流控设备（共7篇）
流控设备 篇1
校园网的出口带宽是有限的, 而用户对带宽的需求却是无限增长的, 这对矛盾的最终结局往往是网速不断变慢, 用户的体验持续变差。作为一种解决方案, 流控设备开始出现并得到广泛应用。随着应用的深入, 校园网的管理者开始新的思考, 到底什么样的流控技术才符合校园网的要求?流控设备应具备的基本功能有哪些?有其它替代方法吗?本文就这些问题做出一些阐述。
1. 流控设备的主要技术
一般而言, 目前市场上的流控设备采用的流量控制技术主要有两类, 一类是以Allot为代表的基于深度包检测技术 (简称DPI) 来进行精确控制的技术, 另一类是以蓝盾为代表的基于带宽的智能控制的技术。前一类技术在目前的设备市场占有主导地位, 是传统的流控方式, 后一类技术另辟蹊径, 也有一定的市场前景。
基于包检测技术的流控设备对每一个经过的数据包都要进行检测, 并进行4-7层的协议 (应用) 识别, 然后根据识别的结果按照预先设定的控制策略对网络带宽进行控制, 其优点是能根据IP地址和应用 (协议) 进行精确带宽控制, 控制方式和策略灵活可变, 适用范围广。其缺点是:1) 控制的精确度依赖于对数据包的识别率, 对不能识别的应用几乎没有办法控制, 2) 需不断更新协议库来提高识别率, 对新的应用 (协议) 有滞后性, 3) 由于需对每个数据包进行处理, 因此对硬件性能要求高, 吞吐率高的网络稳定性差。
基于带宽的智能控制技术不对每个数据包进行协议分析, 它只需预先为每个IP分配一个带宽, 当网络空闲时, 用户可以超过设定的带宽, 但网络出现拥塞时, 流控设备就对这些用户的带宽进行智能压缩或将拥塞的数据包形成队列来传输, 从而改善网络的拥塞状况, 同时, 它还可以对因感染病毒和木马而出现的异常流量自动进行压缩来达到净化网络的目的。这类技术的优点是能自动动态的实现对带宽的控制, 不需经常更新协议库, 对未知流量控制效果好, 缺点是控制不精确, 控制策略少, 管理者不能灵活的设置控制策略, 可能出现不适当的控制, 适用性不强。
由此可见, 这两种技术各有优缺点, 那么在校园网内, 什么样的技术更适合呢?一般而言, 应用越复杂、用户类型越多的网络比较适合包检测流控技术, 而只注重最终控制效果的网络可选用后一种控制方式。校园网通常比较复杂, 管理者常常需要根据用户的类型对不同的应用设定不同的流量策略, 所以多数情况下, 基于包检测的流控技术更为适合, 但一些规模较小的校园网, 还有其它基于带宽管理的ISP, 他们对流量的细节并不关心, 而对每个用户能利用到的带宽比较敏感, 这样的网络采用带宽智能控制技术性价比更高。
2. 流控设备应具备的基本功能
这里以更为主流的基于包检测的流控设备来进行说明。由于所有的数据包都会经过流控设备并被分析, 所以理论上流控设备可以完成内容审计、流量监控、计费、防毒, 甚至防火墙的功能, 事实上, 市场上也有一部分流控产品集成这里的两个或更多的功能, 但功能越多, 硬件的要求就越高, 反而对流控功能有所弱化, 纯粹的流控设备最主要的功能还是在流量的监视和控制两方面。
在流量监视方面, 包括对实时流量和历史流量的监视, 监视的对象有IP、IP组、协议 (应用) 、协议组, 监视的内容是它们的带宽和流量, 同时还应产生它们相应的报表。实时流量反映当前用户的带宽利用情况, 以及各应用的带宽占用比, 通过它, 网管人员可以了解网络的健康状况并可作为下一步流量控制的依据。历史流量反映的是平均带宽和累计流量, 通常用统计报表来显示, 这对于网管人员诊断用户是否因感染病毒或木马而产生异常流量很有帮助。因此, 从校园网管理者的角度出发, 如果想掌握校园网内流量的细节, 以上内容都应能监控, 遗憾的是, 目前市场上的流控设备往往重视实时流量的监控而对历史流量考虑得较少, 能够反映平均带宽, 但对任意时段的累计流量缺少统计。
在流量控制方面, 控制对象一般是IP、IP组、协议 (应用) 、协议组、时间这五元组, 控制内容通常是带宽或连接数, 控制方式包括对最小带宽、最大带宽和保留带宽的控制, 支持双向非对称带宽的控制, 控制结果可通过图表、数据显示 (验证) 。就流量控制的功能而言, 多数产品可以达到以上功能, 差别在于控制的准确度和方便性。
3. 其它替代方法
流控设备的主要目的是为了解决带宽矛盾的, 但它的使用也会带来一些新的问题, 比如设备本身性能问题、误控制、用户不良体验等, 加上流控设备为一硬件探针, 很多服务还需配置一台服务器来实现, 这就使得采用流控设备的代价不菲。那么有没有其它办法来解决带宽问题呢?最有效、最彻底地解决办法是采用按流量计费的方法, 这样用户会自觉的尽量不使用基于P2P的应用, 从而达到节省带宽的效果。还有一些方法如增加出口带宽, 设置WEB缓存服务器, 在路由器或汇聚交换机上配置ACL来限制BT和病毒的传输等也可以一定程度改善带宽矛盾。
4. 结束语
随着P2P应用的发展, 校园网网络带宽和用户需求增长的矛盾会越来越尖锐, 流控设备在校园网的应用会更加普及, 对流控设备的要求也会越来越高和更加多样化, 对校园网管理者来说, 在选择和应用流控设备时, 必须根据学校的具体需求, 本着科学的态度, 选择适合的产品以达到科学合理控制网络带宽的目的。
流控设备 篇2
针对上述校园网络实际面临到的问题,我认为追根究底是要做好流量管控,使用应用层流量分析管理技术和产品,即可实现这方面的管理效果,这就需要做到:1)了解网络应用流量监测技术;2)合理的使用流量管理产品。下面,分别就这两方面做以阐述:
1 网络应用流量监测原理及办法
我们知道,传统的流量和带宽管理是基于OSI L2～L4层,通过IP包头的五元组(源地址、目的地址、源端口、目的端口以及协议类型)信息进行分析,通常我们称此为“普通报文检测”。“普通报文检测”仅分析IP包的4层以下的内容,通过端口号来识别应用类型。而当前网络上的一些应用会采用隐藏或假冒端口号的方式躲避检测和监管,造成仿冒合法报文的数据流侵蚀着网络(例如P2P下载软件大多采用动态协商端口机制),此时采用L2～L4层的传统检测方法就无能为力了。
为了识别诸如基于开放端口、随机端口甚至采用加密方式等进行传输的应用类型,网络流量应用识别基本技术DPI、DFI技术应运而生。也有文献称之为业务识别技术。
1.1 网络流量应用识别基本技术
1.1.1 DPI
DPI全称为“Deep Packet Inspection”,称为“深度包检测”。DPI技术在分析包头的基础上,增加了对应用层的分析,是一种基于应用层的流量检测和控制技术。当IP数据包、TCP或UDP数据流经过基于DPI技术的流量管理系统时,该系统通过深入读取IP包载荷的内容,来对OSI 7层协议中的应用层信息进行重组,从而得到整个应用程序的内容,然后按照系统定义的管理策略对流量进行整形操作。
DPI技术通常采用如下的数据包分析方法:
传输层端口分析。许多应用使用默认的传输层端口号,例如HTTP协议使用80端口。
特征字匹配分析。一些应用在应用层协议头,或者应用层负荷中的特定位置中包含特征字段,通过特征字段的识别实现数据包检查、监控和分析。
通信交互过程分析。对多个会话的事务交互过程进行监控分析,包括包长度、发送的包数目等,实现对网络业务的检查、监控和分析。
DPI技术是达到应用层流控目标的基本方法,通过DPI技术,把流细分为对应具体的应用流,在分离流量的基础上,定义带宽通道,从而使网络中的流量根据应用各行其道,优化宽带服务,提高网络运行效率和服务品质,保障关键应用,获得更好的用户体验。
