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器炙垒_ 走罄 硕士学位论文 m e dia n e t 中信息交换机的研究和v h d l 实现 摘要 f 人类对信息通信的需求与曰俱增，但在i n t e r n e t 上提供大 规模的交互式视频服务，i n t e r n e t 的表现还是不令人满意的， h t e r n e t 有不稳定的响应时间和不可预知的性能。 在接入网方面，各种宽带接入网技术纷纷的出现也是为了满 足人类对信息的需求。目前宽带接入网技术主要有：有线电视h f c 双向改造、a d s l 、以太网和无线接入等。 如果改用另一项接入技术( m e d i a n e t 媒体网技术) 用光纤到 楼，5 类线入户，实现i p 无缝连接，那么整个局面将完全改观。 带宽立即能增加几十倍。富裕的带宽可以换取设备的低价，还能 使服务大大升级。因为中国的国情是：过去没有很大的旧包袱， 城市人口密度高，居住集中，现在正在进行大规模的市政建设。j 本课题研究实现了一种在面向媒体流的m e d i a n e t 网络中使用 的信息交换机( i n f o r m a t i o n c e n t e rs w i t c h 简称i x ) 。本课题通 过对i n t e r n e t 中交换技术、接入网中千兆位以太网技术和f p g a 的研究，详细论述了i x 采用交换式千兆位以太网技术、d s p + f p g a 的系统架构、基于标签的交换转发、基于显式信令的交换通路控 制、基于硬件路由方案的原因，并给出硬件时序仿真波形和实验 板照片。 i x 中采用了一种全新的组播技术，完全基于硬件，使数据交 换可以达到线速。它已在实验室中完成大规模视频传送，它提供 了具有安全性、服务类别( c o s ) 、服务质量( o o s ) 、服务级别( s l a ) 保证的视频点播、可视电话、视频广播、视频组播等服务。 另外，本课题在v h d l 语言实现过程中，研究了其在可编程逻 一。 t x 鬻爻垒是罄 硕士学位论文 辑f p g a 和c p l d 应用中的面向硬件的编程优化。 关键词m e d i a n e t ，线速交换，接入网，组播，硬件路由，面 向硬件的v h d l 编程，f p g a ，c p l d i m p l e m e n t a t i o no f i n f o r m a t i o n c e n t e rs w i t c hi nm e d i a n e t u s i n gv h d l 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 f o r m a t i o nc o n s u m p t i o n ，i ti sd i s s a t i s f i e d f o rp e o p l et op r o v i d el a r g ev o l u m eo f v i d e o a n d a u d i oi ni n t e r n e t i na c c e s sn e t w o r k ，t h e r ea r es o m ea c c e s st e c h n o l o g y s u c ha s h f c 、a d s l 、w i r e l e s sa c c e s s 、e t h e m e t ，b u tm e d i a n e ti s an e w p l a t f o r ma n d a l l o w si t su s e rt os e a r c hf o re n o r m o u s l yl a r g ev o l u m eo f m e d i ac o n t e n t i n t e r a c t i v e l y , w i t h o u t t h e l o n gd o w n l o a d i n g t i m e c o m m o ni nt o d a y si n t e r n e t t h i st h e s i sr e s e a r c ha n di m p l e m e n tak i n do f w i r e s p e e ds w i t c hi n m e d i a n e t i ti sc a l l e d “i n f o r m a t i o nc e n t e rs w i t c h ( i x ) ” b yr e s e a r c h i n g g b i te t h e r n e t 、i p s w i t c h i n g 、f p g a a n dv h d l ， t h e s y s t e m a r c h i t e c t u r eo fi xi sm a d e t h es w i t c hp a t hc o n t r o l i s e x p l i c i ts i g n a l i n g t h es w i t c hf o r w a