（电磁场与微波技术专业论文）lobs路由控制板的设计.pdf

l o b s 路由控制板的设计 摘要 基于标签的光突发交换( l o b s ) 是将m p l s 弓1 入到光交换中，用 于解决o b s 系统节点交换能力的压力。本文介绍了基于标签光突发交 换技术的研究，给出了针对l o b s 搭建的实验网络中节点路由控制板 的设计。 本文第一章介绍了l o b s 的背景与发展过程，从功能结构和物理 拓扑两个方面分析l o b s 网络的网络结构，并介绍了l o b s 网络的关键 性技术。 第二章介绍了l o b s 网络的核心节点和边缘节点的设计过程，首 先分析了核心节点与边缘节点各自不同的功能，以功能为参考对节点 进行了进一步的功能分类，针对需要设计的路由控制模块进行了分 析。由于在边缘节点与核心节点处都具有路由控制模块，该功能模块 的功能相似，在硬件设计方面可以统一，这样可以简化设计、缩短周 期，同时增加了硬件的可维护性。在此基础上，分析了该系统对于软 硬件的具体需求，并以此为依据采用m p c 8 6 0 作为路由控制模块的控 制器，采用嵌入式l i n u x 作为软件系统。最后，给出了需要设计的八 个硬件模块和各自的功能。 第三章给出了整个路由控制板硬件设计的详细细节，原理图按照 硬件功能进行划分，共分为主控制器、复位配置电路、存储单元、通 用串行通信接口、以太网通信接口、b d m 调试接口和m p c 8 6 0 与f p g a 间通信接口六个部分，论文详细说明了各个部分的设计细节；随后给 出了具体的硬件p c b 的设计和设计中对于系统稳定的考虑而进行的 信号完整性和电磁兼容的设计细节；最后，按照模块说明了在调试中 使用的方法和对于故障的诊断。 第四章对全文的工作进行了总结，并对于路由控制板的设计提出 了改进的方法。 关键词：基于标记的光突发交换，m p c 8 6 0 ，硬件设计 d e s i g no fr o u t i n gc o n t r o lb o a r di nl o b s n e t w o r k a b s t r a c t l a b e lo p t i c a lb u r s ts w i t c h ( l o b s ) i m p o r t sm p l si n t oo p t i c a ls w i t c ht o s o l v eg r e a tp r e s s u r eo no b sn e t w o r kn o d e i nt h i sp a p e r ，t h ed e s i g no f r o u t ec o n t r o lb o a r di nl o b st e s tb e di ss t u d i e d i nt h ef i r s tc h a p t e r ，t h eb a c k g r o u n da n dd e v e l o p m e n th i s t o r yo fl o b sa r e r e v i e w e d t h ea r c h i t e c t u r eo fl o b sn e t w o r ki s a n a l y z e df r o mt w o a s p e c t so ff u n c t i o na n dp h y s i c a lt o p o l o g y s e v e r a lt e c h n o l o g i e si nl o b s n e t w o r ka r ea l s od i s c u s s e d i nt h es e c o n dc h a p t e r ，t h ed e s i g np r o c e s so fc o r en o d ea n de d g en o d ei n l o b sn e t w o r ki s4 n t r o d u c e d t h ed i f f e r e n tf u n c t i o n sr e q u i r e m e n t b e t w e e nc o r en o d ea n de d g en o d ei sa n a l y z e d b e c a u s er o u t ec o n t r o li sa c o m m o nf u n c t i o na tb o t hc o r ea n de d g en o d e ，i tm a k e su n i f o r mo fr o u t e c o n t r o lm o d u l eh a r d w a r ed e s i g np o s s i b l e b yt h i sw a y ，d e s i g nw o r kc a n b ep r e d i g e s t e da n dc o r r e s p o n d i n gp e r i o dc a nb er e d u c e dt o o t h e nt h e r e q u i r e m e n to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sa