基于IP交換技術(shù)的以太網(wǎng)交換機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李慶

摘要文章分析了基于三層的交換技術(shù)，給出了一種三層以太網(wǎng)交換機(jī)的硬件設(shè)計(jì)方案和基于分層的交換網(wǎng)絡(luò)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，對(duì)交換機(jī)的主要性能進(jìn)行了測(cè)試并對(duì)測(cè)試結(jié)果作了分析。

關(guān)鍵詞IP交換技術(shù)三層以太網(wǎng)交換機(jī)吞吐量時(shí)延丟包率

1引言

局域網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)是：由千兆速度為骨干、百兆速度為接入的主流結(jié)構(gòu)逐漸過(guò)渡到萬(wàn)兆速度為骨干、千兆速度為接入的結(jié)構(gòu)。交換式以太網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，極大提高了局域網(wǎng)的性能。局域網(wǎng)中加入交換技術(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更松散，也使得以太網(wǎng)交換技術(shù)逐步走向智能化，以太網(wǎng)交換機(jī)等設(shè)備必須適應(yīng)用戶的高速化和智能化的需求。交換的智能化包括QoS、單一IP地址管理、遠(yuǎn)程控制等功能，同時(shí)還包括流量訪問(wèn)控制、速度限制、遠(yuǎn)程管理等智能管理功能。

另外，隨著路由功能融入到以太網(wǎng)交換機(jī)中，新的以太網(wǎng)交換技術(shù)可以應(yīng)用到匯聚層和骨干層，目前在交換機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)路由器中所有的網(wǎng)絡(luò)接口。以太網(wǎng)的發(fā)展也正逐步從企業(yè)級(jí)過(guò)渡到電信市場(chǎng)級(jí)別，因此業(yè)界也提出了“電信級(jí)以太網(wǎng)”的概念，并形成了成熟的解決方案。

2三層交換原理

三層交換是相對(duì)于二層交換而提出的，它在OSI七層參考模型的第三層實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。三層交換技術(shù)將二層交換機(jī)和三層路由器兩者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合成為一個(gè)有機(jī)的整體，是一種利用三層協(xié)議中的信息來(lái)加強(qiáng)二層交換功能的機(jī)制，是新一代局域網(wǎng)交換和路由技術(shù)，也稱為IP交換技術(shù)。這種跨層集成的方式既保留了二層交換機(jī)的許多功能和特性，又引進(jìn)三層以上的路由、策略管理和流控等多種功能。

三層交換機(jī)采用“一次路由，多次交換”的處理方式，達(dá)到有效控制廣播信息的目的。由于只在路由過(guò)程中才進(jìn)行三層處理，絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)都通過(guò)二層交換，因此三層交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)速度接近二層交換機(jī)的速度，提高了網(wǎng)絡(luò)整體性能，它也成為當(dāng)前核心高性能交換機(jī)的主流。

3三層以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)計(jì)方案

3.1硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

目前三層以太網(wǎng)交換機(jī)硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方案大部分采用：微處理器+專用交換芯片+物理層接口芯片+交換矩陣(可選)，本文采用MPC8245高性能CPU+98EX108交換芯片構(gòu)建48FE+4GbE的解決方案。硬件系統(tǒng)邏輯組成如圖1所示。

交換機(jī)按功能劃分為六部分：時(shí)鐘模塊、CPU控制模塊、交換處理模塊、PHY模塊、接口模塊和電源模塊。

(1)CPU控制模塊

CPU控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的管理核心，主要完成系統(tǒng)的配置管理、系統(tǒng)信息存儲(chǔ)、狀態(tài)信息查詢、特殊報(bào)文和路由信息的處理等。

CPU控制模塊由處理器、BootROM、程序儲(chǔ)存器(FLASH)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)、SDRAM、邏輯控制電路、控制串

口和調(diào)試網(wǎng)口等組成，其各部分配置為：512K×8bit BootROM、4M×16bit FLASH、16M×64bitSDRAM。

處理器采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MPC8245高性能32位嵌入式處理器，其主要特點(diǎn)包括：采用了MPC603e內(nèi)核架構(gòu)，最高主頻達(dá)到400MHz；由一個(gè)32位超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)PowerPC處理器內(nèi)核與一個(gè)外設(shè)邏輯塊構(gòu)成，在外設(shè)邏輯塊中集成了一個(gè)PCI橋、DUART、內(nèi)存控制器、DMA控制器、EPIC中斷控制器、一個(gè)消息單元和一個(gè)I²C控制器；內(nèi)含一外設(shè)邏輯總線，用于連接處理器內(nèi)核和外設(shè)邏輯塊；處理器內(nèi)核可以在不同的頻率下工作，64位數(shù)據(jù)總線和32位地址總線。

