（通信与信息系统专业论文）lanatm网桥关键技术的研究与实现.pdf

摘要 本文结合了十五预研“无线有线综合接入系统局域网接入”中l a n a t m 网桥的开发工作，重点研究了以太网交换和a a l 5 适配等关键技术，完成了j _ 域 网接入a t m 系统的调试与测试。 本文首先介绍了交换式以太网及a t m 技术的特点，并给f l j 了l a n a t mh 桥 的设计方案以及设计中以太网交换模块、a a l 5 适配模块、a t m 交换模块的：l 体 实现。 其次文章重点讨论了l a n a t m 网桥中实现的以太网交换、矩阵交换结构、 存储转发方式、地址自学习、生成树算法、v l a n 技术、a a l 5 适配原理、以太网 业务单条连接的a a l 5 适配、以太网业务多条连接的a a l 5 适配以及a a l 5 适配 中m a c 地址到a t m 连接的映射等关键技术。 本文最后详尽给出了l a n a t m 网桥的单板以及多个l a n a t m 网桥通过 c e l l b u s 总线联调的调试与测试方法。 关键词：l a n a t m 网桥交换式以太网虚拟局域网a a l 5 适配 a b s t r a c t a s s o c i a t e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fl a na c c e s ss y s t e m l a n a t mb r i d g eo ft h e p r e r 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 ei n t e g r a t e da c c e s ss y s t e m ”，k e yt e c h n o l o g i e s o fe t h e m e ts w i t c h i n ga n da a l 5a d a p t a t i o na r ee s p e c i a l l yr e s e a r c h e d ，t h e n t h e d e b u g g i n ga n dt h et e s to f t h el a na c c e s st oa t ms y s t e mh a v eb e e nd o n e f i r s t ，t h et e c h n o l o g yf e a t u r eo fs w i t c h e dl a na n da t ma r ei n t r o d u c e di nt h e d i s s e r t a t i o n ，a n dad e s i g ns c h e m eo fl a n a t mb r i d g ei sg i v e n m o r e o v e r , t h e i m p l e m e n t a t i o no ft h ee t h e m e ts w i t c h i n gm o d u l e ，a a l 5a d a p t a t i o nm o d u l ea n da t m s w i t c h i n gm o d u l ei nt h ed e s i g na r ep r o v i d e d s e c o n d ，t h ek e yt e c h n o l o g i e so fl a n a t mb r i d g es u c ha se t h e m e ts w i t c h i n g ， s t o r ef o r w a r d ，a d d r e s ss e l f - l e a r n i n g ，s p a n n i n gt r e ea l g o r i t h m ，v i r t u a ll a n ，a a l 5 a d a p t a t i o np r i n c i p l e ，s i n g l e c o n n e c t i o na a l 5a d a p t a t i o nt e c h n o l o g y f o re t h e r n e t s e r v i c e ，m u l t i c o n n e c t i o na a l 5a d a p t a t i o nt e c h n o l o g yf o re t h e r n e ts e r v i c e ，a n dm a c a d d r e s sm a p p i n gt oa t mc o n n e c t i o ni nt h ea a l 5a d a p t a t i o na r ed i s c u s s e d f i n a l l y , t h ed e b u g g i n ga n dt e s tm e t h o d sf o rs i n g l el a n a t mb r i d g ea n dm u l t i p l e l a n a t mb r i d g e st h r o u g hc e l l b u sa r ed e s c r i b e d k e y w o r d ：l a n a t mb r i d g e s w i t c h e dl a nv l a na a l 5 创新性声明 本人声i ”j 所主! 