DPI实现应用粒度控制的流程是:识别→分析→控制→报告,其中识别准确度是关键,是评估流控产品的重要指标。
1.1.2 DFI
DFI(Deep/Dynamic Flow Inspection,深度/动态流检测)与DPI进行应用层的载荷匹配不同,采用的是一种基于流量行为的应用识别技术,即不同的应用类型体现在会话连接或数据流上的状态各有不同。DFI更关注于网络流量特征的通用性,因此,DFI技术并不对网络流量进行深度的报文检测,而仅通过对网络流量的状态、网络层和传输层信息、业务流持续时间、平均流速率、字节长度分布等参数的统计分析,来获取业务类型、业务状态。
2 网络流量管理产品
2.1 智能管理
早期的网络流量管理方式是在路由器、防火墙或局域网交换机上使用简单的带宽管理或QOS来实现(至今一些单位的简易流控需求仍沿用这种方式),但这种控制方式需要人为干涉,操作复杂,无法做到智能管理,所以不能满足网络管理中复杂策略的精细程度和灵活程度需要。
智能流量管理系统是一款专业的L7应用层流量管理产品,适用于大中型企业、校园网、城域网等流量大、应用复杂的网络化境;通过监控网络流量,分析流量行为,设置流控策略,分时段、按用户、按应用实现流量控制和带宽保障,全面提升带宽利用价值。智能流量管理系统融合了DPI和DFI两种技术,具有四个显著特征。
1)精确而广泛的应用识别能力:对应用的识别是进行流量控制的基础。智能流量管理系统应用识别库能覆盖各种主流应用,特别是结合国内网络应用的实际情况,提供对迅雷、QQ等本土应用的识别。另外,智能流量管理系统能够对诸如QQ这种具有即时消息、文件传输、音频视频、游戏等多种子协议的网络应用,提供精细化的子应用识别。
2)优异的产品性能及安全性保障:智能流量管理系统对用户网络中的所有流量进行处理,能够承受巨大的流量压力,特别是在配置复杂策略情况下,不会造成设备性能的下降。另外,设备是以串接方式接入用户网络,具有良好的安全性,在设备出现运行断电或异常情况时,能够保障用户业务的畅通。
3)强大的控制能力:智能流量管理系统能够根据用户的实际需求,提供强大而完善的控制手段。通过不同时间段、不同用户、不同网络应用、不同控制动作等条件,实现不同情景下的策略配置。我们知道任何网络流量的使用都和人的因素密不可分,智能流量管理系统能够对用户进行灵活的分类管理,从而使控制策略更加符合实际需要。
4)清晰而全面的信息查询:智能流量管理系统不仅能实现对网络流量的控制,而且能帮助网络管理者对异常问题进行定位,以及通过网络应用现状的分析实现对网络的优化。智能流量管理系统通过柱状图、饼状图、走势图等图表,以及从不同的分析角度,可向用户提供清晰而全面的实时信息查询、历史日志查询、以及自动生成报表等功能。
2.2 国内外产品介绍
国外厂商,以Cisco SCE、Allot、Packteer、Sendvine、ACENET、Maxnet。产品特性能好,解决方案和产品成熟,均有用户管理系统(可能为动态IP环境中使用,将用户帐号和流量策略结合来控制流量),除ACENET外,其主流产品功能相对单一,但非常专业。
国内厂商中,比较优秀的有畅讯信通的QQSG、南京信风、宽广、华为SIG、金御等,国内产品适合国情,国内应用的识别率相对国外产品高,存在问题是产品性能宣传强,但实际使用,尤其是在策略较多情况下性能差,个别产品有POS接口(适合部分国内运营商),价格较国外厂商有较大优势,功能较多,但在流量管理领域,属于发展期,不够成熟。
2.3 设备的选择
2.3.1 硬件技术
流量管理设备硬件技术主要有三种:Intel X86架构、ASIC技术和NP技术,由于X86架构处理速度相对较慢,单个芯片的可扩展性较差,所以大部分厂家的低端产品采用X86架构,高端产品采用ASIC或NP技术,以适用于不同的网络环境需求。
2.3.2 工作模式
1)路由模式:通过网关模式串接在用户网络链路中,所有流量都通过网关处理,对内网用户上网行为和数据包实施控制、拦截、流量管理等功能。若将设备作为Internet出口网关,设备的防火墙功能保障组织网络安全,NAT功能代理内网用户上网,实现基本的路由功能等。
2)网桥模式:同样串接在用户网络链路中,如同连接在出口网关和内网交换机之间的“智能网线”,对流经流控设备的所有数据流进行控制、拦截、流量管理等操作。网桥模式主要适用于不希望更改网络结构、路由配置、IP配置的用户。
3)旁路模式:即在出口交换机中配置镜像端口,将流控设备的广域网口同镜像端口相连,实现对内网数据包的监听。
采用旁路模式部署的流控设备,将与交换机的镜像端口相连,部署实施简单,完全不影响原有的网络结构,降低了网络单点故障的发生概率。
2.3.3 性能要求
1)应用协议的识别与分类(种类和准确性),流控策略的普适性及长效性;
有些通过应用层特征码来控制P2P的流控策略,如果不能及时更新特征码或特征码变得不可知,就可能导致流控失败,一个近期的例子:BT通讯协议加密及迅雷通讯协议发生变化导致专门的P2P流控设备失效。好的流控设备不依赖于应用的特征码,因此可以经得起时间及应用软件协议变化的考验。
2)流控策略的全面性
普通设备的只对P2P应用做控制,好的设备对所有流量的带宽、会话数、总流量和应用做控制。由于流量的多样性,单靠一两种策略是不能管理好的,必须实行全面的流控策略才能达到流量管理的目的。
3)看监控对象及流控策略的精细度
好的设备既可以监控出口网关处的流量又可以监控来源网络的流量分布;
普通设备的控制精度只能达到IP一级或网关一级,好的设备可以对每一源IP的不同应用分别做带宽及会话数的控制,而且只有这样才能保障关键应用及其它应用的服务质量以及相同等级用户上网体验的一致性。
4)看流量数据存储及处理方式
好的设备可以将流量数据输出到专门的流量分析工作站,将流量存储、分析、统计、查询功能和流量捕捉功能分开,保证了流量分析设备的运行效率和流量数据存储的可持续性。
5)应尽可能使用性能可靠、管理方便、特别是在有故障时能够自动旁路的设备,避免故障点的出现。
2.4 设备优缺点
流控设备不是万能的,还要了解其缺点。
首先,因为它的工作原理和防病毒一样属于事后起作用,所以其优点是精准,其缺点是:1)总有部分(10～30%)流量不可识别,例如IP碎片、加密流量等;2)性能会持续下降,当特征码越来越多时,性能就会越来越低,这种趋势发展到一定程度就会使流控设备成为网络中新的性能瓶颈;3)由于要频繁更新特征码,因此一、设备后期维护难度大,总体拥有成本高;二、对厂家的依赖程度高,厂家停产、倒闭等不可抗力因素使得购买其产品成为一种赌博行为。其次,要区别对待基于应用层的带宽分析技术和控制技术,确定有未知流量的存在对于7层带宽分析技术来说是一种间接的成果,但是对于基于其上的带宽控制技术来说就是现实的噩梦,因为它要先识别再做控制,所以这部分流量永远无法得到有效的控制,当某种未知流量短期内突然增大时,流控措施就会马上失效,例如,08年新版迅雷的快速普及就导致了不少流控设备失效,特别是一些国外的设备。
3 总结
综上所述,只有做到网络应用流量监测技术和网络流量管理设备的深入了解,才能针对校园网所面临的问题,选择好适合自己需要的网络流量管理设备,做到“心中有数、有的放矢”。
参考文献
[1]聂瑞华.基于DPI技术的校园网络带宽管理[J].计算机技术与发展,2009(4).
