基于自主芯片組建計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的研究

王星海

（中國電信股份有限公司楚雄分公司，云南 楚雄 675000）

0 引言

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備芯片來源單一，斯諾登事件、芯片禁售事件給我們敲響了警鐘。芯片成為信息安全的重要隱患，是“卡脖子”的問題[5]?，F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備構(gòu)架過于復(fù)雜，體積大，功耗高，成本高。只有重新設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的芯片構(gòu)架、簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)，解決以上問題[4]。本文的方案專門應(yīng)用于政企網(wǎng)絡(luò)，非運(yùn)營(yíng)商骨干網(wǎng)。

1 解決方案

1.1 相關(guān)設(shè)備芯片解決方案

現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，是“專用集成電路”構(gòu)架，我們稱為A型構(gòu)架，以三層交換機(jī)為主導(dǎo)組建網(wǎng)絡(luò)?；谧灾髌胀呻娐罚瑏碓炊?，我們稱為B型構(gòu)架。怎樣重新構(gòu)建交換機(jī)、路由器、防火墻呢？

交換機(jī)，是普通、簡(jiǎn)單的二層交換機(jī)，使用自主成熟的芯片體系，設(shè)備結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，無需操作系統(tǒng)、配置參數(shù)，本文不再論述。

路由器、防火墻，使用成熟的簡(jiǎn)潔的芯片系統(tǒng)。使用多個(gè)網(wǎng)絡(luò)適配器的計(jì)算機(jī)平臺(tái)構(gòu)建，或使用帶多個(gè)網(wǎng)口的嵌入式平臺(tái)構(gòu)建。路由器、防火墻使用相同的芯片結(jié)構(gòu)，設(shè)備上安裝不同的操作系統(tǒng)區(qū)別功能[1]。設(shè)備結(jié)構(gòu)是普通計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，它擁有多個(gè)網(wǎng)卡。芯片體系構(gòu)架如下圖1。

圖1 路由器、防火墻結(jié)構(gòu)圖（Router、Firewall structure）

筆者在中國瑞芯微RK3399芯片的工程機(jī)，該芯片基于ARM64構(gòu)架，開發(fā)了路由器、防火墻操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)路由器、防火墻功能。軟件系統(tǒng)由開源技術(shù)改良、修改、內(nèi)核調(diào)整形成。

路由器設(shè)備支持的功能為：靜態(tài)路由；RIP（使用最廣泛的距離向量協(xié)議）OSPF（開放式最短路徑優(yōu)先路由協(xié)議）；BGP（邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議,自治系統(tǒng)間的協(xié)議)；VRRP(虛擬冗余路由協(xié)議)；telnet、ssh網(wǎng)管；consle配置口。

防火墻設(shè)備支持的功能為：網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）；包過濾功能；pptp服務(wù)器；ipsec隧道功能；web網(wǎng)管；速率控制等功能。

1.2 設(shè)備軟件開發(fā)過程

路由器軟件系統(tǒng)基于開源Linux、Xorp。當(dāng)然，也可基于其他開源軟件開發(fā)。瑞芯微RK3399開發(fā)板支持Debian 9 Linux,該軟件可從網(wǎng)上下載[8]，在windows 7系統(tǒng)下，使用軟件physdiskwrite 0.5.4，將Debian9寫入sd卡[9],在開發(fā)板上啟動(dòng)后，SSH登錄。依次執(zhí)行以下步驟：

重啟后，以用戶admin登錄，執(zhí)行命令cli,即可對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置。

防火墻軟件也是以開源Linux、freeBSD為基礎(chǔ)開發(fā)。是通過網(wǎng)頁進(jìn)入，對(duì)操作系統(tǒng)的核心進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)配置。詳細(xì)過程，本文不在論述。

1.3 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

在B型構(gòu)架的網(wǎng)絡(luò)中，采用“B構(gòu)架路由器+二層交換機(jī)”替代現(xiàn)網(wǎng)的三層交換機(jī)、路由器。

1.3.1 醫(yī)院、校園內(nèi)網(wǎng)

單位組建內(nèi)網(wǎng)，用于內(nèi)部信息化、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等應(yīng)用[3]，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如下圖2所示。

