（控制理论与控制工程专业论文）基于嵌入式的ipv6路由器研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在我国，随着i n t e m e t 的迅猛发展，i n t e r a c t 已经从教育科研网络发展成为 国家重要信息基础设施。路由器设备作为i n t e r a c t 中的核心设备，其重要性不可 低估。路由器在i n t e m e t 网络中的主要功能是实现路由选择和网络互联。目前对 于网络数据流量的预测几乎是不可能的，网络客户分布的地域越来越广，移动 程度越来越高以及i n t e r a c t 服务的不断增强，这些都导致了网络主干上数据流量 的急剧增加，这些数据流量使传统网络设备已力不从心，于是高速路由器成为 近两年路由器研究的热点。 对下一代的高速路由器而言，快速的路径查找机制必将是影响其效能的关 键，特别是在我国已经逐步开始由i p v 4 向i p v 6 的过渡的情况下更是如此。本 文对i p v 6 的快速路径查找机制做了研究，以达到快速查找的目的。在操作系统 方面，本文选用的是嵌入式实时操作系统。因为高性能的路由器在处理协议包 时需要保证其实时性，而嵌入式操作系统就能很好的解决这一问题。它不仅为 不同的实现提供了一个基础的通用平台，而且由于其源代码的开放性使用户可 根据自己的需要方便地进行修改与移植。 本文通过对路由器结构的分析，选定了高性能路由器所采用的多处理机交 换式体系结构，在高性能路由器操作系统的选择上，为了达到较好的网络性和 实时性而使用的是嵌入式实时操作系统。为了能达到高性能路由器的要求，通 过对路由器背板结构的设计，选择性能更加好的c r o s s b a r 结构。同时也选择对 数据报文长度和阻塞问题较好的处理方法。路由表查找也是路由器设计中一个 重要的部分，出于高性能路由器设计所要达到的目标，我选用了硬件查找和软 件查找相结合的方式。在硬件查找中，使用c a m 的并行性改善查找速率。在 软件查找中，通过对多种查找方式的研究分析，选择使用多分支树的方式来达 到提高查找速度的目的。i p v 6 技术将是下一代互联网的核心技术，其研究与应 用水平将决定i p v 6 网络发展的进程。在i p v 6 路由器的设计过程中，需要研究 链路层、网络层、传输层以及应用层的各种协议实现方法。在本文中主要研究 的内容是网络层即i p v 6 协议栈的实现方法。 关键词：路由器，路由查找，嵌入式操作系统，i p v 6 ，i p v 6 协议栈 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no u r c o u n t r y , w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e t ，t h ei n t e r n e th a s b e c o m e ab a s i ce s t a b l i s h m e n to fn a t i o n a li m p o r t a n ti n f o r m a t i o nf r o me d u c a t i o n a la n d s c i e n t i f i cr e s e a r c hi n t e m e t r o u t e ra st h ec o r ee q u i p m e n t ，i t si m p o r t a n c es h o u l dn o t b eu n d e r e s t i m a t e d r o u t e r sm a i nf u n c t i o ni st oa c h i e v er o u t i n ga n d n e t w o r k i n t e r c o l m e c t i o ni nt h en e t w o r k a tp r e s e n t ，t h en e t w o r kd a t at r a f f i ci sa l m o s t i m p o s s i b l et ob ep r e d i c t e d ，t h er e g i o nt h a tt h en e t w o r kc u s t o m e r d i s t r i b u t i o ni sm o r e a n dm o r eb r o a d ，t h em o b i l ed e g r e ei sm o r ea n dm o r eh i g ha n dt h ec o n t i n u e d e n h a n c e m e n to fi n t e r n e ts e r v i c e s a i lo ft h e s eh a v el e dt oad r a m a t i ci n c r e a s eo f d a t a t r a f f i ci nt h en e t w o r kb a c k b o n e ，a n dt h e s l 4 a t at r a f f i ch a sa l r e a d ym a d