交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究j i ：作殷所取州的 研究成果。尽我所知，除了文中特咒 l j u 以标注和敛埘i | 所罗夕0 的内弈以外，论文 扣不包含j e 它人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得两安电一r 科技人 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f j 勺f t 何贡献均己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， 本人签名：走趱 本人承担一切相关责任。 日期： 型垒：! ：2 一一 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。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 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。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在羔年解密后适用本授权书。 本人签名：盘凼 日期： 竺竺：墨2 导师签名：墨壬略 日期：丝塑丛上 2 二 第一章绪论 第一章绪论 1 1 宽带接入网的发展趋势 在信息网络化的大趋势下，i p 技术已发展成为主导技术，大量信息在网络j ： 传输，网络应用日益丰富，原有的通信网络结构和经营模式将发，t 变化，这，。切 对现有的以电路交换为基础的、窄带的、模式单一的接入网提出了严峻挑战。随 着i n t e r n e t 的迅猛发展，人们对远程教学、远程办公、远程医疗、视频会议、v o d 点播、w w w 浏览等多媒体应用的需求正大幅度增加，电子商务更是成为网络应 用的热点。可以说，人类社会的需求对网络的带宽及速率提出了更高的要求，促 使网络由低速向高速、由共享到交换、由窄带向宽带方向迅速发展。目前对于7 鸨 干网来讲，各种宽带组网技术在发展中日臻成熟和完善，波分复用系统的带宽已 达4 0 0 g b i f f s ，i po v e ra t m 、i po v e rs d h 、i po v e rw d m ( d w d m ) 等技术已经开 始投入使用，建立全光骨干网络已被提到日程上来，可以说骨干网络已经为承载 各种宽带业务作好了准备。但是通信网与用户之间的接入网发展相对滞后，大部 分用户还是通过基于电路交换的、窄带的、模拟化的接入网络进行信息传输和交 换，接入网技术己成为制约通信发展的瓶颈。为了给广大用户提供端到瑞的宽带 连接，保证宽带业务的开展，网络的宽带化、数字化是接入网的前提和基础，同 时也是网络技术中的一大热点和高利润增长点。 1 2 基于以太网技术的宽带接入网 基于以太网技术的宽带接入网由局侧局端设备和用户驻地设备组成，局侧设 备一般位于小区内，用户驻地设备位于居民楼内；或者局侧设备位于商业大楼内， 而用户驻地设备位于楼层内。局侧局端设备提供与i p 骨干网的接口，用户侧设备 提供与用户终端计算机相接的1 0 1 0 0 b a s e t 接口。局侧设备具有汇聚用户驻地设 备网管信息的功能。 在基于以太网技术的宽带接入网中，用户驻地设备只有链路层功能，工作在 m u x ( 复用器) 方式下，各用户之间在物理层和链路层相互隔离，从而保证用户 数据的安全性。另外，用户侧设备可以在局侧设备的控制下动态改变其端口速率， 从而保证用户最低接入速率、限制用户最高接入速率，支持对业务的q o s 保证。 对于组播业务，由局侧设备控制各多播组状态和组内成员的情况，用户侧设器只 执行受控的多播复制，不需要多播组管理功能。局侧设备还支持对用户的认证、 授权和计费以及用户i p 地址的动态分配。为了保证设备的安全性，局侧设备与用 户侧设备之间采用逻辑上独立的内部管理通道。 基于以太网技术的宽带接入网具有强大的网管功能，与其它接入网技术一 l a n a t m 网桥关键技术的研究与实现 样，能进行配置管理、性能管理、故障管理和安全管理；还可以向计费系统提供 丰富的计费信息，使计费系统能够按信息量、按连接时长或包月制方式等进行计 费。 随着i p 业务的爆炸式增长和我国电信运营市场的日益开放，无论是传统电信 运营商还是新兴运营商，为了在新的竞争环境中立于不败之地，都把建设面向i p 业务的电信基础网作为他们的网络建设重点。在城域网的接入部分，很多运营商 选择以太网技术。值得注意的是，现有的以太网接入技术都存在这样或那样的问 题，这为以后的业务发展带来极大的隐患。有的运营商甚至把用于计算机局域网 的以太网技术一成不变地搬到接入网中，不同用户之间的信息根本谈不上隔离。 在这种平台上开展电子商务是难以想象的。