基于IXP2400的RPR綜合業(yè)務(wù)接入系統設計

　　1 引言

　　彈性分組環(huán)(Resilient Packet Ring，RPR)技術(shù)是一種為優(yōu)化環(huán)型拓撲網(wǎng)絡(luò )中數據傳輸而提出的城域網(wǎng)技術(shù)，它結合了IP的智能化、以太網(wǎng)的經(jīng)濟性和SDH的寬帶效率及可靠性等優(yōu)點(diǎn)，突破了局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)之間的接入瓶頸，能在單一網(wǎng)絡(luò )內通過(guò)簡(jiǎn)單的傳輸模式融合各種寬帶業(yè)務(wù)，是一種有效的城域接入網(wǎng)解決方案。

　　網(wǎng)絡(luò )處理器經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設計和高度優(yōu)化，是完成各種網(wǎng)絡(luò )功能的專(zhuān)用指令處理器，同時(shí)又是一塊軟件可編程芯片。它綜合了專(zhuān)用集成電路的高速處理能力和通用處理器的完全可編程特性，可滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )寬帶化和綜合化的要求。目前已有數十家公司生產(chǎn)上百種此類(lèi)產(chǎn)品，其中最具代表性的產(chǎn)品包括Motorola的C-5，IBM的PowerNP和Intel的IXP系列。C-5集成了16個(gè)信道處理器，5個(gè)協(xié)處理器和1個(gè)通用處理器，能在2.5 Gbit/s速率下進(jìn)行2～7層處理，在實(shí)時(shí)處理和靈活性方面具有優(yōu)勢;Pow-erNP采用多處理器解決方案，具有7個(gè)專(zhuān)門(mén)的協(xié)處理器和1個(gè)PowerPC核，能完成2～5層的分組處理;IXP系列主要包括第一代的IXP1200和第二代的IXP2400，IXP2800等，由1個(gè)用于管理控制的ARM核和多個(gè)用于數據處理的微引擎組成，采用并行處理機制和多線(xiàn)程技術(shù)，具有強大的數據處理能力，支持從155 Mbit/s到10 Gbit/s的速率要求，而且，ARM核和微引擎都是可編程的，支持匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言，具有靈活性和通用性，加上IXA架構，為網(wǎng)絡(luò )處理器的應用開(kāi)發(fā)提供了完整的軟硬件解決方案。因此，利用IXP系列實(shí)現寬帶接入，使系統既具有高的性能，又簡(jiǎn)單靈活，并能獲得開(kāi)發(fā)環(huán)境的完全支持。

　　2 IXP2400網(wǎng)絡(luò )處理器

　　IXP2400支持2.5 Gbit/s的網(wǎng)絡(luò )應用，其內部結構如圖1所示。

　　IXP2400主要具有以下特點(diǎn)：

　　1) 強大的數據處理能力

　　IXP2400采用了分布式的硬件結構，具有XScale核和微引擎等多個(gè)主控單元和SRAM，DRAM，MSF，SHaC等多個(gè)從屬單元，各主控單元能并行訪(fǎng)問(wèn)各從屬單元。另外，分立的內部總線(xiàn)結構將不同存儲單元的數據總線(xiàn)、讀/寫(xiě)總線(xiàn)分開(kāi)，可對多個(gè)存儲器同時(shí)進(jìn)行讀/寫(xiě)操作。因此，可大大增強數據處理速度。它還采用了并行處理和多線(xiàn)程機制，有效地解決了數據流復雜多樣和外部存儲器訪(fǎng)問(wèn)時(shí)延過(guò)大等問(wèn)題。8個(gè)微引擎并列的硬件結構提供了多處理能力，可并行處理不相關(guān)的網(wǎng)絡(luò )數據包。由于包處理程序都存儲在微引擎內部的指令存儲器中，可減小指令讀取時(shí)延，有力地配合微引擎高速指令執行。每個(gè)微引擎提供的8個(gè)線(xiàn)程，采用多線(xiàn)程交換機制，當一個(gè)線(xiàn)程需要訪(fǎng)問(wèn)外部存儲器時(shí)，將交出微引擎的控制權，讓另一個(gè)線(xiàn)程運行。這種多線(xiàn)程結構和線(xiàn)程交換技術(shù)將存儲器的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)延隱藏在程序執行之后，大大提高了微引擎的利用效率。此外，IXP2400還增加了內容訪(fǎng)問(wèn)存儲器、偽隨機數發(fā)生器和CRC校驗等特殊硬件功能單元來(lái)提高網(wǎng)絡(luò )數據處理速度。

