（计算机软件与理论专业论文）社区宽带网楼道交换机的设计与实现.pdf

茎堕童堕堕垡鲎窒墼垫盟丝盐皇塞堡 塑墨一 摘要 r fi n t e r n e t 的飞速发展对宽带接入网的技术和宽带圈终建落起到了极大促进 作用。“宽带网络”的概念深入人心，其支持的主要业务，如：视频点播，网络 会议，远程教学等等吸引着广大用户。目前，宽带网络的接入方式有：以太网( 光 纤一双绞线一交换机) 、a d s l 、c a b l em o d e m ( h f c ) 、宽带无线等。在众多的宽带 接入方式中，以太网接入显示出了巨大的潜力，已逐步成为宽带接入的主流。这 是因为，以太网技术成熟，产品标准化程度高；光纤在以太网上的应用，使传输 距离加长；无须协议转换，和终端可以无缝连接；以太网带宽高，上下行对称， 升级潜力大；适合中国国情。从2 0 0 0 年初丌始，我国的各大城市掀起了社区宽 带网建设热潮，这些社区宽带网大都采用以太网的接入方式。但是，在现有通用 以太网交换机中，还没有一款能够完全满足社区宽带网运行的需要。这给社区宽 带网的管理、运行和维护带来很大的困难。 ， 本项目设计的社区宽带网楼道交换机可以在定程度上满足社区宽带网运 行的要求，它为社区宽带网的管理、运行和维护提供了一款低价位、高性能的楼 道交换机。 本文首先对社区宽带网和以太网技术进行分析，然后着重阐述了社区宽带网 楼道交换机的功能、硬件结构和软件的设计与实现。楼道交换机开发过程中涉及 的主要工作包括：可管理的快速以太网交换机的硬件设计；参考s n m p 自定义本 交换机的社区网络管理协议( c n m p ) ：交换机芯片驱动及应用程序接口的实现； 交换机管理软件的a g e n t 部分的编制；系统调试测试。 楼道交换机是一种快速以太网交换机，其交换芯片选择a l 2 1 6 ，并通过单片 机8 0 5 1 来实现与专用网络管理模块的连接，网络管理模块则以m p c 8 6 0 t 为核心； 网络管理软件的a g e n t 部分用c 语言编制。该交换机支持i o m i o o m 自动协商， 半双工和全双工模式，实现了无阻塞全线速交换，支持流量控制，错帧和广播、 多播帧的过滤，支持基于端口的v l a n 。具备的网络管理功能有：设备的基本信 息设置和收集；端口状态的设置和显示；基于端口的v l a n 设置：m a c 地址表的 管理；软件的远程下载升级等。 该交换机已经在国内某著名宽带运营商的宽带网上稳定运行。y 关键词：社区宽带网，交换机，c n m p ，快速以太网 、，一 l t h ec o m m u n i t yb r o a d b a n dn e t w o r kc o r r i d o rs w i t c 地! ! 塑塑! 塑竺! 1 1 竺塑! 垒! ! ! 翌! ! a b s t r a c t i n t e r n e t d e v e l o p s a t v e r y f a s t s p e e d ，i t a c c e l e r a t et h eb r o a d b a n dn e t w o r k t e c h n o l o g ya n d b r o a d b a n dn e t w o r kc o n s t r u c t t h ec o n c e p t i o no f “b r o a d b a n d ”i sm o r e a n dm o r ep o p u l a r t h es e r v e s s u c ha sv i d e o - o n - d e m a n d ，n e tm e e t i n ga n dd i s t a n c e t e a c h i n gh a sas t r o n ga p p e a lt op e o p l e a tp r e s e n t t h e r e a r ed i f f e r e n tm o d e so f b r o a d b a n da c c e s s ：e t h e r n e t ，a d s l ，c a b l em o d e m ( h f c ) a n dw i r e l e s sb r o a d b a n d i n s u c hm a n yw a y so fb r o a d b a n da c c e s s ，t h ee t h e r n e ta p p e a r sh u g ep o t e n t i a l ；i th a s b e c o m et h em a l n s t r e a mo fb r o a d b a n da c c e s s i ti s b y r e a s o no ft h ee t h e r n e t t e c h n o l o g yp r o g r e s s i v e l ym a t u r e s ，e t h e r n e tp r o d u c t i o nh a sah i g h l ys t a n d a r d i z