主備雙冗余網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)研究

摘要：本文介紹了一種主備方式工作的大容量、雙冗余網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案，旨在提高軍事“云”應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)；云計(jì)算；主控；時(shí)鐘；交換網(wǎng)；主備倒換

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9599 （2012） 24-0150-02

1 概述

“云計(jì)算”被視為計(jì)算機(jī)誕生以來的第四次信息技術(shù)革命。其革命性意義在于運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)天然的滲透性，集成和管理分布于廣域空間的計(jì)算能力。然而“云計(jì)算”也不是完美的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式，云計(jì)算存在以下缺點(diǎn)：（1）需要持久、穩(wěn)定、可靠的網(wǎng)絡(luò)連接；（2）低速連接時(shí)計(jì)算或處理操作緩慢，效率低。

由于軍事領(lǐng)域?qū)煽啃砸筇貏e嚴(yán)苛，所以云計(jì)算的缺點(diǎn)在軍事“云”中表現(xiàn)的尤為突出。本文基于可靠性和高速寬帶的需求，提出了大容量、雙冗余網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該設(shè)備由兩塊功能和性能指標(biāo)相同的單板組成，控制面以主備方式工作，交換面以負(fù)荷分擔(dān)的方式工作，兩塊單板通過各自的背板管理通道實(shí)現(xiàn)主備之間配置同步，數(shù)據(jù)備份和業(yè)務(wù)平滑。

每塊單板由主控模塊、時(shí)鐘模塊、和交換模塊組成。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 主控模塊。主控模塊以飛思卡爾公司MPC83XX系列PowerPC作為主處理器，處理器基于e300c4s內(nèi)核，主頻667MHz，處理能力最高可達(dá)2310MIPS；處理器內(nèi)部存儲(chǔ)空間包括32KbyteL1數(shù)據(jù)Cache和32KbyteL1指令Catche，支持多種內(nèi)存尋址的內(nèi)存管理模式；片上集成了DDR控制器，支持ECC校驗(yàn)，最高支持512M內(nèi)存；處理器支持32位增強(qiáng)型LocalBus，接口速度高于133MHz；片內(nèi)提供兩路三速增強(qiáng)型以太網(wǎng)控制器，通過軟件配置可以工作在RGMII/MII/RMII/RTBI/SGMII，MII接口需通過外部PHY實(shí)現(xiàn)；此外還集成了兩路PCIExpress控制器，該控制器可以支持PCIe-X1.0總線標(biāo)準(zhǔn)。處理器與外圍I/O接口通過localbus接口以及PCIe總線實(shí)現(xiàn)。

主控模塊是系統(tǒng)的控制核心。CPU通過PCIe接口實(shí)現(xiàn)對(duì)交換網(wǎng)的配置和管理，配置數(shù)據(jù)傳送給交換網(wǎng)模塊的物理通道是三速以太網(wǎng)接口，軟件將其配置成SGMII，同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)維護(hù)和故障診斷上報(bào)。I2C接口實(shí)現(xiàn)對(duì)分立鎖相環(huán)和電壓監(jiān)控器件的配置。32位增強(qiáng)型LocalBus通過CPLD控制邏輯轉(zhuǎn)換成為MPI用于與FLASH、FPGA時(shí)鐘邏輯、JTAG控制器的接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)的控制和數(shù)據(jù)通訊。CPLD控制邏輯除了要實(shí)現(xiàn)MPI接口轉(zhuǎn)換外，還要實(shí)現(xiàn)主備倒換邏輯、FPGA從串加載接口、看門狗提前通知和屏蔽，設(shè)備工作指示燈控制等功能。

2.2 交換模塊。該單板交換模塊設(shè)計(jì)以BroadCom的芯片來實(shí)現(xiàn)。BroadCom以太網(wǎng)交換芯片和PHY芯片全面兼容軟件API，SDK封裝完備，軟件開發(fā)可直接面對(duì)API，產(chǎn)品完全支持IPV4/IPV6協(xié)議。交換網(wǎng)片主要由GE/XE接口（MAC/PHY）模塊，CPU接口（PCIe/PCI）模塊，輸入輸出匹配/修改模塊，MMU模塊，L2轉(zhuǎn)發(fā)模塊，L3轉(zhuǎn)發(fā)模塊，安全模塊和流分類模塊等組成。PHY主要完成數(shù)據(jù)傳送，線路狀態(tài)指示，線路時(shí)鐘提取，數(shù)碼編碼，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)還原等，接口符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。

交換模塊主要完成系統(tǒng)業(yè)務(wù)交換功能，CPU通過PCIe接口完成交換網(wǎng)的配置管理。以BCM56820和BCM56330為交換網(wǎng)片，BCM8727和BCM54980為PHY實(shí)現(xiàn)交換網(wǎng)模塊。交換網(wǎng)向外送出22個(gè)XAUI端口，24個(gè)GE自適應(yīng)網(wǎng)口，BCM56820和BCM56330之間通過2個(gè)XAUI端口捆綁成一片交換網(wǎng)芯片，兩塊單板背板管理通道分配2個(gè)XAUI端口，分配1GE端口與CPU完成通信。

2.3 時(shí)鐘模塊。時(shí)鐘模塊主要由分立鎖相環(huán)、時(shí)鐘FPGA邏輯組成，用于系統(tǒng)時(shí)鐘同步。該模塊主要完成時(shí)鐘的鎖相、時(shí)間信息跟蹤和時(shí)鐘發(fā)送。時(shí)鐘模塊可以接收面板和對(duì)板時(shí)鐘源作為本板時(shí)鐘參考源，并根據(jù)時(shí)鐘邏輯的頻偏檢測(cè)和配置完成時(shí)鐘選源，完成選源的時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過鎖相環(huán)，輸出給單板其他模塊作為工作時(shí)鐘和線路時(shí)鐘，并輸送給備用單板作為幀同步信號(hào)。同時(shí)，時(shí)鐘模塊需要實(shí)時(shí)檢測(cè)時(shí)鐘源的有無，一旦時(shí)鐘源丟失，單板需要有時(shí)鐘短期保持功能，保證設(shè)備板時(shí)鐘平滑和連續(xù)，當(dāng)時(shí)鐘源丟失超過設(shè)置的閥值，系統(tǒng)完成主備單板倒換。

