（控制理论与控制工程专业论文）现代小区宽带交换系统实现.pdf

摘要 本文叙述了应用于小区宽带体系的v l a n 交换机和网管交换机的软、硬件 设计。 日前，我国的现代化小区建设同新月异，而小区宽带交换体系的完善程度是 信息社会人们衡量其现代化水平的重要标准，宽带小区除了要有较高的出口带 宽外，还要求有强大的内部交换能力。因为我国的宽带小区规模越来越大，小 区内部信息交换也越来越多，如v o d 点播、联网游戏等，如此大量数据交换 工作都交给骨干网来完成，将远远超过目前我国骨干网的负载能力，而骨干网 的升级代价又是如此之高，显然这种解决方法是不现实的。因此，急需一种新 的解决方案。目前国内市场上的绝大多数交换设备都是o e m 国外的网络产 品，种类少、价格高，不适合国内的操作习惯，而且没有自主的知识产权。这 些因素都极大的阻碍国内宽带小区建设。为了解决人们日益增长的信息交换需 求与网络现状之间的矛盾，我们提出了一种全新的小区宽带交换体系解决方 案。这套方案的硬件体系是建立在v l a n 交换机和网管交换机基础之上的。 v l a n 交换机直接面向小区用户，位于整个宽带小区网络框架的最底层。它不 同于传统的“傻”交换设备，而是应用了s s t 8 9 c 5 8 大容量f l a s h 的m c u ， 硬件成本很低、操作简便，而且能进行在线v l a n 划分和端口速率配置。网管 交换机则是一种国内各大网络厂商正在大力开发的高档交换机，它位于小区网 络框架的高层。它应用了当前国内外最先进的c p u 处理芯片、最新的网络管理 框架和自主开发的e c o s 操作系统，因此它是一种性价比极高的高档交换机。 把这两款交换机在小区宽带交换体系中进行有机的组合，是目前国内宽带 小区中一种比较领先的综合解决方案。在2 0 0 2 年7 月，该方案作为有创意的解 决方案，被推荐到在北京召开的中国宽带网络建设交流会上参加大会交流，得 到了国内各大网络厂商很好的评价。并且该小区宽带网络方案已被国家广电总 局所采用，在江西南昌某小区f 式投入使用，得到了业界广泛的好评。 关键字：交换机 v l a ns s t 8 9 c 5 8广播风暴 s n m p e c o s嵌入式系统m i i s m i ig m i i a r m 7 a b s t r a c t t h i sa r t i c l et e l l su st h e d e s i g n a t i o n o fv l a na n d m a n a g e m e n t s w i t c h e r sf o rm o d e m d i s t r i c tb r o a d b a n dt r a n s f e rs y s t e m 。 o u rm o d e m d i s t r i c ti sd e v e l o p i n g q u i c k l y ，a n dt h el e v e lo fi n f o r m a t i o n l sam a r es t a n d a r dt oe v a l u a t et h el i v i n ge n v i r o n m e n t b r o a d b a n d d i s t r i c t n e e d s h i g h i n t e m a lt r a n s f e r a b i l i t y b e s i d e s h i g h b r o a d b a n d e x p o r t b e c a u s et h ed i s t r i c ti s b e c o m i n gl a r g e r a n dl a r g e r ，m o r ea n dm o r e i n f o r m a t i o ni st r a n s f e r r e di n s i d eo n eb u i l d i n go rad i s t r i c t s u c ha sv o d a n di n t e m e tg a m e s i ti si m p o s s i b l et os e n da l lt h e s ei n f o r m a t i o nt ot h e m a i nn e t o nt h eo n eh a n d ，l o t so ft h ei n f o r m a t i o ni si n t e r n a l 。s oi ti sb e s t t ot r a n s f e rt h e mi nt h el o c a la r e an e t o nt h eo t h e rh a n dt h ec o s to f u p d a t i n g t h em a i nn e tw i l lb es o l a r g ea n d i t su p d a t i n gt i m ei ss o1 0 n gt h a t t h em a i nn e tc a n ts u p p l ye n o u g hb r o a db a n da n dw i l lc o m et op a r a l y z e 。 