a t i o n ， t h ef i b e r s a p p l i c a t i o nl e n g t h e nt h et r a n s m i td i s t a n c e ，n e e dn o tc o n v e r tp r o t o c o l s ； e t h e m e th a sw i d eb a n da n di t s t e c h n o l o g y h a s g r e a tu p g r a d ep o t e n t i a l s ，s u i tt h e s i t u a t i o no fc h i n a ，e t c a tt h eb e g i n n i n go f2 0 0 0 ，i nm a n yb i gc i t i e so fc h i n a ，t h e c o r r f f n u n i t yb r o a d b a n d n e t w o r kw e r ec o n s t r u c t e dv e r yf a s t 刀把s eb r o a d b a n dn e t w o r k s a r em o s t l ya d o p t i n ge t h e r u e ta c c e s sm o d e b u tt h e r ea r e s o m et r o u b l e si nc o m m u n i t y b r o a d b a n dn e t w o r k sm a n a g e m e n t ，o p e r a t i o na n di 1 3 a i n t e n a r l c e ，b e c a u s eh a v en o ta n y t y p es w i t c h c a n c o m p l e t e l ym e e t t h en e e d so f c o m m u n i t y b r o a d b a n dn e t w o r k t h e s p e c i a l c o r r i d o rs w i t c h 一t h a t d e s i g n e db y o u r g r o u p c a nm e e tt h e c o m m u n i t yb r o a d b a n dn e t w o r k sn e e di nac e r t a i ne x t e n t i ti sal o wc o s ta n dh i g h p e r f o r m a n c e s w i t c bf o r t h e c o m m u n i t y b r o a d b a n dn e t w o r k s m a n a g e m e n t ， o p e r a t i o na n d m a i n t e n a n c e i nt h i sp a p e r , f i r s t l ya n a l y s e st h et e c h n o l o g yo fc o m m u n i t yb r o a d b a n dn e t w o r k a n de t l l e r n e t t h e n e x p a t i a t e t h e s p e c i a l c o r r i d o rs w i t c h e r sf u n c t i o n s h a r d w a r e s t r u c t u r e ，s o f t w a r ed e s i g na n dr e a l i z a t i o n i nt h ec o u r s eo fs p e c i a ls w i t c h - d e s i g n ，t h e m a i nr e s e a r c hj n c l u d e s ：a d m i n i s t r a b l ef a s te t h e m e ts w i t c hh a r d w a r e d e s i g n r e f e r r i n g t o s n m p , s e l f - d e f i n e t h e c o m m u n i t yn e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c o l ( c n m p ) ，t h es w i t c h i n gc h i p sd r i v e ra n da p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c er e a l i z a t i o n ， m a n a g e m e n t s o f t w a r ea g e n td e s i g n ，s y s t e m a t i ct e s t t h es p e c i a lc o r