　　2) 具有大容量和寬帶數據存儲空間

　　為配合高速數據處理能力，IXP2400提供了大容量、寬帶存儲器單元，包括1個(gè)DRAM控制器和2個(gè)SRAM控制器。其中，DRAM控制器提供64位數據寬度的雙倍速率接口，支持DRAM容量可達2 Gbyte，峰值帶寬達到2.4 Gbyte/s。SRAM控制器提供4倍速率接口，具有16位物理寬度，通過(guò)數據速率加倍來(lái)獲得32位的邏輯寬度。每個(gè)接口支持的SRAM最大容量為64 Mbyte，峰值帶寬達到1.6 Gbyte/s。DRAM主要用于大批量數據的存儲，而SRAM主要用于存儲路由表和控制信息。

　　3) 豐富的對外接口

　　IXP2400提供了PCI，MSF，慢端口、UART和JTAG等多個(gè)對外接口來(lái)支持廣泛的網(wǎng)絡(luò )應用。其中：PCI接口符合PCI v2.2標準，用于連接控制主機和MAC設備等外圍設備;MSF接口采用32位全雙工的并行數據線(xiàn)路，通過(guò)配置可支持多種接口標準，主要用于連接到物理層設備或交換接口;慢端口用于FLASH和其他異步設備的訪(fǎng)問(wèn);UART和JTAG接口則用于程序下載和系統調試。

　　4) 完全的可編程能力

　　IXP2400中，處理單元XScale核和微引擎都是完全可編程的。XScale采用ARM V5的定點(diǎn)指令系統，支持匯編語(yǔ)言，主要完成控制層面的處理任務(wù);微引擎也具有自己的指令集，支持微代碼或C語(yǔ)言，主要完成數據層面的處理任務(wù)。

　　3 基于IXP2400的RPR業(yè)務(wù)接入系統

　　基于IXP2400的RPR綜合業(yè)務(wù)接人系統的主要功能是接入以太網(wǎng)業(yè)務(wù)到RPR網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)也能完成本地以太網(wǎng)的數據交換，但需要從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

　　3.1 硬件結構

　　系統硬件平臺結構如圖2所示。

　　在本設計中，硬件平臺以IXP2400網(wǎng)絡(luò )處理器為核心，利用XScale核和微引擎的高速數據處理能力和可編程性，能同時(shí)滿(mǎn)足接入系統對高性能和靈活性的要求，支持2.5 Gbit/s的線(xiàn)速處理。

　　MSF單元為外部設備提供了高速接口，可用于RPR業(yè)務(wù)的數據接人。設計中通過(guò)一片FPGA芯片XC3S1000來(lái)完成RPR接口設計，采用SPI-3標準與RPR MAC芯片相連接。MSF總線(xiàn)被配置為32位接收數據總線(xiàn)和32位發(fā)送數據總線(xiàn)，工作頻率設定為125 MHz，因此，RPR接口的實(shí)際峰值帶寬為8 Gbit/s。由于FPGA的靈活性，通過(guò)編程實(shí)現接口轉換還可接人其他類(lèi)型業(yè)務(wù)。

