ATM流量控制器IP核的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

0 引言

ATM異步傳遞方式是建立在電路交換和分組交換基礎(chǔ)上的一種面向連接的快速分組交換技術(shù)，它采用定長(zhǎng)分組作為傳輸和交換的單位，并具有端到端QOS保證、完善的流量控制和擁塞控制，以及較好的技術(shù)綜合能力等優(yōu)勢(shì)，這些都是目前的IP技術(shù)所不及的。和傳統(tǒng)的STM電路相比，ATM技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)交換中猝發(fā)分組的適應(yīng)能力和傳輸線路的利用率都是很高的。雖然，由于靈活性和價(jià)格的原因，ATM技術(shù)沒(méi)有獲得預(yù)期的成功，但其流量控制機(jī)制對(duì)當(dāng)前變長(zhǎng)分組骨干網(wǎng)的流量控制還是具有重要的參考價(jià)值，所以有必要對(duì)ATM的流量控制及其實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行深入的研究。

IP核是一段具有特定電路功能的硬件描述語(yǔ)言代碼，該程序與集成電路工藝無(wú)關(guān)，因而可以移植到不同的半導(dǎo)體工藝中去生產(chǎn)集成電路芯片。隨著CPLD／FPGA的規(guī)模越來(lái)越大，設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，使用IP核是一個(gè)趨勢(shì)。

本文研究了ATM流量控制的原理，并給出了一種IP核的實(shí)現(xiàn)方法，該IP核不僅可以用于獨(dú)立芯片，還可以作為系統(tǒng)的一個(gè)子模塊直接調(diào)用。

1 ATM流量特性分析

由于ATM支持的業(yè)務(wù)范圍很廣，各種業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊笠泊蟛幌嗤孕枰獙?duì)不同的業(yè)務(wù)進(jìn)行管理。當(dāng)用戶建立連接時(shí)都必須與網(wǎng)絡(luò)達(dá)成一個(gè)合約，并在通信過(guò)程中要受該合約的約束，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)按合約提供相應(yīng)的服務(wù)，具體的業(yè)務(wù)特性參數(shù)描述如下：

(1)峰值信元速率(PCR)表示用戶可以發(fā)送信元的最大瞬時(shí)速率；

(2)持續(xù)信元速率(SCR)表示一段時(shí)間內(nèi)的平均信元速率。但SCR并不是任意一段時(shí)間內(nèi)的平均信元速率。它是一個(gè)ATM連接上的平均信元速率的上限值；

(3)最大突發(fā)長(zhǎng)度(MBS)指的是以峰值信元速率能夠連續(xù)發(fā)送的最大信元數(shù)目；

(4)最小信元速率(MCR)則是用戶可接受的最小信元傳送速率。

而后，ATM論壇又按照用戶要求的比特率特點(diǎn)將業(yè)務(wù)劃分為以下幾種主要的類型：

(1)恒定比特率(CBR)

用戶要求固定帶寬的連接，帶寬大小由PCR說(shuō)明。該類服務(wù)對(duì)CDVT有嚴(yán)格要求，適用于實(shí)時(shí)應(yīng)用，如話音和視頻信號(hào)傳輸?shù)取?

(2)變比特率(VBR)

在連接期間的帶寬要求隨時(shí)間變化，其帶寬值用PCR、SCR、MBS表征，適用于突發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸。

(3)不指明比特率(UBR)

支持非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，如文件傳送和電子郵件。UBR用PCR來(lái)表征，但網(wǎng)絡(luò)只是以“最大努力”來(lái)傳送這類業(yè)務(wù)。

(4)可用比特率(ABR)

ABR不適用于實(shí)時(shí)應(yīng)用，但它要求保持較低的信元丟失率。當(dāng)連接建立時(shí)，系統(tǒng)將以PCR和MCR分別指明最大需求帶寬和最小可用帶寬。而當(dāng)連接建立后，系統(tǒng)則將根據(jù)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前負(fù)載情況的反饋信息來(lái)調(diào)整發(fā)送速率，但不能小于MCR。該類常用于信令的傳輸。具體的流量類型和參數(shù)見(jiàn)表1所列。