[2]马科.业务识别与管理系统和网络流量的管理[J].现代电信科技,2008(4).
[3]如何选择网络流量分析软件[EB/OL].(2008-12-24).http://www.chinabyte.com/.
HSUPA技术中的流控算法 篇3
关键词：HSUPA,流控,拥塞
随着UMTS的发展, 3GPP在R6版本中引入了HSUPA, 采用了许多新的技术, 增加了新的协议实体, 引入了新的传输信道E-DCH, 使用了扩频因子为2的码道, 增加了上行方向物理层重传HARQ, 使用了快速调度, 从而上行链路的数据传输速率最高可以达到5.76Mbps, 这样就使得Iub接口在上行方向进行流量控制成为一个重要环节。目前在HSUPA系统中使用了两种流控算法:Node B基于反压的上行拥塞控制算法, Node B上行带宽自适应调整算法, 本文针对这两种算法进行比较阐述, 阐明各算法在使用过程中的缺陷和不足, 综合使用能够有效改进这些缺陷。
一、流控概述
MAC-e调度通过既定的策略为各HSUPA用户分配合适的功率资源, MAC-e流控算法是为调度算法进行服务的, 它给调度算法设置了先决条件。它的直接目的是在IUB带宽受限情况下, 结合Node B自身的调度算法和IUB带宽、IUB缓存等信息, 通过调整小区负载门限从而对空口速率调整, 使其适应受限带宽的场景, 防止延时过大和缓存溢出, 保证在该用户队列缓存中有适当的数据发送。
二、HSUPA流控应用场景
流控算法主要应用于IUB带宽受限场景中, 为了防止空口速率过高, 引起IUB Buffer溢出, 在IUB带宽受限时, 通过检测IUB带宽和缓存使用信息, 按一定策略标志部分UE降低其空口速率, 并通知Node B调度执行该降速请求, 以保证IUB口流量和空口流量的匹配, 防止因时延过大或缓存溢出带来的系统性能下降。
根据不同场景, 配置合理的参数后, 流控算法可以有效地提高IUB带宽利用率, 减少丢包率, 根据IUB口资源占用情况来稳定空口速率, 将系统延时降低至可接受的范围内。
三、Node B基于反压的上行拥塞控制算法介绍
(一) 基本概念。
1.逻辑端口。在一个物理端口上可以共享物理带宽, 单逻辑上独立的端口。
2.IUB Buffer。当IUB带宽不足时将数据包暂存于Node B缓存中, 实行FIFO策略 (其中IP下是通过VISP协议只把拥塞的数据放入缓存buffer中;ATM下是不区分是否拥塞, 把所有传输的数据全部直接放入缓存buffer, 类似一个纯粹的通道) 。
3.流控信息帧。流控信息帧由传输层以一定周期 (如:40ms) 上报给译码DSP, 每个流控信息帧中包括40ms内每2ms检测到的buffer占用率中的最小值和每2ms检测到的buffer占用率的平均值。要求上报最小值的原因是想知道在40ms内buffer占用率是否有降到零的时候, 因为在正常处理过程中, 目标负载是根据前后两次检测到的buffer占用率平均值变化量调整的, 但如果buffer占用率减小到零, 不管前后两次检测到的buffer占用率平均值如何变化, 都说明空口速率相对Iub带宽还是不足的, 需要上调目标负载因子。
(二) 算法基本原理。
周期性检测IUB Buffer的占用情况, 并设置相应的IUB Buffer拥塞门限。当IUB Buffer触发拥塞状态后, 如果buffer当前处于上升趋势, 则不管用户的状态是否是happy, 都发送“RG DOWN”, 以迅速降低空口负载。如果IUB Buffer触发拥塞状态后, 当前的buffer处于下降趋势, 则限制所有的UE, 不能发送“UP”, 但是不强制发送“RGDOWN” (可以发“RG Hold”) ;当IUB Buffer解除拥塞状态时, 恢复正常的调度处理。
算法流程针对Iub传输流控动作:
传输层每40ms上报一次IUB Buffer占用率的平均值给译码DSP;译码DSP在流控周期到达时检测是否收到新的流控信息帧, 如果有则比较buffer占用率和IUB Buffer拥塞门限更新拥塞状态;当IUB Buffer占用率过高而触发拥塞状态后, 执行拥塞时的调度流程:一是如果buffer占用率在上升, 说明空口速率仍然高于Iub出口带宽, Node B调度器向该所有UE发送RG“DOWN”, 以降低空口速率, 防止IUB Buffer溢出;二是如果buffer占用率在下降, 说明空口速率已经低于Iub出口带宽, Node B调度器对该所有UE不能发送RG“UP” (可以发送“RG HOLD“或“RG DOWN“) 。当IUB Buffer解除拥塞状态时, 恢复正常的调度处理。
(三) 该算法的优点。
能根据拥塞情况实现对空口速率的快速控制, 迅速减缓buffer的增长趋势, 防止buffer溢出。
该算法的缺点:一旦拥塞解除恢复正常调度, 空口速率就会迅速攀升, 导致Iub buffer状态在拥塞和拥塞解除之间频繁振荡, 影响空口速率的稳定。当Iub资源严重受限时, 由于从检测到拥塞到用户速率降到低于Iub口带宽需要很长一段反应时间 (因为正常调度时是按空口目标负载来调度的, 空口流量可能远高于Iub口带宽) , 仅依靠此算法不能避免buffer溢出。
四、Node B带宽自适应调整算法介绍
(一) 基本概念。
RFN (RNC Frame Number) :是RNC帧号, 用于RNC节点同步, RNC向Node B下发的节点同步帧中将携带RFN信号。
CFN (Connection Frame Number) :是传输信道用于标识传输信道数据块 (TBS) 发送顺序的帧号。
(二) 算法实现原理。
该算法在Node B实现。当出现网络汇聚场景或者HUB Node B场景时, Node B配置的带宽可能远大于传输网络上的可用带宽。Node B上行带宽自适应调整算法自动检测传输网络的拥塞状态, 并以此调整Iub端口的最大可用带宽, 调整结果作为Node B反压算法输入。因此该算法又称为传输网拥塞控制算法。
该算法基本原理:RNC检测传输网的时延抖动情况、丢帧率、丢帧个数, 根据检测结果, 发送拥塞指示给Node B, Node B根据拥塞指示调整Iub口最大可用带宽。根据RNC检测方法的不同, RNC有两种Node B带宽自适应调整算法, 分别为基于FSN (Frame Sequence Number) 的Node B带宽自适应调整算法和基于Iub FP Performance Monitor的Node B带宽自适应调整算法。一般两种算法选取其中一种, 当基于FP Per-formance Monitor的Node B带宽自适应调整算法生效时, 基于FSN的Node B带宽自适应调整算法不生效。由于Iub Performance Monitor是实际的业务包, 更能体现业务传输状态, 建议采用FP Performance Monitor算法。
RNC根据拥塞检测结果返回拥塞指示给Node B, 拥塞指示帧结构中Congestion Status字段指示传输网络的拥塞状态, 其取值如下:
0:无TNL拥塞。
1:未用, 为以后保留。
2:传输网络拥塞-通过时延积累检测到的 (TNL Congestion–detected by delay build-up) 。
