（通信与信息系统专业论文）clos交换机中间级和输出级交换单元的设计与实现.pdf

摘要 组网技术的优劣直接影响着空间通信系统的性能，而目前采用的1 5 5 3 b 、 i e e e 8 0 2 4 等总线技术已经无法满足日益增多的航天电子设备间的通信需求，因此 设计一种新的组网技术势在必行。 实验室科研项目一“x x x 信息系统网络交换技术研究 ，采用了千兆交换式以 太网与航空全双工以太网( a f d x ) 技术相结合的新型c l o s 交换网络组网方案， 本文结合该项目给出了c l o s 交换机的具体结构，并且采用自上而下的方法设计与 实现了中间级和输出级交换单元。 本文结合该项目首先介绍了典型局域网、交换网络结构及交换机制等背景技 术，并给出其优缺点；接着进行需求分析，并给出具有6 * 8 * 6 三级c l o s 网络结构 的2 4 端口交换机的具体设计；然后对c l o s 交换机中间级和输出级交换单元关键模 块的功能进行介绍并给出详细设计及v e f i l o g 代码实现；最后对仿真工具进行简单 介绍，给出仿真和板级验证结果并进行分析。 对c l o s 交换机中间级和输出级交换单元的关键模块进行m o d e l s i m 仿真和板 级测试，结果表明这两级交换单元内部逻辑正确。将输入级、中间级交及输出交 换单元整合成交换机，并对单端口进行测试，结果表明交换机功能正确并且速率 已达千兆，达到预期目标。 关键词：千兆以太网航空全双工以太网三级c l o s 网络结构交换单元验证 a b s t r a c t t h ep e r f o r m a n c eo ft h ee n t i r es p a c ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sd i r e c t l ya f f e c t e db y n e t w o r kt e c h n o l o g y , b u tt h ec u r r e n tu s eo ft h e15 5 3 b ，i e e e 8 0 2 4a n do t h e ri n f o r m a t i o n s y s t e mb u st e c h n o l o g yh a sb e e nu n a b l et om e e tt h eg r o w i n gn u m b e ro fa e r o s p a c e e l e c t r o n i ce q u i p m e n t , s oi ti sv e r yn e c e s s a r yt of i n dan e wn e t w o r kt e c h n o l o g y l a b o r a t o r yr e s e a r c hp r o j e c t - “r e s e a r c ho nn e t w o r ks w i t c h i n gt e c h n o l o g yi n i n f o r m a t i o ns y s t e m ，u s e sn e wt e c h n o l o g yw h i c hi sc o m b i n a t i o no fs w i t c h e da n d g i g a b i te t h e m e ta n df u l l - d u p l e xa i r l i n e se t h e m e ti ns p a c ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e s p e c f i cs t r u c t u r eo ft h ec l o ss w i t c hi sg i v e n ，a n dt h em i d d l es t a g ea n dt h eo u t p u ts t a g e s w i t c h i n gu n i t s a r ea l s od e s i g n e da n di m p l e m e n t e du s i n gt o p - d o w na p p r o c hi nt h e p a p e r f i r s t l y , t y p i c a ll o c a la r e an e t w o r kt e c h n o l o g y s ，s w i t c h i n gn e t w o r ks t r u c t u r e sa n d e n c h a n g em e c h a n i s ma r es h o w e d ，a n da d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e ma r ea l s o g i v e ni nt h ep a p e r ；s e c o n d l l yan e e da n a l y s i si sm a d ea c c o r d i n gt ot h ep r o g r a m ，a n