n a l y z e da n dt h em p c 8 6 0i s c h o s e na st h er o u t ec o n t r o l l e rw h i l ee m b e d d e dl i n u xa so p e r a t i o ns y s t e m f i n a l l y ，t h eh a r d w a r ed e s i g n sa r ed i v i d e di n t oe i g h tm o d u l e sa n dp r e s e n t e a c hh a r d w a r em o d u l e sf u n c t i o ns e p a r a t e l y t nc h a p t e rt h r e e ，t h eh a r d w a r ed e s i g ni si n t r o d u c e di nd e t a i l d i v i d e db y d i f f e r e n tf u n c t i o n ，s c h e m a t i c si n c l u d es i xp a r t s ，i n c l u d i n gm a i nc o n t r o l l e r ， r e s e ta n dc o n f i g u r ec i r c u i t ，s t o r a g ep a r t ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ， e t h e r n e t p a r t b d m d e b u g i n t e r f a c ea n di n t e r f a c eb e t w e e n m p c 8 6 0 f p g a t h e nt h ep c bd e s i g na n ds i g n a li n t e g r i t yd e s i g no n c o n s i d e r a t i o no fs y s t e ms t a b i l i t y a r e p r e s e n t e d f i n a l l y ，t h ed e b u g m e t h o d sa n dd i a g n o s eo ff a u l t sm o d u l eb ym o d u l ea r es l - 【o w n i nc h a p t e rf o u r ，t h ep a p e ri sc o n c l u d e da n dp u tf o r w a r di m p r o v e m e n t m e t h o d so fr o u t ec o n t r o lb o a r d k e yw o r d s ：l a b e lo p t i c a lb u r s ts w i t c h ，m p c 8 6 0 ，h a r d w a r ed e s i g n 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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了谢意。 震爱瑟三兰鬻笺霍怒画 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有 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，允许学位论文被 查阅和借阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守 此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。， 本人签名： 么牢涵日期：2 塑l 垒2 塑呈三 导师签名 呻趟一醐：卞 吗 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 随着近年来网络中的数据业务在数据量方面的快速增长，网络带宽的需求越 来越大。由于基于电子技术的网络方案受限于器件的工作速率，无法完成高速宽 带业务的传送与交换处理。只有基于光纤的海量带宽的全光网络可以提供大容 量、高速的传输处理能力；因此，下一代网络必然是以波分复用( w d m ， w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 为基础的。而密集波分复用技术( d w d m ， d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 的成熟，更使得充分利用光纤的海量带 宽( 理论值每根光纤可达5 0 t n z ) 成为可能。同时，为了实现高质量的数据业务 的传输与交换，必然要将d 层引入直接运行于d w d m 之上。