一種多業(yè)務(wù)寬帶接入網(wǎng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

1寬帶接入網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展階段隨著通信技術(shù)的發(fā)展，主要網(wǎng)絡(luò)的帶寬達(dá)到tbps的范圍，并且仍在快速增長(zhǎng)。然而，在接入網(wǎng)中，帶寬的增長(zhǎng)卻相對(duì)緩慢，這對(duì)開(kāi)展新的增值業(yè)務(wù)造成了限制。寬帶接入概念由美國(guó)提出的信息高速公路計(jì)劃引入，但直到目前為止，大多數(shù)接入網(wǎng)的帶寬仍然無(wú)法提供諸如高清晰度互動(dòng)式多媒體通信之類的服務(wù)。其主要原因是市場(chǎng)由資金驅(qū)動(dòng)，必須找到一種價(jià)格和性能都可以接受的接入技術(shù)，才能使寬帶接入網(wǎng)真正得到普及。在同一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)里提供多業(yè)務(wù)服務(wù)，可以降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)和網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)費(fèi)用，并通過(guò)提供增值業(yè)務(wù)得到更大的收益。寬帶接入網(wǎng)的發(fā)展不可能一蹴而就，目前看來(lái)很可能要經(jīng)歷以下三個(gè)階段：第一個(gè)階段是高速I(mǎi)nternet接入，提供1Mbps左右的帶寬（遠(yuǎn)大于普通Modem或ISDN），通過(guò)傳統(tǒng)電話網(wǎng)絡(luò)或者CATV網(wǎng)絡(luò)提供，以低廉的價(jià)格吸引大量的使用者；第二個(gè)階段是基本的視頻、聲音和數(shù)據(jù)融合接入，并在業(yè)務(wù)模式、QoS、安全、運(yùn)行管理等方面積累經(jīng)驗(yàn)；第三個(gè)階段則是光纖入戶（FTTH），提供幾乎沒(méi)有上限的帶寬，可以支持包括高清晰度互動(dòng)式多媒體通信在內(nèi)的多業(yè)務(wù)目前，比較普及的寬帶接入技術(shù)主要有利用話音質(zhì)量三類線的ADSL、基于CATV網(wǎng)絡(luò)的CableModem和以太網(wǎng)接入。ADSL技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以使用普通電話線進(jìn)行傳輸，節(jié)約了布線成本，并且傳輸距離較長(zhǎng)，不足之處主要是帶寬可擴(kuò)展性差，而且對(duì)于電話線的質(zhì)量有較高的要求。CableModem的優(yōu)點(diǎn)是利用了現(xiàn)有的CATV網(wǎng)絡(luò)，不足之處是帶寬共享，可擴(kuò)展性差。其它的接入技術(shù)如PON、ATM、電力線、固定無(wú)線等，或者成本過(guò)高，或者技術(shù)本身還不成熟，短期內(nèi)都難以大規(guī)模應(yīng)用。筆者認(rèn)為，在目前比較成熟的接入技術(shù)中，以太網(wǎng)最具發(fā)展前途，主要原因是：以太網(wǎng)技術(shù)相對(duì)成熟，帶寬在不斷提高，為今后過(guò)渡到FTTH提供了方便；利用以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸最有效，它與TCP/IP協(xié)議配合非常好，而全I(xiàn)P包交換網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是替代傳統(tǒng)TDM電路交換網(wǎng)絡(luò)的第一候選；以太網(wǎng)技術(shù)作為一種二層協(xié)議，很有可能在城域網(wǎng)中被采用（城域以太網(wǎng)聯(lián)盟（MEF）正在進(jìn)行這方面的標(biāo)準(zhǔn)化工作），接入網(wǎng)中采用以太網(wǎng)協(xié)議，消除了協(xié)議轉(zhuǎn)換的開(kāi)銷，進(jìn)一步提高了效率下文將介紹一種多業(yè)務(wù)寬帶以太網(wǎng)接入交換機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，按功能模塊分述并討論其中的難點(diǎn)和要點(diǎn)。2網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)評(píng)估2.1技術(shù)保障：帶寬及帶寬的高效利用社區(qū)寬帶綜合業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)該系統(tǒng)主要有以下需求：(1）端到端的QoS保證：要提供語(yǔ)音和視頻服務(wù)，就必須考慮QoS問(wèn)題。