（通信与信息系统专业论文）交换式路由器控制系统的研究与实现.pdf

摘要 p 3 7 9 3 8 3 r f 在当今信息社会，因特网的规模迅速扩大，网络流量以每月3 0 的速率迅速增加，人们 对阏络带宽的需求比以往任何时候都更加迫切。作为一个全球计算机网络，因特网通过路由 器将世界各地的计算机连接起来。传统的路由器处理分组的能力有限，并且只能提供尽力服 务，路由器已经成为因特网进一步发展的瓶颈。为了解决这个问题，人们对传统的路由器的 结构做了重新审视，重新设计了路由器的体系结构，这导致了交换式路由器的出现。 交换式路由器采用分布式的分组转发，用高速的交换结构代替共享总线，提高了系统的 分组处理能力和系统容量，并能为不同种类的分组提供不同的服务。国外有许多厂商都在开 发交换式路由器，目前国外已经有不少交换式路由器产品，国内尚未见这样的产品，因此开 发具有我们自主知识产权的交换式路由器具有非常重要的意义。 为了尽快缩小我国与美、欧、日等国在高速宽带网络核心设备方面的差距，国家科技部 在八六三计划中将“高速示范网”列为重大专题，要求研制高速交换式核心路由器及各种宽 带接入设备。我们所承担的交换式边缘路由器是其中一个重要组成部分，也是八六三重大课 题实用化综合接入系统的主要内容之一。它提供8 g b s 的交换容量和包括干兆比特百 兆比特及1 5 5 m b s5 1 3 t - i 的接口，并具有o o s 保证机制。作者承担了交换式路由器的控制系 统的设计和实现。控制系统是交换式路由器的核心，包括硬件和软件两部分内容硬件提供 数据传输的通道，软件负责系统的管理、维护以及路由表的生成和维护。依靠丰富的网络方 面的工作经验我在研究生期间对交换式路由器的控制系统作了深入的研究，在此基础上完 成了我们的交换式路由器控制系统的设计，并实现了这种设计。 在本文的第一章中，；首先对路由整体系结构的发展演变做了同顾，然后描述了交换式路 由器的基本结构，解释了每个部件的功能。交换式路由器需要一个c p u 卡负责运行路由协 议，生成路由表以及管理和维护各个线路接1 ：3 卡的正常工作。沲第二章中，我们在参考了 c i s c o 1 2 0 0 0 系列銮拯式堕自器控制系统的设计的基础上，并结合我们自己设计的交换式路 由器，提出了交换式路由器控制系统的硬件和篮往设计要求。雉第三章中，我”鹾i 出了控制 的具体设计，用f p g a 完成了p c i 总线接口管理、输入输出队列管理、流量控制等功能， 着重介绍了p c i 总线接口的d m a 数据传输、中断申请、收发数据的组织和管理。 l i n u x 强大的网络支持功能、源码的开放和使用的广泛性，让我们决定采用l i n u x 作为 软件的操作系统。往第四章中j 我们介绍了l i n u x 操作系统与t c p i p 协议有关的内容，包 括设备驱动，网络功能，路由软件。睇五奄给出了软件的具体设计在我们设计的交换式路 由器中，有多个网络接口，所有网络接口发给主机( 该主机主要完成路由处理方面的：i ：作) 的数据都是通过控制卡传给主机的。因此主机收到的数据属于多个网络接口，软件需要把 收到的数据正确的交给相应的网络设备，作者提出了“虚拟网络设备”的设计方案，即在控 制卡的设备驱动之上注册了多个虚拟网络设备，解决了这个问题。、l 十 j 。一一 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h es c a l i n go ft h e i n t e r a c ti s p u t t i n g m o r ea n dm o r ed e m a n do nn e t w o r k b a n d w i d t h t h et r a f f i co nt h el u t e m e ti n c r e a s e sb y ar a t eo f 3 0 v e r ym o n t h t h ei n t e m e ti t s e l f i s ag l o b a lc o m p u t e rn e t w o r kt h a tc o n s i s t so fc o m p u t e r sc o n n e c t e db yc o m m u n i c a t i o nl i n k sw i t h i n t e r m e d i a t es w i t c hp o i n t sc a l l e dr o o t e r s b e i n gi n e f f i c i e n ti np a c k e t sp r o c e s s i n ga n do n l ya b l et o p r o v i d e b e s te f f o r ts e r v i c e s ，l e g a c yr e u t e r sa r cb e c o m i n gt h eb o r l e n e c k so v e rt h ei n t e r n n t f o r t h i s r e a s o n ，p e o p l eh a v ei n s p e c t e dt h eb a s i cb