（计算机应用技术专业论文）基于ixp2350的综合接入设备设计与实现.pdf

摘要 摘要 综合接入设备( i a d ) 是一种访问广域网的高灵活性和价格低廉的解决方案。 它能够同时支持以太网数据包，语音信号，视频信号和无线信号的接收，并通过 单一接口接入广域网。 i n t e l 新一代网络处理器i x p 2 3 5 0 继承了前几代网络处理器的可编程架构，并且 具备了更高的性价比优势。它提供的各种处理单元和存储单元最大程度实现了高 效的包处理和转发，同时，i x p 2 3 5 0 提供的各种接口能最大限度的满足开发综合接 入设备的需要。因此，使用i x p 2 3 5 0 实现一个综合接入设备能够为开发者带来更短 的开发周期和更高的性能。 本文描述的解决方案设计了综合接入设备所需要的功能和各种接口。接口包 括用户端和网络端。用户端接口包括以太网接口，语音接口，无线接口。网络端 则使用一个g e 接口与路由器或d s l a m 相连。具体的软件架构的设计包括数据平面 和控制平面的软件设计。由于作者的主要工作是数据平面的软件设计，因此本文 详细介绍了数据平面的实现，对控制平面则只是简单介绍其原理。 数据平面的软件由若干包处理阶段( p p s ) 组成，这些包处理阶段包括包接收 阶段，包处理阶段，流量控制阶段，空闲链管理阶段和包发送阶段。整个数据平 面的开发使用英特尔的模块化设计架构和标准化通信机制实现，因此本系统体现 了相当大的灵活性。同时，开发过程使用英特尔新近推出的针对网络处理器开发 的编译器自动分派编程模式( i x p c ) ，使得开发更加容易，最大程度缩短了 歼发周期。 关键字：i a d ，1 x p 2 3 5 0 0 , 微块，包处理阶段，数据平台，控制平台 h a b s t r a c t a b s t r a c t i n t e g r a t e da c c e s sd e v i c e ( i a d ) d e s c r i b e sah i g h l yf l e x i b l ea n dc o s t - e f f e c t i v e s o l u t i o nf o ra c c e s st ot h ew i d ea r e ac o m m u n i c a t i o a si n f r a s t r u c t u r e i tc a nc o n s o l i d a t e m u l t i p l et y p e so fi n f o r m a t i o ns u c ha sv o i c et r a f f i c ，l a nt r a f f i c ，v i d e o ，a n d o ro t h e r t y p e so fd a t aa n dn e t w o r k s e r v i c e so n t oas i n g l ec o s t - e f f e c t i v e ，s h a r e da c c e s sl i n e 1 1 l ei n t e li x p 2 3 5 0n e t w o r k p r o c e s s o re x t e n d si n t e l sf u l l yp r o g r a m m a b l e a r c h i t e c t u r et on e w 1 0 w e rc o s t p e r f o r m a n c ep o i n t s u s i n gi x p 2 3 5 0t oi m p l e m e n ta l l i a dc a nb r i n gas i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n ti nt i m et om a r k e tf o rd e v e l o p e r sa n di t sh i g h p e r f o r m a n c ec a nm e e tm a n yk i n d so fn e e d s t h i sl a ds o l u t i o nc o n s i s t so fas e to fi n t e r f a c e sa n df u n c t i o n sf o rc h a r a c t e r i z i n g l a d c o m p o n e n t sa n dt h e i rc a p a b i l i t i e s c u s t o m e r - s i d ei n t e r f a c e si n c l u d el a n i n t e r f a c e v o i c ei n t e r f a c e ，a n dw i r e l e s si n t e r f a c e g i g a b i te t h e m e t ( g e ) i n t e r f a c ei su s e dh e r ea s n e t w o r ki n t e r f a c e s o f t w a r ea r c h i t e c t u r ei s d e s i g n e db e f o r ea l l t h ed e v e l o p i n gw o r k s o f t w a r ed e v e l o p m e n ti n c l u d e sd a t ap l a n es o f t w a r ea n dc o n t r o lp l a n es o f t w a r e t h i s d i s s e r t a t i o ni sm a i n l yo nd a t ap l a n es o f t w a r eb e c a u s et h ea u t h o rm a i n l yw o r k e do ni t d a t a p l a n e s o f t w a r ei sd i v i d e di n t o m a n y p a c k e t p r o c e s s i n gs t a g e s ( p p s ) 一p a c k e tr e c e i v ep p s ，p a c k e tp r o c e s s i n gp p s 1 r a 腼cm a n a g e r p p s ，f r e e l i s t m a n a g e rp p s ，a n dp a c k e tt r a n s m i tp p s b a s e do nt h et h o u g h to fi n t e lm o d u l a r i z e d f r a m e w o r ka n ds