QoS指標(biāo)主要有時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)、丟包率等。如VoIP服務(wù)，能夠接受的端到端時(shí)延應(yīng)該不大于400ms，時(shí)延抖動(dòng)應(yīng)該不大于50ms。(2）帶寬資源的有效利用：組播技術(shù)可以將一份數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送給同組的多個(gè)成員，不需要端到端地向每個(gè)接收者發(fā)送拷貝，對(duì)于帶寬占用較大的視頻業(yè)務(wù)，使用組播技術(shù)可以有效地提高帶寬利用效率。(3）可管理的組播：交換機(jī)需要通過(guò)控制信令和轉(zhuǎn)發(fā)平面的配合實(shí)現(xiàn)可靠的組播業(yè)務(wù)，滿足組播管理、認(rèn)證及增值業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，其中，組播源和組播用戶的控制是實(shí)現(xiàn)可運(yùn)營(yíng)組播的重要條件。(4）網(wǎng)絡(luò)安全：要實(shí)現(xiàn)用戶的隔離，提高安全性。采用虛擬局域網(wǎng)（VLAN）技術(shù)將用戶劃分在不同的VLAN是一個(gè)比較好的解決方案。(5）網(wǎng)絡(luò)管理：包括對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理和對(duì)用戶的管理。設(shè)備管理包括設(shè)備拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、設(shè)備故障和鏈路故障報(bào)警、設(shè)備統(tǒng)一配置等功能，用戶管理主要指通過(guò)認(rèn)證技術(shù)保證合法用戶的正常業(yè)務(wù)，對(duì)用戶的業(yè)務(wù)進(jìn)行管理、計(jì)費(fèi)等。(6）路由功能2.2交換矩陣體系結(jié)構(gòu)影響交換系統(tǒng)性能的一個(gè)要素就是交換體系結(jié)構(gòu)，為了滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，需要在體系結(jié)構(gòu)選擇上仔細(xì)考慮。目前，應(yīng)用最為廣泛的交換體系結(jié)構(gòu)有：交換矩陣體系結(jié)構(gòu)和共享存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)交換矩陣體系結(jié)構(gòu)，是一種縱橫制的交叉開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)包通過(guò)輸入端口進(jìn)入交換矩陣中，根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則和調(diào)度算法通過(guò)輸出端口送出。如果數(shù)據(jù)包在通過(guò)交換矩陣的時(shí)候需要先進(jìn)入交換矩陣的緩存區(qū)，則為緩存式交換矩陣體系結(jié)構(gòu)，否則為仲裁式。共享存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)以一個(gè)所有端口共用的公共存儲(chǔ)空間作為包緩存，數(shù)據(jù)包通過(guò)輸入端口進(jìn)入公共包緩存區(qū)，然后根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則和調(diào)度算法通過(guò)輸出端口送出。共享存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是在構(gòu)成獨(dú)立交換設(shè)備時(shí)非常簡(jiǎn)單，通常只需要單芯片，但是擴(kuò)展性不如交換矩陣結(jié)構(gòu)好，在構(gòu)成機(jī)架式系統(tǒng)時(shí)會(huì)受到較多限制。交換矩陣體系結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是可擴(kuò)展性好，可以靈活地構(gòu)成多種冗余方案，但是如果用來(lái)構(gòu)成獨(dú)立交換設(shè)備，則需要幾個(gè)芯片，成本較高。由于這兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)劣，因此，主流的交換芯片組通常采用兩種體系結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式。