（通信与信息系统专业论文）cdma2000+pcf高速数据接入单元的研制.pdfVIP

毫予辩投大学磋士论文 摘要 遥年来，随着对避鑫鼗务耱类稻数量霭袋妁剽增，监务类型主要限于潘誊和 低速数据的笫二代移动通信系统已不能满足需要，大容量、商速率、全方钕的第 三代移动通信系统( 3 g ) 蔽运露生。c d m a 2 0 0 0 徽i t 建议的3 g 技术据磴之一， 已被广大的电信运营商所接受，具有良好的应用前聚。目前世赛各豳的通信设备 供廨商，歪糯紧c d m a 2 o 设备的开发，跃勰在这一帝绣上占据一辩之魅。 ，y p c f 是c & m a 2 0 0 0 秃线接入网孛提供分组数据业务的主要实体，其主要功髓是 对b s 与p d 洲之间分组数据的传递进行管理。为实现邈一功能，p c f 被设计成四个 单元：h a u ( 离速数据凄夭擎元) 、p c u p c f 控n 擎元) 、d b u ，礴络 方寨。茭孛无线俺羧技术是较为按0 辩荚键的鄹分。 i t u 翠在w r c 9 2 会议上瓣为i m t 一2 0 0 0 篾懿了1 2 0 撼2 ( 1 9 2 0 1 9 8 0 m h z ，2 1 1 0 - - 2 1 7 0 m h z ) 懿辩称频谱资激鼓f d d 使掰，3 5 m h z ( 1 9 0 0 - - 1 9 2 0 t i n z ，2 0 t 0 - - 2 0 2 5 t 瞄z ) 静；# 对称颓谱强澈洪t d d 使麓。巍w r c 2 0 0 0 鹩会议上又增麓了8 0 0 m h z 频段( 8 0 6 9 6 0 m h z ) 、1 7 g h z 鞭段1 7 l o 一1 8 8 5 m h z ) 、2 5 g h z 频羧( 2 5 0 0 - - 2 6 9 0 m h z ) 挟 i m t 一2 0 0 0 业务熊两，爨卷穗魏撼褥i m t - 2 0 0 0 寒豢酶羧漤毒5 0 0 m a z 以上，麓寒 来懿逡黠预窝了基太翡炎源燮超。 程2 0 0 0 攀5 瑚举行鹣i t u 一巍2 0 0 0 牮垒会( 凇一2 0 0 0 ) 上，鬣礁邋过了i m t 一2 0 0 0 无线攘秘技拳规范。戏规蔻寇摄了嚣赞无线绩辕技术：i m t - 2 0 0 0c d m ad z 、 i m t 一2 0 0 0c d m am c 、i m t 一2 0 0 0c d m at d d 、i m t 一2 0 0 0t d m as c 以授i m t - 2 0 0 0t d m a t d d 。莛巾，旃3 耱努宽带c d m a 技术，籍嚣耪灸譬d 眩按零。这美静焉线矮入技 拳其鸯鸯邑的瑗论原溅，符剐如下：i m t - 2 0 0 0c d m ad s 技术蒸子欧溯的w - c d m a ： i m t 一2 0 0 0c d n am c 技术鏊于j 荑髓c d m a 2 0 0 0 # z 辣t 一2 0 0 0c d m at d d 鼓拳瞧攒敬 渊酌t d e d 凇皲我国游t d s c d m a i m t - 2 0 0 0t d m as c ，鄄毽翦掰说翡u w c - 1 3 6 e d g e ；i m t 一2 0 0 0t d m at d d 基于d e c t 凭爆技零。上述方寨孛轰舆瘦麓纷德的建 w c d m a 鞠c d m a 2 0 0 0 。 2 0 0 1 年底，巾国联遗公霜莲芎：i s 一9 5 a 麓窄带c d m a 移动遴信丽顾静j 建成开 遴，可戳臻觅在寒来豫三年痰，终为i s - 9 5 商黎三筏演进鳓技零方案，c d m a 2 0 0 0 电子科技大学硕士论文 将在我国获得广泛的应用。 1 3 c d m a 2 0 0 0 移动通信系统 1 3 1c d m a 2 0 0 0 简介 c d m a 2 0 0 0 是为满足第三代移动通信系统的需要，而设计的一种宽带c d m a 技 术，采用直接扩频码分多址的无线接口技术。它符合甚至超过了i m t - 2 0 0 0 规定 的第三代移动通信系统的技术指标，符合从现有的i s 一9 5 系列标准平滑地过渡到 第三代移动通信系统的要求，可以满意地进行室内、室外或步行及车载环境下的 通信，在室内相对静止条件下最高数据传输速率为2 m b i t s ，步行时为 3 8 4 k b i t s ，车载时为1 4 4 k b i t s 。 c d m a 20 0 0 分为两个阶段：c d m a 2 0 0 0i x 和c d m a 2 0 0 03 x ( i x 代表其载波一倍 于i s 一9 5 a 的带宽，3 x 代表其载波三倍于i s - 9 5 a 的带宽) 。c d m a 2 0 0 0i x 在1 2 5 m h z 的带宽上可以提供1 4 4 k b i t s 以上速率的数据业务，由于增加了辅助信道，可以 对一个用户同时承载多个数据流，所以c d m a 2 0 0 0i x 提供业务的能力比i s 一9 5 有很大的提高，为未来开展各种多媒体业务打下了基础。