这种运营方式只能一时抢到大量用户， 等到用户发现自身利益得不到保障时，运营商必将自食其果。 基于以太网交换技术的宽带接入网与传统的用于计算机局域网的以太网技术 大不一样，它仅借用了以太网的帧结构和接口，网络结构和工作原理完全不一样， 它具有高度的信息安全性。电信级的网络可靠性、强大的网管功能，并且能保证 用户的接入带宽，这些都是现有的以太网技术根本做不到的。因此基于以太网交 换技术的宽带接入网完全可以应用在公网环境中，为用户提供稳定可靠的宽带接 入服务。另外，由于基于以太网交换技术的宽带接入网给用户提供标准的以太网 接口，能够兼容所有带标准以太网接口的终端，用户不需要另配任何新的接口卡 或协议软件，因而它又是一种十分廉价的宽带接入技术。基于以太网技术的宽带 接入网无论是网络设备还是用户端设备，都比a d s l ，c a b l e m o d e m 等便宜很多。 基于以上考虑，基于以太网技术的宽带接入网将在以后的宽带i p 接入中发挥重要 作用。 1 3a t m 技术的发展与应用 a t m 技术是八十年代后期由i t u t 针对电信网支持宽带多媒体业务而提出 的。经过近十年的研究，到九十年代中期a t m 技术已基本成熟，由i t u t 和a t m 论坛制定的相关的国际标准也基本齐全，并有多个电信设备厂商和计算机网络设 备厂商推；了商用化的a t m 设器。此后，a t m 网络的建设也得到了长足的发展， 个i 丛界许多网络( 公用网或专用网) 都已安装并使用了a t m 网络设备。但与此同 时，i p 技术也得到迅猛发展，i p 技术被绝大多数的软件所支持使得a t m 到桌面应 川的市场前景十分暗淡而且i p 技术还在广域网领域积极扩展，实现了与 s d h w d m 技术相结合，并已取代a t m 而成为宽带通信网的核心技术。 一i p 技术对a t m 技术的影响 第一章绪论 i p 技术是互联网的核心，在互联网中对于高层协议而言，通过统一的i p 协议 层屏蔽了各种低层协议和物理网络技术( 如x 2 5 、d d n 、以太网、令牌环、帧中 继、a t m 、s d h 、w d m ) 的差异，实现了“i po v e re v e r t h i n g ”的目标。i p 技术成 功的关键是其概念、方法与思想，例如其层次结构的包容性与开放性，以及简j 丫i 、 实用、有效的原则。目前互联网的另一个目标是实现“e v e r t h i n go ni p 9 99 其t i ，f f 勺 “e v e r t h i n g ”是指所有业务，包括数据、图像和话音等，这些业务既有实时的， 也有非实时的。要实现这样的目标，对于目前的i p 技术来说是有相当大凶难的， 需要新技术来帮助解决。 对于电信网或计算机网建设而言，它的发展是不会随着新技术的出现而发生 突变( 革命) 的，而只能是逐步演进。现有电信网已形成的资源十分庞大，不町 能一夜消失。而且现有的i p 网络虽然通过采用新技术( 例如：i po v e rs d h 或i po v e r w d m ) ，在一定程度解决了传送带宽的瓶颈问题，但仍然还是传统的路由器加专 线的组网方式，存在逐跳寻址与转发等问题，不能保证服务质量( q o s ) 和信息 安全。a t m 技术所具有的端到端q o s 保证、完善的流量控制和拥塞控制、灵活的 动态带宽分配与管理、支持多业务，以及技术综合能力等方面的优势，目前仍是 i p 技术所不及的。 有一点是肯定的，世上没有一种万能的技术。由于i p 与a t m 都是基于分组 交换的技术，而且都有各自的优势，因此，在电信网与互联网融合与演变的过程 中都将发挥作用。目前i p 技术的优势在于提供统一的数据应用平台，而a t m 技 术的优势在于可以提供统一的网络平台 二a t m 技术的特点、应用范围和发展趋势 ( 一) a t m 技术的特点 a t m 作为电信网的一种已经成熟的技术，不仅适用于高速信息传送和对服务 质量( q o s ) 的支持，还具备了综合多种业务的能力，以及动态带宽分配与连接 管理能力和对已有技术的兼容性 1 对服务质量( q o s ) 的支持 ( 1 )a t m 采用固定短长度的信元传送信息。信息交换是在第二层完成的而且协 议简单，简化了网络节点中信息存贮管理与处理的复杂性，加快了信息交换的速 率减少了信元在节点缓冲区中的排队时延和时延抖动，有利于信息传送的时间透 明性，特别适合在核心网中用于信息传送。 ( 2 )a t m 采用面向连接的通信方式通信之前要建立虚通道( v p ) 和虚通路( v c ) ， 避免了复杂的信元顺序控制工作加上用户接入时的流量控制和合理的q o s 与网 络资源管理控制，以及各种差错控制技术，可以使信元丢失率降低到各种业务可 以接受的程度，满足各类业务的语义透明性。 4 l a n a t m 网桥关键技术的研究与实现 ( 3 )在a t m 方式下，辅之以必要的网络管理功能和信令处理与连接控制功能，可 以设置多种优先级( 连接优先级，信元优先级等) 管理功能，满足各种使用要求。 2 a t m 的综合能力 a t m 以信元的方式传送信息，与业务的特性、比特率无关，只要将各类业务 的信息在入网时转化为统一格式的信元，就可以在网络中进行传输与交换，因此， 高灵活性使之具有各种综合能力。 