基于FPGA的数据链路层调度与适配算法的研究与设计

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数据链路层是沟通物理层与网络层的媒介,它位于OSI模型中的第二层。近年来随着网络与通信技术的发展,接入通信网络的设备种类越来越多,网络中的流量也越来越大,这对数据链路层的时延与可靠性提出了重大挑战。为了解决数据链路层的节点流量增多的问题,本文提出了一种新的调度算法——TWRR-BF调度算法。TWRR-BF算法是基于加权轮询调度算法并结合时间敏感网络协议簇IEEE802.1Q而提出的。根据时间敏感网络的时间感知整形器的要求,TWRR-BF对工业以太网的数据链路层的数据帧进行优先级区分;使用工业以太网的时隙概念,将发送时间区分出两个不同的时隙;将周期性实时数据在专用时隙里发送,避免周期性实时数据与其他数据发生“冲突”,从而造成“拥塞”;使用加权轮询调度算法对在一般时隙中传输的非实时数据进行加权轮询调度。结合循环队列转发最大占用时隙资源的优点,本文提出了一种次级队列抢占的策略,用距离“小流量高优先级”最近的“大流量低优先级”的数据去填补“小流量高优先级”的队列,减小时隙中的空闲时间,从而提高整个系统的资源利用率与降低系统的整体时延。基于FPGA的实验结果表明TWRR-BF能够在带优先级的数据流发生变化时,完成节点的区分优先级的调度,并且具有低时延与高可靠性。为了解决不同协议接口的数据帧协议不同,导致的数据链路层发送端与接收端无法帧同步的问题。本文基于FPGA提出了一种新的适配算法——W-F Adapter适配算法。W-F Adapter适配算法使用一个FIFO作为缓存实现了协议和速率不同的接口之间的数据帧的适配。通过仿真实验与卫星光网络工程中数据链路层AOS帧到TLK2711数据帧之间的适配,证明了W-F Adapter适配算法能够在保持高可靠性的条件下去适配不同协议不同速率的数据帧流,且适配时延是皮秒级的。TWRR-BF调度算法和W-F Adapter适配算法分别解决了数据链路层中节点流量调度和不同协议设备之间的帧同步问题。保证了数据链路层在节点流量调度和帧同步这两个重要功能上的“低时延与高可靠”。
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