圖2 醫(yī)院、校園網(wǎng)（Hospital、campus network）

在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)圖中，淘汰了三層交換機(jī)。使用了B型構(gòu)架的路由器[10]、防火墻、普通交換機(jī)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。云計(jì)算、大數(shù)據(jù)中心也是基于路由器、交換機(jī)的結(jié)構(gòu)。由防火墻網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)連接至其他專網(wǎng)或外網(wǎng)[2]。對(duì)于稍小的單位，也可組建簡(jiǎn)單的星型網(wǎng)絡(luò)，本文不再描述。

1.3.2 覆蓋全國的黨政軍、企業(yè)、事業(yè)單位內(nèi)網(wǎng)

本解決方案以某大型企業(yè)內(nèi)網(wǎng)為例，詳細(xì)描述組網(wǎng)的范例,本范例還適用于覆蓋全國的黨政軍、企事業(yè)單位專網(wǎng)。

某大型企業(yè)A(以后簡(jiǎn)稱A公司),其業(yè)務(wù)遍布全國各地,其內(nèi)網(wǎng)也遍布全國各地，內(nèi)網(wǎng)從企業(yè)總部延伸至各省公司、州市公司、縣公司、鄉(xiāng)鎮(zhèn),使用內(nèi)網(wǎng)辦理業(yè)務(wù)，辦公系統(tǒng)應(yīng)用等。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖3所示。

圖3 廣域網(wǎng)（Wide area neiwork）

網(wǎng)絡(luò)由三級(jí)構(gòu)成：核心節(jié)點(diǎn)；匯聚節(jié)點(diǎn)；邊緣節(jié)點(diǎn)。核心節(jié)點(diǎn)設(shè)備用于連接各省間網(wǎng)絡(luò)，在每省配備主備二臺(tái)路由器，和臨近的省對(duì)接，線路中斷、設(shè)備故障，設(shè)備自動(dòng)切換，保障網(wǎng)絡(luò)的暢通。匯聚節(jié)點(diǎn)用于匯聚省內(nèi)州市網(wǎng)絡(luò)。邊緣節(jié)點(diǎn)部署于縣市機(jī)構(gòu)。對(duì)于分支節(jié)點(diǎn)較多的情況，使用端口匯聚的方式和傳輸設(shè)備對(duì)接，以降低網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的復(fù)雜度。

2 網(wǎng)絡(luò)上使用的路由協(xié)議

2.1 使用OSPF路由協(xié)議

OSPF（Open Shortest Path First開放式最短路徑優(yōu)先）路由協(xié)議，是一種典型的鏈路狀態(tài)（Link-state）的路由協(xié)議，自治系統(tǒng)（Autonomous System），即AS內(nèi)的協(xié)議，它能在任意組成的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架找到路由，轉(zhuǎn)發(fā)信息。包括網(wǎng)狀網(wǎng)、星型、樹形網(wǎng)等，線路中斷、設(shè)備故障，能自動(dòng)計(jì)算路由，恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)暢通。

所有的OSPF路由器都維護(hù)一個(gè)相同的描述這個(gè)AS結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫中存放的是路由域中相應(yīng)鏈路的狀態(tài)信息，OSPF路由器是通過這個(gè)數(shù)據(jù)庫計(jì)算出其OSPF路由表的。作為一種鏈路狀態(tài)的路由協(xié)議，OSPF將鏈路狀態(tài)廣播數(shù)據(jù)包LSA（Link State Advertisement）傳送給在某一區(qū)域內(nèi)的所有路由器。

2.2 采用Rip協(xié)議

RIP（Routing Information Protocols，路由信息協(xié)議）是使用最廣泛的距離向量協(xié)議，其實(shí)現(xiàn)原理還是配置方法，都非常簡(jiǎn)單。RIP的版本分為版本2和版本1。

RIP的度量是基于跳數(shù)（hops count）的，每經(jīng)過一臺(tái)路由器，路徑的跳數(shù)加一。跳數(shù)越多，路徑就越長(zhǎng)，RIP算法優(yōu)先選擇跳數(shù)少的路徑。RIP支持的最大跳數(shù)是15，跳數(shù)為16的網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為不可達(dá)[6]。

