊和資源分配算法。

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