dt h e s p e c i f i cd e s i g no ft h es w i t c hi sg i v e n , w i t h6 8 毒63c l o sn e t w o r ks t r u c t u r ea n d 2 4 - p o r t s ；t h e nt h ef u n c t i o n s ，w h i c ha r eo ft h em i d d l es t a g es w i t c h i n gu n i ta n dk e y m o d u l e so ft h eo u t p u ts t a g e ，a r ed i s c r i b l e d ，a n dt h ed e t a l i e dd e s i g no ft h e ma r eg i v e n , a t t h es a m et i m e ，i m p l e m e n t a t i o no fe a c hm o d u l eu s i n gv e r i l o gc o d ei s r e a l i z e d ；f i n a l l y s i m u l a t i o nt o o l sa r ei n t r o d u e d ，t h e ns i m u l a t i o nd i a g r a mo fe a c hm o d u l ea n db o r a d l e v e l t e s tr e s u l t sa r eg i v e n ，a n da n a l y s i sa c c o r d i n gt ot h e ma r em a d e t h r o u g ht h em o d e l s i ms i m u l a t i o na n db o a r d l e v e lt e s to ft h em i d d l es t a g ea n d o u t p u ts t a g es w i t c h i n gu n i t s ，b a s e do nt h i sa n a l y s i s ，t h ei n t e r n a ll o g i co ft h i st w o s w i t c h i n gu n i t sa r ec o r r e c t a n dt h ei n p u t s t a g es w i t c h i n gu n i t , t h em i d d l es t a g e s w t i c h i n gu n i ta n do u t p u ts w i t c h i n gu n i ts w i t c h i n g u n i ta l ei n t e g r a t e di n t o t h e s w i t c h t h r o u g ht h eb o r a d l e v e lt e s t ，t h ef u n c t i o no fap o r ts w i t c ha r ec o r r e c t ，u pt 0 g i g a b i ts p e e d t h er e s u l tm e e t st h er e q u i r e m e n t k e y w o r d ： g i g a b i te t h e r n e t s w i t c h i n gu n i t a f d x t h r e e - s t a g ec l o sn e t w o r ks t r u c t u r e v e r i f i c a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 组网技术的优劣直接影响着整个空间通信系统的性能，并且目前采用的 1 5 5 3 b 、i e e e 8 0 2 4 等总线技术已经无法满足日益增多的航空航天电子设备问的通 信，因此设计一种新的组网技术已经势在必行。从2 0 世纪8 0 年代起，以太网技 术得到迅速发展，已成为地面局域网组网的主流技术，而交换式以太网更是以其 优势得到广泛应用，并且速率可达万兆。下文将分别对典型的局域网组网技术、 交换网络结构、交换机制以及论文的安排和主要工作进行简单介绍。 1 1 1 交换式以太网 1 1 典型局域网技术 在计算机网络发展历程中，以太网可以说是众多网络技术中最具影响力的一 种n 1 。传统以太网采用带有冲突检测的载波侦听多路访问协议s m a c d 协议， 支持1 0 0 m b s 工作速率，其工作过程如下：当一个网络节点有分组到达时，它首 先侦听信道，看信道是否空闲。如果信道空闲，则立即发送分组；如果信号忙， 则连续侦听信道，直至信道空闲之后立即发送分组。该节点在发送分组的同时， 检测信道6 秒，以便确定本节点的分组是否和其它节点发生碰撞。如果没有发生碰 撞，则给节点会无冲突的占用该总线，直至传输结束。如果发生碰撞，则该节点 停止发送，随机时延一段时间后重复上述过程口1 。 