t a n d a r d i z e dc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s mc a nm a k et h es y s t e mm o r e s c a l a b l ea n df l e x i b l e a tt h es a m et i m e t h i si a dr e f e r e n c ed e s i g nu s e si n t e ll x p c o m p i l e r ( i x p c ) a n da u t o p a r t i t i o n i n gp r o g r a m m i n gm o d e ls oc o d i n gb e c o m eam u c h e a s e rw o r kt od o k e y w o r d ：i a d ，1 x p 2 3 5 0 ，m i c r o b l o c k ，p p s ，d a t ap l a n e ，c o n t r o lp l a n e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特另t i d n 以标注和致谢的地 方外，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作了明 确的说明并表示谢意。 繇盟扯日期栅年，月，日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：埠导师签名： 日期：加车胁型引 c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1o b j e c t i v e s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n i n t e g r a t e da c c e s sd e v i c ei sah i g h l yf l e x i b l ea n dc o s t - e f f e c t i v es o l u t i o nf o ra c c e s s t ot h ew i d ea r e ac o n l l m u n i c a f i o n si n f r a s t m e t u r e i tc a nb eu s e dt or e d u c et h ec o s to fw i d e a r e aa c c e s sb ya c t i n ga sas m o ep o i n to fi n t e r s e c t i o nw i t ht h ew i d ea r e an e t w o r kf o r m a n yd i f f e r e n tt y p e so fi n f o r m a t i o ns o u r c e ss u c ha sv o i c et r a f f i c , i _ a nt r a f f i c ，v i d e o ， a n d o ro t h e rt y p e so fd a t aa n dn e t w o r ks e r v i c e s a sg a d sh a v eb e c o m ei n e r e a s i 日i g l y i m p o r t a n ti nc o n t e m p o r a r yw i d ea r e ac o m m u n i c a t i o n s ，t h e yh a v ee v o l v e dt oi n c o r p o r a t e h i g h e rs p e e d sa n dg r e a t e rb r e a d t ho ff e a t u r e si no r d e rt om e e te n dc u s t o m e r s d e m a n d s f o re v e r - m o r e s o p h i s t i c a t e ds e r v i c e sf r o mt h e i rn e t w o r kp r o v i d e r s t h ei n t e li x p 2 3 5 0n e t w o r kp r o c e s s o re x t e n d si n t e l s f u l l yp r o g r a m m a b l e a r c h i t e c t u r et on e w , l o w e rc o s 帅e r f o r m a n c ep o i n t s t h eh i g h s p e e dc o r e ( u pt o1 2g h z ) i n c o r p o r a t e sa d v a n c e di oa n dm e m o r yf e a t u r e s ，e n a b l i n gc u s t o m e r st oe l i m i i i a t ea l l e x t e r n a lc o n t r o lp l a n ep r o c e s s o ri nm a n ya p p l i c a t i o n s a d d i t i o n a lh a r d w a r e - a s s i s t e d f e a t u r e si nt h ei x p 2 3 5 0n e t w o r kp r o c e s s o ri n c r e a s e p e r f o r m a n c e a n d s i m p l i f y d e v e l o p m e n t s ou s i n g i x p 2 3 5 0t o i m p l e m e n t a nl a dc a nb r i n gas i g n i f i c a n t i m p r o v e m e n ti nt i m et om a r k e tf o rd e v e l o p e r sa n di t sh i g hp e r f o r m a n c ec a nm e e tt h e n e e d so f m a n y k i n d s t h ep r i m a r yo b j e c t i v eo ft h i sl a ds o l u t i o ni st od e f i n eas e to ff u n c t i o n sa n d i n t e r f a c ef o rc h a r a c t e r i z i n gi a dc