（通信与信息系统专业论文）宽带综合接入设备的设计与实现.pdf

摘要 a t m 技术是实现b i s d n 的技术基础。它不仅具备综合语音、视频、数据等 多种业务的能力，还适用于高速的信息传送和对服务质量的支持。 本文结合十五预研项目“无线综合接入系统局域网接入”和横向应用开发 项目“无线，有线宽带综合接入平台”，重点研究了以太网业务的a a l 5 适配关键技 术及a t m 信令适配层的设计与实现。 本文首先介绍了宽带综合接入设备n a u 的设计方案和实际应用，给出了n a u 中主要模块的功能及工作原理；接着重点讨论了以太网业务a a l 5 适配技术的原 理及实现、以太网业务a a l 5 适配中的关键技术、a t m 信令的a a l 5 适配技术。 最后论文在嵌入式实时操作系统v x w o r k s 的多任务环境下，完成了a a l 5 模块的 编程与调试，并通过实际测试，证明软件设计正确，性能良好。 关键词：v x w o r k sa a l 5 适配s a a la t m 信令 a b s t r a ( 了r a t mi st h eb a s i ct e c h n o l o g yt h a tm a k e sb i s d np o s s i b l e i tn o to n l yh a st h e a b i l i t yt h a ti n t e g r a t e sv o i c e , v i d e o ，d a t ae t cm u l t i s e r v i c e ，b u ta l s o ，a t ms u p p o r t st h e h i 曲- s p e e di n f o r m a t i o nc o n v e c t i o na n dt h eq u a l i t yo fs e r v i c e b a s e do nt h en a t i o n a ld e f c n ir e - r e s e a r c hp r o j e c t “w i r e l e s si n t e g r a t e da c c e s s s y s t e m ”a n da p p l i c a t i o nr e s e a r c hp r o j e c t “w i r e l e s sa n dw i r eb r o a d b a n di n t e g r a t e d a c c e s sp l a t f o r m , t h i sp a p e rf o c u s e sm a i n l yo nt h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ea a l 5 a d a p t a t i o n o fe t h e m e ts e r v i c ea n dt h ed e s i g na n di m p l e m e mo fa t ms i g n a l l i n g a d a p t a t i o nl a y e r f i r s t , t h ed e s i g na n da p p l i c a t i o ns c h e m eo ft h eb r o a d b a n di n t e g r a t e da c c e s s e q u i p m e n t ( n a u ) ，a n da l s ot h ef u n c t i o n sa n dp r i n c i p l e so f v a r i o u sm o d u l e si nn a ua r e i n t r o d u c e d n e x t ，t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h ea a l 5a d a p t a t i o no fe t h e m e ts c w i c e ， t h ek e yt e c h n o l o g i e so fa a l 5a d a p t a t i o n , a n dt h et e c h n o l o g yo fa a i 5a d a p t a t i o no f a t ms i g n a l l i n g a tl a s t ，t h et e s ta n dd e b u g g i n gm e t h o d so fa a l 5a d a p t a t i o nm o d u l e a r ep r e s e n t e di nt h ee n v i r o n m e n to fe m b e d d e dr e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e mv x w o r k s m u l t i t a s k 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 sb e e nw e l l d e s i g n e d k e y w o r d ：v x w o r k s a a l 5 a d a p t a t i o n s a a la t m s i g n a l l i n g 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的 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 中不包含其它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，本人承担一切相关责任。 