r di sb a s e do n l a b e l t h er o u t e r i sb a s e do n s p e c i f yh a r d w a r e f p g a i x c a n p r o v i d e t h es e r v i c es u c h t ft 洚炙篷太藩 硕士学位论文 a sv i d e oc o m m a n d 、v i d e o t e l e p h o n e 、v i d e o m u l t i c a s t i xu s e san e wm u l t i c a s tt e c h n o l o g y , t o t a l l yb a s i n go nh a r d w a r e i na d d i t i o n ，t h i st h e s i sr e s e a r c h e st h eo p t i m i z a t i o no fv h d l b y t h e m e t h o do fh a r d w a r e o r i e n t e d k e yw o r d s ： m e d i a n e t ，w i r e - s p e e ds w i t c h ，v h d l ，f p g a ， c p l d ，a c c e s sn e t w o r k ，m u l t i c a s t ，r o u t e rb a s e do nh a r d w a r e ，v h d l b y t h em e t h o do f h a r d w a r e o r i e n t e d 鬻芰篷走警 硕士学位论文 第一章：概述 i n t e r n e t 经历了巨大的增长过程，并且将会继续增长。不论是居民用户 或者是团体用户，i n t e r n e t 都受到同等的欢迎。对于后者，i n t e r n e t 还意味 着新的收入增长点。一些实力很强并且有创造力的产业巨头正在致力于 i n t e r n e t 的应用，以便为其企业自身及其消费者提供有利条件。与此同时， 一些新的媒体流业务，如：视频点播，对i n t e r n e t 流量的需求却更加迅速地 增长。 目前i n t e r n e t 的带宽和容量还是不令人满意的，这导致了i n t e r n e t 上不稳定的响应时间和不可预知的性能。同时产生的问题是，i n t e r n e t 是否 有能力支持未来的、高带宽需求的、时延敏感的应用? 或者说i n t e r n e t 是否 有能力支持居民对带宽容量的适度增长的需求? 那么我们如何会进入了这样 一个不稳定的状态呢? 这个问题有若干答案 1 ，但其中没有一个是真正有权 威性的解释，或许还有一些是可以根本不考虑的。 首先，i n t e r n e t 是其自身成功的一个受害者。每一天都有新的用户加入 到i n t e r n e t 中，越来越多的人不停地使用浏览器通过一个w e b 站点搜寻他们 所感兴趣的下一个w e b 站点。由于访问i n t e r n e t 的价格仅仅是电话的市话 费用附加一个适度的费率，因此并没有一个价格上的保护手段来防止某些浏 览者对i n t e r n e t 资源的长时间占用。i n t e r n e t 初期的设计者，不会想到今 天i n t e r n e t 的规模。 其次是资源的缺乏。资源的缺乏不一定是由于网络资源的不足引起的， 而更大程度上是由于服务器的资源不足造成的。对某些服务器或服务器阵列 来说，突发性的连接请求所引起的负荷和突发的频度超过了这些服务器的处 理能力。这种突发的大量的连接请求一般发生在大量的客户试图同时访问同 一个w e b 服务器的时候。 另一个问题是某些链路可能正好没有足够的带宽来支持业务所提供的流 量负荷，这个问题的部分解决方案当然是增加更多的带宽。一些新的技术， 蓠芰龟太滢 硕士学位论文 如波分复用( w d m ) 技术，似乎可以为用户提供几乎无限的带宽。 所有这些上述所讨论的问题都是造成i n t e r n e t 及i n t r a n e t 性能极其不稳 定的重要因素。在这些问题中有很多都已经被研究清楚了，虽然其中还有诸 如价格等问题尚未得到解决的，但一般都坚信解决方案是存在的，并且可以 在不久的将来得到应用。产生的新问题是：这个“将来”是指多久? i n t e r n e t 是尽力而为( b e s te f f o r t ) ，早期对安全也未作考虑。那么，今天人类的需 求是什么? 人类对信息通信的需求与曰俱增，各种宽带接入网技术纷纷的出现就是为 了满足人类的这种需求。目前宽带接入网技术主要有：有线电视h f c 双向改 造、a d s l 、以太网和无线接入等。大家似乎最关心的是提高计算机上网速度。 h f c 双向改造，a d s l 等技术的推广确实在提高上网速度上有明显改善。对于 长期限制在几十k b i t 窄带通信网的人们来说，暂时得到一种宽带的假象。但 是，这种错觉能够维持多久呢? 