采用CTC6048與88E1340芯片實(shí)現(xiàn)三層全千兆路由交換機(jī)的設(shè)計(jì)

引言

交換技術(shù)與快速以太網(wǎng)的結(jié)合對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和園區(qū)主干網(wǎng)施加了更大的壓力，千兆以太網(wǎng)的高速度大大提升了網(wǎng)絡(luò)速率。而交換和路由相結(jié)合的第三層交換技術(shù)使交換機(jī)既可完成端口全線速交換功能，又可以完成部分路由器的路由功能，使路由性能顯著增強(qiáng)的同時(shí)明顯降低路由成本。本文介紹了用盛科網(wǎng)絡(luò)有限公司自主開發(fā)的核心芯片為主芯片設(shè)計(jì)的三層全千兆路由交換機(jī)，是針對(duì)用戶對(duì)三層至多層交換的需求而設(shè)計(jì)的一款高性能千兆智能交換機(jī)。該交換機(jī)具有靈活的端口配置、豐富的二層交換、三層路由、服務(wù)質(zhì)量管理等功能，滿足城域以太網(wǎng)核心層/匯聚層不同性能的多業(yè)務(wù)承載需要，同時(shí)針對(duì)無線接入網(wǎng)絡(luò)(RAN)滿足2G/3G/LTE 不同階段網(wǎng)絡(luò)承載需求，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載的平滑演進(jìn)。

1 、系統(tǒng)介紹

本交換機(jī)采用核心交換(Humber)芯片和物理層(PHY)芯片分離的結(jié)構(gòu)，主要由Humber交換系統(tǒng)、CPU管理系統(tǒng)和電源時(shí)鐘系統(tǒng)組成，系統(tǒng)總體框如圖1所示。其中Humber交換系統(tǒng)采用的芯片是盛科網(wǎng)絡(luò)有限公司自主開發(fā)的核心交換芯片CTC6048(Humber)和MARVELL公司4口千兆PHY芯片88E1340。提供了24 個(gè)10/100/1000Base-TX 自適應(yīng)電接口和4個(gè)1000Base-X光接口，實(shí)現(xiàn)全線速、無阻塞網(wǎng)絡(luò)傳輸。并可根據(jù)用戶的需要調(diào)整設(shè)備接口數(shù)量。

本交換機(jī)特性如下：

1.基于高性能芯片實(shí)現(xiàn)QoS 能力，基于端口設(shè)定優(yōu)先級(jí)，也可以針對(duì)不同協(xié)議制定優(yōu)先級(jí)(IEEE802.1p)，采用靈活隊(duì)列分級(jí)調(diào)度技術(shù)和擁塞管理，具有低延遲、低抖動(dòng)特性、確保重要業(yè)務(wù)不受延遲或丟棄，同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行。

2.支持虛擬局域網(wǎng)(VLAN，IEEE802.1Q)，最多支持4096個(gè)VLAN，有效降低搬遷、增加和改變網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的管理負(fù)擔(dān)，以及將網(wǎng)絡(luò)廣播業(yè)務(wù)流限制在VLAN內(nèi)，控制流量和抑制廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生。

3.支持生成樹(STP)協(xié)議，與其它路由器協(xié)同工作并防止網(wǎng)絡(luò)中循環(huán)的出現(xiàn)。

4.支持以太網(wǎng)OAM功能，可以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)操作，檢驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)性能和降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的成本，完成日常網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的分析、預(yù)測(cè)、規(guī)劃和配置工作。

5.支持網(wǎng)絡(luò)管理SNMP v1/v2/v3及RMON，通過集中的網(wǎng)管軟件提供全面的帶內(nèi)管理，可通過Console或Telnet提供方便易用的命令行配置界面。配置文件可通過TFTP程序進(jìn)行上傳和下載，極大地方便用戶的使用。可通過WEB方式進(jìn)行管理，降低對(duì)維護(hù)人員的要求，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)管理的工作量。

6.同時(shí)支持IPv4/IPv6、多種隧道和多播協(xié)議，保證各種業(yè)務(wù)的靈活部署，為用戶節(jié)約成本。

2、 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 Humber交換系統(tǒng)

