（通信与信息系统专业论文）一种应用于路由、交换设备的pos接口的设计与实现.pdf

， 。奄r誓： 稚。_ 广f ，：i i l j 一 f i 矿，弋k 摘要 随着i n t e m e t 的发展，对基于p 业务的需求导致了对网络带宽的巨大 需求。对于网络运营者而言，既需要提高业务能力，同时也要考虑到成本 压力。所以在不必追加资金投入，也不必改变网络的情况下，利用现有的 网络基础设施实现新的技术就成为一种经济可行的办法。尽管最初 s d h s o n e t 是一种为电话通信设计的时分复用( t d m ) 技术，但是 s d h s o n e t 技术具备高带宽的优点，可以有效地传输不同体系、标准的数 据帧，其中就包括承载i p 的分组报文。本文介绍了一种可用于路由交换设 备的p o s ( p a c k e to v e rs d h s o n e t ) 接口的设计与实现。在上行方向上，p o s 子系统从主设备接收e t h e m e t 帧，将其转换成p p p 数据帧( 保持p 数据不 变) ，将p p p 帧封装在s d h s o n e t 帧中后，将其发送到广域网上；在下行 方向，接收来自广域网的s d h s o n e t 帧，提取其中的p p p 帧，提取p p p 帧 中的i p 报文，将之封装在e t h e r n e t 帧中，发送至交换设备。考虑到效率， 大多数对数据链路层帧的处理交由硬件( f p g a ) 实现。采用g m i i 高速接 口和s d h s o n e ts t s 31 5 5 5 2 0 m b i t s ，同时利用硬件转发可以获得较高的 性能。考虑到实现p p p 协议的l c p 和n c p 较为复杂，将它们交予软件处 理。作为路由交换设备一部分的p o s 子系统，仅仅完成数据链路层数据帧 的转换、发送是远远不够的：部分p p p 协议数据需要交给上层软件处理； 上层软件要把用于网络连接配置的p p p 协议帧交予p o s 子系统发送；上层 软件要能够对p o s 的部分功能进行控制，配置，同时获得子系统的工作状 态等等，都需要上层软件与子系统交互数据信息，这都需要设备与系统的 接口，本文中介绍了采用p c i 总线连接的设计。由于p c i 接口是频繁应用 的系统接口，为了能够参考已有的设计或者能够为其它设计所采用，提高 设计可重用性，应该使p c i 接口的设计实现相对独立于背端设备。通过定 义好的背端设备接口，可桥接不同的背端设备。本文首先介绍了p o s 子系 统的网络参考模型，并定义了系统功能。根据系统功能定义和设计本系统 的一些原则，提出了p o s 子系统的硬件架构方案。然后是具体子模块的定 义，同时划分了功能的软硬件实现。接着是f p g a 实现的v e r i l o gh d l 描述 和e d a 仿真，在这部分用较多的篇幅描述了p c i 总线接口的实现。 关键字：p o s ，s d h s o n e t ，交换 、， ：一 北京邮电大学硕士论文 一种应用于路由交换设备的p o s 接口的设计与实现 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e m e t ，d r a m a t i c a l l yi n c r e a s e dn e e df o ri p - b a s e d s e r v i c er e s u l t si ne n o r m o u sd e m a n df o rb a n d w i d t h f o rn e t w o r k so p e r a t o r sw h o h a v et of a c et h ed i l e m m ab e t w e e nc o s ta n dc a p a c i t yo fs e r v i c e - p r o v i d i n g ，i ti sa e c o n o m i c a l w a y t o i m p l e m e n t n e w t e c h n o l o g y o n e x i s t i n g n e t w o r k i n f r a s t r u c t u r ew i t h o u ta d d i t i o n a li n v e s t m e n to rc h a n g eo nn e t w o r k s a l t h o u g h s d h s o n e tw a st i m ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( t