CN114004050B - 用于Rapidio网络拓扑设计的蓝图配置工具软件 - Google Patents
用于Rapidio网络拓扑设计的蓝图配置工具软件 Download PDFInfo
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Abstract
本发明包含一种用于Rapidio网络拓扑设计的蓝图配置工具软件，包含最优路由配置算法，按照用户输入的网络拓扑以及约束条件，得出连接关系矩阵和通信强度矩阵；根据两个矩阵，将网络拓扑中所有节点进行排序，以此形成集合；为每个节点增加一个属性assign，用来表示两两节点之间是否存在多条消息通讯；在集合内部的连接关系矩阵得到节点A与B是否在同一个集合中，如果在，则确定节点A与B之间的跳数为1；如果不在一个集合，则通过通信强度矩阵来确定节点A与B分别在哪个集合中，以此得出交换机的个数，从而得出节点A与B的路由；以此类推，得出整个网络拓扑的最优路由。
Description
技术领域
本发明属于嵌入式系统互连高速通讯领域，特别涉及一种用于Rapidio网络拓扑设计的蓝图配置工具软件。
背景技术
Rapidio互联架构作为一种开放的标准，满足了嵌入式基础设施在应用方面的广泛需求。Rapidio技术多采用基于交换机(Switch)的互连拓扑结构，Rapidio端点设备间不直接互连而是通过交换机互连。系统中多个Rapidio端设备的通信链路由交换机组织在一起，能够实现Rapidio系统的任意互连和并发传输，系统带宽成倍的增加。
随着系统中Rapidio端设备数量的增加，所需交换机的数量同时增多。在大规模网络应用背景下，多个Rapidio交换机常常集成在一个或多个专用的交换模块中，并基于交换模块组成更为庞大的交换网络。Rapidio交换网络要求在满足不同架构和数量的端设备自由互连的同时，还应满足大数据量传输的带宽、延时要求。
以往Rapidio交换网络的拓扑结构设计基于成熟的网络拓扑参考模型，或依据手动计算方式有针对性设计，这在较小规模网络中可以满足系统要求。但当网络规模较大、通讯要求复杂时，无法寻找到现有拓扑模型参考，更无法通过手动计算方式设计出满足通讯要求的拓扑网络，网络拓扑结构的最优性追求无法保证。
本发明针对上述问题，提出了一种用于Rapidio网络拓扑设计的蓝图配置工具软件，旨在复杂网络系统方案设计阶段，利用本工具软件解决网络拓扑结构最优设计问题。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种用于Rapidio网络拓扑设计的蓝图配置工具软件，可以在系统论证阶段为复杂Rapidio网络系统设计网络拓扑结构，在满足系统的带宽、延迟等要求的基础上，规划最合理的拓扑网络，基于此网络生成最优路由路径，并提供性能仿真测试功能。
该发明可以解决复杂Rapidio网络最佳拓扑结构的规划问题，为网络拓扑的合理性提供了理论依据，为硬件设计提供了解决方案。同时，可以缩短网络系统设计论证周期，降低系统硬件的复杂度和成本。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种用于Rapidio网络拓扑设计的蓝图配置工具软件，包含最优路由配置算法，实现流程如下：
步骤101、设定两个表示各个节点之间关系的矩阵，分别为relative_adj_matrix[i][j]以及intensity_adj_matrix[i][j]；其中relative_adj_matrix[i][j]表示节点i和节点j之间的连接关系，intensity_adj_matrix[i][j]表示节点i和节点j之间的通信强度；relative_adj_matrix[i][j]值为0表示没有连接，1表示存在连接，intensity_adj_matrix[i][j]值为0表示无通讯关系，为别的值表示通讯关系强度，强通信关系的两个端点节点在进行规划时优先级高；
步骤102、将网络拓扑中的节点分为点point以及集合group，按照用户输入的网络拓扑以及约束条件，得出relative_adj_matrix[i][j]和intensity_adj_matrix[i][j]矩阵；其中，约束条件包含交换机之间的负载均衡、节点之间的业务均衡以及两两节点之间的跳数；
