摘要：本文通過對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究分析,提出了一種基于IP交換的通信交換平臺(tái),并介紹了該平臺(tái)的構(gòu)建結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)。
　　關(guān)鍵詞：IP交換;通信網(wǎng)絡(luò);交換平臺(tái)
　　
　　1前言
　　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,使得IP技術(shù)的主導(dǎo)地位日益明晰,未來網(wǎng)絡(luò)的主體架構(gòu)必定是IP,也就是說IP將是無所不在的。本文通過對(duì)IP交換技術(shù)的研究,提出了一種基于IP格式的寬帶綜合業(yè)務(wù)傳輸網(wǎng)絡(luò),以滿足日益增長的對(duì)綜合通信業(yè)務(wù)的需求。基于IP的寬帶綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)以IP為技術(shù)基礎(chǔ),以IP交換為依托,帶寬寬,信號(hào)傳輸速率高達(dá)1Gb/s,信號(hào)傳輸時(shí)延小。IP格式的數(shù)據(jù)包對(duì)時(shí)鐘變化范圍的要求比TDM數(shù)據(jù)包低,失幀的幾率小。網(wǎng)元單端口吞吐量高達(dá)1Gb,可以流暢的承載各種語音、數(shù)據(jù)和視頻等綜合寬帶業(yè)務(wù)。
　　
　　2IP交換技術(shù)
　　交換是按照通信兩端傳輸信息的要求,用人工或設(shè)備自動(dòng)完成的方法,動(dòng)態(tài)地把要傳輸?shù)男畔⑺偷椒�合要求的相�?yīng)路由上的技術(shù)的統(tǒng)稱。交換的方式經(jīng)歷了電路交換、數(shù)據(jù)交換和IP交換三個(gè)主要階段,其間實(shí)現(xiàn)了從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào),從窄帶到寬帶的跨越[1]。
　　從傳統(tǒng)意義上講,真正的交換是在第二層(數(shù)據(jù)鏈路層)實(shí)現(xiàn)的,俗稱第二層交換。由于第二層交換技術(shù)不處理網(wǎng)絡(luò)層的IP地址,不處理高層協(xié)議的端口地址,它只需要數(shù)據(jù)包的物理地址即MAC地址。可以說,直接面向用戶的第二層交換已得到了令人滿意的答案。IP交換也稱為第三層交換,顧名思義,就是在OSI的第三層(網(wǎng)絡(luò)層)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。用一個(gè)公式來表示為:第三層交換=第二層交換+第三層轉(zhuǎn)發(fā)IP交換技術(shù)可以操作在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的第三層,作為一種路由設(shè)備并起到路由作用。IP交換分為純硬件和純軟件兩種方式。純硬件的IP交換相對(duì)來說技術(shù)復(fù)雜、成本高,但是速度快、性能好、帶負(fù)載能力強(qiáng)。其原理是采用ASIC(專業(yè)集成電路)芯片,用硬件的方式進(jìn)行路由表的查找和刷新。純軟件的IP交換技術(shù)較簡單,但速度較慢,不適合作為主干。其原理是采用CPU用軟件的方式查找路由表[2]。基于上述兩種IP交換的實(shí)現(xiàn)方式各有不足,我們提出了基于ASIC硬件芯片與CPU控制交換軟件相結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)第三層表格進(jìn)行查找和刷新。具體表現(xiàn)為:當(dāng)IP數(shù)據(jù)包由端口接收進(jìn)來以后,ASIC交換器芯片首先在第二層表格中查找相應(yīng)的目的MAC地址,如果查到就進(jìn)行第二層轉(zhuǎn)發(fā),否則將IP數(shù)據(jù)包發(fā)送至第三層引擎。在第三層引擎中,CPU運(yùn)行軟件查找相應(yīng)的第三層表格信息,與IP數(shù)據(jù)包的目的IP地址比較,然后發(fā)送ARP(地址解析協(xié)議)到目的主機(jī),得到該目的主機(jī)的MAC地址,接著將MAC地址發(fā)送到第二層引擎,由第二層引擎轉(zhuǎn)發(fā)該IP數(shù)據(jù)包。
　　
　　3IP交換平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)
　　交換平臺(tái)為用戶提供交換功能。可以將多個(gè)端口的數(shù)據(jù)連接到一起,完成多端口轉(zhuǎn)發(fā)過來的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包格式轉(zhuǎn)換與轉(zhuǎn)發(fā)。也可同時(shí)提供網(wǎng)絡(luò)層接入,向網(wǎng)絡(luò)提供高帶寬的網(wǎng)絡(luò)接口。IP交換平臺(tái)功能框圖如圖1所示。
　　
　　圖1IP交換平臺(tái)功能框圖
　　硬件設(shè)計(jì)包含控制模塊、交換模塊和接口模塊設(shè)計(jì)3個(gè)部分。
　　1) 控制模塊:主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化、配置、管理以及運(yùn)行上層協(xié)議等。采用PowerPC系列通信處理器(CPU)為控制核心,輔以外圍器件,構(gòu)成PowerPC最小系統(tǒng),并經(jīng)PCI橋通過PCI(外部器件互連)總線實(shí)現(xiàn)對(duì)交換模塊進(jìn)行訪問和控制。控制模塊框圖如圖2所示。