本人签名：珞甄垒 通过n a u 实现有线无线局域网用户接入口骨干网、a t m 骨干网和 b 灯卫砌虹灌的功能，并实现局域网用户之间的互连互通。， ( 2 ) 支持多种接口类型及速率。 n a u 的主要技术指标如下： 1 6 个1 0 1 0 0 m b p s 自适应r 1 4 5 双绞线接i ：1 ，支持本地以太网交换和 v la n 功能； 1 个1 5 5 m b p s 的a t m 接口，实现以太网业务的a a l 5 适配； 1 个1 0 0 0 m b p s 以太网接口； 1 个6 2 2 m b p s 的p a c k e t o v e r s d h 接口： 1 个2 - l l m b p s 的无线局域网接口，实现8 0 2 1 l b 协议； ( 3 ) 提供基于命令行和基于w e b 的网络管理功能。 2 1 2 技术方案 n a u 主要完成数据终端的有线和无线接入、数据业务的a a i 5 适配、p a c k e t o v e rs d h 和千兆以太网接入功能，同时提供本地以太网交换、v l a n 功能、流量 控制和网络管理等功能。由于现有的很多技术和产品已经成熟，我们选用a c c e s s p o i n t ( a p ) 作为无线局域网接入方式：c p u 选用p o w e r p c 家族中一款经典的嵌入 式微处理器m p c 8 2 6 0 ；操作系统选用具有可伸缩、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 。 6 宽带综合接入设备的设计与实现 2 2 宽带综合接入设备的实现方案 2 ，2 1n a u 的实现方案 根据设计要求，n a u 完成用户业务的网络接入功能，其主要实现以太网物理 层收发、以太网交换、虚拟局域网( v l a n ) 、无线局域网8 0 2 1 l b 的物理层收发、 8 0 2 1 l b 与8 0 2 3 之间的协议转换、千兆位以太网物理层收发、p o s 物理层收发、 a t m 物理层收发、以太网业务的a a l 5 适配、以太网地址与a t m 虚连接的映射 等功能。 综合起来，n a u 主要由以下几个功能模块组成：无线局域网接入模块、 1 0 1 0 0 m 以太网交换模块、千兆位以太网控制模块、p o s 模块、以太网业务的a a l 5 适配与控制模块、电源转换模块和l e d 指示模块等。 n a u 的实现原理框图如图2 1 所示。 无线局域网接入模块：主要实现8 0 2 1 i b 与8 0 2 3 的协议转换功能，使无线移 动终端能够接入到有线局域网中。由于无线接入时需要使用天线，如果将w 接口 功能也集成到设备中，天线将过于接近网络接入单元，各种电路之间的电磁辐射 势必会影响无线局域网的工作性能，因此我们采用一个独立的无线局域网接入部 件a p ，实现无线局域网协议到有线以太网协议的转换工作。该模块通过一个i u 4 5 双绞线接口与1 0 1 0 0 m 以太网交换模块的互连互通。 1 0 1 0 0 一以太网交换模块；主要实现本地以太网交换和v ia n 功能。该模块 主要由两个八端口的1 0 1 0 0 m 以太网交换控制器、两个八端口的1 0 1 0 0 m 以太网 p h y 芯片和隔离变压器组成。以太网的p i p 芯片主要是完成以太网帧的收发工作： 从以太网控制器获得数据流，并将其转换为电信号，发送到线缆上；反之，重组 从线缆上接收到的以太网帧原始数据，并将其传送给以太网控制器。以太网交换 控制器是实现本地以太网交换的核心部件，它主要完成以太网交换功能。并提供 v l a n 和流量控制功能。两个以太网交换控制器同时连接到一个c r o s s b a r 交换矩 阵上，通过c r o s s b a r 实现互连互通。c r o s s b a r 共有四个端口，除去两个以太网交换 控制器占用的两个端口外，剩下的两个端口中，一个端口通过桥接器与m p c 8 2 6 0 相连，接受m p c 8 2 6 0 的管理；另一个端口连接到第二个c r o s s b a r 交换矩阵上，实 现1 0 l o o m 以太网交换模块与第二个c r o s s b a r 上的千兆以太网交换模块、p o s 模 块和百兆以太网控制模块的互连互通，使本地局域网用户能够接入到骨干网中。 千兆以太网控制模块：该模块提供了一个千兆以太网接口，使n a u 能够接入 到千兆以太网中。