o r l e n e c kp o i n t si nal e g a c y i pr o u t e ri no r d e rt or e d e s i g n j t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r ea n da l g o r i t h m s t h i sj e a d st ot h ee m e r g e n c eo fs w i t c h e d r e u t e r h i g h s p e e ds w i t c h f a b r i ci su s e dt o r e p l a c e o l ds b 7 l e ds h a r e db u sr o u t e ra r c h i t e c t u r e d i s t r i b u t e dp a c k e tf o r w a r da l g o r i t h mi su s e dt op r o m o t et h ep a c k e tp r o c e s s i n gc a p a b i l i t ya n d s y s t e mt h r o u g h p u ti ns w i t c h e dr e u t e r s v e n d o r sa b r o a da r ed e v e l o p i n gs w i t c h e dr o u t e ra n d s o m e h a v ed e l i v e r e dt h e i rp r o d u c t st ot h em a r k e t r e l a t e dw o r ki sg o i n go ni no n l yaf e wd o m e s t i ci t c o m p a n i e sa n ds u c hp r o d u c t sa r es t i l ln o ta v a i l a b l e s oi t i so fc r u c i a li m p o r t a n c et od e v e l o po u r o w n c o p y r i g h t e ds w i t c h e d r o u t e r t ok e e pp a c ew i t hu s ，e u r o p e ，a n dj a p a ni ns u c ha r e a sa sb a c k b o n ed e v i c e si nb r o a d b a n d n e t w o r ln a t i o n a ls c i e n c em i n i s t r yp u t s “h i g hs p e e dn e t w o r k t e s t b e d ”a m o n g t h ek e y p r o j e c ti n n a t i o n a l8 6 3h i g ht e c hp r o g r a m i tm a i nt a s ki st or e s e a r c ha n dd e v e l o ps w i t c hr o u t e ri nc o r e n e t w o r k sa n dd i f f e r e n tk i n do f b r o a d b a n da c c e s sd e v i c e s o u rs w i t c h e db o r d e rr o u t e rp r o j e c ti sa n i m p o r t a n tp a r to f t h i sp l a na n d a l s oak e yr e s e a r c ht o p i ci n “a p p l i e di n t e g r a t e da c c e s ss y s t e m ”i t p r o v i d e s8g b p so f b a c k p l a n et h r o u g h p u ta n d c o n s i s t so f v a r i o u sp h y s i c a ip o r t si n c l u d eg b e f e a n d1 5 5 b p ss d hi u t e r f a c n s na l s op r o v i d e so o sm e c h a n i s mt os u p p o r td i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s i a mi nc h a r g eo fd e s i g n i n ga n di m p l e m e n t a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e mo fs w i t c h e dr o u t e r t h e c o n t r o ls y s t e mi sac o r ec o m p o n e