3:传输网络拥塞-通过丢帧检测到的 (TNL Congestion–detected by frame loss) 。
Node B对每个逻辑端口周期统计收到的拥塞指示后, 按以下原则调整Node B侧的出端口带宽:
如果统计周期内收到Congestion Status为2或3的拥塞指示, 将逻辑端口出口带宽按一定步长下调, 但不低于配置的保护带宽。否则, 将逻辑端口出口带宽按一定步长上调, 但不超过配置带宽。
(三) 该算法的优点。
通过检测传输网的丢包拥塞或时延拥塞情况自适应的调整逻辑端口的可用带宽从而控制HSUPA用户吞吐率。
该算法的缺点:如果传输网络中存在严重的非拥塞丢包, 那么将影响HSUPA吞吐率。因此, 需要根据实际Iub网络传输拥塞情况, 作相应的修正。
五、两种算法比较
反压的上行拥塞算法, 其实是针对基站缓存情况, 判断空口和基站能力适配流控, 减少基站内部拥塞, 使空口和基站能力达到最大使用率, 保证用户速率最大而平稳;带宽自适应算法是通过探测Iub接口的传输拥塞, 丢包, 时延情况, 分配合适的带宽给用户, 让Iub传输和用户速率匹配到最佳, 提高Iub传输使用率, 同时保证用户速率最大的稳定。
六、结语
随着社交网站和数据业务及智能手机的发展, 上行业务慢慢也成为瓶颈, 现阶段DC-HSUPA能提供高达23M速率, 而Iub带宽成为瓶颈, Iub带宽的流控算法尤为重要, 是用户感知和性能提升的重要保证。Node B基于反压的上行拥塞算法能够保证UE和基站内部不存在拥塞, 而带宽自适应算法能够根据Iub的带宽和拥塞情况, 控制用户速率, 达到因传输丢包造成的用户感知差, 因此, 两种算法综合使用, 能够更好地提高传输利用率和用户感知。
参考文献
[1].李嘉.WCDMA中HSUPA技术的性能研究
[2].RAN特性文档
[3].3GPP Technical Specification TS 25.426 UTRAN Iur and Iub interface data transport& transport signaling for DCH data streams
流控设备 篇4
PCIExpress(Peripheral Component Interconnect Express,简称PCIe)总线协议由于具有高带宽、高可靠性、低电压、多通道以及与上一代PCI总线技术良好的兼容性等特点[1,2,3],被广泛运用于PC、服务器、嵌入式设备中。PCIe协议以流量类别(TC)、虚通道(VC)、TC/VC映射及优先级仲裁机制为事务层数据包(TLP)传输提供有区别的服务质量(Qo S)[4]。为了使数据传输不受阻塞,PCIe收发端均会提供多个虚通道。当链路建立时,配置软件会建立虚拟信道保证TLP包可以通过不同的虚通道传输。如果某一虚通道的流控缓冲区已满,则可以报告发送端暂停发送,同时发送端就可以使用另一个虚通道并发送与该虚通道相关的事务。流控机制能够提高数据传输效率,故PCIe链路必须实现流控。
通过对PCIe流控机制的研究,结合一款PCIe接口的以太网网卡控制器,本文提出一种实现PCIe流控功能的设计方案。本文的设计方案,在保证功能及效率的情况下通过设置合理的模块参数及模块复用、信号复用等方法,减少模块接口的同时也减少所需的连线,由此降低芯片的面积和功耗。本文用Verilog HDL语言对设计进行描述并通过仿真验证流控模块功能的正确性。
1 PCIe流控机制分析
1.1 PCIe系统结构
PCIe协议定义了一种三层传输体系结构[5,6,7],从上到下依次为事务层、数据链路层和物理层,每一层又分为发送和接收两部分。发送时,在事务层接收应用层传入的数据打包成TLP,并在数据链路层为其添加序列号和冗余校验码(CRC),在物理层给数据包加上起始符和结束符后编码为串行差分信号发往另一端的PCIe设备。在接收部分,处理过程与之相反,物理层接收到串行数据信号通过解码并逐层拆解,最终发送到应用层。数据链路层生成的数据链路包(DLLP)用于实现流控协议、ACK/NAK协议、电源管理信息传输等[8]。
PCIe流控协议以“流控信用”(Flow Control Credit,FCC)[9]为单位来报告缓冲区的空间大小。完成包的头FCC单位代表4DW(16字节),请求包的头FCC单位代表5DW(20字节)。数据FCC一个单位代表4DW(16字节)。不同类型的TLP分别用不同的流控信用单独控制,具体分为报告(P)、非报告(NP)和完成(CPL)三种类型。不同类型的事务又包含头缓冲区和数据缓冲区,每个缓冲器里含有6种不同的缓冲区[10,11]。流控信用在数据链路层组包,但是其数据是由事务层提供并且在事务层起作用[12]。在链路初始化时,各个接收器通过流控DLLP向链路另一端的端口报告其缓冲区的大小(以流控信用为单位)。
1.2 PCIe流控原理
PCIe设备在发送数据之前,先检查接收方是否有足够的接收缓存空间。因此,接收方需要通过流控信用将接收方的缓存容量信息传递给发送方。图1展示了数据传输过程中的流控信息传递过程。
在发送端设置一个待处理事务缓冲区,其作用是缓存将要发送的TLP。同时从接收流控DLLP数据包,提取出接收方的信用限额CL(Credit Limit)。根据待处理事务缓冲区中TLP的信息可以知道该TLP包所需的信用量(PTLP),加上已经使用的信用量CC(Credit Consumed)可以得出本次发送所需的信用量CR(Credit Required)。根据公式(1)判断接收端是否有足够的缓冲区空间来接收待发送的TLP(PTLP),其中fieldsize为计数器中的位宽。
此检查可以保证CC加上待发送的下一个数据包所需的信用不会超过CL。在接收端同样设置一个缓冲区用来保存TLP,同时根据接收数据包的信息更新信用的分配量CA(Credit Allocated)。当TLP进入接收缓冲区时,CA并不会发生改变,只有当TLP发往应用层后,缓冲区空间增大,CA才会增加。当流控更新时CA会更新到发送端的CL。根据实际情况和最大缓冲区容量,本文将计数器宽度(即上文中的fieldsize)设置为头流控使用模256计数器(8位宽),数据流控使用模4096计数器(12位宽)。
PCIe中定义了无限流控信用值,一个通告无限流控信用的设备在初始化之后不需要发送流控更新数据包,永远也不会阻塞发送器发送事务。在初始化流控时,设备通过在FC_Init1 DLLP的信用字段中发送一个0来通告无限信用。一般把CPL事务的流控模式设为无限信用模式,因为完成包不能及时到达可能导致设备误以为事务没有完成而造成错误。
2 流控模块设计方案
2.1 流控实现结构
通过对流控原理的分析,根据流控信息的传递过程及其中所需的判断处理仲裁,设计发送流控模块、接收流控模块以及缓冲区来实现对应的功能。本设计使用了8个VC,每个通道的设计完全相同,其中发送流控的数据经过VC仲裁器进行优先级判断后传入链路层。接收到的数据则直接进入相应VC。流控实现的结构如图2所示。
