基于網(wǎng)絡(luò )處理器的彈性分組環(huán)接入實(shí)現

1 引言

城域網(wǎng)存在的主要問(wèn)題是帶寬和QoS的問(wèn)題，隨著(zhù)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)技術(shù)的長(cháng)足發(fā)展，城域網(wǎng)已成為整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò )中的瓶頸。基于TDM的傳統SDH城域網(wǎng)已不能很好滿(mǎn)足日益增長(cháng)的業(yè)務(wù)需求，近年來(lái)，提出了主要面向城域網(wǎng)的彈性分組環(huán)技術(shù)，并由IEEE 802.17工作組完成了標準化工作，于2004年6月24日發(fā)布了802.17-2004標準[1]。彈性分組環(huán)是一種基于雙環(huán)拓撲的技術(shù)，能夠在兩條單向環(huán)路上沿相反方向傳輸數據。它結合了以太網(wǎng)的經(jīng)濟性、靈活性和SDH的高帶寬效率及可靠性，利用空間重用、統計復用和環(huán)路保護來(lái)提高帶寬利用率和保證用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量。

網(wǎng)絡(luò )處理器是經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設計和高度優(yōu)化來(lái)完成各種網(wǎng)絡(luò )功能的專(zhuān)用指令處理器，又是軟件可編程的芯片，表現出高效的并行處理能力和適應性。其中，IXP1200是Intel公司推出的網(wǎng)絡(luò )處理器產(chǎn)品，它以?xún)?yōu)異的性能被廣泛應用于通信網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域。文獻[2]探討了基于IXP1200的路由器技術(shù)，文獻[3]則詳細介紹了IXP1200中的微引擎設計方法?？梢?jiàn)，由于硬件的高效性和軟件的可擴展性，利用IXP1200網(wǎng)絡(luò )處理器來(lái)實(shí)現彈性分組環(huán)的接入是一種可行而有效的方案。

2 網(wǎng)絡(luò )處理器介紹

網(wǎng)絡(luò )處理器一般由一個(gè)核心處理器和若干個(gè)智能協(xié)處理器組成，并發(fā)同步完成數據包的處理。同時(shí)還集成了一些專(zhuān)用硬件處理單元，如CRC校驗、Hash單元等，在處理線(xiàn)速上已經(jīng)達到并超過(guò)10Gbps。它兼顧了GPP的靈活性和ASIC的執行效率，為從第2層到第7層的多種應用提供了良好的支持。

IXP1200網(wǎng)絡(luò )處理器是Intel公司推出的第一代成熟網(wǎng)絡(luò )處理器[4]，它集成了1個(gè)StrongARM核以及6個(gè)獨立的32位RISC微引擎，再加上硬件的多線(xiàn)程支持，可以實(shí)現高速的數據處理。其中，StrongARM核最高的工作頻率為232MHz，用于管理和控制任務(wù)，如地址學(xué)習、路由表的維護以及網(wǎng)絡(luò )管理等。微引擎則工作于數據層面，用于實(shí)現數據分組的分類(lèi)、處理和轉發(fā)等功能。每個(gè)微引擎支持4個(gè)線(xiàn)程，單個(gè)時(shí)鐘周期即可完成算術(shù)邏輯運算和移位操作，實(shí)現零開(kāi)銷(xiāo)的上下文切換，這些性能使得6個(gè)微引擎在1秒鐘內能夠轉發(fā)高達300萬(wàn)個(gè)第3層數據分組。

IXP1200還提供了豐富的外部接口單元，其中SRAM單元和SDRAM單元提供了連接存儲芯片的接口，最大數據吞吐率分別達到464Mbps和928Mbps；PCI單元為外部主處理器和MAC設備等提供了32位PCI 2.2總線(xiàn)，最大數據吞吐率達到264Mbps；FBI單元為外部MAC設備提供了高速的IX總線(xiàn)，用于實(shí)現各種網(wǎng)絡(luò )的接入功能，最大數據吞吐率達到6.6Gbps。

3 彈性分組環(huán)的接入實(shí)現方案

彈性分組環(huán)具有雙環(huán)拓撲結構，包括兩條沿相反方向傳輸數據的單向環(huán)，分別稱(chēng)之為環(huán)路0和環(huán)路1。圖1顯示了彈性分組環(huán)的站點(diǎn)結構。

按照802.17-2004標準，彈性分組環(huán)包括四個(gè)層面，由下至上分別為：物理層與物理層適配子層、MAC數據通路子層、MAC控制子層和MAC客戶(hù)子層[1]。其中，彈性分組環(huán)的接入在MAC客戶(hù)子層完成。設計的彈性分組環(huán)接入平臺功能主要包括：

（1）對來(lái)自以太網(wǎng)的業(yè)務(wù)數據，若目的地址為以太網(wǎng)則直接轉發(fā)出去；若目的地址為彈性分組環(huán)網(wǎng)，則對以太網(wǎng)包進(jìn)行深度處理，完成RPR幀格式封裝，對各種不同的業(yè)務(wù)數據進(jìn)行優(yōu)先級分類(lèi)，并轉發(fā)到彈性分組環(huán)接口等。