et r a d i t i o n a l n e t w o r ke q u i p m e n tw o r ki n s u f f i c i e n t l y , s oh i g hs p e e dr o u t e r sh a v eb e c o m et h eh o t s p o tf o rs t u d y i nr e c e n t2y e a r s b yt h en e x th i g hs p e e dr o u t e r s ，f a s tp a t hs e e km e c h a n i s mw i l lb e t h ek e ya s p e c t t h a ta f f e c ti t se f f i c i e n c y , e s p e c i a l l yu n d e rt h es i t u a t i o nt h a to u rc o u n t r yh a sa l r e a d y s t a r t e dt h et r a n s i t i o ns t e pb ys t e pf r o mi p v 4t oi p v 6 t h i sp a p e rd o e ss o m er e s e a r c h o nf a s tp a t hs e e km e c h a n i s mo fi p v 6t or e a l i z es p e e d ys e e k i na s p e c to fo s ，w e c h o o s et h ee m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m b e c a u s eh i g h - p e r f o r m a n c er o u t e n e e dg u a r a n t e er e a lt i m ew h e np r o t o c o lp a c k e t ，b u te m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mc a n s o l v et h i sp r o b l e mw e l l i tn o to n l y p r o v i d e sab a s i sp l a t f o r m f o rd i f f e r e n t i m p l e m e n t a t i o n s ，b u ta l s ow ec a nm o d i f ya n dt r a n s p l a n tc o n v e n i e n t l ya c c o r d i n g t o o u rn e e db e c a u s eo fi t se x o t e r i es o u r c ec o d e t h ep a p e rb a s e do na n a l y s i so ft h es t r u c t u r eo ft h er o u t e r , s e l e c tt h ee x c h a n g eo f m u l t i p r o c e s s o ra r c h i t e c t u r ew h i c hi s u s e db yah i g h p e r f o r m a n c er o u t e r , i nt h e c h o i c eo fh i g h p e r f o r m a n c er o u t e ro p e r a t i n gs y s t e m ，i no r d e rt oa c h i e v eab e t t e r n e t w o r ka n dr e a l t i m e ，t h eu s eo fr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mi se m b e d d e d t ob ea b l e t om e e tt h er e q u i r e m e n t so fh i g h p e r f o r m a n c er o u t e r , b yt h ed e s i g no ft h er o u t e r b a c k p l a n es t r u c t u r e ，m o r eg o o dc r o s s b a rs t r u c t u r e si s s e l e c t e d a l s ot h eh a n d l i n g w a y so ft h ed a t ar e p o r t e dl e n g t ha n d b l o c k e dp r o b l e ma r es e l e c t e d 。