每个VC中的流控模块包含了一个发送流控模块和一个接收流控模块。发送流控模块接收发送流控信用量并判断另一端是否有足够的空间接收,如果有则从发送缓冲区中提出数据并发送,同时更新内部的信用量。接收流控模块则接收来自另一端的数据并放入接收缓冲区,当应用层从接收缓冲区中读取数据时,接收缓冲区的变化将更新模块内部的信用量,并把接收流控信用量数据更新到数据链路层通过DLLP传输到另一端设备。在本文中,考虑到实际情况把每个VC缓冲区设为8k B。但在设计中该缓冲区大小为可配置的,该数值在今后的应用中可以根据需要进行调整,使之能够适用于其他PCIe总线系统。
2.2 发送流控模块设计
发送流控模块分为3个层次,最外层的模块主要通过状态机进行转发TLP,里面包含一个数据处理的子模块,其中又例化了3个相同的流控计数子模块分别对P、NP以及CPL的信用量进行分配管理。发送流控模块结构如图3所示。
当VC选通且数据链路层准备接受数据后模块开始判断流控信用量并从缓冲区中请求TLP发送。模块的流控更新采用了信号复用的方式,把3种类型更新使能独立出来,复用一个20位的信号记录信用量,高8位为头信用量,低12位为数据信用量。这种方式能减少模块的接口数量及模块间的连线。不同类型的信用可用量和允许TLP发送的发送信号会反馈给缓冲区。在内部的数据处理主要作用是对传输的TLP进行分析计算出其所需的信用量以及对不同类型的包分类并传输给相应的流控计数模块处理。3个流控计数模块功能完全相同,它会分别处理头信用量和数据信用量,其原理如2.2节。计数模块采用了无符号的计数方式能够避免最大值翻转回0时产生错误。
发送模块中的TLP发送状态机如图4所示。当处于IDLE时,只有用户端请求发送且流控信用量足够发送下一TLP才转换到ACCEPT状态。当处于ACCEPT状态时,只有数据链路层准备好接收TLP且应用层没有发送请求时才回到IDLE状态。
2.3 接收流控模块设计
接收流控模块主要结构分为2个层次,外层对TLP进行接收和分析同时转存到缓冲区,并把相应类型的流控信用更新从子模块传输到数据链路层。由于实际应用中把CPL流控设为无限流量模式故接收流控计数模块只需要例化2次,分别用于P、NP类型的TLP传输控制,其结构如图5所示。
接收模块接收的TLP会先存储到VC缓冲区中,当应用层发送接收请求时再发向应用层。该设计把缓冲区设计为TLP的中转区,可以减少缓冲区与接收流控模块之间的通信次数提高响应速度。当从缓冲区发向应用层后,流控信用量才会更新。故接收流控模块中有2个状态机,一个用于从数据链路层接收TLP写入到缓冲区,另一个用于从缓冲区读取TLP到应用层。如图6左图,输入TLP状态机主要控制TLP从数据链路层进入缓冲区中各个状态的变化。当TLP包开始传输时,进入HD0状态,然后当数据有效时进入缓冲区,如果是结束就进入更新状态。该状态机的作用是为TLP在缓冲区中分配空间。
如图6右图,TLP输出状态机主要控制TLP从缓冲区输出到应用层的各个状态的变化过程。当缓冲区中有TLP时,进入REQ状态。收到来自应用层的回应同意接收缓冲区TLP时进入SEND状态并向应用层发送TLP。当一个TLP发送完时,进入更新状态,此时更新接收计数子模块的信用量,也就是说此时才会更新信用分配量。
3 功能仿真及结果分析
流控模块的验证采用了Questasim仿真软件,通过搭建一端为PCIe接口的以太网网卡控制器一端为Microblaze控制的根节点的系统,在系统中收发以太网帧,使整个PCIe流控模块处于工作状态。本节通过对TLP以及流控信号的分析,判断流控模块的功能的正确性。下文是对收发流控模块分别的仿真分析。
3.1 发送流控仿真分析
图7所示,分别初始化P、NP、CPL三种不同类型的流控信用。从图中可以看出流控信用量采用了信号复用的方式,通过3种类型更新使能信号控制不同的信用量更新。根据流控信号格式可得出:P类型的头信用量为32,数据信用量为77;NP类型的头信用量为12,数据信用量为12;CPL则通过“0”信号被设为无限流控模式。
由图8可以看出发送一个CPL的TLP包时由于处于无限流量控制的模式,所以头信用量和数据信用量不再作为判断TLP包是否发送的标准,该模式下的包不受流控信用量的影响。由此可见,无限流控发送功能完全实现。由于P和NP除了需要判断TLP类型不同外其余功能完全相同,故只用P类型的TLP发送作为分析。从图中可以看出,头使用1个信用量,头信用量限制值为23,故相减后满足下一个TLP包的发送,把头信用可用信号设为1。同时,发送的TLP包带有32DW的数据故需要占用8个数据信用量,数据信用量减去8后仍然大于系统所设置的最大TLP包所需信用量8,把数据信用可用信号设为1。可以知道P和NP的发送流控功能完全实现且信用量计数具有良好的实时性。
3.2 接收流控仿真分析
从图9中可以看出,内部的2个状态机工作完全正常符合设计要求。初始信用量符合缓冲区的大小设置,且数据写入缓冲区及从缓冲区读出数据传输到应用层的功能从波形上看出能够实现。在设计时把CPL设置成无限流控信用模式,故CPL的流控信号一直为20位“0”。P和NP类型的接受流控信用会随着从缓冲区读出TLP并转发而进行更新。每个TLP被读出后头信用量加1,数据信用量也会根据TLP数据的长度增加。综上可见接收流控模块的功能符合设计要求,且流控信用量在TLP被读出的下一个时钟周期更新,由此可知具有良好的实时性。
4 结束语
本文通过研究分析PCIe协议流控机制,设计出一种在PCIe接口的千兆网卡控制器中实现流控协议的系统结构,在设计时采用了模块复用、信号复用等方式进行优化,并且把缓冲区设置为可配置的以便移植到其他PCIe系统中。在实现上采用Veriog HDL语言对其模块进行了描述,最后通过仿真验证表明所设计的流控各个模块能够有效地工作并且具有良好的实时性。文中的PCIe流控模块可根据实际需要改变部分参数用于各种PCIe系统的设计中,对今后设计其他PCIe总线系统有一定参考性。
摘要：PCI Express总线协议通过流控机制降低数据重传概率、调度虚拟通道传输事务,提高数据链路的传输效率。文中对PCI Express协议的流控机制进行分析,并提出一种实现流控机制的设计方案,包括发送流控模块、接收流控模块等。该方案在一款PCIe接口的以太网卡控制器中实现,通过对流控系统的仿真验证,结果表明该设计方案实现了PCI Express流控功能。
关键词：PCI Express总线,流控,信用量,事务层,数据链路层
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三维立体微流控芯片制作方法研究 篇5
关键词：微流控芯片,湿法刻蚀,紫外曝光,三维立体通道,载药微液滴
在10~100μm宽的沟道系统中对流体(气体或液体)进行操控的技术被称为微流控技术[1],以微流控技术为核心、通过微电子机械系统(MEMS)技术加工出的应用于生物、化学、生物医学等领域的芯片型微全分析系统被称为微流控芯片。液滴微流控系统则是微流控芯片领域的一个新的分支,其使用不相溶的两相或三相流体在微孔道界面处形成液滴,制备的液滴单分散性好、粒径和形态可控,液滴体积通常在纳升至皮升(10-9~10-12L)范围。自液滴微流控的概念提出以来,经过几年的发展,微流控芯片制备微液滴的技术已日趋成熟,并逐步应用于化学、生物等领域。