s ow es h o u l dd i v i d et h ei n f o r m a t i o ni n t ot w o p a r t s ，o n ef o re x t e r n a la n d t h e0 t h e rf o ri n t e r n a l w es h o u l dt r a n s f e rd i f f e r e n ti n f o r m a t i o n b y d i f f e r e n tm a n n e r s ，a n dw en e e ds p e c i a lt r a n s f e rd e v i c e sf o rt h em o d e m d i s t r i c t t h e r ea r ef e wt r a n s f e rd e v i c e sd e s i g n e db yo u r s e l v e si no u r c o u n t r y ，m o s to fw h i c ha r eo e mp r o d u c t s 。t h e r ea r ef e wk i n d so f t r a n s f e rd e v i c e sa n dt h ep r i c ei ss oh i g h a b o v ea l l ，t h e i ro p e r a t i o n sa r e n o ts u i t a b l et ou s s oi ti sn e c e s s a r yt od e v e l o po u ro w nt r a n s f e rd e v i c e t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h e r e q u e s ta n dt h eq u e s t i o n s o ft h e b r o a d b a n dd i s t r i c t i t p u t s f o r w a r dan e wp r o j e c tt or e s o l v et h e s e p r o b l e m s 。t w ok i n d so fs w i t c h e r sa r ed e s i g n e df o rt h i sp r o j e c t ，o n ei s v l a ns w i t c h e ra n dt h eo t h e ri sm a n a g e m e n ts w i t c h e r v l a ns w i t c h e ri s a tt h eb o t t o mo ft h em a n a g e m e n tf l a m e 。b e c a u s eo ft h ea p p l i c a t i o no ft h e s s t 8 9 c 5 8 醚e uw i t hl a r g ea m o u n to ff l a s 珏。i t sc o s ti sc u td o w na n d t h eo p e r a t i o ni ss os i m p l et h a tt h es w i t c h e rc a l lb ec o n f i g u r e do n l i n e t h e m a n a g e m e n ts w i t c h e ri st o pg r a d ed e v i c e ，w h i c hi sl o c a t e do n t h et o po f t h ef l a m e i ta d o p t sa r m 7c p u 。s n m pp r o t o c o la n de c o so p e r a t i o n s y s t e m i tc a n b em a n a g e d b y p c t h r o u g h i n t e r a c t t h et w oe t h e m e ts w i t c h e r sc o o p e r a t ei nt h en e wp r o j e c tv e r yw e l l 。 t h i si sa na d v a n c e dt r a n s f e rf r a m ei no u rc o u n t r y ，a n di ti ss u i t a b l et ot h e d e v e l o p m e n to fo u rb r o a d b a n dd i s t r i c t 。