r i d o rs w i t c hi saf a s te t h e r n e ts w i t c h ：t h es w i t c h i n gc h i pi s a l 216 幽a tj sc o n n e c t e dt ot h em a n a g e m e n td e v i c et h r o u g ht h e8 0 51s c m 丁h e m a n a g e m e n t d e v i c ec o r ei sm p c 8 6 0t t h e m a n a g e m e n t s o t t w a r e a g e n t i s p r o g r a m m e db ycl a n g u a g e t h es w i t c hs u p p o r t s 10 m 1 0 0 ma u t o m a t i cn e g o t i a t e ， h a l f - d u p l e xa n df u l l - d u p l e xm o d eo p e r a t i o n s ，l i n es w i t c h i n g ，f l o wc o n t r o l ，a d d r e s s l e a r n i n g ，a n dp o r t b a s e dv l a l q ，e t c t h en e t w o r km a n a g e m e n tf u n c t i o n sa r ev a r i e d s u c ha sm o n i t o r i n ga n d s e n i n g t h eb a s i ci n f o r m a t i o no ft h ed e v i c e ，d i s p l a ya n d s e t t i n g t h e p o r ts t a t e s ，c o n f i g u r et h ep o r t - b a s e dv l a n ，s u p e r v i s em a ca d d r e s s ，r e m o t e s o f t w a r eu p g r a d i n ga n ds oo n 1 1 1 i ss p e c i a ls w i t c h e rh a sr u ns t e a d i l yf o ral o n gt i m e o l lo n ef a m o u sb r o a d b a n dn e t w o r k k e yw o r d s ：c o m m u n i t yb r o a d b a n dn e t w o r k ，s w i t c h e r , c n m p , f a s te t h e r n e t 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 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 获得电子科技大学或其它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 说明并表示谢意 签名：生塾日期：3 0 0 2 - 年争月，占日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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， 允许论文被查阅和借阅本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：生丝 导师签名； e l 期：2 0 0 2 - 年年月7 9e l 第一章前言 1 1 项目背景 第一章前言 现代社会对信息的需求越来越大，互联网对信息社会变得越来越重要，同时， 由于近年来微电子技术、计算机技术的迅猛发展，使得因特网上由简单的传送数 据文件到普遍提供实时视频、音频及动画、广告等其他娱乐服务，从而使因特网 上数据量大增。目前，大部分人上网都是靠调制解调器拨号接入，接入速率比较 低，常常会有一个比较长的等待时间，尤其是浏览视频、图片等服务时，人们常 常戏称w w w ( w o r l dw i d ew e b ) 世界范围浏览为世界范围等候( w o r l dw i d ew a i t ) 。 要改善目前的状况，除了要增加因特网骨干传输通路的带宽、网上服务器的处理 能力以及路由器的速度以外，很重要的瓶颈是在用户接入网部分。目前电信公司 已敷设下去的几亿铜缆电话线原来只是用于传送3 3 k h z 的话音，尽管现在采用 了新的数字处理技术和特大规模集成电路，使调制解调器的传输速率达到目前的 3 3 k b p s 以及单向速率5 6k b p s ，仍然满足不了用户的需要。因而，宽带这个新东 西就这样进入了我们的生活。 i n t e r n e t 业务的飞速发展对宽带接入网的技术发展和网络建设起到了极大 的促进作用。