在传统以太网中，所有的节点共享网络带宽，这使得负载在网络流量高峰期 间出现拥挤；由于c s 燃d 是一种基于竞争的传输机制，节点之间会产生碰撞， 网络服务具有不可靠性；网络节点数在不断的增加，便导致以太网的性能不断下 降，因此，为了解决以上出现的各种问题，交换式以太网应运而生。 以太网交换机是交换式以太网的核心，它检查每个到达帧的源m a c 地址和目 的m a c 地址。当有帧到达交换机时，首先查看交换机内部地址表，若地址表里没 有帧的源m a c 地址，则将该源m a c 地址加入地址表，并将该帧转发到对应的目 的端口；若地址表里有该帧的源m a c 地址，则直接根据地址表信息将帧发往到目 的端口。 交换式以太网与传统共享式以太网相比，具有以下优点： 1 ) 不再共享带宽，而是单独占有带宽，将串行传输变成并行传输，并且还可 以在不同速率的网络之间进行转换，实现不同网络之间的协同，大大提高了网络 的性能。 2 ) 当网络用户数增多时，即网络节点增多时，用户的实际可用带宽不会降低， 2 c l o s 交换机中间级和输出级交换单元的设计与实现 并且当业务需求增加或者出现新技术时，可以在保证高性能的情况下减小代价。 3 ) 在网络业务不断增长的情况下，网络系统也日益复杂化，这就要求强大 的网络管理手段，以便合理的来分配网络资源，监视网络状态，控制网络运行u 1 。 交换式以太网虽然在一定程度上解决了传统式以太网的问题，但是它还存在 以下的缺点： 1 ) 交换式以太网具有非确定性； 。 2 ) 交换式以太网没有优先级机制，对所有的帧进行无区别的发送和接收，但 在实际情况下不同的帧对实时性要求也不同，因此帧时延具有不可预见性。 3 ) 地址学习老化机制。地址老化是指一个以前学到的地址在一段时间内没有 再次被使用，它将从交换机的查找表中被删除，这样释放出来的地址空间可以给 新学到的地址使用，故有些数据的传输延时更是不可预测。 1 1 2 a f d x 技术 在将以太网技术应用于航空领域的过程中，1 9 9 5 年a r i n c 发布了a r i n c 6 4 6 以太局域网标准，为在商业航空设备中使用i e e e 8 0 2 3 标准提供设计和应用指导。 近几年，a r i n c 委员会又开发了a r i n c 6 6 4 航空数据网络标准作为a r i n c 6 4 6 的 继承者h 。航空电子全双工交换式以太网( a v i o m c sf u l ld u p l e xs w i t c h e de t h e m e t n e t w o r k - - a f d x ) 已作为主要的航空总线用于a 3 8 0 飞机并将在全新的a 3 9 0 飞机 上使用。 a r i n c6 6 4 规范的第七部分定义了一个名为a f d x 的全双工的、有一定确定 性的航空系统使用的可配置数据网络，它包括以下几个主要方面： 1 ) 使用可配置：系统使用者的参数配置信息可在系统启动时载入。 2 ) 全双工：物理层使用双绞线，有独立的发送和接收信道。 3 ) 交换网络：网络拓扑为星形结构，每个交换机最多能连接2 4 个端系统( e n d s y s t e m ，下文简称e s ) ，交换机间可级联以形成更大的网络。 4 ) 确定性：网络通路使用虚链路( v i r t u a ll i n k ，下文简称v l ) 模拟了一个 点到点的、具有确定性的网络。 5 ) 备份网络：增加一个冗余网络提高传送的可靠性并降低传送时延。 6 ) 性能要求：端口工作速率为1 0 0 m b p s 。 a f d x 是对以太网局域网技术的扩展，采用了全双工交换式以太网，克服了 半双工以太网固有的冲突问题；采用虚拟链路和流量整形机制( 主要由端系统实 现) 对通信任务之间的数据流进行逻辑隔离和实时性保证m 。a f d x 协议在设计过 程中采用了不少创新性的概念，包括： 1 ) 带宽保障：通过先进的排序管理和多带宽应用策略来实现对带宽的控制， 第一章绪论 并通过引入“带宽分配间隔 ( b a g ) 概念、最大帧长度等方式进行带宽的分配。 这些保障措施被应用到a f d x 的虚拟链路方面，极大提高了数据的完整性和数据 传输在时间上的确定性； 图1 1a f d x 冗余热备份连接图 2 ) 服务保障：在传统的以太网交换网络中，输入的以太网帧都是输出链路根 据以太网目的地址来进行路由。而在a f d x 网络中，a f d x 系统结合了a r i n c4 2 9 的点到多点的总线特性和异步传输模式标准( a t m ) 中的“虚拟链路”( v l ) 技 术，一个数据源专门采用一条v l ，每条v l 都嵌入到一条以太网数据链路中，然 后a f d x 交换机通过查找配置文件将由一个终端系统产生的携有同一虚拟链路i d 的帧发送到一组预先确定的终端系统。a f d x 是第一个将以太网链路的简单性和 a t m 协议的复杂性、安全性很好地综合到一起的航空电子标准； 3 ) 冗余管理：a f d x 设计基于通信链路物理上冗余的交换网络原理，一个 a f d x 系统中有a 和b 两个独立的交换网络，如图1 1 所示。a f d x 终端系统传 输的每个数据包同时在a 和b 两个网络上进行发送，因此，正常状态下，每个终 端系统将会收到两份同样的数据包，这样即使网络内有帧传输失败或数据链失效， a f d x 系统也可以提供安全、可靠的数据传输。 