日益增長的需求要求無線接入點(diǎn)必須集成更豐富的功能，與此同時整個系統(tǒng)也變得愈加復(fù)雜。

為了解決這些需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須依賴硬件來實(shí)現(xiàn)某些功能例如專用的可編程分類、硬件隊(duì)列和QoS中間層優(yōu)化。相對基于軟件的實(shí)現(xiàn)方法這種方式能提供更優(yōu)越的性能，同時對于低功耗的客戶端效果更佳。

在本篇文章中我們向大家推薦一個極具創(chuàng)新性的架構(gòu)，將每個數(shù)據(jù)包的處理轉(zhuǎn)移到不同的OSI（開放式系統(tǒng)互連）通信層，因此這種這種架構(gòu)能夠提供更多的系統(tǒng)功能，并且降低功耗，使用PoE供電方式即可。

對于Wi-Fi AP來說Wi-Fi模塊提供數(shù)據(jù)采集功能，同時也是擴(kuò)展上述功能最好的部署位置。它能夠滿足性能需求、消除不必要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)（數(shù)據(jù)隧道），同時提供統(tǒng)一的規(guī)范架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)必備的QoS服務(wù)，縮短低功耗客戶端的延遲。這款架構(gòu)非常適合在單無線LAN模塊上實(shí)現(xiàn)同步雙頻（由Ensigma RPUs提供技術(shù)支持）或者支持兩個不同規(guī)格的無線LAN網(wǎng)卡：2.4GHz和5GHz。

防火墻和QoS服務(wù)規(guī)范在1Gbps的數(shù)據(jù)包通信速率情況要嚴(yán)格遵守執(zhí)行，與此同時防火墻的規(guī)則還可能根據(jù)客戶端的特性進(jìn)行市場的調(diào)整等。

Imagination提供Ensigma網(wǎng)絡(luò)處理單元（NPU）和無線處理單元（RPU）來滿足數(shù)據(jù)包處理和基帶功能需求，在無線LAN（局域網(wǎng)）方式下提供有線網(wǎng)絡(luò)的體驗(yàn)感。

對于不斷增加的功能和復(fù)雜性，在網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)（AP）采用專用的硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包處理能夠提供更優(yōu)越的性能，并且將主處理器從網(wǎng)絡(luò)功能中移除，根據(jù)上述的架構(gòu)規(guī)范實(shí)現(xiàn)快速路徑分配，從而滿足計(jì)算性能的需求。

以下是與現(xiàn)在解決方案不同的幾個必需的網(wǎng)絡(luò)功能：

內(nèi)聯(lián)分類

數(shù)據(jù)包需要在內(nèi)部進(jìn)行分類而不需要載傳輸?shù)紻DR內(nèi)存中，DDR內(nèi)存的帶寬是非常寶貴的稀缺資源。由于不同的要求和可能改變的部署方式/特性/標(biāo)準(zhǔn)因此分類算法需要是可編程的。因此一個多核可編程引擎是在合適不過了。

這就允許分類器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)規(guī)則/設(shè)置，同時也支持動態(tài)的流程：
? DPI（深度包檢測技術(shù)）
? 數(shù)據(jù)包狀態(tài)全面檢測
? 數(shù)據(jù)包內(nèi)容窺探
? 對于L3路由除IGMP外支持OSPF等
? 應(yīng)用層級的網(wǎng)關(guān)

硬件輔助的QoS

正如前面所提到的，基于處理器或者軟件的QoS從實(shí)現(xiàn)角度來看是需要大量指令的，也不是最佳的方法，尤其是在網(wǎng)絡(luò)上又大量消息對流阻塞的情況下。為了提供企業(yè)級的QoS，每個STA隊(duì)列都必須有獨(dú)立的AC，這樣才不會導(dǎo)致不同STA之間的阻塞，同時還要借助專用硬件來限制所有STAs間的帶寬（GUEST SSID包含的所有STAs）。為了能夠在這個粒度實(shí)現(xiàn)速度限制，一個三層的消息隊(duì)列且每層都有速率調(diào)節(jié)功能是必備的。
? 每個AC層
? 每個STA層
? 端口層

分層隊(duì)列和每個AC/STA隊(duì)列都支持視頻和聲音同步。例如輪詢/順序隊(duì)列的權(quán)重、token生成和最大計(jì)數(shù)器等參數(shù)都是動態(tài)變化的，這主要和速率適配以及應(yīng)用屬性有關(guān)。