经过2 0 世纪9 0 年代整整1 0 年的发展，当前宽带接入技术可以用 百花齐放来形容。基于铜线的有a d s l 、v d s l 、i d s l 、s d s ( 各种数字用户线技术) 等；基于光纤的有各种有源光接入和无源光接入等；基于无线的有l m d s ( 本地 多点分配业务) 等各种固定无线接入技术。另外，还有基于h f c ( 混合光纤同轴 电缆网) 的c a b l em o d e m ( 电缆调制解调器) 技术。这些接入技术各有特点，在 宽带接入市场中均有自己的发展空间。有适合用来解决普通住宅用户的宽带接入 的，也有适合企事业用户的宽带接入的；有适合固定网络资源充足的传统电信运 营商使用的，还有适合没有固定网络资源的新兴运营商使用的。这些技术都有一 个共同的特点，那就是设备比较昂贵，协议相对复杂。 近年来，电信运营商和设备制造商都在寻找一种廉价而又简单的宽带接入技 术，使广大电信用户尽早进入信息高速公路。现在看来，目前最能满足这种要求 的技术就是以太网接入技术。以太网技术发展到今天，特别是交换式以太网设备 和全双工以太网技术的发展，使得人们将以太网技术应用到公用的网络环境成为 可能。所谓以太网接入技术，就是把以前用在局域网中的以太网技术用于公用电 信网的接入网中，来解决用户的宽带接入。目前的以太网接入可以为用户提供 1 0 1 0 0 m b i t s 的宽带接入能力。但是，在现有的通用以太网交换机中，还没有 第一章前言 多少能够完全满足社区宽带网运行的需要。这给社区宽带网的管理、运行和维护 带来很大的困难。宽带运营商们迫切需要一种能满足社区宽带网运行需要的以太 网交换机。 本项目的目标是设计开发出满足采用以太网方式接入的社区宽带网运行和 维护要求，低价位、高性能的社区宽带网楼道交换机。社区宽带网楼道交换机在 本文的后续各章节中将简称为楼道交换机。 1 2 为什么是以太网 以太网技术是2 0 世纪7 0 年代出现的一种局域网技术，也是目前应用最广泛 的一种局域网技术。据统计，现有局域网的7 0 以上是基于以太网协议的。以 太网技术出现在公用电信网的接入网中是1 9 9 8 年以后的事情。尤其在1 9 9 9 年和 2 0 0 0 年，我国通过以太网接入的用户数迅速增长。据不完全统计，目前我国通 过以太网接入的用户数己达到1 0 0 万户以上，这些用户主要是住宅用户和中小型 企事业用户。以太网接入在我国的发展速度远快于世界上其它国家，市场规模也 远大于世界上其它国家。可以说，以太网接入是一种具有中国特色的宽带接入技 术。 1 2 1 宽带接入技术的比较 现阶段在城市宽带网中解决“最后一公里”问题的主流宽带接入技术是基 于铜线的x d s l 、基于同轴电缆的h f c 和基于光纤的e t h e r n e l 、f t t x 三种接入技 术。a d s l 接入与h f c 接入的共同特点是利用已经有的网络基础设施和用户群。 但它们共同的缺点是带宽进一步扩展能力有限，从发展看都将被宽带1 p 网一l a ；q 接入网取代。 表1 1e g h e r n e t 、h f c 、a d s l 综合比较 项目 e t h e r n e th f ca d s l 上行频带1 0 m ( 独享)1 0 m ( 约5 0 0 用户共享) 6 4 - 6 4 0 k 下行频带1 0 m ( 独享)3 8 m ( 约5 0 0 用户共享) 1 5 8 m 最高速度1 0 0 0 m 以上 3 0 0 m 方式光纤到楼网线到户光纤到小区同轴缆到户普通电话双绞线到户 质量高较高较高 安装方便不方便方便 维修方便不方便不方便 技术数字宽带技术模拟宽带技术非对称数字技术 稳定性稳定随电视节目多少而波动较稳定 建设成本( 元 8 0 0 一1 0 0 01 8 0 0 2 5 0 02 0 0 0 2 5 0 0 户) 蔓= 兰塑童 1 2 2 以太网接入的突出特点 技术成熟、成本低、结构简单、稳定性和可扩充性好、网络易于升级等特性 是大家看好e t h e r n e t 的重要原因。 1 频带宽，扩展性强 目前，只有五类线的方案可以为家庭送去l o 1 0 0 l d 的带宽，将来还可以迸 一步发展，五类线更能适应未来的发展需要。 2 价格便宜 以太网的建设成本低，平均每户在不到1 0 0 0 元，且它拥有的带宽却是a d s l 和t t f c 的几倍或者几十倍。以前，人们的思路集中在对现有网络的改造上面，但 通过实践发现：铺设新网络的费用同样能够为用户接受。由于以太网协议在局域 网中占统治地位，目前世界上已经有个巨大而又成熟的以太网设备市场。而其 它宽带接入设备的市场规模远不如以太网设备。组成以太网的设备如以太网卡、 h u b ( 集线器) 、以太网交换机等，技术非常成熟，可以由中小型企业研发和生产。 目前，一个i o i o o m 的以太网卡市场零售价也就几十元人民币，而一个a d s l m o d e m 的零售价一般在1 0 0 0 元人民币左右，一个c a b l em o d e m 的零售价为1 5 0 0 2 0 0 0 元人民币。可见以太网接入用户端设备成本也低于其它宽带接入用户端设备成本 一个数量级以上。 