d m ) t e c h n o l o g yd e s i g n e df o r t e l e p h o n yc o m m u n i c a t i o n ，i th a dt h ec a p a c i t yo fp r o v i d i n gh i g h b a n d w i d t ha n d t r a n s p o r t i n gd a t af r a m e so fm u l t i p l es t a n d a r d se f f i c i e n t l y ，i n c l u d i n gp a c k e t s c a r r y i n gi p t h i sp a p e rp r e s e n t sad e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fp o s ( p a c k e t o v e rs d h s o n e t ) i n t e r f a c ef o rr o u t i n g s w i t c h i n gd e v i c e t h ep o ss u b s y s t e m t r a n s f o r m st h er e c e i v e de t h e m e tf r a m e sf r o mr o u t i n g s w i t c h i n gd e v i c ei n t op p p f r a m e s ，e n c a p s u l a t e st h e mi ns d h s o n e tf r a m e sa n ds e n d st h e mt ot h ew a n w i mi pd a t a g r a mi n t a c ti nu p s t r e a md i r e c t i o na n dc o n v e r s e l yi nd o w n s t r e a m d i r e c t i o n f o re f f i c i e n c y , m o s t l yt h em a n i p u l a t i o no ff r a m e so fd a t a - l i n kl a y e r p r o c e s s e db yh a r d w a r e ，w h i c h i s i m p l e m e n t e db yf p g a c o n s i d e r i n g c o m p l e x i t yo fi m p l e m e n t i n gl c pa n dn c p o fp p p p r o t o c o l ，t h e ya r ep r o c e s s e d b yu p l a y e rs o f t w a r e w i t hf o r w a r d i n gb yh a r d w a r ea n di m p l e m e n t a t i o no f g m i ih i g h s p e e di n t e r f a c e sa n ds t s 一31 5 5 5 2 0 m b i t s ，t h ep o ss u b s y s t e mc a n a c h i e v eh i g hp e r f o r m a n c e f i r s t l yi nt h ep a p e r , t h en e t w o r kr e f e r e n c em o d e lo f p o ss u b s y s t e mw a si n t r o d u c e da n dt h e nt h ef u n c t i o nd e f i n i t i o n f o l l o w i n gs o m e p r i n c i p a l s o fs y s t e m d e s i g n a n dt h ef u n c t i o n d e f i n i t i o n s ，t h eh a r d w a r e a r c h i t e c t u r eo ft h ep o ss u b s y s t e mi sp r o v i d e d t h e ns p e c i f i cs u b m o d e l sa r e d e f i n e d ，s e p a r a t i n gf u n c t i o ni n t oc o r r e s p o n d i n gh a r d w a r eo rs o f t w a r ep a r t t h e n f o l l o w e da r ev e r i l o gh d ld e s c r i p t i o na n de d as i m u l a t i o no ft h ef p g a i m p l e m e n t a t i o nw i t hm o t ea t t e n t i o np a i dt op c ib u si n t e r f a c e 。 