由于c d m a 2 0 0 03 x 与 c d m a 2 0 0 0i x 相比，唯一的优势是数据业务能力的提高，所以c d m a 2 0 0 0 的标准 化组织3 g p p 2 现在正在努力推动对c d m a 2 0 0 0i x 的继续完善，希望在继续采用 1 2 5m h z 带宽的情况下使数据业务能力达到i t u 规定的第三代数据速率标准2 m b i tj s 以上，3 g p p 2 将c d m a 2 0 0 0i x 增强的技术统一称为c d m a 2 0 0 0i xe v 。一 旦c d m a 2 0 0 01 xe v 技术在实际应用中达到了预期效果( 即满足了i t u 在第三代 业务方面的要求) ，那么在相当长的一段时间内，c d m a 2 0 0 03 x 的应用将搁置。 目前c d m a 2 0 0 0i x 在技术上趋于成熟，在韩国已经实现了商用，中国联通在 国内7 个大城市也相继开通了c d m a 2 0 0 0i x 的实验局。 1 3 2c d m a 2 0 0 0l x 针对1 8 9 5 的主要改进 c d m a 2 0 0 0l x 在无线接口功能上比i s 一9 5 系统有了很大的增强，如在反向增 加了导频，在前向增加了快速功率控制，改善了前反向容量，在软切换方面也将 原来的固定门限变为相对门限，增加了灵活性等。 c d m a 2 0 0 0i x 提供反向导引信道，从而使反向信道也可以做到相干解调，它 3 电子科技大学硕士论文 比i s 一9 5 系统反向信道所采用的非相关解调技术可以提高3 d b 增益，相应地反向 链路容量提高1 倍。 c d m a 2 0 0 0i x 还采用了前向快速功控技术，从而可以进行前向快速闭环功控， 较i s 一9 5 系统前向信道只能进行较慢速的功率控制相比，大大提高了前向信道的 容量，并且减少了基站耗电。 c d m a 2 0 0 0i x 前向信道还可以采用传输分集发射，提高了信道的抗衰落能力， 改善了前向信道的信号质量。总之，c d m a 2 0 0 0i x 前向信道采用了传输分集发射 技术和前向快速功控后，前向信道的容最约为i s 一9 5 系统的2 倍。 在c d m a 2 0 0 0i x 中业务信道中，可以采用t u b r o 码，因为信道编码采用t u b r o 码比采用c o n v o l u t i o n a l 具有2 d b 的增益，因此c d m a 2 0 0 0i x 系统的容量还能提 高到未采用t u b r o 码时的1 6 倍。从网络系统的仿真结果来看，如果用于传送语 音业务，c d m a 2 0 0 0i x 系统的总容量是i s 一9 5 系统的2 倍；如果传送数据业务， c d m a 2 0 0 0i x 的系统总容量是i s 一9 5 系统的3 2 倍。 在c d m a 2 0 0 0i x 中引入了快速寻呼信道，极大地减少了移动台的电源消耗， 提高了移动台的待机时问。支持c d m a 2 0 0 0i x 的移动台的待机时间是i s 一9 5 移动 台待机时间的1 5 倍或更多。c d m a 2 0 0 0i x 还定义了新的接入方式，可以减少呼 叫建立时间，并减少移动台在接入过程中对其他用户的干扰。 c d m a 2 0 0 0i x 在提供分组业务时，系统除了建立前向和反向基本业务信道之 外，还需要建立相应的辅助码分信道，如果前向需要很多的分组数据传输量，基 站通过发送辅助信道指配消息建立相应的前向辅助码分信道，使数据在消息指定 的时间段内通过前向辅助码分信道发送给移动台。如果反向需要很多的分组数据 传输量，移动台通过发送辅助信道请求消息与基站建立相应的反向辅助码分信 道，使数据在消息指定的时间段内通过反向辅助码分信道发送给基站。可以看出， 辅助信道的设立使得c d m a 2 0 0 0i x 能够更灵活地支持分组业务。 1 3 3 c d m a 2 0 0 0 体系结构 为实现高度模块化的设计，c d m a 2 0 0 0 系统采用了三层设计( 如图i - 1 所示) ： 上层( u p p e rl a y e r ) ，链路层( l i n kl a y e r ) ，物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 。所有 高于链路层的业务( 类似o s l 网络层，传输层，会话层，表示层和应用层的功能) 总称为上层实体。各种上层实体实现由链路层提供数据传送服务。链路层传送数 4 电子科技大学硕士论文 据，并利用物理层编码和调制信息与基站通信。 7 v o 。es e m f s j j t广一_ j 译。目b ”归 o 一“岫。 