n o wt h i sp r o j e c ta n dt h e t w o s w i t c h e r sh a v eb e e na p p l i e di ns e v e r a lm o d e m d i s t r i c t sa n dr e c e i v e dg o o d c o m m e n t s k e y w o r d s ：s w i t c h e rv l a n s n m pe c o s g m i i 删7 s s t 8 9 c 5 8b r o a d c a s t s t o r m i n g e m b e d d e do sm i is m i i t i a n j i np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t yg r a d u a t es t u d e n ta r t i c l ef o rm a s t e rd e g r e e 第一章绪论 人类已经进入了信息时代，作为一种主要联系方式的互联网，f 以惊人的 速度向前发展，而数据的传输速度越来越成为互联的瓶颈。目前，我国宽带网络 的骨干网出口带宽问题已基本解决，主干网竞争格局已基本形成。宽带i p 网分 为三个层次：骨干层、汇聚层和驻地网。用户驻地网是指业务集中点到用户终端 的传输及线路相关设施，其中所说的f t t b + l a n 方式就是光纤到小区或大楼、 五类双绞线到用户的以太网接入方式。这是一种新兴的、高效的接入方式。 所以驻地网的解决方案越来越成为人们关心的重点。其中，以太网交换机 扮演了重要的角色。我国特有的环境有利于网管交换机在以太网接入领域的发 展。我国绝大多数城镇居民住在公寓式楼房中，用户密集，1 0 0 米的服务半径可 以覆盖几十户甚至上百户居民。以太网接入交换机服务对象主要分为两类：一类 是供企、事业单位办公生产使用，需要接入的地方包括单位的办公楼、厂房或出 租的共用办公楼m t u ；另外一类是接入居民住宅区、包括一户一楼的别墅式住 宅和公寓型居民住宅楼m d u 。 第一节交换式技术发展概述 以太网交换机又称为交换式集线器。计算机技术与通信技术的结合促进了计 算机局域网络的飞速发展，从六十年代末a l o h a 的出现到九十年代中期 1 0 0 0 m b p s 交换式以太网的登台亮相，短短的三十年间经过了从单工到双工，从 共享到交换，从低速到高速，从简单到复杂，从昂贵到普及的飞跃。 八十年代中后期，由于通信量的急剧增加，促使了交换技术的快速发展，使 局域网的性能越来越高，最早的1 m b p s 的速率已广泛地被今天的1 0 0 b a s e - - t 替代。但是，传统的媒体访问方法都局限于使大量的站点共享对一个公共传输媒 体的访问。九十年代初，随着计算机性能的提高及通信量的聚增，传统局域网 已经愈来愈超出了自身的负荷，交换式以太网技术应运而生，大大提高了局域网 的性能。与现在基于网桥和路由器的共享媒体的局域网拓扑结构相比，网络交换 机能显著的增加带宽。交换技术的加入，就可以建立地理位置相对分散的网络， 使局域网交换机的每个端口可平行、安全、同时的互相传输信息，而且使局域网 可以高度扩充。 局域网交换技术的发展要追溯到两端口网桥。桥是一种存储转发设备，用来 p a g e 1 t i a n i i np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t yg r a d u a t es t u d e n ta r t i c l ef o rm a s t e r d e g r e e 连接相似的局域网。从互联网络的结构看，桥是属于d c e 级的端到端的连接； 从协议层次看，桥是在逻辑链路层对数据帧进行存储转发；与中继器在第一层、 路由器在第三层的功能相似。两端口网桥几乎是和以太网同时发展的。 以太网交换技术( s w i t c h ) 是在多端口网桥的基础上与九十年代初发展起 来的，实现o s i 模型的下两层协议，与网桥有着千丝万缕的关系，甚至被业界人 士称为”许多联系在一起的网桥”，因此现在的交换式技术并不是什么新的标准， 而是现有技术的新应用而已，是一种改进了的局域网桥，与传统的网桥相比，它 能提供更多的端口( 4 8 8 ) 、更好的性能、更强的管理功能以及更便宜的价格。 现在某些局域网交换机也实现了o s i 参考模型的第三层协议，实现简单的路由选 择功能，目前国外厂家正在投入大力量进行开发的第三层交换就是指此。以太网 交换机又与电话交换机相似，除了提供存储转发( s t o r ea n df o r w a r d ) 方式外还 提供了其它的桥接技术，如：直通方式。 第二节交换式以太网的工作原理及特点 以太网交换机检测从以太端口来的数据包的源和目的地的m a c ( 介质访问 层) 地址，然后与系统内部的动态查找表进行比较，若数据包的m a c 层地址不 在查找表中，则将该地址加入查找表中，并将数据包发送给相应的目的端口。交 换式以太网不需要改变网络其它硬件，包括电缆和用户的网卡，仅需要用交换式 交换机改变共享式h u b ，节省用户网络升级的费用。可在高速与低速网络间转 换，实现不同网络的协同。目前市场上国外几大网络公司都在大力推广交换式以 太网交换机，这种交换机都具有1 0 0 m b p s 的端口，通过与之相对应的i o o m b p s 的网卡接入到服务器上，解决了i o m b p s 的瓶颈，成为网络局域网升级时首选 的方案。