3 a t m 对己有技术的兼容性 a t m 作为一项独立的技术充分考虑了与已有技术的融合，a t m 的兼容性表现在两 方面： ( 1 ) 对现有广域网技术( 包括分组交换及电路交换技术) 的兼容：a t m 可以兼 容帧中继( f r ) 业务、专线数据业务( d d n ) ，并且支持p s t n 和n i s d n 业务 ( 2 ) 对现有i p 技术的融合：a t m 对i p 技术既有数据链路层的兼容( 如局域网仿 真l a n e ) ，又有第三层( 网络层) 的兼容( 如c i p o a 、m p o a 及m p l s ) 。由于 a t m 技术的上述优点，因此得到了电信界、计算机网络界的广泛重视。然而，研 究开发和利用a t m 技术的两大阵营显然代表了两种不同的观点和角度。电信界期 望a t m 能够实现其网络的综合，实现现有电信网与未来网络( 包括i p 网、第三 代移动通信网) 的无缝融合，保护现有电信网的投资；而计算机界希望利用a t m 更好地支持i p ，以实现i p 的q o s 。当然，a t m 也有其固有的缺陷，主要问题是 过高的信元开销和网络复杂性。就a t m 信元本身而言，信元头的开销超过了l o ( 5 4 8 ) ，如果再把a t m 适配层以及更高层协议的开销考虑进去，总开销可能会超 过2 5 ，这对于一些数据业务( 例如：e m a i l 等短分组数据) 来讲是难以接受的： 另外，a t m 网络为了支持综合业务和保证q o s 而引入的c a c 、u p c n p c 等流 疑控制功能使得网络所支持s v c 的信令和网络管理功能十分复杂，这不仅增加 了网络成本，同时也加大了网络的复杂性。 ( 二) a t m 的应用领域 根据a t m 技术的特点和电信网技术的发展，就a t m 技术本身而言，要对 它的应用领域进行重新定位。由于a t m 终端和信令复杂，端到端a t m 连接( 信 元剑桌面) 的想法已基本落空，其原因是在用户驻地网支持话音业务它不如p s t n ， 支持数据业务它不如千兆以太网。然而，在核心网和边缘接入网中a t m 技术仍然 大有作为，在这里a t m 作为多业务平台的优势可以得到充分发挥。此外，a t m 与 i p 的结合将增加a t m 的竞争能力。因此，a t m 的应用领域主要有以下几个方面： 1 支持现有电信网逐步从传统的电路交换技术向分组交换技术演变。 ( 1 )支持现有电话网( 如p s t n i s d n ) 的演变，并作为其中继汇接网： 第一章绪论 ( 2 ) 支持并作为第三代移动通信网( 要支持移动i p ) 的核心交换与传送网 ( 3 )支持现有数据网( f r d d n ) 的演变，作为数据网的核心，并提供租川电 路，利用a t m 实现校园网或企业网间的互连。 2 为i n t e m e t 骨干网提供互连核心路由器，支持i p 网的持续发展。 3 与i p 技术结合，取长补短，共同作为未来信息网的核心技术。由于i p 与a t m 技术，有各自的优势，在传统电信网与棚荚网融合与演变的过程r f l 存f j 将发挥 各自的重要作用，如果把这两项技术结合起来，利用a t m 网络为l pj 羽，o 提 供高速直达数据链路，既可以使a t m 网络运营部门充分利用a t m 网络资源， 发展a t m 网络上的i p 用户业务，又可以解决i n t e r n e t 网络发展中遇到的瓶 颈问题，推动i p 业务的进一步发展，使这两项技术的潜力充分发挥出来， 获得巨大的经济效益。 6 l a n a t m 网桥关键技术的研究与实现 1 4 本文所做的工作 本文是十五预研项目“有线无线综合接入系统中局域网接入l a n a t m 网桥的重要组成部分。我们所设计的l a n a t m 网桥可在不改变原有局域网结构的 情况下，提高用户端的局域网性能并且利用a t m 网络的优点为用户可供高带宽、 高质量的网络性能。 本文主要完成以下几部分工作： 研究并分析了l a n a t m 网桥中以太网交换原理以及以太网数据业务a a l 5 适配等关键技术： 一 完成了l a n a t m 网桥的硬件和软件的设计与开发； 一 完成了l a n a t m 网桥的设计实现与调试； 完成了l a n a t m 网桥通过c e l l b u s 总线的联调； 第二章l a n a t m 网桥设计 第二章l a n a t m 网桥设计 2 1 交换式以太网【1 4 】【1 5 】【1 8 】 1 0 m b p s 以太网自1 0 b a s e t 技术和产品出现后，由于其星状结构的特点，以 集线器为中心连接个个站点的物理结构，为在以太网系统中同一时刻实王见多个数 据通道建立了必要的基础。在2 0 世纪8 0 年代后期，即1 0 b a s e t 出现后不久，就 出现了以太网交换式集线器。到了9 0 年代，随着快速以太网技术和产品的发j 感。 快速以太网的交换技术和产品更是发展迅速。 交换式以太网是一种以以太网交换机为核心的局域网。