云计算环境下通信网络路由协调控制器设计
姜明月
摘 要： 传统路由协调控制器设计方法存在数据传输次数少、传输不准确等问题，无法将节点分配均衡，大大降低了网络控制效率。为此，提出基于云计算环境下通信网络路由协调控制器的设计。构建协调控制器模块框图，利用低压差分技术设计光纤以太网协调控制器结构；设计云计算环境下控制器消息接收与发送处理以及格式转换功能，实现可自动调节的通信路由控制器。经过实验研究表明，该控制器设计可增加数据传输次数，并提高数据传输准确率，同时控制效果较强，网络節点鲁棒性较好。
关键词： 云计算； 数据传输； 转换； 通信网络； 路由； 协调控制器
中图分类号： TN915.02?34； TP332 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）23?0101?03
Abstract： The traditional design method of routing coordinated controller has the problems of few data transmission times and inaccurate data transmission， and can′t balance the node allocation， which may reduce the control efficiency of the network greatly. Therefore， the design of the communication network routing coordinated controller in cloud computing environment is proposed. The block diagram of the coordinated controller model is constructed. The low?voltage differential technology is used to design the structure of the fiber optic Ethernet coordinated controller. The messages receiving and sending functions of the controller and the format conversion function are designed in cloud computing environment to realize the communication routing controller with automatic control function. The experimental results show that the controller can increase the times of data transmission and improve the accuracy of data transmission， and has perfect control effect and strong network node robustness.
Keywords： cloud computing； data transmission； conversion； communication network； routing； coordinated controller
0 引 言
随着通信网络技术的快速发展，可通过光纤以太网通信进行数据与多媒体之间的信息传递。基于云计算环境下的网络在25 000 GHz范围内可随意设置大数量的协调控制器，并可反复使用，使用该控制器可将上百万个频道同时容纳在其中，大大提高了通信质量。云计算环境下通信网络采用光纤以太网对协调控制器进行设计，已经成为网络通信的主要途径。而传统通信采用光纤通信方式进行设计与构建，存在传输性能差、数据传输不准确，无法解决网络传输宽带高的问题，为此光纤以太网应运而生。
在云计算环境下的路由协调控制器可降低网络日常开销，大大提高网络连通度，延长使用寿命。随着各项通信业务高速发展，有关协调控制的设计方法受到了人们重视，利用光纤资源建立起来的网络能够在全双工模式下拓展链路长度，促使该技术的应用由局域网延伸到任何传输网络成为可能。通常情况下，基于云计算环境的路由协调控制器可进行远距离传输，最大传输距离仅仅会受到物理层面限制，不会影响整个路由网络传输情况。采用该设计方法可将所有技术兼容，并根据规定的城域网和广域网协议实现网络的无缝连接，同时该控制器易于管理，成本较低，进行网络传输的效率也可满足用户需求。
1 通信网络路由协调控制器模块设计
云计算环境下通信网络路由协调控制器模块设计框图如图1所示。
由图1可知，该模块设计是在云计算环境下将路由协调控制器移植到嵌入式系统中，在双方协议规定之下完成综合通信网络系统的设计，并通过操作按键控制综合通信网络中协调控制器的工作模式；指示模块的设计包括系统工作状态、侧方向网络连通状态、流量统计[1]。
光纤以太网控制器由可集成的介质访问物理接口器和媒介控制器组成，该网络进行控制时，需遵循IEEE 802.3规则，并支持100BASE?TX标准，媒体介入控制层（MAC）和物理层（PHY）分别与ISO协议模型中的第3层和第2层相对应[2]。
协调控制器基本接口是在媒体介入控制层（MAC）的简单总线接口，该层次可为网络信息发送与接收提供途径，通过内部媒体独立接口给物理层（PHY）提供数据传输接口；而物理层（PHY）主要负责与光纤以太网进行数据传递，其基本结构如图2所示[3]。