步骤103、根据relative_adj_matrix[i][j]和intensity_adj_matrix[i][j]两个矩阵，将网络拓扑中所有节点进行排序，以此形成集合group；
步骤104、为每个节点增加一个属性assign，用来表示两两节点之间是否存在多条消息通讯，assign初始化为0，如果存在多条通讯业务往来，则将assign置为大于0的值，并且将集合重新划分；
步骤105、在集合内部的relative_adj_matrix[i][j]得到节点point.A与point.B是否在同一个集合中，如果在，则确定节点point.A与point.B之间的跳数为1；
步骤106、如果不在一个集合，则通过矩阵intern_relative_adj_matrix[i][j]来确定节点point.A与point.B分别在哪个集合中，以此得出交换机的个数，从而得出节点point.A到point.B的路由；
步骤107、以此类推，得出整个网络拓扑的最优路由。
进一步，包含交换板设计算法，使每个交换板上的交换机和终端相同，步骤如下：
步骤201、用户构造出最小子网络模型，输入网络规模相关的元素，包含交换机的个数、节点的个数；
步骤202、用户输入各个子网络之间的负载情况以及业务量情况；
步骤203、通过用户输入得出子网络的relative_adj_matrix[i][j]以及intensity_adj_matrix[i][j]矩阵；
步骤204、结合矩阵中的元素，得出与外交往最为密集的节点，选为中心节点，以此中心节点为中点进行展开，按照业务量负载吞并周围节点；
步骤205、以此类推，直到给出的所有子网络全部配置完毕为止；然后利用最优路由配置算法生成最优路由表导出。
进一步，蓝图配置工具软件调用OPNET仿真引擎对生成的网络拓扑结构进行数字化仿真验证，对Rapidio数据进行流量分析，流量分析为对于每一条业务流量，对业务流量的源节点、目的节点、包速率和时延进行建模，在稳态情况下对网络进行路由分析、可到达性分析以及故障分析。
本发明的有益效果在于：
1.在采用高速总线网络通讯的系统中，当网络节点规模庞大、系统通讯要求复杂时，无法通过参照现有网络模型或基于手动规划的方式设计系统网络拓扑结构。本发明针对此问题，提出了高效合理的解决方案，提高了系统方案论证的效率和科学性。
2.传统嵌入式高速串行通讯总线产品的通讯性能测试依赖特定的系统集成环境，系统带宽、延迟等基本要求在复杂通讯要求下难以验证。本发明提出的数字仿真功能可以建立系统网络模型，通过软件仿真的方式验证网络的合理性和健壮性等，为系统设计验证带来方便。
3.以系统实际要求作为输入，综合网络通讯的相关要求，为系统网络拓扑结构规划设计提供高效、经济、有理论依据的解决方案。
附图说明
图1用于Rapidio网络拓扑设计的蓝图配置工具软件的系统框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本实施例所示的一种用于Rapidio网络拓扑设计的蓝图配置工具软件是一个基于windows操作系统平台桌面应用程序，具备可视化图形工具界面，所有的用户操作均在此蓝图配置工具软件中执行。依据rapidio网络拓扑设计特征和需求，蓝图配置工具软件分为拓扑生成和显示仿真两部分，系统架构如图1所示。
蓝图配置工具软件主要是用于Rapidio网络的创建、编辑、导出(支持节点属性的编辑、通讯网络的配置、应用业务的配置、配置文件的导入以及导出、最优网络的生成等)。本蓝图配置工具软件不但可以根据用户的设计输入进行从无到有的网络创建，也可以将用户原有的网络配置转换成本工具软件的数字化网络。然后用户在此基础上进行网络的编辑、数字化仿真、网络优化等等。
该蓝图配置工具软件能够对用户输入的网络拓扑以及约束条件进行最优路由配置，从而生成最优的路由表。蓝图配置工具软件采用Dijkstra最短路径算法进行路由的生成，并在常规拓扑关系的基础上，加入流量负载均衡、交换机级联带宽限制、固定转发约束等作为路由生成的影响因素，进而在一般的加权图的基础上，进一步优化通信网络的转发路由，使路由表的整体性能在真实的通信网络中表现更佳。
最优路由配置的约束条件为交换机之间的负载均衡、节点之间的业务均衡以及两两节点之间的跳数，这些条件均由用户在蓝图配置工具软件中输入。
最优路由配置算法大致实现流程如下：