o m p o n e n t sa n dt h e i rc a p a b i l i t i e s u s i n gt h et h o u g h t o fi n t e lm o d u l a r i z e df r a m e w o r ka n ds t a n d a r d i z e dc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s mc a nm a k e t h es y s t e mm o r es c a l a b l ea n df i e x f b l e a tt h es a m e t i m e ，t h i sl a dr e f e r e n c ed e s i g nu s e i n t e la u t o p a r t i t i o n i n gp r o g r a m m i n gm o d e ls oc o d i n gb e c o m eam u c he a s e rw o r kt od o t h ed e t a i l sc a nb es e e ni nt h ef o l l o w i n gp a r a g r a p h 1 2a u t h o r sm a i nw o r k t h ea u t h o r sm a i nw o r kf o c u s e so ns y s t e md e s i g n ，e x t e r n a li n t e r f a c e sd e s i g n ，a n d 电子科技大学硕士学位论文 _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ - _ _ 一一 d a t ap l a n es o f t w a r ed e v e l o p m e n tu s j n gs d ka n di t ss i m u l a t i o np l a t f o r m s y s t e md e s i g nw o r k c o n s i s t so fs o f t w a r ea r c h i t e c t u r ed e s i g na n de x t e r n a li n t e r f a c e s d e s i g n s o f t w a r ea r c h i t e c t u r ed e s i g ni n c l u d e sd a t ap l a n ed e s i g na n dc o n t r o lp l a n ed e s i g n d a t ap l a n ed e s i g nw i l lb em o r ed e t a i l e db e c a u s et h i sp a r tw i l lb ei m p l e m e n t e db yt h e a u t h o r e x t e r n a li n t e r f a c e sd e s i g ni n c l u d e st h ei n t e r f a c e sn e e d e db yag e n e r a li a d ，j u s t a sc u s t o m e r - s i d ei n t e r f a c e s ，n e t w o r ki n t e r f a c e s ，a n ds o m eo t h e ri n t e r f a c e sr e q u i s i t ef o r a n i a d d a t ap l a n es o f t w a r ed e v e l o p m e n tp a r ti m p l e m e n t sa l lt h em o d u l e sd e s i 印e di l l s y s t e md e s i g np e r i o d d e t a i l sf o rt h i sc a nb e s e e ni nf o l l o w i n gc h a p t e r s s ot h em a i nw o r kc a nb es u m m a r i z e da sw r i t t e nb e l o w ： t ol e a r na b o u tt h eh a r d w a r eo fi x p 2 3 5 0a n dg e n e r a ll a dd e v i c e t oc o m p r e h e n di n t e le x c h a n g ea r c h i t e c t u r ea n dd e v e l o p m e n tt o o l s t od os y s t e md e s i g na n dm a k eas o f t w a r ea r c h i t e c t u r e t oi m p l e m e n tt h ed a t ap l a n e a tt h es a m et i m e ，s o m ed i f f i c u r i e sm e tb e f o r ea n dd u r i n gt h ed e v e l o p m e n tj u s ta s t i m el i m i t e d n oi x p 2 3 5 0h a r d w a r ea r eb i gp r o b l e m sf o rm ea u t h o rt oc o m p l e t et h e s y s t e m b u tu s i n gt h es i m u l a t ep l a t f o r ma n dp a c k e tg e n e r a t o rc a nc o m p l e t e m o s to ft h e f u n c t i o n so fi x p 2 3 5 0 1 3a b o u tt h i sd i s s e r t a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nd e s c r i b e sas o l u t i o nf o ri n t e li x p 2 3 5 0i n t e g r a t e da c c e s sd e v i c e a n di so r g a n i z e da sf o l l o w s ： c h a p t e r1 “i n t r o d u c t i o n ，_ g i v e ag e n e r a ld e s c r i p t i o no