k e y w o r d s ：p o s ，s d h s o n e t ，s w i t c h i n g 2 ， r | 卜r 一一一7 t 、， f i ， n r 一 ，甲 ， ， l 。田 l 北京邮电大学硕士论文一种应用于路由，交换设备的p o s 接口的设计与实现 目录 第一章绪论5 1 1 相关标准，协议和技术介绍6 1 1 1s d h s o n e t j 6 1 1 2p p p 及相关协议7 1 1 3p c i 系统总线接口8 第二章系统总体设计方案1 1 2 1 简述。ll 2 2 参考模型1 2 2 3 系统功能定义1 2 2 4 系统设计的原则1 3 2 5 系统硬件架构1 4 2 6 功能模块的划分1 5 2 6 1 数据链路层转换处理模块的功能定义15 2 6 2 数据链路层转换处理的功能定义1 6 2 6 3 配置控制模块1 7 2 6 4 子系统信息维护模块18 2 6 5 协议处理数据转发模块l8 第三章系统模块具体设计方案18 3 1 简述。1 8 3 2 协议处理数据转发流程19 3 3p p p 实现的软硬件划分2 0 3 4 协议处理和数据转发实现的软硬件同步2 0 3 4 1 系统( 硬件) 状态j 2 l 3 4 2 消息定义2 1 3 4 3 状态迁移描述2 2 3 4 4 各子模块的功能定义2 6 第四章系统总线接口的设计一p c i 2 9 4 1 采用p c i 作为系统接口的原因2 9 4 2p c i 桥连接的设计3 0 4 3p c i 的功能选择一3l 4 4p c i 的信号选择31 4 5p c i 设备与背端连接的信号3 2 4 5 1p c i 桥连接的同步设计3 2 4 5 2p c i 桥连接的状态机3 4 4 5 3p c i 桥连接的读写时序。3 6 4 6p c i 中断的设计3 7 4 7i o 和存储寻址空间的分配3 8 4 8 配置寄存器的设置3 9 4 9 模块间数据接口的设计4 2 第五章系统模块的f p g a 实现j 4 3 5 1 简j 2 b 4 3 5 2f p g a 实现的整体结构：4 3 ， l ，刀 3 “一- q 、 北京邮电大学硕士论文 一种应用于路由交换设备的p o s 接口的设计与实现 5 。3 f p g a 实现所用的时钟分布4 4 5 4f p g a 实现中断4 4 5 5p c i 设备的f p g a 实现4 5 5 5 1 用f p g a 实现总线的一些问题4 5 5 5 2p c i 地址锁存功能的f p g a 实现。5 0 5 5 3p c i 配置空间的f p g a 实现i51 5 5 5 奇偶校验的f p g a 实现：_ 5 3 5 5 6p c i 有限状态机( f s m ) 的f p g a 实现5 4 5 5 7p c i 交易的时序。5 7 5 6 协议处理部分f p g a 实现模块。5 9 5 6 1g m i it xp h y 模块5 9 5 6 2g m i i _ p r o t o c o l _ r e s o v l e 模块6 0 5 6 3g m i i t x b u f c t r l 模块6 0 5 6 4p r t _ t xb u f 模块6 0 5 6 5p p p 仅p h y 模块。6l 5 6 6p p p _ r x _ _ p h y 模块。6 1 5 6 7p r t _ r x _ b u f 模块6l 5 6 8g m i i r x b u r e t r l 模块6 1 5 6 9g m i l _ r x _ _ p h y 模块。6 1 5 6 1 0p r o t o c o l _ c o n _ s t a t u s 模块- 6 1 第六章未来系统功能的扩展一聃6 支持。6 6 总结：6 7 参考文献6 8 附录a ：英文缩写和定义6 9 40 1 j ，连 膏 。矗 ， ， 一 ，蜊 f 鼻 卜 t 江 北京邮电大学硕士论文 一种应用于路由，交换设备的p o s 接u 的设计与实现 第一章绪论 随着i n t e m e t 的高速发展，带动了人们对数据业务的更大需求。