一種基于以太網(wǎng)架構(gòu)的ATM交換總線實(shí)現(xiàn)方法

胡廣文

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0　引言

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展, 以太網(wǎng)(Ethernet)作為一種標(biāo)準(zhǔn)化程度高、傳輸帶寬大、性價比高的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。以太網(wǎng)的傳輸速率也由最初的10 Mbps發(fā)展為百兆、千兆、萬兆，目前40 Gbps以太網(wǎng)作為干線傳輸已被廣泛應(yīng)用[2-3]。伴隨著以太網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍的拓展，以太網(wǎng)交換芯片產(chǎn)業(yè)呈高速發(fā)展的態(tài)勢，交換芯片、操作系統(tǒng)、軟件開發(fā)套件等形成了完善的產(chǎn)業(yè)鏈。基于以太網(wǎng)交換架構(gòu)實(shí)現(xiàn)設(shè)備開發(fā)成為發(fā)展趨勢[4]。

ATM(Asynchronous Transfer Mode)是一種傳遞綜合業(yè)務(wù)、效率高、控制靈活的信息傳遞模式，在傳輸鏈路帶寬受限、服務(wù)質(zhì)量要求高的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中仍發(fā)揮著重要作用。隨著網(wǎng)絡(luò)對承載及兼容能力需求的不斷提升，如何在設(shè)備構(gòu)架設(shè)計(jì)中將ATM技術(shù)與以太網(wǎng)交換技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)架構(gòu)具有ATM交換特性的綜合交換設(shè)備成為研發(fā)廠商關(guān)注的一項(xiàng)技術(shù)。目前基于ATM LVDS鏈路復(fù)用/轉(zhuǎn)換器構(gòu)建的星型拓?fù)涞脑O(shè)備架構(gòu)已面臨淘汰，一些廠商借助百兆以太網(wǎng)PHY代替了ATM鏈路復(fù)用/轉(zhuǎn)換器初步實(shí)現(xiàn)了基于以太網(wǎng)物理層承載的ATM星型交換拓?fù)浼軜?gòu)。但這種架構(gòu)又面臨無法與以太網(wǎng)交換兼容、交換鏈路帶寬調(diào)整困難、擴(kuò)展性差等問題?；谇д滓蕴W(wǎng)交換承載[5]的邏輯星型ATM交換總線的主要實(shí)現(xiàn)方法有：① 通過信息報(bào)文格式的構(gòu)建以適應(yīng)跨越以太網(wǎng)交換；② 通過反壓機(jī)制的設(shè)計(jì)使交換矩陣適應(yīng)傳輸鏈路接口帶寬的差異性；③ 通過交換鏈路帶寬靈活調(diào)整實(shí)現(xiàn)各插卡對ATM交換總線的高效共享。采用層次化手段解決了ATM交換邏輯與以太網(wǎng)交換構(gòu)架有機(jī)融合，在保證ATM交換特性的基礎(chǔ)上兼固IP交換的優(yōu)點(diǎn)從而提高了設(shè)備的擴(kuò)展性和兼容性。

1　以太網(wǎng)及ATM分組結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)是基于變長幀交換的網(wǎng)絡(luò)，是一種無連接網(wǎng)絡(luò)[6-7]。其幀符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)[8]或RFC894標(biāo)準(zhǔn)[9]，為提高有效帶寬，此處采用RFC894標(biāo)準(zhǔn)，幀格式如圖1所示。

圖1　RFC894以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)

目的MAC地址：接收以太網(wǎng)幀的設(shè)備地址，6 Byte長度；

源MAC地址：發(fā)送以太網(wǎng)幀的設(shè)備地址，6 Byte長度；

以太網(wǎng)幀類型：該字段用于標(biāo)識數(shù)據(jù)字段中包含的高層協(xié)議類型，2 Byte長度；

數(shù)據(jù)字段：數(shù)據(jù)字段最小長度必須為46 Byte， 以保證以太網(wǎng)幀長至少為64 Byte，最大長度為1 500 Byte。

FCS：幀差錯檢測編碼，包括地址字段、類型、數(shù)據(jù)字段的循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)碼。用于檢測幀在傳輸過程中是否發(fā)生了錯誤。

ATM是基于定長信元的快速分組交換技術(shù)，ATM網(wǎng)絡(luò)是一種面向連接的網(wǎng)絡(luò)[10-11]。信元結(jié)構(gòu)符合ITU-T I.361標(biāo)準(zhǔn)[12]。本實(shí)現(xiàn)方法采用的UNI信元標(biāo)準(zhǔn)，格式如圖2所示。

GFC：一般流量控制，4 bit，只用于UNI接口，目前保留。

VPI：虛通路標(biāo)識，8 bit。

VCI：虛通道標(biāo)識，16 bit，標(biāo)識虛通路中的虛通道，VPI/VCI一起標(biāo)識一個虛連接。

PT：凈荷類型，3 bit。用于指示本信元為用戶數(shù)據(jù)或OAM信元等。

圖2　I.361 UNI信元結(jié)構(gòu)

