《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于VxWorks的T比特路由器2.5G POS接口板設(shè)計(jì)
摘要: 本路由器硬件體系結(jié)構(gòu)由線路接口子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)發(fā)處理子系統(tǒng)、光背板交換網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和內(nèi)部通信子系統(tǒng)四大部分組成。當(dāng)接口收到數(shù)據(jù)包后,首先判斷該包的目的地址是否為本路由器,是則上交給單板軟件并由內(nèi)部通信子系統(tǒng)交給主控處理;否則填充內(nèi)部包頭,注明包類型,協(xié)議類型,目的機(jī)架號(hào),端口號(hào),接口號(hào)等信息,由同軸電纜交給轉(zhuǎn)發(fā)處理子系統(tǒng),再由光背板轉(zhuǎn)發(fā)到目的接口。接口把轉(zhuǎn)發(fā)送過來的包和本路由器發(fā)出的包,進(jìn)行和路處理后再發(fā)送出去。
Abstract:
Key words :

1. 引言

       作為因特網(wǎng)的樞紐,路由器正在朝速度更快、服務(wù)質(zhì)量更好和更易于綜合化管理的三個(gè)方向發(fā)展?,F(xiàn)在芯片速度每18個(gè)月翻一翻,而因特網(wǎng)的流量是每六個(gè)月翻一翻。大家對(duì)路由器的研究也重點(diǎn)體現(xiàn)在提高路由器的處理速度上,相續(xù)提出了千兆位交換路由器(GSR,Gigabit Switch Router)和太位交換路由器(TSR,Terabit Switch Router)。

       隨著IP的核心地位逐漸被認(rèn)同,IP over ATM、然后ATM over SDH的方式被IP直接over SDH的方式取代。傳輸速度也很快從OC-12 ( 622Mbps ) 跳到OC-48 ( 2.5Gbps )。POS技術(shù)已經(jīng)廣泛用于骨干網(wǎng)中,而POS接口成為高端路由器必不可少的一部分。

       我所研制的T比特路由器,系統(tǒng)總吞吐率可達(dá)1.28Tbps,峰值交換能力為2.4Tbps,而每端口可達(dá)到10G的轉(zhuǎn)發(fā)速率。為達(dá)到10G的轉(zhuǎn)發(fā)速率,本路由器采用了4路2.5GPOS接口。文章在第二節(jié)描述了2.5GPOS接口的硬件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和性能需求分析,在第三節(jié)詳細(xì)闡述了軟件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2. 硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

       本路由器硬件體系結(jié)構(gòu)由線路接口子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)發(fā)處理子系統(tǒng)、光背板交換網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和內(nèi)部通信子系統(tǒng)四大部分組成。當(dāng)接口收到數(shù)據(jù)包后,首先判斷該包的目的地址是否為本路由器,是則上交給單板軟件并由內(nèi)部通信子系統(tǒng)交給主控處理;否則填充內(nèi)部包頭,注明包類型,協(xié)議類型,目的機(jī)架號(hào),端口號(hào),接口號(hào)等信息,由同軸電纜交給轉(zhuǎn)發(fā)處理子系統(tǒng),再由光背板轉(zhuǎn)發(fā)到目的接口。接口把轉(zhuǎn)發(fā)送過來的包和本路由器發(fā)出的包,進(jìn)行和路處理后再發(fā)送出去。

2.1 性能需求分析

1)根據(jù)以往路由器的經(jīng)驗(yàn),通常硬件FPGA 中的高速通道工作在2.5Gbps速率下比較穩(wěn)定。就A口輸入數(shù)據(jù)速率10Gbps來說,4個(gè)2.5Gbps的高速通道就可以將數(shù)據(jù)傳到轉(zhuǎn)發(fā)處理模塊。但是,線路接口模塊的功能實(shí)現(xiàn)要求:數(shù)據(jù)包在經(jīng)過線路接口輸入處理模塊的處理后要加上128 bit即16個(gè)byte的內(nèi)部標(biāo)簽??紤]極限情況,A口收到的都是40 byte的超短包,那么,B口輸出的數(shù)據(jù)的極限速率為:[10Gbps×(40 byte+16 byte)]/40 byte=14Gbps。所以,我們?cè)O(shè)計(jì)采用兩路2.5Gbps的高速通道來傳A口接收的10Gbps數(shù)據(jù)中的四分之一即2.5Gbps數(shù)據(jù)到轉(zhuǎn)發(fā)處理模塊。那么,B口的最大輸出速率為2.5Gbps×8=20Gbps,完全滿足B口傳輸帶寬要求。

