（通信与信息系统专业论文）以太网交换及应用技术研究.pdf

摘要 以太网技术以其简单、良好的经济性、互通性和易用性等优势使其成为一种 最流行的局域网技术，不论在办公室、家庭联网还是接入网方面都获得了广泛应 用。然而新的高速以太网技术标准的形成，特别是1 0 g b i t s 以太网的工作距离已 经增大到4 0 k m ，使以太网技术已经走出局域网的狭小空间，并逐步应用于城域网 甚至广域网等大规模、长距离网络的建设。 结合本室承担的横向研究项目“h i n o c ( 基于同轴电缆的高性能网络) 接入技术研究”，本文首先介绍了基于m o c a 标准的广电接入网设备h i n o c s w i t c h i n g 和h i n o cb r i d g e 的设计方案，讨论了如何将以太网交换技术应用到这些 设备当中，并完成设备中交换模块的电路设计与实现，以及驱动程序的设计与调 试。通过实际测试，证明驱动程序设计正确，性能良好。 然后从分析将以太网技术应用于广域网互连时面临的问题入手，针对其中的 快速保护与恢复问题，提出一种适合于广域以太网的分层保护参考模型，就该模 型可以使用的保护机制一一做出简要介绍，并设计了一种基于以太网层的1 ：1 链 路保护倒换机制。该保护机制是要在m a c 客户层和m a c 层( 或者可选的m a c 控制子层) 之间引入链路选择子层，通过提供冗余链路的方式为广域以太网提供 快速保护。最后本文就广域以太网对电路型业务的支持做了简要分析，总结了广 域以太网电路仿真面临的主要技术挑战，并对广域以太网电路仿真的业务时钟同 步方法做了详细介绍。 关键词：广电接入网以太网交换广域以太网保护机制 电路型业务 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n t a g eo fs i m p l i c i t y , l o wp r i c e ，g o o di n t e r o p e r a b i l i t ya n de a s yu s a g e ， t h ee t h e m e tt e c h n o l o g yh a sb e c o m eo n ek i n do ft h em o s tp o p u l a rl a nt e c h n o l o g i e s w h e t h e ri no f f i c e ，i nf a m i l yo ri nt h ef i e l do fa c c e s sn e t w o r k ，i th a sb e e nu s e dw i d e l y h o w e v e r , w i t ht h ef o r m a t i o no fn e wh i 曲s p e e de t h e r n e tt e c h n i c a ls t a n d a r d ，e s p e c i a l l y t h ea u g m e n t a t i o no f10 g b i t se t h e r n e tw o r kd i s t a n c et o4 0 k m ，t h ee t h e r n e tt e c h n o l o g y i sn ol o n g e rc o n f i n e dt ol a n ，a n dc a l lg r a d u a l l yb ea p p l i e dt ot h ec o n s t r u c t i o no fn e t w o r k w i t hl a r g es c a l ea n dl o n gd i s t a n c e s u c ha sm a n o re v e nw a n b a s e do nt h er e s e a r c hp r o j e c t “h i n o c ( h i g hp e r f o r m a n c en e t w o r ko v e rc o a x ) a c c e s st e c h n o l o g yr e s e a r c h ”，t h i sp a p e rb e g i n sw i t ht h ei n t r o d u c t i o no fd e s i g ns c h e m e o na c c e s sn e t w o r ko fb r o a d c a s t i n ga n dt e l e v i s i o nd e v i c e ，h i n o cs w i t c h i n ga n d h i n o cb r i d g e ，a n dd i s c u s s e sh o wt oa p p l ye t h e r n e ts w i t c h i n gt e c h n o l o g yt ot h e s e d e v i c e s i nt h i sp a p e r , t h ec i r c u i ti m p l e m e n t a t i o