3 宽带网络发展的技术趋势是“端到端”的以太网 以太网最早用于局域网，后来由于交换以太网的出现，以太网从城域网应用 发展到了广域网应用，如果接入网也采用以太网将形成从局域网、接入网、城域 网到广域网全部是以太网的结构。采用与i p 一致的统一的以太网帧结构，各网 之间无缝连接，中间不需要任何格式转换，这将可以提高运行效率、方便管理、 降低成本。这种结构可以提供端到端的连接，根据与用户签订的服务协议s l a ， 保证服务质量q o s 。 4 技术成熟 以太网是项被广泛使用的成熟技术，随着互联网的快速发展，以太网被大 量使用，目前全世界有6 亿个以太网端口。随着快速以太网、吉位以太网g b e 的 成熟和万兆以太网i o g b e ( 1 0 0 b s ) 的出现，以及低成本在光纤上直接架构g b e 和 i o g b e 网技术的成熟，以太网开始进入城域网( 姒n ) 和广域网( w a n ) 领域。目 前，g b e ( i o g b e ) 已经成为宽带i p 城域网的首选方案，2 0 0 2 年l o g b e 标准完成后， 将被广泛用于m a n 和w a n 。与此同时，以太网接入网也得到快速发展和广泛重视。 2 0 0 1 年初，i e e e 成立了8 0 2 3 e f 】l ! i 工作组( e f m 是指“以太网第一里”，即以太 网接入网) ，发展制定以太网接入网标准。光宽带i p 城域网与l a n 直接接入配合， 无疑将成为最有前途的宽带i p 接入网之一。 第一章前言 随着交换式集线器代替共享式集线器、第三层交换技术、虚拟局域网( v l a n ) 技术( 基于交换机端口的v l a n 、基于节点m a c 地址的v l a n 和基于应用协议的 v l a n ) 的广泛采用，以太网已逐渐具备高度的信息安全性、电信级的网络可靠性 以及强大的网管功能，并且能保证用户的接入带宽，这些都是原有的以太网技术 根本做不到的。从这一点上说，基于以太网技术的宽带接入网完全可以应用在公 网环境中，为用户提供稳定可靠的宽带接入服务。 5 最适合国情、网情 以太网尤其适合于中国城市人口密度大、用户居住环境集中的国情。鉴于我 国社区居民住宅楼主要是公寓型的现状，决定了f t t b 及光纤到大楼、双绞线到 家的布线方案和以太网的技术方案能够以低成本实施建设，尤其对于新建小区， 采用综合布线构建以太网将比h f c 、a d s l 优势更加明显。 在宽带接入方面，中国和美国走了一条不同的路。在北美，家庭的宽带接入 一般采用a d s l 或有线电视网络c a b l em o d e m 方式，很少采用构建以太网的方式， 因为那里的住宅般较分散，以太网方式成本较高。 6 未来三网融合将直接融合到以太网上来 随着互联网的发展和快速普及，三网融合已经开始其历史进程。以太网的接 入可以达到l o 1 0 0 m 。这样，电话、电视、数据都可以在上面跑，以太网接入 方式已经把未来三网融合的基础控制住了，我们最终会看到，原本充斥着各种技 术和协议的通信网络( 传统的电话网、有线电视网) 最终都会汇聚到纯i p 网络 之中。 1 3 采用以太网接入方式的宽带网络的参考结构 宽带网络在城市范围可划分为三级结构：即用户接入层、汇聚层和核心层。 采用以太网方式接入的宽带网结构如图卜1 所示： 1 甩户接入层 可以概括为“光缆到楼，双绞线入户”，主要解决用户接入的“最后一公里” 问题。用户接入采用以太网方式。接入网络可划分为楼宇接入网b a n 、小区接入 网z a n 。其中楼宇接入网由b a n 交换设备和传送系统构成；小区接入网由z a n 交 换设备、应用服务器和网管系统构成。b a n 设备通常采用二层以太网交换机，下 行采用1 0 m 电接口，充分保证多媒体应用的需要。上行采用1 0 0 m 光纤接口，保 证较远的传输距离，并为以后的带宽升级留有余地。传送系统主要是用于连接所 有的b a n 设备的上行链路，并提供向汇接层的l g 的上行链路。每个z a n 设备的 覆盖范围为半径5 0 0 m 1 0 0 0 m 的区域，5 - 1 5 幢多层住宅楼，连接5 0 0 - 7 0 0 用户。 网管系统负责z a n 交换机和z a n 交换机下接的所有b a n 设备的管理，连接城市的 蔓= 兰垫宣一 网管中心。 2 汇聚层 汇聚层汇聚从接入层来的上行链路，并提供到核心层的连接，连接带宽 1 g 一2 5 g 。物理链路采用环型、网状等结构。在汇聚层建立智能磁盘控制器i d c ， 对社区用户提供服务。 3 核心层 核心层内部各节点可采用i g i o g 带宽互连，物理链路可采用环型、网状等 结构。提供与c h i n a n e t 等的出口，在核心层建立城域网的数据中心及网管中心。 圈l - ! 采用以太网方式接入的宽带网系统结构 第二章以太网和以太两交换机技术 第二章以太网和以太网交换机技术 以太网已经出现了大约2 5 年，今天的以太网已不是局域网( l a i n ) 的一种 类型，它业已成为局域网的事实上的标准。随着骨干网向着以i p 业务为主的网 络结构优化，接入网也必将向着同样的方向发展。