FPGA odaklı DSR Yönlendirme Tablosu Öğesinin Tasarım ve Uygulama Yöntemi
Ad Hoc ağı, hiçbir merkezi kontrol düğümü, çok sekmeli yönlendirme ve dinamik topoloji özelliklerine sahip değildir.Ağ tesislerinin önceden ayarlanamadığı durumlarda ve savaş alanları, insansız dağlık alanlar, afet yardım alanları vb. Bu nedenle, Ad Hoc ağı günümüz toplumunda çok geniş uygulama senaryolarına sahiptir.
Dinamik Kaynak Yönlendirme (Dinamik Kaynak Yönlendirme), Ad Hoc ağlar için çok uygun olan isteğe bağlı bir yönlendirme protokolüdür. Protokolde, yönlendirme tablosundaki girişler talep üzerine oluşturulur. Yolun süresi dolarsa veya bağlantı kesilirse, tablo girişi işe yaramaz hale gelir. Sürekli yolların oluşturulmasının neden olduğu ağ ek yükünü azaltmak için, talep üzerine oluşturulan yollar, hedef düğüm ile iletişim için kaynak düğüm tarafından depolanır. Bu nedenle, DSR protokolünün özü, düğümler arasındaki iletişimi yönetmektir.
Şu anda, yurtiçi ve yurtdışındaki Ad Hoc ağları üzerine yapılan çoğu araştırma yazılım tabanlıdır ve kullanılan yazılım platformları arasında NS2, GloMoSim, OPNET vb. Bulunmaktadır. Bu nedenle, DSR protokolü yönlendirme tablosu öğe yönetiminin temel işlevi de yazılıma dayanmaktadır. Şimdiye kadar, FPGA'ya dayalı DSR yönlendirme tablosu öğe yönetimini uygulamak için bir emsal yoktur.
DSR protokol işlevlerini uygulamak için donanım kullanmak, güç tüketimini ve gecikme süresini azaltacak ve mobil cihazların pil ömrünü uzatacaktır. Ad Hoc ağında, donanım ve yerleşik yonga, çalışma hızını artırmak ve güç tüketimini azaltmak için birbirine bağlanır ve işlem süresi diğer işlemler için de kullanılabilir. Ek olarak, DSR protokolünü uygulamak için donanım kullanmak aramaları ayarlayabilir ve dinamik topolojileri daha hızlı değiştirebilir. Bu nedenle, DSR yönlendirme tablosu giriş yönetimini uygulamak için FPGA kullanmak çok iyi pratik kullanımlara sahiptir.
Bu makale, FPGA'daki DSR protokolünün yönlendirme tablosu öğe yönetimi işlevini desteklemek için sonlu durum makinesine dayalı bir tür gerçekleştirme yöntemi tasarlamaktadır. Bu makalenin tasarımında, durum makinesi bir başlangıç durumu ve üç işlevsel durum içerir. Sonlu durum makinesinin üç işlevsel durumu, rota depolama, rota arama ve rota silme işlevlerini birlikte gerçekleştirir. Sonlu durum makinesi, donanım kodunu sıralı devrelerin tarzına uygun hale getirir. Ek olarak, sentezlenen kod, devre fiziksel olarak uygulandığında gecikme özelliklerini ve güç tüketimini daha optimize hale getirir.
1 DSR yönlendirme tablosu giriş yönetiminin uygulanması
1.1 Genel plan
Genel şema Şekil 1'de gösterilmektedir. Tasarım iki bölüme ayrılmıştır: yönlendirme yönetimi sonlu durum makine modülü ve yönlendirme yönetimi modülü. Sonlu durum makinesi, gereksinimlere göre farklı işlevsel durumlara atlar ve farklı işlem üretir, yönlendirme yönetimi modülünün yönlendirme tablosu girişlerini eklemesine, aramasına ve silmesine olanak tanır. Yönlendirme yönetim modülü, yönlendirme tablosu girişindeki işlemi tamamladıktan sonra, sonlu durum makinesi, mevcut durumdan başlangıç durumuna geri döner.