本模块主要由千兆以太网控制器、千兆以太网p h y 以及光收发 器组成。该模块通过c r o s s b a r 交换矩阵与1 0 l o o m 以太网交换模块、p o s 模块和 百兆以太网控制模块实现互连互通。 第二章宽带综合接入设备的设计方案 7 图2 1n a u 基本原理框图 p o s 模块：该模块提供了一个6 2 2 m 的p o s 接口，主要由网络交换处理器、 p o sp h y 以及光收发器组成。该模块通过c r o s s b a r 交换矩阵与1 0 1 0 0 m 以太网交 换模块、千兆以太网交换模块和百兆以太网控制模块实现互连互通。 以太网业务的o 1 5 适配与控制模块：本模块主要完成以太网业务的a _ 址5 适 配和实现网络管理的功能。对于以太网业务的a a l 5 适配，我们采用m o t o r o l a 的 一款经典p o w e r p c 微处理器m p c 8 2 6 0 来完成。m p c 8 2 6 0 是一款多功能通信处理 器，该微处理器具有我们所需要的多种功能，且性能良好。通过在c p u 上运行网 络管理代理软件，可实现管理终端对n a u 的配置管理、故障管理、性能管理和安 全管理。管理终端可以通过命令行和s n m p 方式管理系统。 百兆以太网控制模块：该模块在以太网模块和a a l 5 适配模块之间，起着桥 梁的作用。需要接入a t m 网络的以太网业务，首先交换至该模块，然后送入a a i5 适配模块。反之，从a t m 网络进入的业务，首先要经过该模块的以太网交换，才 能进入1 0 1 0 0 m 以太网交换模块、千兆位以太网模块和p o s 模块。 8 宽带综合接入设备的设计与实现 电源转换模块：n a u 主板上使用5 v 和3 3 v 的直流电压，而n a u 电源由本 地交流电提供，所以需要此电源转换模块完成2 2 0 v 交流电压到5 v 和3 3 v 直流电 压的转换，提供给主板使用。 l e d 指示模块：该模块主要是实现各种网络接口状态指示的功能。每个 1 0 1 0 0 m 以太网口各有两个l e d ，指示该接口的l i n k a c t 和s p e e d 。1 0 0 0 m 以 太网口有两个l e d ，分别指示l i n k 和a c t 。p o s 接口有l i n k 、a c t 和告警指 示a l m 三个l e d 。此外a i m 接1 3 还有一个l e d ，指示是否有错误发生。 2 2 2n a u 的应用 当前庞大复杂的通信网可以划分为两大部分：核心网和接入网。其中，核心 网的主要任务是承载，即完成信息的高速透明传输。接入网主要解决信息高速公 路的“最后一公里”的问题，即为一个区域内的用户提供各种各样的信息服务， 并满足不同的服务质量。我们设计的宽带综合接入设备n a u 就是基于这种思想。 n a u 提供多种网络接口。本地可以连接有线无线局域网，完成以太网的功能， 向上提供千兆位以太网接口、6 2 2 m 的p o s 接口和1 5 5 m 的a t m 接口，三种方式 均可以接入骨干网。 图2 2 为n a u 的应用框图。 图2 2n a u 的应用框图 第二章宽带综合接入设备的设计方案 9 图中t 表示以太网的双绞线物理接1 2 1 ；f 表示千兆位以太网的光纤接口，p 表 示6 2 2 m 的p o s 接口，a 表示1 5 5 m 的a t m 接口。如图所示，无线局域网( w l a n ) 通过w 接口进行协议转换( 8 0 2 1 l b 至8 0 2 3 ) 和速率的匹配，通过无线接入点a p ， 完成无线局域网到n a u 中有线局域网的接入；社区、集团、企事业单位等内部的 有线局域网( 8 0 2 3 ) 则经过t 接口实现到n a u 的接入；接入到n a u 的业务，可 以通过千兆以太网、p o s 或者a t m 完成到骨干网和i n t e r a c t 的接入，从丽实现有 线无线业务的宽带综合接入。 注：图中o e s 是一个具有5 g 交换能力的a t m 交换机，它也可以提供多种接 口，如6 2 2 m 的a t m 接口、1 5 5 m 的a t 接口、e l 电路仿真接口和1 0 1 0 0 m 以 太网接口。 2 2 3n a u 中主要模块的功能及工作原理 2 2 3 11 0 1 0 0 m 以太网交换模块 以太网交换模块的功能类似于一个二层的以太网交换机的功能，它根据每一个 数据包的目的m a c 地址进行简单的转发，转发决议并不涉及到数据包高层的信 息，同时具有地址学习、v l a n 、分组服务等功能。 地址学习 在n a u 的以太网交换模块中，有一个m a c 地址表，它支持4 k 8 k 个m a c 地址。当交换模块上电初始化时，该地址表中没有任何内容。交换模块从接收到 的以太网分组中提取出终端主机的源m a c 地址，将它写入m a c 地址表中，同时 写入地址表的还有老化c a g i n g ) 标志，v l a n 号等。这种学习是针对每一个接收 到分组来实现的，而不管这个分组最终是被过滤还是被转发。 交换模块还支持静态地址学习，该静态地址不会因为老化机制而被删除。