由于以太网的帧格式和i p 数 据包是一+ 致的，使用以太网传输i p 数据业务时没有任何数据格式转换问题。同 时交换式以太网解决了早期以太网简单的共享传输介质使用效率低的问题，消除 了防止侦听造成的距离限制。随着快速以太网、吉位以太网的出现，将传输速率 提高到1 0 0 m b p s 、1 0 b p s 。而光纤传输技术的进步使得在标准单模光纤上吉位以 太网不用中续器的传输距离达到1 0 0 k m 以上。并且以太网是发展成熟的、基于 标准的、性能价格比优秀的产品，得到业界几乎所有的经销商的支持。以上各方 面决定了以太网必将成为高速网络接入的一种压倒性技术。 2 1 以太网技术原理 以太网技术是基于c s m a c d ( 载波监听多路存取冲突监测存取) 协议和数 据包的局域网技术。c s m a c d 协议用于判断任何一个以太网节点是否被允许在共 享介质上发送数据。以太网基于0 s i 的模型，i e e e s 0 2 3 系列标准对应于以太网 技术。图2 1 为0 s i 与i e e e 参考模型之间的相互关系。 o s i7 层模型 应用层 裹示层一 会话层一 俸输层一 网络层 链路层一 物理层一 i e e e 9 0 2 3c s m a c d m 模型 逻辑链路控制层l l 介质存取控制层m a c 物理信号层p l s , - “) 【物理介燃6 景刚脚1 l 1 介肌 h o s t i p = n u l l p s s 一 h o s t p o r t = 0 ： p s s 一 l o c a l p o r t = 0 ： p s s 一 p d u = ( s t r u c tc n m p - p d u $ ) m a l l o c ( s i z e o f ( s t r u c tc n m p _ p d u ) ) ： 返回值：0接收到合法数据，一l 失败 2 i t i ts e n d n e t w o r k ( s t r u e ts e s s i o n * p s s ) ： 功能：发送数据到网络 参数：p s s 中存放要发送的数据 返回值：0接收到合法数据，一1 失败 5 5 3 控制命令集 a g e n t 要实现的对交换机的管理，从命令类型上可分为p o r t ( 端口命令) 、 v l a n ( 虚拟局域网命令) 、d e v i c e ( 设备命令) 和s y s t e m ( 系统命令) 。每一种 命令中又包括多种不同的具体操作，这些不同的具体操作的集合就构成了本系统 的控制命令集。 控制命令集在本系统中的作用相当重要，它完全定义了对交换机所能实现的 网络管理的全部操作和具体实现形式，贯穿在整个控制过程的实现中。例如，当 a g e n t 收到以太网控制命令包后，从c n m p p d u 结构中解析出一条或多条指令。 每一条指令由命令字和命令值组成，该命令字就是控制命令集中的一种。a g e n t 再把该指令发给控制单片机，接收控制的结果并返回给网络控制中心。 本系统中，命令字分为四种类型：p ，d ，v ，s 。p 代表对p o r t 即对端口的 操作命令，d 代表对d e v i c e 的操作命令，v 是对v l a n 的操作命令，s 是对s y s t e m 的操作命令。其中，p ，v 是3 2 位定长命令，且包含了操作数；d 为不定长结构。 所有的命令字从左到右都按照高字节到低字节的顺序排列。 1 v l a n 命令字 v l a n 命令字的各比特位代表的含义见图5 3 ： 第五章软件的设计与实现 f3 1 一f3 0 f2 9 2 8 ，f2 7 p2 6 02 5 02 4 - 一 2 3 2 2 02 l 2 0 p1 9 p1 8 _ 1 7 j 1 6 一i 3 卜2 9 ( 3 位)2 8 | 2 7 2 4 ( 4 位) 2 32 2 1 6 ( 7 位) ，i 一一，一愚怕 ， 、 il vv 叵匹王五日互匝正卫工1 丑! 巨臣卫亚t 1 5 ：0 ( 1 6 位) 全0 该虚拟网成员表 图5 - 3v l a n 命令字各位所代表的含义 2 ) 结构描述： i 部分3 位长，系统保留位，全1 。 i i 部分1 位长，读写标志。0 是读，l 是写。 i i i 部分4 位长，p ，d ，v 选择编码段，采用1 6 进制编码。d e v i c e l ，p o r t - 一2 ， v l a n 一一3 ，s y s t e m 一4 。 部分1 位长，虚拟网其它属性虚拟网编号标志位。0 代表虚拟网其它属性， 1 代表虚拟网编号。 v 部分7 位长，虚拟网其它属性类别编号值虚拟网编号值，采用1 6 进制编 码。目前，虚拟网其它属性类别值只有虚拟网总数项，其值为1 。 部分1 6 位长，分两种情况。其一是当查询虚拟网总数一项时，本部分全 部置o ；当对某虚拟网成员进行操作时，则是该虚拟网成员表信息。所有在陔虚 拟网中的成员，其相应位要置l ，否则置位0 。比如，端口l ，3 ，5 是虚拟网8 的成员，则段编码是0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 l ，相应的1 6 进制为o x 0 0 1 5 。 