核心交換機嵌入式重啟裝置研究與設計

交換機是局域網(wǎng)中用來(lái)交換、傳輸數據信息的樞紐，其工作狀態(tài)的好壞直接關(guān)聯(lián)著(zhù)局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸穩定性。特別是作為整個(gè)局域網(wǎng)中心的核心交換機，一旦出現問(wèn)題，則意味著(zhù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )癱瘓。因此，保障核心交換機的穩定運行是網(wǎng)絡(luò )管理的一項重要工作。

實(shí)踐表明，核心交換機出現硬件故障的概率極少，但交換機在長(cháng)時(shí)間工作過(guò)程中，很容易出現一些軟件故障，如死機、緩存溢出、交換機端口“假死”等情況，解決這類(lèi)問(wèn)題的簡(jiǎn)單方法就是重啟機器。所以重啟交換機是網(wǎng)絡(luò )管理員經(jīng)常做的工作。而管理員的辦公地點(diǎn)有時(shí)距離交換機很遠，而且很多核心交換機沒(méi)有開(kāi)關(guān)，只能通過(guò)拔插電源的方法進(jìn)行重啟，這種方法對機器會(huì )造成不良影響。通過(guò)超級終端與交換機連接,用命令進(jìn)行重啟，也不太方便。

雖然遠程監控已很普遍，但遠程監控基于網(wǎng)絡(luò )和交換機端口，一旦網(wǎng)絡(luò )堵塞或交換機死機就無(wú)法實(shí)現信息的監測和控制。而基于SNMP的嵌入式重啟裝置可以解決這一問(wèn)題，它不需人工干預，便可在特殊情況下自動(dòng)實(shí)現對交換機的重啟工作。

1 設計思路

所設計的嵌入式系統應具備：RJ-45口和RS-232接口，RJ-45口與交換機的一個(gè)Ethernet口相連，通過(guò)SNMP協(xié)議獲取交換機管理對象庫MIB信息[1]，檢測交換機是否正常；RS-232接口與交換機的Console口相連，通過(guò)帶外管理方式實(shí)現異常情況下對交換機重啟功能。

2 硬件實(shí)現

嵌入式裝置的硬件結構框圖如圖1所示。

2.1微處理器選擇

傳統的8位/16位微控制器由于速度慢、功耗大，并且實(shí)現網(wǎng)絡(luò )協(xié)議困難，已越來(lái)越不能滿(mǎn)足高速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò )管理需要，隨著(zhù)ARM(Advanced RISC Machine)RISC處理器的不斷成熟和嵌入式Linux的不斷完善,ARM+Linux嵌入式解決方案日益流行,因此，本系統微處理器選用ARM920T。ARM920T具有5級指令流水線(xiàn),采用哈佛結構，具有16/32位RISC體系結構和ARM指令集，處理速度為1．1 MIPS/MHz,內置MMU、獨立的16 KB數據Cache、16 KB指令Cache和高速AMBA(Advanced Microcon-troller Bus Architecture)總線(xiàn)接口等功能[2]。

2.2 網(wǎng)卡接口設計

該系統需要連接交換機以太網(wǎng)端口，通過(guò)SNMP協(xié)議獲取交換機管理對象庫MIB信息。系統采用DAVICOM公司的DM9000AEP作為以太網(wǎng)MAC控制器與處理接口。該器件具有10 Mb/s和100 Mb/s的自適應物理層收發(fā)器，支持802．3x全雙工控制流標準，具有4 KB的雙字SRAM，可以減輕CPU的負擔，因此使系統更穩定，處理和傳輸數據速度更快。RJ-45插座采用HanRun公司的內置網(wǎng)絡(luò )變壓器、狀態(tài)顯示燈和電阻網(wǎng)絡(luò )的HR911105A，具有信號耦合、電氣隔離、阻抗匹配、抑制干擾等優(yōu)點(diǎn)。

ARM920T網(wǎng)絡(luò )接口設計電路如圖2所示。DM9000AEP芯片的SD0~SD15為16根數據線(xiàn),與ARM920T數據線(xiàn)相連；命令選擇引腳CMD為高電平，訪(fǎng)問(wèn)數據端口，CMD為低電平,訪(fǎng)問(wèn)地址端口；IOR#為讀信號引腳，與ARM920T的讀信號LnOE引腳相連；IOW#為寫(xiě)信號引腳，與ARM920T的寫(xiě)信號LnWE引腳相連；CS#為片選信號，與ARM920T的片選信號nGCS3引腳相連;INT為中斷請求信號，高電平有效，與ARM920T的IRQ-LAN相連；發(fā)送端TX+、TX-和接收端RX+、RX-分別連接到HR911105A的發(fā)送端和接收端。