Wi-Fi還有另一個特性，在共享介質(zhì)中是半雙工的，在兩個數(shù)據(jù)傳輸方向上帶寬的分配是合在一起計(jì)算的。當(dāng)一個數(shù)據(jù)包從某個站點(diǎn)（AC節(jié)點(diǎn)）被接收后，所占用的數(shù)據(jù)量會從速率分配器（AC+STA）中減掉。最后要說的是分類功能的實(shí)現(xiàn)是雙方向的。

有了這個方案后就可以非常容易的在眾多STAs之間控制和提供可靠的QoS服務(wù)，規(guī)則如下：
? 客戶端總數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1Mbps
? 特定用戶優(yōu)先權(quán)
? 可配置的VoWi-Fi路線分類和優(yōu)先級

頻譜分析

這個特性要求AP（無線接入點(diǎn)）能夠檢測和報(bào)告非Wi-Fi干擾、藍(lán)牙、視頻監(jiān)視器、無繩電話和微波。通常預(yù)期的功能包括：
? 對干擾源進(jìn)行分類（微波、藍(lán)牙等）
? 提供UI來顯示實(shí)時信號
? 實(shí)時的FFT圖表——顯示每個頻率范圍的能量等級
? FFT占空比圖表——顯示干擾設(shè)備的占空比
? 檢測和展示是否有調(diào)頻現(xiàn)象

除了Wi-Fi接口，AP（接入點(diǎn)）還需要檢測和報(bào)告其他Wi-Fi BSSs是否在規(guī)定的頻帶或者頻帶列表運(yùn)行以及它們的占用率和利用率。

在某個頻帶運(yùn)行期間，如果這個特性被打開那么AP（無線接入點(diǎn)）會檢測干擾同時不影響實(shí)際的通信。另外AP也應(yīng)該能夠發(fā)起頻譜掃描功能并且報(bào)告掃描結(jié)果。

基于可編程DSP的基帶對于實(shí)時信號分析將非常有用，在不同的應(yīng)用環(huán)境下它能夠下載和運(yùn)行不同的代碼。

Wi-Fi IEEE功率管理

對于某些運(yùn)行模式如U-APSD這種解決方案是非常延遲敏感的。接入點(diǎn)對于U-APSD觸發(fā)響應(yīng)延遲決定了客戶端的功率損耗，因此客戶端發(fā)起的PS-POLL數(shù)據(jù)包并且等待返回?cái)?shù)據(jù)。響應(yīng)的全部時間應(yīng)該大約在100?s。基于硬件的消息隊(duì)列和數(shù)據(jù)傳輸從隊(duì)列會將數(shù)據(jù)包按約定發(fā)送給客戶端。另外在MAC層特殊消息隊(duì)列是必需的，會優(yōu)先獲取U-APSD數(shù)據(jù)包的頭部。TX-QoS模塊能夠動態(tài)的鎖定和使能消息隊(duì)列，這主要是根據(jù)接收的數(shù)據(jù)包同時避免處理器來處理這些數(shù)據(jù)包。

數(shù)據(jù)包合并和DDR存儲

使得頻譜/空中傳輸時間變得高效的其中一個主要因素是能夠使用AMSDU和AMPDU加快某些站點(diǎn)的猝發(fā)傳輸（尤其是TID站點(diǎn)）。通過基于硬件的塑造器per Q以及其他參數(shù)來提升猝發(fā)能力，多個數(shù)據(jù)包能夠被合并一起傳輸。

除此以外，由于站點(diǎn)的數(shù)量和所有站點(diǎn)間的數(shù)據(jù)隊(duì)列的龐大，主處理器DDR內(nèi)存應(yīng)該只作為數(shù)據(jù)包的存儲器。802.11 ac的AMSDU+AMPDU聚合使用能夠提供高達(dá)1兆字節(jié)的數(shù)據(jù)包容量，如果在內(nèi)部有多個緩存空間，那么成本會很高昂。因此架構(gòu)設(shè)計(jì)上需要遍歷數(shù)據(jù)包僅一次，使用DDR內(nèi)存來存儲數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)。