美国的主流技术a d s l 为了使用百年历史的电 话线，发展x d s l 技术花下了最大的力气，在电话线上的有效通信量是下行 6 m b p s ，上行0 5 i b p s 。同样另一项主流技术对h f c 的双向改造使用c a b l e m o d e m ，也只能得到a d s l 差不多的通信量。为了在a d s l 及c a b l em o d e m 这点 带宽上传输尽量多的节目，又花下大力气发展出许多数据压缩技术。所有这 些技术带来的后果是价格居高不下，瓶颈依然存在，而且那些芯片多半只有 美国才能生产。 因此可以说：有关i n t e r n e t 性能和基于i p 协议进行网络互连的最基本问 题很大程度上在于基本i p 路由转发处理过程和该功能的实现平台。如果把高 速上网列为建网目标，显然是非常短视的。如果改用另一项接入技术 ( m e d i a n e t 媒体网) 用光纤到楼，5 类线入户，实现i p 无缝连接，那么整个 局面将完全改观，带宽立即能增加几十倍。富裕的带宽可以换取设备的低价， 还能使服务大大升级。因为中国的国情是：过去没有很大的旧包袱，城市人 口密度高，居住集中，现在正在进行大规模的市政建设。美国、日本、欧洲 ( 除德国外) 都不具备上述条件。美国的接入网技术称作最后一公里的技术。 由于中美两国国情不同，中国人口居住密集，因此接入网不是最后一公里， ，添炙氛太滢 硕士学位论文 而是最后0 1 公里的技术。配合中国大规模的城市建设，对于这十分之一的 距离要求，可以开辟一个完全不同的技术方案，就是以太网接入方案。与 c a b l em o d e m 和a d s l 相比，以太网技术以不到十分之一的价格提供几十倍带 宽，其性能价格比提高了几百倍。而且所用技术并不复杂，中国完全可以自 己解决，不受制于人。中国是全世界最具备条件，最适合推广宽带接入技术 的国家。 本文研究的课题是上海龙林通信技术公司宽带接入技术m e d ia n e t ( 媒体 网) 中千兆位信息交换机( i x ) 的设计和实现。该信息交换机简称 i x ( i n f o r m a t i o ne x c h a n g ec e n t e r ) ，完成总交换速度为2 0 0 g b i t s 的线速 ( w i r e s p e e d ) 交换，可以提供视频点播、广播电视、可视电话、电视会议等 一系列视频交互式服务。 本研究课题主要完成内容有： 1 i x 系统方案设计和s c h ( 原理图) 、p c b ( 印刷电路板) 的设计。 2 i x 中f p g a 、c p l d 的v h d l 程序设计和调试。 3 一种全新的标签交换路由技术的实现。 4 研究v h d l 这种硬件描述语言在可编程器件f p g a 、c p l d 中所担负的作 用。 第二章阐述什么是m e d i a n e t ，i x 在其中的地位和作用；第三章阐述i x 系统方案选择交换式千兆位以太网技术、f p g a + d s p 的系统架构的理由； 第四章阐述；的交换转发( s w i t c hf o r w a r d i n g ) 、交换通路控$ 0 ( s w i t c hp a t h c o n t r 0 1 ) 和基于标记的硬件路由；第五章阐述一种基于硬件的全新的组播技术 和实现；第六章阐述面向硬件的v h d l 程序设计和综合等各个方面。在第七 章对所作的研究进行总结和展望。 j 黟芡逸名警 硕士学位论文 第二章：什么是m e d i a n e t 本章通过对m e d i a n e t 网原理的说明，来阐述i x 在其中的地位和作用。 2 1 简述m e d i a n e t 原理和技术特点 m e d i a n e t 网是大规模的连接电视机、摄象机和节目库的网络。在有线电 视网中，电视信号通过射频载波，用同轴电缆、高频头接到电视机。在 m e d i a n e t 中，电视信号通过i p 数据包、5 类双绞线、i p t v 解码器接到电视 机。有线电视网上除了少量节目源外基本上都是电视机，是一个广播式的电 视网。m e d i a n e t 网上除了电视机外还有大量的实时摄象机和节目库，能提供 广播电视、点播电视和双向电视( 会议电视) 的服务。m e d i a n e t 在价格上不 能取代现有的广播式有线电视，也不能取代有线电视网上实现的数据广播和 准点播。但是m e d i a n e t 在性能价格比上优于h f c 的双向改造。因此可以作 为有线电视的另一种双向改造方案。 m e d i a n e t 作为一种通信网络与电话网很类似，两者都是面向连接的通信 网。电话网只能提供6 4 k b p s 的音频通信( 或多个6 4 k 捆绑后的数据服务) 。 m e d i a n e t 能够提供从几十k b p s 到几十m b p s 的视音频媒体通信。性能上 m e d i a n e t 与a t m 网相当，但在价格上远远低于a t m 和i p 网。电信部门采用 m e d i a n e t 接入网方案，能在现有的网络基础设施上快速展开多媒体通信业 务。 m e d i a n e t 与i n t e r n e t 是互补关系。