由图2可知，对协调控制器进行设计时，无论物理接口是串行还是并行都能正确完成工作，物理接口采用的是IEEE 1596.3低压信号，并使用8/16位的链路作为协议端点规范，该规范详细规定了采用8/16位链路数据进行时钟与帧信号传输时，不能偏离传输途径，且不可反复传输[4]。
利用低压差分技术对信号进行传输时，可使用短距离低摆幅恒流差分信号，并在互补金属氧化物半导体上实现。其工作频率为300 MHz左右，沿着上下时钟对数据进行采集。与现有技术相比，该接口网络流量较高，同时，由于所有信号都集中在一条差分线上，因此可采用较多引脚来完成庞大数量的信号传输。
2 通信网络路由协调控制器软件设计
2.1 控制器消息接收与发送处理设计
信息接收处理的主要功能是将接收信息转换为光纤以太网包，具体过程如图3所示。
（1） 接收控制模块主要负责从接口处接收网络数据包，并进行拆包，将拆分之后的网络数据包发送给请求数据模块以备处理[5]。
（2） 信息接收处理模块主要从请求数据模块中对数据进行读取，并从请求数据中提取与之相关的信息，将此信息进行分类处理。
如果接收到的信息是经过物理接口模块而返回的反响信息，那么需将该信息重新送入请求响应模块之中，以备发送接口控制模块对信息进行提取与发送；如果接收到的信息需要重写或重读，则需将其转换为具有查询地址的代码储存在寄存器中；如果接收到的信息邮箱信息，那么将该信息以数据的形式发送到请求模块中，以备进行下一步处理。
（3） 消息模块是实现信息传递、接收与处理的功能模块，主要负责对接收到的信息以邮箱形式进行整合，方便构成光纤以太网包[6]。
该模块需控制子模块以及18个邮箱模块，当信息发送到邮箱时，先控制子模块按照邮箱号码进行分段标记，并将其分成邮箱信息和邮箱消息数据；然后存入到各个邮箱模块中，通过计算获得邮箱信息数据存储地址；最后将邮箱数据存入到消息数据中。
邮箱模块主要完成邮箱匹配和产生超时信号处理，而消息模块主要负责对超时信息进行清除整理操作，如果邮箱内信息处理超时，那么会出现清空邮箱信号，这样可确保邮箱不被阻塞。
此外，该模块还可负责对消息长度、分段号所产生的消息进行接收，并将其返回到信息接收处理模块中[7]。
（4） 对信息处理后，将所接收的邮箱数据通过传输发送到数据模块中，并重新组成光纤以太网数据包，通过光纤以太网发送模块完成消息接收与发送处理。
2.2 协调控制器内部功能设计
2.2.1 信息接收控制功能
该模块主要负责对消息组成的消息头和数据进行接收，在该模块中，将接收后的信息根据数据中存在的信息数据包来判断光纤以太网数据包的标志。其接收控制功能还需负责接收重写、重读和普通信息，并将接收到的信息储存到数据库中[8]。
2.2.2 信息接收处理功能
信息接收处理模块的状态机如图4所示。
该状态机主要根据协调控制器的不同类型对数据进行储存并接收，并存在以下几种情况：
（1） 如果将光纤以太网信息储存到邮箱模块中，对应的消息数据一般为不处理状态；
（2） 如果信息为“重写”状态，那么需判断寄存器空间是否需要将此信息重新输入，如果需要输入，那么在寄存器空间内使用“写”状态清除重写信息；
（3） 如果信息為“重读”状态，那么需将信息储存到“读”队伍中，该队伍可将读取数据储存到请求响应数据模块中，如果没有明确储存器地址，那么“读”状态需清除所有“重读”信息[9]。
3 实 验
为了验证云计算环境下通信网络路由协调控制器设计的性能，进行了如下实验。
3.1 实验环境与参数设置
实验在Matlab平台上进行，利用一台台式电脑，并安装双端口万兆位的光纤以太网控制器，支持外设部件互连标准总线。该部件为虚拟化的硬件优化特性，支持网络统一格局，允许局域网、储存网等任何网络共享，此外，使用集成物理层（PHY）的适配器和刀片服务器夹层卡。
选取云计算环境下通信网络节点范围为2 400 m×2 400 m二维区域，进行随机分布，参数设置如表2所示。
3.2 实验结果与分析
由上述实验环境与参数设置可知，通信网络路由协调控制器的设计可进行定量分析，采用本文设计方法与传统方法进行协调控制网络传输性能分析实验，将传输次数与正确传输概率作为测试指标，由此获得实验结果如图5所示。
由图5可知，当节点数量为100时，采用传统设计方法进行数据传输的次数约为7 800次，并且随着网络节点数量增加，上升速度逐渐变慢；而在云计算环境下的协调控制器设计所进行数据传输的次数约为12 000次，并且随着网络节点数量增加，传输次数逐渐增多。
将传统方法与本文方法对信息传输准确概率进行对比分析，结果如图6所示。
由图6可知：在节点数量较少时，采用传统设计方法对信息传输的正确概率约为0.87，并且随着节点数量的增加而呈现下降趋势；而在云计算环境下协调控制器设计进行数据传输的正确概率约为0.98，不会因为受到节点数量的影响而降低，展示了该设计方法的优越性，信息传输准确率高于传统设计方法。
4 结 语
通信路由协调控制器的特点是直接利用内置网络来控制模块，成功移植精简链路规范，并在云计算环境下对通信路由协调控制程序进行编写，使其转换为具有规范协议的层次结构，该控制器设计可自动实现网络通信功能，进而完成对网络整体控制。针对传统设计方法存在传输性能差、数据传输不准确等问题，采用云计算环境下设计方法可有效提高网络传输的鲁棒性，性能 优越，具有良好的应用价值。
参考文献
[1] 刘绍刚.多模光纤网络通信的路由冲突协调机制[J].激光杂志，2017，38（4）：123?126.
