基于網(wǎng)絡(luò)處理器的彈性分組環(huán)接入實(shí)現(xiàn)
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關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)處理器；IXP1200；彈性分組環(huán)；POS
1 引言
城域網(wǎng)存在的主要問(wèn)題是帶寬和QoS的問(wèn)題，隨著局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，城域網(wǎng)已成為整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸?；赥DM的傳統(tǒng)SDH城域網(wǎng)已不能很好滿足日益增長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)化工作，于2004年6月24日發(fā)布了802.17-2004標(biāo)準(zhǔn)[1]。彈性分組環(huán)是一種基于雙環(huán)拓?fù)涞募夹g(shù)，能夠在兩條單向環(huán)路上沿相反方向傳輸數(shù)據(jù)。它結(jié)合了以太網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性、靈活性和SDH的高帶寬效率及可靠性，利用空間重用、統(tǒng)計(jì)復(fù)用和環(huán)路保護(hù)來(lái)提高帶寬利用率和保證用戶的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。
網(wǎng)絡(luò)處理器是經(jīng)過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)和高度優(yōu)化來(lái)完成各種網(wǎng)絡(luò)功能的專用指令處理器，又是軟件可編程的芯片，表現(xiàn)出高效的并行處理能力和適應(yīng)性。其中，IXP1200是Intel公司推出的網(wǎng)絡(luò)處理器產(chǎn)品，它以優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。文獻(xiàn)[2]探討了基于IXP1200的路由器技術(shù)，文獻(xiàn)[3]則詳細(xì)介紹了IXP1200中的微引擎設(shè)計(jì)方法?？梢?jiàn)，由于硬件的高效性和軟件的可擴(kuò)展性，利用IXP1200網(wǎng)絡(luò)處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)包的處理。同時(shí)還集成了一些專用硬件處理單元，如CRC校驗(yàn)、Hash單元等，在處理線速上已經(jīng)達(dá)到并超過(guò)10Gbps。它兼顧了GPP的靈活性和ASIC的執(zhí)行效率，為從第2層到第7層的多種應(yīng)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(dú)立的32位RISC微引擎，再加上硬件的多線程支持，可以實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)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(xí)、路由表的維護(hù)以及網(wǎng)絡(luò)管理等。微引擎則工作于數(shù)據(jù)層面，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組的分類、處理和轉(zhuǎn)發(fā)等功能。每個(gè)微引擎支持4個(gè)線程，單個(gè)時(shí)鐘周期即可完成算術(shù)邏輯運(yùn)算和移位操作，實(shí)現(xiàn)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(nèi)能夠轉(zhuǎn)發(fā)高達(dá)300萬(wàn)個(gè)第3層數(shù)據(jù)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(chǔ)芯片的接口，最大數(shù)據(jù)吞吐率分別達(dá)到464Mbps和928Mbps；PCI單元為外部主處理器和MAC設(shè)備等提供了32位PCI 2.2總線，最大數(shù)據(jù)吞吐率達(dá)到264Mbps；FBI單元為外部MAC設(shè)備提供了高速的IX總線，用于實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)的接入功能，最大數(shù)據(jù)吞吐率達(dá)到6.6Gbps。
3 彈性分組環(huán)的接入實(shí)現(xiàn)方案
彈性分組環(huán)具有雙環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括兩條沿相反方向傳輸數(shù)據(jù)的單向環(huán)，分別稱之為環(huán)路0和環(huán)路1。圖1顯示了彈性分組環(huán)的站點(diǎn)結(jié)構(gòu)。
按照802.17-2004標(biāo)準(zhǔn)，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(shù)據(jù)通路子層、MAC控制子層和MAC客戶子層[1]。其中，彈性分組環(huán)的接入在MAC客戶子層完成。設(shè)計(jì)的彈性分組環(huán)接入平臺(tái)功能主要包括：
（1）對(duì)來(lái)自以太網(wǎng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，若目的地址為以太網(wǎng)則直接轉(zhuǎn)發(fā)出去；若目的地址為彈性分組環(huán)網(wǎng)，則對(duì)以太網(wǎng)包進(jìn)行深度處理，完成RPR幀格式封裝，對(duì)各種不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)分類，并轉(zhuǎn)發(fā)到彈性分組環(huán)接口等。