i n t e r n e t 的服务对象主要是p c 、文 件、文字和商务数据。m e d i a n e t 的服务对象主要是t v 、媒体流和消费类数据。 i n t e r n e t 带来的是一场影响所有产业运作模式的革命，m e d i a n e t 将会带来一 场影响民众生活方式的信息消费革命。 在i n t e r n e t 、i p 或a t m 网中为了解决计算机数据和视音频媒体流之间的 统计差别，采用了o o s ( 服务质量) 2 ，c o s ( 服务分类) ，d i f f s e v ( d if f e r e n t i a t e ds e r v i c e s 差分服务模型) 3 ，m p l s ( 多协议标交换) 4 4 洚爻垒戈巷 硕士学位论文 等分等级的处理方案，希望简化每包处理( p e rp a c k e tp r o c e s s ) 。但从安全 性能讲，又需要每包处理。另外，同一套网络设备要同时兼顾两种不同统计 特性的数据使网络设备复杂化，目前网络建设成本中的交换机，服务器等设 备价格比例越来越高，成为网络建设的的瓶颈。而这些设备的发展又受到芯 片密集度的限制。其发展速度远远跟不上光纤传输能力的扩展。 m e d i a n e t 的一项贡献是在用户接入网后就将计算机数据和视音频媒体流 分离出来，发展出一套适合媒体流的交换机系列、服务器群、网关组、信号 处理和节目存储设备库，这就大大提高了网络设备的性能价格比。m e d i a n e t 建网成本大约是目前其他高速上网方案的2 倍，但是其功能与性能是其他高 速上网方案的数百倍；同时m e d i a n e t 可能带来的网络收益是其他方案的十倍 以上，盈利模式非常重要，我们可以看看i p v 6 推广的艰难。因此，m e d i a n e t 将创造出一个全新的信息消费市场。 m e d i a n e t 的另一项贡献是不同于其他网络的收费管理，提出定时、定量、 定性的节日管理的概念。从而在收费方式上使用多个网络营运者共享一套接 入网资源成为可能。 2 2m e d i a n e t 与i n t e r n e t 的比较 表格2 - 1 列出了m e d i a n e t 与i n t e r n e t 的区别( 引用内部资料，文献未列) 功能i n t e r n e t 适用 带宽 价格 安全性 计量收费 电视功能 面向p c 面向文字及图像 中( h f c ，a d s l ，以太网) 低( 电话网，i s d n ) 高( 企业、白领阶层用) 易受病毒、黑客攻击 难以实现复杂的收费方式 观众近距离面向显示暮 m e d 【j a n e t 面向t v 面向视频为主的宽带媒体流 高( 光纤进楼+ 以太网用户) 低( 适合一般工薪家庭) 从结构上避免病毒、黑客侵犯 精确计费，多个营运者可共享网络资源 观众远离电视机 器炙垒走誊 硕士学位论文 p c 功能 电话功能 w w e - - m a l j u s e a e t ( 公告牌) f t p ( 文件传输) c h a t ( 聊天室) n e w s g r o u p ( 新闻组) v p n ( 虚拟专用网) 双向电视 电视会议 电视组播 电视广播 视频效果差 不适合家庭影院 上网功能强 适合办公室用 i p 电话 以文字信息为主 配合简单图像 丈字、语音、简单图像 丈字信息 视频、音频效果好 适合家庭影院 w e b t v 。上网功能有限 不适合用于办公室 普通电话，高保真电话 仅为视，音频媒体流 非实时、高品质视、音频 仅为视、音频媒体流 文字档案，程序上、下载视、音频节目转移 实时文字交谈 可完全隐藏自已身份 公布文字信息，图片 须外加专门软，硬件 高价、低品质可视电话 高价，低品质会议电视 尚难实现 无法实现 视频点播高价、低品质、v o d 音频媒体流非实时m p 3 实时视音频交流 过后无记录 公众视频、音频节目 单向、实时、非实时 不须附加设备 低价，高品质可视双向电视 低价，高品质会议电视 低价、高品质电视组播 低价、禹品质 可取代有践电视、收费电视 低价、高品质、v o d 实时或非实时广播电台 m e d i a n e t 不同于现在的i n t e r n e t ，不是目前流行的所谓高速、宽带上网。 i n t e r n e t 是连接计算机的信息网络。m e d i a n e t 的规模将是i n t e r n e t 的1 0 0 6 洚爻氢太藩硕士学位论文 倍以上。目前世界最具权威的高级网络论坛n g n ( n e x tg e n e r a t i o n n e t w o r k s ) 中将高速视频流列为网络未来的目标。m e d i a n e t 技术可以完美地实现这一目 标。当前通信领域中难以解决的电话，电视，电脑三网合一问题。在m e d i a n t 中仅以十分之一的容量即可轻松解决。 2 3i x 在m e d i a n e t 系统中的地位 m e d i a n e t 是以媒体交换机为核心的成套网络技术构成的新一代通信网 络。m e d i a n e t 是解决以视频流为主的消费信息网络。