CLP：信元丟失優(yōu)先級，1 bit。用于擁塞控制。

HEC：信頭差錯控制，8 bit，用于進(jìn)行信元定界和信頭錯誤檢測。

凈荷：固定長度凈荷，48 Byte。ATM信元對AAL0、AAL2、AAL5等不同類型業(yè)務(wù)的統(tǒng)一信息承載字段。

2　設(shè)計(jì)要求及分層模型設(shè)計(jì)

2.1　設(shè)計(jì)要求

整機(jī)設(shè)計(jì)中總線架構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足如下幾點(diǎn)：

① 通過采用以太網(wǎng)交換作為插卡間信息交互的基礎(chǔ)，以滿足向全I(xiàn)P交換靈活升級應(yīng)用需求[13]。

② 適應(yīng)ATM網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路帶寬離散性大、鏈路數(shù)量多的應(yīng)用特點(diǎn)，具備與原ATM網(wǎng)絡(luò)等同的業(yè)務(wù)QoS控制特性[11]。

③ 通過合理的交換總線設(shè)計(jì)，兼容ATM交換設(shè)備能力，保證技術(shù)延續(xù)性和設(shè)備的穩(wěn)定性，達(dá)到設(shè)備升級換代目的。

④ 綜合發(fā)揮以太網(wǎng)交換和ATM交換各自的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)雙交換的有機(jī)融合，保證設(shè)備的前向兼容性和后向擴(kuò)展性。

2.2　傳統(tǒng)ATM交換邏輯分層模型

傳統(tǒng)的ATM交換邏輯實(shí)現(xiàn)如圖3所示，圖中虛線右側(cè)為ATM交換卡邏輯構(gòu)成，左側(cè)為各類業(yè)務(wù)/中繼插卡的邏輯構(gòu)成[14-15]。各業(yè)務(wù)/中繼插卡通過基于點(diǎn)到點(diǎn)LVDS背板鏈路與交換卡構(gòu)成星型交換總線拓?fù)?。各業(yè)務(wù)/中繼插卡間通過ATM交換卡實(shí)現(xiàn)信息交換和傳輸。

圖3　傳統(tǒng)ATM交換設(shè)備分層模型

2.3　基于以太網(wǎng)架構(gòu)的ATM交換總線分層模型

新的分層模型是在原ATM交換設(shè)備分層模型的基礎(chǔ)上將LVDS總線適配更改為以太網(wǎng)適配，設(shè)計(jì)以太網(wǎng)總線適配層以適應(yīng)信息穿越以太網(wǎng)交換，從而構(gòu)建以ATM交換卡為核心的邏輯星型交換。基于以太網(wǎng)構(gòu)架的ATM交換總線分層模型如圖4所示。

圖4　基于以太網(wǎng)構(gòu)架的ATM交換分層模型

以太網(wǎng)總線適配層對上層接口與原LVDS總線適配層對上接口保持一致，保留原中繼鏈路處理、業(yè)務(wù)接入處理層、ATM適配層、ATM交換等硬件邏輯設(shè)計(jì)和協(xié)議及信令處理的軟件代碼，從而繼承原ATM交換設(shè)備針對ATM連接、流格式業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、語音業(yè)務(wù)等邏輯處理功能和面向連接的QoS控制特性。以太網(wǎng)總線適配層這一特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了對原總線適配層之上處理的無感化，避免了大量的二次開發(fā)工作，保證了設(shè)備的穩(wěn)定性和延續(xù)性。

以太網(wǎng)總線適配層對下主要適應(yīng)以太網(wǎng)交換總線特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)報(bào)文信息翻譯、封裝和拆裝。適配層完成插卡的槽位信息與以太網(wǎng)地址映射，完成各邏輯通道的帶寬調(diào)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)/中繼插卡與ATM交換卡間虛擬ATM星型拓?fù)錁?gòu)建。適配層充分利用以太網(wǎng)交換容量及鏈路帶寬大的特點(diǎn)，將傳輸序號、鏈路通道號、通道反壓、優(yōu)先級等ATM交換控制信息作為專用附加字段插入以太網(wǎng)傳輸幀[16]中實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)承載。

3　總線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1　設(shè)備總線結(jié)構(gòu)

設(shè)備總線結(jié)構(gòu)如圖5所示。物理總線拓?fù)涫且砸蕴W(wǎng)二層交換[17-18]為基礎(chǔ)與各插卡構(gòu)建的物理承載星型拓?fù)?，ATM邏輯總線拓?fù)涫且訟TM交換單元為中心與各插卡構(gòu)建的ATM邏輯星型拓?fù)洹Ｃ總€單元具有唯一的以太網(wǎng)MAC地址，總線上從各業(yè)務(wù)單元到ATM交換單元信息流向稱之為Upstream方向，從ATM交換單元到各業(yè)務(wù)單元信息流向稱之為Downstream方向。