n to f as w i t c h e dr o u t e r , w h i c hc o n s i s t i n go f t w o p a r t s ，h a r d w a r e a n ds o f t w a r e h a r d w a r ep a r to ft h ec o n t r o ls y s t e mp r o v i d e sad a t ap a t hf o ru pl a y e r s ，w h i l et h e s o f t w a r ep a r td o e ss y s t e mm a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c e ，b u i l d i n ga n dm a i n t a i n i n gr o u t et a b l e s w i t has t r o n gb a c k g r o u n di nc o m p u t e rn e t w o r k ，id i da ni n t e n s i v er e s e a r c ho nt o p i c sr e l a t e dt o c o f l t r o i s y s t e mo fs w i t c h e dr o u t e r if i n i s h e dt h es y s t e md e s i g no fc e n t r e ls y s t e mo fo u ro w n s w i t c hr o u t e r a n df i n a l l y , s u c c e s s f u l l yi m p l e m e n t e di t 1 1 1 i st h e s i si s o r g a n i z e d a sf o l l o w s i nt h ef i r s t c h a p t e r ，ab r i e fi n t r o d u e t i o n t ot h e d e v e l o p m e n to f r o u t e ra r c h i t e c t u r ei s g i v e n k e yb u i l d i n gb l o c k so fas w i t c h e dr o u t e ra n dt h e i r f u n c t i o n a l i t ya r ea l s oi n t r o d u c e di nt h i sc h a p t e cw ep r e s e n tt h eb a s i cr e q u i r e m e n t so fas w i t c h e d r o u t e r sc e n t r e ls y s t e mi nt h es e c o n d c h a p t e r , r e f e r r i n gt oc i s c o s1 2 0 0 0s e r i e ss w i t c h e dr o u t e ra t t h es a m et i m ec o n s i d e r i n go u ro w ni m p l e m e n t a t i o ne n v i r o n m e n t s i nt h et h i r dc h a p t e r , h a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o ni sg i v e n f p g ai su s e dt oi m p l e m o n tp c ib u si n t e r f a c e i n p u t o u t p u t q u e u e m a n a g e m a n lf l o w c o n t r o le t c w ei n t r o d u c ed m d a t a t r a n s f e r , i n t e r r u p tr e q u e s t , d a t a o r g a n i z a t i o na n dm a n a g e m e n ta b o u tp c ib u si u t e r f a c ee m p h a t i c a l l y lh es o u r c e o p e nl i n u xh a sa v e r yg o o ds u p p o r tf o ri pn e t w o r k i n ga n di s w i d e l yu s e di n v a r i o u se n v i r o n m e n t s s oi t i sc h o s e na so u ro s d e v i c ed r i v e r , r o u t i n gp r o t o c o l a n do t h e r n e t w o r kr e l a t e db l o c k so fl i n u xa t a l k e da