2.3 串口接口設計

該系統用帶外管理方式對交換機實(shí)現重啟操作，需要RS-232接口與交換機Console口相連。ARM920T本身就具有串行通信接口，只需將TTL電平轉化為RS-232電平即可。Sipex公司的SP3232芯片可以實(shí)現這一功能,而且SP3232芯片所需的供電電壓低，適合嵌入式系統應用，其外圍電路連接簡(jiǎn)單，僅需幾個(gè)0.1 μF的電容即可。串口接口設計如圖3所示。圖3中TXD表示接收數據，RXD表示發(fā)送數據，RTS表示請求發(fā)送，CTS表示清除發(fā)送。當RTS請求發(fā)送數據時(shí)，需經(jīng)CTS信號檢測，只有CTS信號允許才能發(fā)送數據。

2.4 存儲器設計

　存儲器由SDRAM和Flash構成。SDRAM存儲器用來(lái)存放操作系統(從Flash解壓縮拷入)以及存放各類(lèi)動(dòng)態(tài)數據。設計中系統采用SAMSUNG公司的K4S561632，容量為32 MB。用2片K4S561632實(shí)現位擴展，使數據總線(xiàn)寬度達到32 bit，總容量達到64 MB,將其地址空間映射在A(yíng)RM920T的bank6;Flash存儲器有NOR和NAND兩種,用來(lái)存放Linux引導加載程序(BootLoader)。NOR Flash的特點(diǎn)是芯片內執行(Execute In Place)，即程序可直接在Flash閃存內運行，不必把代碼讀到系統RAM中。NOR Flash的傳輸效率很高，在1~4 MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，但是很低的寫(xiě)入和擦除速度大大影響了它的性能。NAND Flash結構能提供極高的單元密度，可以達到高存儲密度，并且寫(xiě)入和擦除的速度也很快，應用NAND Flash的困難在于Flash的管理和需要特殊的系統接口。本系統采用Intel公司的NOR Flash 28F640芯片,其容量為8 MB,將其地址空間映射在A(yíng)RM920T的bank0。

3 軟件實(shí)現

3.1操作系統

ARM芯片獲得了許多實(shí)時(shí)操作系統供應商的支持,有：Windows CE、Linux、Palm OS、VxWorks、pSOS、 Nucleus等。因Linux源代碼的公開(kāi)特性，Linux系統的應用越來(lái)越廣泛。將Linux應用于A(yíng)RM芯片，可以采用一些現成的針對ARM芯片的嵌入式Linux系統，也可根據需要自行對Linux內核進(jìn)行裁剪。本系統采用自行裁剪的方法，使用make menuconfig命令對Linux內核進(jìn)行配置，整個(gè)配置以維持系統運行的最小化為原則。需要注意的是內核應支持proc、ext2文件系統、UNIX domain sockets、TCP/IP networking、UART等選項,以保證系統能實(shí)現RJ-45口和RS-232接口對外通信。實(shí)現這些功能的內核靜態(tài)壓縮映像大約為500 KB[3]。為了實(shí)現系統功能，還需編寫(xiě)相應的網(wǎng)絡(luò )接口和串口驅動(dòng)程序，建立根文件系統。

3.2 引導加載程序

操作系統的啟動(dòng)離不開(kāi)引導程序，Linux引導加載程序(BootLoader)由NOR Flash的地址0x0處開(kāi)始執行，完成存儲設備初始化、堆棧初始化、用戶(hù)環(huán)境初始化等，最終BootLoader把操作系統內核映像加載到RAM中。本系統引導加載程序采用ARM-BOOT修改而成。

3.3主程序

主程序每次在設備開(kāi)機后自動(dòng)運行，在交換機上先配置一個(gè)VLAN接口用于與嵌入式設備通信。嵌入式設備的網(wǎng)絡(luò )接口IP地址應與交換機的這個(gè)VLAN接口IP處于同一網(wǎng)段。為避免與常用私網(wǎng)地址沖突，可以將VLAN接口IP設為192.168.255.1，將嵌入式設備的網(wǎng)絡(luò )接口IP地址設為192.168.255.2。定時(shí)器時(shí)間設為1 min，每隔1 min對交換機發(fā)送1次SNMP報文，獲取交換機狀態(tài)進(jìn)行分析，如連續3次(3 min)發(fā)現通信失敗或判定交換機狀態(tài)異常，則對交換機進(jìn)行重啟。主程序流程圖如圖4所示。