载药微液滴,相比于传统药物具有强大的优势。载药微液滴实际上是一个可控制释放系统,以生物相容性材料包裹或吸附药物形成球形微粒,可以对药物进行贮存以达到控制释放的目的,减少药物用量、降低副作用,并提高作用于靶向位点的准确性和体内血药浓度的稳定性,使得药物发挥最佳疗效。采用传统的机械搅拌法制备液滴和微球获得的乳滴或微球粒径分布较宽,形态难以控制,使得其应用大大受到限制。微流控技术研究则可制备微米级微球,且产品不需要进一步纯化,粒径非常均一、单分散性好,其突出的优势已引起越来越多科研工作者的高度关注[2],微液滴的操控也成为国际上研究的前沿热点[3,4,5,6,7]。而为了能制备出粒径均一、单分散性好的乳液或微球,对芯片结构的设计也提出了新的要求。目前,芯片结构已由传统的二维发展到三维,解决了或正在尝试解决很多原来二维芯片无法解决的问题。本实验就是通过对三维立体通道模具的制作进行研究,以制备能高效低价生产均一载药微液滴的微流控芯片。
1 材料与方法
1.1 材料与设备
SYLGARD184-聚二甲基硅氧烷(PDMS)(Dow CORNING),飞船牌载玻片,斯乐美Phenix显微镜,101OAB电热鼓风干燥箱(天津市泰斯特仪器有限公司),SF-400C电子天平,FX925杜邦干(美国杜邦公司),LSP01-1A注射泵(保定格兰恒流泵有限公司),TD-XDC-10A Taida3D操作台,Pco.imaging(Germany),氢氧化钠。
1.2 实验方法
1.2.1 三维立体微流控芯片模具的制作
首先利用CAD绘图软件绘制二维平面掩膜图,并使用高分辨率激光打印机(分辨率12 000 dp)在透明胶片上打印制得光刻掩膜板,然后按照下述步骤进行微流控芯片的加工制作。
1.2.1. 1 选取模具基质材料
作为模具基质的材料有很多,如普通玻璃板、有机玻璃板、氧化铟锡(ITO)、PDMS等,考虑到模具成型的平整度及载体表面的洁净度,选用表面覆膜的有机玻璃板。
1.2.1. 2 利用杜邦干膜构建不同高度通道
将有机玻璃板的表层保护膜,杜邦干膜保护膜揭除,贴合,过塑,保证通道成型区域无气泡。根据所需通道高度要求贴合不同层数杜邦干膜。
1.2.1. 3 曝光
将掩膜置于贴有杜邦干膜一侧,固定,置于紫外曝光机单一光源下曝光,得到所需通道形状。
1.2.1.4刻蚀
将曝光好的芯片模具揭去表层的杜邦干膜保护膜,置于0.85%的碳酸钠溶液中刻蚀。根据所贴杜邦干膜层数不同其所需的刻蚀时间也不同。
1.2.2 三维立体微流控芯片制作
固定模具,保持通道面清洁,将配制好的PDMS液浇灌,保证0.3 cm左右厚度。抽真空除气泡,烘箱60℃烘2 h,切取所需部分,打孔,去极化,黏合,烘2 h。
1.2.3 微液滴的制备
利用PDMS芯片,自动进样泵于各通道注入不同液相,在微通道三相结合处,通过流体动力学作用,自发生成双乳液微液滴。
2 结果
2.1 利用CAD软件设计三维通道芯片
目前用于制备微通道的材料主要有硅、玻璃和金属,这些材料表面性质稳定,溶剂相容性好且光学性质优异,尤适用于各种光刻和定向刻蚀技术制备微型装置,近年来又出现了PDMS等新型材料[15]。由于微通道的材料性质能影响微球的制备,本实验以性能优异且成本相对低的PDMS为材料来构建微通道。三维通道是通过二维通道的叠加构建而成。得到厚度分别为25μm和100μm的通道,而对于二维通道的叠加三维操控台是关键。二维通道芯片的主要构建过程见图1。三维通道掩膜设计图见图2。
2.2 芯片模具基底材料的选择
芯片模具基底材料的选择见表1。可见,各基底材料综合性能排序如下:有机玻璃板≥ITO>玻璃板>聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)>PDMS,本实验选用有机玻璃板为基底材料。
注:PDMS:聚二甲硅氧烷;ITO:氧化铟锡;PET:聚对苯二甲酸乙二醇酯;“-”表示无数据
2.3 曝光时间的探究
刻蚀液为0.85%的Na2CO3溶液。当通道厚度为25μm时:观察间隔时间较短。约60 s取出,于刻蚀溶液中晃荡,去离子水冲洗,进行观察,发现未曝光处呈现蓝色,与未刻蚀时的蓝色接近,由此推测刻蚀未完全。间隔60 s,进行第2次观察,发现颜色较第1次观察浅,将观察间隔时间缩短为30 s。第3次观察,发现仍有些许蓝色,蓝色已经很浅,将观察间隔时间调整为5 s,直至用肉眼观察接近无色即止。将模具用电吹风吹干(处于冷风档),于显微镜下观察通道的完整性。发现通道边缘平整,但未曝光处仍有少许淡蓝色残余物,说明局部仍有未刻蚀完全处,再次放回刻蚀液中刻蚀5 s,去离子水洗涤,观察,发现通道仍旧完整,并且未曝光处已没有淡蓝色残留物,证明已刻蚀完全。
对于不同厚度通道的处理方式同25μm厚度通道。浸入一定量的刻蚀液中刻蚀,一段时间后,于溶液中晃洗,去离子水冲洗,观察通道刻蚀状况,观察载体有机玻璃板所呈现的颜色。若呈现透明色,则代表已刻蚀完全;若呈现蓝色,则可根据蓝色的深浅确定刻蚀的程度及剩余的大致刻蚀时间。根据实验过程中所得经验,呈现的蓝色越深,表明刻蚀程度越低,剩余刻蚀时间越长。若通道边缘非菱角分明的立体状,而有重影或者呈斜坡状,则表明刻蚀程度不够,未刻蚀完全。此时,可以再次将模具片浸入刻蚀液中,间隔2 s观察1次,直至刻蚀完全。若通道边缘有明显锯齿状或断裂,则代表刻蚀过度,通道已经损坏。刻蚀时间随通道厚度的增加而增长。由于影响刻蚀效果的因素过多,最佳刻蚀时间是指刻蚀完全至过度刻蚀过程中的最佳刻蚀状态时间,为1个左右波动的大致时间范围。各层大致刻蚀时间见表2。
控制合理刻蚀时间的前提下,以曝光时间为实验单一变量,设计对照试验,发现掩膜制备的效果与曝光时间具有密切关系,与此同时,发现掩膜的最佳曝光时间也随杜邦干膜层数的改变而改变。各层曝光时间见表3。
曝光的临界时间为超过或等于此时间时,通道成型;低于此时间,通道未完整形成。一般采用大于临界时间,使所需通道稍微过曝。由实验数据和实验结果显示见图3、4。
结果可以得出,随所用的杜邦干膜的层数增加曝光时间也增加,但是并不是成正比例增加,对于层数较少的掩膜(例如一层或两层)曝光时间在10 s或者15 s时,效果较为理想,但是对于层数较多的掩膜(例如四层)曝光时间需要延长。
在掩膜层数和刻蚀条件一致的前提下,不同的曝光时间得到不同的实验效果。可能原因如下:①曝光机的稳定性,其中包括电压、曝光时间、温度、洁净度,其中电压最为重要[16]。本实验主要讨论电压的影响,因为电压不稳定直接导致光强不稳定,进而影响曝光效果。一般的金属卤素灯启动时电压要高,必须配合使用触发器和限流电阻,工作是电压越平稳效果越好。如果电压过高或灯管超负荷工作,或者电压过低灯管不能全功率工作,都会降低其工作效果,也会使灯管寿命降低。在实际工作中,电压不可能自始至终保持不变,随着曝光时间的延长,电压出现变动的概率就越大,对实验结果的影响也就越大,从而使曝光效果变差。②与杜邦干膜的性质有关。杜邦干膜有三层构成,呈三明治构造,被我们使用的是中间层,其本质是光刻胶,由感光树脂、甲基丙烯酸羟乙酯、光引发剂等构成,由感光特性曲线、初始曝光能量、饱和曝光能量和反差的计算方法得出各数值。由此可知,在杜邦干膜层数一定时,很大程度上增大曝光时间效果却一般,是因为凝胶率已经达到饱和没有发生大的改变。在小范围的曝光时间内调整曝光时间,则对实验结果影响较大。也可以解释为什么层数较多的掩膜曝光时需要的最佳曝光时间比层数较少的多。③菲涅尔衍射现象。该现象使得图形边缘得到了充足的能量,造成图形在边缘上的扩张。衍射现象对于该实验的影响还不仅局限于此,对于杜邦干膜,我们一般采用紫外线曝光,其波长较长,故衍射效应十分明显,所以对光刻精度影响很大。掩膜板的边界在接触式曝光中常会引起衍射效应,当光刻胶的厚度和掩膜板光刻胶间的间隙增大时,衍射误差将会变大。当然,光刻胶在显影剂中的膨胀同样促使了光刻胶图形的膨胀。
