一种多业务宽带接入网技术的实现

一种多业务宽带接入网技术的实现

1宽带接入网技术的发展阶段随着通信技术的发展，主要网络的带宽达到tbps的范围，并且仍在快速增长。然而，在接入网中，带宽的增长却相对缓慢，这对开展新的增值业务造成了限制。宽带接入概念由美国提出的信息高速公路计划引入，但直到目前为止，大多数接入网的带宽仍然无法提供诸如高清晰度互动式多媒体通信之类的服务。其主要原因是市场由资金驱动，必须找到一种价格和性能都可以接受的接入技术，才能使宽带接入网真正得到普及。在同一个通信网络里提供多业务服务，可以降低运营维护和网络铺设费用，并通过提供增值业务得到更大的收益。宽带接入网的发展不可能一蹴而就，目前看来很可能要经历以下三个阶段：第一个阶段是高速Internet接入，提供1Mbps左右的带宽（远大于普通Modem或ISDN），通过传统电话网络或者CATV网络提供，以低廉的价格吸引大量的使用者；第二个阶段是基本的视频、声音和数据融合接入，并在业务模式、QoS、安全、运行管理等方面积累经验；第三个阶段则是光纤入户（FTTH），提供几乎没有上限的带宽，可以支持包括高清晰度互动式多媒体通信在内的多业务目前，比较普及的宽带接入技术主要有利用话音质量三类线的ADSL、基于CATV网络的CableModem和以太网接入。ADSL技术的优点是可以使用普通电话线进行传输，节约了布线成本，并且传输距离较长，不足之处主要是带宽可扩展性差，而且对于电话线的质量有较高的要求。CableModem的优点是利用了现有的CATV网络，不足之处是带宽共享，可扩展性差。其它的接入技术如PON、ATM、电力线、固定无线等，或者成本过高，或者技术本身还不成熟，短期内都难以大规模应用。笔者认为，在目前比较成熟的接入技术中，以太网最具发展前途，主要原因是：以太网技术相对成熟，带宽在不断提高，为今后过渡到FTTH提供了方便；利用以太网技术进行数据传输最有效，它与TCP/IP协议配合非常好，而全IP包交换网络被认为是替代传统TDM电路交换网络的第一候选；以太网技术作为一种二层协议，很有可能在城域网中被采用（城域以太网联盟（MEF）正在进行这方面的标准化工作），接入网中采用以太网协议，消除了协议转换的开销，进一步提高了效率下文将介绍一种多业务宽带以太网接入交换机的设计和实现，按功能模块分述并讨论其中的难点和要点。2网络系统评估2.1技术保障：带宽及带宽的高效利用社区宽带综合业务接入系统该系统主要有以下需求：(1）端到端的QoS保证：要提供语音和视频服务，就必须考虑QoS问题。QoS指标主要有时延、时延抖动、丢包率等。如VoIP服务，能够接受的端到端时延应该不大于400ms，时延抖动应该不大于50ms。(2）带宽资源的有效利用：组播技术可以将一份数据同时发送给同组的多个成员，不需要端到端地向每个接收者发送拷贝，对于带宽占用较大的视频业务，使用组播技术可以有效地提高带宽利用效率。(3）可管理的组播：交换机需要通过控制信令和转发平面的配合实现可靠的组播业务，满足组播管理、认证及增值业务发展的需要，其中，组播源和组播用户的控制是实现可运营组播的重要条件。(4）网络安全：要实现用户的隔离，提高安全性。采用虚拟局域网（VLAN）技术将用户划分在不同的VLAN是一个比较好的解决方案。(5）网络管理：包括对网络设备的管理和对用户的管理。设备管理包括设备拓扑发现、设备故障和链路故障报警、设备统一配置等功能，用户管理主要指通过认证技术保证合法用户的正常业务，对用户的业务进行管理、计费等。(6）路由功能2.2交换矩阵体系结构影响交换系统性能的一个要素就是交换体系结构，为了满足系统设计要求，需要在体系结构选择上仔细考虑。目前，应用最为广泛的交换体系结构有：交换矩阵体系结构和共享存储体系结构交换矩阵体系结构，是一种纵横制的交叉开关网络，数据包通过输入端口进入交换矩阵中，根据转发规则和调度算法通过输出端口送出。如果数据包在通过交换矩阵的时候需要先进入交换矩阵的缓存区，则为缓存式交换矩阵体系结构，否则为仲裁式。共享存储体系结构以一个所有端口共用的公共存储空间作为包缓存，数据包通过输入端口进入公共包缓存区，然后根据转发规则和调度算法通过输出端口送出。共享存储体系结构的优点是在构成独立交换设备时非常简单，通常只需要单芯片，但是扩展性不如交换矩阵结构好，在构成机架式系统时会受到较多限制。交换矩阵体系结构优点是可扩展性好，可以灵活地构成多种冗余方案，但是如果用来构成独立交换设备，则需要几个芯片，成本较高。由于这两种结构各有优劣，因此，主流的交换芯片组通常采用两种体系结构相结合的方式。不同厂商的实现各具特点，功能细节也有所区别。