基于有限状态机的FPGA DSR路由表项设计和实现方法_技术

0 引言

Ad Hoc[1]网络具有无中心控制节点、路由多跳、拓扑动态等特点，可以用于不能预设网络设施的场合和需要快速自动组网的场合，例如：战场、无人烟山区、救灾现场等[2]。因此Ad Hoc网络在当今社会具有非常广泛的应用场景。

动态源路由协议(Dynamic Source RouTIng)[3]是一种按需路由协议，是十分适用于Ad Hoc网络的路由协议。在DSR协议中，路由表的表项都是按需建立的。路由过期或链路断开，表项就失去作用了。为减少路由不断建立而产生的网络开销，按需建立的路由都由源节点存储，用于与目的节点通信[4]。因此DSR协议的核心是管理各节点之间通信的路由表项。

目前，国内外针对Ad Hoc网络的研究大多是基于软件的，使用的软件平台有NS2、GloMoSim、OPNET等。因此，DSR协议的核心功能——路由表项管理，也是基于软件完成的。目前为止，还未有基于FPGA实现DSR路由表项管理的先例。

使用硬件实现 DSR协议功能将减少功耗和延迟时间，延长移动设备的电池使用时间[5]。Ad Hoc网络中，通过硬件与嵌入式芯片联系在一起，使得 *** 作速度的增加与功耗降低，处理时间还可以用于其他 *** 作[6]。此外，使用硬件实现DSR协议可以更快地建立呼叫和更改动态拓扑[7]。因此，使用FPGA实现DSR路由表项管理具有很好的实际用途。

本文为在FPGA中支持DSR协议的路由表项管理功能，设计一种基于有限状态机[8]的实现方法。本文的设计中，状态机包含一个初始状态和3个功能状态。有限状态机的3个功能状态一起联合实现路由存储、路由查找、路由删除的功能。有限状态机使得硬件代码符合时序电路的风格。此外，综合后的代码在电路物理实现时使得时延特性与功耗更加优化[9]。

1 DSR路由表项管理的实现

1.1 总体方案

总体方案如图1所示，设计分为两个部分：路由管理有限状态机模块以及路由管理模块。有限状态机根据需求跳转到不同的功能状态，生成不同的 *** 作使能，用以驱动路由管理模块对路由表项进行添加、查找、删除。路由管理模块完成对路由表项的 *** 作后，有限状态机从现有状态跳转回初态。

1.2 路由管理有限状态机

路由管理有限状态机的设计是基于DSR协议，有限状态机的状态跳转如图2所示。若需要查找一条路由时，状态机从IDLE状态跳转到路由查找状态并生成路由查找使能，当状态机收到查找 *** 作结束信号时，状态机跳转到IDLE状态；若需要删除路由时，状态机从IDLE状态跳转到路由删除状态并生成路由删除使能，当状态机收到删除 *** 作结束信号时，状态机跳转到IDLE状态；若需要存储一条路由时，状态机从IDLE状态跳转到路由缓存状态并生成路由存储使能给路由管理模块，当状态机收到路由存储 *** 作结束信号时，状态机跳转回IDLE状态。

1.3 路由管理模块

路由管理模块具体细化为4个模块：生存周期模块、路由写模块、路由读模块、路由删除模块。路由管理模块对路由表项的管理是通过对路由BD(Buffer DescripTIon)以及它的地址进行 *** 作完成的。BD包含路由的某些信息，例如：该路由所导向目的节点IP地址、路由长度、路由表项存储单元的起始地址。根据一个BD就可以读取一条完整路由。

(1)路由写模块存储路由与生成该路由的BD。需要存储一条路由时，模块将该路由存储于RT表一个空条目（条目容量为16个周期数据长度）。同时生成一个新BD存入BD表。

(2)路由读模块完成两个功能：①读取一条有效路由；②查收所有包含断开链路的有效路由并反馈给路由删除模块。

(3)生存周期模块包含256个计数器(网络只支持256个节点)，为每个新BD设置生存周期。

(4)路由删除模块维护一个有效BD地址的单向链表。路由存储时，将包含新BD地址的表项插入链表；路由查找时，查找一个有效BD地址；路由过期时，从链表中删除该条路由的有效BD地址表项；路由删除时，删除包含断开链路的路由有效BD地址的表项。

路由存储时，将路由存于RT表一个空条目。同时生成一个对该条目进行描述的BD并存于BD表中；它的地址被插入链表中，并为它设定生存周期。

路由管理原理如图3所示。查找路由时，首先读取链表尾条目，根据有效BD地址读取BD表一个有效BD，比对目的节点地址。若匹配，根据RT长度与有效RT地址读取RT表一条完整的路由。若不匹配，则根据链表指针读取链表的前一个条目，然后重复上面所述的 *** 作，直到目标路由或者查完链表。路由过期即路由的BD过期，将包含该BD地址的条目从链表中删除。路由删除时，需要重复路由查找过程，读取全部有效路由，并逐条比对是否包含断开链路。将包含断开链路的BD地址条目从链表中剔除。删除 *** 作完成后，更新后一个条目的链表指针，使得链表完整。

2 实验仿真与分析

2.1 总体功能仿真

图4是路由存储仿真结果。标号①是存储的路由信息，store_route_en是路由存储的使能，hop[31:0]路由数据周期数，did[31:0]目的节点地址，data_route[31:0]是路由数据。

图5、图6是路由查找仿真结果。did_to_rd_rt[31:0]是目的节点地址。标号③与标号④分别是存储与读取的路由数据，两者是一样的，故路由查找结果正确。

图7与图8是路由删除仿真结果。标号①是存储的路由，标号③是需要删除路由包含的前端节点ID1与后端节点ID2地址。标号②是路由存储时插入链表的有效BD地址，标号④是路由删除后链表释放的BD地址。两者的数据一致，路由删除结果正确。

2.2 总体性能仿真与分析

表1是一条路由存储的时延随周期变化的情况。由表1可知，随着存储的路由周期变长，模块路由存储的时延均在166.4 ns左右。

若路由不过期，每条路由固定长度且每次查找第一条存储路由，表2是长度为2周期的路由查找时延随着条数变化情况。表3是长度为8周期的路由查找时延随着条数变化情况。

由表2、表3可知，路由周期固定，随着存储条数增加查找路由的时延快速增加。在路由表中存储路由条数固定情况下，路由查找时延随着路由长度的增加缓慢增加。路由查找的时延在ns级，说明查找速度很快。

表4是长度为2周期的路由删除时延随着条数变化情况。表5是长度为8周期的路由删除时延随着条数变化情况。

由表4、表5可知，在存储周期固定的路由情况下，随着存储条数增加，删除路由的时延快速增加，几乎是2倍的速率。在路由表中存储路由条数固定情况下，路由删除时延随着路由长度的增加缓慢增加。但路由删除的时延还在μs级以下，说明删除速度依然很快。从路由存储、查找、删除的结果分析上来说，路由管理模块工作效率是非常高的。

模块设计使用vivado2015.2平台，开发板采用Xilinx的VC707，使用的设备是XC7VX485T。片上总功耗为28.379 W，模块功耗为11.755 W。片上各部分资源使用情况如表6所示。