na n dd r i v e rp r o g r a mo f o fs w i t c h i n g m o d u l e sa r er e a l i z e d i np r a c t i c et e s t i n g ，g o o dp e r f o r m a n c es h o w st h a tt h es o f t w a r eh a s b e e nw e l ld e s i g n e d t h e n ，f r o ma n a l y s i so fp r o b l e m sb e i n gc o n f r o n t e dw h e na p p l y e t h e r n e tt e c h n o l o g y t ow a ni n t e r c o n n e c f i o na n da i m i n ga tt h ef a s tp r o t e c t i o na n dr e c o v e r y , t h i sp a p e rp u t s f o r w a r dal a y e r e dp r o t e c t i o nr e f e r e n c em o d e lw h i c hi sp r o p i t i o u st oe t h e m e tw a n a n d m a k e sab r i e fi n t r o d u c t i o no fe a c hp r o t e c t i o nm e c h a n i s mt h a tc a nb eu s e db yi t i n a d d i t i o n a1 ：1l i n kp r o t e c t i o nm e c h a n i s mi sd e s i g n e d ，w h i c hn e e d si n t r o d u c eal i n k s e l e c t i o ns u b l a y e rb e t w e e nm a c s i l e n tl a y e ra n dm a cl a y e r ( o ro p t i o n a lm a cc o n t r o l s u b l a y e n a n di tc a np r o v i d ef a s tp r o t e c t i o nf o re t h e m e tw a n t h r o u g hr e d u n d a n tl i n k f i n a l l y , t h i sp a p e rb r i e f l ya n a l y z e sh o w c a nt h ee t h e r n e tw a n s u p p o r tc i r c u i ts e r v i c e ， a n ds u m m a r i z e st h em a i nt e c h n o l o g yc h a l l e n g e sc o n f r o n t e db yc i r c u i te m u l a t i o no v e r e t h e r n e tw a n ，a n dp a r t i c u l a r l y i n t r o d u c e st h em e t h o d so fs e r v i c e c l o c k s y n c h r o n i z a t i o no fc i r c u i te m u l a t i o no v e re t h e r n e tw a n k e y w o r d ：a c c e s sn e t w o r ko f e t h e r n e t 馅l n b r o a d c a s t i n ga n dt e l e v i s i o n e t h e r n e ts w i t c h i n g p r o t e c t i o nm e c h a n i s m c i r c u i ts e r v i c e 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技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已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切法律责任。 本人签名：- 三毽冬 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 日期盘垒显： 日期号静铵彤 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀1 = 匕 1 1 课题研究背景 随着互联网业务和其他数据业务的高速发展，对带宽需求的增长影响到网络 的各个部分，包括骨干网、城域网和接入网。