2)在均勻輸入業(yè)務(wù)模型和平衡輸出模型條件下,假定定長分組業(yè)務(wù)強(qiáng)度λ為0.95,為了控制分組的丟失概率小于10-8,可計(jì)算所需要的輸出隊(duì)列分組緩沖容量S約為650個(gè)分組。統(tǒng)計(jì)意義上IP分組的平均長度為508字節(jié)??紤]到內(nèi)部分組標(biāo)簽附加的24字節(jié),平均需要緩沖的IP分組字節(jié)數(shù)為532字節(jié) 總緩沖容量為650×532×8=2766400(Bits),即近似為2.8MBits的緩沖容量。

3)本子系統(tǒng)的接口速度要達(dá)到10Gbps,如果每個(gè)包都是40字節(jié),那么這時(shí)極限查表速率為:



       對(duì)于輸入查表模塊的另一個(gè)指標(biāo)為表項(xiàng)容量。按照極限容量來算,T比特路由器有8個(gè)機(jī)架,每個(gè)機(jī)架8個(gè)端口,每個(gè)端口8個(gè)接口,每個(gè)接口的IPv4單播組播、IPv6單播組播地址總計(jì)有64個(gè)。那么極限表項(xiàng)容量為8*8*8*64=32768(32k)條。達(dá)到這兩個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)是本模塊設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。最終,我們選擇了一款CAM,有64K條表項(xiàng),查表速率能夠達(dá)到100MSPS。這樣的指標(biāo)完全可以達(dá)到本模塊的要求。

2.2 子系統(tǒng)功能劃分和模塊設(shè)計(jì)

       如下圖所示,4 2.5G線路接口子系統(tǒng)可劃分為光電及串并轉(zhuǎn)換模塊、鏈路層處理模塊、輸出FPGA處理模塊、輸入FPGA處理模塊、協(xié)議報(bào)文上交緩存模塊、輸入查表模塊和時(shí)鐘處理模塊。為描述方便,將本子系統(tǒng)和路由器外部的接口稱為A口,和轉(zhuǎn)發(fā)處理子系統(tǒng)的接口稱為B口,和光背板子系統(tǒng)的接口稱為G口,和單板處理機(jī)的接口稱為F口,和時(shí)鐘子系統(tǒng)的接口稱為J口。

       從路由器外部接收數(shù)據(jù)時(shí),光電及串并轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)從A口接收4路2.5Gbit/s串行光信號(hào),轉(zhuǎn)換成16路差分622Mhz電信號(hào);送由鏈路層處理模塊進(jìn)行鏈路層處理。鏈路層處理模塊從SDH幀提取出ppp報(bào)文,然后交給輸入FPGA處理模塊。輸入FPGA處理模塊針對(duì)輸入包的類型,對(duì)輸入查表模塊存儲(chǔ)的本機(jī)IP地址表查表,進(jìn)行分路處理,若此報(bào)文的目的為本路由器則上交主控,否則轉(zhuǎn)發(fā)到B口。輸出FPGA處理模塊負(fù)責(zé)接收主控下發(fā)協(xié)議包和從系統(tǒng)光背板轉(zhuǎn)發(fā)G口數(shù)據(jù)包,合路后交給鏈路層處理模塊。鏈路層處理模塊把和路后的ppp報(bào)文封裝在SDH幀中,由光電及串并轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成光信號(hào)發(fā)送出去。時(shí)鐘處理模塊為本模塊提供全局時(shí)鐘和將本模塊從線路上提取的時(shí)鐘輸出到時(shí)鐘板。

3. 軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

       MPC860是基于PowerPC結(jié)構(gòu)的通信控制器。它不僅是集成的微處理器,而且將很多外設(shè)的功能也集成在一起。MPC860具有存儲(chǔ)控制器,其存儲(chǔ)控制器的功能很強(qiáng),可以支持各種存儲(chǔ)器,包括各種新型的DRAM和Flash,并可以實(shí)現(xiàn)與存儲(chǔ)器的無縫接口。

       由美國風(fēng)河公司(Wind River)推出的嵌入式強(qiáng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks因用于火星登陸車而名噪一時(shí)。VxWorks是一套具有微內(nèi)核,高性能,可伸縮的操作系統(tǒng),支持廣泛的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,并能夠根據(jù)用戶的需求組合,增減。再加上其優(yōu)秀的開發(fā)環(huán)境Tornado,使其成了嵌入式操作系統(tǒng)的首選。選擇MPC860加上嵌入式強(qiáng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks完全可以買足單板處理的性能需求。