2 ATM流量控制器的原理和設(shè)計(jì)

實(shí)際應(yīng)用中最常見(jiàn)的兩種業(yè)務(wù)模式是CBR和VBR，它們分別對(duì)應(yīng)著當(dāng)前通信傳輸?shù)恼Z(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。針對(duì)ATM的流量算法為GCRA(一般信元速率算法)。該算法可采用公式GCRA (I，L)來(lái)描述。其中I是時(shí)間增量，表示相對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的下一個(gè)信元到達(dá)時(shí)間間隔的理論值(期望值)。L是信元時(shí)延偏差容限，表示相對(duì)期望值的下一信元可以提前到達(dá)的最大容忍范圍。對(duì)應(yīng)于雙漏桶算法，它可以表示為第一級(jí)漏桶處理PCR，相應(yīng)模型為GCRA1 (1／PCR，CDVT)。第二級(jí)漏桶處理SCR的相應(yīng)模型為GCRA2 (1／SCR，BT+CDVT)，根據(jù)ATM論壇規(guī)定，PCR是必須的，而SCR是可選的。如果其中的L的值較大，則將增大數(shù)據(jù)的突發(fā)程度。第一級(jí)漏桶的監(jiān)控是針對(duì)單個(gè)信元的，經(jīng)過(guò)第一級(jí)漏桶的平均速率可以得到控制，但是突發(fā)性還是沒(méi)有得到控制。第二級(jí)漏桶是以監(jiān)控若干個(gè)信元為目的，它對(duì)突發(fā)性有良好的監(jiān)控和抑制作用。對(duì)于CBR型的流量，只需要第一級(jí)漏桶，因?yàn)樗鼪](méi)有數(shù)據(jù)突發(fā)的概念，而對(duì)于VBR業(yè)務(wù)類型，第二級(jí)漏桶也是需要的，因?yàn)樗袛?shù)據(jù)突發(fā)可能，所以要對(duì)它進(jìn)行監(jiān)控。其兩級(jí)漏桶算法的示意圖如圖1所示。

由此可見(jiàn)，ATM的流量控制技術(shù)是較為復(fù)雜的，而且也是其精髓之所在。在參考各種資料的基礎(chǔ)上，本文提出了一種流控的調(diào)度算法。這種調(diào)度算法是基于各個(gè)UTOPIA的PHY接口實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)PHY的接口上可能存在多種流量類型(如CBR，VBR等)。該算法可根據(jù)每個(gè)PHY的流量類型來(lái)設(shè)置相應(yīng)的多個(gè)調(diào)度表，每個(gè)表代表一種流量類型(如CBR，VBR等)。每個(gè)表由多個(gè)時(shí)隙槽組成，每個(gè)時(shí)隙槽中有多個(gè)要請(qǐng)求發(fā)送的ATM連接，每個(gè)時(shí)隙槽中的連接容量定義為cell per slot(CPS)。每個(gè)表由兩個(gè)指針組成，分別為實(shí)時(shí)指針RP和服務(wù)指針SP，其中RP在每經(jīng)過(guò)CPS個(gè)CELL發(fā)送時(shí)間后將移動(dòng)到下一個(gè)時(shí)隙槽，而SP則要等到某個(gè)時(shí)隙槽沒(méi)有等待發(fā)送的CELL時(shí)才能往下移動(dòng)。如果一個(gè)連接在本時(shí)隙槽發(fā)送完后接著被調(diào)度到下個(gè)時(shí)隙槽發(fā)送，那么，此時(shí)將達(dá)到連接的最大比特速率為：

鏈接的最大速率=PHY端口的線速／CPS

同理，某連接的最小速率就表示在每次表的輪詢過(guò)程中只被調(diào)度一次，其可以表示為：

最小比特速率=PHY端口的線速／((時(shí)隙數(shù)-1)×CPS)

