采用CTC6048與88E1340芯片實現(xiàn)三層全千兆路由交換機的設計

引言

交換技術與快速以太網(wǎng)的結合對網(wǎng)絡服務器和園區(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)絡速率。而交換和路由相結合的第三層交換技術使交換機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的同時明顯降低路由成本。本文介紹了用盛科網(wǎng)絡有限公司自主開發(fā)的核心芯片為主芯片設計的三層全千兆路由交換機，是針對用戶對三層至多層交換的需求而設計的一款高性能千兆智能交換機。該交換機具有靈活的端口配置、豐富的二層交換、三層路由、服務質(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)務承載需要，同時針對無線接入網(wǎng)絡(RAN)滿足2G/3G/LTE 不同階段網(wǎng)絡承載需求，實現(xiàn)多業(yè)務統(tǒng)一承載的平滑演進。

1 、系統(tǒng)介紹

本交換機采用核心交換(Humber)芯片和物理層(PHY)芯片分離的結構，主要由Humber交換系統(tǒng)、CPU管理系統(tǒng)和電源時鐘系統(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10/100/1000Base-TX 自適應電接口和4個1000Base-X光接口，實現(xiàn)全線速、無阻塞網(wǎng)絡傳輸。并可根據(jù)用戶的需要調(diào)整設備接口數(shù)量。

本交換機特性如下：

1.基于高性能芯片實現(xiàn)QoS 能力，基于端口設定優(yōu)先級，也可以針對不同協(xié)議制定優(yōu)先級(IEEE802.1p)，采用靈活隊列分級調(diào)度技術和擁塞管理，具有低延遲、低抖動特性、確保重要業(yè)務不受延遲或丟棄，同時保證網(wǎng)絡的高效運行。

2.支持虛擬局域網(wǎng)(VLAN，IEEE802.1Q)，最多支持4096個VLAN，有效降低搬遷、增加和改變網(wǎng)絡節(jié)點的管理負擔，以及將網(wǎng)絡廣播業(yè)務流限制在VLAN內(nèi)，控制流量和抑制廣播風暴的產(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)絡中循環(huán)的出現(xiàn)。

4.支持以太網(wǎng)OAM功能，可以簡化網(wǎng)絡操作，檢驗網(wǎng)絡性能和降低網(wǎng)絡運行的成本，完成日常網(wǎng)絡和業(yè)務的分析、預測、規(guī)劃和配置工作。

5.支持網(wǎng)絡管理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程序進行上傳和下載，極大地方便用戶的使用?？赏ㄟ^WEB方式進行管理，降低對維護人員的要求，簡化了網(wǎng)絡管理的工作量。

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

2、 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

2.1 Humber交換系統(tǒng)

Humber交換系統(tǒng)是本交換機的核心電路。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、地址學習和老化、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，其工作頻率達到575MHz;數(shù)據(jù)位寬達到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等地址轉換技術;豐富的MPLS特性;基于硬件的OAM 機制，包括IEEE802.1ag 和 ITU-T Y.1731;支持基于 G.8031/G.8032 標準的快速保護切換(APS)，切換時間小于50ms;在服務質(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，滿足更低成本應用的要求;提供48個具備全線速交換的串行千兆比特媒體無關接口(SGMII) ，也可以配置成4個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。嚴格遵循IEEE 802.3x標準，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)字時鐘恢復，數(shù)字自適應均衡的接收器，發(fā)射器脈沖整形，自動協(xié)商等管理功能。其內(nèi)部集成了4個獨立的千兆以太網(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?個物理層接口和4個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，簡化了電路板布局，降低了電路板的費用。采用的Marvell校準電阻器方案達到并超過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)光接口的轉化功能。當SGMII接口與光模塊連接時，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、路由學習等功能。系統(tǒng)包括存儲模塊、復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。其中存儲模塊包括DDR和FLASH：DDR提供CPU高速運行的存儲空間，F(xiàn)LASH用于在斷電的情況下對程序和配置信息進行保存，保證掉電后的數(shù)據(jù)信息不丟失。2.3 電源時鐘系統(tǒng)

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

2.3.1 時鐘電路設計

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

2.3.2 系統(tǒng)電源設計

系統(tǒng)電源采用二次電源轉換的方案實現(xiàn)。首先由高性能的AC-DC線性電源模塊變換出所需的DC +12V，進入電源時序控制電路，按系統(tǒng)要求的時序控制輸出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設計中，特別采取了濾波措施。如：在電源輸入端，進行π 型濾波，防止外部干擾信號通過電源耦合進入設備，同時也防止了設備本身產(chǎn)生的信號干擾其它設備;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100nF的電容進行高頻濾波;在DC-DC模塊周邊進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。電源設計框圖如圖4所示。

3 、系統(tǒng)軟件架構

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

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

擴展接口(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)務組件提供各種系統(tǒng)服務。

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，可通過命令行或WEB方式管理本交換機。

4、 性能測試情況

利用專用以太網(wǎng)測試儀(XM12)對本交換機的主要項目指標進行測試。其中，端口1至24是電接口，用雙絞線纜連接到測試儀;端口25至28是光接口，用單模光纖連接器連接到測試儀。測試時，將交換機的任意2個端口組合同時互發(fā)測試數(shù)據(jù)包，共組成14組測試組合。在實驗室測試時，我們進行了多種組合方案的測試，取得了預期的效果。僅列其中一種組合方案的性能指標測試結果，詳見表l。

5 、結束語

本文對以盛科網(wǎng)絡有限公司自主開發(fā)的核心芯片為主芯片設計的三層全千兆路由交換機進行了全面介紹，并對交換機的性能指標進行了測試。小批量投產(chǎn)后，可應用于包括IPTV、VoIP、High-speed Internet Access、VPN等以太網(wǎng)業(yè)務，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)千兆到桌面的應用。較傳統(tǒng)路由器，該交換機有明顯的優(yōu)勢，具有更廣闊的應用前景。

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