它同时提供多个通道，比传统的共享式集线器提供更多的带宽，传统的 共享式1 0 m b p s 1 0 0 m p s 以太网采用广播式通信方式，每次只能在一对用户间进 行通信，如果发生碰撞还得重试，而交换式以太网允许不同用户间进行传送，比 如，一个1 6 端口的以太网交换机允许1 6 个站点在8 条链路问通信。特别是在时 间响应方面的优点，使的局域网交换机倍受青睐。它以比路由器低的成本却提供 了比路由器更宽的带宽和更高的速度，除非有上广域网( w a n ) 的要求，否则， 交换机有替代路由器的趋势。 p a g e2 _ t i a n i i np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t yg r a d u a t es t u d e n t a r t i c l ef o rm a s t e r d e g r e e 阀络交换机有两种交换方式：直通式( c u tt h r o u t h ) ，存储转发 ( s t o r e a n d f o r w a r d ) 。直通方式的以太网络交换机可以理解为在各端i z i 间是纵横 交叉的线路矩阵电话交换机。它在输入端口检测到一个数据包时，检查该包的包 头，获取包的目的地址，启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口，在输入 与输出交叉处接通，把数据包直通到相应的端e l ，实现交换功能。由于不需要存 储，延迟非常小、交换非常快，这是它的优点；它的缺点是：因为数据包的内容 并没有被以太网交换机保存下来，所以无法检查所传送的数据包是否有误，不能 提供错误检测能力，由于没有缓存，不能将具有不同速率的输入输出端口直接 接通，而且，当以太网络交换机的端口增加时，交换矩阵变的越来越复杂，实现 起来相当困难。 存储转发方式是计算机网络领域应用最为广泛的方式，它把输入端口的数据 包先存储起来，然后进行c r c 检查，在对错误包处理后才取出数据包的目的地 址，通过查找表将其转换成输出端口并送出。正因如此，存储转发方式在数据处 理时延时大，这是它的不足，但是它可以对进入交换机的数据包进行错误检测， 尤其重要的是它可以支持不同速度的输入输出端口问的转换，保持高速端口与低 速端口间的协同工作。 局域网交换机是工作在o s i 第二层的，可以理解为一个多端口网桥，因此传 统上称为第二层交换；目前，交换技术已经延伸到o s i 第三层的部分功能，既所 谓第三层交换，第三层交换可以不将广播封包扩散，直接利用动态建立的m a c 地址来通信，能看懂第三层的部分信息，如i p 地址、a r p 等，具有多路广播和 虚拟网间基于i p 、i p x 等协议的路由功能，这方面功能的顺利实现得力于专用集 成电路( a s i c ) 的加入，把传统的由软件处理的指令改为a s i c 芯片的嵌入式指 令，从而加速了对包的转发和过滤，使得高速下的线性路由和服务质量都有了可 靠的保证。目前，如果没有上广域网的需要，在建网方案中一般不再应用价格昂 贵、带宽有限的路由器。 交换技术的快速发展，允许区域分散的组织在逻辑上成为一个新的工作组， 而且同一工作组的成员能够改变其物理地址而不必重新配置节点，这就是用到所 谓的虚拟局域网技术( v l a n ) 。用交换机建立虚拟网就是使原来的一个大广播 区( 交换机的所有端口) 逻辑的分为若干个”子广播区“，在子广播区里的广播风 ，t i a n j i np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t yg r a d u a t es t u d e n ta r t i c l ef o rm a s t e rd e g r e e 暴只会在该广播区内传送，其它的广播区是收不到的。v l a n 通过交换技术将通 信量进行有效分离，从而更好地利用带宽，并可从逻辑的角度出发将实际的l a n 基础设施分割成多个子网，它允许各个局域网运行不同的应用协议和拓扑结构， 这在现实中是有广泛应用的。 第三节现代小区宽带网络建设所面临的问题 人们对网络需求不断提高，如带宽、网络组、安全性和可管理性等，而这些 需求主要集中在“最后一公里”，他们的实现则要靠网络交换机来完成。按用户 应用的不同交换机的种类也在不断细化。现代化小区用户的要求与企业用户的要 求有着很大的区别，它要求交换机端口锁定、配置简单、支持v l a n 功能、价 格便宜等。课题中之所以将所开发的交换机命名为小区交换机，是因为在现代小 区中的宽带网络与通常的宽带应用不同。一般的宽带应用的主要矛盾是宽带出口 问题，而宽带小区除了有同样的要求外还要求有强大的内部交换能力。因为，目 前我国的宽带小区规模越来越大，小区内部信息交换也越来越多，如v o d 点播、 联网游戏等，如果这么多的数据量都交给骨干网的路由器来完成，那么将远远超 过目前我国骨干网的负载能力，而骨干网的升级代价又是如此之高，显然这种解 决方法是不现实的。那么，怎么解决人们同益增长的信息交换需求与网络现状之 间的矛盾呢? 这些都是国内宽带建设所面临的问题，急需解决。