为了充分利用光纤资源，提升骨干 网带宽，人们采用了密集波分复用( d w d m ) 技术，但接入网的低带宽连接使得网 络中的瓶颈问题逐渐突出。网络服务提供商正面临着接人带宽不足的严重问题。 为了满足这种需求，就需要一种新型网络结构。同时随着电子商务的发展，服务 提供商希望用更经济和更有效的网络体系支持他们的商业模型，期望新的技术提 供更快更新的业务。目前应用最广泛的局域网技术以太网技术就可以实现这 样的需求，能够简单、经济地构建各种速率的网络。 以太网作为一种最盛行的局域网技术，不论在办公司、家庭联网还是接入网 方面都获得了广泛应用，速率从1 0 m 发展到1 0 g ，同时也出现了以8 0 2 11 为代表 的多种无线以太网技术，应该说在以计算机为主的客户端方面，以太网技术已经 占据了统治地位。所以很自然，人们也希望以太网技术能够突破局域网限制，应 用到广域网互联，至少首先能应用到城域网环境。 新的高速以太网技术标准的形成以及新技术的出现，特别是2 0 0 2 年1 0 g b i t s 以太网在光纤中的实现( i e e e 8 0 2 3 a e 光纤标准) ，其工作距离已经增大到4 0 k m ， 标志着以太网已经具备了进入m a n w a n 环境的基础。1 0 g b p s 以太网技术也已经 在2 0 0 6 年开始在企业级网络中逐渐普及。目前，i e e e 开始着手制定1 0 0 g b p s 的 以太网标准，预计将在2 0 1 0 年左右推出。可以看到，以太网在带宽容量上已经足 以胜任城域网和广域网中的应用。这些新的高速以太网标准使以太网技术走出了 狭小的局域网空间，完全可以承担城域网和广域网等大规模、长距离网络的建设。 然而，以太网毕竟最初是作为局域网技术而诞生的，所以要将它应用到城域 网或者广域网中，就不能照搬局域网中的技术。为了适应运营商级的应用，以太 网必须提供良好的网络管理控制和流量控制功能，快速恢复和保护倒换机制，而 且还要提供对电路型业务的支持。然而传统的以太网技术在这几个方面都比较薄 弱，因此针对这些缺陷地研究改进就成了当务之急。 1 2 以太网技术的发展 1 2 1 以太网技术的历史 以太网的核心思想是使用共享的公共传输通道。夏威夷大学六十年代研制的 2 以太网交换及应用技术研究 a l o h a 网络是第一个基于争用的网络，也是以太网的基础。1 9 7 3 年，位于加利 福尼亚的x e r o x 公司提出并实现了最初的以太网，网络的传输速度达到了 2 9 4 m b i t s 。1 9 7 9 年，x e r o x 与d e c 以及i n t e l 公司联合起来，致力于以太网技术 的标准化和商品化，并促进该项技术在网络产品中的应用。在以太网的发展历史 上，这三个公司被称为d i x 联盟。 与d i x 联盟的成立同步，i e e e 开始了著名的8 0 2 计划，目标是为l a n 技术 标准化提供广泛的工业框架。8 0 2 计划被分为几个不同的工作组，每个工作组从事 不同的l a n 技术研究。i e e e 8 0 2 3 研究基于以太网技术的标准，而i e e e 8 0 2 4 和 8 0 2 5 工作组则分别研究令牌总线和令牌环技术。 1 9 8 3 年6 月，i e e e 标准委员会通过了第一个8 0 2 3 标准，这个技术基本上和 d i x 以太网标准使用相同的技术。之后随着以太网市场的扩大，这项基本标准中 又加入了一系列中继器规范，并且可以支持多种物理介质，比如适用于廉价桌面 设备的细同轴电缆以及用于建筑物之间的光纤等等。 最初的以太网都使用粗同轴缆或者细同轴缆构成物理总线型拓扑结构，但是 这和结构化布线采用的星型拓扑结构不兼容，s y n o p t i c sc o m m u n i c a t i o n s 公司开发 了在双绞线上传输1 0 m b i t s 以太网信号的技术。该技术迅速在办公自动化应用中获 得成功。i e e e 于1 9 9 0 年9 月通过了使用双绞线介质的以太网( 1 0 b a s e t ) 标准。 8 0 年代初d e c 公司开发了第一个透明网桥，虽然它的性能不高，价格较贵， 但是网桥的安装和使用非常容易。与当时用于网络互联的路由器相比，具有较好 的性能价格比，因此网桥成为了多个以太网互联的主流设备。1 9 8 7 年，i e e e 开始 研究将不同供应商的l a n 通过网桥连接在一起的工业标准，并于1 9 9 0 年推出了 i e e e 8 0 2 1 d 标准。1 9 9 1 年，k a l p a n a 公司开始开发交换式的以太网网桥( 以太网交 换机) ，它可以使网桥的所有端口按照全容量工作。使用交换式网桥后，主机可以 独享l a n 的带宽，而不是和其它的设备竞争。这省去了c s m c d 访问控制机制， 实现了全双工以太网。i e e e 8 0 2 3 于1 9 9 7 年增加了对全双工以太网的支持。 随着计算机性能和应用需求的增长，要求网络容量也同时增长。为了在网络 骨干上提供更高速的连接，g r a n dj u n c t i o n 公司从1 9 9 1 年开始开发一种新的高速以 太网技术。