　　為保證RPR數據的速率，設計中沒(méi)有采用MSF接口復用的方式，而是通過(guò)PCI接口接入以太網(wǎng)數據。系統通過(guò)PCI接口連接了一片雙端口千兆以太網(wǎng)控制芯片82546EB。它集成了兩路的MAC層和PHY層功能，通過(guò)配置能收發(fā)雙通道的1 000 Mbit/s，100 Mbit/s或10 Mbit/s的數據，可應用于多種速率的以太網(wǎng)中。

　　為配合RPR和以太網(wǎng)數據包的高速處理，外接了多塊DRAM，SRAM和FLASH存儲芯片，分別用于存儲數據包、路由表和底層程序。其中：DRAM單元連接了5塊MT46V32M16芯片，提供總容量為256 Mbyte;SRAM單元連接了4塊CY7C1425AV18芯片，提供了16 Mbyte存儲總容量;慢端口連接了4片FLASH芯片28F128J3A，總容量為64 Mbyte。大容量和寬帶存儲單元加上內部多線(xiàn)程技術(shù)，減小了訪(fǎng)問(wèn)時(shí)延，有力地保證了系統的線(xiàn)速處理能力。

　　3.2 軟件體系

　　系統的軟件設計主要可分為XScale內核程序和微引擎程序兩部分，分別完成控制層面和數據層面的功能。軟件體系結構如圖3所示。

　　XScale內核程序主要包括VxWorks操作系統、板極支持包和內核應用程序軟件包3部分，可利用VxWorks集成開(kāi)發(fā)軟件Tornado進(jìn)行設計。VxWorks是一種實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統，為用戶(hù)提供高效的實(shí)時(shí)任務(wù)調度、中斷管理、實(shí)時(shí)的系統資源以及實(shí)時(shí)的任務(wù)間通信，是運行其他應用程序的基礎;板極支持包是所有與硬件相關(guān)的代碼體的集合，主要包括系統被引導時(shí)的硬件初始化程序和系統中設備的驅動(dòng)程序，實(shí)現接入系統參數的配置和引導過(guò)程的管理;內核應用程序軟件包主要包括路由協(xié)議、模塊間通信協(xié)議、系統管理和異常包處理等模塊。路由協(xié)議軟件包完成路由表的生成、管理和維護;模塊間通信協(xié)議通過(guò)共享內存和消息隊列等方式完成XScale核和微引擎間的通信;系統管理模塊完成硬件的初始化、配置和系統資源管理等工作;異常數據包處理模塊則對微引擎送來(lái)的異常數據包進(jìn)行深層次的處理。

　　微引擎程序稱(chēng)為微碼，主要執行數據包的處理和轉發(fā)任務(wù)，可采用Intel專(zhuān)門(mén)設計的開(kāi)發(fā)平臺DeveloperWorkbench進(jìn)行開(kāi)發(fā)。根據接入系統的數據處理流程，微碼程序可分為接收、分類(lèi)、封裝、管理和轉發(fā)等模塊。根據不同業(yè)務(wù)，接收、分類(lèi)和封裝模塊又分為以太網(wǎng)和RPR數據處理兩類(lèi)。當以太網(wǎng)接口有數據包到來(lái)時(shí)，以太網(wǎng)數據接收模塊首先將接收到的數據包分片緩存在DRAM中，并將分片重組得到完整的數據包，然后，以太網(wǎng)分類(lèi)模塊從數據包中提取包頭信息放入微引擎寄存器中進(jìn)行處理，完成包分類(lèi)和路由表查詢(xún)等操作。如果該包需要轉發(fā)到RPR網(wǎng)絡(luò )，RPR數據封裝模塊將根據包頭處理結果完成數據幀格式的轉換，并把數據包回寫(xiě)到DRAM中。隊列管理和端口調度模塊根據發(fā)送請求將數據包加入指定的發(fā)送隊列和分配到指定的端口，最后由數據發(fā)送模塊從DRAM中讀取數據并完成轉發(fā)工作。如果以太網(wǎng)數據包的目的地址仍是以太網(wǎng)，則不需要進(jìn)行RPR數據封裝而直接調度和發(fā)送。當RPR接口有數據包到來(lái)時(shí)，類(lèi)似地，由RPR數據接收和分類(lèi)模塊進(jìn)行處理。如果目的地址仍為RPR網(wǎng)絡(luò )則直接丟棄該包;否則通過(guò)以太網(wǎng)封裝模塊完成幀格式轉換，由隊列管理和端口調度模塊以及數據發(fā)送模塊完成調度和轉發(fā)。

