下一代访问接入点创新性架构

日益增长的需求要求无线接入点必须集成更丰富的功能,与此同时整个系统也变得愈加复杂。

为了解决这些需求,系统设计师必须依赖硬件来实现某些功能例如专用的可编程分类、硬件队列和QoS中间层优化。相对基于软件的实现方法这种方式能提供更优越的性能,同时对于低功耗的客户端效果更佳。

在本篇文章中我们向大家推荐一个极具创新性的架构,将每个数据包的处理转移到不同的OSI(开放式系统互连)通信层,因此这种这种架构能够提供更多的系统功能,并且降低功耗,使用PoE供电方式即可。

对于Wi-Fi AP来说Wi-Fi模块提供数据采集功能,同时也是扩展上述功能最好的部署位置。它能够满足性能需求、消除不必要的数据转发(数据隧道),同时提供统一的规范架构来实现必备的QoS服务,缩短低功耗客户端的延迟。这款架构非常适合在单无线LAN模块上实现同步双频(由Ensigma RPUs提供技术支持)或者支持两个不同规格的无线LAN网卡:2.4GHz和5GHz。

防火墙和QoS服务规范在1Gbps的数据包通信速率情况要严格遵守执行,与此同时防火墙的规则还可能根据客户端的特性进行市场的调整等。

Imagination提供Ensigma网络处理单元(NPU)和无线处理单元(RPU)来满足数据包处理和基带功能需求,在无线LAN(局域网)方式下提供有线网络的体验感。

对于不断增加的功能和复杂性,在网络接入点(AP)采用专用的硬件实现数据包处理能够提供更优越的性能,并且将主处理器从网络功能中移除,根据上述的架构规范实现快速路径分配,从而满足计算性能的需求。

典型的AP架构包括网络处理器、基带和一个主CPU

典型的AP架构包括网络处理器、基带和一个主CPU

以下是与现在解决方案不同的几个必需的网络功能:

内联分类

数据包需要在内部进行分类而不需要载传输到DDR内存中,DDR内存的带宽是非常宝贵的稀缺资源。由于不同的要求和可能改变的部署方式/特性/标准因此分类算法需要是可编程的。因此一个多核可编程引擎是在合适不过了。

这就允许分类器不仅能够实现静态规则/设置,同时也支持动态的流程:
• DPI(深度包检测技术)
• 数据包状态全面检测
• 数据包内容窥探
• 对于L3路由除IGMP外支持OSPF等
• 应用层级的网关

硬件辅助的QoS

正如前面所提到的,基于处理器或者软件的QoS从实现角度来看是需要大量指令的,也不是最佳的方法,尤其是在网络上又大量消息对流阻塞的情况下。为了提供企业级的QoS,每个STA队列都必须有独立的AC,这样才不会导致不同STA之间的阻塞,同时还要借助专用硬件来限制所有STAs间的带宽(GUEST SSID包含的所有STAs)。为了能够在这个粒度实现速度限制,一个三层的消息队列且每层都有速率调节功能是必备的。
• 每个AC层
• 每个STA层
• 端口层

分层队列和每个AC/STA队列都支持视频和声音同步。例如轮询/顺序队列的权重、token生成和最大计数器等参数都是动态变化的,这主要和速率适配以及应用属性有关。

Wi-Fi还有另一个特性,在共享介质中是半双工的,在两个数据传输方向上带宽的分配是合在一起计算的。当一个数据包从某个站点(AC节点)被接收后,所占用的数据量会从速率分配器(AC+STA)中减掉。最后要说的是分类功能的实现是双方向的。

有了这个方案后就可以非常容易的在众多STAs之间控制和提供可靠的QoS服务,规则如下:
• 客户端总数据传输速率可达1Mbps
• 特定用户优先权
• 可配置的VoWi-Fi路线分类和优先级

The Wi-Fi transmit path

The Wi-Fi transmit path

频谱分析

这个特性要求AP(无线接入点)能够检测和报告非Wi-Fi干扰、蓝牙、视频监视器、无绳电话和微波。通常预期的功能包括:
• 对干扰源进行分类(微波、蓝牙等)
• 提供UI来显示实时信号
• 实时的FFT图表——显示每个频率范围的能量等级
• FFT占空比图表——显示干扰设备的占空比
• 检测和展示是否有调频现象