m e d i a n e t 由接入网、信 息中心和广域网三部分组成，如图2 - 1 所示。接入网采用光纤到楼( f t t b ) 或 者光纤到路边( f t t c ) 技术，然后用5 类双绞线入户。入户线也可借用电话 线或者有线电视电缆，但其性价比远远不如5 类线。信息中心即i x ，信息中 心连接接入网与广域网，同时连接节目库，服务器群和网关组或仅仅连接节 目库。广域网由多个环路组成，在结构上分成城域网、国家网和全球网。 图2 - 1m e d i a n e t 的结构 诲爻垒太港 硕士学位论文 2 4 知识产权的状况 m e d i a n e t 中的核心技术都可以设计成专用a s i c 芯片，别人无法仿制。同 时为了最终产品的高可靠性和低成本，在设计的初期，可以选用向a s i c 过 渡的f p g a 、c p l d 可编程逻辑器件。 2 5 小结 本章说明了m e d i a n e t 的技术原理和在其中的地位和作用。 鬻炙氢太篷硕士学位论文 第三章：ix 系统设计 从本章开始，以及第四章i x 的路由交换功能、第五章i x 中组播的 实现、第六章i x 系统中v h d l 的作用将从不同方面阐述i x 设计中所涉 及的结构、功能图：f p g a + d s p 的系统架构；i x 的交换式千兆位以太网技术； i x 的交换转发( s w i t c hf o r w a r d i n g ) 、交换通路控制( s w i t c hp a t hc o n t r 0 1 ) 和基于标记的硬件路由；一种基于硬件的全新的组播技术的实现；面向硬件 的v h d l 程序设计和综合等各个方面。本章首先讨论i x 的系统设计。 3 1i x 的功能框图 i x 实质是一个能将输入端口的分组包，按照其路由标记送到它所要求的 输出端口的功能块。其主要的功能是路由功能，完成城域网之间和本i x 管辖 范围数据包( 尤其是视频包) 的线速交换。功能图如3 - 1 所示，i x i 表示区 域内交换、i x o 表示城域间交换。 4 2 g 进 4 2 g 出 i x ( i n + o u t ) 4 2 g 出 图3 - 1i x 功能图 8 4 g 2 8 g j 劳交逸戈謦 硕士学位论文 3 2i x 的结构框图 i x 由处理不同地址( 地址可配置或由服务器得到) 的七组模块组成。每 组由5 块标准尺寸的p c b 构成。图3 2 所示仅仅是处理一路数据时的情况。 lg b i t 光口 l g m i i 山 lg b i t 光口 图3 - 2 i x 结构略图 其中主要需要编程完成的是： 1 g m i i 接口设计。g m i i ( g i gm e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 接口 5 位于 o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r f a c e ) 体系中物理层与数据链路层的m a c 层之间， x 瓷炙垒太璺 硕士学位论文 2 3 4 5 6 7 是使上层实体屏蔽下层物理介质的一个接口。 数据包输出输入的速率匹配。 路由表信息的得到和路由表配置。 分析数据包地址字段信息，对单播、组播、广播和网管，进行不同的处 理。 流量信息的汇报。 安全机制u l p f ( u p l i n kp a c k e tf i l t e r ) 实现。 与c p u 的协议交互。 3 3i x 系统设计方案 前两节简述了i x 的功能和结构。本节讨论为什么i x 选用d s p + f p g a 的系 统结构，以及i x 数据包排队特性、i x 的交换结构、i x 的交换式千兆位以太 网技术，为i x 的系统设计方案的选择提供理论基础。 3 3 1 常用信息处理系统的类型 根据信息处理系统在构成、处理能力以及计算问题到硬件结构映射方法 的不同，将现代信息处理系统分为三大类： 指令集结构( isa ) 系统。在由各种微处理器、dsp 处理器或专用指 令集处理器等组成的信号处理系统中，都需要通过系统中的处理器所提供的 指令系统( 或微代码) 来描述各种算法，并在指令部件的控制下完成对各种 可计算问题的求解。 硬连线结构系统。主要是指由专用集成电路( a s i c ) 构成的系统，其基本 特征是功能固定，通常用于完成特定的算法。这种系统适合于实现功能固定 和数据结构明确的计算问题。不足之处主要在于：设计周期长、成本高，且 没有可编程性，可扩展性差。 在线可编程系统。基本特征是系统中有一个或多个可重构器件( 如f p g a ) ， 可编程处理器之间或可编程处理器与i s a 或p c i 结构处理器之间是通过互连 结构构成一个完整的计算系统。 1 l 岁簧芡逸名警硕士学位论文 3 3 2i x 选用的dsp + f p g a 结构 随着大规模可编程器件的发展，采用d s p + f p g a 结构的信息处理系统已显 示出了其优越性，正逐步得到重视。与通用集成电路相比，a s i c 芯片具有体 积小、重量轻、功耗低、可靠性高等几个方面的优势，而且在大批量应用时， 可降低成本。 