但是a f d x 的转发表是预先配置好的，故仅能支持面向连接的通信方式。 1 2 交换网络结构 交换网络是路由交换设备的核心组成部分，其性能直接决定路由交换设备的 性能，交换网络的研究对于提升路由交换设备的研制十分关键n 3 。交换网络是由交 换单元按照一定的拓扑结构扩展而成，它的拓扑连接方式分为两类：单级交换网 络和多级交换网络啪，下文对它们分别进行介绍。 1 2 1 单级交换网络 单级交换网络的交换单元只有一级。单级交换网络是由一个或者多个位于同 一级的交换单元构成的交换网络，即需要交换的信息从交换网络的入线到交换网 络的出线只经过一个交换单元，并当同一级有多个交换单元构成时，不同交换单 元的入线和出线之间可建立连接，如图1 2 所示。 4 c l o s 交换机中间级和输出级交换单元的设计与实现 输 入 输 出 图1 2 单级交换网络 单级交换网络主要分为：共享总线结构、共享缓存结构、单级c r o s s b a r 结构。 共享总线结构：将输入线上到达的分组同步的复接到公共的总线或者是环上， 同时采用一定控制方法使公共总线或者环上的分组流分接到各个输出端口。 共享缓存结构：通过某种调度方式将各个输入端口的分组流形成单一的输入 分组流写进共享缓存，然后再按特定输出调度方式将共享缓存的分组分接到各个 输出端口。实际上，共享缓存内部划分为若干个逻辑队列，每个队列对应一个输 出端口，因此，各个分组按照输出端口写进对应的输出队列。 单级c r o s s b a r 结构：支持任意空闲输入接口和输出接口的连接，中间无缓冲但 无阻塞，并且可以支持多个连接同时以最大的速率进行传输，因此在很大程度上 提高了交换机的性能。 1 2 2 多级交换网络9 1 多级交换网络通常称为多级互联网络，需要交换的数据从交换网络的输入端 到交换网络的输出端需要经过多个交换单元，当一个多级交换网络的交换单元可 以分为k 级，顺序命名为第1 级、第2 级、第k 级，同时需要满足下列条件： 1 ) 所有输入端都只连接到第l 级交换单元的入端； 2 ) 所有第1 级交换单元的出端只连接到第2 级交换单元的入端； 3 ) 以此类推，第( k 1 ) 级交换单元的出端只能连接到第k 级交换单元的入 端，并且只有第k 级交换单元的出端为交换网络的出端。 由于用户数不断增加，单机交换网络已经无法满足日益增长的需求，因此多 级交换结构得到快速发展，现在主要的多级网络有：b a n y a n 网络、多级c l o s 网络。 1 ) b a n y a n 网络早在1 9 7 3 年已提出，它最早主要用于并行计算机的互联， 后用于快速分组交换。b a n y a n 网可以分为一些子类，l 级( l 1 e v e l ) b a n y a n 是其 第一章绪论 中的一类，其特征是只有相邻级之间才有链路相连，这意味着任何输入到任何输 出之间的路径都经过l 级。8 木8 的b a n y a n 网的结构如图1 3 所示。 0 l 4 5 6 7 图1 3 8 * 8 的3 级b a n y a n b a n y a n 网络具有以下特性： 树型结构：从b a n y a n 网的任一输入端口( 或输出端口) 引出的一组路径t ? ? 形成了2 分支数。级数越多，分支越多，这就决定了级数k = l 0 9 2 n 。 单路径：b a n y a n 的任一输入端到任一输出端，有且仅有一条路径。 自选路由。 内部竞争性：b a n y a n 是基于竞争的有阻塞网络。由于各个输入端与输出 端之间的单路径并没有完全分离，它们之间存在公共的内部链路，因此。 不可避免的会产生内部竞争。 可扩展性：b a n y a n 网的结构有一定的规律，可以采用规则的扩展方法将 较小容量和规模的b a n y a n 网络扩展成较大规模。 2 ) 多级c l o s 网络 n * n c l o s 网络的基本结构如图1 4 所示，n 为入线和出线数。第1 级的交换 单元( s e ) 为n * m ，共有n n 个；第3 级的交换单元为m * n ，也有n n 个；中间 级交换单元为n n * n n ，共有m 个。这种三级结构可记为( n ，n ，m ) ，显然在 c l o s 网络任何一对入线端与出线端之间有m 条可选的路径，每一条路径通过不同 的中间级交换单元，因而c l o s 属于多路径网络。c l o s 网络具有以下特性： 无阻塞性，只要c l o s 网满足m = 2 n 1 这个条件，就能保证其内部无阻塞。 路径多，c l o s 网每对入线和出线之间都有m 条可选的路径。 可扩展性强，c l o s 网络有多个第一级交换单元、中间级交换单元、第三级 交换单元构成，每个交换单元都可以进行独立扩展，因此可以再不改变原 有交换结构的情况下，可以扩大交换机的容量。 2 3 4 5 6 7 6 c l o s 交换机中间级和输出级交换单元的设计与实现 图1 4c l o s 网络基本结构 通过对上面交换网络结构的介绍分析可得：如果交换机容量大，且要求交换 机内部无阻塞，则多级c l o s 网络结构是个不错的选择。 