基于Fabric网络平台的中间件设计✴

孙学

（中国西南电子技术研究所，成都610036）

基于Fabric网络平台的中间件设计✴

孙学

（中国西南电子技术研究所，成都610036）

基于Fabric网络拓扑及其传输特点，设计了模块级综合化信号与信息处理机的网络通信中间件模型，详细描述了其中的Fabric通信模型、网络管理模型和图形化配置监控模型。该中间件通过映射Fabric物理端口为多个逻辑通信端口，屏蔽网络链路的容错细节，以及静态逻辑连接关系和应用部署的动态绑定，实现了位置无关的网络通信、应用部署、容错控制、配置及监控维护等处理机平台基础设施，减小了系统应用与机器平台的设计耦合，增强了系统应用的设计灵活性，可以显著提高系统应用的集成效率。

综合化信号与信息处理机；开关网络；中间件设计；网络管理

1 引言

采用协议开放的开关互连技术（Fabric或Switched Fabric）取代共享总线技术实现以Fabric网络为中心的信号与信息处理机硬件架构是模块级高度综合集成系统的首选方案［1，2］。同时，Fabric网络也带来了一系列需要解决的技术应用问题，涉及网络通信、应用部署、容错控制、配置及监控维护等，而且这些处理机平台基础设施对平台应用设计人员具有较大技术挑战性。

本文基于双星型Fabric网络平台引入一种中间件设计模型，向下封装复杂的Fabric网络特性，向上提供应用构件间的交互接口，实现应用构件的逻辑关联和动态配置功能，从而把综合化设备紧耦合的物理关联分解成松耦合的逻辑关联，把功能波形的物理综合问题分解为逻辑独立的系统构件集成问题，把波形综合对系统全局的关联影响分解为构件集成对系统局部的接口影响，减小了系统应用与机器平台的设计耦合，增强了系统应用的设计灵活性，可以显著提高系统应用的集成效率。

本文第2节和第3节描述Fabric硬件拓扑和基于该平台的中间件模型，第4节、第5节和第6节对该中间件模型的设计实现进行重点描述，分别是Fabric通信设计、网络管理设计和图形化配置及监控设计。

2 Fabric网络拓扑

Fabric网络拓扑如图1所示［3］。S1-1、S1-2和S1-3交换节点构成主交换网络S1，S2-1、S2-2和S2-3交换节点构成备交换网络S2，S1和S2构成双星型网络拓扑。叶子节点与S1连接的链路称为主链路，与S2连接的链路称为备链路，SM1与SM2之间的链路为网络同步链路。SM1为系统管理主节点，SM2为系统管理备节点；NM1为网管主节点，NM2为网管备节点；N1～N n为处理机平台普通处理节点。

3 平台中间件模型

Fabric网络平台的中间件结构模型如图2所示［4］。N1、N2、N3等叶子节点由DSP、PowerPC以及FPGA-core等含有Fabric接口的处理器组成；S1和S2是对等拓扑结构的Fabric交换网络，由Fabric交换节点组成。在以上Fabric网络硬件平台上，构建的中间件模型组成部分包括通信管理、节点管理、网络管理以及系统管理。

通信管理完成Fabric接口驱动和网络枚举，提供网络异构节点硬件的控制和操纵；通过媒体接入管理提取资源信息并完成标识符等信息的统一映射；完成物理链路带宽分配等链路控制及其状态管理；完成逻辑链路协议等传输控制和资源管理。

节点管理提供Fabric叶子节点资源的控制管理，包括节点BIT、程序的动态加载和在线更新等控制管理功能，提供节点工作状态监控以及运行维护的远程控制代理。

网络管理是Fabric网络的管理中枢，完成Fabric网络资源的信息组织和仓储，根据系统配置实现网络物理拓扑和逻辑关联关系管理、动态路由计算、网络状态监测和网络链路的容错处理，实现通信物理链路和逻辑链路的状态收集和日志记录。

系统管理是整个信号与信息处理机系统的管理中枢，提供Fabric网络物理拓扑和逻辑对象关联关系的配置和静态规划；提供网络及节点远程监控；提供系统节点资源的容错处理以及应用部署策略等。