b o u ti n c h a p t e r4 n s 0 0 ：w a r ei m p l e m e n t a t i o ni s p r e s e n t e di nt h el a s tc h a p t e r o u rs w i t c h e dr o u t e rh a sm u l t i p l en e t w o r ki n t e r f a c e s ，a n dt h ec o n t r o l c a r ds e n d sa l lt r a t 响cd e s t i n e df o rt h er o u t e r i t s e l ft ot h ep ch o s t t oi d e n t i 白t h e m u r i p l e u n d e r l i n gi n t e r f a c e s ，“v i r t u a ln e t w o r kd e v i c e ”s c h e m e i s p r e s e n tb ya u t h o ro ft h i sp a p e lt h i s s c h e m ee n a b l e st h es y s t e ms o f t w a r et od e l i v e rt r a f f i cf r o mc e r t a i ni n t e r f a c et op r o p e rn e t w o r k d e v i c e 主里登兰堡查盔兰堡主堂垡笙塞 苎二兰奎堡茎堕堕墨旦! ! 量塑 1 1序言 第一章交换式路由器的结构 近几年来，随着通信技术与计算机技术的飞速发展，因特网的规模不断扩大。无论是入 网的主机数、上网的人数、网上的数据流量、还是数据链路的速率都在飞速地增加a 统计数 据表明骨干网上的业务量每3 4 个月提高一倍。为了满足网络发展的需要，主干网路由器 的端口速率已经升至o c - 4 8 ( 2 4 g b i t s ) ，而且将要提升至o c - 1 9 2 ( 1 0 g b i t s ) 。随着网络规 模的扩大，网络所提供的服务种类也越来越多。电子商务，v o i c e o v e ri p ( v o l p ) ，虚拟专用 网( v p n 。v i r t u a lp r i v a t en e t w o r k s ) ，多媒体音频和视频，电视会议等应用对因特网提出了 更高的要求，因特网路由器必须提供更高的带宽，还要提供业务质量( q o s ) 控制。 路由器的基本功能有两个：路由计算和分组转发。传统路由器用软件对每一个分组进 行寻路与转发。这种路由器具有较大的灵活性，并支持多种网络协议，但由于分组的寻路和 转发都是用软件实现的，因此处理速度慢，并且端口少，价格高；路由器在转发l p 分组时， 采用最长网络前缀匹配方式对i p 分组进行寻路，采用最长网络前缀匹配方式查询路由表比 采用定长的标号查询路由表要困难的多，这已经成为提高路由器处理分组速度的瓶颈；另外， 传统的路由器对所有的分组只提供尽力服务，不能够支持多种业务类型，而随着一些新必业 务的出现，要求因特网路由器能够针对不同的业务提供不同的业务质量。由于上述原因，传 统的路由器已不能适应因特网的发展，成为因特网进一步发展的瓶颈。为了解决这些问题， 人们提出了多种解决方案，总的来讲，有两种解决方案： 一种方案是采用标号交换方式。把个网络分为接入部分和核心部分，在网络的接入部 分，路由器仍然采用最长网络前缀匹配方式对分组进行转发，但路由器要为每个进入的分组 加上一个标号，为每个出去的分组去掉标号。在网络的核心，路由器采用标号交换来代替最 长网络前缀匹配方式。由于采用定长的标号查询路由表，分组的处理速度提高了很多。 另外一种方案采用交换式路由器。传统的路由器采用共享总线的方式在各个端口之间传 送分组，这种方式严重限制了路由器的性能。交换式路由器采用分布式的体系结构来取代以 前的集中式结构，用交换结构代替共享总线，提高了转发分组的速率，使得路由器能够支持 多种业务类型。随着技术的发展，最近3 年已经提出了许多快速路由表查询算法，这使得最 长网络前缀匹配操作不再是路由器的瓶颈所在。 同标号交换方式相比，采用交换式路由器不需要对现有的网络做大的改动，不需要增加 新的协议。这使得人们可以逐步地用交换式路由器替换现有的路由器，从而升级网络。即使 是采用标号交换方式，在网络的边缘仍然需要采用路由器。随着骨干网链路速率的提高，边 缘路由器的端口速率也将越来越高，采用标号交换方式仍然需要处理速度更快，性能更好的 路由器。实际上由于交换式路由器的出现，标号交换的用途已经从提高分组处理速度转向进 行流量工程( t r a 衢c e n g i n e e r ) 。 里登堂垫查奎堂堡主兰垡丝奎 蔓二童銮垫垄堕皇堡! ! ! 塑 1 2 路由器结构的发展演变 1 2 1 第一代路由器的结构 第一代路由器采用类似于计算机的体系结构。采用通用的c p u ，利用软件转发分组。 这些路由器一般都有一个通用的c p u 和多个接1 2 卡，接口卡之间通过共享总线互连，它的 结构见图1 1 。