这种技术的基本特征，包括帧格式，访问控制方法等，都与以往的以 太网技术相同，但是传输速率达到了1 0 0 m b s 。这也是d i x 标准提出1 5 年后，以 太网速率的第一次提升。i e e e 8 0 2 3 于1 9 9 5 年将快速以太网技术标准化。 1 9 9 8 年，i e e e 8 0 2 3 通过支持千兆以太网的标准。 2 0 0 2 年6 月，i e e e8 0 2 3 通过了支持1 0 g b i t s 速率的1 0 g 以太网( i e e e 8 0 2 3 a e 一2 0 0 2 ) ，从而可以完全满足城域网骨干线路上的传输带宽要求。 第一章绪论 3 1 2 2 以太网技术的现状 以太网技术以其简单、良好的经济性、互通性和易用性等优势得到了普遍应 用，获得长足的发展。短短十几年，从1 0 m 到1 0 g ，以太网技术的发展已经完成 了数个量级的飞跃，4 0 g b i t s 以太网技术也趋于完善。并且以太网技术的发展并不 仅限于速率的提高，在几乎所有方面，以太网技术都在进行着不断的改进。大功 率光收发器的使用，显著地扩展了以太网的单跳传输距离，从原来的5 公里增加 到了几十公里，甚至1 0 0 公里以上。e t h e r n e to v e rs d h 技术可以通过s d h 传送网 传输桥接的以太网帧，从而可以将以太网的物理范围进一步扩大。 为了支持互联网上日益普遍的实时业务，i e e e 8 0 2 1 d 在以太网协议的帧格式 中增加了优先级字段，可以为不同优先级的业务流提供分级的服务质量。 i e e e 8 0 2 1 q 协议在以太网中增加了对v l a n ( 虚拟局域网) 的支持，可以在以 太网上提供网络分段，访问控制等附加功能。 g m r p ( g a r p m u l t i c a s tr e g i s t r a t i o np r o t o c 0 1 ) ，i g m p 侦听( i g m ps n o o p i n g ) 等 协议使以太网技术具备了支持组播通信的能力。 多生成树算法( m u l t i p l es p a n n i n gt r e ep r o t o c o lm s t p ) 使得同一个以太网上可 以同时运行多个生成树算法进程，每个生成树算法进程采用不同的拓扑，不同的 v l a n 可以被分配到不同的生成树拓扑上去。m s t p 算法和v l a n 技术相配合， 显著地提高了以太网适应复杂网络拓扑的能力以及网络资源的利用效率。 广播压制技术( b r o a d c a s tt h r e s h o l d ) 可以限制链路上传输的广播信息不超过一 个预设的门限值，防止网络上主机发出的广播信息过度的占用网络的传输资源， 形成广播风暴。广播压制技术和v l a n 、组播技术结合使用，可以提高网络的运 行效率，在网络上支持更多的主机。 随着以上方面的改进，以太网的应用环境也不再局限于局域网络，而是不断 向城域的宽带接入网络和传输骨干网络扩张，逐渐成为一种极具竞争力的城域和 广域组网技术。城域以太网论坛( m e t r o e t h e m e tf o r u m ， m s f ) 是推动以太网向 城域扩张的主要组织。 1 2 3 以太网技术的研究热点 由于以太网技术传统上是一种局域网技术，所以它在可扩展性，网络管理控 制，保护倒换，流量控制，服务质量保证以及对电路型业务的支持等方面都比较 薄弱。随着以太网网络规模的扩大，针对这些缺陷地研究改进就成了当务之急。 4 以太网交换及应用技术研究 1 3 论文的主要工作和内容安排 本文首先结合本实验室承担的横向研究项目“h i n o c 接入技术研究”，讨论如 何将以太网交换技术应用于广电接入网，然后从分析以太网技术在应用到广域互 联网时面临的问题出发，针对广域以太网的快速保护与恢复以及对电路类型业务 的支持进行了研究。 具体章节的内容安排如下： 第一章为绪论部分，主要介绍了以太网技术的发展，包括以太网技术的历史、 现状和目前研究的热点。 第二章首先介绍了基于m o c a 标准的广电接入网设备h i n o cs w i t c h i n g 和 h i n o cb r i d g e 的设计方案，然后在简要介绍以太网交换技术的基础之上，讨论了 如何将以太网交换应用于这些设备，主要包括交换模块电路的设计与实现、驱动 程序编写与调试。 第三章对广域以太网做一个较为清晰的定义和澄清，分析了推动以太网技术 走向广域网应用的原因，以及将以太网技术应用于广域网时所面临的问题和解决 方法。 第四章主要是针对第三章中提到的快速保护与恢复问题，提出一种适合于广 域以太网的分层保护模型，该模型是将上层协议提供的保护机制和以太网层或物 理层提供的保护机制相结合，实现传统以太网不能满足的5 0 m s 的电信级保护倒换 要求。然后就该模型可以使用的保护机制一一做了简要介绍，并提出一种基于以 太网层的1 ：1 链路保护机制，给出了该保护机制的实现原理，并对各个功能模块 进行详细划分。 第五章主要是对第三章中提到的广域以太网如何支持电路型业务的问题做了 简要分析，介绍了电路仿真的实现方式和体系结构，并总结了广域以太网电路仿 真面临的主要技术挑战，最后对广域以太网电路仿真的业务时钟同步方法做了详 细介绍，并分析了它们各自的优缺点。 