i il a da n di x p 2 3 5 0 t h e ni n t r o d u c et h ea d v a n t a g e so fa nl a ds y s t e mu s i n gi x p 2 3 5 0 a u t h o r sm a i n w o r ki s a l s on o t e di nt h i sc h a p t e r c h a p t e r2 “i n t e g r a t e da c c e s sd e v i c e ，- 一g i v es o m ei n f o r m a t i o na b o u tl a d ， i n c l u d i n gi t sb a c k g r o u n d ，t h ec o n c e p to fl a d ，s o m et r a d i t i o n a ll a dd e v i c e s ，a n dt h e i n t e r f a c e ss h o u l db eo f f e r e db ya ni a dd e v i c e c h a p t e r3 “i n t e li x p 2 3 5 0n e t w o r kp r o c e s s o r 乙g i v eag e n e r a lv i e wo fi n t e l n e t w o r kp r o c e s s o r t h e ni n t r o d u c et h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo fi x p 2 3 5 0 c h a p t e r4 “d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n dh a r d w a r eo v e r v i e w ”i n t r o d u c c 2 些型竺! ! ! ! 塑! 型竺 t h ed e v e l o p m e n tt o o lu s e di nt h ea p p l i c a t i o na n di n t e le x c h a n g ea r c h i t e c t u r e t h i s c h a p t e r a l s od e s c r i b e s t h es y s t e mh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e ，i n c l u d i n gt h en e t w o r k i n f r a s t r u c t u r ea n dt h eh a r d w a r ec o n t e x tf o rt h ei n t e li x p 2 3 5 0p r o d u c tl i n el a d a p p l i c a t i o n c h a p t e r5 “d a t ap l a n e s o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o n i n t r o d u c et h es y s t e m s o f t w a r ea r c h i t e c t u r ea n dd e t a i l so ft h ec o d er u n n i n go nm e s c h a p t e r6 “c o n t r o lp l a n e ”i l l t r o d u c ec o n t r o lp l a n ed e s i g n c h a p t e r7 “p e r f o r m a n c e ”a n a l y z et h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e ro ft h es y s t e m c h a p t e r8 “s u m m a r ya n dp r o b l e m s s u m m a r i z et h el a da p p l i c a t i o n t h e n e x p a t i a t eo i lt h es h o r t c o m i n g sa n dp r o b l e m s 3 电子科技大学硕士学位论文 2 1b a c k g r o u n d c h a p t e r 2i n t e g r a t e da c c e s sd e v i c e 2 1 1t h er e v o l u t i o no f 、) l a n o n l ya b o u tt w e n t yy e a r sa g o , w i d ea r e an e t w o r k s ，o rw a n s ，w e r el i m i t e dt o m a j o rc o r p o r a t i o n st h a tn e e d e dt ol i n km u l t i p l ef a c i l i t i e s t oe a c ho t h e ri no r d e rt o t r a n s p o r tv i t a lc o r p o r a t ei n f o r m a t i o n b o t he q u i p m e n ta n dc o n n e c t i o n sw e r ee x p e n s i v e ， a n dg e n e r a l l yp r o v i d e do n l yb ym a j o rc a r r i e r s h o w e v e r ，t h ea t & tb r e a k u po f1 9 8 3 a n dt h et e l e c o m m u n i c a t i o n sa c to f1 9 9 6c h a n g e dt h en a t u r eo fc o m p e t i t i o nw i t h i nt h e w i d ea r e ac o m m u n i c a t i o n si n d u s t r yb yo p e n i n gt h ed o o rt oc o m p e t i t i v es e r v i c e sa n d p r i c e s t o d a y , w i d ea r e a r v i c e sa r eo f f e r e db y av a r i e t yo fs e r v i c ep r o v i d e r sr a n g i