现场可编程门阵列( f p g a ) 是在专用a s i c 的基础上发展出来的，它克服 了专用a s i c 不够灵活的缺点。与其他中小规模集成电路相比，其优点主要在 于它有很强的灵活性，即其内部的具体逻辑功能可以根据需要配置，对电路 的修改和维护很方便。目前，f p g a 的容量已经跨过了百万门级，正在向千万 门级迈进，使得f p g a 成为解决系统级设计的重要选择方案之一。 d s p + f p g a 结构最大的特点是结构灵活、有较强的通用性，并适于模块化 设计，从而能够提高算法效率；同时其开发周期较短，系统易于维护和扩展， 适合于实时信息处理。 实时信息处理系统中，低层的信号预处理算法处理的数据量大，对处理 速度的要求高，但运算结构相对比较简单，适于用f p g a 进行硬件实现，这样 能同时兼顾速度及灵活性。高层处理算法的特点是所处理的数据量较低层算 法少，但算法的控制结构复杂，适于用运算速度高、寻址方式灵活、通信机 制强大的d s p 芯片来实现。 因此，在i x 系统设计中，选用d s p + f p g a 的架构。 3 3 3i x 数据包排队特性 通常交换设备在实际工作时有可能会出现几个输入端口的分组同时希望 到同一输出端口的情况，称为输出端口竞争。竞争有时会产生阻塞，为了避 免阻塞，交换单元中提供了一系列缓冲区，供同时到达的数据包排队使用。 这个队列造成了数据包在交换单元内的时延，这个时延是随机的，它与缓冲 器的位置、结构以及缓冲长度有关。基本的排队方式由三种：输入排队、输 出排队和中央排队。通过对这些排队方式及其组合的比较，结果如表3 1 。i x 12 器爻篷走冬 硕士学位论文 采用了输入输出缓冲方式。这是因为如果给每位用户提供l o o m 的速率，i x 的设计容量可以提供3 5 0 0 户的服务，因此对d s p + f p g a 的架构来说，价格相 对不敏感，可以采用缓冲器利用率一般，而易实现组播的结构。 缓冲鼍存伸实现点 吞吐率时琏控制艉模 利用率 滇隋速度到多点 低 时延夫 仲裁逻辑 输入缓冲较i 氐太 低曝难 f ) 抖动火 较复疑 熟率式较隔兆摩式小筵孛式较高 输出缓冲高小伺萃容易 专用式牧低专蝌式犬专f i ；i 式较低 中央缓冲尚最赫小 复杂小最商较容易 输n 确, q l 缓冲较高般较小较复杂较小较低霹舄 煎环豳缓冲较高鞍蕊小软复杂较小较低容器 3 3 4i x 交换结构： 表3 - 1 各种缓冲方式比较 根据具体使用的交换方式，通常交换结构可分为时分和空分两大类。但 i x 由于针对网络中交互式视频的特殊设计，它在宏观是类似空分交换，在微 观上类似时分交换。因此通过在下文中叙述的空分交换、时分交换优缺点的 描述，可以看到i x 设计中对两者优点的结合。 3 3 4 1 时分交换结构 时分交换结构中各接口以时分复用的方式共享一条通信媒体，这个媒体 可以是一个存储体、一条总线或一个环，媒体的带宽决定了交换容量。 1 共享总线和共享环 共享总线和共享环交换结构一般由总线( 环) 以及仲裁机制构成，各个 接口模块都挂接在总线上。当一个接口模块有数据包要交换时，首先由该接 口模块发出总线请求，由总线仲裁机制决定是否允许发送，若允许，该模块 洚爻篷戈冬硕士学位论文 就将数据包广播到总线上，总线上的所有接口模块都检查总线上数据包所携 带的路由信息，如果发现目的地址包括本模块，就将该数据包从总线上拷贝 下来，这就完成了一个数据包的交换。 这种交换方式有如下特点： 1 ) 结构简单，但吞吐量有限。一般采用增加总线宽度的方法降低总线 速率，共享总线和共享环这种结构的交换容量上限约为l o g 左右。 2 ) 易于实现广播和点播到多点通信。这是因为，总线本身就具有广播 特性，所有目的接口模块可以同时接收数据包包。 3 ) 接口模块流量不均的情况，易于实现不同的服务等级和优先级控制。 这是因为，各接口模块只有在有数据包交换时才申请总线，所以交换资源最 大程度地被所有接口共享；另外在总线仲裁机中还可加入各种优先级控制机 制。 4 ) 性能上分析，总线本身是无阻塞的，数据包丢失只发生于各个队列 中，时延特性与总线仲裁机制有关。 根据共享总线和共享环交换结构的特点，这种结构较适于容量要求不 高、接口种类较多、业务特性不同的接入交换机中。目前已有专门的总线交 换芯片，如c i s c o 和n e c 共同开发的x a t o m 6 结构的交换机。 2 共享存储器结构 共享存储交换结构通常由选路控制、存储控制、数据包传送机制和中央 存储器构成，交换容量由存储器的容量决定。目前典型的共享存储器交换结 构都采用共享输出队列的排队机制以及采用地址链表管理存储器。地址链表 中存放着共享存储体的空闲地址，当一个数据包到达时，就从链表中弹出一 个地址，数据包就存放入这个地址所指的存储区中；同时，数据包头进入选 路控制器，由它识别该数据包的出口线，每个出口线对应一个输出队列，选 路控制器将该数据包所存放的地址推入相应的输出队列中，这样各出口线只 要从输出队列中取出地址，就可根据这个共享存储体中取出数据包。目前， x 鬻炙氢是淳 硕士学位论文 也有许多公司提供共享存储器结构的交换芯片和交换机，如a t t ，i b m ， 删c ，i d t 等，各种芯片在具体实现上还有各自的特点，但基本原理都如上所 述。 