d a t as e i c e i i u p p e r 培 l a v e 怕 l l e l s i g n a i i l a c i “ s u b i 科- r f f d a c 占匾j 暖 j i ii s u b l e y e r l ol j - n d 瞄乳忡 f f - s y i 忙0 乩瞄铆峙i 盎_ j 器弘f _ _ 洲 壮hf 辆二浅e g p b y i i c a i i p h y l i c e ll e y m ( c c , d i n i i n d i o d u l e t i o n ) ll a ，t l r l， 图1 1c d m a 2 0 0 0 的体系结构不意图 1 上层( u p p e rl a y e r ) c d m a 2 0 0 0 的上层所包括的不同业务基本分为三类： 话音业务( v o i c es e r v i c e s ) ：包括p s t n 接入，移动台与移动台间的话音和 i p 电话； 用户终端数据承载业务( e n du s e rd a t ab e a r i n gs e r v i c e s ) ：包括分组数 据，电路数据和短消息； 信令( s i g n a l i n g ) ：控制移动台的各种操作。 为实现支持先进的多媒体业务的目标，c d m a 2 0 0 0 还能够支持多种业务同时 进行，并具有套先进的业务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 管理机制，规 范用以发送或动态地调整每种业务的质量参数，以及一套完善的媒体接人控制 ( m a c ) 提供有效的操作和优化的空中接口容量。 c d m a 2 0 0 0 的话音业务实体支持与t i a e i a 一9 5 一b 语音编码后向兼容，支持 电子科技大学硕士论文 话音的分组数据传送和电路数据传送。数据业务实体一般分为分组数据业务和电 路数据业务。信令实体包括i s 一9 52 g 信令业务和c d m a 2 0 0 0 上层信令业务。 2 链路层( l i n k l a y e r ) 根据特定的上层业务的需要来支持不同层次的业务质量。实际上它将逻辑数 据和信令映射到物理层上。该层可以分为两个子层：链路接入控制( l a c ) 和媒 体接人控制( m a c ) 。 l a c 子层：主要处理对等的上层实体间的点对点通信，可以根据不同的上层 实体的需要支持不同的传输可靠性，因此l a c 子层采用了一些不同的协议来 支持不同的业务质量需求。 m a c 子层：m a c 子层管理由物理层提供的资源，根据不同的l a c 业务实体的 要求综合使用这些资源。该层也负责根据l a c 业务实体的要求发送q o s 等级 ( 如保留空中接口资源和在相互竞争的l a c 实体间解决优先权问题) 。 3 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) c d m a 20 00 的物理层为m a c 子层使用的一组逻辑信道提供编码和调制业务。 物理层接口由以下的对应的实际物理发送信道组成： f r f c h ：即前向反向基本信道。 f r - - d c c h ：即前向反向专用控制信道。 f r s c h s ：即前向反向辅助信道。 f r - - c c c h ：即前向反向公共控制信道。 r a c h ：即反向接入信道。 f p c h ：即前向寻呼信道。 信息经过编码和调制后，物理层产生一组物理信道( p h c h ) 直接发送信息。 p h c h 一般可被分为两类： 专用物理信道( d p h c h ) ：在基站和单个移动台间所有采用专用和点对点方式 传送信息的物理信道的集合。 共用物理信道( c p h c h ) ：在基站和多个移动台问所有采用共享路径和点对多 点方式传送信息的物理信道的集合。 c d m a 2 0 0 0 系统有两类前向同步信道：共享同步信道和宽带同步信道。后一模 式完全采用宽带方式调制，是前向c p h c h 的一个独立信道。两类信道都能够指导 电子科技大学硕士论文 移动台接入宽带寻呼信道( f - p c h ) 或增强型t i a e i a - - 9 5 一b 导频信道。 c d m a20 0 0 系统也有两类寻呼信道：共享寻呼信道，这种模式可用于t i a e i a - - 9 5 一b 系统和c d m a 20 0 0 宽带系统；宽带寻呼信道，这种模式完全采用宽带 方式调制，是前向c p h c h 的一个独立信道。 1 3 4 c d m a 2 0 0 0 的网络参考模型 3 g p p 2 规范所建议的c d m a 2 0 0 0 网络的参考模型如图1 2 所示，图中的网络 实体中只有m s ( m o b i l es t a t i o n ) 被单独定义为物理设备，其他的网络实体可 以是一个物理设备，也可以由几个物理设备组成。 柱心同 图1 - 2c d m a 2 0 0 0 网络参考模型 在3 g p p 2 建议的网络参考模型中，主要的网络实体包括： 1 移动台( m s ) ：m s 是移动用户设备，可以发起、接收呼叫，完成同基站收发 信台之间的通信。 2 基站控制器( b s c ) ：b s c 部分完成基站的控制和管理；呼叫连接的建立和拆 除：移动性管理；通过软硬切换，为上层业务提供稳定可靠的无线连接： 功率控制；无线资源的管理。 3 基站收发信台( b t s ) ：b t s 主要完成无线信号的收发功能。实现无线系统和 移动台之间的通信。 电子科技大学硕士论文 4 移动交换中心( m s c ) ：m s c 完成移动台始呼、被叫的用户业务的交换。