分布式共享设备等时传输优化.pdfVIP

分布式共享设备的等时传输优化 李宇骞 袁欣颢 王磊 刘超 刘洋 顾荣辉 王乃铮 陈渝 清华大学 计算机科学技术系，北京 2101 信箱，100088 摘 要：通过扩展基于单机的硬件设备/驱动框架，提供外设层上的远程设备共享和访问服务， （即分布式设备的共享访问模式）可在系统层面上给用户提供各种分布式IO 服务，从而共享 分布式设备。然而，基于单机的硬件传输协议并没有考虑到网络远程连接可能带来的数据传输 的不确定性，导致分布式共享设备的IO 服务质量无法得到保证。本文对分布式共享设备的等 时传输进行了优化，利用网络传输的高带宽和一个初始的时间偏移来补偿网络带来的不稳定性 （相对于USB 连接）。实验证明，该优化技术能让原本在无线及有线网络环境下无法稳定地进 行分布式运行的USB 音箱和USB 摄像头稳定运行。同时，该系统在获得的稳定性提升和付出 的初始时间偏移代价之间是灵活可调的，其稳定性增加速度相对于时间偏移量的增加呈稳定增 长的趋势。 关键词：分布式；USB ；等时传输 1．引言 1 网络的发展很快，几乎成了日常生活必不可少的部分。随着网络的发展，各种基于网 络的应用应运而生，比如远程桌面控制、网络硬盘、网络虚拟设备等等。通过这些应用， 可以让人们方便地在远程使用鼠标、键盘、存储器甚至是摄像头、音箱等设备。目前这些 功能大多都实现在应用层。故对于每一个应用而言，要提供和使用这些服务，都需要编写 新的软件，设计新的架构和应用框架，因此需要大量的人力物力投入。而利用现有的硬件 设备/驱动框架并通过网络来进行设备及服务的虚拟，可以广泛适用于各种设备和应用，从 [1] 而大大减小投入，并延续用户已经习惯的设备使用方式。UUAL 分布式共享设备系统 就 实现了一个基于 LINUX USB 设备架构的设备虚拟化机制。但是这样的实现仍然存在问题。 虽然现在的网络环境越来越好，带宽越来越高，1000Mbps 网卡已经得到普及，也就 是说其带宽已超过了 USB2.0 的480Mbps ，但是由于 IP 协议的无连接分组发送方式引起的 不稳定性（相对于 USB 连接）没有由于带宽的增加而被消除。且 USB 传输协议正是基于 USB 总线的稳定性前提设计的，因此即使网络的带宽已经超越了 USB 总线，要利用网络 来虚拟 USB 总线实现 USB 传输也仍然存在问题。因此本文考虑利用网络传输的高带宽在 原有的分布式共享设备系统基础之上进行优化，换取传输的稳定性。 本文专门就 USB 传输四种类型中的等时(Isochronous)传输做了稳定性的优化。该优化 利用双队列缓冲，在驱动层之下的分布式共享设备系统中做了较小的改动，并继承了分布 资助项目：中国 863 项目（2009AA011906 ） 联系作者：李宇骞，E-mail ：liyuqian79@ 式共享设备系统能广泛地被各种 USB 设备所使用的优点。本优化系统利用网络带宽，将网 络的延迟及其不稳定性转移到了设备和主机之间的时间差。接下来，本文将更为详细地介 绍对等时传输做优化的动机，然后阐述前人的相关工作。随后，本文将详细介绍系统的设 计，最后是对实现的系统进行稳定性测试得到的数据及结果分析。 优化动机 1 USB 协议将传输分成四类 ，对设备连接分别有不同的要求。 Control 传输，即控制传输。此类传输是控制相关的一些传输，这类的传输比较普通， 没有特殊的时间要求，流量也不大。 Interrupt 传输，即中断传输。此类传输是突发性的小规模传输，对时间延迟有要求。 对于这类传输，它们的流量小，有突发性，因此这类传输可以考虑使用 UDP 协议或者 IP 协议直接传送。一般而言，对 Interrupt 传输使用较多的是 HID(人体输入设备) 。 Bulk 传输，即块传输。这种传输一般被用来发送大量的突发性的数据，这种数据对时 间没有苛刻的要求。而带宽越大，对这种传输的处理能力就越强。这种数据对于正确性要 求很高，因此和 TCP 传输的要求非常契合。 Isochronous