共享存储器交换结构具有以下特点： 1 ) 点到多点通信实现较复杂，一种方法是将数据包拷贝多份，存入中 央存储器的多个存储区中，将地址分别放入各个队列中；另一种方法是不进 行数据包拷贝，而是设计一个计数器，每向一个目的输出端口传送一次数据 包，计数器就减1 ，一直到0 ，表示已向所有目的输出端口传送了广播、组 播数据包，这时才可释放该数据包所占用的存储地址。 2 ) 存储器控制机制较复杂。 3 ) 由于存储器是一种非常通用的器件，并且存储器电路设计具有重复 性，所以与共享总线结构相比，共享存储器交换结构从成本和交换容量来说 具有优势。 4 ) 存储器为所有输出共享，所以存储器利用率较高。 5 ) 共享存储器结构本身也是无阻塞的，数据包丢失只发生于队列溢出 时。 3 3 4 2 空分交换结构 采用空分交换的结构有全互连网和多级互连网，它们的优缺点如下 1 、全互连网 利用全互连网的交换结构主要有两种，可将它们看成共享总线结构的演 化，各输入线独占一条传送媒介。第一种结构各入线上的数据包可能竞争相 同出线，所以在每一入线和出线间设置了缓存，在各出线上的仲裁机制；第 二种的结构在互连网内部无缓存，所有入线、出线都有一条通路，在总线接 口中设置队列解决出线上的竞争。最典型的应用是的k n o c k o u t 交换机 7 。 全互连网具有如下特点： 鬻炙氧走藩 硕士学位论文 1 ) 也是无阻塞的交换结构，数据包丢失只发生于队列中。 2 ) 易于扩展。 3 ) 连线数多，与端v i 数n 的平方成比例增长，所以虽然这种全互连网 结构本身具有很好的可扩展性，但实际上这种结构受连线复杂度的限制，很 难达到大容量。 2 、多级互连网 多级互连网将一些相同结构的小容量交换单元，构成一个大容量的交换 结构，交换单元是一个独立的交换单位，多为一个或一组交换芯片，可以完 成4x4 、8x8 、1 6x1 6 等容量的交换，实现方式多种多样，如可以采 用前面提到的共享存储器、全互连网结构。连接各个交换单元的多级互连网 主要有两类：三级折叠网 7 和b a n y a n 网 7 。 多级互连网的连线数比全互连网要少得多，它只与端口数n 成正比，所 以能构成大容量的交换机。但多级互连网结构都为内部有阻塞的结构，即经 不同路由的两个数据包，可能同时到达网中的同一点，争占同一连线资源， 从而引起数据包丢失。所以，在多级互连网交换结构中，必须要考虑如何降 低阻塞引起的数据包丢失。另一个问题就是互连网内的路由选择，即一个数 据包怎样通过多级互连网正确地到i f l 的输出线。 3 3 4 3i x 采用的交换结构 i x 采用的交换结构可以从如下的两个角度来叙述，实际上i x 兼具电路转 送方式和分组转送方式的基本特点。 1 可以看作是电路转送方式的演进 在电路转送方式中，时间被划分为时隙，每个时隙用于传送一个用户的 数据，各个用户的数据在线路上等时间间隔地出现。同时，不同用户的数据， 按照它们占用的时间位置的不同予以区分。考虑在上述的每个时隙中放入一 1 6 添芰垒太馨 硕士学位论文 个有目的地址的数据包则上述电路转送方式就演变为i x 。因为这样一来，可 以依据地址来区分不同用户的数据，所以用户数据所占用的时间位置不再受 到约束。由此产生的主要好处是： 1 ) 线路上的数据传输速率可以在使用它的用户中间自由分配。不必再受 固定速率的限制。 2 ) 对于断续发送数据的用户来说，在他不发送数据时，他占用的信道容 量可以提供其它用户使用，从而提高了信道利用率。 显然，这两个好处使它具备了提供与分组交换网中的数据业务相似的业 务的基础。 2 可以看作是分组转送方式的演进 由于在分组转送方式中信道上传送的是数据分组，而i x 交换的数据包完 全可以看作是一种特殊的数据分组。分组转送方式的主要不同之处如下： 1 ) i x 中使用了纯硬件的路由交换从而具有电路转送方式的特点，为提供 固定比特率和固定时延的电信业务创造了条件。 2 ) 可以由用户在申请信道时提出业务质量要求，从而为用户选择使用或 不使用统计复用提供了手段。 这些改进，使得i x 可以在提供分组交换数据业务的同时，满足需要提 供固定比特率和固定时延的电信业务( 如电话业务) 的要求。 3 3 5 i x 中使用的千兆位以太网技术 3 3 5 1 千兆位与百兆位的区别 千兆位以太网和百兆位以太网的区别主要表现在一些三个方面： 1 ) 千兆位介质无关接口( g m i i ) 和m 当以太网由l o m b s 发展到l o o m b s 的速度时，由于最初的l o m b sa u i 很难扩展到l o o m b s 速度而引进了新的介质无关接e l ( m i i ) 。与之相类似， 岁芡远戈謦硕士学位论文 在向1 0 0 0 m b s 的转换中，为l o o m b s 速度定义的m i i 也不合适了，虽然许 多 【i i 的信号保留了下来，但g m i i 的发送和接收数据通路拓宽到了8 位( m 1 1 只提拱4 位) ，这样可以获得更理想的时钟频率和数据通路转换频率。即使 是做了这些修改，发送和接收数据通路以及时钟仍要求工作于1 2 5 m h z 时才 能得到1 g b s 的速度。 2 1 光纤通道编码的采用 随着以太网速度要求逐步提高，这对于以不断增长的速度在介质上提供 可靠的信号模式也提供了挑战。