这样做，避免了现 有i p o v e r a t m ，i p o v e rs d h 等多层网络结构在多层协议结构间的巨大开销，而且 通过尽可能的在光网络中引入全光器件和技术，将大部分流量在光域内完成，可 以避免多层网络结构中中转节点进行光电光转换对于速率的限制，充分利用 d w d m 的带宽资源与强大的波长路由能力。但是大大地增加光纤传输容量后，却 给交换节点带来了很大的压力。为了解决这一问题，人们对光交换进行了深入的 研究，提出了三种节点交换技术的方案：光路交换o c s ( o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ) 1 ，2 ，3 ，光分组交换o p s ( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) 4 】，光突发交换o b s ( o p t i c a l b u r s ts w i t c h i n g ) 5 。 目前光网络采用的电路交换( 0 c s ) 机制，它是以波长路由的方式出现，相 对比较简单，易于实现，但不适于不断增长且变化较大的网络流量；在光域交换 中，光分组交换( o p s ) 在带宽利用率、延时和适应性方面比较好，但是实现比 较复杂，而且没有可以用于实现光分组交换的高效、大容量的光缓存设备，实现 起来很困难。 针对o c s 和o p s 的缺点，近年来提出了一种新的光交换方式，即光突发交换 ( o b s ) 。它结合了前两者的优点，交换粒度介于o c s 的波长交换和o p s 的分组交 换之间，提供可变长度的突发流量；又克服了他们的不足，即在较低的光子器件 要求下实现面向i p 的快速资源分配和高资源利用率，同时实现对实时业务的良 好支持。光突发交换，将具有相同出i i l 边缘节点地址和相同q o s 要求的数据分组 组成超长数据分组，与控制分组共同组成突发数据，传送中一个或者几个波长用 来传送控制分组，其余的波长全部用来传送数据分组。这点与分组交换很类似， 但不同的是在o b s 中，控制分组和数据分组在时间和空间上都是分离的。控制分 组先于数据分组一个偏置时间在控制信道进行传送，核心路由器根据控制分组的 信息和网络状况为与该控制分组唯一对应的数据分组建立一条全光通道。经过一 个偏置时间后，数据分组开始直接在已经设置好的全光通道上进行透明传输。通 过控制分组与数据分组的分离，虽然控制分组的传输依然需要光电光的变换， 但随后的数据分组完全在光域中完成交换，这也正是光突发交换的核心设计思 想。在控制协议方面采用了单向预留机制，发起端只向相邻核心节点发送资源预 留要求，在预约时间到达后，发起端就向相邻的核心节点发送数据。在这个过程 中，发起端只是把自己的要求发送出去，而不管要求是否能够被满足。如果核心 北京邮电大学硕士学位论文 节点不能为数据预留资源，发起端的数据就会被丢弃。 光突发交换网络通过控制分组对数据分组的资源进行提前预留 6 ，7 ，但是 使用一般的路由协议并不能对全网的资源进行有效的调节，可能导致网络中的数 据流汇聚到同一链路上或者同一接口中，会引起网络局部的拥塞；也可能在建立 路由时选择了路径复杂的路由，从而降低了资源的利用率。为了解决这一问题， 就需要有效率的交换路由方法。 多协议标记交换( m p l s ) 与传统的i p 网络中基于目的节点路由器的逐跳转 发操作不同，m p l s 在网络核心节点使用基于标签的前向转发。相同服务质量的 分组归属于同一个转发等价类( f e c ) ，在入口节点处的业务分组按照转发等价类 标记，中间节点根据标签决定下一跳，完成标签交换。这种方法采用转发等价类 ( f e c ) 作为标签处理i p 分组，利用标签分发协议( l d p ) 或者资源预留协议( r s v p ) 建立标签交换路径( l s p ) ，通过标签交换实现i p 业务的转发，减少了中间环节 路由开销的处理，可以提高分组转发的性能和等级。标签交换还利用了多点到点 转发树，避免了网络路由的复杂性。用于流量工程的受限路由协议在入口处建立 显示路由，这种路由在l s p 建立后有效，相关的数据包可以利用分组标签进行转 发。正是基于m p l s 本身的很多优点，考虑将m p l s 与o b s 相结合，充分利用两者 的优点，提高o b s 网络的性能，形成了基于标签的光突发交换( l o b s ) 。 这样做可以有以下几点优势： 第一，利用m p l s 为业务选路可以将路由与资源预留功能相分离，同原来o b s 只负责为业务预留资源比较，可以大大加快控制分组在节点的处理时间，降低业 务时延。 第二，显示路由技术是实现网络负荷的调节、确保用户q o s 的重要手段。使 用f f p l s 可以使得o b s 网络中的显示路由变得切实可行。 第三，m p l s 可以很好的实现流量工程。利用这一点可以很好的实现o b s 网 络中网络资源负荷的均衡，提高资源的利用率。 第四，m p l s 可以支持q o s 路由，在现有的o b s 协议中，一般通过采用额外 偏置时间支持q o s ，但是这种方式会相应的增加业务时延，而且随着业务在网络 中路由的增长，对于q o s 的保证会变得困难，而采用m p l s 机制，通过指定业务 的q o s 路由，可以较好的满足业务的q o s 要求。 