　　
　　圖2控制模塊框圖
　　IP交換平臺(tái)要使用通信處理器來運(yùn)行路由協(xié)議,通信處理器選用MPC866,它是一款性能穩(wěn)定的CPU。其核心頻率達(dá)到133MHz,與133MHz的PCI總線相匹配。
　　這樣控制模塊中的CPU將只完成控制面的路由功能,而不參與數(shù)據(jù)面的轉(zhuǎn)發(fā),使得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)了線速(Wire-Speed)。
　　2)交換模塊:主要負(fù)責(zé)第二層交換、第三層交換和其他一些功能。使用第三層ASIC芯片為交換器,負(fù)責(zé)IP數(shù)據(jù)包的交換,實(shí)現(xiàn)IP交換的功能。交換器選用Broadcom的BCM56224,它集成了24個(gè)1GbE,4個(gè)1/2.5Gb復(fù)用接口,最大吞吐量高達(dá)34Gb。同時(shí)支持IPv4和IPv6協(xié)議;支持硬件處理的第二層交換,第三層路由及數(shù)據(jù)包的分類和過濾功能,內(nèi)部集成數(shù)據(jù)包緩沖內(nèi)存。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通常使用CPU通過PCI總線對(duì)交換器進(jìn)行初始化、配置管理和實(shí)現(xiàn)第三層交換功能。每個(gè)交換器的4個(gè)復(fù)用接口可以與相鄰的交換器組成網(wǎng)狀拓?fù)?滿足了組網(wǎng)需要。
　　3)接口模塊:分為PCI接口、SERDES(串行-解串行)接口和SG-MII(千兆介質(zhì)無關(guān))接口。
　　(1)PCI接口為控制模塊與交換模塊的信號(hào)交互通道,如圖2所示,主要器件為一片PCI橋芯片;(2)SERDES接口為1GbE的光接口,可以直接與光模塊SFP連接;(3)SGMII接口為1GbE的電接口,經(jīng)PHY(物理層)芯片連接到銅線。
　　
　　4IP交換平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)
　　IP交換平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)包含交換模塊的硬件初始化和軟件啟動(dòng)過程。交換平臺(tái)采用VxWorks操作系統(tǒng)。在PowerPC最小系統(tǒng)完成啟動(dòng)后,需要通過PCI總線對(duì)交換模塊的交換部分進(jìn)行初始化,主要步驟如下:
　　•對(duì)交換器和CPU的頭模式進(jìn)行設(shè)置;
　　•根據(jù)硬件連接選擇PCI設(shè)備的設(shè)備號(hào),配置交換器的PCI基地址和窗口大小;
　　•通過PCI總線使用交換器的CPU管理接口確定交換器的型號(hào),然后根據(jù)不同的芯片類型進(jìn)行初始化和DMA通道的配置;
　　•掛接交換器的驅(qū)動(dòng)程序和各種API,完成交換器的初始化。
　　最后兩步需要Broadcom的軟件開發(fā)包支持,直接從程序中調(diào)用初始化程序,保證完成初始化和加載驅(qū)動(dòng)。
　　對(duì)于PCI驅(qū)動(dòng)部分,我們直接調(diào)用VxWorks系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)PCI驅(qū)動(dòng)程序。對(duì)于交換器的PCI掛接過程,主要步驟如下:
　　•在bootROM中用sysHwInit()調(diào)用sysP-ciAutoConfig(),對(duì)PCI_SYSTEM結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)例化;
　　•在sysHwInit()中,使用pciConfigOutLong()對(duì)交換器的基地址和窗口大小進(jìn)行配置,然后使用pciConfigOutBite()掛接交換器的中斷到CPU的外部中斷向量表;
　　•到此,PCI配置完成。通過交換器的S_Channel可以配置交換器中的各個(gè)寄存器和表項(xiàng)。S_Channel的信息傳輸有特殊的格式和規(guī)范,一般通過Broadcom提供的軟件開發(fā)包(SDK)中自帶的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)來配置。交換器初始化結(jié)束后,進(jìn)入正常的工作模式。依據(jù)IP交換的原理設(shè)計(jì)的交換軟件流程圖如圖3所示。
　　
　　
　　圖3交換軟件流程圖
　　
　　5結(jié)語
　　綜上所述，該平臺(tái)把IP硬交換與軟交換,第二層交換和第三層轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)勢結(jié)合為一個(gè)有機(jī)的整體來完成IP交換,并提出了該平臺(tái)的具體實(shí)施內(nèi)容。IP交換技術(shù)具有以當(dāng)前系統(tǒng)1/10的代價(jià)獲得傳輸性能于過去10倍的能力,隨著IP交換技術(shù)在未來通信系統(tǒng)中的應(yīng)用,必將使網(wǎng)絡(luò)的整體性能得到大幅度的提升。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　[1]謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].北京:電子工業(yè)出版社.2003
　　[2]溫鈺,等.三層交換技術(shù)的原理及應(yīng)用[J].網(wǎng)絡(luò)安全,2007(7):43～46