多播與單播的轉(zhuǎn)換

正如規(guī)范中設(shè)計(jì)的那樣對于多播模式Wi-Fi是不可靠的（多播模式?jīng)]有ACK反饋）。因此傳統(tǒng)上AP（接入點(diǎn)）會將多播模式轉(zhuǎn)換為單播模式以此來使通信變得可靠。每次轉(zhuǎn)換完成后都會產(chǎn)生一份數(shù)據(jù)包的復(fù)制用于單播模式。這種操作效率不高，實(shí)現(xiàn)一個模塊用于多播與單播的轉(zhuǎn)換而不需要獨(dú)立的緩存空間來生成數(shù)據(jù)包的復(fù)制同時也可以用于數(shù)據(jù)頭的轉(zhuǎn)換，這個模塊是非常有必要的，可以支持多播模式的高傳輸速率（面向多客戶端）。最好在轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)處有參考計(jì)數(shù)，而不需要在主處理器上對每個數(shù)據(jù)包進(jìn)行計(jì)數(shù)了。

可編程性

AP（無線接入點(diǎn)）系統(tǒng)公司在實(shí)現(xiàn)某些協(xié)議如速率適配、快速漫游和DFS等方面會有明顯的分歧，因此這個解決方案應(yīng)該能夠重用現(xiàn)在的軟件設(shè)計(jì)。隨著部署場景和標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展，可編程的數(shù)據(jù)包分類和數(shù)據(jù)包編輯解決方案是非常有必要的，可用于未來不斷升級。

不同的系統(tǒng)解決方案可能對某些常用的領(lǐng)域如BSSID的處理有非常大的影響，因此硬件層次的一些假設(shè)或者分類是不充分的。對于發(fā)射功率、載波監(jiān)聽閾值、競爭窗口參數(shù)等采用軟件控制的方式來實(shí)現(xiàn)是非常有必要的。

因此要完成這兩項(xiàng)任務(wù)，需要在MAC層和數(shù)據(jù)包處理層實(shí)現(xiàn)可編程特性。

可擴(kuò)展性

戶外，企業(yè)訪問接入點(diǎn)，例如大學(xué)校園、機(jī)場和體育場館需要同時支持成百上千個客戶端。這類AP需要擴(kuò)展站點(diǎn)的數(shù)量并且提供安全的連接會話和可靠的貫穿所有站點(diǎn)的QoS服務(wù)等。802.11i安全數(shù)據(jù)包和802.11w數(shù)據(jù)包保護(hù)管理應(yīng)該部署在Wi-Fi芯片中且可擴(kuò)展。考慮到VLAN、訪客網(wǎng)絡(luò)和虛擬化WLAN不斷增長的數(shù)量可擴(kuò)展特性是非常有必要的。

因此基于硬件的鍵查找和內(nèi)容轉(zhuǎn)換是必要的，用來支持多達(dá)256個安全會話。為了遲遲64K安全會話需要使用基于5到6個的哈希元組計(jì)算并且作為條目流程標(biāo)表的索引。上文描述的基于硬件的QoS服務(wù)提供了通信路徑管理的可擴(kuò)展性功能。

站點(diǎn)之間空中傳輸時間的公平性

在每個站點(diǎn)之間數(shù)據(jù)包調(diào)度器通常進(jìn)行循環(huán)執(zhí)行仲裁。遠(yuǎn)處的站點(diǎn)同近處的站點(diǎn)一樣占用相同的以太網(wǎng)帶寬。然而遠(yuǎn)處的站點(diǎn)需要花費(fèi)更長的空中傳輸時間，在一個AP連接中兩個客戶端的數(shù)據(jù)傳輸速率差別可能有10倍（100Mbps VS 10Mbps）。兩個客戶端的空中時間使用可能是10:1，反過來就大大降低了整個系統(tǒng)的性能。

因此AP仲裁設(shè)計(jì)必須要給所有客戶端分配合理的時間，這個任務(wù)的完成需要每個站點(diǎn)/AC塑造器隊(duì)列、客戶端與AP之間的速率匹配等共同來實(shí)現(xiàn)。注意因?yàn)閃i-Fi是半雙工的所以速率適配的應(yīng)該是雙向傳輸帶寬的總和。

結(jié)論

我們期望您會喜歡我們的網(wǎng)絡(luò)聚焦迷你系列。如果你有任何問題或者想了解更多關(guān)于MIPS和Ensigma的只是請直接聯(lián)系我們。

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