第二章以太网交换在广电接入网中的应用 5 第二章以太网交换在广电接入网中的应用 随着i n t e r n e t 的迅猛发展，人们对多媒体应用的需求正在大幅度增加，这就对 网络的带宽及速率提出了更高要求，因此促使网络由低速向高速、由共享向交换、 由窄带向宽带方向迅速发展。目前对于骨干网来说，各种宽带组网技术已经或正 在迅速发展中日臻成熟和完善，它已经为承载各种宽带业务作好了准备。但如何 实现用户在家庭、公司对这些宽带业务的快速访问，便是大家都在谈论的“最后 一公里的接入问题，可以说它是宽带网络建设的瓶颈、热点以及关键环节。目 前有线宽带接入技术主要有：基于铜双绞线的x d s l 技术、h o m e p n a 技术、光纤 接入技术和基于h f c 的c a b l em o d e m 接入技术等。广电接入网就是利用c a b l e m o d e m 接入技术和有线电视网为用户提供高带宽数据业务的家庭接入网。 目前的c a b l em o d e m 标准有d o c s i s l 0 、1 1 、2 0 和m o c a 标准，其中m o c a 标准是由同轴电缆多媒体联盟( m o c a ，m u l t i m e d i ao v e rc o a xa l l i a n c e ，简称m o c a 联盟) 为了利用现有有线电视进行网络互联而制定的。本室承担的横向研究项目 h i n o c ( 基于同轴电缆的高性能网络) 接入技术研究”，就是要设计、开发基于 m o c a 标准，利用同轴电缆作为媒质的广电接入网设备。 2 1 1 系统概述 2 1 系统设计方案 我们研究的广电接入网设备包括两个部分：h i n o cs w i t c h i n g 和h i n o c b r i d g e 。其中h i n o cs w i t c h i n g 安装在入户之前，其功能与以太网交换机相似，光 纤到楼后，由它将高速以太网数据分解成多路低速业务并调制到有线电视电缆中， 反之，将多路有线电视电缆中的低速以太网业务解调出来并复接成高速以太网数 据流经光纤接口发送到骨干分组网，另外解调出来的多路低速以太网业务还可以 通过交换模块完成数据交互，实现局域网功能；h i n o cb r i d g e 安装在用户家中， 它主要负责将有线电视电缆中的模拟调制信号解调还原成以太网数据，反之将上 行以太网数据经调制后通过有线电视电缆发送到h i n o cs w i t c h i n g 。 h i n o cs w i t c h i n g 提供一个千兆以太网和4 个连接c a b l e 的接口，其中每个 c a b l e 承载3 个通道，每个通道连接2 个家庭，每个家庭可以获得5 0 m b p s 的传送 带宽。另外它还支持组播和w e b 网络管理功能。 在用户端的h i n o cb r i d g e 提供了一个连接c a b l e 的接口和4 个以太网口。前 者用于连接有线电视同轴电缆，后者用于连接用户的网络设备。用户可以将i p t v 机顶盒连接到以太网口上收看i p t v ；同时将计算机终端设备连接到其它的以太网 6 以太网交换及应用技术研究 口上进行网上冲浪。因此h i n o cb r i d g e 必须支持w e b 网络管理功能以及婵、 u d p t c p 、t f t p 、h t t p 、i p v 6 等协议。图2 1 显示了我们设计的广电接入网以及 产品之间的连接关系。 2 1 2 系统实现方案 图2 1h i n o c 系统组成及连接关系图 由图2 1 我们知道h i n o c 系统就是通过c a t vc a b l e 把h i n o cs w i t c h i n g 和 h i n o cb r i d g e 连接起来而组成的，因此h i n o c 系统的实现方案就是h i n o c s w i t c h i n g 和h i n o cb r i d g e 的实现方案。 2 1 2 1h i n o cs w i t c h i n g 的实现方案 h i n o cs w i t c h i n g 不但要通过千兆以太网连接到骨干分组网上，实现f t t b 功 能，而且还要实现类似于以太网交换机的功能，只不过输出端口是要采用符合 m o c a 标准的同轴电缆信号调制方式传输分组数据。 如图2 2 所示，h i n o cs w i t c h i n g 主要由一个以太网交换模块和4 个e c b 模块 组成。以太网交换模块主要实现千兆以太网的接入、千兆以太网到1 2 个百兆以太 网的分接、复接以及本地交换功能。每个e c b 模块都由一个c p u 子模块及其外围 电路和由3 个c a b l em o d e m ( e n 2 0 1 0 + e n l 0 1 0 ，c l i n k 套片) 构成的接入子模块组成， 并且通过f c c 接口与以太网交换模块相连，其中c p u 和e n 2 0 1 0 通过p c i 总线连 接。