1 2l o b s 网络结构 l o b s 8 在o b s 网络中加上咿l s 控制，通过i t p l s 协议完成网络拓扑和资源 以及路由等信息的传递，建立、拆除和修改l s p 通路等；通过o b s 的控制信令为 数据传输建立光交换通路( o l s p ) ；控制包将在m p l s 预先建立的l s p 通路上传输。 l i p l s 的信令可以利用o b s 控制信道来承载。 从功能上划分，l o b s 网络可以划分为三层 9 ：i p 层、媒体接入控制( m a c ) 层、物理层。i p 层提供网络层功能，比如寻址、路由选择等；m a c 层提供o b s 服务，包括突发数据汇集、d w i ) m 网络拓扑和资源分配以及生存性；物理层完成 突发数据交换、波长变换、突发数据延迟缓冲和光放大等作用；在姒c 层同物 理层之间，可以选择加入监控层，用于数据控制信道。图1 - i 就是如上所述的基 2 北京邮电大学硕士学位论文 于i po v e rd w d m 集成模型的l o b s 网络结构示意图。 电层 光电i 层i 光层 ，“i p 层 媒体接入控制层 监控层i 物理层 图卜1 、基于l o b s 网络的集成i p o v e r w d m 结构模型 从物理拓扑上分，l o b s 网络可以分为两部分：l o b s 核心节点与l o b s 边缘节 点。如图1 - 2 所示。 图卜2l o b s 网络拓扑 l o b s 核心节点由输入接口、控制单元、交换矩阵和输出接口四个部分组成， 它的作用是作为t p l s 核心路由器和o b s 阿络核心路由器的合并。输入输出接口 对于光信号进行色散补偿、分离控制波长等处理；控制模块需要利用控制分组的 控制信息在核心节点为突发包进行资源预留，并且根据控制指令对交换矩阵进行 调整，并相应的修改控制分组；交换矩阵负责根据控制模块的指令建立交叉连接 路径，将随后到达的突发包交换到相应的输出端口；输出端口负责将再生的控制 分组发送到相应的控制信道上，并且减小信号的相位抖动和功率波动。 l o b s 边缘节点的作用是对于突发包的组装发送以及接收分解。边缘节点 会接收来自其他网络的数据分组并按照目的地址、0 0 s 等要求分别组装成突发 包，并为每一个突发包配备一个控制分组；或者通过拆开突发数据包，将其中的 i p 数据包抽出并发送到其他网络。 北京邮电大学硕士学位论文 1 3l o b s 关键技术 基于标签的光突发交换l o b s 技术与肝l s 技术在吸收i l p l s 标签交换技术方 面的基本思路是一致的，所不同的主要是l o b s 将控制信道和数据交换信道进行 了分离，标签信息在控制包中，而且这时在波长信道上所承载的数据是由多个 i p 包组成的突发数据流。在l o b s 网络中，每一个控制包分组由控制信息和标 签构成，并作为一个普通的i p 包在运行了l d p 而预先建立起来的一个l o b s 通路 上被传送，该通道就类似于标签交换通路l s p 。在入口l o b s 节点将多个i p 包组 装成突发数据流，然后该突发数据流就在由节点对控制包中的标签进行处理后相 应建立起来的波长通道上传输。在数据流的整个转发过程中，都无需进行任何电 子操作而完全在光域上执行，其它的标签操作均类似于m p l s 实现方案。在m p l s 中，每一个波长为一个标签，就是标签交换通道l s p 是波长通道。这时由于缺乏 波长合并( m e r g i n g ) 技术，所以中间节点无法在光域上实现对多个l s p 的整合 操作，因此不能实现业务合并和疏导( g r o o m i n g ) 。相反在l o b s 中每一个突发数 据流对应一个标签，在每一个交换节点上都对标签信息、波长号、偏置时间等控 制信息执行电处理操作，因此不同l s p 通路上的突发数据流无需进行光电光变 换就完全可以进行业务整合。 在具体的实现技术上，对于采用不同的系统结构，引入的单元技术、信令控 制和路由算法都有所不同，因此需要对l o b s 的节点( 边缘节点、核心节点) 结 构及其中的关键单元技术和功能机制进行深入研究，使设计适合具体应用。为了 节省网络资源和交换设备的投资，需要研究适合于突发业务的动态路由及带宽分 配技术以减少业务的阻塞率，提高网络的性能；在光突发交换的实现技术方面， 现有光开关在交换时间( 如：微光机械式光开关，液晶光开关、热光效应聚合物 波导型光开关等，交换速度在毫秒量级) 和矩阵规模( 如铌酸锂光开关、半导体 光放大器光开关等) 等方面遇到了瓶颈，正在寻求利用聚合物材料的电光特性实 现快速波长调谐( 选择) ，构成将分波合波器和交换模块集成在一起、适合于光 突发交换的快速光交换矩阵，相应需要研究可以快速处理信令的协议、实现的方 法以及各节点信令时钟同步实现方法。 对于l o b s 网络，需要分析在各种情况下( 负载、信道数、是否支持波长变 换、是否带光纤延迟线( f d l ) ) ，l o b s 网络的时延、丢包率等性能，仿真演示l o b s 基本功能，从而得出改进的方法。针对l o b s 网络上承载的图像、话音、数据等 不同业务类型( 即不同q o s 要求) ，需要研究在有限网络资源( 如波长数量等) 下的调度算法，研究改善业务流量自相似性的组装机制。 