（2）對來(lái)自彈性分組環(huán)的業(yè)務(wù)數據進(jìn)行判別，丟棄重新接入環(huán)路的業(yè)務(wù)數據，對轉發(fā)到以太網(wǎng)的業(yè)務(wù)數據進(jìn)行處理，轉換為以太網(wǎng)幀轉發(fā)出去。

（3）完成地址學(xué)習、地址映射、路由表維護、業(yè)務(wù)調度和流量管理等。

圖1 彈性分組環(huán)站點(diǎn)結構圖

圖2 基于IXP1200的彈性分組環(huán)接入平臺硬件結構

3.1 硬件設計

利用IXP1200網(wǎng)絡(luò )處理器設計的彈性分組環(huán)接入平臺硬件結構如圖2所示。

接入平臺主要設計了以下幾個(gè)單元：

（1）網(wǎng)絡(luò )處理器單元：包括1塊IXP1200網(wǎng)絡(luò )處理器，作為整個(gè)接入平臺的核心處理部分，主要完成數據幀格式的轉換、CRC校驗、數據轉發(fā)、地址學(xué)習、路由表建立和維護、業(yè)務(wù)調度以及流量管理等功能。

（2）以太網(wǎng)接口單元：包括1塊以太網(wǎng)MAC層芯片IXF440和1塊以太網(wǎng)收發(fā)器LXT9763，并通過(guò)變壓器連接到4路以太網(wǎng)接口。

（3）彈性分組環(huán)接口單元：通過(guò)FPGA完成IX總線(xiàn)到彈性分組環(huán)POS接口的轉換，提供兩路POS接口，分別接入彈性分組環(huán)網(wǎng)的環(huán)路0和環(huán)路1。

（4）調試接口單元：包括1個(gè)RJ45網(wǎng)口和1個(gè)RS232串口。IXP1200的PCI單元通過(guò)82559ER芯片完成PCI到以太網(wǎng)接口的轉換，并通過(guò)變壓器連接到網(wǎng)口；UART單元通過(guò)變壓器連接到串口。網(wǎng)口和串口用于接入平臺的調試，在調試完成后可以當作普通通信口使用。

（5）存儲器單元：包括128M字節的SDRAM 、8M字節的SRAM和8M字節的FLASH。其中SDRAM主要用于存儲應用代碼、大型數據結構和路由表；SRAM主要用于存儲路由表索引和暫存數據；而FLASH主要用于存儲系統引導代碼。

3.2 軟件設計

接入平臺的軟件設計主要包括IXP1200內部StrongARM核及微引擎的軟件設計和基于FPGA實(shí)現的IX Bus/POS接口轉換設計兩部分。

3.2.1 StrongARM核和微引擎的軟件開(kāi)發(fā)

IXP1200網(wǎng)絡(luò )處理器是一塊軟件可編程的芯片，內部的StrongARM核和微引擎都有獨立的軟件系統，分別完成控制層面和數據層面的功能。其軟件體系結構如圖3所示。

StrongARM核的軟件結構包括操作系統、板極支持包、驅動(dòng)和網(wǎng)絡(luò )應用等模塊。操作系統采用VxWorks，它是專(zhuān)門(mén)為實(shí)時(shí)嵌入式系統設計開(kāi)發(fā)的操作系統軟件，為用戶(hù)提供了高效的實(shí)時(shí)任務(wù)調度、中斷管理和豐富的系統資源、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議等。板極支持包用于完成硬件初始化。驅動(dòng)模塊包括微引擎、IX總線(xiàn)以及其它I/O接口的驅動(dòng)程序。通信模塊通過(guò)共享內存和消息隊列等方式完成StrongARM核和微引擎之間的通信。網(wǎng)絡(luò )應用模塊則完成路由表管理、異常數據包處理、公平控制和拓撲保護等。StrongARM核的軟件開(kāi)發(fā)主要用與VxWorks配套的集成開(kāi)發(fā)軟件Tornado完成[5]。

微引擎的開(kāi)發(fā)則采用Intel專(zhuān)門(mén)設計的開(kāi)發(fā)平臺Developer Workbench，既可以進(jìn)行硬件調試，也可以進(jìn)行軟件仿真[6]。IXP1200中，6個(gè)微引擎共同完成數據層面的功能。其中微引擎0和微引擎1分別接受來(lái)自以太網(wǎng)和彈性分組環(huán)的數據，完成數據的分類(lèi)和初步處理；微引擎2和微引擎3分別對來(lái)自以太網(wǎng)和彈性分組環(huán)的數據進(jìn)行深度處理，完成CRC校驗和幀格式轉換；微引擎4進(jìn)行隊列調度和流量管理；微引擎5讀取調度線(xiàn)程分配的任務(wù)將數據包發(fā)送出去。