r o u t i n gt a b l ei s t h ei m p o r t a n tp a r to fr o u t ed e s i g n ，t oa c h i e v et h eg o a lo fh i g h p e r f o r m a n c er o u t e r d e s i g n ，ic h o o s et h ec o m b i n a t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e f i n d i n gi nt h eh a r d w a r e ， 武汉理工大学硕士学位论文 u s i n gt h ec a mp a r a l l e lt oi m p r o v et h er a t e f i n d i n gi nt h es o f t w a r e ，b a s e do nt h e a n a l y s i so fv a r i o u sf i n d i n gw a y s ，t h eo p t i o no fu s i n gm u l t i p l eb r a n c h e so ft h et r e et o a c h i e v et h eg o a lo fi m p r o v ef i n d i n gs p e e d 1 p v 6w i l lb et h ec o r et e c h n o l o g yi nt h e n e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e t ，s ot h er e s e a r c ha n dt h e a p p l i c a t i o no fi p v 6r o u t e rw i l l d e t e r m i n ei t sn e t w o r kd e v e l o p m e n tp r o c e s s i nt h ep r o c e s so fi p v 6r o u t e rd e s i g n ， d i f f e r e n tp r o t o c o l so fl i n kl a y e r , n e t w o r kl a y e r , t r a n s p o r tl a y e ra n da p p l i c a t i o n l a y e ra r en e e dt ob ea c h i e v e d i nt h i sp a p e r , t h em a i nt o p i ci sr e s e a r c ho fn e t w o r k l a y e r , i p v 6p r o t o c o ls t a c k k e y w o r d s ：r o u t e r , r o u t i n gl o o k u p ，e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，i p v 6 ，i p v 6 p r o t o c o ls t a c k i i i 武汉理工大学硕士毕业论文 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 计算机互联网技术的普及，正有力推动着2 1 世纪工业生产、商业活动、科 学实验和家庭生活等领域自动化和信息化进程。路由器是i n t e m e t 的核心设备。 由于i n t e r n e t 规模的扩展，网络流量的激增，以及新型网络应用的不断出现，对 路由器等网络设备提出新的要求。路由器需要完成大吞吐量的高速转发，并且 保证一定的服务质量。现在国内外都在研究高性能路由器来满足其发展要求， 但高性能理由器的设计和实现面临着非常多的挑战。 1 1本课题的来源及意义 1 1 1 选题背景及其意义 随着科学技术的发展，信息已成为推动社会向前发展的巨大动力，信息网 络在当今世界各国经济与社会发展中起着决定性作用，信息领域的竞争也成为 世界经济竞争的焦点之一。众所周知，路由器长久以来一直是计算机网络的核 心设备，其重要性不可低估。在路由器的几个功能模块里，操作系统是非常重 要的。因为路由器技术中最核心的技术之一是软件技术，由于对路由器实时性 要求很高，所以作为路由软件的运行平台：操作系统显得尤其重要。有些路由 软件是运行在u n i x 操作系统上的，但现在常用的都是嵌入式的操作系统，如： v x w o r k s 、l y n x o s 、h a r th a tl i n u k 等。随着路由技术的进步，嵌入式操作系统 有其良好的发展前景。 当今互联网所依托的关键技术是i p ( i n t e m e tp r o t o c o l ，网际协议) 网络技术。 在互联网的体系结构中，路由协议栈处于非常重要的地位，它工作于路由器之 中，负责网络拓扑信息的收集、维护和交换，事实上，正是由于路由协议栈的 工作，才把世界各地大大小小的网络连接在一起，构成了一个全球范围内的 i n t e r n e t ；另一方面，i p v 6 作为下一代互联网的关键技术，日益受到人们的重视 研究i p v 6 相关理论与技术具有深刻的现实意义和长远的学术意义。i p v 6 作为i p v 4 唯一的替代者的地位已经得到国际承认。