以太网交换机的符端 口之间同时可以形成多个数据通道，端口之间帧的输入或输出不再受c s m a c d 媒质访问控制协议的约束，即端口之间不共享一个冲突域，一个端口收发数据。 不影响和干扰其他端口的收发工作。 由于不受c s m a c d 的约束，且以太网交换机的各端口之间同时可以形成多 个数据通道，因此系统带宽就不再只是1 0 m b p s 或1 0 0 m b p s ，而是与交换机具有的 端口数有关。可以认为，若每个端1 2 1 为1 0 m b p s ，则整个系统带宽可达1 0 m b p s n ，其中n 为端口数。因此，拓宽整个系统带宽是交换式以太网系统的最明显的特点。 交换式以太网系统与共享型以太网系统比较有如下优点： 1 ) 每个端口上可以连接站点，也可以连接一个网段。不论站点和网段均独占 10 m b p s 10 0 m b p s 。 2 ) 系统最大带宽可以达到端口带宽n ，其中n 为端口数。n 越大，系统能 达到的带宽越高。 3 ) 交换机连接了多个网段，网段上运作都是独立的，被隔离的。 4 ) 被交换器隔离的独立网段上数据流信息不会在其他端口上广播，具有一定 的数据安全性。 2 2a t m 适配技术 9 】【1 0 】【1 8 】 2 2 1 a t m 技术特点 异步传输方式a t m 是建立在电路交换和分组交换的基础上一种面向连接的快 速分组交换技术，它采用定长分组作为传输和交换的单位。在a t m 中这种定长分 组叫作信元( c e l l ) 。 a t m 的主要优点如下： 1 ) 选择固定长度的短信元作为信息传输的单位，有利于宽带高速交换。信元 长度位5 3 字节，其首部( 信头) 为5 字节。长度固定的首部可使a t m 交 换机的功能尽可能的简化，只用硬件电路就可对信元进行处理，因而缩短 l a n a t m 网桥关键技术的研究与实现 了每个信元的处理时间。在传输实时话音或视频业务时，短的信元有利于 减小时延，也节约了节点交换机为存储信元所需的存储空间。 2 ) 能支持不同速率的各种业务。a t m 允许终端有足够多比特时就去利用信 道，从而取得灵活的带宽共享。来自各终端的数据流在链路控制器中形成 完整的信元后，即按先到先服务的规则，经统计复用器，在统一的传输速 率将信元插入一个空闲的时间隙内。链路控制器调节信息源进网的速率。 不同类型的服务都可复用在一起，高速率信源就占有较多的时隙。交换设 备只需按网络最大速率来设置，它与用户设备的特性无关。 3 ) 所有信息在最低层以面向连接的方式传送，保持了电路交换在保证实时性 和服务质量方面的优点。对于用户来说，a t m 既可以工作于确定方式， 以支持实时型业务；也可以工作于统计方式，以支持突发型业务。a t m 使用光纤信道传输。由于光纤信道的误码率极低，且容量很大，因此在 a t m 网内不必在数据链路层进行差错控制和流量控制( 放在高层处理) ， 因而明显地提高了信元在网络中的传送速率。 2 2 2 a a l 5 协议 a a l 5 是一种简单高效的a t m 适配层协议，它用于支持面向连接或无连接的 数据业务，如x 2 5 或i p 数据分组通过a t m 网的传送。它分为分段重装( s a r ) 子层和会聚( c s ) 子层；c s 又可分为共同部分( c p c s ) 和业务特定部分( s s c s ) 。 s s c s 与特定的业务有关。c p c s 协议数据单元( p d u ) 的结构如图2 1 所示。 一cpcs-pdu一 ；一c p c s p d u 尾部一 i! ! ! 兰二! 里竺登堑1 坠里i ! ! ! ! ：! 兰l ! ! ! l ! ! 型! l ! 竺i l 一6 5 5 3 5 |、0 - 印 ll24 。、 ； 。、 ：i i ：；】：! ；j ! j j i i j ：i i j 圃- 一一一5 1 ：i ：；】：；j ! ：j ! i j ：i i ! 圃 图2 1a a l 5c p c s p d u 结构和s a r - p d u c p c s 净荷内最多可携带6 5 5 3 5 个字：宵。填充字段( p a d ) 是一个o 一4 7 字：1 7 的可变k 度，它使c p c s p d u 的全长为4 8 字节的整数倍。用户到用户信息( u u ) j l f j 于透明传输上层用户的端到端的信息。c p i ( 公共部分指示) 目前仅用于是尾部构 成8 字节，l e n g t h t 字段标识净荷的长度，使接收端据此删除p a d 字段。c r c 3 2 用于检测c p c s p d u 中的差错。 a a l 5 的s a r 子层很简单，直接将c p c s p d u 按4 8 字节分段，装入s a r p d u 第二章l a n a t m 网桥设计 9 一 净荷。但s a r p d u 没有序号，只有通过信元头净荷类型( p t ) 编码中的a t mj | j 户至用户( a u u ) 指示位表示c p c s p d u 的最后一段。最后一个信元的a u u 簧 为“1 ”，表示a a l 5c p c s p d u 的结束。 