[2] 闻娟，蒋宏艳.云计算环境下的复杂光纤网络设计与构建[J].激光杂志，2017，38（5）：167?171.
[3] 于灏，付方发，路禹，等.高性能路由器中CAM控制器的设计[J].微电子学与计算机，2015，20（2）：42?46.
[4] 牛云，梁亚琳，赵新华.基于事件触发的网络化控制系统鲁棒控制与带宽调度协调设计[J].西北工业大学学报，2017，35（2）：226?231.
[5] 王格，王雷，王振法.一种POF环境下的内容路由架构设计[J].微电子学与计算机，2017，34（2）：15?19.
[6] 熊余，董先存，李圆圆，等.软件定义光网络中基于最小点覆盖的控制平面跨层生存性设计[J].电子与信息学报，2016，38（5）：1211?1218.
[7] 王昌平，蔡岳平.数据中心网络流量分类路由机制研究[J].小型微型计算机系统，2016，37（11）：2488?2492.
[8] 符慧林，周洁，申忠利，等.AGC模式下协调控制系统PID型并矢控制器的设计与优化[J].热能动力工程，2016，31（3）：114?119.
[9] 王少辉，蒋季宏，肖甫.基于重路由匿名通信系统的设计[J].计算机科学，2016，43（10）：154?159.
摘 要： 传统路由协调控制器设计方法存在数据传输次数少、传输不准确等问题，无法将节点分配均衡，大大降低了网络控制效率。为此，提出基于云计算环境下通信网络路由协调控制器的设计。构建协调控制器模块框图，利用低压差分技术设计光纤以太网协调控制器结构；设计云计算环境下控制器消息接收与发送处理以及格式转换功能，实现可自动调节的通信路由控制器。经过实验研究表明，该控制器设计可增加数据传输次数，并提高数据传输准确率，同时控制效果较强，网络節点鲁棒性较好。
关键词： 云计算； 数据传输； 转换； 通信网络； 路由； 协调控制器
中图分类号： TN915.02?34； TP332 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）23?0101?03
Abstract： The traditional design method of routing coordinated controller has the problems of few data transmission times and inaccurate data transmission， and can′t balance the node allocation， which may reduce the control efficiency of the network greatly. Therefore， the design of the communication network routing coordinated controller in cloud computing environment is proposed. The block diagram of the coordinated controller model is constructed. The low?voltage differential technology is used to design the structure of the fiber optic Ethernet coordinated controller. The messages receiving and sending functions of the controller and the format conversion function are designed in cloud computing environment to realize the communication routing controller with automatic control function. The experimental results show that the controller can increase the times of data transmission and improve the accuracy of data transmission， and has perfect control effect and strong network node robustness.