随着i p v 6 核心标准的日益成熟和协议体 武汉理工大学硕士学位论文 系的日益完善，以及i p v 6 商用产品的日益丰富，i p v 4 网络必定向l p v 6 网络过渡的 趋势已经非常明朗。 1 1 2 本课题有关的国内外研究现状，发展水平和存在的问题 随着互联网用户的迅猛增加，尽管已经采取了地址分类及无域问路由等技 术，现有的网络地址不足危机日益明显，并影响到了网络的进一步发展。i e t f 根据2 0 年来对i p v 4 的运用经验进行了大幅度的功能扩充和改进，并在继承i p v 4 优点的基础上，于1 9 9 8 年发布了i p v 6 草案标准r f c 2 4 6 0 。在i p v 6 技术作为下一代 互联网网络层技术几乎已成定局的情况下，人们对i p v 6 技术的研究十分重视。从 世界各国研究的情况来看，目前的i p v 6 的研究和应用方面比较领先的主要是欧美 和日本等发达国家和地区。这些都启动了一系列与i p v 6 相关的计划或项目，如美 国计划到2 0 0 8 年将其军网全部升级至l j l p v 6 。这些计划为i p v 6 在全球范围内的部署 和应用起到了重大推动作用。我国在i p v 6 的研究方面起步不算早，但近几年发展 特别快。事实上，我国是全球最关, l 二, i p v 6 发展的国家之一，原因就在于l p v 6 将给 中国信息网络建设带来新的契机。因此，政府、各科研院所和企业对i p v 6 的研究 十分重视，投入了大量的财力和人力，也取得了很大的成就。虽然，我国在l p v 6 的研究上取得了很大的成绩，比起i p v 4 阶段已经有了长足的进步，但也存在一些 问题。 另外，需要指出的是，尽管在i p v 6 的研究上已经取得了巨大的成就，但目前 i p v 6 还缺乏杀手锏级直接的应用，这实际上也是制约i p v 6 大规模应用的一个关键 因素，并且决定了在很长一段时间内，将是i p v 4 和i p v 6 并存，而不太可能是i p v 6 迅速代替i p v 4 。因此，除了要研究i p v 6 的关键理论、技术与设备外，对i p v 6 应用 的研究也是非常重要。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 本文的结构及内容安排 本文针对路由器为研究对象，主要研究了嵌入式的i p v 6 路由器的硬件平台构 建及软件设计方法等问题。本文的内容共分5 章： 第1 章绪论 主要介绍本课题的选题背景、研究内容及研究意义。 第2 章路由器的设计方案 给出了路由器的设计要求，并进一步分析了路由器的设计原理、系统硬件 结构和软件结构，提出了高性能口v 6 路由器的设计方案。 第3 章i p v 6 路由查找方法 主要分析了路由器的查找算法，根据不同的查找算法的特点选择适合的高 速查找算法，满足高性能路由器的快速查找需要。 第4 章i p v 6 协议栈的实现方法 本章通过引入l i n u x 操作系统的网络系统结构，分析了系统设计时的一些技 术考虑，给出了整个i p v 6 协议栈总体数据传输流程图，最后，分别详细论述了各 基本协议口v 6 协议、i c m p v 6 协议以及n d 协议的具体实现方案与函数关系 图，并指出了n d 协议在具体实现过程中所带来的链路层地址解析问题。 第5 章总结与展望 主要对全文的内容进行了总结，针对本文中存在的一些不足之处，有的给 出了继续研究的思路和方法，在未来的研究应用中可以重点加以解决。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章路由器设计方案 2 1路由器的介绍 2 1 1 路由器的概念 路由器( r o u t e r ) 是在网络层实现网络互联的设备。路由器依靠转发网络层 数据包来实现网络互联。路由器在o i s 参考模型中的位子如图2 1 所示。 应用层应用层 表示层 ! b o 目 表不屠 一会话层会话层 路由器( r o u r e r ) 佶输层佶输层 网络层网络层网络层 数据链路层数据链路层数据链路层 物理层物理层物理层 图2 - 1 路由器在0 s i 参考模型中的位置 路由器首先在接口上按照物理层协议得到比特流，然后按照数据链路层协 议成帧，在数据帧中得到网络层包后根据网络层地址以及路由信息来转发数据 包则需要根据发送端口链路层协议成帧，然后根据发送端口物理层协议将比特 流输出【1 1 。路由器的路由信息可以通过手工输入或者通过运行路由协议从相邻路 由器获取。 2 1 2 路由器的基本结构 典型路由器的基本结构包括控制卡( 带c p u ) 、背板、接口卡，如图2 2 ( a ) 所示。c p u 进行路由计算维护路由表，传递路由信息。接口卡进行报文输入输 4 武汉理工大学硕士学位论文 出转发处理，可能有路由表c a c h e 和复杂的处理能力。背板负责在路由器的板卡 之间转发报文。路由器的基本功能可以定义为：路由处理，分组转发和路由器 专用服务。路由处理和分组转发，如图2 2 ( b ) 所示，是路由器的核心功能。 ( a ) 基本结构 路由器背叛 一 。