2 3l a n a t m 网桥设计方案 以交换式以太网技术为主导的局域网是目前最为流行的组网技术，与传统的 共享式以太网相比，交换式以太网在技术有了很大改进，它可以提供全舣工工作、 1 0 1 0 0 、1 0 0 0 m b p s 的传输速率、v l a n 技术以及非常好的管理功能。a t m 已经在骨 干网络中得到广泛的应用。在网络边缘，a t m 也被作为不同业务的汇聚技术而受 到重视，作为一种多业务平台，a t m 可以把p s t n i s d n ，i p 和x 2 5 等业务汇聚 传送到骨干网上。目前还没有哪一种技术能像a t m 那样很好的提供多业务、多速 率的支持能力。因此l a n a t m 网桥的提出使得交换式以太网和a t m 这两种技术 可以很好的结合，为用户提供高带宽、高质量的网络性能。 2 3 1 需求设计 我们设计l a n a t m 网桥作为“十五”国防科技预研项目“有线无线综合接 入系统”中的局域网接入部分，是整个接入系统的一个子模块。为了配合整个系 统，我们在l a n a t m 网桥的设计中将划分三个模块：以太网交换模块；a a l 5 适 配模块；a t m 交换模块。 l a n a t m 网桥逻辑结构图2 2 如下： r j 4 5 a 以 a 踟总影 t太t 网 m m 接适交 入 配换 模 模 模 块块块 图2 2l a n a t m 网桥逻辑结构 以太网交换模块t 提供8 个1 0 m 1 0 0 m 自适应全双工以太网端口； 支持全双工半双工流控； 支持基于端口的v l a n 功能： 支持地址自学习功能： 1 0 l a n a t m 网桥关键技术的研究与实现 支持虚拟局域网( v l a n ) ； a a l 5 适配模块：支持多条连接的a a l 5 适配； 采用外部存储器完成m a c 地址到a t m 连接号的映射； 采用反向自学习方法完成映射表的建立； 通过网管接口按网络需求建立和删除连接： a t m 交换模块： 采用共享总线方式实现a t m 信元与接入系统中其他子模块 的交换。 2 3 2 l a n a t m 网桥具体设计 l a n a t m 网桥系统结构图2 3 如下： 图2 3l a n a t m 系统结构图 第二章l a n a t m 网桥设计 以太网交换模块：我们采用g a l i l e o t e c h n o i o g y 公司的g t - 4 8 3 5 0 、g t - 4 8 3 3 0 、以及 m a r v e l 公司的8 8 e 3 0 8 1 实现以太网交换。g t - 4 8 3 3 0 芯片是个 桥接芯片，它提供c p u 接口和g l i n k 接口使得c p u 可以和 g t - 4 8 3 5 0 相连接，从而可以使得网管可以通过c p u 修改 g t - 4 8 3 5 0 的设置，增加了g t - 4 8 3 5 0 配置的灵活性。g t - 4 8 3 5 0 芯片是一个二层以太网交换芯片，它提供以太网交换的t 婴功 能( 具体功能请参见g t - 4 8 3 5 0 d a t e s e e t ) ，8 8 e 3 0 8 l 芯片是一个 物理层芯片，它提供物理层的电器特性。 a a l 5 适配模块：我们采用集成通信处理芯片的m o t o r o l a r 公司的m p c 8 2 6 0 ，我们 将它的f c c 2 配置成以太网接口，并与以太网交换模块的一个接 口相连，使得以太网帧可以通过f c c 2 进入m p c 8 2 6 0 进行a a l 5 适配。m p c 8 2 6 0 芯片通信控制器( c p m ) 模块支持a a l 5 适配 功能，它可以将以太网控制器收到的以太网帧适配成a t m 信元， 再通过它的a t m 控制器发送出去。 a t m 交换模块：我们采用t r a n s w i t c h 公司的c u b i t 芯片来完成。c u b i t 芯片提 供了一种名为c e l l b u s 的总线，作为a t m 交换总线，从m p c 8 2 6 0 发来的a t m 信元可以通过这个总线实现与a t m 线路接口中继 板的信元交互。 本文将在下一章详细描述网桥的具体设计实现方案及关键技术。 第三章l a n a t m 网桥的设计实现与关键技术旦 第三章l a n a t m 网桥的设计实现及关键技术 3 1l a n a t m 网桥中以太网交换原理及关键技术【1 4 】【1 5 】【1 8 】 3 1 1 l a n a t m 网桥以太网交换原理 3 1 1 1矩阵交换结构 在l a n a t m 网桥的以太网交换模块中，我们采用了具有c r o s s b a r 交换甜叫蚱 结构的交换控制器。这种交换控制器内部主要有四个部分组成：输入、输出、交 换矩阵以及控制处理。如图3 1 所示。 圈3 1 交换矩阵结构 帧从输入端输入后，根据以太网帧的目的地址，在交换控制器的端口一地址 表中找到输出端口号，根据输出端口号就能在交换矩阵中找到一条路径，达到所 希望的输出端口。 交换矩阵的逻辑机理如图3 2 所示，当帧输入时，接通了合适的交换丌关连接 到矩阵的输出端上区。图上表示了3 个交换通道同时接通进行以太网帧交换。 