采用这种结构的原因是：传统的路由器需要支持多种网络层协议，通过软件 实现各种协议，路由器能够很容易适应不同的网络环境。此时，如何建立和维护路由比分组 转发的速率更为重要。 每块接1 2 卡收到分组后，将分组通过共享总线送至c p uc p u 上运行路由软件，生成 路由表，对分组进行寻路；软件做出转发决定后，该分组将再次通过共享总线送至输出接口 卡，通过输出链路送出。这种结构的主要缺点是：每个分组要经过共享总线两次，成为系统 的主要瓶颈：分组处理和管理软件( 包括路由协议，路由表维护，路由表查询以及管理协 议等) 都是由c p u 完成，c p u 也很容易成为系统的瓶颈。路由器的性能依赖于共享总线的 吞吐能力以及c p u 的处理速度。 图1 - 1 第一代路由器的结构 1 2 2 第二代路由器的结构 第二代路由器通过分布式的分组转发操作提高了系统性能。第二代路由器增强了线路接 口卡的功能，线路接口卡上有一定容量的存储器，另外还有一个本地c a c h e 存储路由信息。 第二代路由器的结构见图1 - 2 。当某一个流的第1 个分组到达时，该分组被送往c p u ；c p u 做出转发决定后。同时生成一个新的路由表项，把这个新的路由表项写到各个线路接口卡的 c a c h e 中；此后到达的属于该流的数据包可以通过查询线路卡上的c a c h e 进行转发。这样， 如果c a c h e 的命中率较高，大部分的数据包只需要使用一次共享总线，这就提高了系统的吞 吐能力，同时，c p u 的处理负担也得以大大减轻。第二代路由器解决了一些问题，但是仍 2 生里型堂垫查奎兰堡主兰堡堡塞 箜二童奎垫壅堕童壁! 墅! 盟 然存在下列缺点： ( 1 ) 随着因特网规模不断的扩大，路由器的端口速率不断增加，主干网路由器每个端口上同 时存在的流的数目也不断增加。【l 】中指出，一个速率为0 c - 3 ( 1 5 5 m b r s ) 的接口上可 能同时存在2 5 6 k 个流。由于c a c h e 的容量有限，这就不可避免的造成c a c h e 命中率的 下降，从而降低路由器的性能。随着路由器的端口速率的不断增加，这个缺点会越来越 明显。 ( 2 ) 共享总线方式所能提供的带宽不能适应网络发展的需要。在目前的技术条件下，共享总 线方式所能提供的最高带宽是2 0 g b i t s 。对于主干网路由器来说这样的速率仍然显的太 少而且共享总线的带宽很难再加以提高。 图1 2 第二代路由器的结构 ， 1 2 3 第三代路由器的结构 为了解决第二代路由器存在的问题，第三代路由器对路由器的总体结构做了重大改进， 用交换结构代替了共享总线，这就为接口卡之间传送分组提供了足够的带宽，使得系统的吞 吐能力得到很大的提高。与前两代路由器相比，接口卡之间分组传输的带宽已经不是系统的 瓶颈，分组处理成为系统的瓶颈。图i - 3 给出了第三代路由器的结构示意图，它包括多个线 路接口卡和一个c p u 卡，线路卡可以对分组进行寻路，输入输出缓存，交换调度，输出调 度等操作，c p u 卡提供了基本的管理功能，如运行路由协议，简单网管协议等。第三代路由 器具有以下特点： ( 1 ) 只支持t c p i p 协议。随着网络的发展，t c p i p 协议已经在网络上占据了统治地位。第三 代路由器只需要支持t c p i p 协议族，这样就大大减轻了路由器的负担，加快了路由器处 理分组的速度。 ( 2 ) 数据通道与管理部分分开。对每一个分组，都需要根据分组的目的地址进行寻路，这部 分操作对每一个分组都需要执行，必须加以优化以提高处理速度。相对于数据通道，运 行路由协议以及进行网管等操作的实时性要求不是很高，这部分可以和数据通道分开。 如图l - 3 所示，c p u 卡上的c p u 运行路由协议，生成路由转发表，并且将完整的路由转 3 ! 望型堂堡查盔兰堡主兰垡丝壅 兰二兰垄塑型塑生垒墨! ! ! ! 塑 发表下载到所有的线路接口卡上。线路接口卡负责分组的处理，可以对其进行专门的加 以优化，从而提高路由器处理分组的速度。 ( 3 ) 采用交换结构来代替共享总线方式，从而大大提高了系统的总容量。也由于这个原因， 第三代路由器常常被称为交换式路由器。 ( 4 ) 许多路由器能够根据i p 分组头标的某些域( 源l p 地址，目的i p 地址，协议类型，源端口 号，目的端口号) 对分组进行分类，对不同种类的分组提供不同的服务，这种处理分组 的方式又被称为第四层交换。 1 2 4 第四代路由器 图1 3 第三代路由器的结构 为了广域网的发展需要，许多公司已经开始研制第四代路由器，第四代路由器的总交换 容量能达到t e r a b i t ( 1 0 “b i t s s ) 。虽然最近几年来查询路由表的速度已经有了很大提高，但 是由于存储器的访问时间并没有提高很多而且线路接口的速率越来越高( 采用密集波分复 用d w d m 方式，接口的速率可以达到几百个g b i t s ) 。由于存储器访问时间的限制，第三代 路由器在路由表查询，数据存储方面很难满足线路接口的速率增长需求。 第四代路由器采用并行的交换结构，多个相同的低速分组交换机各自独立的并行的工 作，构成个并行的分组交换机 4 】。第四代路由器的结构见图1 4 。 