基于VxWorks的T比特路由器2.5GPOS接口板設計

1. 引言
作為因特網(wǎng)的樞紐，路由器正在朝速度更快、服務(wù)質(zhì)量更好和更易于綜合化管理的三個(gè)方向發(fā)展?，F在芯片速度每18個(gè)月翻一翻，而因特網(wǎng)的流量是每六個(gè)月翻一翻。大家對路由器的研究也重點(diǎn)體現在提高路由器的處理速度上，相續提出了千兆位交換路由器（GSR，Gigabit Switch Router）和太位交換路由器（TSR，Terabit Switch Router）。

隨著(zhù)IP的核心地位逐漸被認同，IP over ATM、然后ATM over SDH的方式被IP直接over SDH的方式取代。傳輸速度也很快從OC-12 ( 622Mbps ) 跳到OC-48 ( 2.5Gbps )。POS技術(shù)已經(jīng)廣泛用于骨干網(wǎng)中，而POS接口成為高端路由器必不可少的一部分。

我所研制的T比特路由器，系統總吞吐率可達1.28Tbps，峰值交換能力為2.4Tbps，而每端口可達到10G的轉發(fā)速率。為達到10G的轉發(fā)速率，本路由器采用了4路2.5GPOS接口。文章在第二節描述了2.5GPOS接口的硬件體系結構的設計和性能需求分析，在第三節詳細闡述了軟件體系結構的設計與實(shí)現。

2. 硬件總體結構設計
本路由器硬件體系結構由線(xiàn)路接口子系統、轉發(fā)處理子系統、光背板交換網(wǎng)絡(luò )子系統和內部通信子系統四大部分組成。當接口收到數據包后，首先判斷該包的目的地址是否為本路由器，是則上交給單板軟件并由內部通信子系統交給主控處理；否則填充內部包頭，注明包類(lèi)型，協(xié)議類(lèi)型，目的機架號，端口號，接口號等信息，由同軸電纜交給轉發(fā)處理子系統，再由光背板轉發(fā)到目的接口。接口把轉發(fā)送過(guò)來(lái)的包和本路由器發(fā)出的包，進(jìn)行和路處理后再發(fā)送出去。

2.1 性能需求分析
1）根據以往路由器的經(jīng)驗，通常硬件FPGA 中的高速通道工作在2.5Gbps速率下比較穩定。就A口輸入數據速率10Gbps來(lái)說(shuō)，4個(gè)2.5Gbps的高速通道就可以將數據傳到轉發(fā)處理模塊。但是，線(xiàn)路接口模塊的功能實(shí)現要求：數據包在經(jīng)過(guò)線(xiàn)路接口輸入處理模塊的處理后要加上128 bit即16個(gè)byte的內部標簽?？紤]極限情況，A口收到的都是40 byte的超短包，那么，B口輸出的數據的極限速率為：[10Gbps（40 byte＋16 byte）]/40 byte＝14Gbps。所以，我們設計采用兩路2.5Gbps的高速通道來(lái)傳A口接收的10Gbps數據中的四分之一即2.5Gbps數據到轉發(fā)處理模塊。那么，B口的最大輸出速率為2.5Gbps8＝20Gbps，完全滿(mǎn)足B口傳輸帶寬要求。

2）在均勻輸入業(yè)務(wù)模型和平衡輸出模型條件下，假定定長(cháng)分組業(yè)務(wù)強度λ為0.95，為了控制分組的丟失概率小于10－8，可計算所需要的輸出隊列分組緩沖容量S約為650個(gè)分組。統計意義上IP分組的平均長(cháng)度為508字節?？紤]到內部分組標簽附加的24字節，平均需要緩沖的IP分組字節數為532字節 總緩沖容量為6505328=2766400（Bits），即近似為2.8MBits的緩沖容量。