e c b 2 、e c b 3 、e c b 4 可以根据业务量的情况动态地配置，并且通过h d l c 总 线和e c b l 构成一个h d l cb u sl a n ，在这个l a n 中，每个e c b 模块都作为主 设备使用，它们之间都可以相互转发数据，在该系统中主要是利用它实现网管功 能。另外任何两路占用不同信道的c a b l em o d e m 的输出信号都可以复接到一条同 轴电缆上，这时候电缆上的传输带宽为2 0 0 m ，可以连接4 户家庭，分别为每个家 庭提供5 0 m 的传输带宽。 第二章以太网交换在广电接入网中的应用 7 s m i 总线 图2 2h i n o cs w i t c h i n g 组成原理图 1 、c p u 子模块 根据h i n o c 的特点，使用嵌入式处理器来完成这项工作可以说是一个很好的 选择，因为嵌入式处理器一般面向特定的应用，它通常具有低功耗、小体积、高 集成度等特点，能够把通用处理器中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部。目 前市场上有很多种嵌入式处理器，其中a r m 和p o w e r p c 系列被广泛用于网络通 信中，但是与a r m 相比p o w e r p c 具有更丰富的资源、更强大的通信处理能力， 更高的性价比。因此，我们选用p o w e r p c 处理器m p c 8 2 7 0 作为通信平台的核心 c p u ，它主要由两个组成部分：嵌入式p o w e r p c 内核和通信处理模块( c p m ) 。 g 2l ec o r e 是从m p c 6 0 3 e 微处理器演变而来的，它对电源管理做了改进，是 一款高性能、低功耗的r i s c 处理器。g 2l ec o r e 是执行3 2 位操作的p o w e r p c 微 处理器，它提供了3 2 位有效地址，支持8 位、1 6 位和3 2 位三种整数类型。核内 的高速缓存提供了检测侦听的功能以保证和其它主处理器数据的一致性，这同时 也保证了通信处理模块和系统内核的一致性。g 2l ec o r e 具有1 6 k 字节的指令高 速缓存和1 6 k 字节的数据高速缓存以及内存管理单元( m m u ) 。 m p c 8 2 7 0 的c p m 是m p c 8 2 7 0p o w e r q u i c c 通信处理模块的一个超集，是驻 留在l o c a lb u s 上的一个3 2 位嵌入式r i s c 控制器。由于l o c a lb u s 是独立于系统 总线的，所以c p m 并不影响p o w e r p c 微处理核的性能。通信处理器集中于处理较 低层上的任务和d m a 控制，这样p o w e r p c 微处理器内核就能集中处理较高层上 的任务。c p m 包括三个全双工的串行快速通信控制器( f c c ) 支持i e e e 8 0 2 3 和 快速以太网协议，支持高达4 5 m b p s 的h d l c 和完全透明的操作；两个多通道控 制器( m c c ) 通过8 个时分复用接口可以处理高达2 5 6 路6 4 k b p s 的h d l c 或者 透明通道。四个全双工的串行通讯控制器s c c 支持i e e e 8 0 2 3 以太网，高级同步 8 以太网交换及应用技术研究 数据链路控制，h d l c 等；时隙分配器支持控制器上数据的复用。控制器可以为 串行通讯控制器，也可以为快速通讯控制器或者串行管理控制器。在本设计中我 们将3 个f c c 配置成快速以太网接口，与交换模块的以太网接口连接，它的具体 功能和在以太网交换中的应用将在以后的章节中详细介绍；将1 个s c c 配置成1 0 m 以太网接口，在设备调试时用作调试通道，在成品阶段可以作为网管接口；将1 个s c c 配置成h d l c 通道，用于在e c b l 和e c b 2 、e c b 3 或者e c b 4 之间传送网 络管理、配置及状态信息等。 m p c 8 2 7 0 还包括一个系统接口单元( s i u ) ，它由很多部分组成，在该系统中 我们主要用到以下几个部分：( 1 ) 一条可配置为宽度6 4 位数据的6 0 x 相兼容的并 行系统总线，支持6 4 位、3 2 位、1 6 位和8 位端口。( 2 ) 可以由本地总线配置成 的3 2 位、6 6 m h z 的p c i 总线。在p c i 模式下，m p c 8 2 7 0 可以作为主设备或者是 从设备。( 3 ) 支持1 2 个存储器组的存储控制器，这1 2 个存储器组既可以分配给 系统总线，也可以分配给本地总线。 另外，m p c 8 2 7 0 还具有p c i 桥功能，符合p c i 2 2 规范，支持片上仲裁机制， 允许连接3 个p c i 主设备，并可以对连接的p c i 设备进行配置。在本方案中 m p c 8 2 7 0 通过p c i 接口与3 路c l i n k 套片连接。 操作系统选用具有可裁减和高可靠性的嵌入式实时操作系统v x w o r k s 。 