本论文针对l q b s 网络中核心节点与边缘节点的结构与关键的路由控制单元 4 北京邮电大学硕士学位论文 的实现进行研究，首先针对核心节点和边缘节点各自不同的功能给出节点结构的 设计，确定不同节点的不同功能模块划分，并对此提出实现方案；其次根据路由 控制单元在不同节点中的不同作用，提出节点路由控制单元所需的功能，根据需 要实现的功能设计出实现方案；进一步，完成对于路由控制单元的具体硬件设计， 实现设计的全部功能。 5 北京邮电大学硕士学位论文 第二章l o b s 系统中节点路由控制板的设计 2 1 基于l o b s 的实验平台结构 从节点功能考虑，可以将l o b s 节点分为两类进行设计：进行e 0 转换、业 务汇聚的边缘节点和全光交换的核心节点。 边缘节点主要是将各种接入数据适配到光突发分组网，接收来自网络的突发 分组并完成反向适配。因此，首先边缘节点需要实现发射方向业务的适配，协议 的转换，数据包的分类汇集及交换，q o s 支持，突发数据分组成帧，光的突发发 射等，同时还要实现信令控制算法，生成控制分组，发起控制信令等。在接收方 向需要完成光的突发接收，分组的拆卸，数据包的分类汇集及交换等。边缘节点 的结构如图2 - 1 所示。 图2 - 1 边缘交换节点结构 在边缘节点处提供多个千兆和百兆以太网接口，具有图像、话音、数据等业 务的接入能力，这是考虑到茴向光因特网的光突发交换主要承载i p 业务，在接 入侧使用统一的以太网帧格式可以做到无缝连接，无需协议转换，方便地接入广 域网、城域网和局域网，从而大大简化了设备，降低了成本。各种业务在边缘节 点内进行适配重组，形成在网络中传输的突发分组，并采用d w d m 技术将分组发 送至网络中，从而实现高速、大容量的数据传输。同时，在数据分组发送至网络 中前，边缘节点通过一个单独的信令信道向核心节点发送突发分组的控制信令， 控制信令的内容包括突发分组和控制信令之间的延时信息、突发分组的长度信 息、目的节点信息等，同时还包括业务等级信息以据此为不同的业务提供不同的 6 北京邮电大学硕士学位论文 q o s 保证。核心节点根据这些控制信息配置节点内部的快速光交换模块，直接在 光域内实现快速的分组突发交换，并将控制信令处理后转发至下一节点。对于边 缘节点来说，由于光突发交换网络的突发特性，边缘节点接收的突发分组可能来 自不同的节点，它们的时钟相位不同，因此对每一个接收到的分组必须进行高速 时钟同步，即分组的突发同步，才能完成分组的突发接收。接收到的分组数据在 边缘节点内进行反向拆卸和分类，发往相应的端口。 当i p 数据包进入边缘节点，首先根据它们的服务类别( c o s ) 和目的地址分 类并交换存放到不同的队列中，会聚成突发分组，然后利用高速的d w d m 光突发 发射机，在动态分配的波长上传输。在数据分组发送前，边缘节点的控制系统生 成相应的控制分组并将其发送出去。控制分组一般包含有数据分组的源地址信 息、目的地址信息、长度信息、业务类别信息及带宽分配信息等。 在接收端，光突发接收机接收来自网络的突发分组( 控制分组及数据分组) ， 完成o e 变换、时钟及数据恢复，然后经过反向拆卸发往接入侧不同的端口。 核心节点则负责在电域处理提前发送的控制信息包，并通过解析控制包携带 的消息信令完成对光交叉矩阵的配置，使随后到达的突发数据包在全光域内能进 行快速的交换，既避免了控制头的光域处理，同时数据分组也无需进行光电转换 处理，始终在全光域内传输，大大提高了交换的灵活性。图2 2 为核心节点的详 细功能模块： 与网管模块交互信息 图2 - 2 核心节点控制结构 为了能够比较完整的对于l o b s 网络的拓扑维护、拓扑发现和拓扑重建过程 进行分析，并且可以得到在这一过程中比较充分的分析数据，实验平台设计为三 个边缘节点和四个核心节点组成，四个核心节点构成一个“区”型网络，在其中 四个核心节点上各连接一个边缘节点，如图2 3 所示。 7 北京邮电大学硕士学位论文 边缘节点 图2 - 3 光突发交换实验网络拓扑图 这样的设计，可以提供一个灵活的测试网络结构，除了可以测试边缘节点、 核心节点的性能外，当网络连接发生改变后，如某个核心节点断开后，可以分析 网络自我发现和拓扑重建的过程，还可以得到此时其他节点重建路由的分析数 据。 2 2 节点路由控制板在l o b s 系统中的位置和作用 在确定了整个实验网络的结构后，就需要针对于单个节点考虑设计方案了。 根据前面给出的核心节点与边缘节点的功能结构，考虑对于单个节点的功能模块 进行细分，对于不同模块采用独立的设计，这样既可以有效保证节点不同功能模 块的可靠性又方便对于各部分进行维护，而且这样进行区分可以更清楚的理解节 点的结构，针对不同模块可以更好的进行程序代码的设计。 在核心节点中，控制单元是一个关键部件，它负责控制标签交换和资源预留。 为了执行标签交换，控制单元应该负责维护l i b ，并在突发数据分组到达核心节 点时，使用控制数据包中的标签检索l i b 中的被交换数据分组相对应的转发信 息；根据控制包中的信息，配置光交叉矩阵，从l i b 中获得输入输出光纤与波长 的对应关系；还需要根据控制包进行标签交换，并据此对控制包进行修改，并将 控制包根据l i b 给定的控制信道进行转发。 