3.4 交換機狀態(tài)監測程序

簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)議(SNMP)是Internet組織用來(lái)管理Internet的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，其定義了傳送管理信息的協(xié)議消息格式及管理者和設備代理相互之間進(jìn)行消息傳送的規程。在SNMP管理模型中有三個(gè)基本組成部分：管理者(Manager)，被管代理(Agent)和管理信息庫(MIB)。管理者的管理工作是通過(guò)輪詢(xún)代理來(lái)完成的,管理者可以通過(guò)SNMP 操作直接與被管代理通信,獲得即時(shí)的設備信息，對網(wǎng)絡(luò )設備進(jìn)行遠程配置管理或者操作，也可以通過(guò)對數據庫的訪(fǎng)問(wèn)獲得網(wǎng)絡(luò )設備的歷史信息，以決定網(wǎng)絡(luò )配置變化等操作。SNMP被管代理是指用于跟蹤監測被管理設備狀態(tài)的特殊軟件或硬件，每個(gè)代理都擁有自己本地的MIB。MIB信息即被管資源，而網(wǎng)絡(luò )管理中的資源是以對象表示的，每個(gè)對象表示被管資源的某方面屬性,這些對象形成了MIB庫。MIB是一個(gè)樹(shù)形結構，SNMP協(xié)議消息通過(guò)遍歷MIB樹(shù)形目錄中的節點(diǎn)來(lái)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )中的設備。網(wǎng)絡(luò )管理者通過(guò)對MIB庫的存取訪(fǎng)問(wèn)實(shí)現配置管理、性能管理、故障管理、安全管理、計費管理等五大管理功能。SNMP提供有三類(lèi)操作:Get、Set和Trap。Get操作實(shí)現對被管理對象所表示的管理信息的讀操作，Set操作實(shí)現對被管理對象的管理信息進(jìn)行寫(xiě)操作，Trap 操作實(shí)現被管理設備向管理工作站報告設備出現的異常事件。

交換機狀態(tài)異?；蛩罊C的原因主要有：散熱不好致溫度過(guò)高；病毒攻擊；交換機背板帶寬過(guò)低；負荷過(guò)大等。交換機狀態(tài)異?；蛩罊C最終表現為:CPU利用率和內存利用率過(guò)高、端口丟包率過(guò)大、與交換機端口連接不通等。因此，需要對交換機的CPU利用率、內存利用率、端口丟包率等進(jìn)行監測，同時(shí)依據與交換機的SNMP通信是否正常來(lái)判斷交換機是否出現異?；蛩罊C。本系統通過(guò)SNMP協(xié)議與交換機的SNMP被管代理通信，讀取(Get)相應MIB節點(diǎn)數據，獲知CPU利用率、內存利用率、端口丟包率等信息。

下面以華為3com公司的S7500系列交換機為例，說(shuō)明本系統需要使用的MIB節點(diǎn),如表1所示。

狀態(tài)監測程序的流程圖如圖5所示。

3.5 交換機重啟程序

遠程監控一般是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )經(jīng)交換機以太網(wǎng)口對交換機實(shí)行控制，大多數情況下是可行的，但在交換機死機時(shí)，所有端口都不通，無(wú)法通過(guò)以太網(wǎng)口對交換機發(fā)送命令，對交換機實(shí)行帶內管理。對這種特殊情況，帶外管理是唯一可行的方法。

帶外管理是通過(guò)RS232總線(xiàn)與交換機的Console口進(jìn)行串行通信,給交換機下達命令。一般波特率為9 600 b/s，無(wú)流控，每幀包括8位數據、1位起始位、1位停止位共計10 bit，無(wú)奇偶校驗位。
需要注意的是，不同交換機要實(shí)現重啟，發(fā)送的指令字符可能不一樣，要根據具體交換機型號而定。以華為3com公司的S7500系列交換機為例，重啟程序的流程圖如圖6所示。

本嵌入式系統實(shí)現了在核心交換機死機等特殊情況下自動(dòng)對其進(jìn)行重啟的功能，大大減輕了網(wǎng)絡(luò )管理員的負擔。將本系統進(jìn)行擴展，可以根據需要實(shí)現對交換機特定方面的本地監測和控制功能。特別是該系統將來(lái)可以與核心交換機融為一體，有效增強核心交換設備的智能化和自我修復能力。