网络拓扑及、一一 、地址交换 兰) _ 路由器 ( b ) 基本功能 图2 - 2 路由器基本结构与基本功能 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 路由器的基本功能 ( 1 ) 路由处理功能 使用路由协议( 单播路由协议或多播路由协议) 获取网络的拓扑视图，构 造、维护路由表。当然，也可以通过手工的方法配置静态路由。 ( 2 ) 分组转发功能 i p 分组检查 检查版本号，检查分组头字段，计算头效验和。 目的口地址分析与路由表查找 决定分组的输出接口和到达目的的i p 地址的下一跳( n e x th o p ) 节点。查表 的结果可能是： 本地递交：目的口是本路由器的一个接口的地址： 向一个输出端口的单播递交：将分组送给下一跳路由器或最终目的地； 向一组输出端口的多播递交：依赖于路由器对组成员关系的了解。 分组t 1 1 控制 路由器的调整阿值字段，防止分组在网络无终止循环。本地递交的分组 珊值要大于o 。对于向外转发的分组，首先t n 值减去l ，在实际转发之前还要 重新检查皿值。t n 值过期的分组要丢掉，同时还可能向分组的发送者通告错 误信息。 效验和计算 t n 字段的变化，要求重新计算效验和。 i p 分片 为了适应输出网络接口的m t u ( m a x i m u mt r a n s m i s s s i o nu n i t ) 值，有时候 需要分片处理。分片对性能的影响比较大，现在由于i pm t u 发现机制的应用， 分片操作并不多见。 ( 3 ) 特殊服务 核心功能之外的其他功能，例如分组翻译，重新封装，流量优先级处理， 认证，访问控制。另外，路由器还有网管功能，包括s n m p 代理和m i b 信息库等。 2 1 4 高速路由器的设计方法 路由器是i n t e m e t 网络中的关键设备，其主要功能是实现路由选择和网络互 6 武汉理工大学硕士学位论文 连。现代社会对于计算机网络的要求己发生变化：多媒体数据的增加、企业级 i n t e m e 城用的产生、群件技术的发展以及需要高带宽支持的各种应用都在某种程 度上导致了网络阻塞的发生。目前对于网络数据流量的预测几乎是不可能的， 网络客户分布的地域越来越广，移动程度越来越高以及i n t e m e t h 艮务的不断增强， 传统的8 0 2 0 法则己不再适用于当今的网络。以上所有这些不同的因素存在着一 个重要的共同点：它们都导致了网络主干上数据流量的急剧增加，这些数据流 量使传统网络设备已力不从心，于是高速路由器成为近两年路由器研究的热点。 2 2 微处理器的选择 本论文使用的主机板是m i c r o c o m p u t e r , s y s t e m 公司的产品，型号为 m s i n c 5 4 4 。这种主机机提供通用的低功率( 无风扇) 的单板机，并有p ( 2 1 0 4 的扩 展和外围连接( 磁盘，视频，i o 接口，网线等) 使用的数据线。c p u 芯片集采 用6 x 8 6 m m xc p u 固化到了g x l v g x l & c x 5 5 3 0 芯片集中。其中，g x l v 属于低 功耗，在0 8 5 条件下c p u 的功率是1 5 w - 4 w ；而g x l 属于超低功耗，在o - 8 5 条件下c p u 的功率是0 8 w - 3 w 。片上集成的其他功能如下： ( 1 ) i o 芯片集：p c 9 7 3 1 7 - i - s m c 6 6 6 6 6 9 。 ( 2 ) b i o s ：a w a r d ，1 2 8 k b 快闪b i o s 带即插即用功能。 ( 3 ) 缓存：1 6 k bl 1 缓存。 ( 4 ) l c d v g aw ，m p e gi i ：片上系统共享内存6 4 位l c d g a ，支持c r t 和 t f t 。 ( 5 ) 键盘和鼠标接口：支持8 脚支持8 脚h e a d e rp c a t 键盘和p s 2 鼠标连接器。 ( 6 ) 总线类型：p c 1 0 4 接口和p c i 插槽。 ( 7 ) 密集快闪i i 插槽：支持c f f i i 型i d e 快闪磁盘和i b m3 4 0 m b 1 g b 微驱动器 h d d 。 ( 8 ) 看门狗定时器：i 0 端1 0 4 4 3 h 可打开看门狗电路和i o 端i 0 4 3 h 可关闭 电路。暂停时间从0 到2 5 5 秒可选。周期为1 秒。 ( 9 ) 2 个i d e 端口：支持两个i d e 端口，可连接4 个i d e 设备。 ( 1 0 ) 并行端口：双向的并行端口被设置成l p t l ，2 ，o r3 ，支持符合i e e e1 2 8 4 标准的高速e p p 和e c p 模式。 ( 1 1 ) d m a 控制器：两个8 2 c 3 7 提供7 个d m a 通道。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 2 ) 系统电源要求：使用a t x 电源连接器要求+ 一5 v ，+ 一1 2 ；两脚连接器 要求+ 5 v 电压。 图2 - 3 主机板平面图 2 2 1 微处理器的存储控制器 m s i n c 5 4 4 内部存储控制器的作用是为外部存储控制器操作提供两套必要 的存储器控制信号。