3系统设计3.1全千里换机：全分散机式该文讨论的对象是位于社区宽带接入网最高层的全千兆多层交换机，采用1U独立式机箱、具有12个千兆端口的交换机，用于管理的串口和以太网口，并预留了10Gbps堆叠端口。3.2电气系统的性能特点根据需求分析，选择了Broadcom公司的StrataXGS系列交换芯片BCM5690(1）集成度高，功耗低，可靠性高。芯片集成度业界领先，采用．13微米工艺制造，集成了12个千兆以太网MAC和串行解串行器（SerDes）、一个用于上连的10G接口MAC和SerDes、以及1MB高速包缓存，具备了构成一个交换系统的大多数构件，因此被称为片上交换系统（Switch-on-Chip）。这样的高度集成性可以降低系统的成本，提高系统的可靠性。由于采用．13微米工艺且设计合理，最大功耗仅为4.65W。(2）功能比较强大。符合802.1Q标准，最多支持4096个VLAN；支持802.1s多生成树；每个端口有8个输出优先级队列，并有多种优先级调度机制，支持区分服务（DiffServ）机制；每个端口都具有线速的过滤引擎，支持2-7层的包头过滤；通过修改CoS或ToS字段，可以将包加入某个优先级队列，也可以将过滤出的包送到CPU进一步处理，每端口最多可监视128个不同的流。(3）性能可以满足需求。具有二层和三层线速交换能力，硬件支持三层组播。由于采用了共享存储结构，可以满足系统的组播吞吐要求，即某个端口以线速输入，其他所有端口以线速转发组播包。(4）可扩展性好。BCM5690属于Broadcom的StrataXGS芯片组。这组芯片中的背板芯片为带缓存的交换矩阵结构，交换芯片为共享存储结构，并且向下兼容Broadcom的StraraSwtich芯片组，具有很好的扩展性，可以在一个系统中最多集成6144个快速以太网端口、或1536个千兆以太网端口、或128个10G以太网端口。3.3pi桥接口电路设计根据需求分析，选择了Motorola公司的MPC824x(1）计算能力较强，功能集成度高，可靠性高。MPC824x是以32位超标量处理器核MPC603e为计算核心，并集成了内存管理单元，符合PCI2.2标准的PCI桥（支持32位/66MHz的PCI接口），以及中断控制器，I(2）低功耗。MPC8245处理器核的运行电压为2V，简化版MPC8241内核电压更低，为1.8V。以MPC8245为例，当PCI总线时钟、内存总线时钟和CPU主频分别为66/133/399MHz时，处理器核正常运行的功耗为2.8W,I/O部分最大功耗为1.28W。在动态电源管理情况下，处理器可以进入“Doze/Nap/Sleep”三种节能模式，功耗分别为1.9/0.7/0.4W。(3）外部接口较多，方便设计和调试。MPC824x集成的PCI桥可连接5个PCI设备；串口控制器可以连接两个串口；还有I4系统的资源配置和时钟模块根据系统设计，可以得到交换机的模块结构图，如图2所示。下面分别描述各模块的功能和模块之间的关系：交换模块和管理模块之间由于需要传送大量的数据包（4-7层包处理），所以采用32位/66MHz的PCI总线，理论带宽约为2Gbps，可以满足要求电源模块采用了Linear的LT1702A和国半的LM2636，这两款都是DC-DC开关降压变压器。LT1702A提供交换芯片核心所用的1.25V和2.5V,LM2636提供管理模块核心电压2.0V。采用开关变压器，具有较高的输出功率，更高的转换效率，并且芯片体积较小。配置模块主要由一块CPLD组成，系统选用了Lattice的ispMACH4128。它完成了系统的复位逻辑，管理模块的配置和交换模块的LED串行信号的解码。时钟模块提供66MHz的PCI时钟；为管理模块中的网卡提供25MHz参考时钟；为交换模块提供10G上连端口所需的156.25MHz时钟，千兆接口所需的25MHz时钟，以及BCM5690的127MHz核心时钟。时钟源采用了25MHz的石英晶体，通过ICS343可编程扩频时钟发生器，产生127MHz、25MHz和66MHz三种时钟。4.1基于4g/5g%背靠背式电路设计4gm5629交换模块是整个系统的核心功能模块，由于采用了集成度较高的交换芯片，因此，这个系统的结构比较简单，主要由交换控制芯片BCM5690，物理层芯片BCM5464S，以及接口模块组成，如图3所示，下面分别描述各部分的功能及互连。交换控制器BCM5690，完成二层和三层的包转发，并通过每个端口的流分类引擎对2-7层的包进行处理，可以将需要特殊处理的数据包传送给MPC8245。由于BCM5690内置了SerDes模块，可以通过SerDes接口的两对信号线（Tx±和Rx±）直接连接光收发器，无需外部的SerDes芯片，简化了系统结构，提高了可靠性。