步骤101、设定两个表示各个节点之间关系的矩阵，分别为relative_adj_matrix[i][j]以及intensity_adj_matrix[i][j]；其中relative_adj_matrix[i][j]表示节点i和节点j之间的连接关系，intensity_adj_matrix[i][j]表示节点i和节点j之间的通信强度；relative_adj_matrix[i][j]值为0表示没有连接，1表示存在连接，intensity_adj_matrix[i][j]值为0表示无通讯关系，为别的值表示通讯关系强度，强通信关系的两个端点节点在进行规划时优先级高；
步骤102、将网络拓扑中的节点分为点point以及集合group，按照用户输入至蓝图配置工具中的网络拓扑以及用户输入的约束条件，得出relative_adj_matrix[i][j]和intensity_adj_matrix[i][j]矩阵；
步骤103、根据relative_adj_matrix[i][j]和intensity_adj_matrix[i][j]两个矩阵，将网络拓扑中所有节点进行排序，以此形成集合group；
步骤104、为每个节点增加一个属性assign，用来表示两两节点之间是否存在多条消息通讯，assign初始化为0，如果存在多条通讯业务往来，则将assign置为大于0的值，并且将集合重新划分；
步骤105、在集合内部的relative_adj_matrix[i][j]得到节点point.A与point.B是否在同一个集合中，如果在，则确定节点point.A与point.B之间的跳数为1；
步骤106、如果不在一个集合，则通过矩阵intern_relative_adj_matrix[i][j]来确定节点point.A与point.B分别在哪个集合中，以此得出交换机的个数，从而得出节点point.A到point.B的路由；
步骤107、以此类推，得出整个网络拓扑的最优路由。
大型网络中交换板设计技术
蓝图配置工具软件设计出来的网络拓扑主要应用于大型的rapidio网络的项目开发设计前期，由于节点和交换机个数众多，对于硬件开发人员的挑战很大，如果每一块板子的设计都不一样，那么硬件设计师的工作量将数倍的增大，同时后期维护的压力也会非常大。所以蓝图配置工具软件在保证网络拓扑最优的情况下，还要设计出完全一样的交换板。
以通信网络的度中心性为基础，并参考若干终端组与一个交换机固定在一个交换板形成子网络的约束方式，生成一个通信性能较佳的网络拓扑。从而减少整个网络系统设计的设计难度。并能以生成的子网络配置作为参考用于通用网络交换板的设计，从而减轻硬件设计师的设计难度以及节约成本。
系统蓝图配置软件对拓扑的设计基于特征向量中心性的原则网络拓扑进行规划，确保端点集合划分和端点之间的特征向量中心密度相符合。将弱关联拓扑变成一个强关联拓扑，降低整个网络中业务在交换机之间的转发次数，进而降低整个网络的延时。
交换板设计算法的大致步骤如下：
步骤201、用户基于蓝图配置工具构造出最小子网络模型，用户输入网络规模相关的元素，比如系统中交换机的个数、节点的个数等；
步骤202、用户输入各个子网络之间的负载情况以及业务量情况；
步骤203、通过用户输入得出子网络的relative_adj_matrix[i][j]以及intensity_adj_matrix[i][j]矩阵；
步骤204、结合矩阵中的元素，得出与外交往最为密集的节点，选为中心节点，以此中心节点为中点进行展开，按照业务量负载等影像因素吞并周围节点；
步骤205、以此类推，直到给出的所有子网络全部配置完毕为止；然后利用最优路由配置算法生成最优路由表导出。
蓝图配置工具软件可以与OPNET仿真软件完美兼容，蓝图配置工具软件能够直接调用OPNET仿真引擎对生成的网络拓扑结构进行数字化仿真验证，蓝图配置工具软件生成的拓扑配置也能直接导入OPNET仿真软件进行验证。
OPNET仿真软件采用离散事件驱动的模拟机理，离散事件仿真对协议及设备进行详细建模，能够逐包仿真通信中的协议及交互信息。在离散事件仿真中，模型对协议的执行过程与真实情况基本一致。在不同的网络环境中，通过逐包的离散事件仿真，可以对协议收敛时间，路由振荡，计时器影响，业务性能特性等进行准确模拟。