在h i n o cs w i t c h i n g 中m p c 8 2 7 0 主要完成以下四项工作： ( 1 ) 通过p c i 接口实现对c l i n k 套片的配置管理； ( 2 ) 利用m p c 8 2 7 0 提供的3 个快速以太网接口实现以太网数据到p c i 总线 的转换，为每个以太网接口与一路c l i n k 套片建立对应关系，并将从各以太网接 口接收的分组发送到相应的e n 2 0 10 ； ( 3 ) m p c 8 2 7 0 通过s m i 接口实现对以太网交换、物理层芯片的配置管理； ( 4 ) 在m p c 8 2 7 0 上运行嵌入式操作系统，并运行相应的基于w e b 或s n m p 的网络管理程序，实现对设备的配置管理。 2 、接入子模块 接入部分采用e n t r o p i c 公司的c l i n k 套片e n 2 0 1 0 和e n l 0 1 0 。e n 2 0 1 0 为同 轴电缆网络控制器，是一个完整的片上系统( s o c ) ，内含片m i p s 3 24 k e 系列 的c p u 及相应的s r a m 。e n 2 0 1 0 与e n l 0 1 0 配套使用，实现m o c a 标准的物理 层、m a c 层及汇聚层功能。e n 2 0 1 0 带有p c i 接口，符合p c i2 2 规范，m p c 8 2 7 0 通过p c i 接口实现对e n 2 0 1 0 的配置管理和数据传输。 e n l 0 1 0 是与e n 2 0 1 0 配套使用的r f 收发器，e n 2 0 1 0 通过串行外围接口( s p i ) 对e n l 0 1 0 进行控制，其频率范围为8 0 0 m h z 1 5 0 0 m h z ，不会影响正常有线电视 信号的传送，可以与其它业务共存。c l i n k 套片系统框图如图2 3 所示 第二章以太网交换在广电接入网中的应用 9 p c i 总线 图2 3c l i n k 套片系统框图 3 、以太网交换模块 本部分内容将在2 2 2 节中详细描述。 2 1 2 2h i n o c b r i d g e 同轴电缆 用户端的h i n o cb r i d g e 通过同轴电缆与户外的h i n o cs w i t c h i n g 相连，为用 户提供4 个r j 4 5 以太网接口，其实现原理图如下所示。 图2 4h i n o cb r i d g e 组成框图 h i n o cb r i d g e 主要由m p c 8 2 7 0 及其外围电路、6 端口的以太网交换芯片和一 路c a b l em o d e m 组成，其中c a b l em o d e m 由c l i n k 套片e n 2 0 1 0 和e n l 0 1 0 构成。 在h i n o cb r i d g e 中采用m p c 8 2 7 0 完成的主要工作和在h i n o cs w i t c h i n g 中 的m p c 8 2 7 0 相同，只不过仅需要利用m p c 8 2 7 0 提供的1 个快速以太网接口实现 以太网数据到p c i 总线的转换，将从以太网接口接收的分组发送到e n 2 0 1 0 。 m p c 8 2 7 0 的f e 0 主要作为h i n o cb r i d g e 设备的网络管理接口，而f e l 连接 到交换模块，用来实现以太网数据与e n 2 0 1 0 的相互转发。交换模块采用的是 m a r v e l l 公司的一款以太网交换芯片8 8 e 6 0 6 0 ，它有6 个百兆以太网接口，其中一 个与f c c l 相连，另外4 个供用户使用。 2 2 以太网交换在h i n o c 中的应用 h i n o c 接入设备包括h i n o cs w i t c h i n g 和h i n o cb r i d g e ，虽然它们的交换模 1 0 以太网交换及应用技术研究 块使用的交换芯片不同，但原理却基本相同，因此在下面的几节中仅以h i n o c s w i t c h i n g 为例来讲解。 h i n o c 系统将通过h i n o cs w i t c h i n g 实现千兆以太网接入，并进行分接，然 后通过有线电视电缆接入用户家庭，允许每户家庭组建一个小型的局域网。h i n o c s w i t c h i n g 本身又可以把多个家庭组织成一个局域网，这些都和以太网交换技术密 切相关。本节主要介绍以太网交换的关键技术、以太网交换原理以及以太网交换 是如何在h i n o cs w i t c h i n g 实现的。 2 2 1 以太网交换技术 2 2 1 1 以太网交换技术的发展过程 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，以太网交换技术应运而生，大大提高了局域网的性能。与 基于网桥和路由器的共享媒体的局域网拓扑结构相比，交换机能显著地增加带宽。 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、同时地互相传输信息，而且使局域网可以高度扩充。 