2.4 PDMS芯片的制作
由于PDMS透气性好、透紫外、生物兼容性好、易组装等优点,使其成为微流控芯片的最主要构建材料。本实验即选用PDMS为材料构建芯片。
芯片在注塑成型过程中可能会产生微通道复制不完全和缩痕两种主要缺陷。前者主要是由充模熔体在微通道处出现滞流现象引起的,后者主要是由芯片各部分收缩方向不一致引起的。实验中,将通过适当调整注塑成型工艺参数来消除缩痕,而微通道复制度的改善则将从工艺参数控制、杜邦干膜的质量控制等方面综合入手,最终得到理想的三维通道微流控芯片,三维立体通道PDMS芯片图见图5。
2.5 微液滴制备
实验中通过具有三维通道的微流控芯片来高速制备尺寸可控的均一微液滴。在纵向通道(100μm)注入水,在横向通道(25μm)注入油,使纵向通道的流速大于横向通道的流速,达到水包油的目的;另外在另一横向通道(100μm)注入油,使两通道存在速度差而实现制备油包水包油的混合微液滴。实验中将采用自动注射泵对各相流速进行设置已达到精确控制流速的目的。实验过程中还将进行大量实验以探求通道之间的角度,油和水的注入速度等,以便制备粒径理想、均一化、重现性好的双层载药微液滴并获得制备过程中的最佳工艺参数,实验初步制得的均一微液滴见图6。
3 讨论
流控设备 篇6
当今中国私家车的拥有量剧增,原有的交通指挥系统越来越显得力不从心,其最大弊端在于指挥方式过于死板。在很多情况下,如果路口交通灯的控制时序一成不变,不但不能起到缓解交通压力的作用,反而因双向红绿交通灯持续时间固定造成更严重的拥堵[1]。以生活中常见的十字路口为例,在遇到交通高峰期的时候,某一道路方向通行压力很大,而另一方向线路车流量很小。如果不能够灵活调整两条线路的通行时间,那么就造成繁忙道路一侧拥堵严重,而空闲道路一侧白白浪费通行时间资源。这种情况不但增加了车辆运行的成本,而且也不利于建立节约型、环保型社会。如果能够通过实时监测两个方向的车流量,并以分析结果为依据来控制路口交通灯的亮灭时间,将会给交通指挥带来极大的便利,达到更加有效利用城市交通资源的目的[2]。为了实现这一目标,本文介绍了一种基于车流量监测的智能交通灯的设计思路,希望能够为“智慧交通”的建设贡献一份力量。
1 设计思路
本文所设计的智能交通灯控制系统,是以普通十字路口为例(如图1)。南北方向(a方向)交通灯为LED_a,东西方向(b方向)交通灯为LED_b。在人行道路口处安装行人探测装置[3],用于感知是否有行人试图通过路口。并且在停车等待标线30米处埋设地感线圈,用于检测是否有车辆通过,并统计车流量[4]。
根据设计目标,智能交通灯控制系统分为两种工作状态,即自动工作状态和人工干预状态,其中人工干预状态优先级较高。当需要禁行或者人工控制某个方向的道路交通时,可以通过远程或现场操作的方法来实现控制。如果没有存在人工干预的情况,系统则进入自动工作状态[5]。
控制系统在自动工作状态下又分为五种工作模式:正常模式、优先模式、限流模式、畅行模式、等待模式。所对应的应用场景如下:
1正常模式。如果交通情况较为正常,a、b两个方向车流量相当,并且同时处于繁忙状态或不繁忙状态,此时两组交通灯按照正常预设时序工作。
2优先模式与限流模式。假设当a方向道路交通处于繁忙状态,而b方向道路交通处于不繁忙状态时。a方向交通灯将进入优先模式,通行时间会适当延长用来保证车流较大方向的通行。而b方向则进入限流模式,通行时间会相应缩短。
3畅行模式与等待模式。假设经过长时间统计a方向有车或行人通过,而b方向没有车辆或行人通过。那么LED_a将进入畅行模式,保持绿灯长亮;LED_b将进入等待模式,保持红灯长亮。通过行人探测器和地感线圈,检测两个方向是否有车辆或行人试图通过路口,以此作为工作模式切换的判断条件。采用这种设计的目的在于避免某方向无车、无行人情况所占用的通行时间。
实际中应用中需要根据车流状况在四种工作模式之间自动切换,从而达到灵活分配两个方向通行时间的目的。系统基本控制流程如图2所示。
在以上设计思路的基础上,本文提出了一种基于FPGA平台的控制系统架构[6]。采用ALTERA公司CYCLONE IV系列的FPGA芯片,型号为EP4CE6F17C8。其功耗较低,而且引脚资源非常丰富便于系统今后的功能扩展。控制系统的核心部分包括:分频模块、控制及计时模块、取位模块、译码模块以及数码管显示扫描模块。所需输入信号包括全局时钟clk、系统复位信号RSTn、地感线圈信号car_sig以及行人探测信号warn。各个模块相互关联之后,构成了上述系统的基本运行架构,如图3所示。
分频模块将clk全局时钟频率转化为频率为1Hz的clk_1,供给控制及计时模块,用于信号灯的倒计时以及车流量统计计时;同时为数码管显示扫描模块提供clk_2,以满足数码管动态扫描所需要的时钟频率。
控制及计时模块负责整个系统的核心控制功能。接收到clk_1时钟后,模块根据car_sig和warn的输入信号,控制模块完成对车流计数、工作模式的转换,并输出内部状态机在每个时钟沿下对应的灯色编码。然后计时模块将当前灯色剩余时间提供给取位模块。
取位模块得到计时模块传来的时间数据,进行取位操作,得出十位以及个位的数据传给译码模块。
译码模块得到取位模块时间数据后,进行译码操作后,将译码数据传给数码管扫描显示模块。
数码管扫描显示模块接收到译码数据后,在分频模块供给的clk_2 时钟上升沿的控制下输出译码,逐个显示在八段数码管上。
在此构架基础上编写了相关程序,编译成功后把程序文件进行Model Sim仿真测试。测试结果表明,控制系统能够自动切换工作模式以适应不同的交通状况,倒计时显示以及灯色转换均正常工作,较好地完成了设计目标,如图4。
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流控设备 篇7
微液滴技术是指微尺度通道内, 利用流动剪切力与表面张力之间的相互作用将连续流体分割分离成离散的纳升级及以下体积的液滴, 将液滴视为生化反应的微反应容器[1], 在液滴中完成样品的配制、混合和储存等工作。它是一种微纳技术。Hongbo Zhou设计了一种实验装置, 通过调节微阀的脉动压力和微流道内的流动阻力使得产生的液滴在时间间隔和体积上保证高度统一。
就微流道中的液滴而言, 两种互不相溶的液体, 比如水和油, 分别将它们赋予离散相和连续相的功能, 前者以微小体积单元 (10-15~10-9 L) 的液滴形式分散于后者之中。基于液滴的生化反应, 如微纳颗粒的材料合成过程中, 需要向已有液滴中加入另一种反应组分, 通常以不同液滴之间的融合形式进行, 以便获得良好的混合反应效果。因此, 液滴的可控融合是一项重要的液滴操控技术。目前发展的液滴融合方式分为主动融合和被动融合。本文就被动式融合的流道进行设计, 即在没有施加外力的作用下, 利用微通道独特的几何形状来实现液滴融合, 并提出可能影响融合的原因。
1 液滴被动式融合流道设计及原理