除了Wi-Fi接口,AP(接入点)还需要检测和报告其他Wi-Fi BSSs是否在规定的频带或者频带列表运行以及它们的占用率和利用率。

在某个频带运行期间,如果这个特性被打开那么AP(无线接入点)会检测干扰同时不影响实际的通信。另外AP也应该能够发起频谱扫描功能并且报告扫描结果。

基于可编程DSP的基带对于实时信号分析将非常有用,在不同的应用环境下它能够下载和运行不同的代码。

Wi-Fi IEEE功率管理

对于某些运行模式如U-APSD这种解决方案是非常延迟敏感的。接入点对于U-APSD触发响应延迟决定了客户端的功率损耗,因此客户端发起的PS-POLL数据包并且等待返回数据。响应的全部时间应该大约在100µs。基于硬件的消息队列和数据传输从队列会将数据包按约定发送给客户端。另外在MAC层特殊消息队列是必需的,会优先获取U-APSD数据包的头部。TX-QoS模块能够动态的锁定和使能消息队列,这主要是根据接收的数据包同时避免处理器来处理这些数据包。

数据包合并和DDR存储

使得频谱/空中传输时间变得高效的其中一个主要因素是能够使用AMSDU和AMPDU加快某些站点的猝发传输(尤其是TID站点)。通过基于硬件的塑造器per Q以及其他参数来提升猝发能力,多个数据包能够被合并一起传输。

Wi-Fi接收路径

Wi-Fi接收路径

除此以外,由于站点的数量和所有站点间的数据队列的庞大,主处理器DDR内存应该只作为数据包的存储器。802.11 ac的AMSDU+AMPDU聚合使用能够提供高达1兆字节的数据包容量,如果在内部有多个缓存空间,那么成本会很高昂。因此架构设计上需要遍历数据包仅一次,使用DDR内存来存储数据包数据。

多播与单播的转换

正如规范中设计的那样对于多播模式Wi-Fi是不可靠的(多播模式没有ACK反馈)。因此传统上AP(接入点)会将多播模式转换为单播模式以此来使通信变得可靠。每次转换完成后都会产生一份数据包的复制用于单播模式。这种操作效率不高,实现一个模块用于多播与单播的转换而不需要独立的缓存空间来生成数据包的复制同时也可以用于数据头的转换,这个模块是非常有必要的,可以支持多播模式的高传输速率(面向多客户端)。最好在转换节点处有参考计数,而不需要在主处理器上对每个数据包进行计数了。

可编程性

AP(无线接入点)系统公司在实现某些协议如速率适配、快速漫游和DFS等方面会有明显的分歧,因此这个解决方案应该能够重用现在的软件设计。随着部署场景和标准的不断发展,可编程的数据包分类和数据包编辑解决方案是非常有必要的,可用于未来不断升级。

不同的系统解决方案可能对某些常用的领域如BSSID的处理有非常大的影响,因此硬件层次的一些假设或者分类是不充分的。对于发射功率、载波监听阈值、竞争窗口参数等采用软件控制的方式来实现是非常有必要的。

因此要完成这两项任务,需要在MAC层和数据包处理层实现可编程特性。

可扩展性

户外,企业访问接入点,例如大学校园、机场和体育场馆需要同时支持成百上千个客户端。这类AP需要扩展站点的数量并且提供安全的连接会话和可靠的贯穿所有站点的QoS服务等。802.11i安全数据包和802.11w数据包保护管理应该部署在Wi-Fi芯片中且可扩展。考虑到VLAN、访客网络和虚拟化WLAN不断增长的数量可扩展特性是非常有必要的。

因此基于硬件的键查找和内容转换是必要的,用来支持多达256个安全会话。为了迟迟64K安全会话需要使用基于5到6个的哈希元组计算并且作为条目流程标表的索引。上文描述的基于硬件的QoS服务提供了通信路径管理的可扩展性功能。

站点之间空中传输时间的公平性

在每个站点之间数据包调度器通常进行循环执行仲裁。远处的站点同近处的站点一样占用相同的以太网带宽。然而远处的站点需要花费更长的空中传输时间,在一个AP连接中两个客户端的数据传输速率差别可能有10倍(100Mbps VS 10Mbps)。两个客户端的空中时间使用可能是10:1,反过来就大大降低了整个系统的性能。

因此AP仲裁设计必须要给所有客户端分配合理的时间,这个任务的完成需要每个站点/AC塑造器队列、客户端与AP之间的速率匹配等共同来实现。注意因为Wi-Fi是半双工的所以速率适配的应该是双向传输带宽的总和。

结论

我们期望您会喜欢我们的网络聚焦迷你系列。如果你有任何问题或者想了解更多关于MIPS和Ensigma的只是请直接联系我们。

英文链接:
https://imgtec.com/blog/an-innovative-architecture-for-next-generation-aps/

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