2 2 1 2 以太网交换原理 以太网交换是通过网桥和交换机实现的，因此以太网交换原理也就是以太网 交换机和网桥的工作原理。由于以太网交换机和网桥在技术上没有太大差异，因 此在这里我们讨论网桥的工作原理。网桥执行三种重要的功能：m a c 地址学习， m a c 帧过滤，m a c 帧转发。网桥通过自学习可以发现网络的拓扑结构、记住所 有连接在网络上的设备地址。通过检查其接收帧的源地址和到达端口，网桥就可 以知道在网络上有什么以及怎么访问它，并且利用这些信息创建转发表。 网桥从一个端口接收到帧以后，检查该帧的目的地址，然后查找网桥内部的 地址表，确定与该目的地址对应的端口。其中地址表中的每一个表项都包括一个 m a c 地址和一个转发端口。如果接收帧的端口正是帧目的地址所在的端口，则网 桥就会丢弃该帧。因为可以认定通过正常的l a n 传输机制，目的站点已经接收到 这个帧了。如果查地址表得到帧目的地址所在的端口是不同于帧接收端口的，那 么网桥将该帧从查表得到的端口转发出去。 如果，网桥接收到一个帧后，在其地址表中找不到该目的地址，它便会向除 接收该帧之外的所有端口转发该帧。与此类似，如果一个站点向组播地址发送帧， 网桥会向除接收该帧的端口以外的所有端口转发。通过记录接收帧的源地址，可 以动态建立地址表。当网桥接收到一个帧后，它在表中查找与发送站对应的表项 第二章以太网交换在广电接入网中的应用 ( 由帧的源地址指明) 。如果找到了，就更新地址表中与该站点相对应的端口。如 果没有找到，网桥会根据新发现的地址和接收它的端口，建立一个新的地址表项。 2 2 1 3 交换式以太网技术 1 、v l a n 技术 交换技术的发展，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，这就要用到所谓的 虚拟局域网技术( v l a n ) 。用交换机建立v l a n 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包只会在 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。目前，有 四种方法定义v l a n ：通过端口、通过m a c 地址、通过i p 地址以及通过组播组。 v l a n 具有以下优势：( 1 ) 可以限制广播包；( 2 ) 可以实现虚拟工作组；( 3 ) 增加安全性；( 4 ) 可以减少移动和i p 地址改变带来的开销。 2 、千兆以太网技术 随着快速以太网技术的普及，网络设备价格的下降，许多终端都采用了 1 0 0 b a s e t 连接，这势必对网络主干和服务器连接提出了更高的速度要求，同时 随着多媒体应用的发展，人们对网络带宽的要求也越来越高，在这种情况下千兆 交换式以太网应运而生。 千兆以太网是i e e e 8 0 2 3 以太网标准的扩展，其数据传输率为1 0 0 0m b p s 。千 兆以太网基本保留了原以太网m a c 层c s m a c d 协议，但它对c s m a c d 协议进 行了一些改动，增加了一些新的特性。千兆以太网与快速以太网相比，有其明显 的优点。千兆以太网的速度1 0 倍于快速以太网，但其价格只为快速以太网的2 3 倍。而且从现有的传统以太网与快速以太网可以平滑地过渡到千兆以太网，并不 需要掌握新的配置、管理与排除故障技术。 千兆以太网最通用的办法是采用三层设计。最下面一层由1 0 m b p s 以太网交换 机加1 0 0 m b p s 上行链路组成：第二层由1 0 0 m b p s 以太网交换机加1 0 0 0 m b p s 上行 链路组成；最高层由千兆以太网交换机组成。在每一层，交换机逐步提高干线速 率。这种设计的意图是一般由低廉的交换机完成1 0 m b p s 工作站的连接，昂贵的大 容量交换机只用在高层。 2 2 2 以太网交换在h i n o cs w i t c h i n g 中的实现 在h i n o cs w i t c h i n g 中，以太网交换是由交换模块和各e c b 中的c p u 子模块 1 2 以太网交换及应用技术研究 共同实现的。其中交换模块要实现千兆以太网的接入，千兆以太网到1 2 个百兆以 太网的分接、复接以及本地交换功能；c p u 子模块要实现以太网数据在交换模块 和接入子模块的传输，也就是要利用m p c 8 2 7 0 的3 个快速以太网接口( f c c ) 实 现以太网数据的收发。在下面的两小节中将分别讨论在h i n o cs w i t c h i n g 中交换模 块的硬件实现以及f c c 是如何完成以太网数据收发的。 2 2 1 2h i n o cs w i t c h i n g 交换模块的硬件实现 1 、8 8 e 6 0 9 5 功能概述 8 8 e 6 0 9 5 是一款集成了8 个f e 接口和3 个g e 接口的千兆以太网交换芯片， 其中f e 支持1 0 1 0 0 m 以太网接口；g e 支持1 0 1 0 0 1 0 0 0 m 3 种以太网接口，并且 具有堆叠功能，可以直接连接光模块或与另一块8 8 e 6 0 9