基于有限狀態(tài)機的FPGA DSR路由表項設(shè)計和實現(xiàn)方法

0 引言

Ad Hoc[1]網(wǎng)絡(luò)具有無中心控制節(jié)點、路由多跳、拓撲動態(tài)等特點，可以用于不能預(yù)設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的場合和需要快速自動組網(wǎng)的場合，例如：戰(zhàn)場、無人煙山區(qū)、救災(zāi)現(xiàn)場等[2]。因此Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)在當(dāng)今社會具有非常廣泛的應(yīng)用場景。

動態(tài)源路由協(xié)議(Dynamic Source Routing)[3]是一種按需路由協(xié)議，是十分適用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。在DSR協(xié)議中，路由表的表項都是按需建立的。路由過期或鏈路斷開，表項就失去作用了。為減少路由不斷建立而產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)開銷，按需建立的路由都由源節(jié)點存儲，用于與目的節(jié)點通信[4]。因此DSR協(xié)議的核心是管理各節(jié)點之間通信的路由表項。

目前，國內(nèi)外針對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的研究大多是基于軟件的，使用的軟件平臺有NS2、GloMoSim、OPNET等。因此，DSR協(xié)議的核心功能——路由表項管理，也是基于軟件完成的。目前為止，還未有基于FPGA實現(xiàn)DSR路由表項管理的先例。

使用硬件實現(xiàn) DSR協(xié)議功能將減少功耗和延遲時間，延長移動設(shè)備的電池使用時間[5]。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，通過硬件與嵌入式芯片聯(lián)系在一起，使得操作速度的增加與功耗降低，處理時間還可以用于其他操作[6]。此外，使用硬件實現(xiàn)DSR協(xié)議可以更快地建立呼叫和更改動態(tài)拓撲[7]。因此，使用FPGA實現(xiàn)DSR路由表項管理具有很好的實際用途。

本文為在FPGA中支持DSR協(xié)議的路由表項管理功能，設(shè)計一種基于有限狀態(tài)機[8]的實現(xiàn)方法。本文的設(shè)計中，狀態(tài)機包含一個初始狀態(tài)和3個功能狀態(tài)。有限狀態(tài)機的3個功能狀態(tài)一起聯(lián)合實現(xiàn)路由存儲、路由查找、路由刪除的功能。有限狀態(tài)機使得硬件代碼符合時序電路的風(fēng)格。此外，綜合后的代碼在電路物理實現(xiàn)時使得時延特性與功耗更加優(yōu)化[9]。

1 DSR路由表項管理的實現(xiàn)

1.1 總體方案

總體方案如圖1所示，設(shè)計分為兩個部分：路由管理有限狀態(tài)機模塊以及路由管理模塊。有限狀態(tài)機根據(jù)需求跳轉(zhuǎn)到不同的功能狀態(tài)，生成不同的操作使能，用以驅(qū)動路由管理模塊對路由表項進行添加、查找、刪除。路由管理模塊完成對路由表項的操作后，有限狀態(tài)機從現(xiàn)有狀態(tài)跳轉(zhuǎn)回初態(tài)。

1.2 路由管理有限狀態(tài)機

路由管理有限狀態(tài)機的設(shè)計是基于DSR協(xié)議，有限狀態(tài)機的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)如圖2所示。若需要查找一條路由時，狀態(tài)機從IDLE狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到路由查找狀態(tài)并生成路由查找使能，當(dāng)狀態(tài)機收到查找操作結(jié)束信號時，狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)到IDLE狀態(tài)；若需要刪除路由時，狀態(tài)機從IDLE狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到路由刪除狀態(tài)并生成路由刪除使能，當(dāng)狀態(tài)機收到刪除操作結(jié)束信號時，狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)到IDLE狀態(tài)；若需要存儲一條路由時，狀態(tài)機從IDLE狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到路由緩存狀態(tài)并生成路由存儲使能給路由管理模塊，當(dāng)狀態(tài)機收到路由存儲操作結(jié)束信號時，狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)回IDLE狀態(tài)。

1.3 路由管理模塊

路由管理模塊具體細化為4個模塊：生存周期模塊、路由寫模塊、路由讀模塊、路由刪除模塊。路由管理模塊對路由表項的管理是通過對路由BD(Buffer Description)以及它的地址進行操作完成的。BD包含路由的某些信息，例如：該路由所導(dǎo)向目的節(jié)點IP地址、路由長度、路由表項存儲單元的起始地址。根據(jù)一個BD就可以讀取一條完整路由。

(1)路由寫模塊存儲路由與生成該路由的BD。需要存儲一條路由時，模塊將該路由存儲于RT表一個空條目（條目容量為16個周期數(shù)據(jù)長度）。同時生成一個新BD存入BD表。