研究发现, 液滴的融合是一系列碰撞、界面消耗、界面融合、渗透或者包封过程。在直通道中, 液滴运动受限于通道壁, 在液滴融合瞬间, 后面的液滴渗透到前一个液滴之中。液滴的被动式融合方法又称为水动力法[2]。
如图1所示, 流道中共包含三相流体, 连续相设定为水, 两个离散相为不溶于水的有机溶液液滴。本文设计的液滴被动式融合的基本思路是:先在芯片中用T型通道生成两种有机溶剂的液滴, 调节两类液滴的生成速率, 使之互相隔离地流入同一个通道中。在长棱形扩张通道中, 由于质量流率不变, 形成流速变慢的梯度区。使得处于上游的液滴2进入这个流速梯度区时受到的黏性阻力增大, 流速变慢。因此下游液滴1能追上上游液滴2, 并在扩张管道中的特定的位置相遇 (同步化) 。在相互靠近到接触时的过程中, 液滴内部中心处的速度最大, 然后液滴之间的分离薄膜逐渐排空, 当液滴之间的距离小于一定值时, 液滴界面变得不稳定并破碎, 液滴进入融合过程, 此时速度最大位置在液滴边缘。最后在收缩通道中, 在管道的挤压诱导和两相溶剂间的拖拽力作用下完成融合过程。这样就完成了两种液滴数量上的1∶1融合。
笔者认为, 这种被动式融合成功与否的关键之处在于液滴的流动条件和通道的几何形状。流动条件指的是两个液滴间的距离、流速和进出口的压力等, 扩张通道长度合理的情况下, 液滴的距离过大, 则存在下游液滴追不上上游液滴的情况。在压力作用下, 两种液滴的密度不同, 产生加速的不同, 也会产生速度差。所以, 在设计流道时应该通过多个工况进行计算, 拟合出流动条件与通道长度的关系, 以保证液滴完全融合。
2 控制方程
在微观尺度下, 忽略流体重力作用, 并且把水和两种不溶于水的有机溶剂三相视作不可压缩的黏性流体。
2.1 不可压缩流体的连续性方程
连续性方程基于质量守恒原理[3]。在式中, ρ是密度, t是时间, 是速度矢量。不可压缩流体的密度为常数, 因此简化后得到该式。
2.2 考虑表面张力的动量方程
式中: 为速度矢量, σ代表面张力系数, p为压强, μ为动力黏度, κ为界面的曲率, δs表示与界面有关的Dirac分布, n軑为界面单位法向矢量。D为应力张量, 满足
液液两相界面的捕捉是通过计算在各网格单元内的两相体积分数αo和αw来实现的, 下角标o和w分别表示水和有机物。αw=1 (αo=0) 表示网格单元全部被水相占据;αw=0 (αo=1) 表示网格单元全部被有机相占据, 两相界面存在于0<αw<1的网格内。在液液两相混合的网格单元中, 式 (1) 、式 (2) 中的密度和黏度皆为混合属性, 通过式 (4) 、式 (5) 计算:
由于水作为连续相, 因此可根据式 (1) 求得水的体积分数[4]
对于微观流体来说, 主要的控制方程除了上述两个外还有基于能量守恒原理的能量守恒方程, 但是一般用于有热流交换的模型中, 这里并不涉及。
3 影响融合因素的讨论
3.1 雷诺数的影响
雷诺数是流体力学中的重要无纲量参数, 反映了惯性力与黏性力的比值, 是用来界定层流与湍流的标尺。
式中, v是主流流体的流速, 即水相流速, d是微细管道的内径。
在宏观尺度下, Re<2 300即为层流状态, 但国内外诸多学者的实验证明, 微观尺度下流体会发生层流到湍流的提前转捩, Re=200~700。在本课题中, 经计算, Re=600, 可认为这是一个湍流模型。湍流的特点就是流动呈无序混乱的不稳定状态, 流速等特性都随机变化, 而且流体分子在流动过程中相互混渗。
两个液滴得以融合, 就是由于下游液滴冲击上游液滴使得流动剪切力大于表面张力而挣脱其束缚并发生相撞、破裂后融合 (表面张力就是液体分子的表面自由能, 这个引力视图将液体的表面积降到最小, 而所有形状中, 球形的表面积最小) 。两液滴融合后的速度会有所下降, 若Re增大, 流体黏性比较小, 惯性力占主导地位, 因此液滴在惯性的作用下依然保持融合前的速度, 这样保证了流体流速的稳定性。而黏性力会帮助减少融合时间。因此, 雷诺数并不是越大融合效果越好, 一定存在黏性力和惯性力相互作用效果平衡的临界值。超越临界值后湍流特性强烈, 下游液滴如果体积和速度过大就有将上游液滴还没有来得及被融合就有被击碎的可能, 即使融合, 那么融合后的形状会变得不规则, 易于发生破裂。
3.2 空间受限效应的影响
液滴的融合需要克服液滴之间流体薄膜的分离作用并使得液滴界面失稳才能实现。针对宏观尺度下的球状液滴研究表明, 液滴的融合过程是从毛细力-黏性力平衡占主导的区域向毛细力-惯性力平衡占主导的区域的转化过程[5]。但是在微流道中, 由于通道壁面的存在, 液滴界面通常不是球形, 这一理论难以定量地应用于受限空间内的液滴融合过程。一方面, 由于液滴之间的流体层需要从有限的空间排出, 液滴的融合变得困难。而另一方面, 受限效应使得液滴与液滴的接触面变得更平更大, 使得融合也有可能变得更为容易。
3.3 主流流体流场的影响
当一个液滴靠近其它液滴时, 它的出现使得流场形成外延流和旋转流, 因此液滴之间常发生碰撞、融合等现象。
当两相液滴流动时, 由于液滴间的流体流动速度比周围流场大, 因此形成指向液滴间的压力梯度, 即下游液滴的驱动力为吸引力。上游液滴底部产生尾流对下游液滴有抽吸作用, 下游液滴也因此前进速度比上游的快, 下游液滴在向前运动的同时与上游液滴接触并开始融合。
3.4 液滴体积的影响
在一个给定的常值初始距离下, 体积大的液滴会在它们之间产生更大的吸引力, 因而缩短了融合时间。但是这个参数的作用因为黏性力的存在而受到限制。液滴体积越大, 液滴受到来自壁面的剪切阻力也越大。而且液滴较小时, 在扩张通道中可能会擦肩而过无法融合, 也无法阻塞收缩流道, 只能依靠两相拖拽力使其融合, 此时对应的雷诺数也比较大。
4 结论
本文针对微流控芯片中导致液滴被动融合的扩张和收缩通道进行了设计, 并给出了微观流体的控制方程。找出4个影响液滴融合的主要因素并进行分析和讨论。认为存在着一个能保持流动呈湍流状态的临界雷诺数, 使流体流速的稳定还能减少融合时间, 但有不会使液滴易于破裂;而空间受限效应一定是影响因素之一, 但是由于缺少实验的验证, 它对融合的作用还尚不明确;当2个液滴接近时, 在它们之间的主流流体形成的流场的动力结构发生改变, 对液滴的融合提供了一定程度的帮助;生成液滴的体积的合理控制也是需要考虑的, 体积越大吸引力越大, 同时也提高了壁面的剪切阻力, 而过小则可能无法有效融合。
对流道进行特殊形状的设计是促使液滴融合方式中最简单的一个, 在这个过程中影响液滴有效融合的因素有很多, 流体的流动条件和通道的几何尺寸都需要控制在合理范围内, 并且还要添加一些后续的检测和分选过程, 挑选出完全融合的液滴来作为下一单元的样品。
摘要：液滴是近年来在微流控芯片上发展起来的一种全新的操纵微小体积液体的技术。液滴的融合方式分为主动式和被动式两种, 主动式融合主要是通过在局部施加电场进行的电融合, 而被动式融合则是通过对流道的形状局部修改, 利用两个液滴的速度差和由于挤压形变后产生的应力促使液滴完全融合。文中设计了一种用于融合液滴的扩张通道, 给出流体控制方程, 从雷诺数、空间受限效应、主流流体的流场变化和液滴体积4个方面探讨对液滴有效融合的影响。
关键词：微流控芯片,液滴融合,被动式
参考文献
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