近年， 单纯对数据业务的需求已转变为对语音，数据和图像等多种业务的需求， 这就对网络的带宽提出了更高的要求。而就整个网络而言，用户接入是主 要瓶颈，提高网络边缘的数据汇聚、转发能力是解决问题的关键。无论采 用哪种接入技术，最终都需要网络边缘处理设备将用户数据通过上连接口 传输到广域网。对于网络运营者，经济和技术是评测业务可行性同等重要 的因素。革命式的技术更新，不光需要高成本的先期网络基础设施投入， 同时承担了较高的经济风险。而充分利用已有的网络基础设施，整合成熟 的技术资源，渐进式地实现网络升级是合理的，符合实际的网络发展方式。 由于t c p i p 协议的诸多优点，已成为事实上的标准，i p 网络是数据网 络业务的发展方向。同时，几种技术的出现，为宽带p 网络的实现提供了 动力： ( 1 ) 千兆e t h e m e t ：高速度的局域网，为用e t h e m e t 网络桥连接的方 式实现用户数据接入汇聚提供了带宽保障。 ( 2 ) 2 层3 层交换机：传统路由器的路由选择、报文转发是基于软件 的，在用户数据量很大的情况下，难以满足转发速度要求。在上世纪9 0 年 代后期，业界出现了基于硬件转发的2 层3 层交换( l 2 l 3s w i t c h ) 技术。 2 层3 层交换机模糊了交换机与路由器的界限，不光能实现常规意义上的2 层交换，在特定的情况下可实现网络层的选路、转发，而且速度和成本上 有较大的优势。 传输瑟及以上 网络屡 数据链路层 物瑾屡 图1 1p o s 的层次参考模型 ， ，、在物理层上，光纤有高带宽，传输质量好及低成本的优点，而基于光 、 竹 _ 1 、 器 北京邮电大学硕士论文一种应用于路由交换设备的p o s 接口的设计与实现 纤已有较为成熟的传输技术。s d h s o n e t 是上个世纪8 0 年代为实现p s t n 网络的高容量，长距离传输而产生的一种技术。由于s d h s o n e t 技术的诸 多优点，作为骨干传输网，在国内外有广泛的应用。为满足i p 网络业务对 承载能力的要求，同时充分利用已有的网络基础设施，减小运营成本使基 于s d h s o n e t 的新技术得到发展。p o s ( p a c k e to v e rs d h s o n e t ) 就是一 种在s d h s o n e t 网络上高效传送i p 数据报文的技术。p o s 是将i p 报文封装 在数据链路层p p p 帧中，并将p p p 帧映射到s d h s o n e t 中，在光网络上传 输；其参考模型如图1 1 。 p o s 技术整合了几种成熟的网络技术，具备如下特点： ( 1 ) 具备较高的带宽利用率：p p p 和s d h s o n e t 都具有较低的封装开销， p o s 直接将i po v e rp p p 数据报文映射到s d h s o n e t 帧中，与a t m 方式相比， 大大减小了网络开销，使带宽利用率达到9 0 以上； ( 2 ) 有利于网络整合：p o s 利用较为成熟的s d h s o n e t 作为物理层传输技 术，而s d h s o n e t 具有兼容性好，整合能力强，可靠性高，可将不同体系， 不同速率的传输技术复用，易于扩展，利于不同网络的互连； 可充分利用已有的基层设施：s d h s o n e t 网络当初是为提高语音网络的 容量而建造的，而语音业务已渐渐接近饱和。对于网络运营者，采用已 有的网络基层设施，可避免投资浪费，充分利用网络资源； 利用组建i p 网络：可直接与i p 网络互连，利于业务开展； 快速增长的网络业务量对处于网络边缘的路由器或交换机的转发能力 提出了较高的要求，所以路由器或交换机常常将系统大部分报文处理功能 交予硬件部分完成。本文所介绍的p o s 方案是在转发系统和外部网络间基 于硬件实现数据链路层p p p 报文和e t h e r n e t 报文的转换，考虑到协议处理 的复杂度和功能可扩展性的需求，用f p g a 实现是一种理想的选择。 1 1 相关标准，协议和技术介绍 1 1 1s d h s o n e t s d h s o n e t 是一种在光纤上实现数据传输的技术，其主要特点是 全网同步操作，因此可以获得较高的数率和可靠性。s d h s o n e t 网络的整 合能力强，可以复用多种数据格式，其基本数据单元为s t s 1 ，速率是5 1 8 4 0 m b i t s 。本文所述的系统方案中，采用f r a m e r 芯片可实现完整的s d h s o n e t 通信，其帧格式为s t s 3 ，数率是1 5 5 5 2 0m b i t s 。 ，j 一噼” 6 矿 ， 、， ， 、h k ； 一 一 i ； 一 吨 & l ， 北京邮电大学硕士论文一种应用于路由，交换设备的p o s 接口的设计与实现 i i 2p p p 及相关协议 1 1 2 1 简述 p p p ( p o i n t - t o - p o i n tp r o t o c 0 1 ) 一种面向连接的数据链路层协议， p p p 及其相关协议定义了一种在点到点链路上封装、传送多种网络层数据的 标准方式。p p p 包括三部分： ( 1 ) 封装多种协议报文的方式； ( 2 ) 用于数据链路连接、配置和检测的连接控制协议( l i n kc o n t r o l p r o t o c o l ，l c p ) ； ( 3 ) 一族用于网络层协议建立，配置的网络控制协议( n e t w o r kc o n t r o l p r o t o c o l ，n c p ) ； p p p 封装的开销很小，当封装在类似h d l c 帧中时，仅需要8 个字节的 额外开销。p p p 可以承载在同一数据链路连接上承载多种网络层报文。 1 1 2 2p p p 操作流程： p p p 是面向连接的协议，在进行正常的数据通信前，必须用l c p 建立一条链路，而后在此链路上配置网络层的相关参数，在连接两端都对 相关配置，协商的参数认同后，才可传送网络层报文。以p p p 承载i p 报文 为例，首先用l c p 建立一条链路，在建立的过程中可协商、配置网络参数， 如最大传送单元( m t u ) 等。在链路配置完成后，由对应口报文的配置协 议i p c p 进行网络层的相关参数配置，在网络层配置完成后，承载i p 报文 的p p p 数据帧才可以在链路上传送。其流程如图1 2 所示： 铙辕中断 ( l i 乳k 酗斌i s h )( e $ t 枞r 1 埔物n 镛t 幻 争矗矩 li 虢黝德销翰辔踅 c 黧惦，酬c t 黼o r b i 麟隧t e ， 图1 2p p p 操作流程 7 北京邮电大学硕士论文 一种应用于路由交换设备的p o s 接口的设计与实现 1 1 2 3p p p 帧格式 ll i o 翩2 1 i i 图1 3p p p 及相关协议的帧结构 1 1 3p c i 系统总线接口 1 1 3 1p c i 历史 上世纪9 0 年代，由于图像处理技术和多媒体技术的应用需要，对总线 的速度和处理能力提出了更高的要求。9 0 年代初，i n t e l 提出了p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ，外围器件互连) 的架构，随后多 家公司组成p c i 标准组织p c i s i g ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) 。现在p c i 已成为一种广泛应用于不同处理器架 构的总线标准。 1 1 3 2p c i 总线信号 p c i 信号如图1 4 ： ， 己， j 北京邮电大学硕士论文一种应用于路由交换设各的p o s 接口的设计与实现 雅谎缀豢 总线耱辘 主设备) 暴娩德蟹 磐备值号可避信号 1 1 3 3p c i 总线结构 图1 4p c i 总线信号 图1 5 所示为p c i 总线在p c 中的典型应用，其中： ( 1 ) 北桥( h o 泖c i 桥) 用来连接处理器总线和基础p c i 总线； ( 2 ) 南桥( p c i i s a 桥) 用来连接基础p c i 总线到i s a 总线； ( 3 ) 在基础p c i 总线或p c i 插入卡上，可嵌入一个或多个p c i p c i 桥。 l 删 i l l 勰出驾i 删卜1 i ii蝣ll 擞遵器件 一一 i 一一l 3 w l jl 1pk l 簸线 i 一 禹 ； l l r 牲t 拯糖 必刿p c l 设备 i 嘲暇 一 零 一黼总线 i 图1 5p c i 总线在p c 中的典型应用 9 一 幡霄 一 ，_l歹、l，tf_、，_l歹 r，t rt 貔 l 锄 罐 黝 曦 嬲 叠 饿 隧 龇 接 北京邮电大学硕士论文 一种应用于路由交换设备的p o s 接口的设计与实现 1 1 3 4p c i 总线特点 ( 1 ) p c i 总线架构独立于特定的处理器，这也是p c i 广泛应用于多种c p u 架 构的原因； ( 2 )支持多达1 0 个外设，共可达到8 0 个p c i 功能； ( 3 )支持数据的突发传送模式( b u r s tm o d e ) ； ( 4 ) 总线速度为3 3 m 6 6 m ( h z ) ；j ， ( 5 ) 总线为3 2 6 4 位： ( 6 ) 支持总线并行操作； ( 7 ) 丰富的配置功能。 