系统管理的应用部署、网络拓扑规划和逻辑关联配置与网络管理的接口，提供逻辑对象与物理实体之间的动态绑定，这是综合化设备紧耦合的物理关联分解成松耦合的逻辑关联的关键。

网络管理和通信管理的接口提供物理对象和逻辑对象，逻辑对象关联信息的集中式分发，实现应用程序之间面向对象的信息交互。

另外，通信管理的网络接口和驱动与网络管理的资源扫描进行接口，这是网络底层硬件特性所固有的接口。通过硬件层次紧耦合换取应用层次松耦合设计，把功能波形的物理综合问题分解为逻辑独立的系统构件集成问题。

系统管理的节点监控与节点管理之间的系统控制接口提供系统级控制管理通道；系统管理的网络监控与网络管理之间的平台控制接口提供Fabric平台级控制管理通道。这两个通道的分离设计，有利于把波形综合对系统全局的关联影响分解为构件集成对系统局部的接口影响，同时也为系统和平台的配置、监视和维护提供了远程控制通道。

4 Fabric通信设计

在分布式信号与信息处理机处理器之间或处理器的不同线程之间，Fabric通信软件利用Fabric网络底层硬件通信机制和操作系统的资源调度策略，实现Fabric接口通信资源的管理机制（如收发单元的管理）、数据缓存管理机制（如Fabric接口内外部存储资源的复用策略）、发送接收队列的管理机制、物理资源和逻辑资源的关联策略（如逻辑端口管理）、定时管理以及握手协议等，通过少量的通信库函数为应用程序提供高效的数据传输服务。

根据中间件模型设计，Fabric通信软件需要具备在同一个Fabric物理端口提供多个逻辑端口通信能力，这是应用程序之间面向对象的信息交互的基础，如图3所示。

在ISO／OSI七层模型和TCP／IP四层模型基础上，结合Fabric网络特性为通信软件设计高效轻量的协议分层模型如图4所示。

Fabric通信软件包括进程间通信（IPC）功能和网管代理功能。IPC部分提供高速可靠的进程间通信功能；网管代理部分辅助网管实现对网络中各节点的Fabric接口管理和维护，为IPC部分的正常运行提供支持。与参考模型相比，Fabric协议更类似于TCP／IP参考模型，得益于Fabric交换技术，数据链路层和网络层设计更为简约。

接口封装：IPC通过网管接口和应用接口分别向网管和应用程序提供相应的服务。应用程序只需使用其所提供的接口获取网管代理和IPC所提供的服务，而无需关心通信协议内部是如何传输和实现的。

网管代理：网管代理将网管发出的控制命令与信息传送到每个节点，每个节点上的网管代理再分别控制IPC中的功能，实现如建立连接、挂起连接等一系列的操作，通过这种方式实现网管对节点通信的集中管理。

传输层：在IPC中传输层将逻辑链路层的链路复用成多条逻辑的链路，为每个链路分配端口标识并维护这些链路的状态。应用程序收发的数据通过传输层的处理后到达逻辑链路层。

逻辑链路层：所有复用的逻辑链路最终汇合在这一层上，保障所有数据的收发并维护在该层上的链路。该层同时保障数据的优先级，如果在该层的队列中同时存在多个优先级的数据，高优先级的数据要比低优先级的数据先出队列并发送出去。

媒体接入控制层：该层是对硬件的抽象接口，实现上层协议和Fabric底层硬件特性隔离，使用统一的接口实现数据的收发与配置。

5 网络管理设计

在综合化信号与信息处理机系统中，Fabric网络是由多个节点板卡通过底板互连的，使得同一个板卡内及板卡之间的连接关系是确定的，网络的规模随着接入板卡的多少存在变化，但网络中的节点连接关系是确定的，即实际的网络拓扑必然是最大设定拓扑结构的子集，如图5所示。

双星型Fabric网络采用了两级容错方法，第1级为中心交换网络容错，第2级为交换链路容错，如图7所示。当主网络链路故障，备网络工作正常时，进行主备网络切换，实现第1级中心网络容错；当备网络链路继续故障时，这时网络带故工作实现第2级网络链路容错；备网络故障或单网络工作时，主网络链路故障直接进行第2级链路容错。

预先设定最大拓扑中每个节点的关键信息，并将最大拓扑信息保存于非易失存储区，使得系统枚举的每个节点的关键信息均可从模板拓扑中提取，提高了网络枚举效率，保证了关键应用的确定性时延指标。