在该系统中，选择了SFF/SFP形式的千兆以太网收发器模块。这种光模块的物理尺寸还不到传统的GBIC或者1X9模块的一半；由于采用了更低的电压，功耗较低，可以背靠背排列以增大端口密度；还可以监控温度、供电电压、Tx输出功率、激光偏置和Rx输入功率等参数，对于高端的设备来说这些监控功能是必需的。BCM5690通过串行化千兆媒体无关接口（SGMII）接口与支持电接口的物理层芯片相连，SGMII与SerDes接口信号定义基本相同，区别只是在自协商信号的时序上有所区别。SGMII支持10/100/1000Mbps速度协商。与其他物理层接口相比，SGMII最大的优势就是信号线数量少。TBI需要28根，GMII需要25根，RGMII采用了DDR和控制信号复用的方式，将信号线减少到12根，而SGMII通过数据串行化和时钟恢复技术，将信号线减少到4根。MAC和物理层芯片之间的连线少，提高了端口设计的密度，消除了高速并行信号的同步问题。不过，信号线的数据速率比并行信号高很多，需要注意信号完整性问题。物理层芯片选用了Broadcom的4口千兆以太网物理层芯片BCM5464S。这款芯片采用0.13微米的工艺，封装面积很小，功耗较低，适合高密度的设计。BCM5464S的接口也很齐全，MAC接口有GMII、RGMII、TBI、RTBI、SGMII/SerDes，媒体接口有MDI和SerDes。它还支持SerDes直通模式（可以通过软件设置），即MAC接口和媒体接口都使用SerDes，这也是选择它的主要原因之一。该系统中，顶层交换机是通过光纤连接下一层交换机的，而与服务器则通过非屏蔽双绞线连接。为了降低成本，设计4个千兆电接口，必要时能灵活切换成光接口。采用BCM5464S的SGMII到MDI模式和SerDes直通模式，并在驱动程序中加入相应的代码，就可以实现光电切换功能。当然，也可以用电接口的SFP模块替换光接口的SFP模块实现光电切换，但是成本为上述设计的5倍左右。BCM5464S还提供了MIIM管理接口与BCM5690相连，通过这个接口实现管理信息的交互。BCM5690的上连端口采用了XAUI接口，在电气上符合10G以太网标准，但是控制协议采用了Broadcom私有的HiGig协议。这个接口由4组串行收发通道组成，每个通道的数据速率是2.5Gbps（信号速率为3.125GHz，采用8B/10B编码），整个接口的数据速率为10Gbps。为了满足高速率通信的要求，连接器和连接线采用符合Infiniband标准的MicroGiga4X。4.2系统的fpga与pb管理模块以MPC8245为中心构成，其上运行着实时操作系统，负责整个系统的配置和管理。管理部分还包括一个千兆以太网管理端口和一个RS-232串口，MPC8245运行所需的存储系统和实时时钟，以及符合IEEE1149.1的JTAG调试接口。管理模块的结构如图4所示。存储系统包括内存和Flash。由于MPC8245集成了内存控制器，所以不需要外接北桥芯片。根据实时操作系统的需求，至少要有64MB内存，而且为了保证性能，需要采用64位数据宽度。考虑系统设计的简化，希望用最少数量的内存芯片。根据内存芯片的市场流行程度，采用4片16位宽32MB的内存颗粒，需要连接15条地址线和64条数据线。MPC8245内置了DLL电路，采用延迟回环的方式来同步内存时钟，只要保证延迟回环和各条内存时钟线的传输延迟都相等，就可以保证内存时钟的同步。系统采用了1U机箱设计，而且需要保证很高的可靠性，因此不适合采用磁盘，采用Flash比较合适。Flash有两种类型，NOR型和NAND型，NOR的特点为相对电压低、随机读取快、功耗低、稳定性高；而NAND则容量大、回写速度快、芯片面积小，价格相对较低。在系统中使用Flash目的是存放启动代码、操作系统内核代码和文件系统，并且需要片内执行，对于容量的需求不大，但是对于速度要求较高，因此选用NOR型Flash。为了方便软件开发，提高操作系统的可移植性，设计了启动Flash和文件Flash。启动Flash容量只有512KB，用来存储操作系统无关的系统启动代码，相当于PC中的BIOS。启动代码包括系统设备的初始化，Flash的烧写等功能，还可以加入内存读写测试等调试功能，这样可以在操作系统启动之前对系统设备进行必要的测试操作。文件Flash容量有16MB，一部分用来存放操作系统内核压缩包，剩余的空间作为文件系统，存放交换模块的驱动程序、管理界面文件、日志文件和用户文件等。MPC8245的ROM空间分为基本空间和扩展空间，基本空间共16MB，由两个片选信号RCS0和RCS1分别控制8MB空间；而扩展空间最大支持256MB，分配给两