i e e e 千兆位以太网委员会决定寻找一种现存 的g b s 数据传输率的信号。于是和i o o b a s e t x 将f d d ip h y 与以太网m a c 相结合类似，光纤通道( a n s ix 3 2 3 一1 9 9 4 ) 被采纳为物理信号模式。光纤 通道使用一种名为8 b l o b 的线路编码，即把每8 位数据净荷编码成1 0 位线 路编码，其中多余的位用于错误检查。 3 ) 修改c s m a c d 操作和优选全双工 由于m a c 必须要在一个时间槽内检测到冲突，所以c s m a c d 的往返延迟 直接影响到了网络直径。对于以前的l o m b s 和l o o m b s 以太网而言时间槽长 度是5 1 2 位时间。对于千兆位以太网而言，如果保留这个时间槽将使网络拓 扑结构减少到没有多大用处的程度，所以为了千兆位以太网能正常工作，m a c 的c s m a c o 操作得到了修改，时间槽长度被增加到5 1 2 字节。 在全双工模式中，由于不存在冲突的概念，所以m a c 的操作也未发生变 化，和以前的l o m b s 和l o o m b s 全双工模式相比较只有速度上的增加。这是 自1 9 8 0 年早期以太网标准发布以来对c s 姒c dm a c 所做的第一个重大变更。 即全双工操作与交换相结合具有很大的优点。在下一节将详细叙述。 3 3 5 2 使用交换式以太网的原因 传统的共享式以太网若要正常工作，它就必须在进行任何一次发送时使 发送时间至少为整个电缆传播延迟的两倍。在l o m b s 以太网中，最小数据 1 8 多厣爻鱼名警硕士学位论文 包长度为6 4 字节，这使得网络中单个冲突域可达到2 千米。在1 0 0 m b s 速 度下最小数据包要求网络可以达到2 0 0 米。在1 0 0 0 m b s 速度之下6 4 字节 的最小数据包则只能允许不足2 0 米的网络。由于这个原因干兆位以太网采 用了载波扩展。将载波扩展到5 1 2 字节，这样就保证所有的站点都可以发 现传输过程，并且网络尺寸也扩展到了可以接受的程度。但是在发送较小的 数据包时载波扩展周期将带来额外开销，性能将因此会受到影响。数据突发 传输通过允许在载波扩展周期内发送数据包，重新将网络性能提高到了可以 接受的程度。载波扩展再加上帧突发传输，使得共享式千兆位以太网的尺寸 达到了可以接受的程度。 但是在十倍于千兆位以太网的速度之下，如果不进行载波扩展，网络直 径将只有2 0 米，很明显这是不可接受的。为了达到可以接受的网络直径，载 波扩展将需要扩大到大约4 09 6 字节。如果这时载波扩展不和帧突发传输一 起使用，最小数据包的传输效率将降低到1 5 左右 5 。即使使用了帧突 发传输，由于以太网的最长帧是1 5 1 8 字节，最大吞吐效率也只能达到3 0 5 。此外，尽管c s m a c d 由1 0 0 m b s 发展到1 0 0 0 m b s 使网络性能有了很 大提高，但两个重要性能指标有所下降：总吞吐率和冲突概率。当以太网由 1 0 0 0 m b s 向1 0 g b s 发展时情况也是如此。系统的最大吞吐率将由于增加 了载波扩展额外开销和冲突而下降，并且在降低吞吐率时冲突概率也将增大。 如果不对原来的c s m a c d 协议或以太网帧大小做更改，那么似乎半双工共享 式以太网已经走到了尽头。 因此在i x 设计中，使用交换式以太网技术，数据传输采用全双工。全双 工网络是由许多站点和交换机之间的点到点连接构成的。数据的传输不依靠 像c s m a c d 这样的存取协议。发送通道总是可用的，接收通道也总是开放的。 ( 严格的讲，在基于流量控制模式和速率的控制之下) 传输速率完全由物理 点到点链路的带宽、网络硬件以及所连接的交换机的功能决定。 3 4 小结 i x 在系统方案设计中，采用了d s p + f p g a 的架构，使用交换式以太网技 鬻炙篷走謦 硕士学位论文 术。数据传输采用全双工，避免了载波扩展增加的开销，提高了数据吞吐率。 其中d s p 用来处理复杂的协议、网络管理，f p g a 用来实现g m i 接口、基 于硬件的路由交换( 在交换结构上i x 兼具电路转送方式和分组转送方式的基 本特点，类似于a t m ) 等功能。 黄爻氢夫淫 硕士学位论文 第四章i x 的路由交换功能 本章将先分别对传统的交换、路由功能进行概述，然后讨论i x 的交换转 发( s w it c hf o r w a r d i n g ) 、交换通路控制( s w i t c hp a t hc o n t r 0 1 ) 和基于标记 的硬件路由。交换转发技术利用了保存在分组中及交换机中的信息来将分组 通过交换机转发出去。交换通路控制用于在交换机构成的网络中建立和维护 交换通路。基于标记的硬件路由，可提供服务的安全性、服务等级( c o s ) 、 服务品质( q o s ) 、组播、服务级别保证( s l a ) 等等要求。 4 1i x 的交换功能 4 1 1 什么是交换 在数据网中，交换技术的应用可以有多种不同的形式，用交换技术可以 定义一种在不同局域网( l a n ) 之间快速传递数据包的技术，