也就 是说，当一个地址被设为静态地址后，它不会因为老化机制而从地址表中被删除。 c p u 可以设置地址表中某些地址为静态地址，这样，在正常的地址学习中，静态 地址所属的条目就不会被自动更新。 过澍转发 对于进入以太网交换模块的以太网分组，除了根据它的源m a c 地址( s a ) 进 行地址学习，建立m a c 表外，还要根据它的目的m a c 地址( d a ) 查询m a c 表， 完成帧的转发。如果在m a c 表中有相对应的条目，并且该条目中端口号与收到的 分组的端口号不相同，那么该分组将被转发，如果端口号相同，分组将被丢弃， 即过滤；如果m a c 地址表中不存在对应的条目，那么分组将被向除接收端口以外 的所有其它端口进行广播。 v l a n 支持 v l a n ：v i r t u a ll a n s ，即虚拟局域网。它是采用网络管理软件构建的可跨不 宽带综合接入设备的设计与实现 同网段、不同网络的端到端的逻辑网络。其中的成员根据l a n 交换进行通信，就 像共享同一物理网段一样。 v ia n 有很多种划分方法，常用的有根据端口划分和根据m a c 地址划分两种。 根据端口划分是指利用交换的端口来划分v l a n 成员，被设定为同一个v l a n 的 端口都在同一个广播域中。根据m a c 地址划分是指将m a c 地址捆绑在网络接口 卡( n i c ) 上，这样允许v l a n 用户从一个物理位置移动到另一个物理位置，而 且不改变其所属v l a n 成员的身份。 在n a u 中，以太网交换控制器通过维护一个v l a n 表来实现v l a n 。v l a n 表的具体内容由c p u 负责填写。在n a u 中，基于端口的v l a n 实现比较简单， 可以把两个设备的任意端口组合成一个v l a n ，写入v l a n 表即可。而基于m a c 地址的v l a n 实现则需要c p u 强行干预以太交换控制器的m a c 地址表。 分级服务 在以太网交换模块中，以太网交换控制器的每个1 0 1 0 0 m 端口均支持两个优先 级队列；同时，对发往c p u 的包也支持两个优先级队列。以太网交换控制器基于 以下算法对每一个包分配一个优先级： 1 当包被转发给c p u 时，i g m p 包和b p d u 包被划分为高优先级。 2 未知目的地址的单播地址包被划分为低优先级。 3 对i o i o o m 端口上接收到的其它包，采用以下算法决定优先级： 如果端口的p o r t c o n t r o l 特被置为1 ，优先级就要根据 p o r t c o n t r o l 比特来设置。否则，一个包将被分为低优先级， 除非出现至少一种以下几种情况： 包是基于i p v 4 的，并且p o r t c o n t r 0 1 e x t e n d ( e n t o s ) 被设置为1 ，则 t o s 域中6 个比特用来检索以太网控制器6 4 比特的服务类型寄存器。如果相 应的比特被设置为1 ，则包被划分为高优先级。 收到的包带有t a g 标志，则根据t a g 的3 b i t s 优先级域检索 p o r t c o n t r 0 1 e x t e n d 寄存器的v f l 2 p f i o 域。如果相应比特被设置为1 ，则包分 配为高优先级。 地址表中地址条目里的目的m a c 地址p d = h i g h 。 地址表中地址条目里的源m a c 地址p s = h i g h 。 输入端口的缺省优先级为h i g h 。 4 c p u 或其它设备要求发送此数据包：在这种情况下，g l i n k 接口上的 b u f f e r - r e q u e s t 决定此包的优先级。 2 2 3 2p o s 模块工作原理i ”l p o s ，是p a c k e to v e rs d h 的缩写。它是以s d h 帧作为载体，传输数据分组。 p o s 技术通常采用点到点协议p p p 来将需要传送的数据分组，如i p v 4 分组或者以 第二章宽带综合接入设备的设计方案 1 1 太网分组，映射到s d h 帧上进行传输。在n a u 中，我们将以太网分组首先进行 p p p 封装，然后进行p p p 成帧，最后将p p p 封装的以太网分组映射到s d h 的净荷 中进行传输。 在n a u 中，p o s 模块中的p p p 封装通过g a l i l e o 公司的g t - 4 8 5 4 0 来完成。 g t - 4 8 5 4 0 是一款高性能的网络交换处理器，提供了交换和路由的功能，同时提供 了一个p o s 接口。g t - 4 8 5 4 0 对接收到的以太网帧进行必要的二层交换后，然后进 行p p p 封装，最后从p o s 接口发送给p o s 的物理层设备进行下一步处理。e t h e r n e t o v e rp p p 封装示意图如图2 3 所示。 j 。 il c r c 0 x 0 0 3 1 制眦_ 0 m a c t y p c = 1 e i h e r r e tp a c k a c t ( o p t i o n a l ) 图2 3e t h e r n e to v e rp p p 封装示意图 协议字段：值为o x 0 0 3 1 ，长度为两个字节，表示封装的是以太网分组。 “f ”字段：长度为1 个比特，决定以太网帧是否包含h c s ，c r c 。 “z ”字段：长度为1 个比特，在发送时为0 ；在接收时被忽略。 p a d 字段：发送时为o ，接收时被忽略。 m a ct y p e 字段：长度为1 个字节，表示封装的m a c 帧协议类型，当封装 的是8 0 2 3 以太网帧时，此字段应为1 。 在n a u 中，我们通过p m c 公司的p m c 5 3 5 7 来完成p p p 的成帧与s d h 适配 的功能。通过配置，让p m c 5 3 5 7 提供一个1 6 比特的s a t u r np o s p i t yl e v e l2 系统接口与g t - 4 8 5 4 0 的p o s 接口相连。 在发送方向上，当p m 5 3 5 7 在p o s 接口上收到g t - 4 8 5 4 0 发送的p p p 封装数 据分组后，首先由发送p o s 帧处理单元( 1 x f p ) 按照图2 3 所示格式进行p p p 组 帧。这包括给每一个p p p 封装数据分组加上帧校验序列( f c s ) 等字段，形成p o s 帧。然后在每个p o s 帧的首尾加上标志字节( 0 】【7 e ) ，表示帧的起始和结束。此 外，t x f p 还要对分组数据进行字节填充。完成在t x f p 中的处理后，p m 5 3 5 7 将 分组数据依次送往t xp a t h 处理单元、t xl i n e 处理单元和t xs e c t i o n 处理单元， 分别插入p a t h 、l i n e 和s e c t i o n 的开销，最后由光模块发送出去。 在接收发向上，p m 5 3 5 7 恢复出s d h 帧，然后通过r x s e c t i o n 处理单元、r x l i n e 处理单元和r xp a t h 处理单元，去除相应的p a t h 、l i n e 和s e c l r i o n 的开销。这 样，p o s 帧就被解析出来了。接着，接收p o s 帧处理单元( r x f p ) 对p o s 帧进 行处理。在r x f p 中，p o s 帧首尾的标记字节首先被去掉，然后进行字节反填充， 宽带综合接入设备的设计与实现 最后，对p o s 帧进行f c s 校验。如果校验正确的话，则将该p p p 封装的数据分组 从p o s 接口发送给g t - 4 8 5 4 0 。 第三章a a l 5 适配技术的原理及实现 第三章a a l 5 适配技术的原理及实现 3 1a t m 的适配层a a “6 l 【9 l a a i ，是a t m 层与高层应用之间的适配层，完成高层所需的服务功能( 如差错 处理、定时机制等) ，并支持高层与a t m 层之阃的适配：将高层的协议数据单元 p d u 映射到a t m 信元的信息段或反之。a a l 增强了a t m 层提供的服务，以适合 特殊业务的需要( l 3 6 2 ) ，这些业务可能是用户业务，也可能是控制( 如信令) 和 管理功能。 a a l 按其功能可以分为两个逻辑子层：汇聚子层与分段和重组子层。分段和 重组( s e g m e n t a t i o n a n dr e a s s c m b l c - s a r ) 子层也简称为拆装子层，主要完成的功 能是将汇聚予层交给它的协议数据p d u 单元加上头和尾从而构成信元有效载荷， 然后进行分割，以适合于装入a t m 信元的信息段，或者相反，将信元重组为p d u 。 汇聚子层( c o n v e r g e n c es u b l a y e r - c s ) 位于a t m 适配层的上面部分，它的主要功 能是在a a l 业务接入点( s a p ) 对高层提供a a l 的服务，其具体功能与业务类 型有关。不同的c s 和s a r 的组合，可得到不同的业务适配功能。 在a t m 层上传输的业务，根据源和目的地之间的时间关系、比特率和连接方 式三个基本参数分为四类业务：a 类、b 类、c 类和d 类。因此，为了适应不同 业务的需要，r r u - t 定义了四种础也协议，即从l 1 、a a l 2 、a a l 3 4 和a a l 5 。 其中，恒定比特速率( c b r ) 业务使用地1 ；可变比特速率业务( 讯) 使用 a a l 2 ；数据业务使用a a l 3 4 和a a l 5 。a a l 5 可以看成是简化的a a l 3 4 ，用来 支持面向连接的c 类业务，传送大的数据分组时效率较高，而且衄m 网络信令也 采用a a l 5 。 3 2a a l 5 适配的基本原理用 a a l 5 是一种简化的鼬地规程，用来支持面向连接的可变比特率数据业务。 a a l 5 划分为s a l t 子层和c s 子层，c s 子层又由两个子部分组成：一个是对所有 应用程序都通用的共同部分( c p c s ) ；另一个是与特定业务相关部分( s s c s ) 。 