第四代路由器有如下的特点 ( 1 ) 路由器端口的速率为r ，经过d e m u l f i p l e x o r ，分组拆成定长的信元，由d e m u l t i p l e x o r 的分组调度算法决定信元交给哪个分组交换机，多个信元并行的通过并行分组交换机， m u l t i p l e x o r 从并行分组交换机中取出信元，重组成分组，发送出去。如果有k 个分组 交换机并行的工作，则每个分组交换机的端口速率只有r k 。因此，用多个低速的分组 交换机并行的交换信元，第四代路由器可以支持很高的端口速率，且系统的交换容量可 以达到t e r a b i t 。 ( 2 ) 各个端口的d e m u l t i p l e x o r 和m u l t i p l e x o r 模块不需要存储器，各个低速的分组交换机存 储信元，这样，系统要求的存储器访问时间要求可以远远低于端口的速率，存储器的访 4 问时间不再是系统的瓶颈。 ( 3 ) 路由器的业务质量控制由各个并行分组交换机实现 图1 4 第四代路由器的结构 1 3交换式路由器的基本构成 图1 - 5 给出了交换式路由器数据通道的基本组成单元。一个交换式路由器的数据通道主 要由以下几部分组成： ( 1 ) i p 报头处理部分。这部分主要进行的操作包括：i p 报头检查，路由表查询，分组识别。 没有通过报头检查的i p 分组将被抛弃；查询路由表，为i p 分组找到输出端口：对分组进 行分类，确定分组的c o s ( c l a s so f s e r v i c e ) 级别。 ( 2 ) 交换结构。为了处理简单，绝大多数交换式路由器先将变长的i p 分组拆分成定长的信元： 然后定长的信元通过交换结构被送往目的输出端口；信元到达输出端口后再被拼装成变 长的分组。 ( 3 ) 分组到达输出端口后，通过输出调度模块送往输出链路。输出调度模块通过决定发送分 组的先后顺序来保证各种服务类型的服务质量。 ( 4 ) 为了防止网络发生拥塞，线路接口卡上还应该包括拥塞控制处理单元以进行拥塞控制， 在必要时丢弃分组。 ( 5 ) 线路接口卡的输入，输出部分都必须有大容量的存储器，以防止数据的突发传输。 上述各个部分都是数据通道上必需的部件。除此之外，还需要有一个c p u 卡( r o u t e p r o c e s s o r ) 负责运行路由协议，生成路由表，以及管理和维护各个线路接口卡的正常工作。 中国科学技术大学硕士学位论文第一章交换式路由器的结构 图1 5 交换式路由器的基本构成( 数据通道) 6 2 1概述 第二章交换式路由器的控制系统 交换式路由器的控制系统包括硬件和软件两部分。硬件主要指c p u 卡，包括c p u ， m e m o r y 。远程管理接口，c p u 卡与背板的接口等，软件主要包括路由协议，路由表的生 成与维护，管理软件等。 下面以c i s c o1 2 0 0 0 交换式路由器为例，简单介绍交换式路由器的控制系统。 2 1 1 1 控制系统的主要功能 交换式路由器控制系统的主要功能有： ( 1 ) 上电时，载入系统的软件 ( 2 ) 提供路由器配置的控制台( c o n s o l e ) 接口 ( 3 ) 提供其他外围设备的辅助接口( 例如m o d e m ) ( 4 ) 提供1 0 m 1 0 0 m 以太接口，便于t e l n e t 方式登录 ( 5 ) 运行路由协议 ( 6 ) 生成和维护路由表，并把它传送到各个线路卡 ( 7 ) 提供通用的系统维护功能 ( 8 ) 通过交换结构或者管理总线与各个线路卡通信 2 1 2 控制系统的硬件构成 c p u 卡的元件主要有c p u ，各种m e m o r y ，状态指示灯。以及各种接口等。 1 c p u 在c i s c o1 2 0 0 0 路由器中，c p u 卡上采用的是i d tr 5 0 0 0r i s c 处理器，外部时钟为 1 0 0 m h z ，内部时钟为2 0 0 m h z 。 2 m e m o r y 在c i s c o1 2 0 0 0 路由器中，c p u 卡上共有4 种m e m o r y 。 ( 1 ) d r a m 。d r a m 中存放路由表，各种协议，运行c i s e o 软件。 ( 2 ) s r a m 。s r a m 提供c p u 的二级缓存。 ( 3 ) n v r a m ( d o n v o l a t i l er a m ) 。系统的配置文件、寄存器的配置、环境监测的记录 存在n v r a m 中，至少可以保存5 年。 ( 4 ) f l a s hm e m o r y 。f l a s hm e m o r y 中存储c i s e o 软件的影像、系统的配置文件和其他 用户定义的文件。 3 状态指示灯 状态指示灯是一组l e d ，用来指示系统的配置，复位，状态，错误等信息，以及用户 定义的状态错误的信息。 7 4 接口 在c i s c o1 2 0 0 0 路由器中，c p u 卡上有两种接口- ( 1 ) 背板接口。c p u 卡通过交换结构或者m b u s ( m a i n t e n a n c e b u s ) 与各个线路卡通信。 