       上圖展示了單板軟件總體結(jié)構(gòu)。單板操作系統(tǒng)是采用VxWorks,單板處理器是采用MPC860。路由器有不同種類的線路接口板,每種接口板都需要完成許多相同的功能,可把這些相同的功能放在一個(gè)單獨(dú)的模塊中實(shí)現(xiàn),減少冗余勞動(dòng)。板級(jí)支撐模塊為單板應(yīng)用提供與主控軟件之間的通信、任務(wù)管理、內(nèi)存管理和定時(shí)器管理等服務(wù);而單板應(yīng)用為線路接口單板軟件模塊,完成單板轉(zhuǎn)發(fā)處理。

       單板軟件主要完成的功能有:對(duì)各類型單板硬件的初始化和配置,接收并處理主控下發(fā)的單板控制命令,完成軟硬件程序加載,以太網(wǎng)接口板運(yùn)行IPv4 ARP協(xié)議,維護(hù)并向主控通告ARP信息,協(xié)議數(shù)據(jù)(源/目地址為本路由器的分組)收發(fā),維護(hù)路由器接口地址信息,差錯(cuò)報(bào)文處理、記錄報(bào)文上報(bào),業(yè)務(wù)性能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)收集與上報(bào),維護(hù)單板與主控板間的通信連接。

       按照這些功能,把單板軟件分為初始化模塊,主控命令處理模塊,接口芯片監(jiān)控和業(yè)務(wù)性能統(tǒng)計(jì)模塊,消息分發(fā)模塊,包發(fā)送模塊,報(bào)接收模塊,自檢模塊,CAM表維護(hù)模塊,工具函數(shù)模塊。正常運(yùn)行時(shí)建立四個(gè)任務(wù):主控處理任務(wù),統(tǒng)計(jì)任務(wù),發(fā)包任務(wù),收包任務(wù)。

       其數(shù)據(jù)處理流程如右圖:單板硬件接收到本路由器包,寫入輸入FIFO,收包任務(wù)讀出包,封裝在定義的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中,調(diào)用板級(jí)支撐模塊中的發(fā)送函數(shù)發(fā)給主控;主控下發(fā)的包則由消息分發(fā)模塊處理,協(xié)議包交給發(fā)包任務(wù),再寫入輸出FIFO,然后發(fā)送出去,控制包則交主控處理模塊處理,完成向?qū)?yīng)的功能。

       由于本接口需要達(dá)到10G的速率,各任務(wù)之間必須有穩(wěn)定和高速交互機(jī)制。VxWorks操作系統(tǒng)為任務(wù)間通信提供了許多通信方式,包括共享內(nèi)存,信號(hào)量,消息隊(duì)列和管道,Sockets和遠(yuǎn)程調(diào)用等。消息隊(duì)列允許長度可變,數(shù)目可變的消息隊(duì)列,可以滿足多任務(wù)之間通信。VxWorks的Wind內(nèi)核可采用基于優(yōu)先級(jí)的搶占式任務(wù)調(diào)度與輪轉(zhuǎn)調(diào)度相結(jié)合,因此一定要設(shè)置好各任務(wù)的優(yōu)先級(jí),如內(nèi)存任務(wù)的優(yōu)先級(jí)就必須高于主控處理任務(wù),主控處理任務(wù)必須高于收發(fā)包的任務(wù)。而對(duì)相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)必須預(yù)先設(shè)置各任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間,否則第一個(gè)獲得CPU 的任務(wù)就會(huì)獨(dú)占,阻礙別的人物運(yùn)行??傊?,在軟件設(shè)計(jì)中一定要充分了解VxWorks的工作機(jī)制,否則不但不能設(shè)計(jì)出效益高的程序,反而會(huì)阻礙VxWorks的有效運(yùn)行。

4. 結(jié)束語

       高速增長的網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)通訊量對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)提出了更高的需求,也刺激了高性能網(wǎng)絡(luò)連接的發(fā)展。本文簡要介紹了吞吐率高達(dá)1.28T比特的高性能路由器,并研究了其2.5GPOS接口的實(shí)現(xiàn)技術(shù),首先可以深入對(duì)POS技術(shù)在實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用上的研究,其次可以豐富路由器的接口功能,增加路由器接口的靈活性,增強(qiáng)路由器的兼容性,以便更為廣泛的利用網(wǎng)絡(luò)資源,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)體系和架構(gòu)的演進(jìn),為高性能路由器的研制和后續(xù)開發(fā)提供可借鑒的技術(shù)思路。

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