基于多核处理器的宽带无线网络关键技术研究

摘要

网络应用的日益丰富所带来的协议的复杂和灵活性、高带宽、服务质量的保证等特点,要求下一代的网络设备既需要高速处理能力,又具有容易编程的能力,在这种情况下,多核并行网络处理器应运而生。
　　另一方面,作为一种新兴的宽带无线技术WiMAX,它融合了无线技术的灵活性和宽带技术高带宽的特点。接入技术的无线化、宽带和IP化是全球包括中国的未来发展趋势。
　　作为宽带无线网络中重要组成部分的WiMAX基站,设计的主要难点是MAC层的实现,主要原因是协议的复杂性、不完备性和系统大的数据吞吐量。所以研究与设计主要需要解决下面三个问题:第一,选择合适的处理器系统能够满足协议和数据流程处理的复杂性和性能要求;第二,关键算法如QoS和调度模型、包头压缩和包加解密的实现;第三,系统性能的评估。
　　围绕多核并行处理器的关键技术,针对宽带无线系统协议和业务模式复杂性和高带宽的要求,对并行软件设计及性能评估、关键的QoS调度算法和包压缩算法进行了深入的研究。
　　分析了各种多核、多线程和并行处理技术,结合一种典型的Intel IXP2350网络处理器具体分析了多核并行处理器的体系结构和技术特点,得出这种体系结构的处理器可以满足宽带无线网络的应用灵活,协议复杂和高带宽需求。
　　分析了并行软件设计的方法,结合网络处理器的特点,提出了基于处理器频率、I/O带宽、数据包需求速率和包长度,计算得到处理微引擎的指令周期数和I/O访问周期的约束条件;结合具体数据处理的流程,最后得到量化性能评估模型。使用这种模型,能充分验证网络处理器并行软件设计的可行性,并可以此为依据进行资源调整。
　　综合比较了各种QoS和调度模型,针对802.16协议中QoS功能模块进行补充和完善;结合网络处理器的结构和设计特点,建立了QoS调度模型,并进行了算法实现。
　　针对IP无线业务中低速、小包和延时敏感型服务(例如VoIP)的特点,采用cUDP包头压缩算法来补充802.16协议中不完善的部分,详细讨论了算法的实现。
　　综合多核网络处理器并行处理、QoS调度模型和包压缩算法理论研究,并针对WiMAX基站MAC的需求,完成了系统框架和并行软件实例设计。
　　最后,在WiMAX MAC线卡的原型机上,进行了网络转发性能测试,测试显示系统可以达到两个千兆端口100％的转发性能,获得满意的效果;针对WiMAX MAC层并行软件设计实例,讨论了并行资源分配和数据结构,完成了系统资源预算、微处理器资源(包处理性能,指令周期使用,I/O及各种异构存储器访问周期等)使用和存储器使用需求计算和分析,预分析结果显示,设计能满足基站性能需求。

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1 绪 论

1.1 WiMAX宽带无线网络及技术特点

1.2 WiMAX宽带无线网络基站MAC层国内外研究现状

1.3 多核网络处理器概述

1.4 多核网络处理器国内外研究现状

1.5 基于多核网络处理器WiMAX基站MAC层研究的难点

1.6 本文研究目的和主要内容

2 多核并行网络处理器体系结构研究

2.1 无线宽带网络对网络处理器的性能要求和需求分析

2.2 网络处理器多核和并行处理技术研究

2.3 Intel IXP2350多核并行网络处理器的体系结构和分析

2.4 本章小结

3 宽带无线网络MAC层实现的关键技术及算法研究

3.1 并行软件设计和性能评估模型

3.2 宽带无线网络MAC层QoS调度模型及算法

3.3 宽带无线网络MAC层cUDP包头压缩算法

3.4 本章小结

4 WiMAX基站MAC层系统框架和并行软件设计

4.1 WiMAX宽带无线网络基站应用和数据协议栈概述

4.2 WiMAX宽带无线网络基站的系统设计

4.3 基于多核网络处理器WiMAX MAC软件结构

4.4 WiMAX MAC控制层软件框架设计

4.5 WiMAX MAC数据层并行软件框架设计

4.6 本章小结

5 WiMAX宽带无线基站MAC设计性能评估和资源分配

5.1 WiMAX MAC硬件原型机的实现与千兆转发性能测试

5.2 数据层资源分配和主要数据结构

5.3 设计性能预分析

5.4 本章小结

6 全文总结和展望

6.1 总结

6.2 下一步的研究工作和展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录

附录2 缩略语