（2）對(duì)來(lái)自彈性分組環(huán)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，丟棄重新接入環(huán)路的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)到以太網(wǎng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)幀轉(zhuǎn)發(fā)出去。
（3）完成地址學(xué)習(xí)、地址映射、路由表維護(hù)、業(yè)務(wù)調(diào)度和流量管理等。
圖1 彈性分組環(huán)站點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖
圖2 基于IXP1200的彈性分組環(huán)接入平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)
3.1 硬件設(shè)計(jì)
利用IXP1200網(wǎng)絡(luò)處理器設(shè)計(jì)的彈性分組環(huán)接入平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
接入平臺(tái)主要設(shè)計(jì)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(tái)的核心處理部分，主要完成數(shù)據(jù)幀格式的轉(zhuǎn)換、CRC校驗(yàn)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、地址學(xué)習(xí)、路由表建立和維護(hù)、業(yè)務(wù)調(diào)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總線到彈性分組環(huán)POS接口的轉(zhuǎn)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(diào)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(zhuǎn)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(tái)的調(diào)試，在調(diào)試完成后可以當(dāng)作普通通信口使用。
（5）存儲(chǔ)器單元：包括128M字節(jié)的SDRAM 、8M字節(jié)的SRAM和8M字節(jié)的FLASH。其中SDRAM主要用于存儲(chǔ)應(yīng)用代碼、大型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和路由表；SRAM主要用于存儲(chǔ)路由表索引和暫存數(shù)據(jù)；而FLASH主要用于存儲(chǔ)系統(tǒng)引導(dǎo)代碼。
3.2 軟件設(shè)計(jì)
接入平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)主要包括IXP1200內(nèi)部StrongARM核及微引擎的軟件設(shè)計(jì)和基于FPGA實(shí)現(xiàn)的IX Bus/POS接口轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)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(nèi)部的StrongARM核和微引擎都有獨(dú)立的軟件系統(tǒng)，分別完成控制層面和數(shù)據(jù)層面的功能。其軟件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。
StrongARM核的軟件結(jié)構(gòu)包括操作系統(tǒng)、板極支持包、驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等模塊。操作系統(tǒng)采用VxWorks，它是專門(mén)為實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng)軟件，為用戶提供了高效的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度、中斷管理和豐富的系統(tǒng)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(qū)動(dòng)模塊包括微引擎、IX總線以及其它I/O接口的驅(qū)動(dòng)程序。通信模塊通過(guò)共享內(nèi)存和消息隊(duì)列等方式完成StrongARM核和微引擎之間的通信。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模塊則完成路由表管理、異常數(shù)據(jù)包處理、公平控制和拓?fù)浔Ｗo(hù)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專門(mén)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)Developer Workbench，既可以進(jìn)行硬件調(diào)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的分類和初步處理；微引擎2和微引擎3分別對(duì)來(lái)自以太網(wǎng)和彈性分組環(huán)的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度處理，完成CRC校驗(yàn)和幀格式轉(zhuǎn)換；微引擎4進(jìn)行隊(duì)列調(diào)度和流量管理；微引擎5讀取調(diào)度線程分配的任務(wù)將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。
圖3 IXP1200的軟件體系結(jié)構(gòu)
圖4 IX Bus/POS接口轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖
3.2.2 IX Bus/POS接口轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)
IXP1200對(duì)外部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供了IX總線接口，通過(guò)接口轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，能夠使其應(yīng)用到有線通信、無(wú)線基站通信和以太網(wǎng)通信等多個(gè)領(lǐng)域。由于這些電路最終都通過(guò)IX總線和IXP1200連接，因此不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。靈活的接口轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)可以大大擴(kuò)展IXP1200的應(yīng)用范圍?；贔PGA芯片的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了IX總線到POS接口的轉(zhuǎn)換，其中POS接口采用了POS-PHY Level 2協(xié)議。設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
在接口轉(zhuǎn)換中，依據(jù)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總線的數(shù)據(jù)傳輸路徑為接收路徑，而從IX總線到POS接口的數(shù)據(jù)傳輸路徑為發(fā)送路徑。
接收路徑又分為數(shù)據(jù)通道和控制通道。數(shù)據(jù)通道主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送和復(fù)用等操作，接收來(lái)自POS接口的數(shù)據(jù)，進(jìn)行奇偶校驗(yàn)和數(shù)位轉(zhuǎn)換并存入接收數(shù)據(jù)緩存器RDFIFO，再發(fā)送到IX總線?？刂仆ǖ乐饕山邮諣顟B(tài)機(jī)來(lái)完成數(shù)據(jù)收發(fā)的時(shí)序控制。另外還要根據(jù)包頭、包尾等包指示信息、包長(zhǎng)計(jì)算結(jié)果和奇偶校驗(yàn)結(jié)果生成標(biāo)簽存入接收標(biāo)簽緩存器RTFIFO中，在數(shù)據(jù)向IX總線發(fā)送時(shí)，根據(jù)包長(zhǎng)確定接收數(shù)據(jù)緩存器的讀出字節(jié)數(shù)，并同時(shí)恢復(fù)出相應(yīng)的包指示和錯(cuò)誤指示信息。
發(fā)送路徑類似于接收路徑，分為數(shù)據(jù)通道和控制通道。數(shù)據(jù)通道中，將IX總線的數(shù)據(jù)送入發(fā)送數(shù)據(jù)緩存器TDFIFO，然后根據(jù)目的端口向相應(yīng)的POS接口發(fā)送，并產(chǎn)生POS接口的奇偶校驗(yàn)信號(hào)。而控制通道在由發(fā)送狀態(tài)機(jī)完成數(shù)據(jù)收發(fā)的時(shí)序控制之外，同樣生成標(biāo)簽信息送入發(fā)送標(biāo)簽緩存器TTFIFO，控制數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，并且恢復(fù)相關(guān)的指示信息。
設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：
（1）64位IX 總線分為兩組32位總線：一組為發(fā)送路徑，一組為接收路徑。兩組路徑有獨(dú)立的端口選擇和驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，可以完全獨(dú)立地工作。
（2）每個(gè)端口有2個(gè)256×32bit的數(shù)據(jù)FIFO：一個(gè)用于存儲(chǔ)發(fā)送數(shù)據(jù)，一個(gè)用于存儲(chǔ)接收數(shù)據(jù)。由于定義的數(shù)據(jù)單元大小為64Bytes，所以每個(gè)數(shù)據(jù)FIFO可以容納16個(gè)數(shù)據(jù)單元。
（3）每個(gè)端口有2個(gè)16×11bit的標(biāo)簽FIFO：一個(gè)用于存儲(chǔ)發(fā)送標(biāo)簽，一個(gè)用于存儲(chǔ)接收標(biāo)簽。每個(gè)標(biāo)簽對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)單元。
（4）具有易擴(kuò)展性，目前支持2個(gè)端口，根據(jù)應(yīng)用的變化，稍微修改程序即可增加支持的端口數(shù)。
（5）支持POS-PHY Level 2協(xié)議，采用單物理層包級(jí)傳輸模式，根據(jù)應(yīng)用可以擴(kuò)展到多物理層支持和其它傳輸模式。
4 結(jié)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(xiàn)了以太網(wǎng)和彈性分組環(huán)之間的數(shù)據(jù)幀格式轉(zhuǎn)換和接口轉(zhuǎn)換功能。
本文的創(chuàng)新點(diǎn)為在彈性分組環(huán)的接入平臺(tái)中使用了IXP1200網(wǎng)絡(luò)處理器，并通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)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(kuò)展性能。本設(shè)計(jì)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總線接口轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)更多路數(shù)據(jù)以及更多類型網(wǎng)絡(luò)的接入。
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