交换结构是c p u 卡与线路卡通信的主要的数据通道，是一个高速的通道，主要传输 路由表和其它数据：m b u s 是c p u 卡与线路卡通信的一个低速的数据通道，主要传 输系统内部的控制和管理信息。 ( 2 ) 管理接口。为了方便用户对路由器进行配置和管理，c p u 卡提供了两种接口。一种 为异步串行口，提供控制台接口( 主机接入) 和辅助设备接e l ( m o d e m 接入) 。另 种为以太接口，提供t 0 m 1 0 0 m 接口。 2 1 3 控制系统的软件功能 控制系统的软件功能主要是运行路由协议，生成和维护路由表以及系统的管理。 1 路由协议 路由协议负责反映网络拓扑结构的变化，生成和维护路由表。c i s c o1 2 0 0 0 路由器支持 的路由协议有： ( i ) 内部路由协议：r i p ，o s p f ，i s - 1 s ，i g r p ，e n h a n c e di g r p ( 2 ) 外部路由协议：b g p ( 3 ) 组播协议：p i m ，d v m r p c p u 卡将路由协议生成的路由表写到各个线路卡上，这样，线路卡上就有整个路由表 的备份。 2 网络协议 c i s c o1 2 0 0 0 路由器只支持l p 协议，支持的协议有：t c p i p ，u d p i p 。 3 管理协议 控制系统的管理协议负责整个系统的配置，查询，和错误报告。c i s c o1 2 0 0 0 路由器支 持的管理方式有： ( 1 ) 简单网管协议( s n m p ) 。通过简单网管协议，配置和查询系统的总体信息和路由信 息，查询各个端口的状态。 ( 2 ) t e l n e t 方式。通过t e l n e t ，手工配置和查询路由器的各种信息。 ( 3 ) 基于w e b 的访问方式。利用c i s e o 专门的管理软件，配置和查询路由器。 ( 4 ) 控制台的访问方式。用虚拟终端方式配置和查询路由器。 2 2交换式路由器的总体设计 我们参与了国家八六三重大课题一实用化综合接入系统，承担了其中交换式路由器 的研制工作，自行设计了一部交换式边缘路由器。 2 2 1 性能指标 根据八六三指南要求，该交换式路由器应满足下列性能指标： 8 中国科学技术人学硕士学位论文 第二章交换式路由器的控制系统 ( 1 ) 路由器的交换容量速率为8 g b i v s 。 ( 2 ) 交换结构为8 8 的c r o s s b a r 型。除一个端口被控制卡占用，其余的7 个端口均可以做为用 户端口。 ( 3 ) 交换结构的每个端口速率为1 g b i v s 。在交换时f p 分组要放拆分成定长的信元这会浪费 一定的带宽，使得路由器的外部端口速率达不到l o b i v s 。另外在交换信元时，信元会 带有一些附加的包头，这也会降低路由器外部端口的实际速率。 ( d ) 路由器具有多种形式的线路接口。采用6 个1 0 0 m b i t s 的快速以太网接口和4 个15 5 m b i u s 的 p a c k e t o v e rs d h 接口对交换结构一个端口的带宽进行复用。 ( 5 ) 路由器具有分组识别功能，所有的分组被分成8 个优先级。高优先级的数据优先通过交 换结构到达目的端口。当发生拥塞时，高优先级的数据被丢弃的概率最小。 ( 6 ) 路由器支持r i p 2 o s p f v 2 路由协议。 2 2 2 解决方案 从硬件构成上来看，整个路由器由四个部分组成：线路接e 1 卡，控制卡，交换卡和背板 总线。图2 j 给出了路由器的总体结构。 图2 1 路由器的总体结构 1 线路接口卡 线路接口卡负责接收和发送分组。线路接口卡根据接收到的分组的目的i p 地址查询路 由转发表，得到分组的输出端口：对分组进行识别操作，得到分组的优先级；将分组拆分成 定长的信元，送往交换结构：从交换结构接收定蚝的信元，将信元组装成分组然后将分组 送往物理线路。 9 主堕型堂垫查盔堂堡主兰堡垒塞 笙三兰銮垫茎堕宣矍堕垄型墨丝 2 控制卡 控制卡负责路由处理器与线路接口卡之间的通信。控制卡从交换结构接收到定长的信 元，将信元递交给路由处理器，同时实现的信元的重组；路由处理器上的软件负责运行路由 协议，维护路由表，生成和维护线路接口卡上的路由转发表：路由处理器还负责系统的管理， 维护路由器的正常工作：控制卡把路由处理器发送的分组拆分成定长的信元后送往交换结 构。 3 交换卡 交换卡上有一个8 8 的c r o s s b a r 型交换结构和一个仲裁器；仲裁器从各个线路接口卡 和控制卡上接收仲裁信息，对交换结构的连通情况做出仲裁：用仲裁结果配置交换结构；把 仲裁结果通知各个线路卡和控制卡。 4 背板总线 线路接口卡、控制卡和交换卡通过背板总线相连接。背板上的连线包括：数据线，调度 线，管理总线和时钟线。数据线把线路接口卡、控制卡和交换卡上的交换结构相连接：调 度线负责将线路接口卡和控制卡上队列的状态信息通知交换卡上的交换仲裁电路，交换仲 裁电路通过调度线将仲裁结果通知各个线路接口卡和控制卡；控制卡通过管理总线对各个 线路接口卡进行管理；线路接口卡、控制卡和交换卡通过背板上的时钟线获取正常工作所 需的时钟和电源。 2 3 交换式路由器的控制系统的设计要求 上一节中，我们介绍了自行设计的交换式路由器的总体结构，其中需要设计一块控制卡。 