n gi n s c o p ef r o ml o c a lt oi n t e r n a t i o n a l ，w i t hs e r v i c e sa tp r i c e sa n ds p e e d st os u i tj u s ta b o u t a n ye n t e r p r i s e o n eo ft h ed r i v i u gf o r c e so ft h ew i d ea l e ar e v o l u t i o nw a st h ed r a s t i cc h a n g ei nt h e r o l eo ft h ec o m p u t e ra n dl o c a la r e an e t w o r k ( l a n ) b ye n a b l i n gt h ea l m o s tu n l i m i t e d f l o wo fi n f o r m a t i o na td e l a t i v e l yl a 谛c o s tw i t h i na no r g a n i z a t i o n , t h el a n e m e r g e d t h ec o r ea r c h i t e c t u r ei nt h ec o r p o r a t ee n t e r p r i s e w i t hi n f o r m a t i o na v a i l a b l et oa 1 1w h o n e e d e di tw i t h i naf a c i l i t y , t h en e e dg r e wt om a k et h a ti n f o r m a t i o na v a i l a b l et oa l lo f 口 e n t e r p r i s e sf a c i l i t i e s ，o om a t t e rt h e i rg e o g r a p h i cl o c a t i o n a st h ed e m a n df o rw i d ea r e a c o m m u n i c a t i o n s g r e wa n d c a r r i e r s e x p a n d e d t h e i rw a ns e r v i c e s ，i n c r e a s i n l e j y i n n o v a t i v es o l u t i o n sf o rt r a n s p o r t i n ga l lt y p e so fi n f o r m a t i o ne v o l v e d ， p e r h a p so n eo ft h em o s tu n e x p e c t e da n du n i q u em e t h o d so fi n f o r m a t i o ne x c h a n g e h a sb e e nt h ei n t e r o e ta n dw o r l dw i d ew e b i n i t i a l l yd e s i g n e da sam e a n so fs h a r i n g i n f o r m a t i o nb e t w e e nr e s e a r c hu n i v e r s i t i e sa n dm i l i t a r ye n t i t i e s ，t h ei n t e r a c th a sb e c o m e t h ep r i m a r yb u s i n e s st o o lf o rt h ee x c h a n g eo fi n f o r m a t i o n t h ei n t e r a c th a se n c o u r a g e d a l lu s e r st ot h i n ko fg l o b a lc m m e c l i v i t ya n da c c e s st oi n f o r m a t i o nr e g a r d l e s so ft h e s o u r c e sg e o g r a p h i c a ll o c a t i o n l t a i sh a sd r a m a t i c a l l yi n c r e a s e dt h ev a l u ep l a c e do n w a n c o n n e c t i v i t y a sa c c e s st ot h ei n t e m e ta n dt h ew i d ea r e ah a se x p a n d e d ，t h eu s eo f w a nc o n n e c t i v i t y a sa c c e s st ot h ei n t e r n e ta n dt h ew i d ea r e ah a se x p a n d e d ，t h eu s eo f 4 电子科技大学硕士学位论文 2 1b a c k g r o u n d c h a p t e r 2i n t e g r a t e da c c e s sd e v i c e 2 1 1t h er e v o l u t i o no f 、7 i 【a n o n l ya b o u tt w e n t yy e a r sa g o ，w i d ea r e an e t w o r k s ，o rw a n s ，w e r el i m i t e dt o m a j o rc o r p o r a t i o n st h a tn e e d e dt ol i n km u l t i p l ef a c i l i t i e s t oe a c ho t h e ri no r d e rt o t r a n s p o r tv i t a lc o r p o r a t ei n f o r m a t i o n b o t he q u i p m e n ta n dc o n n e c t i o n sw e r ee x p e n s i v e ， a n dg e n e r a l l yp r o v i d e do n l yb ym a j o rc a r r i e r s h o w e v e r ，t h ea t & t b r e a k u po f1 9 8 3 a n dt h et e l e c o m m u n i c a t i o n sa c to f1 9 9 6c h a n g e dt h