在边缘节点中，由于需要进行数据包的分拆和封装，所以也需要对控制分组 进行解析，了解标签、数据包长、偏置时间等信息；边缘节点还负责网络中基本 的路由功能和流量控制，包括波长信道选择；完成边缘节点内部的信令交互和资 源调度，协调系统内各单板工作；同时它也是高层软件载体，搜集网管信息实现 边缘节点的网管。因此也需要一个控制模块进行这些处理。 首先，由于对于核心节点和边缘节点均需要设计一个控制模块，而两部分的 控制模块都具有很重要的作用，所以希望设计的控制模块具有比较好的性能，于 8 北京邮电大学硕士学位论文 是提出了路由控制板的设计，将核心节点与边缘节点的控制模块单独作为个部 分进行设计。为了功能上区分的清晰，对于核心节点，将对于控制信令的处理部 分作为控制模块划分出来，对于光交换的控制部分保留给光层的控制部分；对于 边缘节点，除了针对控制信令的处理，拓扑的维护外，把网管的接口增加到该节 点的控制模块。这样划分结构就比较清晰，不论核心节点还是边缘节点，控制部 分主要对于控制信道的信息进行处理，负责资源预约、拓扑维护等工作，此外还 提供上层接口。 进一步对于功能进行划分，考虑到在两种节点处，控制模块均主要对控制包 进行操作，且在结构上相类似，为了模块的便于维护、可替代性、代码平台一致 性和缩短开发周期，对于核心节点和边缘节点的控制模块使用了同一套硬件设计 方案，通过在硬件平台下的不同软件来支持不同的功能需求。希望在核心节点和 边缘节点上运行路由发现协议和拓扑维护协议，决定使用o s p f 协议进行拓扑表 的发现，使用r s v p 协议维护系统运行所需要的路由表，并根据路由信息建立 拆除l s p ，分发标签。此外还需要能够提供网管程序的支持，用于网络监控和管 理。 2 3 节点路由控制板的总体设计 2 3 1 节点路由控制板的设计需求 考虑到节点对于控制模块的需求，对于路由控制板的设计，有如下几点设计 需求： 1 、能够提供控制包传输的信道； 2 、需要有足够的数据存储能力和数据处理能力： 3 、具有良好的外设支持能力； 4 、需要有良好的代码支持能力和人机交互能力； 5 、系统运行具有高稳定性。 综合了多方面设计需求的考虑，决定选用嵌入式芯片和嵌入式l i n u x 系统进 行路由控制板的开发。 因为嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中，它将通用 c p u 中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时 趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。 在嵌入系统硬件系统中，除了中心控制部件( m c u 、d s p 、e m p u 、s o c ) 以外， 用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件，事实上都可以算作嵌 入式外围设备，而目前存在的绝大多数通信设备都可以直接在嵌入式系统中应 9 北京邮电大学硕士学位论文 用，包括r s - 2 3 2 接口( 串行通信接口) 、s p i ( 串行外围设备接口) 、i r d a ( 红 外线接口) 、1 2 c ( 现场总线) 、u s b ( 通用串行总线接口) 、e t h e r n e t ( 以太网 接口) 等，这点充分符合对于系统的设计需求。 在软件方面，决定选用嵌入式l i n u x 作为软件运行的操作系统，这是因为嵌 入式l i n u x 具有诸多的优势： 1 、硬件支持方面，l i n u x 能够支持x 8 6 、a r m 、m i p s 、a l p h a 、p o w e r p c 等多种体 系结构，这就为芯片的选择提供了很大的余地；同时l i n u x 有着异常丰富的驱动 程序资源，支持各种主流硬件设备和最新硬件技术，这点可以大大降低在实现路 由控制单元时软硬件的兼容性问题，可以为系统的稳定提供极大保障。 2 、l i n u x 内核的高效和稳定已经在各个领域内得到了大量事实的验证，一方面 可以保证开发代码的精简，另一方面提供了系统稳定运行的保证；此外l i n u x 的内核设计非常精巧，其独特的模块机制可以根据用户的需要，实时地将某些模 块插入到内核或从内核中移走，可以最大限度的保证代码的精简和高效。 3 、l i n u x 是开放源代码的自由操作系统，并且软件资源十分丰富，每一种通用 程序在l i n u x 上几乎都可以找到，这可以大大缩短路由控制模块的设计周期，在 开发中的问题也能够尽快的得到解决。 4 、使用嵌入式l i n u x ，软硬件能够支持正常的串口功能时，即使不用在线仿真 器也可以很好地进行开发和调试工作。嵌入式l i n u x 为开发者提供了一套完整的 工具链( t o o lc h a i n ) ，它利用g n u 的g c c 做编译器，用g d b 、k g d b 、x g d b 做调 试工具，能够很方便地实现从操作系统到应用软件各个级别的调试。 5 、l i n u x 支持所有标准的i n t e r n e t 网络协议，并且很容易移植到嵌入式系统当 中，这为实现路由控制提供了很大的方便。此外，l i n u x 还支持e x t 2 、f a t l 6 、 f a t 3 2 、r o m f s 等文件系统，这些都为开发嵌入式系统应用打下了很好的基础。 