同时，这也是我 研究生课题的研究目的。 第四节课题概述及总体方案的提出 本课题来源于北京全向电子科技有限公司，该公司是北京中关村注册的高新 技术产业公司。该公司生产出了国内第一颗5 6 km o d e m ，目前全向m o d e m 仍然是国内客户“第一首选品牌”。现该公司致力于网络产品的开发，包括a d s l 、 8 口、1 6 口、2 4 口交换机，其中第一款产品已投向市场，现阶段正在全力开发 带v l a n 功能和带网管功能的交换机。网管交换机更是重中之重，也是国内各 大电子公司( 如华为、实达等公司) 争相研制、开发的焦点。 通过分析可知，目前我国现代化小区宽带建设所面临的问题主要集中在“最 后一公里”上。这主要包括两方面：一、小区要求有“造价低”而又“高带宽” 的出口；二、要求有很高的内部交还能力。显然，这两个要求表面上看来是相互 野垒由i ! q ! y ! ! ! b 丑i ! 堕堕! y ! ! ! i ! y 鱼 垦亟丛熊! 曼! 丛鱼! m 巫! ! 幢e q ! 凹垦! ! 虹q ! g ! 星星 矛盾的。其实，并非如此。传统的解决方案是小区应用多个“傻”交换机配l 路 【ij 器或者高端三层交换机，这种结构最大的缺点是造价高、结构死板，不容易更 改。f 本课题进行过程中我们创造性地提出了一科t 新的解决方案，如图l1 所 1 i 。此方案将出口带宽与内部交换分离丌处理。内部交换信息决不能送到外网， 而是交给q s 6 3 0 8 v 、q s 8 2 2 6 1 和中心千兆交换机。首先，这样使得内部交换信息 的延时最小，保障了传输质量同时减轻了出口的负担；另一方面将传统的单- 高 带宽出j 1 分散为低带宽、多出e l 的方式。用多个廉价的a d s l 替代了昂贵的路由 器，把路由功能交给了电信去完成。这种方案既提高了内部交换能力又合理地解 决了 b 口瓶颈问题，而且出口可以根据网络的发展灵活的更改。 要实现有效的接入，就需要有不同功能的高效的交换机来配合，才能达到理 想的应用效果。根据国内小区宽带用户的实际应用环境在本课题中设计了两款交 换机。这两款交换机在实际小区中的应用如图l 一1 所示。图中q s 6 3 0 8 a d s 出口 为 图1 1 宽带小区解决方案 主要负责一家一户的安全隔离和按照用户的实际需要进行小 0 世 一殂由也贮q i y l 盟幽i 堕盟i ! 盟s i t v g r a d u a t es t u d e n ta r t i c l ef o rm a s t e rd er x l e e 一 范瀚的v l a n 配餮；两q s 8 2 2 6 1 楚两管交换橇，它主要受责集体蠲，、( 妇8p ) 的配嚣管理，它的每一个”f 连端口为1 0 0 m 连到q s 6 3 0 8 的上连 上= ，而q s 8 2 2 6 1 本身通过1 0 0 0 m 光口( 或1 0 0 0 m 电曰) 迄到网关t 。两者的结合实现1 0 0 0 m 到 小区、l o o m 入户，同时出于掰款交换机都有广播风暴控制功能，因此，可以把 广播报控制在本交换机瓶田内，从而有效地抑制网络拥塞的发，士，达到局域网的 惠效运行。 稃我的研究生课题中，主要针对这两款交换机进行硬件软件的改进、刀。发。 钳漪疆静一些通建设诗方案兹不是，魏搡律繁琰、不麓遴行用户参数豹实露醚器 等，本论文第二部分中对此进行了详细的讨论，并提出了改进方案q s 6 3 0 8 ，这 稀改迸方案中在主芯片和配置数据存储秣之阀建立了舔个数据遥逶，蠲s s 8 9 c 5 8 负责两个数据通道的切换，通过m a x 2 3 2 与上位机用户界面进行实时交换，避 免了数掰的互相干扰。用户完全可以通过上位机进行在线配置，从而完全克腋了 簿一秘方案妁诸多不便，提高了实用性。 在论文的第三部分阐述了网管交换机q s 8 2 2 6 的设计，该交换机的组成包括 以下各个内容；嵌入式搽 睾系统、a r m 7 芯片、s n m p 携议。嵌入式操作系统 ( r e a l t i m et i m eo p e r a t i o no ns y s t e m ，又称r t o s ) ：嵌入式系统是信息产业走向二 十一篷缎知识经济对代的最重癸的经济增长点之一，这是一个不可垄瑟嚣：e 韭、对 中国的信息产业来说充满了机遇和挑战。嵌入式工业的撩础是以应用为中心的芯 片设计和面向应用的软件开发。嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成子计算 枧硬件系统之中。麓单熟漉就是系统的应用软件与系统的硬件一体化，具有软件 代码小，高度自动化，响应速度快等特点，特别适合予要求实时的和多任务的体 系。网簿交换嘏癸对复杂设套、系统避嚣磐理，并显要求自身有缀裹的实时性t 是然一般的8 位单片机汇编程序已经不具备以上能力，而嵌入式系统一好具备以 l 二特性。所良，在谍怒中采霜了嵌入式系统e c o s 乍为2 4f 1s w i t c h 鹣中心处 理平台，这可以提高研制效率、增加系统灵活性，并为系统的升级、扩餐做好了 准餐。 在她课题中我们采用了a r m 7 芯片。a r m 7 是典型的3 2 位r i s c 芯片。