a a l 5 中的各种数据单元及层问关系示于图3 1 中。 1 4 宽带综合接入设备的设计与实现 二王至丑： ： ： s a r - p d u 1 l a a l 5 层 回。 a t m 层 图3 1a a i5 数据单元及层间关系 从高层接收到的c p c s s d u ，长度可为1 6 5 5 3 5 字节，作为c p c s - p d u 的净 荷。p a d 为必要的填充段，长度可以为0 4 7 字节，再加上8 字节的c p c s - p d u 的尾部，使得c p c s p d u 的长度为4 8 字节的整数倍。a a l 5o p c s p d u 的格式如 下图所示。 如图3 2 所示，c p c s p d u 尾部共8 个字节，包含c p c s - u u 、c p i 、l e n g t h c p c s p d u 叵巨匝 图3 2a a l 5c p c s - - p d u 格式 和c r c 。1 个字节的c p c s u u 用于透明传送上层用户至用户的信息。1 个字节的 器| | 苎匝 第三章a a l 5 适配技术的原理及实现 公共部分指示c p i ，目前仅用于使c p c s p d u 的尾部构成8 个字节，此时c p i 应 置0 。l e n g t h 为长度指示，表示c p c s p d u 净荷的长度，并不包括填充的字节数， 两个字节的l e n g t h 最多可指示净荷长度为6 5 5 3 5 字节。c r c 为3 2 比特的循环冗 余校验码，用于对整个c p c s p d u 内容( 包括c p c s p d u 净荷、p a d 段和尾部信 息) 校验。 a a l 5 的s a i l 子层不增加任何头、尾信息，主要是将c p c s p d u 分割为铝 字节的单元，成为s a r - p d u 而传送到a t m 层作为信元的净荷进行传输。每个 s a r - i d u 不带有序号，而是利用a t m 信元头的p 1 1 中的a u u 比特来标识，即当 a u u = 0 时，表示是属于同一个c p c s p d u 的非最后一个s a r p d u ，a u u = 1 表 示是最后一个s a r p d u 。 a a l 5 的每个报文有一个稍大的尾部( 8 个字节) ，但每个信元没有额外的开 销，信元中也没有顺序号，可以通过长的校验和来弥补。相对于a a l 3 4 中每个报 文有4 个字节的头信息，每个信元有4 字节的头信息来讲，a a l 5 显得更加高效。 3 3a a l 5 适配的实现 在n a u 中，我们使用m o t o r o l a 公司的微处理器m p c 8 2 6 0 来完成a a l 5 适配 的功能。将m p c 8 2 6 0 的两个快速串行通信控制器f c c 分别配置成快速以太网通 信控制器和a t m 通信控制器，通过快速以太网通信控制器、a t m 通信控制器和 u t o p i a 接口。来完成以太网业务的a a i _ 5 适配。 3 3 1m p c 8 2 6 0 通信控制器【2 l 【1 4 】 m p c 8 2 6 0p o w e r o u i c c “o m 是集成的p o w e t p c 微处理器，它是目前比较先进 的集成通信微处理器，广泛应用于通信和网络系统中。它主要有三个主要组成部 分：嵌入式p o w e r p c 内核、系统接口单元( s i u ) 和通信处理模块( c p m ) 。 m p c 6 0 3 c 核是p o w e r p cm p c 6 0 3 微处理器的一个嵌入式变体，它包括 1 6 k b y t e s 的指令缓存( i n s t r u c t i o nc a c h e ) 和1 6 k b y t e s 的数据缓存( d a t ac a c h e ) 以及内存管理单元( m m u ) ，是一款高性能超标量体系结构微处理器。 s i u 包括一个灵活的内存控制器和许多外围设备。主要功能包括p o w e r p c 到 本地总线的桥接、存储控制器、总线接口、l 2 c a c e h 接口、实时时钟，以及系统 功能如配置、保护、复位、时钟同步、电源管理等。 m p c 8 2 6 0 的c p m 是高性能的通信处理器模块，它包括一个3 2 位的r i s c 微 控制器。这个微控制器可以认为是除内核以外的另一个c p u ，分担了底层的通信 处理，使p o w e r p c 核可以主要进行高层的操作。c p m 同时支持3 个全双工快速串 1 6 宽带综合接入设备的设计与实现 行通信控制器( f c c ) 、2 个多通道控制器( m c c ) 、4 个串行通信控制器( s c c ) 、 2 个串行管理控制器( s m c ) 、1 个串行外围接口( s p i ) 和1 个1 2 c 接口。其中，3 个f c c 均支持i e e e 8 0 2 3 f a s te t h e m e t 协议，f c c l 和f c c 2 通过u t o p i a 接口 支持a t m 协议。从资源的使用角度上看，我们将精力放在c p m 模块上。 