Humber交換系統(tǒng)是本交換機(jī)的核心電路。該電路由Humber交換模塊、GE物理層模塊和接口電路組成。主要完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的全線速第二層(L2)交換(橋接)、第三層(L3)IPv4/6單播和組播路由、地址學(xué)習(xí)和老化、虛擬局域網(wǎng)(VLAN)、生成樹、虛擬路由冗余協(xié)議(VRRP)、QoS等功能。

2.1.1 Humber交換模塊

Humber交換模塊主要是由CTC6048交換芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片是一款低成本高集成高性能包處理芯片，其工作頻率達(dá)到575MHz;數(shù)據(jù)位寬達(dá)到256bits，提供更高的帶寬處理能力;具有完整的IPv4/IPv6協(xié)議棧，并支持多種IPv4/IPv6 隧道和IVI等地址轉(zhuǎn)換技術(shù);豐富的MPLS特性;基于硬件的OAM 機(jī)制，包括IEEE802.1ag 和 ITU-T Y.1731;支持基于 G.8031/G.8032 標(biāo)準(zhǔn)的快速保護(hù)切換(APS)，切換時(shí)間小于50ms;在服務(wù)質(zhì)量方面，支持可配置的QoS;內(nèi)置IEEE 1588v2和同步以太網(wǎng)功能;內(nèi)部集成TCAM和SRAM，具備L2/L3/MPLS/Metro特性，滿足更低成本應(yīng)用的要求;提供48個(gè)具備全線速交換的串行千兆比特媒體無關(guān)接口(SGMII) ，也可以配置成4個(gè)10GE接口，可在-45℃～+85℃寬溫范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。芯片功能框圖如圖2所示。

2.1.2 GE物理層模塊

GE物理層模塊采用88E1340 PHY芯片，與Humber交換模塊之間通過SGMII接口互連。嚴(yán)格遵循IEEE 802.3x標(biāo)準(zhǔn)，包括PMD, PMA, PCS子層。執(zhí)行 PAM3、8B/10B、4B/5B、MLT-3、NRZI、Manchester編碼/解碼、數(shù)字時(shí)鐘恢復(fù)，數(shù)字自適應(yīng)均衡的接收器，發(fā)射器脈沖整形，自動(dòng)協(xié)商等管理功能。其內(nèi)部集成了4個(gè)獨(dú)立的千兆以太網(wǎng)收發(fā)器，完成10BASE—T、100BASE—TX和1000BASE—T以太網(wǎng)的所有物理層功能?？商峁?個(gè)物理層接口和4個(gè)SGMII接口。并集成了MDI接口的終端電阻器和電容器到PHY中。由此減少了外圍電路所需的器件，簡(jiǎn)化了電路板布局，降低了電路板的費(fèi)用。采用的Marvell校準(zhǔn)電阻器方案達(dá)到并超過IEEE 802.3回波損耗規(guī)格的精度要求。

2.1.3 接口電路

本交換機(jī)的接口電路包括電接口電路和光接口電路。電接口電路主要由以太網(wǎng)變壓器及其外圍電路組成。完成物理層接口到用戶接口之間的對(duì)接功能。用戶接口與以太網(wǎng)變壓器之間用非屏蔽5類雙絞(CAT5)線纜連接;光接口電路由光模塊及其外圍匹配電路組成。它直接與Humber交換模塊的SGMII接口連接。完成SGMII接口到用戶千兆以太網(wǎng)光接口的轉(zhuǎn)化功能。當(dāng)SGMII接口與光模塊連接時(shí)，是作為SERDES使用的，接口速率為1.25Gbit/s，因此選擇具有相同速率、可熱插拔的SFP封裝的光收發(fā)模塊。

2.2 CPU管理系統(tǒng)

CPU管理系統(tǒng)采用了Freescale公司的32位高速CPU芯片(MC68360)，完成交換芯片的初始化，交換芯片與CPU之間的通信，物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及網(wǎng)絡(luò)層的功能管理，數(shù)據(jù)包過濾以及完成生成樹協(xié)議、路由學(xué)習(xí)等功能。系統(tǒng)包括存儲(chǔ)模塊、復(fù)位電路和管理配置接口等。CPU芯片通過PCI總線來控制和管理Humber，PCI接口電平為3.3V。其中存儲(chǔ)模塊包括DDR和FLASH：DDR提供CPU高速運(yùn)行的存儲(chǔ)空間，F(xiàn)LASH用于在斷電的情況下對(duì)程序和配置信息進(jìn)行保存，保證掉電后的數(shù)據(jù)信息不丟失。2.3 電源時(shí)鐘系統(tǒng)