a r m 有两种指令集：1 6 位t h u m b 指令集和3 2 位a r m 指令集。使糟1 6 位的存储器 哥 蔓酶低戏本，在这耱溃况一f ，t h u m b 指令袋的整体执行速度比a r m 3 2 位搬 一 ! 墨警i 銎芝璺l y 篮耋塾垒l 篓i ! ! ! 量鹜i 垃璺望壁垡蠡熊薹尘垂釜羹l 盎煎超| ! 笾醚堑塑! 一叠堇鏊篷曼 一一 令嶷块，露旦提裹了代码密度，所以一般用t h u m b 编译嚣熄c 语言摇序缡译裁 1 6 位的代码。课题中选用了t h u m b 指令模式。 s n m p 镑议，瑟在管淫帮与弼络设备进行遂谲时赝遵麸馥援娲。s n m p 是；鼍 今最流行的标准网络管理框架，s n m p 指用于管理网络的个协泌传输数据 的系列烧剐。s n m p 掇馁了一个基本梃架，用来实现对签巍、授权、访闷控割， 以及网络管理政策实施等的高层管理。它主要包括三个要素：网络、被管理的网 络设备和网络管理设备。由于s n m p 是标准化的协议，增强了框架的灵活性和 川扩矮性。课题中将采用s n m p v 2 ，这将蠖网管交换枫具有双重角色，即闷时具 有管理进程和代理进程作用。s n m p 的广泛采用及以上这些特性，使得我们决定 袭此项嚣熬躅蓉交挨辊上采爆j 毙协议。 嵌入式操作系统、a r m 7 芯片和s n m p 协议的采用这是两个当今网络硬、软 件行蝗最流行的耨接术，这氇正楚稳成我稻繇蚕设诗匏潮管交换穰的三大立足 点。我们所要做的就是如何在这三部分基础之上协调好网管交换机的其它各个硬 件部分，并实现有我们自己特色的网络管理功麓。 强自g 我国基本上没有完全自主知识产权的网管软件系统，作为铡络安全的命 脉，网管交换的核心软件具有不w 替代的意义。这一点，在实际廒用中是很现实 款。比如在全趣公司与公安郝等磐户谈应爆的时镞，公安都要求必须鍪案嬲管型 交换机的网管软件源代码。许多系统集成商在构建网络方案时，也考虑相应的厂 蕊及安全性闻舔，这裁餮求疆管系统必籁有鑫己完全窘主豹熟识产权。 就固外的情况而苦，网管型交换机技术也掌握在少数几家著名的网络厂商手 中，女hc i s o 、i b m 等。雯重要的楚，对于夔太网的安全筏静需求来鸯薪兴的疆 太网接入及一些d s l 连接技术，随着网络协议的不断发展和进步，网管型交换 机的管理功能和方式也在不断的发展，只有掌握核心的软件技术，彳可以适应不 鞭发展豹以太网应用震求。 通过以上分析可知，网管交换机在未来的数字化时代中占极其重要的地位。 潮管交换壤在餮终已经蠢了较广泛夔应瑙，并虽确实发撵了重要熬俸矮，国内正 在大力推广，有魑地区的小区试点已经开始采用。但国内所采用的交换机基本上 都慧腻酮外引送，国内死乎没有成墅的产晶阀藿妾。就霆肉酌现状束说，磷发毒叠 已特色和自主知识产权的此类产品对国内网络业的发展是很有必要的。因此，本 t i a n i i np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t yg r a d u a t es t u d e n ta r t i c l ef o rm a s t e r d e g r e e 己特色和自主知识产权的此类产品对国内网络业的发展是很有必要的。因此，本 课题建立在这个基础之上是很有现实意义的。本课题的研究属于国内先进水平， 从器件选用、程序设计到整体构架上都是一次大胆的尝试。本课题的创薪点正是 应用a r m 7 芯片、嵌入式操作系统和s n m p 协议这些先进的软、硬件技术构并 根据实际应用环境需求造新型的、用于小区接入专用交换机。 基于以太网技术的发展并根据国内用户的居住特点开发出的这两款交换机 已经被广电总局在江西南昌某现代化小区所采用，并获得了很好的评价。在2 0 0 2 年于北京召开的中国宽带网络建设交流会上得到了广泛的好评。这套方案在解决 目前我国小区宽带建设所面临的“最后一公里”问题上必将发挥很好的作用。 本课题有参考价值的创新点有： 1 提出了国内领先的小区宽带网络接入框架。这种管理框架能及时的抑制广 播风暴，将传统的具有路由功能、单一高带宽出口连接方式改进成分散的、 有选择的数据数据输出方式。同时，还大大提高了内部交还能力。这种方 案适合我国正在兴起的现代化小区内部高带宽的要求，克服了出口瓶颈， 降低了网络建设费用，减轻了骨干网负担，优化了整个网络。这对国内现 代化小区的宽带建设有着极其重要的意义。同时，针对所提方案设计了 q s 6 3 0 8 v 和q s 8 2 2 6 i 两款以太网交换机。 2 分析了通用v l a n 交换机的硬件成本高、无法进行在线配置等缺点，提出 了设计更加优化的q s 6 3 0 8 v 交换机。这种以太网交换机采用单芯片结构， 降低了成本。应用了大容量单片机s s t 8 9 c 5 8 作为核心配置处理器，通过 r s 2 3 2 与上位机连接，实现了交换机的实时在线配置。同时，它还提供了 1 0 0 兆、光电可选的上连口与上层交换机相连，极大的提高了使用效率。 这种交换机性价比更高。 3 采用了美国l s i 公司内嵌c p u 的交换芯片，将国外最先进的开放源代码的 实时操作系统e c o s 进行了定制后作为软件平台，并与标准的s n m p 管理 框架相结合，设计出了网管交换机q s 8 2 2 6 i 的网络管理软件。