在m p c 8 2 6 0 的通信控制器中，缓冲描述符b d 对通信处理过程至关重要，在 这里有必要描述一下。b d ，即b u f f e rd e s c r i p t o r ，其格式如表3 1 所示。 表3 1b d 格式描述 地址描述 o f f s e t + 0 状态和控制字段 0 f f s e t + 2数据长度字段 o f f s e t + 4缓冲指针的高1 6 位 0 f f s e t + 6缓冲指针的低1 6 位 如表3 1 所示，每个b d 都是8 个字节，两个字节的状态和控制字段，两个字 节的数据长度指示字段和四个字节的b u f f e r 指针。其中b d 的前1 6 比特包含状态 和控制位，用于控制和报告数据的传输状态。这些比特因不同的控制器及所采用 的不同协议而不同，每当b u f f e r 被发送或者接收后，c p m 都要刷新这些比特。接 下来的1 6 比特指出了发送和接收数据的长度。对于发送使用的b d ，即t x b d 指 的是控制器从b u f f e r 中应发送的字节数；对于接收使用的b d ，即r x b d 指的是控 制器写入b u f f e r 的字节数，c p 在把接收数据放入相应的b u f f e r 并关闭b u f f e r 后写 入这个长度。最后的3 2 比特指向存储器中b u f f e r 的开始地址，对于r x b d 此值应 为3 2 的整数倍，对于t x b d 此值无限制。 3 3 1 1m p c 8 2 6 0 快速以太网通信控制器 当m p c 8 2 6 0 的一个通用f c c 模式寄存器( g f m r x m o d e ) 选择以太网协 议时，则对应该模式寄存器的f c c 执行全系列的i e e e8 0 2 3 e t h e m e tc s m a c d 介 质接入控制( m e d i a a c c e s sc o n 仃0 1 ) 和通道接口功能。 根据i e e e8 0 2 3 u 标准定义，每个f c c 通过1 8 个信号和以太网物理层( p h y ) 相连接。其中，m i i 要求的两个管理信号( m d c 和m d i o ) 在使用并形i o 时应 该分配执行。图3 3 表示m i i 的基本组件以及互连m p c 8 2 6 0 和p h y 的快速以太网 的信号要求。 m p c 8 2 6 0 使用s d m a 通道把收到的帧开始定界符后的每个字节存贮在系统内 存中。在发送时，用户提供目的地址、源地址、类型长度域和发送数据。为了满 足帧的最小长度要求，m p c 8 2 6 0 在数据域内自动填充长度小于6 4 字节的帧。并且 在每个帧的最后，m p c 8 2 6 0 也会添加f c s 。 第三章a a l 5 适配技术的原理及实现 1 7 m e d i a - i n d e p e n d e n ti n t e r f a c e 毋 丑a l x s m i tn i b b l e d a t aa 吖y x 珥n - 功 t 倍n t n t l ti h a b l e f t xe m。 n 蜘a i t r l a c k 俩n j ( 、 一 c o l l i s i o nd e r e c t ( c o u 脚h 他n m b l e i _ ，a t am 3 岱x d - 3 d m p ( ：8 2 6 0 r e e e i v er t m r ( 1 i xe r 、 f a s te t h e m e tp h y 一 r e o e i v ec l o c k f r xc l i c l r r z , - i w d a hv a l 甜 f a r r l e r s e n s eo u t n u t 伦r s 、 m a n a g e m e n td a t ac l o c k ( m d o m a n a g e m e n t d a t a i ，“m d i 讲 图3 3 连接m p c 8 2 6 0 和以太网p h y 以太网发送器基本不需要内核的参与。当内核使能发送器后，以太网控制器 每2 5 6 个时钟周期查询一次f c c t x b d 表中的第一个t x b d 。如果用户有一个数据 帧准备发送的话，直接设置f c c t r a n s m i t - o n d e m a n dr e g i s t e r s ( t o d r t o d l ) ，消 除正常的查询，将数据帧发送出去。当用户有数据需要发送的话，以太网控制器 从数据缓存中取出数据，并且声明t xe n ，则前导码、帧开始定界符和帧信息被 依次发送。 以太网的接收器也基本不需要内核的参与，完成地址识别，c r c 校验，短帧 校验，最大d m a 转换校验和最大帧长度检验等功能。当接收器检测到帧的第一个 字节时，以太网控制器就开始对该帧进行地址识别。识别后，如果需要接收该帧， 以太网控制器就取出一个r x b d ，如果此r x b d 是空的，就把此以太网帧放进此 r x b d 指向的数据缓存( d a t ab u f f e r ) 中。