一个 m s c 同多个b s c 连接。m s c 还可以与p s t n 、i s d n 或者其他的m s c 相连接。m s c 提供了无线网络同公共交换网络之间的接口。 5 分组数据控制功能( p c f ) ：p c f 主要完成r - p ( 无线信道和p p p 连接) 连接 的管理。因为无线资源十分紧张，所以当用户在无线信道上无发送、接收的 时候就需要释放无线信道资源，但是p p p 连接继续保持。通过切换功能，对 上层业务屏蔽无线移动性。 6 分组数据服务节点( p d s n ) ：p d s n 完成移动用户分组数据业务的交换。一个 p d s n 可以同多个p c f 连接。p d s n 提供了无线网络同分组数据网络之间的接 口。 1 4 论文任务的来源 本文所涉及的课题是c & m a 2 0 0 0i x 系统中p c f ( p a c k e tc o n t r o lf u n c t i o n ) 高速数据接入单元的研制。下面对高速数据接入单元在系统中的位置以及所实现 的功能进行说明。 1 4 1 p c f 简介 p c f 在c d m a 2 0 0 0 系统中位于b s c 与p d s n 之间( 如图1 2 所示) ，它在分组域中 相当于一个会话控制功能模块，是b s c 和p d s n 之间的桥梁。它管理分组数据会话 的数据，如会话的状态、m o b i l es e s s i o ni d ( m s i ) 、用户标识i m s i 、业务触 发器等，记录分组数据会话的时长和通信量，产生计费信息。它可以是一个独立 的节点，也可和b s c 合在一起，一个p c f 可以管理多个b s c ，也可以只管理一个b s c ， p c f 管理的范围称作p a c k e tz o n e ，移动用户离开一个p a c k e tz o n e 进入另一个 p a c k e tz o n e 要进行基于位置的登记。p c f 只进行会话的管理，不参与i p 层控制信 息的交互。 根据3 g p p 2 的协议a c c e s sn e t w o r k i n t e r f a c e s i n t e r o p e r a b i li t y s p e c i f i c a t i o n ( 3 g p p 2a s 0 0 0 1 ) ，p c f 与p d s n 之间为a 1 0 a i i 接口，与b s c 之间为a 8 a 9 接口，其中a 9 、a l l 用于承载信令，a 8 、a 1 0 用于承载业务数据。 表l 一1 所示为3 g p p 2 规范定义的a 8 a 9 、a 1 0 a i i 接口的协议栈。 电子科技大学硕士论文 表l 一1a 8 a 9 、a 0 a i i 协议栈 a 9 a 1 1a 8a 1 0 a 9s i g n a l i n ga 1 1s i g n a l i n g a 8t r a f f i ca 1 0t r a f f i c t c p u d p u d pg r eg r e i pi pi pi p l i n kl a y e rl i n kl a y e rl i n kl a y e rl i n kl a y e r p h y s l y r p h y s l y r p h y s l a y e rp h y s l a y e r 协议中没有对上述接口的物理层和链路层做明确规定，这里采用了表i - 2 所 示的协议栈实现方案。 表i - 2a s a 9 、a 1 0 a i i 协议栈实现方案 a 9a 1 ia 8a 1 0 a 9s i g n a l i n ga 1 1s i g n a l i n ga 8t r a f f i ca 1 0t r a f f i c t c p u d pu d pg r eg r e i pi pi pi p a a l 5a a l 5 e t h e r n e te t h e r n e t a t ma 咧 s t m 一1g es t m 一1 g e c d m a 2 0 0 0 提供的数据业务分为电路域数据业务和分组域数据业务，p c f 在 b s c 与p d s n 之间提供分组数据业务支持，其主要功能就是处理a 9 信令、a l l 信 令以及业务数据中的g r e ( g e n e r i cr o u t i n ge n c a p s u l a t i o n ) 报文。 1 a 9 信令的处理 从a 9 信令消息处理来看，p c f 相当于一个t c p u d p 服务器，采用并发型的客 户一服务器模型来实现p c f 。每个客户任务根据a 9 消息类型处理客户的不同请求， 建立、修改相应的用户数据记录，然后终止此客户任务。p c f 侦听a 9 的端口号5 6 0 3 ， 根据客户的a 9 请求建立相应的不同的客户任务，继续侦听a 9 的端口号5 6 0 3 。 2 a 1 1 信令的处理 a l l 信令处理就是处理r p 会话。从a l l 信令消息的处理来看，p c f 相当于一 个t c p u d p 的客户端。