该蓝图配置工具软件能够进行Rapidio数据的流量分析。流量分析运用数值分析技术和算法对模型的网络性能进行稳态仿真。流量分析根据详细的配置信息重新创建设备路由表，以确保高可信度的路由分析。对于每一条业务流量，对其源节点、目的节点、包速率和时延进行精确建模。流量分析并不对协议消息或者分组包进行建模，所以不仿真网络的瞬态变化。流量分析能够在稳态情况下对网络进行路由分析、可到达性分析以及故障分析。
基于OPNET仿真软件对复杂网络的性能和行为的准确的分析能力，系统蓝图配置工具软件能具备边设计边验证的功能，对网络拓扑的设计与验证迭代进行。确保最终获得的拓扑配置具备较高的可用性和实用性。
本实施例提供的蓝图配置工具软件可以通过输入复杂Rapidio网络结构的相关参数，对网络进行建模，并根据特定网络拓扑计算方法，生成最优网络拓扑结构及路由表。同时，生成的网络拓扑及路由表可用于仿真，用于实时监测验证网络流量等信息。
根据本实施例提供的蓝图配置工具软件，可以设计在系统方案设计阶段科学合理的规划网络拓扑结构，指导硬件和软件设计，可大大缩短系统设计周期，降低试错成本。本方法设计科学测试全面，该专利的应用独立于硬件平台，适用范围广，具有显著的市场前景和经济效益。
综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括与本发明的权利要求范围内。
Claims (3)
1.一种用于Rapidio网络拓扑设计的蓝图配置工具软件，其特征在于包含最优路由配置算法，实现流程如下：
步骤101、设定两个表示各个节点之间关系的矩阵，分别为relative_adj_matrix[i][j]以及intensity_adj_matrix[i][j]；其中relative_adj_matrix[i][j]表示节点i和节点j之间的连接关系，intensity_adj_matrix[i][j]表示节点i和节点j之间的通信强度；relative_adj_matrix[i][j]值为0表示没有连接，1表示存在连接，intensity_adj_matrix[i][j]值为0表示无通讯关系，为别的值表示通讯关系强度，强通信关系的两个端点节点在进行规划时优先级高；
步骤102、将网络拓扑中的节点分为点point以及集合group，按照用户输入的网络拓扑以及约束条件，得出relative_adj_matrix[i][j]和intensity_adj_matrix[i][j]矩阵；其中，约束条件包含交换机之间的负载均衡、节点之间的业务均衡以及两两节点之间的跳数；
步骤103、根据relative_adj_matrix[i][j]和intensity_adj_matrix[i][j]两个矩阵，将网络拓扑中所有节点进行排序，以此形成集合group；
步骤104、为每个节点增加一个属性assign，用来表示两两节点之间是否存在多条消息通讯，assign初始化为0，如果存在多条通讯业务往来，则将assign置为大于0的值，并且将集合重新划分；
步骤105、在集合内部的relative_adj_matrix[i][j]得到节点point.A与point.B是否在同一个集合中，如果在，则确定节点point.A与point.B之间的跳数为1；
步骤106、如果不在一个集合，则通过矩阵intern_relative_adj_matrix[i][j]来确定节点point.A与point.B分别在哪个集合中，以此得出交换机的个数，从而得出节点point.A到point.B的路由；
步骤107、以此类推，得出整个网络拓扑的最优路由。
2.根据权利要求1所述的一种用于Rapidio网络拓扑设计的蓝图配置工具软件，其特征在于包含交换板设计算法，使每个交换板上的交换机和终端相同，步骤如下：
步骤201、用户构造出最小子网络模型，输入网络规模相关的元素，包含交换机的个数、节点的个数；
步骤202、用户输入各个子网络之间的负载情况以及业务量情况；
步骤203、通过用户输入得出子网络的relative_adj_matrix[i][j]以及intensity_adj_matrix[i][j]矩阵；
步骤204、结合矩阵中的元素，得出与外交往最为密集的节点，选为中心节点，以此中心节点为中点进行展开，按照业务量负载吞并周围节点；
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