1 3 交换机制n 阳 交换机制是指信息在交换网络中转发时的组织形式，包括变长分组交换机制 和定长信元交换机制n 。在交换网络信息转发中，信元是基本的信息单位，信元 到达交换网络输出端口后，再重新组装为交长分组，这种交换机制称为定长信元 交换机制。 交换机在对变长分组进行处理时，可以首先将变长分组切割成信元，即定长 的数据之后进行转发。在大容量交换网络中，为了调度机制的实现简单，通常采 用同步调度方式，也就是调度器以相同的时间间隔( 称为时隙，t i m e s l o t ) 来处理 交换网络各个端口的分组。 虽然分组交换机在很大程度上都采用定长信元的交换机制，但是它也具有一 系列的缺点，主要表现在： ( 一) 增加了交换开销，降低了交换网络资源利用率。由于一个变长分组通常需 要分割为多个定长信元，而每个信元在交换中是独立的信息单元，因此，每个信 元必须携带相关的路由信息( 如输出端口号等) ，引入了一定的开销；同时，分组 的长度不一定是定长信元的整数倍，因此，在分组分割时，必然会带来交换网络 带宽的浪费( 最坏情况下，带宽浪费为近5 0 ) ，降低了对交换网络资源的利用率； ( 二) 采用定长信元交换机制需要高速的分组分割和重组单元，带来了交换网络 成本的增加； ( 三) 更为重要的是，在多级交换网络中，如果交换网络中间级带有缓存，采用 定长信元交换方式将会带来同一分组的各个信元发生乱序，这样就需要复杂的信 元保序机制或昂贵的输出端口重排序缓存，带来了交换网络实现成本的进一步提 升。 第一章绪论 7 基于以上原因，变长分组交换机制在大容量分组交换网络中得到了重视和研 究。变长分组交换机制同样是以时隙为单位进行同步调度，但是在网络转发过程 中是以变长分组为信息基本单元。在变长分组交换机制中，到达交换网络的变长 分组只在逻辑上以时隙为单位进行分割，在网络调度时，如果选择了分组的头信 元进行转发，那么在接下来的时隙中，分组的其他信元将依次通过相同的路径转 发，直到分组最后一个信元转发完毕，调度机制才对该端口进行其他分组的转发。 在变长分组交换机制中，不会出现信元乱序现象，减小了交换开销，提高了交换 网络资源利用率，但是由于m 分组长度的随机性，使得交换网络对网络业务的适 应性降低，网络灵活性下降。 交换机制对网络性能具有很大影响，由于定长信元和变长分组交换机制各有 千秋，需要针对不同的应用场合进行具体的分析。 1 4 论文工作及内容安排 本文结合科研项目“x x x 信息系统网络交换技术研究，详细阐述了c l o s 交t 换机中间级和输出级交换单元的设计和实现，并进行了仿真分析，同时给出了板 级测试结果。 第一章主要介绍了典型的局域网技术即交换式以太网技术和a f d x 技术，接 着对目前比较常用的单级和多级网络结构进行简单阐述，然后给出了现有交换机 制，以及它们的特点，最后对论文工作及其内容进行介绍。? 第二章结合本项目给出了需求分析，接着对交换机的整体结构和交换网络进 行介绍，最后对c l o s 交换机的总体设计进行了介绍。 第三章对根据模块接口图和状态转移图详细介绍了中间级和输出级交换单元 的设计和v e r i l o g 实现方案n 副。 第四章首先简单介绍了一下仿真工具，然后针对前面的设计给出了仿真图， 并且进行分析，最后给出现有的板级测试结果。 8 c l o s 交换机中间级和输出级交换单元的设计与实现 第二章c l o s 交换机的系统设计 9 第二章c l o s 交换机的系统设计 结合第一章介绍的各种组网技术特点和本章2 1 节用户提出的具体需求，给出 该交换网络的组网方案，并介绍了网络中交换机的总体结构及关键技术。 2 1 需求分析 空间通信系统运行在复杂的空间环境中，局域网交换体系结构作为各分系统 之间的数据传输枢纽，不仅要求能实现数据传输功能，还要求有较强的空间环境 适应能力，因此对交换体系结构有一些特殊的要求： ( 一) 抗辐射 空间通信系统运行的空间环境恶劣，太空粒子撞击、辐射、急剧热变化等都 会影响电子系统的正常工作，因此要求交换体系结构具有很好的抗辐射性能，以 保证数据传输的正确性，否则会影响控制过程的正常进行，从而影响空间通信系 统的正常运行。这就要求设计中都要采用宇航级器件。 ( 二) 通信速率高 随着微电子、微机械和轻型结构材料的发展及在空间通信系统上的应用，空 间通信系统的功能不断增强，系统也越来越复杂，各分系统之间的通信也越来越 多，因此局域网交换体系结构要有较高的速率。 ( 三) 网络容量扩展性强n 3 由于空间通信系统结构复杂，而且随着日后内部设备的通信数据处理能力和 设备间数据的交换能力的增长，这就要求局域网交换体系结构具有很好的容量扩 展性。 ( 四) 实时性好 空间通信系统对时间响应的要求决定了局域网交换体系结构必须有较好的实 时性。同时，它的功能不断增强，为了匹配其它设备及应对复杂任务，局域网交 换体系结构除了要有高传输速率外，还要有一套有效的通信协议，确保数据传输 的效率，从而满足实时性要求。 ( 五) 采用光纤作为传输媒质n 町 光纤具有质量轻，功耗小，很好的抗电磁与射频干扰能力，并能够有效防止 传输过程中的分接偷听以及辐射波侦听，故可采用光纤作为传输媒质。数据帧结 构使用现在广泛使用的以太网的帧结构。 ( 六) 可靠性高 由于空间通信系统所处环境的特殊性，网络设备发生故障很难进行维修更换， 这就要求局域网交换体系结构必须具有很高的可靠性，否则网络设备( 节点或交 1 0 c l o s 交换机中间级和输出级交换单元的设计与实现 换机) 发生故障，可能会导致整个系统瘫痪，故可采用具有冗余热备份机制的局 部网交换体系结构，即使网络内有帧传输失败或故障导致数据链失效，网络系统 也可以提供安全、可靠的数据传输。 ( 七) 技术成熟 在满足功能要求的前提下，应尽量选择实现简单、成本低、体积小、质量轻、 功耗低、灵活性较好、组网技术成熟的局部网交换体系结构。 2 2 交换机总体结构设计 交换机提供网络的核心交换功能，是网络的通信中枢，接收来自每个物理接 口的输入分组( 以太网帧或a f d x 数帧) ，并且按照目的地址将该分组转发至交换 机的输出端口。交换机实现了网络的物理层和链路层，可同时处理千兆以太网帧 和a f d x 数据帧( 处理以太网帧时，交换机的转发表具有自学习和老化功能；而 处理a f d x 帧时转发表是人为配置的) 。 e 曲e r u e t c p u 。r s 2 3 2 p h y 、y ( m p c 8 2 7 0 ) ny l j 亡 6 0 xb 吣 卜 彳 zx y 多 网u 峪hd p 】r a me e p r o ms d r a m 弋广 弋 7 卜 n ny 一 手 。 暑 2 4p o r t ss w i t c h f p g a ) 童 = h 、r 图2 1c l o s 交换网络交换机系统框图 交换机是网络的核心设备，交换机的性能决定了整个网络的交换性能，本文 的主要工作就是完成c l o s 交换机整个系统的系统框图如图2 1 所示，主要分为两 部分，一部分是配置控制模块，主要由c p u 及周边模块( e t h e m e tp h y 、r s 2 3 2 、 d p r a m 、f l a s h 和e e p r o m ) 构成，另一部分是交换模块，主要由作为交换结 构的多片f p g a 和2 4 个p h y 芯片构成。 下面简要介绍一下各芯片的作用： c p u ：初始化f p g a 中的初始参数，并在交换机工作时监视交换机状态，并 第二章c l o s 交换机的系统设计 进行实时控制。 e t h e m e tp h y ：以太网物理层模块，为c p u 提供一个标准的以太网接口， 主要用于软件系统配置和调试。 r s 2 3 2 ：为c p u 提供一个标准的串行数据接口，主要用于控制交换机。 f l a s h ：用于存储嵌入式系统镜像。 e e p r o m ：用于存储b o o tl o a d e r 。 s d r a m ：作为c p u 的内存。 d p r a m ：双端口r a m ，作为f p g a 和c p u 之间的数据缓存接口。 f p g a ：多片f p g a 实现2 4 端口交换机的交换结构。 2 4e t h e m e tp h y s ：2 4 个1 g b p s 的以太网物理层模块。 2 3 交换网络结构设计 考虑到应用的特殊情况，选用x i l i n x 公司的太空级芯片r t e x 5 x c 5 v f x 7 0 t 来实现，该芯片内部有4 4 8 0 0 个s l i c e s ，5 3 2 8 k b 的r a m 资源n 副。由于在4 个输入 口所占的逻辑资源为5 4 ，共缓存“个帧时所占的存储资源为4 0 ，因此在该芯 片上尽可实现4 * 6 或者4 * 8 的单个交换单元的设计，而要实现2 4 个端口的交换机， 只能用多个交换单元进行级联的多级交换结构来实现。 在前面已经对交换网络的结构进行了简单的介绍，因此我们选择使用三级d o s 网络结构。由于基于三级d o s 的交换网络也分为三种类型，即：m m m ( m e m o r y - m e m o r y - m e m o r y ) 、m s m ( m e m o r y - s p a c e - m e m o r y ) 和s s s ( s p a c e - s p a c e 一“ s p a c e ) ，其中m 表示交换单元带内部缓存，s 表示交换中不带缓存或者是带很少的 缓存n 引。m m m 结构的三级e l o s 网络的每一级交换单元都采用共享缓存，并且一 般是基于输出端口排队。由于一对输入端口和一对输出端口之间存在多条路径， 因此要为每个到达交换网络的分组选择一条经过第一级和第二级交换单元的通 路，通常有两种方式：基于分组和基于连接的。基于分组的选路方式无法保证分 组在交换网络中的延时，所以无法避免在输出端口处进行重排序，操作比较复杂； 基于连接的选路方式为了使每个分组无阻塞传输，需要数目较大的第二级交换单 元，并且对内部链路的管理、带宽分配也比较复杂。因此，很少使用m m m 型的 交换结构。s s s 型结构要求到达的分组必须同时完成三级交换单元以及端口的选 择，并且其内部没有缓存，就要求在任何一级的交换单元的输出端口上不能有冲 突，而这个完全集中式的路由算法比较需要了解每个输入端口头分组的目的地， 才能保证没有路径冲突，因此这种路由算法比较复杂，并且当网络规模变得时， 信息传输开销也很大。 