1 0 1 p 北京邮电大学硕士论文一种应用于路f 1 3 交换设备的p o s 接口的设计与实现 第二章系统总体设计方案 2 1 简述 日益增长的网络业务量对处于网络边缘接入设备的数据汇聚，转发能 力提出更高要求。现在，基于口内核的宽带接入设备，往往具备对e t h e m e t 数据的交换能力，以e t h e m e t 桥接的方式，将用户数据汇聚，通过高速上 连口一千兆e t h e m e t 转发到广域网。可是，现有的网络基础设施，并不都 支持千兆e t h e m e t 连接，广域网中大量存在着为语音通信而设计的 s d h s o n e t 网络。增加接入设备的组网对接能力，要求为接入设备提供与 s d h s o n e t 网络通信的接口。本文介绍了一种p o s 接口的实现方案，具 备如下特点： ( 1 ) 提供兼容s d h s o n e t 标准的接口，可直接与s d h s o n e t 网络互连 操作； ( 2 ) 无需改变接入交换设备的体系结构。基于p 内核的宽带接入设备， 直接将用户的i po v e re t h e m e t 数据以桥接的方式汇聚，交换，并通过高速 率的e t h e m e t 接口上连。而标准的i p o v e rs d h 要先将口封装到p p p 帧中， 再映射到s d h s o n e t 帧中。本文所介绍的p o s 接口，处于e t h e m e t 上连 口与s d h s o n e t 网络之间，提供上下行数据链路层代理，实现e t h e m e t 和p p p 数据帧的转换，而无需更改接入设备的体系结构，提高了设备应用 的灵活性； ( 3 ) 基于硬件，数据处理效率高。本文介绍的p o s 方案，基于硬件处理大 部分数据，数据处理速度快，不会影响交换设备的转发性能。 ( 4 ) 采用标准的系统接口( p c i ) ，相对独立性强，可应用于不同处理器体 系结构； ( 5 ) 系统模块相对独立，可为未来传输速率提高和功能增强提供扩展。 北京邮电大学硕士论文 一种应用于路由交换设备的p o s 接口的设计与实现 俺输层及以上 网络层 数据链路屡 物理层 团圆 图2 1p o s 在主系统中应用的参考模型 2 2 参考模型 如图2 1 所示是p o s 在主系统中应用的参考模型。 在大多数情况下，此系统只需进行数据链路层的处理，即p p p 与 e t h e m e t 数据的转换，但要实现正常的网络功能，需要与上层的数据交互( 如 p p p 连接的协商，配置) 。在与网络( “网络 指广域网，下文皆称之为网 络) 相连的一侧，实现了s d h s o n e t 物理层接口；而在与主系统( “主系 统”指实现接入，l 2 l 3 交换的系统主设备，下文皆称之为主系统，而将 p o s 系统称为子系统) 一侧，采用标准的千兆e t h e m e t 物理接口一g m i i 接 口实现与主系统对接。 2 3 系统功能定义 依据子系统在参考模型中所处的位置，应能够完成如下功能： 通信连接功能。通信连接功能是遵循相应的通信标准，实现与网络的连 。接，属于物理层： ( 1 ) 与广域网的连接，实现与s d h s o n e t 网络的通信连接； ( 2 )与本地网络的连接，实现与主系统e t h e m e t 物理接口的连接。 实现数据链路层的功能。如图2 1 所示，数据链路层包括e t h e m e t 和p p p 两部分： ( 1 ) 实现完整的p p p ：p p p 是面向连接的协议，要实现l c p ，n c p 等协议帧( 以下称l c e n c p 帧为p p p 协议帧) 配置、协商和维 护网络连接的功能； ( 2 )实现对来自主系统承载i p 报文的e t h e m e t 帧到p p p 帧的映射 1 2 北京邮电大学硕士论文一种应用于路由佼换设备的p o s 接口的设计与实现 ( 以下称承载p 报文的p p p 帧为p p p 数据帧) ：来自主系 统的e t h e m e t 帧包括多种形式，p o s 子系统要能够检验帧的合 法性，过滤不宣传送到网络的帧类型，接收合法的e t h e m e t 帧， 能正确定位并提取口报文，并将其封装在合法的p p p 帧中； ( 3 )实现p p p 帧到s d h s o n e t 帧的映射：要将p p p 帧映射到 s d h s o n e t 帧的有效载荷( p a y l o a d ) 中，反之可正确提取所 接收s d h s o n e t 帧中的p p p 数据帧； ( 4 )实现p p p 数据帧到e t h e m e t 帧的映射：从所接收的p p p 帧中确 定p p p 承载的协议类型，对于p p p 协议帧，交由p p p 协议实现 模块( 软件) 处理；对于p p p 数据帧，提取出口报文，将其装 载到e t h e m e t 帧。