目前，大多數(shù)路由器均采用分布式轉(zhuǎn)發(fā)、集中式路由處理的體系結(jié)構(gòu)［1］。該結(jié)構(gòu)方式使主處理單元與各從處理單元可以根據(jù)所處位置及執(zhí)行任務(wù)的不同采用不同的處理方式，但也使頂層管理軟件對底層各從處理單元難以進行協(xié)調(diào)統(tǒng)一的管理。硬件抽象層HAL（Hardware Abstraction Layer）在邏輯上介于底層硬件與上層協(xié)議軟件之間，維護兩者之間的數(shù)據(jù)傳遞，并對底層各接口模塊進行管理，屏蔽底層硬件細(xì)節(jié)，使得應(yīng)用軟件可以通過控制HAL達到操縱底層硬件的目的。高性能路由器硬件抽象層的提出［2］成功解決了分布式路由器面臨的通用性支撐軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計問題，為構(gòu)建開放通用的路由器軟件基礎(chǔ)平臺提供了保證。
　　隨著路由器承載業(yè)務(wù)能力的不斷增強，大規(guī)模接入?yún)R聚路由器的設(shè)計與實現(xiàn)也被提上了議事日程。ACR（大規(guī)模接入?yún)R聚路由器）是3Tnet（高性能寬帶網(wǎng)）網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備。該設(shè)備采用ACR寬帶接入方式，即通過帶有遠(yuǎn)端用戶接口單元（RIU）、基于以太網(wǎng)傳輸接口的分合路器（EMDi）組成樹形分叉地域分布式系統(tǒng)構(gòu)架，保證大規(guī)模的用戶直接接入骨干高速網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)視頻點播、網(wǎng)絡(luò)電視、IP電話等寬帶業(yè)務(wù)，從而更加減化了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使業(yè)務(wù)引入更加快速，運營策略更加多樣化。
　　大規(guī)模用戶接入方式也給路由器硬件抽象層的實現(xiàn)方式及信息的實時、高速傳輸提出了新的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：首先，承載業(yè)務(wù)量的數(shù)量及種類的增多對路由器內(nèi)部通信的實時性、高效性提出了更多的要求；其次，大規(guī)模用戶接入方式增加了路由器對外接口的數(shù)量，從而帶來了設(shè)備管理上的難度；再次，從系統(tǒng)的通用性及可擴展性考慮，要求構(gòu)建一種具有可擴展性且不依賴于硬件具體實現(xiàn)方式的軟件體系結(jié)構(gòu)，方便路由軟件的移植和應(yīng)用。由此可見，硬件抽象層的高度穩(wěn)定性、可擴展性及可靠性將直接影響路由器的各項性能指標(biāo)。
　　由于大規(guī)模用戶接入方式的特性，使得以前基于IPv6路由器的硬件抽象層的實現(xiàn)方式已經(jīng)不適應(yīng)數(shù)據(jù)高速傳輸及多用戶接入的管理方式。本文將在討論硬件抽象層基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種適用于大規(guī)模接入?yún)R聚路由器的HAL的通用性軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計及實現(xiàn)方式，提供高效、可靠的內(nèi)部通信，并針對多用戶接入數(shù)量不確定的情況，提出動態(tài)加載虛擬驅(qū)動模塊的實現(xiàn)方法，增強路由器面向ACR接入方式的可用性。
　　1 硬件抽象層基本結(jié)構(gòu)及功能實現(xiàn)
　　根據(jù)文獻［2］提出的方案，高性能路由器硬件抽象層可分為內(nèi)部通信、虛擬驅(qū)動及設(shè)備管理三大模塊，這三部分模塊相互配合，共同完成面向?qū)嶋H的用戶設(shè)備接口的功能模擬及硬件細(xì)節(jié)的屏蔽，并對其進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)的管理。硬件抽象層對用戶設(shè)備接口的功能模擬主要由虛擬驅(qū)動模塊完成，包括數(shù)據(jù)包的收發(fā)及協(xié)議報文的預(yù)處理等工作，為上層協(xié)議軟件提供標(biāo)準(zhǔn)的API函數(shù)；而對用戶設(shè)備的接口管理則由上層網(wǎng)絡(luò)管理軟件通過設(shè)備管理模塊對其進行管理配置及監(jiān)控；內(nèi)部通信模塊運行于內(nèi)部以太網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)各模塊之間的功能接口，保證各從處理單元與主處理單元之間實時可靠的數(shù)據(jù)傳輸。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