其具有的特点是：片上有一个1 x 1 4 4 脚s o d i m m 插槽，可 以支持2 5 6 m bs d r a m 存储器。另外有一个d i s k o n c h i p l x - 存，在下文中会做进一 步的详细介绍。 2 2 2 微处理器的中断控制器 m s i n c 5 4 有两个8 2 c 5 9 ，可以提供1 5 个中断级别。中断请求出入的模式主 要有：低电平触发、高电平触发、下降沿触发、上升沿触发或边沿触发。 2 2 3 微处理器的串口电路 m s i n c 5 4 有一个k d a 和两个u s b 接口。另外有四个6 位先入先出的1 6 c 5 5 0 连续端口，可跳线选择3 个r s 2 3 2 端口，另一个可选择为r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 中的一 8 | 耋弧 呲 晰 铡；耄 武汉理工大学硕士学位论文 个。r s 2 3 2 串行接口是嵌入式系统中较为常见的一种接口，在本文中采用的是 m a x i m 公司的m a x 3 2 3 2 系列及其兼容的芯片。m a x 3 2 3 2 系列的特点是： ( 1 ) 可提供2 路输入和2 路输出的电平转换 ( 2 ) 最高可满足2 5 0 k b s 的速度，也有1 m b s 或更快的版本 ( 3 ) 外接电路简单，只需要外接4 个0 1 u f 的电容给电荷泵使用 ( 4 ) 带有e d s 静电保护 ( 5 ) 3 0 5 5 v 宽电压供电 2 2 4 主板上其它的跳线和接口 本论文所选用的主板上还设有许多其它设备的跳线和接口，例如下面将要 介绍的d i s k o n c h i p 就是集成在图2 3 所示的主机板上。下面有一个有关的跳线和 接口对应表 表2 1 主板上跳线和接口对应表 d o c 芯片d o c 网卡 8 2 5 5 9 i d e 硬盘接口1i d e l i d e 硬盘接i s l 2 i d e 2 a t x 电源接口脓 2 针5 v 电源接口p w r 以太网卡1 使能跳线 j p 2 以太网卡2 使能跳线 j p 3 m - s y s t e m 地址跳线 j p 6 以太网卡1 接口j 3 以太网卡2 接口 j 4 以太网卡1 ，2 发光管接口 j 5 存储装置d i m m l p c i 插槽p c i l1 1 7 】 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 5 d i s k o n c h i p 闪存器 电子盘的内部存储介质f l a s h 是近几年来发展最快的一种存储芯片，他具有 e e p r o m 可擦写的特点，又同时具有e p r o m 廉价的特点，他是一种高性能、低 功耗、电可擦除的存储器件。根据其以上一些特点，电子盘已广泛应用于信息 存储、机顶盒、网络计算以及嵌入式计算机等领域。 本论文所使用的d i s k o n c h i p 属于m s y s t e m s 公司推出的d i s k o n c h i p 2 0 0 0 系 列产品的一员。它是新一代闪存磁盘( r a s hd i s k ) ，为标准3 2 脚d i p 封装，容量 是8 m b 。与标准的e e p r o m 完全兼容。一般的闪存器( f l a s hm e m o r y ) 只包含存 储器部分，而控制器要另加。为了对闪存磁盘进行管理，d i s k o n c h i p d p 已装有 m s y s t e m s 公司的闪存文件系统( t r u e f f s ) 软件。这使得它使用简单，工作中 不需要任何其他特殊复杂的算法。 d i s k o n c h i p 2 0 0 0 系列产品为超过4 0 0 种标准内嵌式主机板设计，提供高容 量、高可靠性、低成本及低耗电的快闪磁盘方案。d i s k o n c h i p m i l l e n n i u m 可插 入d i ps o c k e t ，或直接焊接到主机板上，而不再需要机械式磁盘机、任何电线及 连接器。本论文选用的d i s k o n c h i p m i l l e n n i u m 就是可以直接焊接到主机板上的。 设计在单一晶片上的d i s k o n c h i p m i l l e n n i u m 不仅结构小巧而且可确保极高的可 靠性，可以承受传统磁性磁盘系统所不能承受的重击、震动及温度改变。为使 产品变得简单易用及将系统成品整合费用减至最小，d i s k o n c h i p m i l l e n n i u m 在 生产过程中已经进行程式化及格式化，即插即用。任何软件的升级及格式化均 可在原作业平台上完成，并不需要将d i s k o n c h i p m i l l e n n i u m 晶片移除。 d i s k o n c h i p m i l l e n n i u m 产品最适用于通讯设备、机顶盒( s e t t o pb o x e s ) 、网 络电脑、瘦身型服务器、内嵌式及携带型p c 兼容电脑等等需求重量、空间、能 源耗损越小越好的硬件装置，提供取代传统软、硬盘的最佳方案。