假設(shè)PHY0的調(diào)度表的初始狀態(tài)如圖2左上角的圖形所示，其中CPS=2，有8個(gè)時(shí)隙(timeslot)，PHY0共有兩個(gè)流量類型，那么，將有兩個(gè)優(yōu)先級(jí)的調(diào)度表，分別是CBR和UBR業(yè)務(wù)類型，顯然CBR業(yè)務(wù)類型的優(yōu)先級(jí)高于UBR。調(diào)度表中的空白表示該時(shí)隙沒(méi)有連接，連接1、2被安排在時(shí)隙B發(fā)送，連接3在時(shí)隙C，連接4、5、6在時(shí)隙D。CBR和UBR都是PCR通信類型，它們可根據(jù)參數(shù)PCR來(lái)進(jìn)行調(diào)度。對(duì)于連接1、2，PCR=1／2MaxPCR；對(duì)于連接3，PCR=1／3MaxPCR；對(duì)于連接4、5、6，PCR=1／4MaxPCR。開(kāi)始時(shí)，服務(wù)指針和實(shí)時(shí)指針都指向時(shí)隙A。從圖2可以看到PHY0的整個(gè)調(diào)度過(guò)程。第一次調(diào)度時(shí)，兩個(gè)調(diào)度表的當(dāng)前時(shí)隙(時(shí)隙A)均沒(méi)有CELL；第二次調(diào)度時(shí)，調(diào)度表中仍沒(méi)有連接，實(shí)時(shí)指針指向下一個(gè)時(shí)隙(時(shí)隙B)；第三次調(diào)度時(shí)，CBR調(diào)度表的時(shí)隙B中有連接2和1，先調(diào)度2發(fā)送，然后為連接2重新安排調(diào)度，由于連接2的PCR=1／2MaxPCR，所以將2寫入時(shí)隙D；第四次調(diào)度時(shí)，連接1的處理類似；第五次調(diào)度時(shí)，調(diào)度連接3，其下次調(diào)度安排在時(shí)隙F；第六次調(diào)度時(shí)。CBR和UBR調(diào)度表的當(dāng)前時(shí)隙(時(shí)隙C)中都沒(méi)有連接，實(shí)時(shí)指針指向時(shí)隙D；第七次調(diào)度時(shí)，CBR和UBR調(diào)度表的時(shí)隙D中均有連接，由于CBR優(yōu)先級(jí)高．故從CBR調(diào)度表中讀取連接1；第八次調(diào)度時(shí)，連接2被調(diào)度，實(shí)時(shí)指針指向時(shí)隙E，注意到此時(shí)由于UBR的連接未被調(diào)度，所以SP的指針就指在了那里：第九次調(diào)度時(shí)，CBR調(diào)度表的時(shí)隙E中沒(méi)有連接，而UBR的時(shí)隙D有3個(gè)連接要求調(diào)度，這時(shí)從UBR調(diào)度表中調(diào)度連接4，調(diào)度完后根據(jù)流量參數(shù)將連接4寫入時(shí)隙H；第十次調(diào)度時(shí)，調(diào)度連接5，然后將連接5寫入時(shí)隙H同時(shí)實(shí)時(shí)指針下移，但是，因?yàn)檫€有連接6沒(méi)有被調(diào)度，所以服務(wù)指針還在D處。其余的調(diào)度可以以此類推。

3 功能仿真及驗(yàn)證

該ATM流量控制器可采用硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL進(jìn)行描述。圖3所示是在ModelSim軟件環(huán)境中進(jìn)行功能仿真的相應(yīng)仿真結(jié)果。

在圖3所示的PHY0調(diào)度功能仿真結(jié)果中，CLK是工作時(shí)鐘，reset是復(fù)位信號(hào)，S_Req是調(diào)度請(qǐng)求信號(hào)(S_Req有效時(shí)進(jìn)行調(diào)度)，clr_S是調(diào)度請(qǐng)求清除信號(hào)，PHY是選中的物理設(shè)備的地址(即要進(jìn)行調(diào)度的物理設(shè)備地址)，chn是調(diào)度到的ATM的連接號(hào)。APCLC是當(dāng)前調(diào)度到的連接所連接的下一個(gè)連接號(hào)，PCR是峰值信元速率對(duì)應(yīng)的時(shí)隙調(diào)度速率，CPS是每個(gè)時(shí)隙發(fā)送的信元數(shù)，CPS_CNT是信元計(jì)數(shù)，ATY是ATM通信類型指示(00表示PCR通信類型)。本設(shè)計(jì)中的CBR和UBR都是PCR通信類型，所以ATT均為00。從仿真結(jié)果可以看出，調(diào)度到的連接號(hào)依次為0、0、2、1、3、0、1、2、4、5、2、1、3、6、1、2…，可見(jiàn)，與上面調(diào)度算法的分析結(jié)果一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究了在FPGA上利用VerilogHDL實(shí)現(xiàn)ATM流量控制的方法，提出了一種較為實(shí)用的算法機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上給出了對(duì)應(yīng)的IP核設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行的功能仿真結(jié)果表明，該算法運(yùn)行良好且高效，可以滿足實(shí)際系統(tǒng)的需要。