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

為了解決這些需求，系統設計師必須依賴硬件來實現某些功能例如專用的可編程分類、硬件隊列和QoS中間層優化。相對基于軟件的實現方法這種方式能提供更優越的性能，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新性的架構，將每個數據包的處理轉移到不同的OSI（開放式系統互連）通信層，因此這種這種架構能夠提供更多的系統功能，并且降低功耗，使用PoE供電方式即可。

對于Wi-Fi AP來說Wi-Fi模塊提供數據采集功能，同時也是擴展上述功能最好的部署位置。它能夠滿足性能需求、消除不必要的數據轉發（數據隧道），同時提供統一的規范架構來實現必備的QoS服務，縮短低功耗客戶端的延遲。這款架構非常適合在單無線LAN模塊上實現同步雙頻（由Ensigma RPUs提供技術支持）或者支持兩個不同規格的無線LAN網卡：2.4GHz和5GHz。

防火墻和QoS服務規范在1Gbps的數據包通信速率情況要嚴格遵守執行，與此同時防火墻的規則還可能根據客戶端的特性進行市場的調整等。

Imagination提供Ensigma網絡處理單元（NPU）和無線處理單元（RPU）來滿足數據包處理和基帶功能需求，在無線LAN（局域網）方式下提供有線網絡的體驗感。

對于不斷增加的功能和復雜性，在網絡接入點（AP）采用專用的硬件實現數據包處理能夠提供更優越的性能，并且將主處理器從網絡功能中移除，根據上述的架構規范實現快速路徑分配，從而滿足計算性能的需求。

以下是與現在解決方案不同的幾個必需的網絡功能：

內聯分類

數據包需要在內部進行分類而不需要載傳輸到DDR內存中，DDR內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/標準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實現靜態規則/設置，同時也支持動態的流程：
? DPI（深度包檢測技術）
? 數據包狀態全面檢測
? 數據包內容窺探
? 對于L3路由除IGMP外支持OSPF等
? 應用層級的網關

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從實現角度來看是需要大量指令的，也不是最佳的方法，尤其是在網絡上又大量消息對流阻塞的情況下。為了提供企業級的QoS，每個STA隊列都必須有獨立的AC，這樣才不會導致不同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現速度限制，一個三層的消息隊列且每層都有速率調節功能是必備的。
? 每個AC層
? 每個STA層
? 端口層

分層隊列和每個AC/STA隊列都支持視頻和聲音同步。例如輪詢/順序隊列的權重、token生成和最大計數器等參數都是動態變化的，這主要和速率適配以及應用屬性有關。

Wi-Fi還有另一個特性，在共享介質中是半雙工的，在兩個數據傳輸方向上帶寬的分配是合在一起計算的。當一個數據包從某個站點（AC節點）被接收后，所占用的數據量會從速率分配器（AC+STA）中減掉。最后要說的是分類功能的實現是雙方向的。

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，規則如下：
? 客戶端總數據傳輸速率可達1Mbps
? 特定用戶優先權
? 可配置的VoWi-Fi路線分類和優先級

頻譜分析

這個特性要求AP（無線接入點）能夠檢測和報告非Wi-Fi干擾、藍牙、視頻監視器、無繩電話和微波。通常預期的功能包括：
? 對干擾源進行分類（微波、藍牙等）
? 提供UI來顯示實時信號
? 實時的FFT圖表——顯示每個頻率范圍的能量等級
? FFT占空比圖表——顯示干擾設備的占空比
? 檢測和展示是否有調頻現象

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

在某個頻帶運行期間，如果這個特性被打開那么AP（無線接入點）會檢測干擾同時不影響實際的通信。另外AP也應該能夠發起頻譜掃描功能并且報告掃描結果。

基于可編程DSP的基帶對于實時信號分析將非常有用，在不同的應用環境下它能夠下載和運行不同的代碼。

Wi-Fi IEEE功率管理

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

數據包合并和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加快某些站點的猝發傳輸（尤其是TID站點）。通過基于硬件的塑造器per Q以及其他參數來提升猝發能力，多個數據包能夠被合并一起傳輸。

除此以外，由于站點的數量和所有站點間的數據隊列的龐大，主處理器DDR內存應該只作為數據包的存儲器。802.11 ac的AMSDU+AMPDU聚合使用能夠提供高達1兆字節的數據包容量，如果在內部有多個緩存空間，那么成本會很高昂。因此架構設計上需要遍歷數據包僅一次，使用DDR內存來存儲數據包數據。

多播與單播的轉換

正如規范中設計的那樣對于多播模式Wi-Fi是不可靠的（多播模式沒有ACK反饋）。因此傳統上AP（接入點）會將多播模式轉換為單播模式以此來使通信變得可靠。每次轉換完成后都會產生一份數據包的復制用于單播模式。這種操作效率不高，實現一個模塊用于多播與單播的轉換而不需要獨立的緩存空間來生成數據包的復制同時也可以用于數據頭的轉換，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）。最好在轉換節點處有參考計數，而不需要在主處理器上對每個數據包進行計數了。

可編程性

AP（無線接入點）系統公司在實現某些協議如速率適配、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該能夠重用現在的軟件設計。隨著部署場景和標準的不斷發展，可編程的數據包分類和數據包編輯解決方案是非常有必要的，可用于未來不斷升級。

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

因此要完成這兩項任務，需要在MAC層和數據包處理層實現可編程特性。

可擴展性

戶外，企業訪問接入點，例如大學校園、機場和體育場館需要同時支持成百上千個客戶端。這類AP需要擴展站點的數量并且提供安全的連接會話和可靠的貫穿所有站點的QoS服務等。802.11i安全數據包和802.11w數據包保護管理應該部署在Wi-Fi芯片中且可擴展。考慮到VLAN、訪客網絡和虛擬化WLAN不斷增長的數量可擴展特性是非常有必要的。

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

站點之間空中傳輸時間的公平性

在每個站點之間數據包調度器通常進行循環執行仲裁。遠處的站點同近處的站點一樣占用相同的以太網帶寬。然而遠處的站點需要花費更長的空中傳輸時間，在一個AP連接中兩個客戶端的數據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的性能。

因此AP仲裁設計必須要給所有客戶端分配合理的時間，這個任務的完成需要每個站點/AC塑造器隊列、客戶端與AP之間的速率匹配等共同來實現。注意因為Wi-Fi是半雙工的所以速率適配的應該是雙向傳輸帶寬的總和。

結論

我們期望您會喜歡我們的網絡聚焦迷你系列。如果你有任何問題或者想了解更多關于MIPS和Ensigma的只是請直接聯系我們。

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