完成帧的接收后，以太网控制器设置 r x b d l 】，并把帧的其它状态信息写进r x b d 的状态比特中，清除r x b d e 】。接 着，以太网控制器产生一个可屏蔽的中断，指示一个以太网帧被接收并放在内存 中，然后以太网控制器转向等待下一个以太网帧。 宽带综合接入设备的设计与实现 3 3 1 2a t m 通信控制器 a t m 通信控制器通过使用通用测试和操作物理接口( u t o p i al e v e li i ) 实现 a t m 协议的a t m 层和a a l 层的功能，它能完成a a l 5 、a a l l 和a a l 0 协议的 & r 子层的功能和大部分c p c s 子层的功能。 对每一个虚连接( v c ) ，a t控制器的a t m 调度控制单元( a p c ) 产生一个 信元发送速率来实现恒定速率( c b r ) 、可变速率( v b r ) 和可用速率( a b r ) 和 未指定速率( u b r ) 。a p c 通过执行一个连续状态漏桶算法来调整v b r 业务；通 过使用多达8 个优先级水平来区分实时a t m 连接和非实时连接。 在m p c 8 2 6 0 的a t m 控制器中，对于建立起来的每一个虚连接v c ，都有一个 a t m 通道号与其对应。m p c 8 2 6 0 就是根据这个通道号来索引此通道的连接表c t ， 来完成对每个a t m 通道的调度。对应a t m 控制器的接收和发送方向，a t m 通道 各有一个连接表：接收连接表r c t 和发送连接表t c t 。每个连接表的大小均为3 2 个字节，用来存储a t m 通道建立后的连接参数，包括：a a l 类型、虚连接业务参 数、b d 参数和用来分段和重组的临时参数等，其中在t c t 中还包括信元头、a t m 通道带宽等参数。如果连接表位于m p c 8 2 6 0 的双端口r a m 中，则对应的a t m 通 道被认为内部通道，如果连接表位于外部存储器中，则对应的a t m 通道被认为是 外部通道。a t m 控制器可以支持2 5 5 个内部a t m 通道，以及多达6 4 k 个外部a t m 通道。 a a l 5 数据发送过程：在使能发送器之前，必须对m p c 8 2 6 0 进行初始化并创 建相应的发送数据结构。如果需要发送数据，首先必须正确初始化b d 表，并把指 向第一个b d 的指针写进发送连接表( t i 四) 中，然后发a t mt r a n s m i t 命令把 相应的连接号插入到a t m 调度控制( a p c ) 表中。a p c 负责a 聊发送器的流量 控制，它按照每条连接的流量参数给该连接分配带宽。a p c 支持总共8 个优先级 的实时和非实时的业务类型。当a p c 调度某一条连接时，发送过程开始。a t m 通 信控制器根据调度表中的连接号，在发送连接表( t 玎) 中找到该连接的入口，打 开该连接的第一个b d ，开始发送数据。如果将a t m 通信控制器设置为a a l 5 模 式，则发送器依次从b d 所指向的缓存器( b u f f e r ) 中读出4 8 个字节，加上信元 头，通过u i d p i a 口将该信元发出。根据a a 5 协议，发送器将组成a a l 5 c p c s p d u 的填充和a a l 5c p c s p d u 的尾部放到最后一个信元里发送。a a l 5 c p c s ，p d u 的尾部包括c p c s u u 、c p i 、数据长度和3 2 b i t s 的c r c 校验。发送器 通过设置信元头中p t i 域的最后一比特为l 来表示该信元为a a l 5c p c s p d u 的 最后一个信元。如果该a a l 5c p c s p d u 发送结束并且在b d 表中没有有效的缓 存数据等待发送的话，则本次发送过程结束。此时，发送器仍将不断地轮询被调 度的连接的b d 表，如果有数据发送则继续重复上述过程。 第三章a a i5 适配技术的原理及实现1 9 a a l 5 数据接收过程：在使能接收器之前，必须对m p c 8 2 6 0 进行初始化并创 建相应的接收数据结构。在接收数据前必须为每条连接初始化b d 表。b u f f e r 可以 静态或动态分配。通过u ，r d p i al e v e li i 信元级握手来接收信元。如果外部物理 设备的接收f i f o 里有一个完整的信元并给出了r x c “w 信号，则m p c 8 2 6 0 的接 收过程开始。m p c 8 2 6 0 的a t m 接收器从u t o p i a 接口的f i f o 里读出一个完整的 信元，取出信元头的v p i 和v c l ，通过地址映射找到对应的连接号。如果在地址 映射过程中找不到对应的v p i 和v c i ，这个信元将被丢弃并更新用户网络接口 ( u n i ) 统计表。如果匹配，接收器将按照对应的连接号找到对应的接收连接表 ( r c t ) ，通过r c t 找到该连接的接收b d 表及其它相关参数。如果将该a t m 通 信控制器设置为a a l 5 工作模式，接收器将把该信元