根据需要建立、周期性维护、拆除a 1 0 连接，发送计费信 息，选择适当的端口，向p d s n 的4 3 4 端口发送客户端消息，并在此端口等待p d s n 响应。收n p d s n 的响应消息后，相应修改用户的记录。 3 g r e 报文的处理 当某用户a 8 、a 1 0 连接建立后，p c f 建立相应用户的a 8 、a 1 0 连接的绑定关 系记录。p c f 收到的转发来的数据包后，解开g r e 包头，根据获得的a 8 或a 1 0 连接的k e y ，查用户记录表，取得对应的a 1 0 或a 8 连接的k e y ，重新继续g r e 封装，转发此数据包，实现类似g r e 高速路由器的功能。 q 电子科技大学硕士论文 i 4 2 p c f 的实现方案 p c f 作为无线接入网的一部分可以和b s c 放置在一起，也可以单独放置，这 里将p c f 与b s c 分开放置。在b s c 的设计中，以大容量的a t m 交换机作为交换平 台，采用了模块化的业务处理结构。整个b s c 系统划分为基本处理模块、语音处 理模块、数据处理模块、综合管理模块和中央交换模块5 种功能模块，各模块的 作用如下： 基本处理模块：通过a b i s 接口与b t s 相接，主要完成业务的帧选择、语音 数据分发、信令控制等功能。 语音处理模块：通过a i a 2 a 5 接口与m s c 相接，主要完成语音的编解码， 回波抵消和n o 7 信令的链路层处理等功能。 数据处理模块：完成a 8 接口数据的处理与转发以及a 9 接口信令的转发，包 括上下行两个方向。 综合管理模块：完成后台维护、管理、告警等功能，接收g p s g l o n a s s 双模 的卫星信号，输出i p p s ( 每秒1 个脉冲) 定时信号作为中央交换模块的时钟 参考源，向整机系统提供周期时间同步信元和系统资源管理等功能。 中央交换模块：主要完成中央交换功能，为各处理模块的信息交换提供通路， 同时向各模块提供系统时钟及各模块的维护管理代理功能。 各个模块之间的关系如图i - 3 所示。 b t s b t s 图i - 3b s c 硬件结构示意图 1 0 电子科技大学硕士论文 p c f 通过光纤与b s c 的中央交换模块相连，为实现p c f 的功能，将p c f 划分 为以下几个单元：高速数据接入单元、数据缓存单元、p c f 控制单元、高速背板 单元。p c f 的逻辑结构如图i - 4 所示。 p d s n 图1 4p c f 逻辑框图 图中各单元的主要作用如下： 数据缓存单元：完成下行( 从p d s n 至b s c ) 方向分组数据的缓存、处理以及 转发。其中g r e 包直接转发给b s c ，s d b 数据先转发给p c f 控制单元再转发 给b s c 。当p c f 与p d s n 通过局域网或i n t e r n e t 连接时，还负责将从p d s n 接收到的数据包进行重排序。 p c f 控制单元：处理a 9 接口和a l l 接口的高层信令，管理数据缓存单元资源 和p c f 会话工d 资源，建立信令和业务连接，维护分组呼叫的状态，完成整 个p c f 的维护管理，在p c f 内进行交换和复用，并通过光纤接口将业务汇聚 到b s c 的中央交换模块。 高速背板单元：为p c f 内的各个单元提供高速的业务互通和管理维护通道。 高速数据接人单元：对p d s n 提供千兆以太网接口，支持r f c 8 2 6 ( 以太网a r p ) 协议，为p c f 提供a 1 0 a i i 接口，负责上下行业务数据和信令的转发。 上述各单元分别由不同的硬件单板结合相应的上层软件实现，本文主要针对 高速数据接入单元的硬件和软件的设计实现过程进行描述。 1 5 论文的主要工作 本文的主要工作有： 电子科技大学硕士论文 1 根据p c f 的总体方案，对高速数据接入单元进行功能、性能需求分析，确定 x 夕h 接口； 2 对数据转发技术进行分析比较，确定高速数据接入单元的实现方案； 3 完成硬件的方案设计； 4 完成软件的设计； 5 完成性能指标的测试。 电子科技大学硕士论文 第二章数据转发技术分析 2 1 数据转发的概念 在网络通信中的数据转发，一般指一个多端口的网络通信设备把从一个端口 输入的数据包发往其他一个或多个端口的操作。网桥和路由器等常见的网络设备 都需要完成数据转发操作。转发的具体流程与相关的协议有密切联系，不同层次 的转发操作要分别根据报文中各层次的协议信息来完成。网桥是二层( m a c 层) 的设备，根据m a c 帧中的m a c 层信息完成二层转发，实现m a c 层的网络互连。路 由器是三层( i p 层) 的设备，根据i p 报文中的i p 层信息完成三层转发，实现 i p 层的网络互连。有些路由器在转发过程中还要用到四层或更高层的信息，完 成的实际上是多层转发。一般来说二层转发比较简单，三层或多层转发则相对复 杂。 在高速数据接入单元中，存在两个数据输入输出端口：千兆以太网接口和高 速背板总线接口。单元的基本功能就是实现这两个端口之间的数据转发。