这款交换机 具有1 0 0 0 兆、光电可选上连口增加了网络带宽，同时可以同过以太网进行 在线的网络管理，实现了鉴别、授权、访问控制和网络管理政策实施等的 高层管理，大大的提高了小区网络系统维护效率。 p a g e8 t i a n i i n p o l y t e c h n i c u n i v e r s i t y g r a d u a t e s t u d e n t a r t i c l e f o r m a s t e r d e g r e e 第二章v l a n 接入交换机 q s 6 3 0 8 v f 交换机是一款自主研发的以太网交换机。它在整个网络构架中处 在最低层，也就是说直接面对网络用户。它是在数据链路层同时建立多个传输路 径，并使交换机的各个下连端口按要求隔离、互通，从而有效的保证用户的网络 信息安全。有一个1 0 0 m 光纤上连口和8 个1 0 0 m 下连电口，实现1 0 0 m 到家庭， 完全能满足目前我国小区用户的需求：支持i e e e 8 0 2 3 x 标准，可支持基于端口 的8 个v l a n 组，这非常适用于提供一个楼洞居民的上网服务，所以又称之为 “小区接入交换机”。国内也有同类型的交换机，但由于是采用国外设备价格昂 贵、布线复杂、配置烦琐甚至没有相应的人性化的配置界面，这给用户造成了极 大的不方便，从而难于推广。q s 6 3 0 8 v f 与同类交换机相比它采用了新的实现 方案，价格低廉、布线相对简单、拥有更加人性化的配置界面。投入应用后得到 了业界的广泛认可。 第节 c l a n 交换机硬件设计 q s 6 3 0 8 v f 以太网交换机采用了a d m t e k 公司的a d m 6 5 0 9 芯片，这是一个 拥有1 6 0 个引脚和强大功能的交换芯片，提供了8 个基于d s p 的全双工 1 0 m 1 0 0 m 接口、一个m i i 接口和一个e e p r o m 接口。它工作于t c p i p 模型的 数据链路层，采用分组交换，其结构原理如图2 1 所示。 其中数据交换缓存部分用于进行快速数据交换的高速缓存，4 k 空问的m a c 地址列表用来存储从已转发数据包中分离出的目的地址；交换连接表负责把已转 发过的数据包的地址信息提供给连接控制器。如目的地址为本交换机内部端口， 则直接在通过内部存储总线转给相应端口，如为外部地址则将其进行数据连路层 处理并通过m i i 口进行转发。当发现转发包的目的地址不在地址列表中时，连接 控制器会自动进行地址学习( a d d r e s sl e a r n i n g ) 读取其目的地址并通过地址连接 表放八地址列表中以备以后查看。p h y 部分为物理层设备，它进行4 b 5 b 编码， 以提供1 0 0 m 连接信号；m a c 为媒体访问控制器，它向p h y 提供标准的m i i 接口。存储控制器进行存储转发功能控制；作为串行f l a s h 存储器，e e p r o m ! ! 皇画也q ! 业璺丛丝堕壁! ! 曼s ! 鲤鱼照血垒l 曼地焦! 堕韭i ! 至q 丛婪l 墼q 曼g 理! 的容量为1 k b i t s ，在缺省模式下是1 6 位电可擦除存储器，它负责提供端口及 v l a n 的配置参数。 图2 1主芯片内部交换结构 通过以上模块结构的分析，可构造简单解决方案如图2 - 2 所。这种设计方案 设计思路简单、直观，但同时也有诸多的弊端( 由于篇幅有限，在此省略了很多 的设计环节如：l e d 显示部分、排电阻抗干扰部分和电源转化部分包括3 种供 电电压5 v 、3 3 v 、2 5 v 和3 种地v s s t 、v s s a 、v s s 、v s s g n d 共7 种供电方 式。以下的示意图都是如此) 。 图2 m 2方案一设计结构 p a g e l 0 一t i a n i m p o l y t e c h n i c u n i v e r s i t y g r a d n s , t a , q m d e n t a r t i c l e f o r m a s t e r d e g r e e 经过编码后的信号通过1 1 0 4 e 进行电平转换成最终要传输的信号。r j 4 5 x 8 是8 口的r 3 4 5 插座它们和主芯片一起构成了8 个标准1 0 m 1 0 0 m 下连电端口， 而m i i 接口是标准的介质无关接口，根据具体需要选择适当的p h y 芯片如 b r o a d c o m 公司的b c m 5 4 0 2 和d a v i c o m 公司的d m 9 1 6 2 。 主芯片起动时需要一些配置参数( 如广播风暴控制、地址老化时间、端口属 性参数和v l a n 参数等) ，这些参数都将存储在9 3 c 4 6 中，是主芯片a d m 6 5 0 9 的配置参数存储芯片。主芯片起动时会读此芯片并配置系统。s k 为e e p r o m 的 时钟信号，c s 为片选信号，d i 、d o 分别为数据输入、输出信号。 