目前广泛采用的是m s m 结构和基于分组的选路方法，在本项目中也是采用 1 2 c l o s 交换机中间级和输出级交换单元的设计与实现 m s m 交换结构，其传输的数据并不是分组，而是将到达交换机的分组进行逻辑分 割，也就是调度时按照分组的信息进行，而传输时按照切割后的切片进行，这样 可以使得在交换单元的输出端口长分组和短分组有同样的机会输出，即它们具有 相同的公平性，不会出现“饿死”现象。 本项目采用了一种新的路由算法，它是基于时隙的，时隙即一段时间，而在 这段时间各个输入端口一个帧信息的调度，以及帧切片的传输，帧切片的搬移都 必须完成，但是时隙长了，会有很长的时间是在等待，时间短了有些操作不会完 成，因此时隙长度的大小至关重要。该路由算法是一种集中式的方法，在第一级 每个交换单元都保留着两个表，其中一个表记录着所有中间级交换单元的输入链 路的忙闲状态，另外一个表记录着所有中间级交换单元输出链路的忙闲状态，因 此在时隙的开始，第一级交换单元查看到达分组的目的输出端口，然后查看上面 的两个信息表来为分组选择路径，当有链路时则匹配成功，如果没有可用的路径 则在下个时隙接着给该帧进行匹配，直到该帧匹配成功。并且为了保证每个第一 级交换单元和第一级交换单元每个输入端口的公平性，在匹配时按照特定的方式 来进行。 2 4 c l o s 交换机的具体设计 本项目交换机的具体设计如图2 2 所示。交换机采用6 * 8 * 6 的三级网络结构， 其中有6 个输入交换单元，8 个中间级交换单元和6 个输出级交换单元，其中每个 输入单元对应一个f p g a 芯片，每个输出级交换单元对应一个f p g a 芯片，而所 用的中间级交换单元和正交链路选择控制模块对应着一个f p g a 芯片，并且一个 f p g a 对应着一个开发板。每个输入级交换单元有4 个1 0 b p s 的输入端口，8 个 2 g b p s 的输出端口，每个中间级交换单元有6 个2 g b p s 的输入端口和6 个2 g b p s 输出端口，每个输出级交换单元有8 个2 g b p s 的输入端口和4 个1 g b p s 的输出端 口，按照无阻塞的条件计算至少需要7 个中间级交换单元，并且为了更好的支持 多播业务，以及提高内部传输速率，将中间级交换单元增加到8 个，严格满足无 阻塞的条件。其中每个输入级交换单元到每个中间级交换单元采用1 6 位并行数据 进行传输，并增加1 位帧切片起始信号，同样的每个中间级交换芯片到每个输出 级交换芯片也是采用1 6 位的并行数据和1 位帧切片起始信号。 为了更好的保证整个交换机的无阻塞和无丢失，输入级交换单元在每个时隙 向每个输出级交换单元发送正向流量控制信息，输出级交换单元根据接收到的信 息和本单元自身的输出端口队列空满信息对各个端口进行流量控制。同时每个输 出级交换单元在每个时隙将其内部的队列空满信息反压到每个输入级交换单元， 输入级交换单元根据反压信息控制数据不发往快满的队列，这样就可以保证输出 第二章c l o s 交换机的系统设计 级交换单元队列不会满，因此也不会丢帧。 圈2 2 交换机总体设计图 由于该交换机中用到了多个f p g a ，并且分布在不同的开发板上，因此保证整 个系统的同步是关键。现在初步确定整个交换机的各个模块都使用全局时钟，为 了保证同步，全局时钟由中间级交换单元所在的开发板来产生，然后通过差分信 号向每个输入级交换和输出级交换单元开发板提供。 下面对输入级交换单元的功能进行简单的介绍，而中间级和输出级交换单元 将在第三章进行详细的阐述。 输入级交换单元为4 * 8 结构，分组首先进入输入级交换单元，经过一定处理 之后再进入中间级交换单元和输出级交换单元。输入级交换单元包含多个功能模 块：4 个输入处理模块、转发控制模块、输入总线模块、输入调度模块、队列管理 模块、共享缓存模块、流量控制模块、输出切片调度模块、输出总线控制模块、 匹配处理模块、8 个输出处理模块以及r x f i f o ，s r f i f o ，o s f i f o ，如图2 3 所示。 下面对各个模块的功能进行简单的介绍。 1 4 c l o s 交换机中间级和输出级交换单元的设计与实现 图2 3 输入级交换单元功能框图 ， 输入处理模块主要是接收外部设备发送速率为1 g b p s 的帧，然后将8 位的数 据进行位宽转换，接着将帧数据写进2 个乒乓缓存中，并且将帧信息发送给转发 控制模块。 转发控制模块轮询各个输入处理器接口，接收输入处理器给出的帧信息，然 后根据帧的地址查找转发表，然后将查表结果和相关帧信息写进r xf i f o 中，并且 更新转发表信息。 输入调度模块读取r xf i f o 中的帧信息并且接收队列管理模块为帧申请的存储 地址，然后将输入处理器号、输入处理器缓存号、地址信息写进s rf i f o ，供输入总 线控制模块使用。 输入总线控制模块是根据s rf i f o 中的信息将帧从输入处理器缓存中搬移到共 享缓存模块。 队列管理模块主要是为帧申请逻辑地址，并且完成帧的逻辑入队和逻辑出队。 共享缓存模块主要是存储帧数据。 