一個(gè)穩(wěn)定、可靠的產(chǎn)品，高效的電源和精準(zhǔn)的時(shí)鐘是必不可少的重要組成部分。

2.3.1 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

本交換機(jī)采用高精度的溫補(bǔ)晶體振蕩器作為時(shí)鐘源，晶體振蕩器頻率為25MHz和50MHz，頻率準(zhǔn)確度為±0.5ppm，晶體振蕩器輸出穩(wěn)定的時(shí)鐘后，通過時(shí)鐘處理電路進(jìn)行緩沖和倍頻后提供給各功能單元。電路設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

2.3.2 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電源采用二次電源轉(zhuǎn)換的方案實(shí)現(xiàn)。首先由高性能的AC-DC線性電源模塊變換出所需的DC +12V，進(jìn)入電源時(shí)序控制電路，按系統(tǒng)要求的時(shí)序控制輸出12V電壓，提供給各DC-DC模塊，使其變換輸出各功能單元需要的直流電壓：0.9V、1.05V、1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、3.3V等。

在PCB設(shè)計(jì)中，特別采取了濾波措施。如：在電源輸入端，進(jìn)行π 型濾波，防止外部干擾信號(hào)通過電源耦合進(jìn)入設(shè)備，同時(shí)也防止了設(shè)備本身產(chǎn)生的信號(hào)干擾其它設(shè)備;在AC-DC電源模塊輸入處連接大容量的電解電容，形成旁路濾波，主要是低頻濾波，并連接多個(gè)100nF的電容進(jìn)行高頻濾波;在DC-DC模塊周邊進(jìn)行大面積鋪地來降低阻抗;在各芯片電源引腳處連接100nF的濾波電容，并且電容和芯片引腳的連線盡可能短。電源設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

3 、系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)軟件采用模塊化分層的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)，主要完成對(duì)本交換機(jī)的配置管理工作，如交換機(jī)的上電初始化和對(duì)Humber交換模塊、PHY模塊的配置。提供專用管理接口對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置，也可通過WEB網(wǎng)頁形式登錄進(jìn)行配置管理。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。

交換機(jī)的操作系統(tǒng)采用基于Windows平臺(tái)的應(yīng)用程序，即窗體應(yīng)用程序，并集成了TCP/IP 協(xié)議。

擴(kuò)展接口(API)提供許多編程接口，便于二次開發(fā)，API 還提供了與交換芯片、PHY 芯片等的接口。

業(yè)務(wù)組件提供各種系統(tǒng)服務(wù)。

控制組件為管理模塊提供接口，控制交換芯片的工作，保存配置信息等。

管理組件提供用戶接口，用戶通過該接口管理交換機(jī)，可通過命令行或WEB方式管理本交換機(jī)。

4、 性能測(cè)試情況

利用專用以太網(wǎng)測(cè)試儀(XM12)對(duì)本交換機(jī)的主要項(xiàng)目指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。其中，端口1至24是電接口，用雙絞線纜連接到測(cè)試儀;端口25至28是光接口，用單模光纖連接器連接到測(cè)試儀。測(cè)試時(shí)，將交換機(jī)的任意2個(gè)端口組合同時(shí)互發(fā)測(cè)試數(shù)據(jù)包，共組成14組測(cè)試組合。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)，我們進(jìn)行了多種組合方案的測(cè)試，取得了預(yù)期的效果。僅列其中一種組合方案的性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果，詳見表l。

5 、結(jié)束語

本文對(duì)以盛科網(wǎng)絡(luò)有限公司自主開發(fā)的核心芯片為主芯片設(shè)計(jì)的三層全千兆路由交換機(jī)進(jìn)行了全面介紹，并對(duì)交換機(jī)的性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。小批量投產(chǎn)后，可應(yīng)用于包括IPTV、VoIP、High-speed Internet Access、VPN等以太網(wǎng)業(yè)務(wù)，滿足園區(qū)網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)匯聚、數(shù)據(jù)中心千兆接入以及企業(yè)千兆到桌面的應(yīng)用。較傳統(tǒng)路由器，該交換機(jī)有明顯的優(yōu)勢(shì)，具有更廣闊的應(yīng)用前景。