　　
　　根據(jù)各模塊的功能可知，硬件抽象層內(nèi)部通信模塊是各分處理單元與主處理單元信息交互的重要傳輸通道。內(nèi)部通信模塊匯集各底層設(shè)備的數(shù)據(jù)并根據(jù)類型分流至各上層處理模塊，同時，數(shù)據(jù)維護模塊對虛擬設(shè)備及各處理單元的維護信息也需要通過內(nèi)部通信模塊進行。因此，內(nèi)部通信模塊采用何種基于內(nèi)部以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)方式，對路由器內(nèi)部數(shù)據(jù)的實時、有效、可靠傳輸起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)前內(nèi)部通信模塊采用基于分隔符的TCP傳輸方式，在應(yīng)用層數(shù)據(jù)包的起始部分附加有特定格式的分隔符和數(shù)據(jù)長度域，解決了由于Nagle算法產(chǎn)生的包粘滯問題［3］。但該方式?jīng)]能解決TCP傳輸方式的消耗過大、實時性不強的問題［4］。同時，消除分割符恢復(fù)報文的完整性也增加了應(yīng)用程序的處理復(fù)雜度，從而不可避免地增加系統(tǒng)的開銷并降低系統(tǒng)的實時性。系統(tǒng)的實時性對于用戶業(yè)務(wù)急劇增多的ACR路由器而言是一個迫切需要解決的問題。UDP是一個面向消息的傳輸協(xié)議［5］，其最大數(shù)據(jù)緩沖區(qū)長度為8192～65536字節(jié)，滿足一次傳輸一個完整報文的條件。在內(nèi)部以太網(wǎng)中采用UDP傳輸方式具有明顯的優(yōu)勢。但由于UDP協(xié)議的無連接性，導(dǎo)致它是一個不可靠傳輸，文中第二部分將討論如何實現(xiàn)一種基于UDP的內(nèi)部通信的可靠性傳輸機制。
　　硬件抽象層對用戶設(shè)備接口的功能模擬主要通過虛擬驅(qū)動進行，路由器業(yè)務(wù)類型的擴展使得用戶接口數(shù)量增多并呈現(xiàn)接入時間的不確定性，從而帶來用戶設(shè)備管理上的難度。針對此種情況，文中第三部分提出動態(tài)加載虛擬驅(qū)動模塊的實現(xiàn)方法，增強路由器面向多用戶接入方式的可用性。
　　2 基于UDP傳輸方式的內(nèi)部通信的可靠性實現(xiàn)
　　內(nèi)部通信模塊處于硬件抽象層的底層，運行于內(nèi)部交換網(wǎng)絡(luò)，完成底層硬件與上層控制軟件的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)對底層硬件的初步屏蔽分離；針對分布式體系結(jié)構(gòu)特點及多用戶接入的業(yè)務(wù)需求，內(nèi)部通信模塊以Client\Server的方式分別運行于主處理單元模塊及各線路接口單元模塊上，采用UDP傳輸協(xié)議進行通信，主要基于以下幾點考慮：
　　首先，UDP協(xié)議是一個無連接協(xié)議，傳輸數(shù)據(jù)之前源端與終端不需建立連接，因此不需維護連接狀態(tài)。這樣服務(wù)器端可以使用一個或幾個端口同時向多個客戶端發(fā)送消息，符合分布式結(jié)構(gòu)體系的要求。
　　其次，UDP信息包很短，只有8個字節(jié)，相對于TCP的20個字節(jié)的信息包的額外開銷很小，便于數(shù)據(jù)的快速傳遞。
　　再次，吞吐量不受擁塞控制算法的調(diào)節(jié)，只受應(yīng)用軟件生成數(shù)據(jù)的速率、傳輸帶寬和計算機性能的影響，適用于內(nèi)部以太網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。
　　但由于UDP方式的無連接性，使得UDP傳輸?shù)目煽啃圆粡姟６煽啃允莾?nèi)部通信模塊所必須具有的性能，因此考慮在應(yīng)用軟件中實現(xiàn)UDP傳輸方式的可靠性保證，主要采用以下方式：