由于单 板在实现两个端口的数据转发过程中，需要用到四层( g r e 层) 中的k e y 值作为 转发时的查表依据，并对g r e 头的部分域进行处理，因此可以将高速数据接人单 元看作一个四层的转发设备。 2 2 数据转发的基本原理 2 2 1 二层转发原理 网桥是典型的二层设备，各种二层转发都和网桥的转发过程相同或相似。网 桥有如下2 个基本功能： 1 协议转换：网桥各个端口下的网段可能有不同的m a c 层协议，比如a 端口是 8 0 2 3 而b 端口是8 0 2 4 ，网桥把一个报文从a 端口转发到b 端口时就要将 该报文的帧格式从8 0 2 3 封装改成8 0 2 4 封装，反之亦然。 2 流量调节：通过非交换式h u b 互连的网络每个网段上的所有流量都会被复制 到所有其他网段。而网桥则具有流量调节的功能，只转发某个网段上需要传 电子科技大学硕士论文 送到其他网段的报文，并且尽可能只将报文转发到目的主机所在的网段。 为了实现流量调节，网桥要能够进行地址学习。例如：当从a 端口接收到一 个源m a c 地址是1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 的m a c 帧时，网桥要将端口号a 和m a c 地址 i i 一2 2 3 3 4 4 5 5 66 加入m a c 地址表，表示网桥学习到m a c 地址为 i i 一2 2 - 3 3 4 4 5 5 6 6 的主机在端口a 下。以后当网桥从a 端口接收到目的地址为 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 的m a c 帧通过查m a c 地址表就知道该m a c 帧的目的主机在本 端口下，不再向其他端口转发；当从其他端口接收到目的m a c 地址为 i i 一2 2 - 3 3 4 4 5 5 6 6 的m a c 帧时，就可以通过查m a c 地址表知道该m a c 帧需要向 a 端口转发。 网桥的m a c 地址表有一个老化过程，每个学习到的m a c 地址过一段时间后要 被删除，以适应网络情况的变化。 2 2 2 三层转发原理 路由器是典型的三层设备，三层转发一般就是指路由器转发i p 报文的操作。 路由器转发i p 报文的一项主要工作是根据i p 报文的目的地址和路由表确定下一 跳i p 地址。路由器查路由表采用最长匹配方式，具体实现过程有各种不同的算 法，从逻辑上说就是用目的地址和路由表中的掩码相与后再与网络地址比较，如 果相同就找到了匹配的路由项，如果匹配的路由项不只一个就用掩码长度最大的 那一项。例如某路由器的路由表如下表所示，接收到了一个目的地址是 1 0 2 0 4 0 8 的i p 报文，查路由表发现i p 地址与网络地址掩码是 i 0 2 0 0 0 2 5 5 2 5 5 0 0 的路由项匹配，因此下一跳路由器i p 地址是2 0 0 0 1 。 如果接收到一个目的地址是1 0 2 0 3 0 3 的i p 报文，发现两个路由项都匹配，但 1 0 2 0 30 0 25 5 2 5 5 2 5 5 0 的掩码长度大于i 0 2 0 0 0 2 5 5 2 5 5 0 0 的掩码长 度，因此下一跳路由器i p 地址是2 0 i 0 0 1 而不是2 0 0 0 1 。 网络地址掩码下一跳 1 0 2 0 0 0 2 5 5 2 5 5 0 02 0 0 0 1 1 0 2 0 3 0 0 2 5 5 2 5 5 2 5 5 02 0 1 0 0 1 路由器转发i p 包除了查路由表完成选路功能外，还要对i p 报头进行验证， 以及修改i p 报头的t t l 和c h e c k s u m 等域。除了这些基本功能，有时出于q o s 或安全性等方面的考虑，路由器还要实现访问列表、流分类、队列调度等复杂的 电子科技大学硕士论文 功能。 2 2 3 高速数据接入单元转发原理 从图i - 4 中可以看出，高速数据接入单元具有两个物理端口，一个端口通过 千兆以太网接口与p d s n 相连，另一个端口通过a t m 高速背板总线与p c f 内的其 他单元相连。高速数据接入单元中需要将来自p d s n 的a l l 信令数据通过背板总 线转发到p c f 控制单元，将a 1 0 业务数据转发到数据缓存单元；另外还需要将来 自背板总线的a 8 业务数据、a l l 信令数据转发给p d s n 。具体的转发过程如下： 下行a 1 0 业务数据转发：从千兆以太网接口接收p d s n 的a 1 0 业务数据，检 查进来的数据包的目标i p 地址是否为本p c f 的i p 地址以及i p 报头校验和 是否正确：然后检查i p 报头中的协议域，如为4 7 ( g r e ) 则是a 1 0 业务数据， 根据数据包g r e 头中的k e y 值查表找到对应的数据缓存单元的通道索引，在 完成a t m 层的处理后，将此数据包通过背板总线转发到对应的数据缓存单元。 上行a 8 业务数据转发：对从背板总线接收i p 数据包，进行i p 数据包的有 效性检查，检查i p 头中协议域，如为4 7 ( g r e ) 则是a 8 业务数据，根据数 据包的g r e 头中的k e y 值查表找到对应的p d s n 的i p 地址和g r e 序列号，修 改此包的i p 头源、目标地址和校验和，根据配置添加g r e 的序列号，再查 表找到对应p d s n 的m a c 地址，然后完成m a c 层的封装，最后通过以太网口 将数据包转发给p d s n 。 