最后，所有的命令部分按照从高位到低位的顺排列起来。例如，将该交换机 的端口1 ，3 ，5 设置为虚拟网8 ，其2 进制编码为： 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 】0 l o l ，其1 6 进制编码为：o x l 3 8 8 0 0 1 5 2 p o r t 命令字 1 ) p o r t 命令字的各比特位代表的含义见图5 4 3 1 p 3 0 02 9 02 8 - 。2 7 2 6 , - 2 5 -2 4 ，2 3 +2 2 ，2 l d2 0 p1 9 p1 8 -1 7 1 6 ，i 3 卜2 9 ( 3 位) 2 82 7 - 2 4 ( 4 位)2 3 1 6 ( 8 位) 一 保留位 r 巾p d v s 选端口号一 i j1 5 1 4 01 3 01 2 + t1 1 p1 0 p9 t ，8 + 7 6 +5 4 3 t 2 +1 十0 + v 图5 - 4p o r t 命令字各位所代表的含义 v i 第五章软件的设计与实现 2 ) 结构描述： i 部分3 位长，系统保留位。 i i 部分i 位长，读写标志。0 是读，1 是写。 1 1 1 部分4 位长，p ，d ，v ，s 选择编码段，采用1 6 进制编码。d e v i c e 一1 ，p o r t 一2 v l a n - 一3 ，s y s t e m 一一4 。 部分8 位长，端口的1 6 进制编号，本系统的范围从l 到1 6 。 v 部分8 位长，该端口属性类别编号。 部分8 位长，该属性的数值。 3 d e v i c e 命令字 1 ) d e v i c e 命令字的各比特位代表的含义见图5 5 ： f 3 1 3 0 ， 2 9 一i 2 8 2 7 。i2 6 ，2 5 p2 4 2 3 一2 2 r2 1 2 0 * 一1 9 “1 8 f1 7 + - 1 6 i 3 1 - 2 9 ( 3 位) i2 82 7 - 2 4 ( 4 位)2 3 1 6 ( 8 位) ，一 ； 保留位r wp d y s 选拇 ： 设备属性类别编号一 i 图5 - 5d e v i c e 命令字各位所代表的含义 2 ) 结构描述： i 部分3 位长，系统保留位。 i i 部分i 位长，读写标志。0 是读，j 是写。 i i i 部分4 位长，p ，d ，v 选择编码段，采用1 6 进制编码。d e v i c e - 一l ，p o r t 一- 2 ， v l a n 一一3 s y s t e m - 一4 。 部分8 位长，器件属性类别的1 6 进制编号。 v 部分1 6 位长，系统保留位。 本类型属于命令中不带参数，且不定长的命令类型。它的参数由直接跟随在 本命令后的一个结构提供。 4 s y s t e m 命令字的定义 s y s t e m 命令字的各比特位代表的含义见图5 - 6 ： 第五章软件的设计与实现 i 3 1 ，3 0 ，2 9 ，2 8 r2 7 。l2 6 ，2 5 02 z j ，2 3 一，2 2 02 1 ，2 0 t ，1 9 ，1 8 p1 7 1 6 。 3 1 2 9 ( 3 位) | 2 8 自7 2 4 ( 4 位) 2 3 1 6 ( 8 位) + lj ii imi v 1 5 - 0 ( z s 位)全0 ( 系统保留) v 图5 - 6s y s t e m 命令字的各比特位代表的含义 5 5 4 p o w e r p c 8 6 0 串口通信特点及应用 p o w e r p c 8 6 0 集成了三个独立的r s 2 3 2 串口，从而同时控制三台以太网交换 机。v x w o r k s 提供了全面封装的r s 2 3 2 接口，可以简单、高效的同时实现对多个 串口操作，并提供挂起等候、超时跳出等多种高级特性，方便了对串口的使用。 在本系统中，由于每种指令在单片机中执行花费的时间不一致，且相差很大。 比如对简单的端口开启或关断操作，仅需要几十个毫秒就可以完成。而进行m a c 地址的操作则相当占用时间，可长达2 0 秒。指令执行时间相差如此之大，合理 安排串口通信的时间特性就非常必要。 a g e n t 必须保持不问断在线工作状念，并且能抗拒定的外界干扰和内部错 误，即要具备一定的系统稳健性。普通的串口通信采用死等的机制，可以较满意 的完成通信工作。而在a g e n t 系统中，则要加入超时跳出机制。例如，当前一个 指令在串口通信中出错后，若接收方因等不到对方的应答信息而进行死等的话， 就会出现操作指令和应答信息不匹配的错误，或者是新指令的堆积导致堆栈溢 出。 v x w o r k s 中，串口超时跳出机制的实现过程大概如下： 首先定义一个f d s e t 结构的变量，比如： s t r u c tf ds e ts f d s e t ； 然后，用如下的语句： f d z e r o ( s f d s e t ) ： f d s e t( s p o r t s ，s f d s e t ) ： 先后置位s f d s e t ，再把系统分配给该串口的文件描述号s p o r t s 添入s f d s e t 中。