2 3 2 节点路由控制板的实现方案 对于具体芯片，选用了基于m p c 8 6 0 的嵌入式解决方案。m o t o r o l a 公司推出 的该芯片是一款以嵌入式p o w e r p c 为内核的微处理器 9 ，专门针对路由器等网 络设备应用的。它在网络数据处理方面有很好的性能，而且对于网络方面应用的 硬件外设支持也相当好，在推出后的应用中具有良好的表现。 n 伍 c 8 6 0 内部主要由p o w e r p c 内核、系统接口单元( s y s t e mi n t e r f a c eu n i t ， s i u ) 和通信处理单元( c o m m u n i c a t i o np r o c e s s o rm o d u l e ，c p m ) 3 部分组成， 适用于通信与网络应用。具体内部硬件结构见图2 4 。 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 图2 - 4m p c 8 6 0 内部硬件结构框图 p o w e r p c 内核部分是系统的处理单元，由整数单元( i u ，i n t e g e ru n i t ) 和 存取单元组成( l s u ，l o a d s t o r eu n i t ) 组成，所有的整数运算和存取操作都在 硬件中完成，支持3 2 整数运算，3 2 位总线接口。通常执行一个整数指令需要一 个时钟周期并且只有在有效数据在数据队列中准备执行时，整数单元时钟信号才 会有效，这保证了在运算时有最小的功耗。此外内核含有一个改进的调试接口， 在调试时可以不影响运行速度。并且他还包括了高速缓冲存储器和内存管理单元 ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ，删) 。 系统接口单元( s i u ) 的基本功能是作为内部数据、地址总线和外部数据、 地址总线之间的接口。m p c 8 6 0 的系统接口单元集成了几乎所有3 2 位处理器系统 所必备的通用特性。s i u 提供了强大的管理功能，复位控制以及实时时钟。存储 控制器最多可以支持8 个存储空间，支持d r a m ，s r a m ，s s r a m ，e p r o m ，f l a s he p r o m ， s r d r a m ，e d o 等各种接口，以及突发读写模式，可以支持从3 2 k 字节到2 5 6 m 字 节的存储范围。 通信处理单元( c p m ) 由三部分组成：通信处理器( c o m m u n i c a t i o np r o c e s s o r ， c p ) ，1 6 个独立的d m a 控制器和4 个通用计数器，可以实现8 种不同的通信方 式，所有通信设备可以独立工作。除了p o w e r p c 内核外，在通信处理单元( c p m ) 中有一个3 2 位的r i s c 微处理器，两者具有不同分工，p o w e r p c 处理高层代码， c 蹦r i s c 处理底层通信应用。 根据m p c 8 6 0 的性能特点，通过可行性的分析，使用这一款嵌入式芯片完全 可以满足设计要求。根据设计要求，本次设计的控制模块的嵌入式系统由八个硬 件模块组成，如图2 - 5 所示。 北京邮电大学硕士学位论文 图2 - 5 控制模块的系统框图 它们分别是： 一、嵌入式处理器部分 微处理器i p c 8 6 0 有较高的核心工作频率，可以处理大量的数据，并且它集 成了多种常用的外部设备接口，这样可以大大简化构建嵌入式系统的过程。 二、系统s d r a m 部分 本系统的大部分软件都是运行在这部分存储器中，采用了两片一共为 3 2 m b y t e s 的s d r _ a j i l 实现这部分的功能。 三、f l a s h 部分 f l a s h 器件是存储操作系统和所有的应用程序的存储器。 四、串行总线接口 主要是通过串行总线接口来实现微处理器与数据处理控制板之间的通信，使 处理器可以实时的控制和操作数据处理控制板的路由控制。 五、以太网接口 以太网接口是微处理器和外部通信的一个快速的通信通道，微处理器可以通 过以太网接口和外部h o s t 主机、边缘节点的核心控制都分等进行必要的通信。 六、通用串行串口 通用串行串口也是微处理器向外部传送信息的通道，它主要是用于微处理器 报告现在微处理器的状态而设计的。 七、b d m 调试接口 b d m 接口是进行嵌入式系统的调试的时候使用的通信通道，通过8 d m 接口可 以完全控制微处理器，了解处理器的状态。 八、支撑电路部分 支撑电路主要是指可以是此系统正常稳定运行所需要的辅助电路。它包括有 电源电路，复位电路，时钟电路等。 节点整体结构采用m p c 8 6 0 作为主控设备，负责对控制信息进行标签交换、 1 2 北京邮电大学硕士学位论文 路由发现、更新和客户操作接口等，f p g a 根据m p c 8 6 0 的命令对光网络进行控制， 达成对于路由的实际配置。在信道的划分上，使用了以太网作为控制信令的传输 信道，这样设计为了方便对于性能的检测和分析，同时可以一定程度上简化设计 的复杂程度；数据包的承载使用全光通路，用来完全模拟d w d m 网络。