9 3 c 4 6 中的系统配置参数对于整个系统的运行有着重要意义。其中按照主芯 片a d m 6 5 0 9 的读写顺序存放5 0 个1 6 位数据。下面介绍几个关键寄存器值： 1 寄存器0 1 h ： r e s e v e dr e s e v e d h a s h i n g c o l l i s i o nm a x i m ub r o a d c a s t a 百n g 伍g a l g o f i t h e n a b l em s t o r m i n g t i m e m l e n g t h b i t 1 5 b i t 14 】b i t 1 3 】b i t 1 2 b i t 1 1 ：1 0 m o d e b i t 7 ：4b i t 3 ：0 b i t 9 ：8 】 表2 1 寄存器0 1 h b i t 3 ：0 】是半双工状态时的帧间隙，b i t3 是符号位，当它为0 时表示数值为 负，b i t 2 表示二迸制数值( 其单位为4 ) ，例如：1 0 1 0 表示帧间隙- - - 9 6 + 2 x 4 = 1 0 4 b i t 时间。 b i t 7 ：4 】是老化时间，也就是说当一个主机从停止活动到其地址从地址列表中 消失所需要的时间。缺省值为3 0 0 秒 b i t7b i t 6 b i t 5b i t 4老化时间 000 03 0 0 $ e c 00 10 6 0 0s e e 00 11 1 2 0 0s e c 010 0 2 4 0 0s e c 0 10l 4 8 0 0s e c 0 110 9 6 0 0s e c 一t i a n j i np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t yg r a d u a t es t u d e n ta r t i c l ef o rm a s t e r d e g r e e 01 11 3 8 4 0 0s e c 根据需要可自行选择老化时间值，根据交换机的实际需要在此设置该寄存器 低8 位为4 0 h 。 b i t 【9 ：8 是广播风暴控制模式选择。这两位只在广播风暴目的地址为f ff f f ff ff f f f 时才有效。关于广播风暴的控制模式共有4 种模式，如下所示： b i t 9b i t8 00 d i s a b l e ( 缺省值) 016 4b l o c k s 1o 4 8 b l o c k s 11 3 2 b l o c k s 具体选用哪种模式可由用户根据实际情况自己选择。由于该交换机为o s i 模 型中的第二层交换，数据量大，响应速度需要快，为了及时控制广播风暴的发生 将其设置为0 1 b 。 b i t 1 l ：1 0 是最大包长选择 b i t l lb i t l 0包长度 00 1 5 3 6 b y t e s ( d e f a u l t ) 011 5 2 8b y t e s l0 1 5 2 2 b y t e s 11r e s e r v e d 三种模式供用户自己选择。 其它各位在此就不一一介绍了。 2 v l a n 组相关的各个寄存器 8 个下连口共可分为8 个v l a n 组，相关寄存器连续分布在0 6 h 0 8 h ( v l a n 0 v l a n 8 ) 中。如表2 2 所示。 在软件设计中按照如上规则迸行设计，如有a 、b 、c 、d 、e 、f 6 个p c 分 别接在交换机的p o r t 0 p o r t5 ，现需要将a c 、b e 、d f 分在不同的v l a n 组中 ( 即实现各组之间不能互访) ，分v l a n 组如下： v l a n0 ：0 x 0 0 0 5 v l a n1 ：0 x 0 0 1 2 p a g e l 2 t i a n j i np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t yg r a d u a t es t u d e n ta r t i c l ef o rm a s t e r d e g r e e v l a n2 ：0 x 0 0 2 8 将其在相应地址的寄存器中写入这些数值并命令主芯片重新启动后，配置数据生 效。 v l a n 寄存器b i t 15 ：9 】 b i t 8 b i t 7 b i t 6 b i t 5 b i t 4 b i t 3 b i t 2 】b i t 1 b i t 0 组名称 地址 v l a n0 6 hr e s e r v e d p o a 8 】p o r t 0 ：各位1 为此端口在此v l a n 中，0 0 缺省为0 表示不在 v l a n0 7hr e s e r v e d p o r t 8 】p o r t 0 ：各位1 为此端口在此v l a n 中，0 l 缺省为0 表示不在 v l a n0 8hr e s e r v e d p o r t 8 】p o l i o 】：各位1 为此端口在此v l a n 中，0 缺省为0 表示不在 v l a n0 9 hr e s e r v e d p