1.2 Rota yönetimi sonlu durum makinesi
Yol yönetimi sonlu durum makinesinin tasarımı DSR protokolüne dayanır ve sonlu durum makinesinin durum atlaması Şekil 2'de gösterilmektedir. Bir rotanın aranması gerekiyorsa, durum makinesi BOŞTA durumundan rota arama durumuna atlar ve rota arama etkinleştirmesini oluşturur.Durum makinesi arama işleminin bitiş sinyalini aldığında, durum makinesi BOŞTA durumuna atlar; rotanın silinmesi gerekiyorsa, Durum makinesi, BOŞTA durumundan rota silme durumuna atlar ve rota silme etkinleştirmesini oluşturur. Durum makinesi silme işlemi bitiş sinyalini aldığında, durum makinesi BOŞTA durumuna atlar; bir rotanın depolanması gerekiyorsa, durum makinesi BOŞTA durumundan atlar Yol önbelleği durumuna gidin ve yol yönetimi modülüne yönelik yol depolama etkinleştirmesini oluşturun Durum makinesi, yol depolama işleminin bitiş sinyalini aldığında, durum makinesi BOŞTA durumuna geri döner.
1.3 Yönlendirme Yönetimi Modülü
Yönlendirme yönetim modülü 4 modüle bölünmüştür: yaşam döngüsü modülü, yönlendirme yazma modülü, yönlendirme okuma modülü, yönlendirme silme modülü. Yönlendirme yönetim modülü, BD yönlendirmesini (Arabellek Açıklaması) ve adresini çalıştırarak yönlendirme tablosu girişlerini yönetir. BD, yolun yol açtığı hedef düğümün IP adresi, yolun uzunluğu ve yönlendirme tablosu girişinin depolama biriminin başlangıç adresi gibi yol hakkında belirli bilgileri içerir. Bir BD'ye göre, tam bir yol okunabilir.
(1) Rota yazma modülü, rotayı ve rotayı oluşturan BD'yi saklar. Bir rotanın saklanması gerektiğinde, modül rotayı RT tablosundaki boş bir girişte saklar (giriş kapasitesi 16 döngü veri uzunluğudur). Aynı zamanda, yeni bir BD oluşturulur ve BD tablosunda saklanır.
(2) Rota okuma modülü iki işlevi tamamlar: Etkili bir rotayı okuma; Bağlantısız bağlantılar içeren tüm etkili rotaları kontrol etme ve rota silme modülüne geri besleme.
(3) Yaşam döngüsü modülü 256 sayaç içerir (ağ yalnızca 256 düğümü destekler) ve yaşam döngüsü her yeni BD için ayarlanır.
(4) Yol silme modülü, geçerli BD adreslerinin tek yönlü bağlantılı bir listesini tutar. Yönlendirme saklandığında, yeni BD adresini içeren giriş bağlantılı listeye eklenir; yönlendirme arandığında geçerli bir BD adresi aranır; yol sona erdiğinde, yolun etkin BD adresi girişi bağlantılı listeden silinir; yol silindiğinde, kesintiyi içeren giriş silinir Açık bağlantı yolu için etkili BD adresinin girişi.
Rotayı kaydederken, rotayı RT tablosundaki boş bir girişe kaydedin. Aynı zamanda, girişi açıklayan bir BD oluşturulur ve BD tablosunda saklanır; adresi bağlantılı listeye eklenir ve bunun için bir yaşam döngüsü ayarlanır.