圖3 IXP1200的軟件體系結構

圖4 IX Bus/POS接口轉換實(shí)現的結構框圖

3.2.2 IX Bus/POS接口轉換實(shí)現

IXP1200對外部網(wǎng)絡(luò )設備提供了IX總線(xiàn)接口，通過(guò)接口轉換設計，能夠使其應用到有線(xiàn)通信、無(wú)線(xiàn)基站通信和以太網(wǎng)通信等多個(gè)領(lǐng)域。由于這些電路最終都通過(guò)IX總線(xiàn)和IXP1200連接，因此不會(huì )對系統的軟件結構產(chǎn)生影響。靈活的接口轉換設計可以大大擴展IXP1200的應用范圍?；贔PGA芯片的設計實(shí)現了IX總線(xiàn)到POS接口的轉換，其中POS接口采用了POS-PHY Level 2協(xié)議。設計的結構框圖如圖4所示。

在接口轉換中，依據其功能將其劃分成為接收模塊和發(fā)送模塊。定義從POS接口到IX總線(xiàn)的數據傳輸路徑為接收路徑，而從IX總線(xiàn)到POS接口的數據傳輸路徑為發(fā)送路徑。

接收路徑又分為數據通道和控制通道。數據通道主要負責數據的發(fā)送和復用等操作，接收來(lái)自POS接口的數據，進(jìn)行奇偶校驗和數位轉換并存入接收數據緩存器RDFIFO，再發(fā)送到IX總線(xiàn)?？刂仆ǖ乐饕山邮諣顟B(tài)機來(lái)完成數據收發(fā)的時(shí)序控制。另外還要根據包頭、包尾等包指示信息、包長(cháng)計算結果和奇偶校驗結果生成標簽存入接收標簽緩存器RTFIFO中，在數據向IX總線(xiàn)發(fā)送時(shí)，根據包長(cháng)確定接收數據緩存器的讀出字節數，并同時(shí)恢復出相應的包指示和錯誤指示信息。

發(fā)送路徑類(lèi)似于接收路徑，分為數據通道和控制通道。數據通道中，將IX總線(xiàn)的數據送入發(fā)送數據緩存器TDFIFO，然后根據目的端口向相應的POS接口發(fā)送，并產(chǎn)生POS接口的奇偶校驗信號。而控制通道在由發(fā)送狀態(tài)機完成數據收發(fā)的時(shí)序控制之外，同樣生成標簽信息送入發(fā)送標簽緩存器TTFIFO，控制數據的轉發(fā)，并且恢復相關(guān)的指示信息。

設計具有以下特點(diǎn)：

（1）64位IX 總線(xiàn)分為兩組32位總線(xiàn)：一組為發(fā)送路徑，一組為接收路徑。兩組路徑有獨立的端口選擇和驅動(dòng)時(shí)鐘，可以完全獨立地工作。

（2）每個(gè)端口有2個(gè)25632bit的數據FIFO：一個(gè)用于存儲發(fā)送數據，一個(gè)用于存儲接收數據。由于定義的數據單元大小為64Bytes，所以每個(gè)數據FIFO可以容納16個(gè)數據單元。

（3）每個(gè)端口有2個(gè)1611bit的標簽FIFO：一個(gè)用于存儲發(fā)送標簽，一個(gè)用于存儲接收標簽。每個(gè)標簽對應一個(gè)數據單元。

（4）具有易擴展性，目前支持2個(gè)端口，根據應用的變化，稍微修改程序即可增加支持的端口數。

（5）支持POS-PHY Level 2協(xié)議，采用單物理層包級傳輸模式，根據應用可以擴展到多物理層支持和其它傳輸模式。

4 結論

提出了一種基于IXP1200網(wǎng)絡(luò )處理器的彈性分組環(huán)接入方案，便捷地實(shí)現了以太網(wǎng)和彈性分組環(huán)之間的數據幀格式轉換和接口轉換功能。

本文的創(chuàng )新點(diǎn)為在彈性分組環(huán)的接入平臺中使用了IXP1200網(wǎng)絡(luò )處理器，并通過(guò)軟硬件設計實(shí)現了其接入功能。IXP1200網(wǎng)絡(luò )處理器的硬件高效性保證了高速的數據處理能力，而軟件可編程性可以大大縮減從研發(fā)到進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間周期，并提供良好的擴展性能。本設計中，支持4路以太網(wǎng)接口和2路POS接口，通過(guò)StrongARM和微引擎的軟件開(kāi)發(fā)，以及IX總線(xiàn)接口轉換程序的設計，可以實(shí)現更多路數據以及更多類(lèi)型網(wǎng)絡(luò )的接入。

參考文獻

[1] IEEE 802.17 Resilient Packet Ring Working Group. http://www.ieee802.org/17/
[2] 劉建華,王勇. 基于網(wǎng)絡(luò )處理器的可編程路由器技術(shù)研究. 微計算機信息, 2005,21(10-2):p51~53
[3] 管文建,薛質(zhì). 網(wǎng)絡(luò )處理器中微引擎設計. 微計算機信息, 2005,21(11-3):p137~139
[4] IXP1200 Datasheet. http://www.intel.com
[5]王學(xué)龍. 嵌入式VxWorks系統開(kāi)發(fā)與應用. 北京: 人民郵電出版社, 2003
[6]石晶林,程勝,孫江明. 網(wǎng)絡(luò )處理器原理、設計與應用. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2003