(2)交換處理模塊

交換處理模塊是交換機(jī)的交換路由處理核心，系統(tǒng)工作時(shí)，數(shù)據(jù)包由業(yè)務(wù)口接收，然后送至交換芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)包二層交換和三層路由。針對(duì)報(bào)文類型，經(jīng)過(guò)不同的處理過(guò)程后，再進(jìn)行MAC地址的重新封裝，然后發(fā)送到相應(yīng)的目的業(yè)務(wù)口。

交換處理模塊采用Marvell公司的98EX108，通過(guò)RGMII和SSMII接口分別下掛千兆和百兆PHY芯片，可提供48FE+4GE端口，和CPU之間通過(guò)PCI總線進(jìn)行通信。

98EX108為Marvell公司的多層以太網(wǎng)交換芯片，其主要特點(diǎn)包括：提供48個(gè)10／100Mbps和4個(gè)10／100／1000Mbps的以太網(wǎng)口支持；提供RGMII和SSMII接口，即可通過(guò)RGMI接口下掛千兆PHY芯片，通過(guò)SSMII接口接百兆PHY芯片；二層特性有：二層線速轉(zhuǎn)發(fā)、16K MAC地址、4KVLAN、8個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列；三層特性有：線速IPV4／IPV6轉(zhuǎn)發(fā)、8K主機(jī)路由、16K網(wǎng)絡(luò)路由、4K路由接口、1K三層多播；支持802.1s、1D、1Q、1W、1x，DOUBLETAGING VLAN；支持端口聚合(基于L2或L3，31個(gè)TRUNK組、每組最多8個(gè)端口)32b／66M PCIv2.2接口；1044PIN BGA封裝。

(3)PHY模塊

PHY模塊采用MarvellL公司的1片88E1145千兆芯片和6片88E3083百兆芯片。PHY芯片主要用于數(shù)據(jù)的編碼轉(zhuǎn)換、傳輸控制和端口狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。

88E1145支持4個(gè)10／100／1000M Base-T／Base-X以太網(wǎng)接口；和MAC之間的接口支持GMII、TBI、RGMII、RTBI、SGMII；可編程LED模式和LED測(cè)試；支持CRC校驗(yàn)、包計(jì)數(shù)器和發(fā)生器。

88E3083支持8個(gè)10／100M Base-T以太網(wǎng)接口；和MAC之間的接口支持RMII、SMII、SSSMII；低功耗和電源管理模式。

(4)時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘模塊提供單板所需的各種時(shí)鐘信號(hào)。

(5)電源模塊

電源模塊提供單板所需各種電源，單板所需的3.3V、2.5V、2.1V、1.65V、1.5V、1V電源均由MAX1954轉(zhuǎn)換而來(lái)：首先用LD1117將12V轉(zhuǎn)為5V輸出分別供給MAX1954，再用MAX1954分出需要的電壓。

3.2軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

交換機(jī)嵌入式操作系統(tǒng)采用VxWorks5.5，軟件平臺(tái)采用模塊化分層設(shè)計(jì)方法，劃分為三層：

(1)支撐平面層

支撐平面層負(fù)責(zé)硬件管理，給業(yè)務(wù)平面層提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口，主要由板級(jí)支持包(BSP)和交換芯片支持包(SSP)組成。

BSP：控制CPU的底層支持軟件，其功能主要包括：?jiǎn)伟逵布跏蓟?，為整個(gè)軟件系統(tǒng)提供底層的硬件支持；為操作系統(tǒng)提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和系統(tǒng)中斷服務(wù)程序；訂制操作系統(tǒng)的功能，為軟件系統(tǒng)提供一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)的運(yùn)行環(huán)境；初始化操作系統(tǒng)，為操作系統(tǒng)正常運(yùn)行作好準(zhǔn)備。

SSP：交換芯片的硬件支持軟件，其功能主要包括：交換芯片資源映射表管理；交換芯片驅(qū)動(dòng)；報(bào)文接收處理。

(2)業(yè)務(wù)平面層

業(yè)務(wù)平面層是系統(tǒng)的核心處理層，主要由二層協(xié)議、三層協(xié)議和應(yīng)用協(xié)議等功能組成。

二層協(xié)議功能：主要包括生成樹協(xié)議(STP／RSTP／

MSTP)、虛擬局域網(wǎng)(VLAN)、二層組播協(xié)議、鏈路匯聚和IGMP Snooping等協(xié)議功能模塊。

三層協(xié)議功能：主要包括TCP／IP協(xié)議棧、VLAN接口、SuperVLAN接口、單播路由協(xié)議(RIP、OSPF)和組播路由協(xié)議(IGMP、PIM-DM／SM)等協(xié)議功能模塊。