Yönlendirme yönetimi ilkesi Şekil 3'te gösterilmektedir. Bir yol ararken, önce bağlantılı listenin son girişini okuyun, geçerli BD adresine göre BD tablosundaki geçerli bir BD'yi okuyun ve hedef düğüm adresini karşılaştırın. Eşleşirse, RT uzunluğuna ve etkin RT adresine dayalı olarak RT tablosundan tam bir yol okuyun. Eşleşmezse, bağlantılı liste işaretçisine göre bağlantılı listenin önceki girişini okuyun ve ardından hedef yol veya bağlantılı liste kontrol edilene kadar yukarıda bahsedilen işlemi tekrarlayın. Yolun sona ermesi, yönlendirilen BD'nin süresinin dolması ve BD adresini içeren girişin bağlantılı listeden silinmesi anlamına gelir. Bir rota silindiğinde, rota arama sürecini tekrarlamak, tüm geçerli rotaları okumak ve bağlantısız bağlantılar içerip içermediğini tek tek karşılaştırmak gerekir. Bağlantısı kesilen bağlantıyı içeren BD adres girişini bağlantılı listeden kaldırın. Silme işlemi tamamlandıktan sonra, bağlantılı listenin tamamlanması için son girişin bağlantılı liste işaretçisi güncellenir.
2 Deneysel simülasyon ve analiz
2.1 Genel işlev simülasyonu
Şekil 4, depolama yönlendirmesinin simülasyon sonucudur. Etiket , depolanmış yönlendirme bilgisidir, store_route_en, yönlendirme depolamasının etkinleştirilmesidir, sekme yönlendirme veri döngülerinin sayısı, did hedef düğüm adresi ve data_route, yönlendirme verileridir.
Şekil 5 ve Şekil 6, rota aramanın simülasyon sonuçlarıdır. did_to_rd_rt, hedef düğüm adresidir. Etiket ve etiket sırasıyla depolanır ve yönlendirme verilerini okur ve ikisi aynıdır, dolayısıyla yönlendirme arama sonucu doğrudur.
Şekil 7 ve 8, rota silme işleminin simülasyon sonuçlarıdır. etiketi depolanmış yoldur ve etiketi, rotadan silinmesi gereken ön uç düğüm ID1 ve arka uç düğüm ID2 adresleridir. Etiket , yol saklandığında bağlantılı listeye eklenen etkin BD adresidir ve etiket , yol silindikten sonra bağlantılı listeden bırakılan BD adresidir. İkisinin verileri aynı ve rota silme sonucu doğrudur.
2.2 Genel performans simülasyonu ve analizi
Tablo 1, bir yol depolama gecikmesinin döneme göre nasıl değiştiğini göstermektedir. Tablo 1'den, depolanan yönlendirme süresi uzadıkça, modül yönlendirme depolamasının gecikmesinin yaklaşık 166.4 ns olduğu görülebilir.
Rota süresi dolmazsa, her rotanın uzunluğu sabitlenir ve her seferinde kaydedilen ilk rota aranır Tablo 2, 2 döngü uzunluğundaki rota arama gecikmesinin rota sayısına göre değiştiğini göstermektedir. Tablo 3, 8 çevrimlik rota arama gecikmesinin rota sayısına göre nasıl değiştiğini göstermektedir.
Tablo 2 ve Tablo 3'ten, yönlendirme süresinin sabit olduğu ve yol arama için zaman gecikmesinin, depolanan öğelerin sayısı arttıkça hızla arttığı görülebilir. Yönlendirme tablosunda saklanan yol sayısı sabitlendiğinde, rota uzunluğu arttıkça rota arama gecikmesi yavaşça artar. Rota aramasının zaman gecikmesi ns seviyesindedir, bu da arama hızının çok hızlı olduğunu gösterir.
Tablo 4, 2 döngü uzunluğundaki rota sayısı ile rota silme gecikmesinin değişimini göstermektedir. Tablo 5, 8 dönemli yol silme gecikmesinin güzergah sayısına göre nasıl değiştiğini göstermektedir.