其主要特点 如下： ( 1 ) 单晶片，随插即用快闪磁盘 ( 2 ) 低能源损耗，使用单一3 3v 或5 v 电源 ( 3 ) 8m b y t e s ( 6 4 m b i t ) 容量 ( 4 ) 可提供较小的应用空间 ( 5 ) e d c e c c 提供之高数据可靠性 ( 6 ) 支援广泛作业系统( 0 s ) ：d o s ，w i n9 5 9 8 2 0 0 0 ，w i n c e ，v x w o r k s ， 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 l i n u x 等等 ( 7 ) 与所有主流处理器兼容：x 8 6 ，m e d i a g x ，p o w e r p c ，6 8 k ，m i p s ，s t r o n g a r m 等等 ( 8 ) 内嵌式t r u e f f s 软件可以提供： 完整硬盘读写及开机启动能力 第三代耗损平衡功能( w e a rl e v e l i n g ) 坏损记忆区段自动标示 电源中断记忆复原 2 2 6 d i s k o n c h i p 的功能 d i s k o n c h i p 2 0 0 0 的读写与硬盘完全相同，因此他可以作为独立硬盘使用， 并与其他磁盘兼容。可以直接引导计算机系统而不需要其他系统盘。他适用于 3 3v 和5v 电源，功耗很小，对于那些空间受限，小型便携式装置，d i s k o n c h i p 将是最佳选择。d o c 2 0 0 0 结构主要由系统接口单元( s y s t e m l t e r f a c e ) 、系统引导 模块( b o o t b l o c k ) 、闪存控制单元( f l a s h c o n t r 0 1 ) 以及和f l a s h 存储介质等组成， 其结构如图2 4 所示。 片选( c e # 读写信号控制( w 脒 使能信号( o 群) 数据总线( d 【0 川) 地址总线( a 0 - 7 图2 4 d i s k o n c h i p 2 0 0 0 的内部结构图 其中系统接口单元为d o c 2 0 0 0 提供了类似s r a m 的接口，使之能够通过c p u 的本地总线、i s a 总线以及s r a m 总线建立与操作系统的连接。d o c 提供片选信 武汉理工大学硕士学位论文 号( c e 挣) 、读写信号( w 酣) 、使能信号( o 酣) 以及1 3 位宽的地址线( a 0 ：1 2 】) 和8 位宽的数据总线( d 【o ：7 】) 。其p i n 的列表如表2 2 所示。 表2 2p i n 的列表 p i n 名称描述方向 a 0 ：1 2 】 位址汇流输入 d 0 ：7 】 数据汇流输入输出 c e 晶片启动，a c t i v el o w输入 o e 输出启动，a c t i v el o w输入 w e 读写启动，a c t i v el o w输入 v c c电源。所有v c cp i n s 必, 须连接 g n d接地 系统接口在主总线信号( 读、写、地址和片选) 的控制下产生相应的控制 信号送入闪存磁盘，其内部的r o m 提供一种i p l 码，此码在计算机启动过程中将 闪存文件系统软件装入p c 内存。他在p c 的扩展b i o s 中安排了8 k b 以上的存储区 域，其地址为o c 0 0 0 h 0 e f f f h 。计算机开机自检后，d i s k o n c h i p 作为p c 的b i o s 标准操作的一部分，b i o s 搜寻r o m 扩展码，找到后b i o s 执行闪存磁盘内的初始 化码，此码将闪存文件系统软件装入内存。闪存磁盘也将被安装为系统的一个 磁盘，然后将传输器控制回到b i o s 码。当操作系统要确认适合系统的磁盘时， 闪存磁盘软件即模仿一个硬盘做出反应。 2 2 6t 】n j e f f s 技术 t r u e f f s ( t r u ef l a s hf i l es y s t e m ，真实快闪文件系统) 是m s y s t e m 公司开 发出来的专用于电子盘设备的专利技术。t r u e f f s 是t o r n a d o l l 开发环境中的一个 集成的快速闪存文件系统，t r u e f f s 在磁盘区及文件层级都与硬盘兼容。通过 t m e f f s 对d o c 块设备的磁盘仿真功能，从而方便了嵌入式l i n u x 系统对电子盘 的读写、分区、格式化等一系列操作。此快闪文件系统管理技术能让快闪元件 完整地模拟硬盘，就像一颗真正的硬盘一般读写存取。t r u e f f s 软件利用下列方 式简化并加强快闪记忆功能： ( 1 ) 第三代耗损平衡：耗损平衡能确保每一个记忆区段被删除数据的次数相 等，如此便能增加产品的寿命好几十倍。 ( 2 ) 虚拟记忆区段分害l j ( v i r t u a lb l o c k i n g ) ：可让操作者端不察觉到大范围记忆 区段之删除。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 自动寻找、标示毁坏之记忆区段。 