不同廠商的實(shí)現(xiàn)各具特點(diǎn)，功能細(xì)節(jié)也有所區(qū)別。3系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1全千里換機(jī)：全分散機(jī)式該文討論的對(duì)象是位于社區(qū)寬帶接入網(wǎng)最高層的全千兆多層交換機(jī)，采用1U獨(dú)立式機(jī)箱、具有12個(gè)千兆端口的交換機(jī)，用于管理的串口和以太網(wǎng)口，并預(yù)留了10Gbps堆疊端口。3.2電氣系統(tǒng)的性能特點(diǎn)根據(jù)需求分析，選擇了Broadcom公司的StrataXGS系列交換芯片BCM5690(1）集成度高，功耗低，可靠性高。芯片集成度業(yè)界領(lǐng)先，采用．13微米工藝制造，集成了12個(gè)千兆以太網(wǎng)MAC和串行解串行器（SerDes）、一個(gè)用于上連的10G接口MAC和SerDes、以及1MB高速包緩存，具備了構(gòu)成一個(gè)交換系統(tǒng)的大多數(shù)構(gòu)件，因此被稱為片上交換系統(tǒng)（Switch-on-Chip）。這樣的高度集成性可以降低系統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)的可靠性。由于采用．13微米工藝且設(shè)計(jì)合理，最大功耗僅為4.65W。(2）功能比較強(qiáng)大。符合802.1Q標(biāo)準(zhǔn)，最多支持4096個(gè)VLAN；支持802.1s多生成樹(shù)；每個(gè)端口有8個(gè)輸出優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，并有多種優(yōu)先級(jí)調(diào)度機(jī)制，支持區(qū)分服務(wù)（DiffServ）機(jī)制；每個(gè)端口都具有線速的過(guò)濾引擎，支持2-7層的包頭過(guò)濾；通過(guò)修改CoS或ToS字段，可以將包加入某個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，也可以將過(guò)濾出的包送到CPU進(jìn)一步處理，每端口最多可監(jiān)視128個(gè)不同的流。(3）性能可以滿足需求。具有二層和三層線速交換能力，硬件支持三層組播。由于采用了共享存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，可以滿足系統(tǒng)的組播吞吐要求，即某個(gè)端口以線速輸入，其他所有端口以線速轉(zhuǎn)發(fā)組播包。(4）可擴(kuò)展性好。BCM5690屬于Broadcom的StrataXGS芯片組。這組芯片中的背板芯片為帶緩存的交換矩陣結(jié)構(gòu)，交換芯片為共享存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，并且向下兼容Broadcom的StraraSwtich芯片組，具有很好的擴(kuò)展性，可以在一個(gè)系統(tǒng)中最多集成6144個(gè)快速以太網(wǎng)端口、或1536個(gè)千兆以太網(wǎng)端口、或128個(gè)10G以太網(wǎng)端口。3.3pi橋接口電路設(shè)計(jì)根據(jù)需求分析，選擇了Motorola公司的MPC824x(1）計(jì)算能力較強(qiáng)，功能集成度高，可靠性高。MPC824x是以32位超標(biāo)量處理器核MPC603e為計(jì)算核心，并集成了內(nèi)存管理單元，符合PCI2.2標(biāo)準(zhǔn)的PCI橋（支持32位/66MHz的PCI接口），以及中斷控制器，I(2）低功耗。MPC8245處理器核的運(yùn)行電壓為2V，簡(jiǎn)化版MPC8241內(nèi)核電壓更低，為1.8V。以MPC8245為例，當(dāng)PCI總線時(shí)鐘、內(nèi)存總線時(shí)鐘和CPU主頻分別為66/133/399MHz時(shí)，處理器核正常運(yùn)行的功耗為2.8W,I/O部分最大功耗為1.28W。在動(dòng)態(tài)電源管理情況下，處理器可以進(jìn)入“Doze/Nap/Sleep”三種節(jié)能模式，功耗分別為1.9/0.7/0.4W。(3）外部接口較多，方便設(shè)計(jì)和調(diào)試。MPC824x集成的PCI橋可連接5個(gè)PCI設(shè)備；串口控制器可以連接兩個(gè)串口；還有I4系統(tǒng)的資源配置和時(shí)鐘模塊根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以得到交換機(jī)的模塊結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。