en a t u r eo fc o m p e t i t i o nw i t h i nt h e w i d ea r e ac o m m u n i c a t i o n si n d u s t r yb yo p e n i n gt h ed o o rt oc o m p e t i t i v es e r v i c e sa n d p r i c e s t o d a y ，w i d ea r e as e r v i c e sa r eo f f e r e db yav a r i e t yo fs e r v i c ep r o v i d e r sr a n g i n gi n s c o p ef r o ml o c a lt oi n t e r n a t i o n a l ，w i t hs e r v i c e sa tp r i c e sa n ds p e e d st os u i tj u s ta b o u t a n ye n t e r p r i s e o n eo ft h ed r i v i n gf o r c e so ft h ew i d ea r e ar e v o l u t i o nw a st h ed r a s t i cc h a n g ei nt h e r o l eo ft h ec o m p u t e ra n dl o c a la r e an e t w o r k ( l 气n ) b ye n a b l i n gt h ea l m o s tu n l i m i t e d f l o wo fi n f o r m a t i o na tr e l a t i v e l yl o v ec o s tw i t h i na no r g a n i z a t i o n ，t h el a n e m e r g e da s t h ec o r ea r c h i t e c t u r ej nt h ec o r p o r a t ee n t e r p r i s e w i t hi n f o r m a t i o na v a i l a b l et oa l lw h o n e e d e di tw i t h i naf a c i l i t y ，t h en e e dg r e wt om a k et h a ti n f o r m a t i o na v a i l a b l et oa l lo fa l l e n t e r p r i s e sf a c i l i t i e s ，n om a t t e rt h e i rg e o g r a p h i cl o c a t i o n a st h ed e m a n df o rw i d ea r e a c o m m u n i c a t i o n s g r e wa n d c a r r i e r s e x p a n d e d t h e i rw a ns e r v i c e s ，i n c r e a s i n g l y i n n o v a t i v es o l u t i o n sf o rt r a n s p o r t i n ga 1 1t y p e so fi n f o r m a t i o ne v o l v e d p e r h a p so n eo ft h em o s tu n e x p e c t e da n du n i q u em e t h o d so fi n f o r m a t i o ne x c h a n g e h a sb e e nt h ei n t e r a c ta n dw o r l dw i d ew e b i n i t i a l l yd e s i g n e da sam e a n so fs h a r i n g i n f o r m a t i o nb e t w e e nr e s e a r c hu n i v e r s i t i e sa n dm i l i t a r ye n t i t i e s ，t h ei n t e r a c th a sb e c o m e t h ep r i m a r yb u s i n e s st o o lf o rt h ee x c h a n g eo fi n f o r m a t i o n t h ei n t e r a c th a se n c o u r a g e d a l lu s e r st ot h i n ko fg l o b a lc o n n e c t i v i t ya n da c c e s st oi n f o r m a t i o nr e g a r d l e s so ft h e s o u r c e sg e o g r a p h i c a ll o c a t i o n t h i sh a sd r a m a t i c a l l yi n c r e a s e dt h ev a l u ep l a c e do n w a n c o n n e c t i v i t y a sa c c e s st ot h ei n t e r n e ta n dt h ew i d ea r e ah a se x p a n d e d ，t h eu s eo f 4 c h a p t e r2i n t e g r a t e da c c e s sd e v i c e t h ei n t e r a c tf o rt h et r a n s p o r to fi n f o r m a t i o ni sg r o w i n gb e y o n dt r a d i t i o n a ld a t at o i n c l u d eo t h e rs e r v i c e ss u c ha sv o i c e ，v i d e o ，a n dm u s i c w l l i l ea c c e s st ot h ei n t e r n e th a sm a d ei t sw a yi n t ot h em a j o r i t yo fb u s i n e s s e sa n da l a r g ep e r c e n t a g eo fh o m e s ，a n dm a n yc o n s i d e ri t t ob et h ef u t u r eo fc o m m u n i c a t i o n s ，i t h a sn o