匹配处理模块与队列管理模块和链路选路控制模块相配合，在时隙信号到来 后，根据接收到来自队列管理模块的2 4 个队列的分组发送请求信息和分组长度信 息按照发送规律向链路选路控制模块发送分组发送请求和分组数据帧长，并接收 链路选路结果信息，整合数据帧输出调度信息将其写进o sf i f o 中供输出切片调度 模块使用，同时通知队列管理模块更新分组发送请求，输出总线模块是根据输出 第二章c l o s 交换机的系统设计 切片模块给出的信息将帧按切片的方式将帧从共享缓存模块搬移到输出处理。 输出切片调度模块实时读取o sf i f o 中帧的输出调度信息，根据该信息对应的 数据帧匹配端口号将其分类存储在8 个寄存器中，在时隙信号开始轮询8 个寄存 器，向输出总线每次发送一个1 2 8 字节切片的起始地址和该切片对应的t a g 信息。 输出总线控制模块根据切片起始地址从共享缓存模块中读取帧切片数据，并 且将它加在2 个字节t a g 信息后组成一个新的切片，发送给对应的输出处理器模 块。 输出处理模块将切片数据按照1 6 位并行方式发送给相应的中间级交换单元。 1 6 c l o s 交换机中间级和输出级交换单元的设计与实现 第三章中间级和输出级交换单元的详细设计与实现 1 7 第三章中间级和输出级交换单元的详细设计与实现 该交换机采用了6 * 8 * 6 的三级交换网络结构，即6 个输入级交换单元、8 个 中间级交换单元和6 个输出级交换单元，此结构满足无阻塞条件，即为三级c l o s 网络结构。中间级交换单元主要完成数据的传输，输出级交换单元主要完成帧切 片的重组及帧的输出。下面详细介绍中间级交换单元和输出交换单元的设计及实 现。 3 1 中间级交换单元的详细设计及实现 由于输入级交换单元在为帧匹配路径时，保证了中间级交换单元的输入链路 和输出链路均空闲，因此帧到达中间级交换单元后不会出现阻塞，所以中间级交 换单元采用了不带缓存的c r o s s b a r 全互连结构。 3 1 1 中间级交换单元的总体介绍 中间级交换单元与输入级交换单元、输出级交换单元均相连接，它接收输入级 交换单元的帧切片，在对帧切片内容不作任何更改的情况下将其发往输出级交换 单元，完成帧切片的交换功能。 中间级交换单元的工作时钟为1 2 5 m h z ，数据位宽为1 6 b “，因此级间的传输 速率为2 g b p s ，大于进出交换机的速率1 g b p s ，因此更能保证中间级交换单元的无 阻塞传输。 中间级交换单元传输固定长度为1 3 2 字节的帧切片，其中包括4 字节的t a g 头信息和1 2 8 字节的帧数据，由于每个时钟周期传输2 个字节的数据，因此传输 1 3 2 字节的帧切片需6 6 个时钟周期，其中t a g 的具体格式如表3 1 所示。 表3 1t a g 信息具体格式 i p n 4 ：0 】 o p n 【4 ：2 】 o p n 1 ：o 】 s f ie f iu m io m _ o u t _ p o r t _ m a p 3 ：1 】 o m _ o u t - p o r tm a p o 】l e n g t h 10 ：4 】 l e n g t h 3 ：0 】 d p v l l b i t r e s e r v e ( 2 b i t ) 下面对t a g 信息各位进行说明。 i p n ：5 b i t ，帧的输入端口号。 o p n ：5 b i t ，帧的输出端口号。 1 8 c l o s 交换机中间级和输出级交换单元的设计与实现 s f i - l b i t ，帧起始切片标志位。 e f i l b i t ，帧尾切片标志位。 u m i 1 b i t ，单多播标志位。 o mo u tp o r tm a p 4 b i t ，帧的输出端口码表。 l e n g t h ：1 1 b i t ，帧的实际长度。 d p - 2 b i t ，帧优先级。 r e s e r v e ：预留。 由于帧切片的搬移时间，传输时间，调度时间共同决定时隙的长度，而搬移时 间和调度时间相对较短，因此传输时间成了决定时隙长度的关键，同时，由于传 输帧切片的时间固定，而要提高传输效率，就必须减少传输延时。 3 1 2 中间级交换单元各功能模块的设计与实现 中间级交换单元的主要功能是完成帧切片的交换，其功能框图如图3 1 所示。 中间级交换单元包括6 个输入处理器、6 个输出处理器和6 * 6 开关矩阵。 中间级交换单元各子模块的详细介绍如下： 输入处理器主要用于接收输入级交换单元的帧切片，并且根据t a g 头信息的 输出端口号来控制开关的开断，为帧切片选择传输通路，其状态转移图如3 2 所示， 其状态机包括两个状态：i d l e ，w o r k ，它们的具体工作流程在下面进行介绍。 i d l e 状态：在检测到帧切片起始信号( s o c ) 之后，根据t a g 头中输出端口号， 即o p n ，判断该帧切片发往o 2 3 号中的哪一个输出端口，然后将相应的开关置1 ， 表示传输通路已打通。 w o r k 状态：保持i d l e 状态下的开关状态，并按照传输通路将该帧切片的所 有数据发送到对应的输出处理器，直到发送数据的最后一个时钟，将开关关闭， 表示一个帧切片传输结束。 第三章中间级和输出级交换单元的详细设计与实现 1 9 n ： 一输入处端| 蒜：蔷习输一渤