云計算環(huán)境下通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)調(diào)控制器設(shè)計

姜明月

摘 要： 傳統(tǒng)路由協(xié)調(diào)控制器設(shè)計方法存在數(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，提出基于云計算環(huán)境下通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)調(diào)控制器的設(shè)計。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)計光纖以太網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器結(jié)構(gòu)；設(shè)計云計算環(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，實現(xiàn)可自動調(diào)節(jié)的通信路由控制器。經(jīng)過實驗研究表明，該控制器設(shè)計可增加數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)，并提高數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確率，同時控制效果較強，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點魯棒性較好。

關(guān)鍵詞： 云計算； 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： TN915.02?34； TP332 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 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?；谠朴嬎悱h(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頻道同時容納在其中，大大提高了通信質(zhì)量。云計算環(huán)境下通信網(wǎng)絡(luò)采用光纖以太網(wǎng)對協(xié)調(diào)控制器進(jìn)行設(shè)計，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)運而生。

在云計算環(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。隨著各項通信業(yè)務(wù)高速發(fā)展，有關(guān)協(xié)調(diào)控制的設(shè)計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受到物理層面限制，不會影響整個路由網(wǎng)絡(luò)傳輸情況。采用該設(shè)計方法可將所有技術(shù)兼容，并根據(jù)規(guī)定的城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，同時該控制器易于管理，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

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

由圖1可知，該模塊設(shè)計是在云計算環(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，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[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，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，對協(xié)調(diào)控制器進(jìn)行設(shè)計時，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，并使用8/16位的鏈路作為協(xié)議端點規(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)行時鐘與幀信號傳輸時，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)對信號進(jìn)行傳輸時，可使用短距離低擺幅恒流差分信號，并在互補金屬氧化物半導(dǎo)體上實現(xiàn)。其工作頻率為300 MHz左右，沿著上下時鐘對數(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，由于所有信號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)量的信號傳輸。

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

2.1 控制器消息接收與發(fā)送處理設(shè)計

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求數(shù)據(jù)模塊中對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并從請求數(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求響應(yīng)模塊之中，以備發(fā)送接口控制模塊對信息進(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)送到請求模塊中，以備進(jìn)行下一步處理。

（3） 消息模塊是實現(xiàn)信息傳遞、接收與處理的功能模塊，主要負(fù)責(zé)對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個郵箱模塊，當(dāng)信息發(fā)送到郵箱時，先控制子模塊按照郵箱號碼進(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)；然后存入到各個郵箱模塊中，通過計算獲得郵箱信息數(shù)據(jù)存儲地址；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)生超時信號處理，而消息模塊主要負(fù)責(zé)對超時信息進(jìn)行清除整理操作，如果郵箱內(nèi)信息處理超時，那么會出現(xiàn)清空郵箱信號，這樣可確保郵箱不被阻塞。

此外，該模塊還可負(fù)責(zé)對消息長度、分段號所產(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

2.2.1 信息接收控制功能

該模塊主要負(fù)責(zé)對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)機如圖4所示。

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

（1） 如果將光纖以太網(wǎng)信息儲存到郵箱模塊中，對應(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)，那么需將信息儲存到“讀”隊伍中，該隊伍可將讀取數(shù)據(jù)儲存到請求響應(yīng)數(shù)據(jù)模塊中，如果沒有明確儲存器地址，那么“讀”狀態(tài)需清除所有“重讀”信息[9]。

3 實 驗

為了驗證云計算環(huán)境下通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)調(diào)控制器設(shè)計的性能，進(jìn)行了如下實驗。

3.1 實驗環(huán)境與參數(shù)設(shè)置

實驗在Matlab平臺上進(jìn)行，利用一臺臺式電腦，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。

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

3.2 實驗結(jié)果與分析

由上述實驗環(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)計可進(jìn)行定量分析，采用本文設(shè)計方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)傳輸性能分析實驗，將傳輸次數(shù)與正確傳輸概率作為測試指標(biāo)，由此獲得實驗結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)節(jié)點數(shù)量為100時，采用傳統(tǒng)設(shè)計方法進(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)點數(shù)量增加，上升速度逐漸變慢；而在云計算環(huán)境下的協(xié)調(diào)控制器設(shè)計所進(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)方法與本文方法對信息傳輸準(zhǔn)確概率進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知：在節(jié)點數(shù)量較少時，采用傳統(tǒng)設(shè)計方法對信息傳輸?shù)恼_概率約為0.87，并且隨著節(jié)點數(shù)量的增加而呈現(xiàn)下降趨勢；而在云計算環(huán)境下協(xié)調(diào)控制器設(shè)計進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_概率約為0.98，不會因為受到節(jié)點數(shù)量的影響而降低，展示了該設(shè)計方法的優(yōu)越性，信息傳輸準(zhǔn)確率高于傳統(tǒng)設(shè)計方法。

4 結(jié) 語

通信路由協(xié)調(diào)控制器的特點是直接利用內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)來控制模塊，成功移植精簡鏈路規(guī)范，并在云計算環(huán)境下對通信路由協(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)計可自動實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能，進(jìn)而完成對網(wǎng)絡(luò)整體控制。針對傳統(tǒng)設(shè)計方法存在傳輸性能差、數(shù)據(jù)傳輸不準(zhǔn)確等問題，采用云計算環(huán)境下設(shè)計方法可有效提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)聂敯粜裕阅?優(yōu)越，具有良好的應(yīng)用價值。

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