時(shí)鐘邏輯主要功能分析：

功能需求實(shí)現(xiàn)描述

時(shí)鐘檢測(cè)功能實(shí)時(shí)檢測(cè)參考時(shí)鐘源，當(dāng)時(shí)鐘源丟失時(shí)，上報(bào)告警。

輸出幀同步相位跟蹤功能備用單板跟蹤主用單板輸出的8k幀同步信號(hào)，保證主備倒換時(shí)相位平滑。

時(shí)鐘鑒相功能實(shí)現(xiàn)分立鎖相環(huán)的鑒相部分功能。

時(shí)鐘分發(fā)功能鎖相后輸出給單板其他模塊作為工作時(shí)鐘和線路時(shí)鐘并輸送給備用單板作為幀同步信號(hào)。

時(shí)鐘保持功能當(dāng)時(shí)鐘參考源丟失時(shí)，單板可繼續(xù)保持時(shí)鐘短期穩(wěn)定輸出。

地址線檢測(cè)使用地址線檢測(cè)寄存器，該寄存器保持CPU訪問寄存器地址，提供CPU檢測(cè)地址線的途徑。

3 軟件需求分析及主備倒換功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)軟件需求分析。軟件操作系統(tǒng)使用風(fēng)河公司的VxWorks，具有微內(nèi)核、可裁剪的高性能、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，鑒于其主要優(yōu)點(diǎn)嵌入式VxWorks作為PowerPC硬件平臺(tái)的操作系統(tǒng)是較好的選擇。該系統(tǒng)軟件除了操作系統(tǒng)，基本的芯片驅(qū)動(dòng)，BSP等之外，還包括以下功能需求：

功能需求實(shí)現(xiàn)描述

時(shí)鐘源管理通過時(shí)鐘邏輯寄存器的配置時(shí)鐘源的選擇，切換和告警。

時(shí)鐘源檢測(cè)在時(shí)鐘邏輯的配合下完成時(shí)鐘丟失和頻偏檢測(cè)功能，用于時(shí)鐘選源和切換。

幀同步信號(hào)相位跟蹤時(shí)鐘邏輯配合下，實(shí)現(xiàn)備用單板跟蹤主用單板幀同步信號(hào)。

交換網(wǎng)配置配置交換網(wǎng)的單播、多播、廣播表項(xiàng)，完成系統(tǒng)交換。

PortTruking軟件要實(shí)現(xiàn)必要的PortTruking，支持Truking更新。

配置同步功能主備單板從邏輯上捆綁成一塊單板，交換網(wǎng)表項(xiàng)吧、配置更改要保持同步，統(tǒng)一。

鏈路檢測(cè)軟件定時(shí)發(fā)送檢測(cè)報(bào)文，周期性檢測(cè)鏈路是否暢通。

Truking組更新檢測(cè)到鏈路故障時(shí)，要將相應(yīng)故障的鏈路從Truking組中剔除。

主備倒換功能控制單板升主使能，強(qiáng)制單板降備。

通信處理功能支持交換網(wǎng)接口，調(diào)試串口，調(diào)試網(wǎng)口。

3.2 主備倒換功能的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中主控模塊完成交換網(wǎng)配置管理，系統(tǒng)維護(hù)和智能故障診斷功能，帶外的2*10Ge管理通道主要完成兩塊單板之間的配置同步，數(shù)據(jù)備份和業(yè)務(wù)平滑，將兩塊單板的交換網(wǎng)邏輯上捆綁成一片交換網(wǎng)；軟件定時(shí)發(fā)送鏈路檢測(cè)報(bào)文，周期性檢測(cè)鏈路是否故障并上報(bào)告警。并將故障的GE、10G鏈路及時(shí)從Trunking組中刪除，保證兩塊交換網(wǎng)的Trunking組狀態(tài)一致，還要實(shí)時(shí)通知GE、10G鏈路的故障狀態(tài)，當(dāng)錯(cuò)誤報(bào)文達(dá)到倒換條件，主控模塊通過CPLD邏輯控制主用單板復(fù)位，備用單板升主。

4 系統(tǒng)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)及工作環(huán)境

（1）GESerdes：符合IEEE802.31000Base-X標(biāo)準(zhǔn)，CML電平；（2）XAUI：符合IEEE802.3ae標(biāo)準(zhǔn)，CML電平；（3）PCIe：PCIExpressX1.0總線標(biāo)準(zhǔn)；（4）10GE光/電接口：標(biāo)準(zhǔn)SFP+接口；（5）工作環(huán)境：長(zhǎng)期工作溫度5-45℃，濕度5-85%。

5 結(jié)束語

云計(jì)算的應(yīng)用中，數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算服務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接可靠性不容忽視。主備雙冗余網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)方案很好的解決了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，可靠和高速連接的問題，也可以應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的其他場(chǎng)景。

參考文獻(xiàn)：

[1]VxWorksProgrammer’sGuide[Z].WindRiverSystem，Inc，1984～1999.

[2]譚明新.現(xiàn)代交換技術(shù)實(shí)用教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[3]張毅等.現(xiàn)代交換原理[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

[4]王齊.PCIExpress體系結(jié)構(gòu)導(dǎo)讀[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.