　　4 實(shí)驗網(wǎng)絡(luò )和系統驗證

　　利用RPR綜合業(yè)務(wù)接入系統，可和RPR MAC層芯片以及物理層芯片一起組成RPR站點(diǎn)，多個(gè)站點(diǎn)之間通過(guò)雙環(huán)光纖相連則可構成完整的實(shí)驗網(wǎng)絡(luò )。圖4是具有4個(gè)站點(diǎn)的實(shí)驗網(wǎng)絡(luò )。

　　將多臺測試主機通過(guò)接入系統的千兆以太網(wǎng)口連接到實(shí)驗網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)行數據收發(fā)可驗證RPR綜合業(yè)務(wù)接入系統軟硬件設計的正確性。功能驗證包括以太網(wǎng)內的自環(huán)和以太網(wǎng)-RPR-以太網(wǎng)的環(huán)回兩部分。以太網(wǎng)內的自環(huán)指不經(jīng)過(guò)RPR網(wǎng)絡(luò )而在本站點(diǎn)內完成以太網(wǎng)數據的轉發(fā);以太網(wǎng)-RPR-以太網(wǎng)的環(huán)回則指一個(gè)站點(diǎn)接入的以太網(wǎng)數據經(jīng)RPR網(wǎng)絡(luò )傳輸到另一個(gè)站點(diǎn)后，再通過(guò)接入系統轉發(fā)到以太網(wǎng)中。驗證時(shí)，在其中一臺測試主機上運行Serv-U軟件，作為FTP服務(wù)器;在另一臺測試主機上運行LeapFTP軟件，作為FTP客戶(hù)端。通過(guò)客戶(hù)端主機向服務(wù)器主機上傳和下載文件，即根據FTP協(xié)議進(jìn)行文件傳輸。測試結果表明，文件能根據FTP協(xié)議正確而流暢地傳輸，表明接入系統既能實(shí)現以太網(wǎng)和RPR之間的數據交換，又能完成以太網(wǎng)數據的本地轉發(fā)。

　　此外，利用實(shí)驗網(wǎng)絡(luò )還可驗證RPR中環(huán)路帶寬分配、擁塞控制、自動(dòng)拓撲發(fā)現和智能保護倒換等各種算法性能，為RPR技術(shù)和城域網(wǎng)組網(wǎng)的研究奠定了良好的基礎。

　　5 小結

　　筆者提出了一種基于IXP2400網(wǎng)絡(luò )處理器的RPR綜合業(yè)務(wù)接入系統設計方案，該系統具有高速數據處理能力，對外提供了一個(gè)2.5Gbit/s的SPI-3接口和兩路千兆以太網(wǎng)口，可用于RPR和千兆以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的接入。同時(shí)系統具有良好的可擴展性，通過(guò)修改微引擎和FPGA程序，可實(shí)現其他多種類(lèi)型寬帶業(yè)務(wù)的接入。利用該接入系統構建的RPR站點(diǎn)和實(shí)驗網(wǎng)絡(luò )簡(jiǎn)單靈活，目前進(jìn)行了點(diǎn)對點(diǎn)的數據傳輸測試，今后，還可在其基礎上進(jìn)行多點(diǎn)對多點(diǎn)的數據傳輸測試，以及深入的性能研究。