下面分別描述各模塊的功能和模塊之間的關(guān)系：交換模塊和管理模塊之間由于需要傳送大量的數(shù)據(jù)包（4-7層包處理），所以采用32位/66MHz的PCI總線，理論帶寬約為2Gbps，可以滿足要求電源模塊采用了Linear的LT1702A和國(guó)半的LM2636，這兩款都是DC-DC開(kāi)關(guān)降壓變壓器。LT1702A提供交換芯片核心所用的1.25V和2.5V,LM2636提供管理模塊核心電壓2.0V。采用開(kāi)關(guān)變壓器，具有較高的輸出功率，更高的轉(zhuǎn)換效率，并且芯片體積較小。配置模塊主要由一塊CPLD組成，系統(tǒng)選用了Lattice的ispMACH4128。它完成了系統(tǒng)的復(fù)位邏輯，管理模塊的配置和交換模塊的LED串行信號(hào)的解碼。時(shí)鐘模塊提供66MHz的PCI時(shí)鐘；為管理模塊中的網(wǎng)卡提供25MHz參考時(shí)鐘；為交換模塊提供10G上連端口所需的156.25MHz時(shí)鐘，千兆接口所需的25MHz時(shí)鐘，以及BCM5690的127MHz核心時(shí)鐘。時(shí)鐘源采用了25MHz的石英晶體，通過(guò)ICS343可編程擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器，產(chǎn)生127MHz、25MHz和66MHz三種時(shí)鐘。4.1基于4g/5g%背靠背式電路設(shè)計(jì)4gm5629交換模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心功能模塊，由于采用了集成度較高的交換芯片，因此，這個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主要由交換控制芯片BCM5690，物理層芯片BCM5464S，以及接口模塊組成，如圖3所示，下面分別描述各部分的功能及互連。交換控制器BCM5690，完成二層和三層的包轉(zhuǎn)發(fā)，并通過(guò)每個(gè)端口的流分類引擎對(duì)2-7層的包進(jìn)行處理，可以將需要特殊處理的數(shù)據(jù)包傳送給MPC8245。由于BCM5690內(nèi)置了SerDes模塊，可以通過(guò)SerDes接口的兩對(duì)信號(hào)線（Tx±和Rx±）直接連接光收發(fā)器，無(wú)需外部的SerDes芯片，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。在該系統(tǒng)中，選擇了SFF/SFP形式的千兆以太網(wǎng)收發(fā)器模塊。這種光模塊的物理尺寸還不到傳統(tǒng)的GBIC或者1X9模塊的一半；由于采用了更低的電壓，功耗較低，可以背靠背排列以增大端口密度；還可以監(jiān)控溫度、供電電壓、Tx輸出功率、激光偏置和Rx輸入功率等參數(shù)，對(duì)于高端的設(shè)備來(lái)說(shuō)這些監(jiān)控功能是必需的。BCM5690通過(guò)串行化千兆媒體無(wú)關(guān)接口（SGMII）接口與支持電接口的物理層芯片相連，SGMII與SerDes接口信號(hào)定義基本相同，區(qū)別只是在自協(xié)商信號(hào)的時(shí)序上有所區(qū)別。SGMII支持10/100/1000Mbps速度協(xié)商。與其他物理層接口相比，SGMII最大的優(yōu)勢(shì)就是信號(hào)線數(shù)量少。TBI需要28根，GMII需要25根，RGMII采用了DDR和控制信號(hào)復(fù)用的方式，將信號(hào)線減少到12根，而SGMII通過(guò)數(shù)據(jù)串行化和時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)，將信號(hào)線減少到4根。MAC和物理層芯片之間的連線少，提高了端口設(shè)計(jì)的密度，消除了高速并行信號(hào)的同步問(wèn)題。不過(guò)，信號(hào)線的數(shù)據(jù)速率比并行信號(hào)高很多，需要注意信號(hào)完整性問(wèn)題。物理層芯片選用了Broadcom的4口千兆以太網(wǎng)物理層芯片BCM5464S。這款芯片采用0.13微米的工藝，封裝面積很小，功耗較低，適合高密度的設(shè)計(jì)。BCM5464S的接口也很齊全，MAC接口有GMII、RGMII、TBI、RTBI、SGMII/SerDes，媒體接口有MDI和SerDes。它還支持SerDes直通模式（可以通過(guò)軟件設(shè)置），即MAC接口和媒體接口都使用SerDes，這也是選擇它的主要原因之一。該系統(tǒng)中，頂層交換機(jī)是通過(guò)光纖連接下一層交換機(jī)的，而與服務(wù)器則通過(guò)非屏蔽雙絞線連接。為了降低成本，設(shè)計(jì)4個(gè)千兆電接口，必要時(shí)能靈活切換成光接口。