为保证主系统能正确实现桥，v l a n 等功能， 应使主系统“认为 子系统处于一e t h e m e t 上，这就要求发向 主系统的e t h e m e t 帧具有可配置源m a c 地址：同时，由于子 系统无法得知主系统一端与之通信的主机的目的m a c 地址( 只 知道口地址) ，应在发向主系统的e t h e m e t 帧的目的m a c 地 址域填入主系统3 层交换的端口地址，使之进行路由处理。 实现与主系统上层软件的数据交互能力： ( 1 ) 实现与主系统处理器的接口： ( 2 ) 实现对子系统的控制、配置功能( 通过与处理器的系统接口) ， 使上层软件能在系统初始化和工作时对系统的功能参数进行 配置； ( 3 ) 实现子系统对网络连接、系统性能等信息的维护，并可在上层 软件的指令下，通过与处理器的系统接口，将相关信息送交上 层软件。 2 4 系统设计的原则 根据如上所述的功能描述，提出如下的系统设计原则： ( 1 ) 采用标准接口，保证通用性： 由于主设备的实现可能是基于不同处理器体系，不同交换芯片架构。 为了保证子系统与不同体系结构对接的可能性，在设计时要尽可能采 用通用的标准接口。p o s 子系统与主设备对接，需要两个接口，一个是 实现与主设备交换模块( 芯片) 数据交互的e t h e m e t 物理接口。依据 i e e e8 0 2 - 3 的规范，e t h e m e t 接口g m i i 可实现e t h e m e t 的物理层通信。 g m i i 可支持千兆速率，同时兼容1 0 m 1 0 0 m 速率，为大多数交换芯片 北京邮电大学硕士论文一种应用于路由，交换设备的p o s 接u 的设计与实现 生产商采用作为数据接口，符合子系统的设计需要。p o s 还需要与主系 统处理器的接口，p c i 总线是一种通用性很强，独立于处理器体系的总 线接口，同时具备较强的灵活性，较高的速率( 3 2 b i t 3 3 m = 1 3 2 m b y t e s e c o n d ) ，可以满足子系统的需要。 采用已有成熟的商用芯片实现对稳定性要求较高的物理层： 对于子系统与网络连接的s d h s o n e t 部分，不仅要求实现p p p 帧到 s d h s o n e t 帧映射，同时要维持同步时钟等功能，而已有较为成熟的 a s i cf r a m e r 芯片可实现此功能。 尽可能用硬件实现数据处理以提高系统性能： 子系统直接与主设备交换模块对接，尽可能减少对主系统处理器资源 的占用，以保证不影响主系统的处理性能。所以，对处理相对简单， 重复性较强的e t h e m e t 、p p p 帧解析、映射可由硬件( f p g a ) 完成， 而较为复杂，数据量较小的p p p 协议帧处理交由软件完成。 子系统要具备可配置，控制和性能监测能力： 一个完整的系统，要具备配置，控制和性能监测的能力。在工作时， 主系统需要对子系统进行配置，控制以选择合适的功能，同时主系统需要 监测网络通信状况，子系统工作状态等等。所以硬件( f p g a ) 在实现基本 物理接口和数据处理逻辑的同时，要实现配置，控制和系统信息维护的功 能，可以用f p g a 为子系统实现配置、控制寄存器和系统信息寄存器，将 其映射到处理器的i o 或内存空间，使处理器可对其寻址和读写操作。 子系统要易于扩展： 模块化设计子系统，用分立的模块实现，使之具备相对独立性，易于 未来扩展。 下： 2 5 系统硬件架构 据前面章节功能实现和设计原则的要求，可设计子系统的硬件框图如 1 4 。 ， l 北京邮电大学硕士论文一种应用于路由交换设备的p o s 接口的设计与实现 图2 2p o s 子系统硬件架构图 由于f r a m e r 芯片为配置状态寄存器寻址提供了8 b i t 的处理器接口， 考虑到部分处理器不支持此接口，而且p o s 子系统设计为附属主系统的子 卡，为减少与主卡的连线数量，用f p g a 实现一p c i 桥接逻辑，作为处理 器与f r a m e r 芯片间数据交互的代理。 显然，f p g a 处于子系统的核心，f p g a 实现： ( 1 )与交换芯片连接的数据接口g m i i 功能； ( 2 )与处理器通过p c i 总线接口功能； ( 3 )与f r a m e r 芯片的数据接口； ( 4 )f r a m e r 芯片c p u 接口相连的接口。 ( 5 ) 其它控制逻辑。 2 6 功能模块的划分 2 6 1 数据链路层转换处理模块的功能定义 北京邮电大学硕士论文 一种应用于路由交换设备的p o s 接口的设计与实现 “、 、 ， 、 矗 l 瓣皤 、 ， 、。， 图2 3系统功能框图 0 _ 一， l f 酝拍戳l 基于3 5 节的硬件架构和3 3 节中功能定义，进一步向下划分功能模 块。此p o s 子系统是以f p g a 为核心，将各个子系统模块集成连接在一起， 所谓模块的划分实际上是对f p g a 所实现的功能模块定义。在物理上，f p g a 实现两部分逻辑： ( 1 ) 与主系统和子系统其它部分的接口，负责实现数据通信( 可参 见上节) ； ( 2 ) 协议解析，处理功能； p o s 子系统功能模块和交换设备功能模块的关系如图8 所示。交换模块 只负责为各个端口间提供e t h e m e t 帧的交换，在图中“c ”和“e ”上交互 的是e t h e m e t 帧数据。而p o s 子系统提供了数据链路层的协议转换，在图 中“b ”上交互的是p p p 帧数据。此功能是由数据链路层转换处理部分协 同相关的上层软件完成的，来自前端p o s 接口的p p p 帧数据经由数据链路 层转换处理处理，转换成e t h e m e t 帧( 这里只是二层转换，p 报文原封未 动) ，并通过“c 到达交换模块；来自系统的e t h e m e t 帧经由数据链路层 转换处理处理，转换成p p p 帧，到达p o s 接口模块。p o s 接口模块负责实 现p p p 数据的s d h s o n e t 封装解包，并负责系统与s d h s o n e t 网络 的通信连接，在“”上交互的是s d h s o n e t 数据帧。p p p 是面向连接 的协议，在系统初始化或复位等情况下，系统要能够处理p p p 的协议数据， 而不能将其转换发送至交换模块，因此要提供p o s 子系统与系统软件的交 互途径。“d 表示数据链路层转换处理与系统c p u 的系统总线连接( p c i ) 。 2 6 2 数据链路层转换处理的功能定义 能： 数据链路层转换处理是p o s 子系统功能的核心部件，它可实现如下功 ( 1 ) 实现p p p 帧和e t h e r n e t 帧的转换、接收和 1 6 北京邮电大学硕士论文一种应用于路由交换设备的p o s 接口的设计与实现 发送； ( 2 ) 实现对p p p 的连接控制( 与软件配合) ； ( 3 ) 根据系统的配置和控制要求改变功能( 与 软件配合) ； ( 4 ) 维护子系统的工作状态及性能的统计信息 ( 与软件配合) 。 图2 4数据链路层转换处理的功能框图 2 6 3 配置腔制模块 配置控制模块由f p g a 实现，具体方案是实现一些配置控制寄存器， 并将其映射到系统i o 寻址空间上，处理器可通过i o 的读写指令对寄存器 操作，此模块对特定寄存器中的信息实现特定的逻辑控制协议处理数据转 发模块的功能。子系统信息维护模块的情况类似，也是由一些状态寄存器 实现。 5 6 1 0 节中表定义了现今实现子系统基本功能所需的控n 配置寄存 器，根据需要可进一步扩展。 1 7 北京邮电大学硕士论文一种应用于路由交换设备的p o s 接口的设计与实现 2 6 4 子系统信息维护模块 参见上一节。 2 6 5 协议处理数据转发模块 参见下一章。 第三章系统模块具体设计方案 3 1 简述 处于网络边缘的路由交换设备汇聚来自用户的数据，并将之向上传送 到广域网，实现各个端口间e t h e r n e t 帧的转发。要实现数据帧在广域网 ( s d h s o n e t ) 上的传输，只能将数据链路层的e t h e r n e t 帧转换成p p p 帧， 再封装成s d h s o n e t 帧；同时要实现本地交换，需要将来自广域网的 s d h s o n e t 帧解析，转换成e t h e r n e t 帧。由于现在业务数据量很大，传统 的基于软件的报文转换处理方式难以满足需要，所以上述功能皆由硬件完 成。简言之，作为交换设备的广域网接口，p o s 子系统的基本功能是： ( a )在上行方向： ( 1 ) 解析来自交换设备的e t h e r n e t 帧，提取出i p 报文来； ( 2 ) 将i p 报文封装在p p p 帧中； ( 3 ) 将p p p 帧封装在s d h s o n e t 帧中，发送至广域网； ( b )在下行方向： 一 ( 1 ) 接收来自广域网的s d h s o n e t 帧，提取其中的p p p 帧； ( 2 ) 提取p p p 帧中的i p 报文； ( 3 )