下行a l l 信令数据转发：从以太网口接收p d s n 的a l l 信令数据，检查进来 的数据包的目标i p 地址是否为本p c f 的i p 地址以及i p 报头校验和是否正 确，然后检查i p 头中协议域，如为1 7 ( u d p ) 则是a l l 信令数据，在完成 a t m 层的处理后，将数据包通过背板总线转发到p c f 控制单元。 上行a l l 信令数据转发：从背板总线接收来自p c f 控制单元的a l l 数据i p 包，检查i p 报头的校验和，如果正确则根据i p 报头中的目的i p 地址查找 对应p d s n 的m a c 地址，然后完成m a c 层的封装，最后通过以太网口将数据 包转发给p d s n 。 通过对上述转发过程的分析可以看出，在高速数据接入单元中，需要实现二 层的a t m 与以太网相互间的协议转换，完成三层i p 报头和四层g r e 报头的分析 和处理。 1e 电子科技大学硕士论文 2 3 数据转发技术分析 传统的数据转发通常是由c p u 来完成的，c p u 是一种通用器件，不同的转发 流程可以依靠不同的软件程序来实现，因此把这种转发方式叫做软件转发。随着 半导体芯片设计水平的提高，专用集成电路( a s i c ) 技术日趋成熟，以往由软件 完成的许多功能现在都可以在a s i c 芯片中通过硬件实现，由于a s i c 芯片具有处 理速度快的特点，因此在数据转发中获得了广泛应用，这种用a s i c 芯片来实现 数据转发的方式称为硬件转发。近两年随着网络处理器的出现和规模应用，数据 转发领域中a s i c 芯片一统天下的格局正逐渐被打破，这种运用网络处理器进行 数据转发的技术我们称为网络处理器转发。下面就针对这三种数据转发技术进行 分析和比较。 2 3 1 基于通用c p u 的软件转发技术 软件转发是在c p u 这样一个通用的硬件平台上通过专门的算法( 也就是软 件) 来实现转发所需要的专门操作和专门的流程。可编程性和灵活性是软件转发 的最大优势。 软件转发的主要工作是由c p u 完成的，但c p u 一般都只有通用的总线接口而 不能直接从低层芯片获取数据，这样就需要一个接口电路完成从网络接口到c p u 的p c i 总线接口的转换。图2 1 所示是软件转发的接口方式。接口电路从网络接 口接收数据后存入外部存储器，每接收到一个数据分组就向c p u 发中断，c p u 响 应中断后再从存储器读取数据以完成转发操作。 图2 - 1 软件转发的接口方式 电子科技大学硕士论文 c p u 响应中断再读取数据的过程是一个比较大的开销。在一些要求高速转发 的场合下，仅是c p u 的中断响应时间就可能接近或超过每个分组所允许的最大处 理时间。 由于c p u 只有有限的几种用来完成算术逻辑操作的执行部件如累加器等，对 于那些不能直接由这些执行部件一次完成的操作就要由一定的算法分多次来完 成。例如：计算或修改i p 报头中的c h e c k s u m 时就要完成一种叫做“o n e s c o m p l e m e n ts u m ”的加法操作，这种加法是一种1 6 b i t 的加法运算，与普通加法 的唯一不同就是要将溢出后的进位位加到最低位。虽然“o n e sc o m p l e m e n ts u n ” 的计算并不复杂，但由于c p u 没有专门的“o n e sc o m p l e m e n ts u m ”加法器，所 以需要用两次加法来完成。数据转发的过程中查表是最常用的操作，软件转发中 通常采用h a s h 查找算法，对于二层转发需要用4 8 b i t 的m a c 地址作为“k e y ”值 来查表，对于三层转发则需要用3 2 b i t 的i p 地址作为“k e y ”来查表。c p u 在完 成这些算法操作时，需要执行多条指令，并占用多个时钟周期，这在一定程度上 影响了数据转发的速率。 随着i n t e r n e t 的普及和技术的发展，网络接口带宽的增长十分迅速，对数 据转发的速率要求越来越高，软件转发技术要适应这种变化，在优化各种算法的 同时，必须不断地提升c p u 的性能以及总线带宽和时钟频率，但就目前的情况看， c p u 的性能更新速度的已经落后于网络带宽的增长速度，因此软件转发技术不可 避免地将被新的技术取代。 2 3 2 基于a s i c 的硬件转发技术 a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 顾名思义是一种为专 门用途而设计的芯片，与之相对应的是具有编程灵活性并且可完成各种功能的通 用微处理器。由于a s i c 只专注于执行某些特定的任务，因而可以在电路设计过 程中充分地进行优化，以提高任务执行的效率。针对数据转发的特殊要求，设计 专用的a s i c 芯片，是改善数据转发性能的有效途径。 