基于IP交换通信平台的研究与实现

　　摘要：本文通过对通信网络系统的研究分析,提出了一种基于IP交换的通信交换平台,并介绍了该平台的构建结构与实现。
　　关键词：IP交换;通信网络;交换平台
　　
　　1前言
　　随着网络技术的飞速发展,使得IP技术的主导地位日益明晰,未来网络的主体架构必定是IP,也就是说IP将是无所不在的。本文通过对IP交换技术的研究,提出了一种基于IP格式的宽带综合业务传输网络,以满足日益增长的对综合通信业务的需求。基于IP的宽带综合业务网络以IP为技术基础,以IP交换为依托,带宽宽,信号传输速率高达1Gb/s,信号传输时延小。IP格式的数据包对时钟变化范围的要求比TDM数据包低,失帧的几率小。网元单端口吞吐量高达1Gb,可以流畅的承载各种语音、数据和视频等综合宽带业务。
　　
　　2IP交换技术
　　交换是按照通信两端传输信息的要求,用人工或设备自动完成的方法,动态地把要传输的信息送到符合要求的相应路由上的技术的统称。交换的方式经历了电路交换、数据交换和IP交换三个主要阶段,其间实现了从模拟信号到数字信号,从窄带到宽带的跨越[1]。
　　从传统意义上讲,真正的交换是在第二层(数据链路层)实现的,俗称第二层交换。由于第二层交换技术不处理网络层的IP地址,不处理高层协议的端口地址,它只需要数据包的物理地址即MAC地址。可以说,直接面向用户的第二层交换已得到了令人满意的答案。IP交换也称为第三层交换,顾名思义,就是在OSI的第三层(网络层)实现数据的交换。用一个公式来表示为:第三层交换=第二层交换+第三层转发IP交换技术可以操作在网络协议的第三层,作为一种路由设备并起到路由作用。IP交换分为纯硬件和纯软件两种方式。纯硬件的IP交换相对来说技术复杂、成本高,但是速度快、性能好、带负载能力强。其原理是采用ASIC(专业集成电路)芯片,用硬件的方式进行路由表的查找和刷新。纯软件的IP交换技术较简单,但速度较慢,不适合作为主干。其原理是采用CPU用软件的方式查找路由表[2]。基于上述两种IP交换的实现方式各有不足,我们提出了基于ASIC硬件芯片与CPU控制交换软件相结合的方式,实现对第三层表格进行查找和刷新。具体表现为:当IP数据包由端口接收进来以后,ASIC交换器芯片首先在第二层表格中查找相应的目的MAC地址,如果查到就进行第二层转发,否则将IP数据包发送至第三层引擎。在第三层引擎中,CPU运行软件查找相应的第三层表格信息,与IP数据包的目的IP地址比较,然后发送ARP(地址解析协议)到目的主机,得到该目的主机的MAC地址,接着将MAC地址发送到第二层引擎,由第二层引擎转发该IP数据包。
　　
　　3IP交换平台硬件设计
　　交换平台为用户提供交换功能。可以将多个端口的数据连接到一起,完成多端口转发过来的网络层数据包格式转换与转发。也可同时提供网络层接入,向网络提供高带宽的网络接口。IP交换平台功能框图如图1所示。
　　
　　图1IP交换平台功能框图
　　硬件设计包含控制模块、交换模块和接口模块设计3个部分。
　　1) 控制模块:主要负责系统的初始化、配置、管理以及运行上层协议等。采用PowerPC系列通信处理器(CPU)为控制核心,辅以外围器件,构成PowerPC最小系统,并经PCI桥通过PCI(外部器件互连)总线实现对交换模块进行访问和控制。控制模块框图如图2所示。
　　
　　图2控制模块框图
　　IP交换平台要使用通信处理器来运行路由协议,通信处理器选用MPC866,它是一款性能稳定的CPU。其核心频率达到133MHz,与133MHz的PCI总线相匹配。
　　这样控制模块中的CPU将只完成控制面的路由功能,而不参与数据面的转发,使得数据转发实现了线速(Wire-Speed)。
　　2)交换模块:主要负责第二层交换、第三层交换和其他一些功能。使用第三层ASIC芯片为交换器,负责IP数据包的交换,实现IP交换的功能。交换器选用Broadcom的BCM56224,它集成了24个1GbE,4个1/2.5Gb复用接口,最大吞吐量高达34Gb。同时支持IPv4和IPv6协议;支持硬件处理的第二层交换,第三层路由及数据包的分类和过滤功能,内部集成数据包缓冲内存。系统设计中通常使用CPU通过PCI总线对交换器进行初始化、配置管理和实现第三层交换功能。每个交换器的4个复用接口可以与相邻的交换器组成网状拓扑,满足了组网需要。
　　3)接口模块:分为PCI接口、SERDES(串行-解串行)接口和SG-MII(千兆介质无关)接口。
　　(1)PCI接口为控制模块与交换模块的信号交互通道,如图2所示,主要器件为一片PCI桥芯片;(2)SERDES接口为1GbE的光接口,可以直接与光模块SFP连接;(3)SGMII接口为1GbE的电接口,经PHY(物理层)芯片连接到铜线。
　　
　　4IP交换平台软件结构
　　IP交换平台的软件设计包含交换模块的硬件初始化和软件启动过程。交换平台采用VxWorks操作系统。在PowerPC最小系统完成启动后,需要通过PCI总线对交换模块的交换部分进行初始化,主要步骤如下:
　　•对交换器和CPU的头模式进行设置;
　　•根据硬件连接选择PCI设备的设备号,配置交换器的PCI基地址和窗口大小;
　　•通过PCI总线使用交换器的CPU管理接口确定交换器的型号,然后根据不同的芯片类型进行初始化和DMA通道的配置;
　　•挂接交换器的驱动程序和各种API,完成交换器的初始化。
　　最后两步需要Broadcom的软件开发包支持,直接从程序中调用初始化程序,保证完成初始化和加载驱动。
　　对于PCI驱动部分,我们直接调用VxWorks系统中的标准PCI驱动程序。对于交换器的PCI挂接过程,主要步骤如下:
　　•在bootROM中用sysHwInit()调用sysP-ciAutoConfig(),对PCI_SYSTEM结构进行实例化;
　　•在sysHwInit()中,使用pciConfigOutLong()对交换器的基地址和窗口大小进行配置,然后使用pciConfigOutBite()挂接交换器的中断到CPU的外部中断向量表;
　　•到此,PCI配置完成。通过交换器的S_Channel可以配置交换器中的各个寄存器和表项。S_Channel的信息传输有特殊的格式和规范,一般通过Broadcom提供的软件开发包(SDK)中自带的标准函数来配置。交换器初始化结束后,进入正常的工作模式。依据IP交换的原理设计的交换软件流程图如图3所示。
　　
　　
　　图3交换软件流程图
　　
　　5结语
　　综上所述，该平台把IP硬交换与软交换,第二层交换和第三层转发的优势结合为一个有机的整体来完成IP交换,并提出了该平台的具体实施内容。IP交换技术具有以当前系统1/10的代价获得传输性能于过去10倍的能力,随着IP交换技术在未来通信系统中的应用,必将使网络的整体性能得到大幅度的提升。
　　
　　参考文献
　　[1]谢希仁.计算机网络[M].北京:电子工业出版社.2003
　　[2]温钰,等.三层交换技术的原理及应用[J].网络安全,2007(7):43～46