i r l r i ，r 1 r1 r1r 1r1r 图3 2 交换矩阵的逻辑机理 交换矩阵的优点是利用硬件交换，结构紧凑，交换速度快，延迟时间短。 1 4 l a n a t m 网桥关键技术的研究与实现 3 1 1 2 存储转发交换方式 l a n a t m 网桥选用了存储转发的交换方式。存储转发交换是动态交换方式中 最常用的一种方式。当帧从端口进入交换控制器时，首先把接收到的整个帧暂存 在陔端口的高速缓存中，交换控制器根据缓冲器中帧的目的m a c 地址查询交换控 制器的端口一地址表，获得输出端口号，随后把帧转发到输出端口，经输出端口 高速缓存后输出。 帧的可靠传输是存储转发交换方式的最主要的优点，在源站到目的站传输帧 的过程中，分别进行了两次链路差错检测。首先是从源站到交换控制器输入端口 这一段链路上进行第一次帧的差错检验。差错检验的内容包括去除由于链路产生 碰撞而形成的帧碎片以及c r c 检验。第二次差错检验发生在输出端口至目的站点 链路上。差错检验同样包括去除碎片、c r c 检错和纠错过程。 3 i 1 3地址自学习 我们设计的l a n a t m 网桥以太网交换模块有两种地址自学习逻辑：基本模 式( b a s i cm o d e ) 和标签模式( t a gm o d e ) 。该以太网交换模块支持4 k 8 k 个m a c 地址。m a c 地址表如表3 1 所示。 t v i d xm s t p dp sp o r t d e vi di sv i da d d ras k v 表3 1 网桥m a c 表 v ：表示该条目是否有效； s k ：表示是否忽略该条目； a ： 表示地址老化： a d d r ：4 8 比特m a c 地址： v i d ：v l a n 号，用于地址匹配m a c + v i d ； d e v ： 表示该m a c 地址对应的设备号： p o r t ：表示该m a c 地址对应的端口号； p s ：表示该m a c 地址若是源地址，用高优先级还是低优先级队列传送该报文： p d ：表示该m a c 地址若是目的地址，用高优先级还是低优先级队列传送该报文： i s ：表示对源地址是该地址的报文在转发时是否进行干涉( i n t e r v e n t i o n ) ； i d ：表示对目的地址是该地址的报文在转发时是否进行干涉： s t ：表示该m a c 地址是不是静念地址； v i d x ：v l a n 表的索引号； 第二章l a n a t m 网桥的设计实现与关键技术 堕 t ：表示该m a c 地址若是目的地址，从该端口出去的报文是否带t a g 标签。 在这里我们仅描述标签模式( t a gm o d e ) 下的地址学习逻辑： _ 如果( 源m a c + v i d ) 在地址表中没有找到，那么便从v l a n 表中取出v l a n 条 目并检查v l a n 条目是否有效： 如果条目有效，那么 在地址表中创建一个新的条目并设定m a c 地址、v i d 、v i d x 、t ( 根扼v l a n 表中的p f o r m a t 域设定) 、设备号、端口号、a g i n g = l 以及其它域设为0 ； 发送n a 消息( 内部消息格式) 给c p u 以及该v l a n 中其它的交换设备( 通 知其他设备，使得他们也能学习到新m a c 地址) ； 否则( 条目无效) ，则 在交换设备的中断原因寄存器中设置( v l a n e r r o r ) 和( v l a n i n c h k e r r o r ) 为1 ； 不学习这个源地址： 在交换设备的i n g r e s s f i l t e r 寄存器中设置v l a ne n t r yn u m b e r 、 i n v i l d v l a n i n c h k f a i l e d 和端口号： - 如果( m a c + v i d ) 在地址表中能找到但设备号和端口号与接收端口和设备不 匹配，那么从v l a n 表中取出v l a n 条目并检查v l a n 条目是否有效， 如果条目有效，那么更新地址表： 用m a c 地址、v i d 、v i d x = v i d 、t 、设备号、端口号、a g i n g = l 以及其它域置 0 来更新该条目； 发送n a 消息给c p u 和属于该v l a n 的其它交换设备； 否则( 条目无效) ， 在中断原因寄存器中产生( v l a n e r r o r ) 和( v l a n i n c h k e r r o r ) ； 不学习这个源地址： 在i n g r e s s f i l t e r 寄存器中设置v l a ne n t r yn u m b e r 、i n v i l d v l a n i n c h k f a i l e d 指示以及端口号； 如果m a c + v i d 在地址表中能找到且端口号和设备号匹配， 则设置a g i n g = l 。 i e e e 8 0 2 1d 定义了静态地址模式，静态地址不会因为老化( a g i n g ) 机制而被删 除。