基于a s i c 的硬件转发具有以下技术特点： 1 采用专用接口电路设计 在基于a s i c 技术的硬件转发电路中，可以针对各种网络接口设计专用的接 口电路，这样转发电路能够直接和低层芯片相连。硬件转发的接口方式如图2 - 2 】7 电子科技大学硕士论文 所示，与软件转发相比，在从网络接口接收数据分组时，硬件转发省却了发中断 和中断响应的时延，从而使转发效率得以提升。 图2 - 2 硬件转发接口方式 2 采用专用部件 在硬件转发电路中可以集成很多专用部件，以完成各种特殊的操作。在软件 转发中很多需要多个时钟周期才能完成的操作，在使用专门功能部件后，可以在 较少甚至单个时钟周期内一次完成，从而大大缩短了转发处理时间。如前面介绍 的“o n e ，sc o m p l e m e n ts u m ”算法，就有专门的“o n e sc o m p l e m e n ts u m ”加法 器，只需要执行一次操作就可完成计算；再如转发时用到的查表操作也有专门的 电路来完成，硬件转发经常用c a m “c o n t e n ta d d r e s s a b l em e m o r y ”( 内容可寻 址存储器) 来实现查表操作，利用c a m 可以一次完成地址表的查找工作。 3 支持并行处理 在转发处理流程中有很多操作在逻辑上是并行的，硬件转发电路可以为每个 操作分配需要的资源保证所有操作并行执行。 通过上面的分析可以看出，硬件转发技术实际上就是直接根据转发所需的专 门操作和专门流程设计专用的硬件结构，最终目的是为了尽可能的提升数据转发 的性能，实现高速率的线速数据转发。由于硬件结构一旦设计实现，就只能执行 特定的操作、实现特定的功能，因此缺乏灵活性。采用硬件转发技术，如果转发 流程需要改动，就不得不放弃已有的硬件芯片，造成前期投入的浪费，而开发新 的a s i c 芯片需要一个较长的周期且成本相对较高，这些局限性使得硬件转发技 术在适应快速发展的网络通信市场时显得捉襟见肘的。 电子科技大学硕士论文 2 3 3 基于网络处理器的转发技术 根据i d c 的定义，网络处理器是一种经过一定的优化后用于处理数据报文的 可编程半导体器件。网络处理器对数据报文的处理主要包括以下内容： 报文分类：根据已知的特征( 如：地址类型或协议类型) ，对报文进行识别 和归类。 报文修改：修改报文中特定的域，以符合i p 、a t m 或其他的协议规定( 如： 更新i p 头中的t t l 域等) 。 报文调度：根据不同的业务类型或通信质量要求，按一定的优先级对报文进 行排队。 报文转发：在输入端口上接收数据报文，经过一系列处理后，将报文转发或 路由到特定的端口。 这里采用n p u ( n e t w o r kp r o c e s s i n gu n i t ) 作为网络处理器的缩写。严格的 说，n p u 并非网络处理器缩写，但这个术语更加强调它与c p u 的并列关系。处 理器的分类如图2 - 3 所示： f i x e d f u n c t i o n j ，i e 田回回 l 丛璺墨曼叠曼! i 口 p u r p o s ep r o c e s s i n g pr o c e s s i n g 图2 3 处理器分类 通用的c p u ，如r m 7 0 0 0 ，p o w e r q u i c c 芯片不是n p u ，即使它们也用于数据 报文。事实上，通用c p u 可以用于处理任何任务，但并没有对分组数据的处理 作特殊的优化。通用c p u 只能用于处理简单的网络任务，对于复杂的网络任务， 其性能和性价比将远远不如n p u 。 用于处理信号的芯片也不是n p u ，例如t i 的v l i w b a s e dd s p ，b o p s 的 m a n t ad s p ，和c h a m e l e o n 的重复可编程阵列这些超级d s p 只能称之为 微通信处理器( c o m m u n i c a t i o n sp r o c e s s o r s ) 。这些器件的典型应用是：用于处 电子科技大学硕士论文 理d s l ，c a b l e m o d e m ，无线信号等。这些复杂的处理需要将信号转换成数字 数据流。 固定功能的器件虽然可以配置但不是n p u ，因为它是不可编程的。可编程性 是n p u 的一个重要特征，因为它为一系列的应用提供了很大的灵活性。n p u 的 应用前景非常光明，因为单片的设计就可以为多个厂商的多种网络产品所采用， 同时提供了很经济的升级方案。 以太网交换芯片也不是n p u ，因为它只是可配置的，而不是可编程的。虽然 新的解决方案提供了层3 的路由，但没有处理器内核( p r o c e s s o rc o r e ) 。同样， a t ms a r t m 器件也是不可编程的。 最后，协处理器芯片，如流分类引擎，查找引擎，流量管理器等也不是n p u ， 因为它们只完成整个分组数据处理流程的一部分。另外，这些器件通常也不是可 编程的，虽然它们具有很灵活的可配置性。n p u 可以包含协处理器，甚至依赖于 外部协处理器，但这些协处理器不是n p u 。 报文引擎是网络处理器处理数据报文的核心部件。数据报文处理的一个重要 特性是，一个单独的数据流通常包含大量的报文，每个报文都能被公平而独立地