采用BCM5464S的SGMII到MDI模式和SerDes直通模式，并在驅(qū)動(dòng)程序中加入相應(yīng)的代碼，就可以實(shí)現(xiàn)光電切換功能。當(dāng)然，也可以用電接口的SFP模塊替換光接口的SFP模塊實(shí)現(xiàn)光電切換，但是成本為上述設(shè)計(jì)的5倍左右。BCM5464S還提供了MIIM管理接口與BCM5690相連，通過(guò)這個(gè)接口實(shí)現(xiàn)管理信息的交互。BCM5690的上連端口采用了XAUI接口，在電氣上符合10G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，但是控制協(xié)議采用了Broadcom私有的HiGig協(xié)議。這個(gè)接口由4組串行收發(fā)通道組成，每個(gè)通道的數(shù)據(jù)速率是2.5Gbps（信號(hào)速率為3.125GHz，采用8B/10B編碼），整個(gè)接口的數(shù)據(jù)速率為10Gbps。為了滿足高速率通信的要求，連接器和連接線采用符合Infiniband標(biāo)準(zhǔn)的MicroGiga4X。4.2系統(tǒng)的fpga與pb管理模塊以MPC8245為中心構(gòu)成，其上運(yùn)行著實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的配置和管理。管理部分還包括一個(gè)千兆以太網(wǎng)管理端口和一個(gè)RS-232串口，MPC8245運(yùn)行所需的存儲(chǔ)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)時(shí)鐘，以及符合IEEE1149.1的JTAG調(diào)試接口。管理模塊的結(jié)構(gòu)如圖4所示。存儲(chǔ)系統(tǒng)包括內(nèi)存和Flash。由于MPC8245集成了內(nèi)存控制器，所以不需要外接北橋芯片。根據(jù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的需求，至少要有64MB內(nèi)存，而且為了保證性能，需要采用64位數(shù)據(jù)寬度?？紤]系統(tǒng)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化，希望用最少數(shù)量的內(nèi)存芯片。根據(jù)內(nèi)存芯片的市場(chǎng)流行程度，采用4片16位寬32MB的內(nèi)存顆粒，需要連接15條地址線和64條數(shù)據(jù)線。MPC8245內(nèi)置了DLL電路，采用延遲回環(huán)的方式來(lái)同步內(nèi)存時(shí)鐘，只要保證延遲回環(huán)和各條內(nèi)存時(shí)鐘線的傳輸延遲都相等，就可以保證內(nèi)存時(shí)鐘的同步。系統(tǒng)采用了1U機(jī)箱設(shè)計(jì)，而且需要保證很高的可靠性，因此不適合采用磁盤(pán)，采用Flash比較合適。Flash有兩種類型，NOR型和NAND型，NOR的特點(diǎn)為相對(duì)電壓低、隨機(jī)讀取快、功耗低、穩(wěn)定性高；而NAND則容量大、回寫(xiě)速度快、芯片面積小，價(jià)格相對(duì)較低。在系統(tǒng)中使用Flash目的是存放啟動(dòng)代碼、操作系統(tǒng)內(nèi)核代碼和文件系統(tǒng)，并且需要片內(nèi)執(zhí)行，對(duì)于容量的需求不大，但是對(duì)于速度要求較高，因此選用NOR型Flash。為了方便軟件開(kāi)發(fā)，提高操作系統(tǒng)的可移植性，設(shè)計(jì)了啟動(dòng)Flash和文件Flash。啟動(dòng)Flash容量只有512KB，用來(lái)存儲(chǔ)操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)的系統(tǒng)啟動(dòng)代碼，相當(dāng)于PC中的BIOS。啟動(dòng)代碼包括系統(tǒng)設(shè)備的初始化，F(xiàn)lash的燒寫(xiě)等功能，還可以加入內(nèi)存讀寫(xiě)測(cè)試等調(diào)試功能，這樣可以在操作系統(tǒng)啟動(dòng)之前對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行必要的測(cè)試操作。文件Flash容量有16MB，一部分用來(lái)存放操作系統(tǒng)內(nèi)核壓縮包，剩余的空間作為文件系統(tǒng)，存放交換模塊的驅(qū)動(dòng)程序、管理界面文件、日志文件和用戶文件等。MPC8245的ROM空間分為基本空間和擴(kuò)展空間，基本空間共16MB，由兩個(gè)片選信號(hào)RCS0和RCS1分別控制8MB空間；而擴(kuò)展空間最大支持256MB，分配給兩