c p u 可以通过设置交换设备的地址表配置某些地址成为静态地址。在学习过 程中，静态地址所属的条目不会自动更新，交换设备也不会向c p u 发送n a 消息。 根据网络应用的需要，网络管理员可通过网管接口控制c p u 修改交换设备中 的m a c 表 l a n a t m 网桥关键技术的研究与实现 3 1 1 4生成树算法 在由网桥交换机与局域网网段所构成的一个较为庞大的系统中，网桥的转发 和广播功能有可能导致系统中形成帧的循环传送。帧无休止地循环传送，系统中 数据传送量就会越来越大，最终导致整个系统无法正常工作。为了防止系统中产 生帧的循环传送，i e e e8 2 0 1 标准中提供了生成树算法( s p a n n i n gt r e e a l g o r i t h m ) 。具有了生成树算法功能的网桥交换机所组成的局域网互连系统， 就能避免帧的转发循环。 在以太网系统中，根据生成树算法，到每个网络的路径只能有一条。如图3 3 给出了一个互连l a n 集合的生成树。 幽3 3 生成树 生成树算法在系统中的工作原理是当系统完成连接并加电后，系统中的各个 网桥相互交换配置信息，它们通过一种包含网桥协议数据单元( b p d u ) 的特殊帧 ( b ；b p d u 帧) 来交换配置信息。系统中的每个网桥都能监听到其他网桥发来的这 种帧。交换配置信息的结果，首先确定了具有最小网桥i d 的是一个“根桥”，标 谚5 为生成树的树根。在以太网系统中，以m a c 地址末标识网桥i d ，具有最d , m a c 地址端口的网桥即确定为根桥。之后，根桥将向与它相连的所有局域网广播，使 得侄这些局域网上的网桥能确定它们各自的“根端口”( 即离丌根桥路径最近的 端口) 。然后，这些网桥又丌始向与它们相连的局域网( 除与根端口相连的局域 例外) 广播它们的b p d u 帧，说明它们只有一步之遥。如此一级一级向下广播直到 系统上所有的网桥。每当一个网桥接收到一个b p d u 帧时，它也会发出一个b p d u 帧以说明它自己离根桥的距离等。在每一级局域网上，发出b p d u 帧指明距离最短 的那个网桥就确定为“指定桥”( 若在局域网上，两个具有同样最短距离的网桥， 则网桥i d 较小的那个确定为指定桥) 。只有指定桥允许转发帧，而该局域网上其 第三章l a n a t m 网桥的设计实现与关键技术旦 他网桥则被阻塞。根据上述的机理即可保证在复杂的以太网系统中每一级局域网 上只有一个指定桥，从而避免了帧的循环转发路径。 在生成树算法建立以后，系统中的各个网桥仍旧会周期性的交换b p d u ( 青 息， 以便对网络中的拓扑结构等变化作出反应 3 1 2 v l a n 技术 3 1 2 1v l a n 技术原理 v l a n 定义 在网络互连领域，虚拟网络是种f 在迅速发展的新兴技术。此种技术的核 心是通过交换设备在网络的物理拓扑结构上建立逻辑的网络拓扑结构，使得网络 中任意几个l a n 段能够组合成一个从行为上像单一的l a n 那样的自治用户组。 导致这种情况出现的直接原因是当前高性价比的l a n 交换设备给用户提供了 非常好的网络分段能力、极低的报文转发迟延以及很高的传输带宽。l a n 交换设 备能够将整个网络逻辑上分成许多虚拟工作组，此种逻辑上划分的虚拟工作组通 常就称为虚拟局域网( v l a n ) 。 v l a n 的优点 v l a n 与传统的l a n 相比具有以下的优势： 1 ) 限制广播包 网络中存在大量的广播和多播报文，v l a n 的存在可以减少一些无谓的广播和 多播流量。例如，在一个包含十个用户的广播域中，如果广播只是针对其中的5 个用户的，则将这5 个用户放在一个单独的虚拟网络中使得只有这5 个用户能收 到广播包。这样就可以减少网络上不必要的广播报文。 在v l a n 技术出现以前，对广播报文的抑制只能通过路由器，这给本来就处理 报文复杂的路由器增加了更大的负荷，导致网络性能降低。v l a n 技术的出现解决 了这个问题，v l a n 代表着一种不用路由器对广播报文进行抑制的解决方案。在v 1 a 中，对广播报文的抑制将由交换设备完成。 2 ) 虚拟工作组 使用v l a n 可以建立多个虚拟工作组。当企业级的虚拟网建成之后，某一部门 或分支结构的职员划分在同一个虚拟工作组中。这样，网络上绝大多数的广播流 量都限制在v l a n 内部了，使得其它v l a n 的用户不受其影响。如果部门内的某一 个成员需要加入到另一个局域网，他所使用工作站不需要移动，只需通过网管将 其配置到相应虚拟工作组中，就可以成为那个局域网中的用户。 l a n a t m 网桥关键技术的研究与实现 v l a n 的这种功能使人们以前曾设想过的动态网络组织结构成为了可能，并在 一定程度上大大推动了交叉工作组的形成。 3 ) 安全性 在配置了v l a n 的网络系统中，任意一个v l a n 的数据包是不会广播到其它 v l a n ，其好处是确保了该v l a n 的广播信息不会被其他v l a n 的人所接收，从而实 现了信息的保密。 v l a n 划分 v l a n 有多种划分方法。本文只介绍其中四种常见的方法：根据端口定义、 根据m a c 地址定义、根据网络