最后，利用s e l e c t 机制，可以实现对陔串口的超时通信控制。s e l e c t 函数 的用法如下语句所示： i ( is t i m e o u t = s e l e c t ( f ds e t s i z e ，n u l l ，s f d s e t i s p o r t _ n u m ，n u l l ，& f r 5 1 t o u t ) 0 ) ) 止常通信时的代码 第五章软件的设计与实现 f i ) z e r o ( s f d s e t ) ： f d s e t ( s p o r t s ，s f d s e t ) ： 卓重新设置超时机制 $ 发生超时后的代码 p o w e r p c 8 6 0 和单片机串口之间通信的基本单位是一个8 位长度的字符。而 命令字是3 2 位的长度：命令值则以字符串的形式，长度从0 到2 5 6 不等。所以， 在通信过程中，a g e n t 首先把3 2 位长的命令字按照4 个字符，依次发送给单片 机，接着再发送字符串形式的命令值。单片机执行的结果也是以字符的形式返回， a g e n t 根据不同类型指令有不同的返回结果，再把接收到的结果字符串重装成 r e c v b u f f s t r u c t 类型的结果变量，等待网络发送任务的处理。 55 5a g e n t 中的多任务 v x w o r k s 为抢先式多任务操作系统，支持时间片轮循任务调度。其中每一个 任务都有个以大于零的数字表示的优先级，数字越小，优先级越高。优先级高的 任务可以抢占低优先级任务的资源，等到高优先级任务执行完毕后，再释放资源 让低优先级任务执行。多个任务也可以具有相同的优先级，这种情况下，相同优 先级任务占用相同的时间片循环执行。 a g e n t 一共生成了最小五个到最多七个任务在运行，分别是一到三个( 分别 对应到三台交换机) 串口连接任务，一个网络接收任务，一个指令操作任务， 一个网络发送任务和一个空任务。 串口连接任务的优先权最高，是因为当串口通信不成功时，交换机没法收到 a g e n t 解析得到的控制指令，而使网络管理失败。串口连接任务有两个作用：在 a g e n t 和交换机初始化完成后，进行两者的自动连接：当a g e n t 和交换机串口通 信出错后，可以通过特定的控制指令，让两者恢复连接。 a g e n t 可以控制一到三台交换机，所以对应各种情况，分别生成了一到三个 任务。建立串口连接的流程如下图5 7 所示。 第五章软件的设汁与实现 图5 7 建立串口连接的沉程 网络接收任务的优先权仅次于串口连接任务，为1 3 5 。网络连接任务在完成 初始化之后，生成一个s o c k e t 并绑定之。随后，该任务执行一个f o r e v e r 循坏， 将接收到的p d u 包进行处理。当收到合法的控制指令后，将指令填写到 r e c v b u f f s t r u c t 结构类型的一个变量数组，即指令缓存中，并释放 r e s d o n s e i n s e m i d ，唤醒指令操作任务进行处理。其工作流程为： r e c e f r o m m a n a g e r ( v o i d ) 声明并初始化变鼙 if ( ( s f d = s o c k e t ( a fi n e t ，s o c k d c - r a ) , t ，0 ) ) = e r r o r ) 生成s o c k e t p e r r o r ( ”s o c k e ti n r e c v n e t w o r k ”) ： r e t u r n ( e r r o r ) ： e ls e p r i n t f ( ”d ”，s f d ) ： i f ( b i n d ( s f d ，( s t r u c ts o c k a d d r ) & a g e n t a d d r ，s o c k a d d r s i z e ) 2 e r r o r ) + 绑定s o c k e t * f p e r r o r ( ”b i n d ”) ： c l o s e ( s f d ) ： r e t u r n ( e r r o r ) ： f o r e v e r i f ( r e e v f r o m ( s f d ( c h a r ) p a c k e t ，p a c k e t _ l e n g t h ，0 ， ( s t r u c ts o c k a d d r ) g u n a n a g e r a d d r ，& s o c k a d d r s i z e ) 5 2e r r o r ) 1 p e r r o r ( ”r e c v f r o m ”) ： c l o s e ( s f d ) ： r e t u r n ( e r r o r ) ： 1 进行接收处理 j = p s s 一 p d u 一 c o m m n u m ； j 是本结构中指令的个数 w h i l e