Tablo 4 ve Tablo 5'ten görülebileceği gibi, sabit bir saklama süresi olan bir rota durumunda, depolama öğelerinin sayısı arttıkça, rotayı silme gecikmesi, oranın neredeyse iki katı hızla artmaktadır. Yönlendirme tablosunda saklanan yol sayısı sabitlendiğinde, rota uzunluğu arttıkça rota silme gecikmesi yavaşça artar. Bununla birlikte, rota silme gecikmesi hala s'nin altındadır, bu da silme hızının hala çok hızlı olduğunu gösterir. Rota depolama, arama ve silme sonuçlarının analizinden, rota yönetimi modülünün verimliliği çok yüksektir.
Modül tasarımı vivado2015.2 platformunu kullanır, geliştirme kartı Xilinx'in VC707'sini ve kullanılan cihaz XC7VX485T'dir. Çipteki toplam güç tüketimi 28.379 W ve modülün güç tüketimi 11.755 W'tır. Çipin her bir parçasının kaynak kullanımı Tablo 6'da gösterilmektedir.
Tablo 6'dan, DSR yönlendirme tablosu öğe yönetimini uygulamak için donanımın kullanılmasının çok az donanım kaynağı gerektirdiği ve çok az güç tükettiği görülebilir.
3 Sonuç
Bu makale, FPGA'daki DSR yönlendirme protokolünü destekleyen çekirdek içerik yönlendirme tablosu öğe yönetimi için sonlu durum makinesine dayalı bir tasarım ve uygulama yöntemi önermektedir. Gerçekleştirme modeli oluşturuldu ve simülasyon için vivado2015.2 platformu kullanıldı ve simülasyon sonuçları beklenen hedefi iyi doğruladı. Deneysel analiz yoluyla, DSR yönlendirme tablosu giriş yönetimini uygulamak için FPGA kullanmanın çok düşük gecikme süresine, çok az kaynak kullanımına ve düşük güç tüketimine sahip olduğu bulundu.
Referanslar
Wang Haitao. Ad Hoc Network. Telekomünikasyon Teknolojisi, 2005 (8): 97-99.
CONTI M, GIORDANO S.Mobil geçici ağ oluşturma: dönüm noktaları, zorluklar ve yeni araştırma yönleri Communications Magazine IEEE, 2014, 52 (1): 85-96.
JOHNSON D B, MALTZ D A. Ad hoc kablosuz ağlarda dinamik kaynak yönlendirme. Mobile Computing, 2016: 153-181.
Tu Zihao, Wu Rongquan, Qian Liqun Kablosuz Ad Hoc ağında DSR yönlendirme protokolünün optimizasyon tasarımı Bilgisayar Mühendisliği, 2009, 35 (4): 97-99.
RAMAKRISHNAN M, SHANMUGAVEL S. FPGA, MANET Uluslararası Endüstriyel ve Bilgi Sistemleri Konferansı'nda AODV yönlendirme protokolünün uygulanması, IEEE, 2006: 470-473.
RATHINAM A, NATARAJAN V, VANILA S, ve diğerleri Rota onarım şeması için geliştirilmiş AODV yönlendirme protokolünün bir FPGA uygulaması IEEE Computer Society, 2008: 971-974.
RAMAKRISHNAN M, SHANMUGAVEL S.FPGA mobil adhocnetwork'te DSDV tabanlı yönlendiricinin uygulaması. Hindistan Konferansı.IEEE, 2006: 1-5.
Chen Yong, Sonlu Durum Makinelerinin Modellenmesi ve Optimal Tasarımı.Congqing University of Technology (Natural Science) Dergisi, 2007, 21 (5): 55-58.
Peter Mins, Ian Elliott, Mins, vb FSM ve VerilogHDL'ye dayalı dijital devre tasarımı Pekin: Makine Endüstrisi Basını, 2016.
yazar bilgileri:
Li Sen, Li Bo, Yan Zhongjiang, Yang Mao
(Elektronik Bilgi Okulu, Northwestern Polytechnical University, Xi'an, Shaanxi 710072)