网络中间件的通信配置模型如图6所示。系统管理向Fabric叶子节点发送程序加载控制指令，向Fabric主网管下发程序部署指令；网络管理根据程序间的逻辑关联关系和网络物理拓扑，执行动态路由配置并向系统管理上报节点间通信配置结果。

6 图形化配置及监控设计

采用在GUI上构造网络拓扑的方式，录入与读取网络物理部件拓扑连接关系。通过图形化描述把应用程序模块信息封装成标准化的图形化软件构件，每个软件部件信息包括软件模块名称、对外接口名称及其绑定的逻辑端口号等信息。把硬件处理模块信息封装成标准化的图形化硬件部件，每个硬件部件信息包括硬件类型、硬件模块插槽编号等信息。采用鼠标拖动软件构件到硬件部件相应的处理器中来表达软件在硬件上的部署和信息绑定关系，在软件部件端口间画连接线表达软件部件之间的连接关系。

用这种可视化方式来翻译和表达网络物理拓扑、逻辑关联关系，以及部署关系等配置信息，并通过软件工具自动转换成网络管理软件可以识别的文本格式，实现所见即所得的网络配置、监视和维护控制，简化了中间件的使用要求并提升了用户体验，如图8所示。

7 小结

本文提出了一种基于双星型Fabric网络拓扑的中间件设计模型，能够提供与位置无关的网络通信、应用服务的动态部署、网络节点的容错控制，以及图形化的配置、监控与运行维护功能。在某综合化信号与信息处理机的设计和集成应用过程中，基于该设计模型的中间件软件功能稳定、性能优良；基于该中间件设计的综合化系统与平台耦合度小，能提高3～5倍的系统集成效率，效果明显。本文可供相关工程设计参考。

［1］钱义东.双星型网络拓扑可靠性分析［J］.计算机工程，2009，35（16）：224-227.

QIANYi-dong.Availability Analysis of Double-star Network Topology［J］.Computer Engineering，2009，35（16）：224 -227.（in Chinese）

［2］孙学，段求辉，陈颖.StarFabric技术综述［J］.中国电子科学研究院学报，2007，2（2）：191-196.

SUN Xue，DUAN Qiu-hui，CHEN Ying.A Survey of Star-Fabric Technology［J］.Journal of China Academy of Electronics and Information Technology，2007，2（2）：191-196.（in Chinese）

［3］Gunkel M，Schneiders M.Aggregation Networks：Cost Comparison ofWDM Ring vs.Double Star Topology［C］／／Proceedings of2008 International Conference on Optical Network Design and Modeling.Vilanova i la Geltru：IEEE，2008：1-5.

［4］AEEC／ARINC 651-1，Design guidance for integrated modular avionics［S］.

Midd leware Software Design Based on Switched Fabric Platform

SUN Xue
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

Based on Fabric topology and its characteristics，amiddleware designmodel of the Fabric platform applied in the Integrated Modular Architecture Signal＆Information Processor is proposed.The Fabric communication model，the Fabric managementmodel，and the graphic Configuration＆Surveillance＆Control（CSC）model are described.Themiddlewaremaps Fabric physical port tomultiple logic communication ports，shields the details ofmending link faults，and bundles the static logic connection relationship and the dynamic deploymentofapplications.Itprovides themain platform infrastructure of processor，including the function of Fabric communication independent on place，the function of application deployment，the function of faults tolerance control，the function of CSC，and the function of Fabricmaintenance.Italleviates the coupling between applications and processor platform，promotes the agility of application design，and greatly accelerates the integration of applications of the system.

integrated signal＆information processor；switched Fabric；middleware design；network management

the M.S.degree from Chongqing University in 2004.He is now an engineer.His research concerns switch Fabric，distributed computing and array computing.

1001-893X（2011）11-0079-05

2011-06-01；

2011-09-26

TN915；TP393

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.11.016

孙学（1978—），男，重庆合川人，2004年于重庆大学获硕士学位，现为工程师，主要研究方向为交换式总线、分布式计算和阵列计算技术。

Email：sun8xue＠163.com

SUN Xue was born in Hechuan，Chongqing，in 1978.He