3）本子系統的接口速度要達到10Gbps，如果每個(gè)包都是40字節，那么這時(shí)極限查表速率為：


對于輸入查表模塊的另一個(gè)指標為表項容量。按照極限容量來(lái)算，T比特路由器有8個(gè)機架，每個(gè)機架8個(gè)端口，每個(gè)端口8個(gè)接口，每個(gè)接口的IPv4單播組播、IPv6單播組播地址總計有64個(gè)。那么極限表項容量為8*8*8*64＝32768（32k）條。達到這兩個(gè)設計指標是本模塊設計的一個(gè)難點(diǎn)。最終，我們選擇了一款CAM，有64K條表項，查表速率能夠達到100MSPS。這樣的指標完全可以達到本模塊的要求。

2.2 子系統功能劃分和模塊設計
如下圖所示，4 2.5G線(xiàn)路接口子系統可劃分為光電及串并轉換模塊、鏈路層處理模塊、輸出FPGA處理模塊、輸入FPGA處理模塊、協(xié)議報文上交緩存模塊、輸入查表模塊和時(shí)鐘處理模塊。為描述方便，將本子系統和路由器外部的接口稱(chēng)為A口，和轉發(fā)處理子系統的接口稱(chēng)為B口，和光背板子系統的接口稱(chēng)為G口，和單板處理機的接口稱(chēng)為F口，和時(shí)鐘子系統的接口稱(chēng)為J口。

從路由器外部接收數據時(shí)，光電及串并轉換模塊負責從A口接收4路2.5Gbit/s串行光信號，轉換成16路差分622Mhz電信號；送由鏈路層處理模塊進(jìn)行鏈路層處理。鏈路層處理模塊從SDH幀提取出ppp報文，然后交給輸入FPGA處理模塊。輸入FPGA處理模塊針對輸入包的類(lèi)型，對輸入查表模塊存儲的本機IP地址表查表，進(jìn)行分路處理，若此報文的目的為本路由器則上交主控，否則轉發(fā)到B口。輸出FPGA處理模塊負責接收主控下發(fā)協(xié)議包和從系統光背板轉發(fā)G口數據包，合路后交給鏈路層處理模塊。鏈路層處理模塊把和路后的ppp報文封裝在SDH幀中，由光電及串并轉換模塊轉換成光信號發(fā)送出去。時(shí)鐘處理模塊為本模塊提供全局時(shí)鐘和將本模塊從線(xiàn)路上提取的時(shí)鐘輸出到時(shí)鐘板。

3. 軟件總體結構設計與實(shí)現
MPC860是基于PowerPC結構的通信控制器。它不僅是集成的微處理器，而且將很多外設的功能也集成在一起。MPC860具有存儲控制器，其存儲控制器的功能很強，可以支持各種存儲器，包括各種新型的DRAM和Flash，并可以實(shí)現與存儲器的無(wú)縫接口。

由美國風(fēng)河公司（Wind River）推出的嵌入式強實(shí)時(shí)操作系統VxWorks因用于火星登陸車(chē)而名噪一時(shí)。VxWorks是一套具有微內核，高性能，可伸縮的操作系統，支持廣泛的網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議，并能夠根據用戶(hù)的需求組合，增減。再加上其優(yōu)秀的開(kāi)發(fā)環(huán)境Tornado，使其成了嵌入式操作系統的首選。選擇MPC860加上嵌入式強實(shí)時(shí)操作系統VxWorks完全可以買(mǎi)足單板處理的性能需求。

上圖展示了單板軟件總體結構。單板操作系統是采用VxWorks，單板處理器是采用MPC860。路由器有不同種類(lèi)的線(xiàn)路接口板，每種接口板都需要完成許多相同的功能，可把這些相同的功能放在一個(gè)單獨的模塊中實(shí)現，減少冗余勞動(dòng)。板級支撐模塊為單板應用提供與主控軟件之間的通信、任務(wù)管理、內存管理和定時(shí)器管理等服務(wù)；而單板應用為線(xiàn)路接口單板軟件模塊，完成單板轉發(fā)處理。