控制卡通过p c i 总线与路由处理器相连，路由处理器的功能由一台p c 机完成。控制卡和 p c 机构成了我们设计的交换式路由器的控制系统。图2 - 2 给出了路由器控制系统的总体结 构。 图2 - 2 路由器控制系统的总体结构 1 0 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章交换式路由器的控制系统 2 3 1 控制系统的硬件设计要求 控制卡的主要功能是在交换结构与p c 机之间形成一个接收和发送数据的通道。控制卡 把收到的数据通过p c i 总线送往p c 机由p c 机对数据进行处理；同时通过p c i 总线读取 p c 机要发送的数据，把数据送往交换结构。在接收和发送数据的过程中，要实现数据的存 储，队列管理，丢包控制等。另外控制卡还要负责系统的硬件配置，复位。 为了方便路由器的管理和维护，还必须提供串口和以太接口。以供用户配置和查询路由 器，这些接口由p c 机提供。 综上所述，我们设计的控制系统的硬件要完成如下功能： 1 与背板的接口 图2 - 3 给出了背板的结构。背板上的总线一共有4 种： ( 1 ) 数据总线。每个线路接口卡和控制卡有两对串行差分线与交换卡上的交换结构相连， 用来发送数据到交换结构以及从交换结构接收数据。线路上数据的传输速率为 i 2 5 g b s ，这组总线是点到点的。 ( 2 ) 时钟总线。每个信元时隙。每个线路接口卡或者控制卡向交换结构发送一个信元。这 要求每个线路接口卡和控制卡上的时钟要同步。我们把时钟源放在交换卡上，交换卡 将时钟通过背板上的时钟总线送往每个线路接口卡和控制卡，这组总线是点到点的。 ( 3 ) 调度总线。每个线路接口卡和控制卡通过调度总线将每个队列的状态信息通知交换卡 上的仲裁器；仲裁器通过调度总线将仲裁结果通知每个线路接口卡和控制卡。这组总 线是点到点的。 ( 4 ) 管理总线。控制卡通过管理总线维护和管理各个线路接口卡的正常工作，线路上数据 的传输速率不能超过2 0 m b i t s ，这组总线是共享总线。 控制卡必须按照背板、线路卡和交换卡的要求，提供这些总线接口。 倒2 - 3 背板的结构 2 与p c i 总线的接口 p c i 总线是先进的高性能局部总线，可同时支持多组外围设备。p c i 总线不受制于处理 器，为中央处理器及高速外围设备提供通信的桥梁。p c i 总线支持3 2 位数据传送、多总线 主控和线性突发方式，工作频率3 3 m h z ，其最高数据传输率为1 3 2 m b s 。 控制卡必须按照p c i 总线规范的要求，提供p c i 总线的接口。 、 ! 里型堂垫查盔堂堡主堂垡笙壅 薹三兰奎垫苎堕! 堂塑墼型墨! 丝 3 数据的存储，队列管理，丢包控制 在数据接收方向，控制卡与背板之间的线路传输速率为1 2 5 g b s ，但线路上采用了 8 b 1 0 b 编码实际的数据速率为i g b s 。控制卡与p c 机之间通过p c i 总线传输数据，p c i 总线的最高数据传输率略大于1 g b s ，但一个p c i 设备的实际传输带宽与其工作方式，如是 否有中断，是否支持d m a 方式，f i f o 是否足够深，其他p c i 设备争用总线是否频繁等有 密切关系，因此一个p c i 设备的实际传输速率达不到i g b s ，只有3 0 0 m b s 左右。由于速率 不匹配以及控制卡上数据处理的延时因此，在控制卡上要实现接收数据的存储，队列管理 和丢包控制。 在数据发送方向，由于我们采用输入缓存方式的交换结构，控制卡采用v o q ( v i r t u a l o u t p u tq u e u e ) 方式，需要为发送信元保存多个队列，我们采用共享存储器方式来存储多个 信元队列。因此，在控制卡上要实现发送数据的存储队列管理和丢包控制。 4 系统的硬件配置和复位 我们设计的路由器用f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ，现场可编程逻辑阵列) 实 现各种逻辑和接口设计，因此需要控制卡统一进行系统的f p g a 配置和复位。 5 系统管理接口 控制系统必须提供串口和以太接口供用户通过虚拟终端方式或者远程登录方式配置和 查询路由器，这些接口由p c 机提供。 2 3 2 控制系统的软件设计要求 控制系统的软件在p c 机上完成，采用l i n u x 作为操作系统。根据路由器系统的需要， 软件需要完成的功能主要有： ( 1 ) 设备驱动程序。p c 机通过p c i 总线与控制卡进行数据交互，因此需要控制卡的设备驱 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 动程序；各种类型的线路接口分别需要不同的网络设备驱动程序，以完成对各个线路接 口的配置、管理等驱动操作。 t c p i p 协议。路由器只支持l p 协议，软件要实现t c p i p ，u d p i p 协议。 p p p 协议。对p a c k e to v e rs d h 接口，软件要实现p p p 协议。 a r p 协议。对于各个以太网接口的a r p 请求，采用软件进行响应。线路卡上有a r p 表的备份，软件更新某个端口的a r p 时候，同时要更新线路卡上