應(yīng)用協(xié)議功能：主要包括DHCP Relay／Server、802.1x、QoS／ACL、SNTP等協(xié)議功能模塊。

(3)管理平面層

管理平面層主要負(fù)責(zé)提供外部管理設(shè)備的協(xié)議功能支持，包括命令行(CLI)、Web服務(wù)管理、SNMP網(wǎng)管協(xié)議支持等。

不難看出，軟件平臺(tái)在產(chǎn)品開發(fā)上具有移植性強(qiáng)的特性，要應(yīng)用于一個(gè)產(chǎn)品只要按照標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)相應(yīng)的BSP和SSP即可，而管理平面層和業(yè)務(wù)平面層的功能模塊不需要修改就可以做無(wú)縫隙結(jié)合，縮減了產(chǎn)品的開發(fā)周期。

4交換機(jī)的測(cè)試及結(jié)果

根據(jù)有關(guān)以太網(wǎng)交換機(jī)技術(shù)規(guī)范和測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)要求，采用思博倫公司的專業(yè)測(cè)試儀器SmartBit600B對(duì)交換機(jī)的物理特性、功能測(cè)試、性能測(cè)試、協(xié)議測(cè)試和常規(guī)測(cè)試等四大項(xiàng)進(jìn)行測(cè)試。主要性能測(cè)試結(jié)果如下：

4.1吞吐量

吞吐量是交換機(jī)在不丟失任何一幀的情況下的最大轉(zhuǎn)發(fā)速率，是反映交換機(jī)性能的最重要指標(biāo)之一。由于交換機(jī)在不同的工作模式下，其吞吐量也會(huì)不同，因此要分別針對(duì)交換機(jī)不同速率、不同轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行測(cè)試。該交換機(jī)的吞吐量測(cè)試結(jié)果如表1：

4.2時(shí)延

典型的以太網(wǎng)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)類型有存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)和直通轉(zhuǎn)發(fā)兩種。本交換機(jī)為存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)類型，其時(shí)延定義為：交換機(jī)收到最后一比特到交換機(jī)發(fā)出第一比特的時(shí)間間隔。時(shí)延是衡量交換機(jī)性能的又一最重要指標(biāo)，國(guó)標(biāo)建議64Byte長(zhǎng)的數(shù)據(jù)幀時(shí)延不超過(guò)100μs。該交換機(jī)的時(shí)延測(cè)試結(jié)果如表2。

4.3丟包率

丟包率是指交換機(jī)因資源不足而引起的包丟失率，國(guó)標(biāo)建議交換機(jī)的丟包率≤0.01％。該交換機(jī)的丟包率測(cè)試結(jié)果如表3：

4.4常規(guī)測(cè)試

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求和有關(guān)國(guó)標(biāo)技術(shù)與測(cè)試要求對(duì)交換機(jī)進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試。

低溫－40℃儲(chǔ)存24小時(shí)后，直接上電連續(xù)工作測(cè)試2小時(shí)，測(cè)試主要性能指標(biāo)均符合要求且與常溫測(cè)試結(jié)果吻合。

高溫+65℃儲(chǔ)存48小時(shí)然后降到+60℃，上電2小時(shí)后連續(xù)工作測(cè)試2小時(shí)，測(cè)試主要性能指標(biāo)均符合要求且與常溫測(cè)試結(jié)果吻合。

另外，還對(duì)交換機(jī)進(jìn)行了沖擊、震動(dòng)、濕熱、鹽霧等特殊嚴(yán)酷環(huán)境測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.5測(cè)試小結(jié)

測(cè)試表明，該交換機(jī)不僅可以在任意模式、任何負(fù)載狀態(tài)下，而且可以在所有端口上完全實(shí)現(xiàn)二層、三層線速轉(zhuǎn)發(fā)，時(shí)延指標(biāo)與思科3550等多款同類型商用三層交換機(jī)100μs水平相比明顯領(lǐng)先，能夠?qū)崿F(xiàn)－40℃～+60℃的嚴(yán)酷環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間不間斷工作，滿足工業(yè)應(yīng)用等特殊應(yīng)用場(chǎng)合的需要。

5結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)企業(yè)數(shù)據(jù)通信和綜合通信業(yè)務(wù)的需求以及IP交換設(shè)備發(fā)展情況，通過(guò)對(duì)以太網(wǎng)路由交換機(jī)體系的研究，采用模塊化、分層的體系架構(gòu)設(shè)計(jì)了一種三層以太網(wǎng)交換機(jī)。測(cè)試表明：交換機(jī)能完全實(shí)現(xiàn)二層、三層線速轉(zhuǎn)發(fā)，吞吐量、時(shí)延和丟包率性能均達(dá)到設(shè)計(jì)目的。