Keywords： cloud computing； data transmission； conversion； communication network； routing； coordinated controller
0 引 言
随着通信网络技术的快速发展，可通过光纤以太网通信进行数据与多媒体之间的信息传递。基于云计算环境下的网络在25 000 GHz范围内可随意设置大数量的协调控制器，并可反复使用，使用该控制器可将上百万个频道同时容纳在其中，大大提高了通信质量。云计算环境下通信网络采用光纤以太网对协调控制器进行设计，已经成为网络通信的主要途径。而传统通信采用光纤通信方式进行设计与构建，存在传输性能差、数据传输不准确，无法解决网络传输宽带高的问题，为此光纤以太网应运而生。
在云计算环境下的路由协调控制器可降低网络日常开销，大大提高网络连通度，延长使用寿命。随着各项通信业务高速发展，有关协调控制的设计方法受到了人们重视，利用光纤资源建立起来的网络能够在全双工模式下拓展链路长度，促使该技术的应用由局域网延伸到任何传输网络成为可能。通常情况下，基于云计算环境的路由协调控制器可进行远距离传输，最大传输距离仅仅会受到物理层面限制，不会影响整个路由网络传输情况。采用该设计方法可将所有技术兼容，并根据规定的城域网和广域网协议实现网络的无缝连接，同时该控制器易于管理，成本较低，进行网络传输的效率也可满足用户需求。
1 通信网络路由协调控制器模块设计
云计算环境下通信网络路由协调控制器模块设计框图如图1所示。
由图1可知，该模块设计是在云计算环境下将路由协调控制器移植到嵌入式系统中，在双方协议规定之下完成综合通信网络系统的设计，并通过操作按键控制综合通信网络中协调控制器的工作模式；指示模块的设计包括系统工作状态、侧方向网络连通状态、流量统计[1]。
光纤以太网控制器由可集成的介质访问物理接口器和媒介控制器组成，该网络进行控制时，需遵循IEEE 802.3规则，并支持100BASE?TX标准，媒体介入控制层（MAC）和物理层（PHY）分别与ISO协议模型中的第3层和第2层相对应[2]。
协调控制器基本接口是在媒体介入控制层（MAC）的简单总线接口，该层次可为网络信息发送与接收提供途径，通过内部媒体独立接口给物理层（PHY）提供数据传输接口；而物理层（PHY）主要负责与光纤以太网进行数据传递，其基本结构如图2所示[3]。
由图2可知，对协调控制器进行设计时，无论物理接口是串行还是并行都能正确完成工作，物理接口采用的是IEEE 1596.3低压信号，并使用8/16位的链路作为协议端点规范，该规范详细规定了采用8/16位链路数据进行时钟与帧信号传输时，不能偏离传输途径，且不可反复传输[4]。
利用低压差分技术对信号进行传输时，可使用短距离低摆幅恒流差分信号，并在互补金属氧化物半导体上实现。其工作频率为300 MHz左右，沿着上下时钟对数据进行采集。与现有技术相比，该接口网络流量较高，同时，由于所有信号都集中在一条差分线上，因此可采用较多引脚来完成庞大数量的信号传输。
2 通信网络路由协调控制器软件设计
2.1 控制器消息接收与发送处理设计
信息接收处理的主要功能是将接收信息转换为光纤以太网包，具体过程如图3所示。
（1） 接收控制模块主要负责从接口处接收网络数据包，并进行拆包，将拆分之后的网络数据包发送给请求数据模块以备处理[5]。
（2） 信息接收处理模块主要从请求数据模块中对数据进行读取，并从请求数据中提取与之相关的信息，将此信息进行分类处理。
如果接收到的信息是经过物理接口模块而返回的反响信息，那么需将该信息重新送入请求响应模块之中，以备发送接口控制模块对信息进行提取与发送；如果接收到的信息需要重写或重读，则需将其转换为具有查询地址的代码储存在寄存器中；如果接收到的信息邮箱信息，那么将该信息以数据的形式发送到请求模块中，以备进行下一步处理。
（3） 消息模块是实现信息传递、接收与处理的功能模块，主要负责对接收到的信息以邮箱形式进行整合，方便构成光纤以太网包[6]。
该模块需控制子模块以及18个邮箱模块，当信息发送到邮箱时，先控制子模块按照邮箱号码进行分段标记，并将其分成邮箱信息和邮箱消息数据；然后存入到各个邮箱模块中，通过计算获得邮箱信息数据存储地址；最后将邮箱数据存入到消息数据中。
邮箱模块主要完成邮箱匹配和产生超时信号处理，而消息模块主要负责对超时信息进行清除整理操作，如果邮箱内信息处理超时，那么会出现清空邮箱信号，这样可确保邮箱不被阻塞。
此外，该模块还可负责对消息长度、分段号所产生的消息进行接收，并将其返回到信息接收处理模块中[7]。