(2)路由讀模塊完成兩個功能：①讀取一條有效路由；②查收所有包含斷開鏈路的有效路由并反饋給路由刪除模塊。

(3)生存周期模塊包含256個計數(shù)器(網(wǎng)絡(luò)只支持256個節(jié)點)，為每個新BD設(shè)置生存周期。

(4)路由刪除模塊維護一個有效BD地址的單向鏈表。路由存儲時，將包含新BD地址的表項插入鏈表；路由查找時，查找一個有效BD地址；路由過期時，從鏈表中刪除該條路由的有效BD地址表項；路由刪除時，刪除包含斷開鏈路的路由有效BD地址的表項。

路由存儲時，將路由存于RT表一個空條目。同時生成一個對該條目進行描述的BD并存于BD表中；它的地址被插入鏈表中，并為它設(shè)定生存周期。

路由管理原理如圖3所示。查找路由時，首先讀取鏈表尾條目，根據(jù)有效BD地址讀取BD表一個有效BD，比對目的節(jié)點地址。若匹配，根據(jù)RT長度與有效RT地址讀取RT表一條完整的路由。若不匹配，則根據(jù)鏈表指針讀取鏈表的前一個條目，然后重復(fù)上面所述的操作，直到目標(biāo)路由或者查完鏈表。路由過期即路由的BD過期，將包含該BD地址的條目從鏈表中刪除。路由刪除時，需要重復(fù)路由查找過程，讀取全部有效路由，并逐條比對是否包含斷開鏈路。將包含斷開鏈路的BD地址條目從鏈表中剔除。刪除操作完成后，更新后一個條目的鏈表指針，使得鏈表完整。

2 實驗仿真與分析

2.1 總體功能仿真

圖4是路由存儲仿真結(jié)果。標(biāo)號①是存儲的路由信息，store_route_en是路由存儲的使能，hop[31:0]路由數(shù)據(jù)周期數(shù)，did[31:0]目的節(jié)點地址，data_route[31:0]是路由數(shù)據(jù)。

圖5、圖6是路由查找仿真結(jié)果。did_to_rd_rt[31:0]是目的節(jié)點地址。標(biāo)號③與標(biāo)號④分別是存儲與讀取的路由數(shù)據(jù)，兩者是一樣的，故路由查找結(jié)果正確。

圖7與圖8是路由刪除仿真結(jié)果。標(biāo)號①是存儲的路由，標(biāo)號③是需要刪除路由包含的前端節(jié)點ID1與后端節(jié)點ID2地址。標(biāo)號②是路由存儲時插入鏈表的有效BD地址，標(biāo)號④是路由刪除后鏈表釋放的BD地址。兩者的數(shù)據(jù)一致，路由刪除結(jié)果正確。

2.2 總體性能仿真與分析

表1是一條路由存儲的時延隨周期變化的情況。由表1可知，隨著存儲的路由周期變長，模塊路由存儲的時延均在166.4 ns左右。

若路由不過期，每條路由固定長度且每次查找第一條存儲路由，表2是長度為2周期的路由查找時延隨著條數(shù)變化情況。表3是長度為8周期的路由查找時延隨著條數(shù)變化情況。

由表2、表3可知，路由周期固定，隨著存儲條數(shù)增加查找路由的時延快速增加。在路由表中存儲路由條數(shù)固定情況下，路由查找時延隨著路由長度的增加緩慢增加。路由查找的時延在ns級，說明查找速度很快。

表4是長度為2周期的路由刪除時延隨著條數(shù)變化情況。表5是長度為8周期的路由刪除時延隨著條數(shù)變化情況。

由表4、表5可知，在存儲周期固定的路由情況下，隨著存儲條數(shù)增加，刪除路由的時延快速增加，幾乎是2倍的速率。在路由表中存儲路由條數(shù)固定情況下，路由刪除時延隨著路由長度的增加緩慢增加。 但路由刪除的時延還在μs級以下，說明刪除速度依然很快。從路由存儲、查找、刪除的結(jié)果分析上來說，路由管理模塊工作效率是非常高的。

模塊設(shè)計使用vivado2015.2平臺，開發(fā)板采用Xilinx的VC707，使用的設(shè)備是XC7VX485T。片上總功耗為28.379 W，模塊功耗為11.755 W。片上各部分資源使用情況如表6所示。

由表6可見，使用硬件實現(xiàn)DSR路由表項管理所占用的硬件資源非常少，功耗十分小。

3 結(jié)論

本文針對在FPGA中支持DSR路由協(xié)議的核心內(nèi)容路由表項管理提出了一種基于有限狀態(tài)機的設(shè)計與實現(xiàn)方法。建立實現(xiàn)模型，使用vivado2015.2平臺進行仿真，仿真結(jié)果很好地驗證了預(yù)期目標(biāo)。通過實驗分析，發(fā)現(xiàn)使用FPGA實現(xiàn)DSR路由表項管理時延非常低，資源占用十分少，功耗很小。