摘要：本文通過對通信網絡系統的研究分析,提出了一種基于IP交換的通信交換平臺,并介紹了該平臺的構建結構與實現。
　　關鍵詞：IP交換;通信網絡;交換平臺
　　
　　1前言
　　隨著網絡技術的飛速發展,使得IP技術的主導地位日益明晰,未來網絡的主體架構必定是IP,也就是說IP將是無所不在的。本文通過對IP交換技術的研究,提出了一種基于IP格式的寬帶綜合業務傳輸網絡,以滿足日益增長的對綜合通信業務的需求。基于IP的寬帶綜合業務網絡以IP為技術基礎,以IP交換為依托,帶寬寬,信號傳輸速率高達1Gb/s,信號傳輸時延小。IP格式的數據包對時鐘變化范圍的要求比TDM數據包低,失幀的幾率小。網元單端口吞吐量高達1Gb,可以流暢的承載各種語音、數據和視頻等綜合寬帶業務。
　　
　　2IP交換技術
　　交換是按照通信兩端傳輸信息的要求,用人工或設備自動完成的方法,動態地把要傳輸的信息送到符合要求的相應路由上的技術的統稱。交換的方式經歷了電路交換、數據交換和IP交換三個主要階段,其間實現了從模擬信號到數字信號,從窄帶到寬帶的跨越[1]。
　　從傳統意義上講,真正的交換是在第二層(數據鏈路層)實現的,俗稱第二層交換。由于第二層交換技術不處理網絡層的IP地址,不處理高層協議的端口地址,它只需要數據包的物理地址即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(網絡層)實現數據的交換。用一個公式來表示為:第三層交換=第二層交換+第三層轉發IP交換技術可以操作在網絡協議的第三層,作為一種路由設備并起到路由作用。IP交換分為純硬件和純軟件兩種方式。純硬件的IP交換相對來說技術復雜、成本高,但是速度快、性能好、帶負載能力強。其原理是采用ASIC(專業集成電路)芯片,用硬件的方式進行路由表的查找和刷新。純軟件的IP交換技術較簡單,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交換的實現方式各有不足,我們提出了基于ASIC硬件芯片與CPU控制交換軟件相結合的方式,實現對第三層表格進行查找和刷新。具體表現為:當IP數據包由端口接收進來以后,ASIC交換器芯片首先在第二層表格中查找相應的目的MAC地址,如果查到就進行第二層轉發,否則將IP數據包發送至第三層引擎。在第三層引擎中,CPU運行軟件查找相應的第三層表格信息,與IP數據包的目的IP地址比較,然后發送ARP(地址解析協議)到目的主機,得到該目的主機的MAC地址,接著將MAC地址發送到第二層引擎,由第二層引擎轉發該IP數據包。
　　
　　3IP交換平臺硬件設計
　　交換平臺為用戶提供交換功能。可以將多個端口的數據連接到一起,完成多端口轉發過來的網絡層數據包格式轉換與轉發。也可同時提供網絡層接入,向網絡提供高帶寬的網絡接口。IP交換平臺功能框圖如圖1所示。
　　
　　圖1IP交換平臺功能框圖
　　硬件設計包含控制模塊、交換模塊和接口模塊設計3個部分。
　　1) 控制模塊:主要負責系統的初始化、配置、管理以及運行上層協議等。采用PowerPC系列通信處理器(CPU)為控制核心,輔以外圍器件,構成PowerPC最小系統,并經PCI橋通過PCI(外部器件互連)總線實現對交換模塊進行訪問和控制。控制模塊框圖如圖2所示。
　　
　　圖2控制模塊框圖
　　IP交換平臺要使用通信處理器來運行路由協議,通信處理器選用MPC866,它是一款性能穩定的CPU。其核心頻率達到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,而不參與數據面的轉發,使得數據轉發實現了線速(Wire-Speed)。
　　2)交換模塊:主要負責第二層交換、第三層交換和其他一些功能。使用第三層ASIC芯片為交換器,負責IP數據包的交換,實現IP交換的功能。交換器選用Broadcom的BCM56224,它集成了24個1GbE,4個1/2.5Gb復用接口,最大吞吐量高達34Gb。同時支持IPv4和IPv6協議;支持硬件處理的第二層交換,第三層路由及數據包的分類和過濾功能,內部集成數據包緩沖內存。系統設計中通常使用CPU通過PCI總線對交換器進行初始化、配置管理和實現第三層交換功能。每個交換器的4個復用接口可以與相鄰的交換器組成網狀拓撲,滿足了組網需要。
　　3)接口模塊:分為PCI接口、SERDES(串行-解串行)接口和SG-MII(千兆介質無關)接口。
　　(1)PCI接口為控制模塊與交換模塊的信號交互通道,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PHY(物理層)芯片連接到銅線。
　　
　　4IP交換平臺軟件結構
　　IP交換平臺的軟件設計包含交換模塊的硬件初始化和軟件啟動過程。交換平臺采用VxWorks操作系統。在PowerPC最小系統完成啟動后,需要通過PCI總線對交換模塊的交換部分進行初始化,主要步驟如下:
　　•對交換器和CPU的頭模式進行設置;
　　•根據硬件連接選擇PCI設備的設備號,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,然后根據不同的芯片類型進行初始化和DMA通道的配置;
　　•掛接交換器的驅動程序和各種API,完成交換器的初始化。
　　最后兩步需要Broadcom的軟件開發包支持,直接從程序中調用初始化程序,保證完成初始化和加載驅動。
　　對于PCI驅動部分,我們直接調用VxWorks系統中的標準PCI驅動程序。對于交換器的PCI掛接過程,主要步驟如下:
　　•在bootROM中用sysHwInit()調用sysP-ciAutoConfig(),對PCI_SYSTEM結構進行實例化;
　　•在sysHwInit()中,使用pciConfigOutLong()對交換器的基地址和窗口大小進行配置,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寄存器和表項。S_Channel的信息傳輸有特殊的格式和規范,一般通過Broadcom提供的軟件開發包(SDK)中自帶的標準函數來配置。交換器初始化結束后,進入正常的工作模式。依據IP交換的原理設計的交換軟件流程圖如圖3所示。
　　
　　
　　圖3交換軟件流程圖
　　
　　5結語
　　綜上所述，該平臺把IP硬交換與軟交換,第二層交換和第三層轉發的優勢結合為一個有機的整體來完成IP交換,并提出了該平臺的具體實施內容。IP交換技術具有以當前系統1/10的代價獲得傳輸性能于過去10倍的能力,隨著IP交換技術在未來通信系統中的應用,必將使網絡的整體性能得到大幅度的提升。
　　
　　參考文獻
　　[1]謝希仁.計算機網絡[M].北京:電子工業出版社.2003
　　[2]溫鈺,等.三層交換技術的原理及應用[J].網絡安全,2007(7):43～46