（4） 对信息处理后，将所接收的邮箱数据通过传输发送到数据模块中，并重新组成光纤以太网数据包，通过光纤以太网发送模块完成消息接收与发送处理。
2.2 协调控制器内部功能设计
2.2.1 信息接收控制功能
该模块主要负责对消息组成的消息头和数据进行接收，在该模块中，将接收后的信息根据数据中存在的信息数据包来判断光纤以太网数据包的标志。其接收控制功能还需负责接收重写、重读和普通信息，并将接收到的信息储存到数据库中[8]。
2.2.2 信息接收处理功能
信息接收处理模块的状态机如图4所示。
该状态机主要根据协调控制器的不同类型对数据进行储存并接收，并存在以下几种情况：
（1） 如果将光纤以太网信息储存到邮箱模块中，对应的消息数据一般为不处理状态；
（2） 如果信息为“重写”状态，那么需判断寄存器空间是否需要将此信息重新输入，如果需要输入，那么在寄存器空间内使用“写”状态清除重写信息；
（3） 如果信息為“重读”状态，那么需将信息储存到“读”队伍中，该队伍可将读取数据储存到请求响应数据模块中，如果没有明确储存器地址，那么“读”状态需清除所有“重读”信息[9]。
3 实 验
为了验证云计算环境下通信网络路由协调控制器设计的性能，进行了如下实验。
3.1 实验环境与参数设置
实验在Matlab平台上进行，利用一台台式电脑，并安装双端口万兆位的光纤以太网控制器，支持外设部件互连标准总线。该部件为虚拟化的硬件优化特性，支持网络统一格局，允许局域网、储存网等任何网络共享，此外，使用集成物理层（PHY）的适配器和刀片服务器夹层卡。
选取云计算环境下通信网络节点范围为2 400 m×2 400 m二维区域，进行随机分布，参数设置如表2所示。
3.2 实验结果与分析
由上述实验环境与参数设置可知，通信网络路由协调控制器的设计可进行定量分析，采用本文设计方法与传统方法进行协调控制网络传输性能分析实验，将传输次数与正确传输概率作为测试指标，由此获得实验结果如图5所示。
由图5可知，当节点数量为100时，采用传统设计方法进行数据传输的次数约为7 800次，并且随着网络节点数量增加，上升速度逐渐变慢；而在云计算环境下的协调控制器设计所进行数据传输的次数约为12 000次，并且随着网络节点数量增加，传输次数逐渐增多。
将传统方法与本文方法对信息传输准确概率进行对比分析，结果如图6所示。
由图6可知：在节点数量较少时，采用传统设计方法对信息传输的正确概率约为0.87，并且随着节点数量的增加而呈现下降趋势；而在云计算环境下协调控制器设计进行数据传输的正确概率约为0.98，不会因为受到节点数量的影响而降低，展示了该设计方法的优越性，信息传输准确率高于传统设计方法。
4 结 语
通信路由协调控制器的特点是直接利用内置网络来控制模块，成功移植精简链路规范，并在云计算环境下对通信路由协调控制程序进行编写，使其转换为具有规范协议的层次结构，该控制器设计可自动实现网络通信功能，进而完成对网络整体控制。针对传统设计方法存在传输性能差、数据传输不准确等问题，采用云计算环境下设计方法可有效提高网络传输的鲁棒性，性能 优越，具有良好的应用价值。
参考文献
[1] 刘绍刚.多模光纤网络通信的路由冲突协调机制[J].激光杂志，2017，38（4）：123?126.
[2] 闻娟，蒋宏艳.云计算环境下的复杂光纤网络设计与构建[J].激光杂志，2017，38（5）：167?171.
[3] 于灏，付方发，路禹，等.高性能路由器中CAM控制器的设计[J].微电子学与计算机，2015，20（2）：42?46.
[4] 牛云，梁亚琳，赵新华.基于事件触发的网络化控制系统鲁棒控制与带宽调度协调设计[J].西北工业大学学报，2017，35（2）：226?231.
[5] 王格，王雷，王振法.一种POF环境下的内容路由架构设计[J].微电子学与计算机，2017，34（2）：15?19.
[6] 熊余，董先存，李圆圆，等.软件定义光网络中基于最小点覆盖的控制平面跨层生存性设计[J].电子与信息学报，2016，38（5）：1211?1218.
[7] 王昌平，蔡岳平.数据中心网络流量分类路由机制研究[J].小型微型计算机系统，2016，37（11）：2488?2492.
[8] 符慧林，周洁，申忠利，等.AGC模式下协调控制系统PID型并矢控制器的设计与优化[J].热能动力工程，2016，31（3）：114?119.
[9] 王少辉，蒋季宏，肖甫.基于重路由匿名通信系统的设计[J].计算机科学，2016，43（10）：154?159.