运用t r u e f f s 技术，d i s k o n c h i p - m i l l e n n i u m 聒提供快闪文件系统作完整之硬 盘模拟。此功能使d i s k o n c h i p m i l l e n n i u m 快捷及轻易地与市场上主要的作业系 统及其它各类型的作业系统兼容配合。这些特点提供最具成本效益的数据储存 媒介解决方案。 2 2 7l i n u x 的文件系统 通过对操作系统的i o 控制调用。l i n u x 可以通过v f s 访问t u r e f f s 的外部接 口。t a n u x 文件系统最优秀的地方是对多种文件系统的支持( 这里的上层结构是 指v f s 系统和具体的文件系统，即除b u f f e r 管理系统以外的部分) 。为了实现这种 特色，就必须有一个抽象的层次来统一描述各种文件系统，l i n u x 中就用v f s 来 实现了这个抽象层；同时，各种具体的文件系统又必须有一个和v f s 交互的手段， 如图2 5 所示。 图2 5v f s 和文件系统层次图 l i n u x 文件系统管理的最上层模块是文件系统。系统启动时，必须先装入 “根”文件系统，然后根据e t c f s t a b 中的指定，逐个建立文件系统。此外，用户也 可以通过m o u n t ，u m o u n t 操作，随时安装或卸载文件系统。l i n u x 系统调用操作 系统的g e t d r i v e h a n d l e ( ) 函数得到驱动器的句柄，他的返回值是一个能够供i o 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 控制函数调用的t r u e f f s 驱动的描述符。然后再调用操作系统中文件系统的 i o c o n g t r o l ( ) 函数，通过v f s 的支持，使t r u e f f s 具有通用文件系统的特性。当某 个进程发布了一个面向文件的系统调用时，核心将调用v f s 中相应的函数，这个 函数处理一些与物理结构无关的操作，并且把他重定向为真实文件系统中相应 的函数调用，而这些函数调用则用来处理那些与物理结构相关的操作。 2 3 高性能路由器的体系结构 高性能i p v 6 路由器均采用如图2 - 6 所示的多处理机交换式体系结构。接口转 发部件主要包括2 个模块：网络接口模块与转发引擎模块。网络接口模块主要完 成路由器接口上物理层和链路层的功能；转发引擎是路由器的关键部件，实现 数据包的线速转发，其处理速度决定了路由器可支持线路接口的最高速率；交 换结构负责数据包的交换，其容量决定了路由器的吞吐量；主控即路由协议处 理器负责路由的计算和转发表的维护，处理所有的协议报文，生成硬件转发数 据包所需要的转发表，然后下发给接口转发板。各个接口转发板收到数据包后 直接查硬件转发表，将其经调度后送往相应的网络接口卡直接输出。 图2 6 高性能路由器体系结构图 根据这种交换式的体系结构，可将高性能路由器上的处理器按照功能和位 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 置的不同分为两级：主控一级处理机和单板二级处理机。 2 4 高性能路由器的硬件结构 目前，对高性能路由器的要求一般有：线速报文处理、高速交换背板、高 密度高速接e l 、电信级可靠性( 9 9 9 9 9 ) 、稳定可靠的路由软件、大容量的路由 表、支持q o s 等【4 1 。基于这些要求，目前的骨干路由器一般采用分布式结构或大 规模并行式结构，主要问题是路由表的快速查找和高速的报文转发以及对q o s 的支持。 i p v 6 路由器的硬件体系结构大致经历了从“单总线单c p u 结构”到“多总线多 c p u 结构”，再到“交换式体系结构”的过程。尽管其体系结构千差万别，但其逻 辑体系结构并没有发生根本性的变化。从逻辑上我们可将路由器划分为以下几 个功能模块：网络接口模块、转发引擎模块、协议配置与控制模块。如图2 7 所示： 图2 7 路由器逻辑结构 接口模块：主要负责网络物理层处理和数据链路层的处理。即在接收数据 时把比特流还原为数据帧，并且根据链路层的协议将数据交给相应的3 层协议来 处理；在发送数据时，将要发送的数据进行封装帧处理，并由接口转换成比特 武汉理工大学硕士学位论文 流通过电缆发送出去。 转发引擎模块t 主要负责在接口模块完成对数据帧的完整性验证后，开始 处理此数据帧的3 层数据即i p v 6 数据。这一过程是路由器功能的核心。根据数据 报文中i p v 6 包头的目的i p v 6 地址，查找转发表中的下一跳的i p v 6 地址，选择最优 的传输路径。 协议配置与控制模块：主要负责按照一定的规则( 路由选择协议) 来动态地更 新它所保持的路由表，以便保持路由信息有效。并且及时更新转发引擎中的转 发表。 通过以上分析，在逻辑上路由器必须具备如图2 8 所示的功能模块。其中， m u x 或网络核心层是由操作系统来提供的；b s p 、l s p 、s s p 贝j j 与硬件相关。i p v 6 ， i c m p v 6 以及n d 协议位于协议配置与控制模块。从图中可以看出，它们是整个协 议栈的关键部件，也是完成数据包转发功能的关键。 1 6