總線傳輸幀封裝格式如圖6所示。在Upstream方向和Downstream方向ATM交換專用字段有所不同。

圖5　基于以太網(wǎng)架構(gòu)的ATM交換總線拓?fù)?/p>

圖6　總線傳輸幀封裝格式

3.2　字段說明

傳輸序號：總線傳輸幀序號，可用于監(jiān)視總線傳輸質(zhì)量；

CA字段：指示通道緩存隊(duì)列是否達(dá)到擁塞門限；

PHY-ID字段：指示幀中承載的信元的PHY通道號標(biāo)識；

優(yōu)先級字段：指示幀中承載的信元的優(yōu)先級。

3.3　總線信息傳送工作流程

① MAC地址確定，ATM交換單元MAC地址是固定的。其他插卡通過背板上的物理槽位地址生成本板的MAC地址。

② 由管理單元配置ATM交換單元交換端口與目的MAC地址的對應(yīng)關(guān)系并為各端口分配的ATM交換總線帶寬資源。

③ ATM交換單元采用WRR算法按設(shè)置的帶寬調(diào)度各虛擬ATM交換端口，將定長信元(如有業(yè)務(wù)信元封裝業(yè)務(wù)信元，無業(yè)務(wù)信元封裝空信元)封裝到以太網(wǎng)幀的凈荷中，通過查找ATM交換端口與MAC地址翻譯表實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)承載幀頭封裝，同時將對應(yīng)交換端口Upstream方向擁塞指示封裝入CA字段，通過Downstream方向發(fā)送給以太網(wǎng)交換。

④ 以太網(wǎng)交換通過對幀頭中目的MAC地址查表轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的業(yè)務(wù)/中繼卡上。

⑤ 各業(yè)務(wù)/中繼單元收到Downstream方向的信元后，如為有效信元則按照PHY-ID字段發(fā)送給業(yè)務(wù)或中繼端口進(jìn)行處理，如為空信元則丟棄。同時各業(yè)務(wù)插卡按照從Downstream方向接收信元的頻率向Upstream方向發(fā)送信元(如Upstream方向無業(yè)務(wù)信元或Downstream方向的信元CA指示擁塞，則發(fā)送空信元幀，否則發(fā)送業(yè)務(wù)信元幀)。同時通過發(fā)送幀中的CA字段攜帶Downstream方向各PHY通道擁塞指示。

⑥ 以太網(wǎng)交換通過對幀頭中目的MAC地址將各業(yè)務(wù)/中繼卡Upstream方向的幀轉(zhuǎn)發(fā)到ATM交換單元。

⑦ ATM交換接收到各插卡Upstream方向的信元，如封裝的為空信元則丟棄，如為業(yè)務(wù)信元則送入ATM交換矩陣進(jìn)行交換。并根據(jù)Upstream方向傳來的CA信息決定是否調(diào)度對應(yīng)交換矩陣輸出PHY通道的業(yè)務(wù)。

3.4　實(shí)現(xiàn)過程中的注意事項(xiàng)

由于ATM交換單元與各個插卡間已經(jīng)不是原有星型直連的LVDS線路，而是變成了基于以太網(wǎng)的邏輯星型拓?fù)?，即所有?jīng)過ATM交換的信息共享ATM交換單元的以太網(wǎng)承載鏈路，即所以進(jìn)行總線帶寬資源分配時，應(yīng)小于以太網(wǎng)承載鏈路帶寬。

在緩存隊(duì)列的設(shè)計(jì)方面必須綜合考慮以太網(wǎng)交換延時、業(yè)務(wù)對外接口速率、總線帶寬資源、PHY-ID支持?jǐn)?shù)量等因素，以確定各業(yè)務(wù)/中繼單元交換端口Downstream方向信元緩存隊(duì)列數(shù)量和深度。

3.5　應(yīng)用案例

采用基于以太網(wǎng)架構(gòu)的ATM交換總線實(shí)現(xiàn)方法已應(yīng)用于綜合交換設(shè)備的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。通過設(shè)備在綜合組網(wǎng)環(huán)境下承載的語音、傳真、數(shù)據(jù)、視頻等業(yè)務(wù)特性的測試表明：各類業(yè)務(wù)的QoS承載、ATM交換容量特性與原ATM交換設(shè)備一致，但設(shè)備的擴(kuò)展性、靈活性及兼容性得到顯著提升。

4　結(jié)束語

本文從分層模型、分組格式及工作流程等方面詳細(xì)闡述了一種基于以太網(wǎng)架構(gòu)的ATM交換總線實(shí)現(xiàn)方法。通過工程應(yīng)用和測試表明，此種方法在對傳統(tǒng)的ATM交換設(shè)備升級換代中取得了較好的效果。基于以太網(wǎng)架構(gòu)的ATM交換總線實(shí)現(xiàn)方法著眼點(diǎn)在將基于原有的ATM專用總線平滑移植到基于以太網(wǎng)承載架構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，保證了設(shè)備功能和特性延續(xù)性的同時,實(shí)現(xiàn)了設(shè)備架構(gòu)的兼容性和靈活性。層次替換對上無感的設(shè)計(jì)思路對路由交換、網(wǎng)絡(luò)控制甚至測試類設(shè)備的升級換代具有較好的借鑒意義。

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