單板軟件主要完成的功能有：對各類(lèi)型單板硬件的初始化和配置，接收并處理主控下發(fā)的單板控制命令，完成軟硬件程序加載，以太網(wǎng)接口板運行IPv4 ARP協(xié)議，維護并向主控通告ARP信息，協(xié)議數據（源/目地址為本路由器的分組）收發(fā)，維護路由器接口地址信息，差錯報文處理、記錄報文上報，業(yè)務(wù)性能統計數據收集與上報，維護單板與主控板間的通信連接。

按照這些功能，把單板軟件分為初始化模塊，主控命令處理模塊，接口芯片監控和業(yè)務(wù)性能統計模塊，消息分發(fā)模塊，包發(fā)送模塊，報接收模塊，自檢模塊，CAM表維護模塊，工具函數模塊。正常運行時(shí)建立四個(gè)任務(wù)：主控處理任務(wù)，統計任務(wù)，發(fā)包任務(wù)，收包任務(wù)。

其數據處理流程如右圖：?jiǎn)伟逵布邮盏奖韭酚善靼?，?xiě)入輸入FIFO，收包任務(wù)讀出包，封裝在定義的內部數據結構中，調用板級支撐模塊中的發(fā)送函數發(fā)給主控；主控下發(fā)的包則由消息分發(fā)模塊處理，協(xié)議包交給發(fā)包任務(wù)，再寫(xiě)入輸出FIFO，然后發(fā)送出去，控制包則交主控處理模塊處理，完成向對應的功能。

由于本接口需要達到10G的速率，各任務(wù)之間必須有穩定和高速交互機制。VxWorks操作系統為任務(wù)間通信提供了許多通信方式，包括共享內存，信號量，消息隊列和管道，Sockets和遠程調用等。消息隊列允許長(cháng)度可變，數目可變的消息隊列，可以滿(mǎn)足多任務(wù)之間通信。VxWorks的Wind內核可采用基于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調度與輪轉調度相結合，因此一定要設置好各任務(wù)的優(yōu)先級，如內存任務(wù)的優(yōu)先級就必須高于主控處理任務(wù)，主控處理任務(wù)必須高于收發(fā)包的任務(wù)。而對相同優(yōu)先級的任務(wù)必須預先設置各任務(wù)的執行時(shí)間，否則第一個(gè)獲得CPU 的任務(wù)就會(huì )獨占，阻礙別的人物運行?？傊?，在軟件設計中一定要充分了解VxWorks的工作機制，否則不但不能設計出效益高的程序，反而會(huì )阻礙VxWorks的有效運行。

4. 結束語(yǔ)
高速增長(cháng)的網(wǎng)絡(luò )和互聯(lián)網(wǎng)通訊量對現有的網(wǎng)絡(luò )基礎結構提出了更高的需求，也刺激了高性能網(wǎng)絡(luò )連接的發(fā)展。本文簡(jiǎn)要介紹了吞吐率高達1.28T比特的高性能路由器，并研究了其2.5GPOS接口的實(shí)現技術(shù)，首先可以深入對POS技術(shù)在實(shí)現和應用上的研究，其次可以豐富路由器的接口功能，增加路由器接口的靈活性，增強路由器的兼容性，以便更為廣泛的利用網(wǎng)絡(luò )資源，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )體系和架構的演進(jìn)，為高性能路由器的研制和后續開(kāi)發(fā)提供可借鑒的技術(shù)思路。

參考文獻：
[1]　楊德貴等，網(wǎng)絡(luò )與寬度IP技術(shù) 中國電力出版社，2002，11.
[2]　薛宏熙 邊計年 蘇明 數字系統設計自動(dòng)化 清華大學(xué)出版社 1996，10.
[3] 周啟平 張楊 吳瓊 VxWorks 開(kāi)發(fā)指南與Tornado實(shí)用手冊 中國電力出版社 2004，10
[4] 周啟平 VxWorks 下設備驅動(dòng)程序及BSP開(kāi)發(fā)指南 中國電力出版社 2004，8
[5] 孔祥營(yíng) 柏桂枝 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統VxWorks 及其開(kāi)發(fā)環(huán)境Tornado 中國電力出版社 2002，1