软件方面， 在控制板m p c 8 6 0 内部运行的代码包括三部分：路由程序o s p f 、信令程序r s v p 和网管程序。其中o s p f 程序维护系统运行所需的拓扑表，节点之间的连接表； r s v p 程序维护系统运行所需要的路由表，并根据路由信息建立l s p ，分发标签， 并根据拓扑的改变拆除l s p ；客户端程序搜集网管所需要的统计信息，包括网络 的拓扑图和路由表，节点之间的突发包流量并上报给上层的s n 5 j p 网管，用于对 于网络状况的监控和修改。 针对核心节点与边缘节点的应用，采用了如图2 - 6 的信令运行方式。对于 m p c 8 6 0 而言，将f p g a 视为多个r a m 用于存储不同的信令帧、路由表或者配置信 息，通过读取写入至0 不同地址的r a m 不同的信息实现对于光层的控制。 图2 - 6 节点内部控制板与路由配置板通信结构 核心节点与之处边缘节点不同只有路由信令帧的缓存数量不同，因为边缘 节点只需要向一个端口发送，而核心节点的发送将是多端口的，这些由f p g a 部 分的程序来解决。 2 4 本章总结 本章节首先讨论了l o b s 网络中核心节点以及边缘节点实现的不同功能，并 根据相应的作用对节点功能进行了模块化的分析，在此基础上设计出实验网络的 总体结构以及单独节点的结构。其次，分别对于在边缘节点和核心节点处路由处 1 3 北京邮电大学硕士学位论文 理模块的功能进行了分析和比较，出于便于维护、可替代性、代码承载平台一致 性和缩短开发周期等考虑，在边缘节点和核心节点的硬件实现方案上采用了同样 的设计。再次，针对路由控制模块需要实现的功能，提出了设计的若干需求，按 照需求对模块的硬件平台和软件系统进行了选择，选定了嵌入式系统和嵌入式 l i n u x 作为设计的方向。最终，选定了m p c 8 6 0 作为选用的嵌入式芯片，并详细 规划出设计所需的功能模块，以及整个节点的硬件结构和通信方式。 1 4 北京邮电大学硕士学位论文 第三章l o b s 系统中节点路由主控板的硬件设计实现 3 1 原理图设计 3 。1 1 系统模块化设 h - 结g g 原理图的主要作用是通过预先建立的器件符号，正确的配置芯片外围设置， 在元器件之间建立正确的信号连接，确保各个器件工作在正确状态，且相互之间 可以正常通信。具体到原理图的设计细节，首先需要正确标识出设计中所需要的 所有的电子元器件符号及这些电子元器件的所有的管脚所对应的信号定义；随后 需要依据已经设计好的各个电子元器件符号完成各个管脚之间的正确连接关系。 此处，所有元器件符号和管脚之间的连接关系并不是实际上的连接关系，而只是 一个逻辑上的标示，不包括任何的电气特性和功能特性，这部分的设计在印制电 路板( p c b ) 的设计部分实现。 在进行原理图设计的过程中，由于系统比较复杂，包含较多的不同功能模块， 所以采用了层次化的设计，将整个系统按照不同功能模块进行分解，每一模块单 独给出设计的原理图，这样做的好处是便于对原理图进行检查，而且可以更方便 他人对于原理图的理解，增加了设计的可继承性。 在原理图的设计过程中，遵循了以下几个步骤： 设计正确的层次关系，包括最顶层系统框架设计中模块按功能的正确划分， 到单一模块建立正确的命名关系； 建立正确的元器件原理图符号，包括正确的引脚数、引脚位号和引脚信号定 义，确保下一步设计的正确性，在这个过程中，采用了引脚按功能归类，将同一 器件中共同实现同一功能的引脚放置在一起，这样做可以使原理图更加简洁明 了，便于理解； 在原理图中，完成正确的信号连接，确保实现预想功能，同时为了方便随后 的测试功能和设计的全面性，在芯片的配置方面参考厂商提供的资料尽量确保全 面、可靠。 对于l o b s 系统中的路由控制板的设计，顺序采用了由顶层原理图到底层原 理图的设计，即首先设计顶层原理图的功能模块及相互关系，再设计每一功能模 块的细节，这样做可以在确定设计要求的情况下确保设计功能的全面，在局部设 计要求发生变化时也容易进行更改。顶层原理图把整个系统的设计分成以下几个 模块来进行描述： 主控制芯片，即m p c 8 6 0 ； 1 5 北京邮电大学硕士学位论文 系统复位与复位配置电路； 主控制器外围存储单元，包括用于存储启动代码和用户代码的f l a s h 存储 器，以及系统工作时用于运行代码的s d r a m ： u a r t 串行通信接口，可以用于输出系统当前信息用于监控与调试，也可以 用于标准的串行通信； 以太网通信模块，其中包括i o m 与l o o m 两种通信模块； b d m 调试端口，用于系统代码下载和系统调试； 与f p g a 通信的数据、地址缓冲器，以及与f p g a 通信的接口定义； 其他功能，包括需要上拉下拉端口的上下拉电阻，未使用端口的定义，这 些保留在此处，可以用于系统功能的扩充； 3 1 2 主控制器与复位及配置电路的设计 主控制芯片为整个系统的核心部分，把它单独作为一个模块进行设计，便于 清晰明了的对芯片不同功能进行区分并进行相应配置。此部分给出了m p c 8 6 0 的 全部输入输出端口，将这些端口按照不同功能进行分类。除此之外，在这个模块 中设计了与主控制器关系密切的时钟电路和系统时钟的配置电路。将主控制