2.3 采用BGP路由協(xié)議

BGP(Border Gateway Protocol邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議)主要用于互聯(lián)網(wǎng)AS（自治系統(tǒng)）之間的互聯(lián)，是一種在自治系統(tǒng)之間動(dòng)態(tài)交換路由信息的路由協(xié)議。而自治系統(tǒng)的經(jīng)典定義是在一個(gè)管理機(jī)構(gòu)控制之下的一組路由器。

2.4 使用靜態(tài)路由

靜態(tài)路由是指由網(wǎng)絡(luò)管理員手工配置的路由信息。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)或鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，網(wǎng)絡(luò)管理員需要手工去修改路由信息，網(wǎng)絡(luò)方能暢通。復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境通常不宜采用靜態(tài)路由。網(wǎng)絡(luò)管理員難以全面地了解整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，路由器中的路由信息需要大范圍調(diào)整，提高了維護(hù)難度。

3 測(cè)試、驗(yàn)證、可行性

基于自主芯片的設(shè)備經(jīng)歷以下測(cè)試：

（1）時(shí)延，單臺(tái)設(shè)備0.2ms，包大小32字節(jié)。

（2）小包丟包率，0%，包大小32字節(jié)，發(fā)包數(shù)1000。

（3）大包丟包率，0%，包大小1024字節(jié)，發(fā)包數(shù)1000。

（4）BC工具大流量、多進(jìn)程網(wǎng)頁下載測(cè)試。

（5）多廠商路由協(xié)議對(duì)接測(cè)試，包括靜態(tài)路由rip、OSPF、BGP等。

（6）處理能力，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力為最高為10G。

（7）在網(wǎng)運(yùn)行，生產(chǎn)環(huán)境穩(wěn)定性測(cè)試，時(shí)間一年。

測(cè)試結(jié)果，滿足現(xiàn)有內(nèi)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)需求，可規(guī)?；逃?。

4 穩(wěn)定性

穩(wěn)定性依賴于操作系統(tǒng)的路由協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)倒換，設(shè)備故障自動(dòng)切換。保證生產(chǎn)環(huán)境下7*24小時(shí)無故障運(yùn)行。開發(fā)商業(yè)應(yīng)用的設(shè)備時(shí)，增強(qiáng)穩(wěn)定性，可使用雙電源、延長(zhǎng)在網(wǎng)試運(yùn)行時(shí)間、降低設(shè)備運(yùn)行溫度等方法。

5 設(shè)備配置

5.1 配置路由器基本步驟

通過計(jì)算機(jī)串口配置路由器，使用隨機(jī)配備的配置線，連接計(jì)算機(jī)串口和路由器的CONSOLE口，對(duì)于windows7電腦，可安裝軟件CRT對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置。COM口設(shè)置為“9600/8/N/1/N”。

連接后，輸入用戶名/密碼“admin/a123456”，進(jìn)入配置，屏幕提示：

login: admin

Password:

Welcome to Router!

type command “cli” configure router

Welcome to router

鍵入命令“cli”,進(jìn)入路由器配置。

$ cli

Welcome to router.

查看可執(zhí)行的命令

admin@H.R > ?

Possible completions:

configure Switch to configuration mode

exit Exit this command session

help Provide help with commands

ping Ping a hostname or IP address

ping6 Ping an IPv6 hostname or IPv6 address

quit Quit this command session

show Display information about the system

traceroute Trace the IP route to a hostname or IP address

traceroute6 Trace the IPv6 route to a hostname or IPv6 address

進(jìn)入配置模式后，提示符變?yōu)椤?”

admin@H.R>configure (敲“空格”鍵補(bǔ)齊)

Entering configuration mode.

User admin is also in configuration mode.

[edit]

#set interfaces interface eth0 vif eth0 address 192.168.2.1 prefix-length 24

設(shè)置IP地址“192.168.2.1”，掩碼為24位，即：255.255.255.0。

#set protocols static route 192.168.8.0/24 next-hop 192.168.1.6

設(shè)置靜態(tài)路由，目標(biāo)地址為“192.168.8.0/24”，下一跳地址為“192.168.1.6”

#set protocols ospf4 area 192.168.2.1

設(shè)置OSPF為192.168.2.1區(qū)域

#set protocols ospf4 router-id 192.168.2.1

設(shè)置OSPF的router-id為192.168.2.1

# commit //使路由器配置生效

# save /r/run.conf //保存配置

admin@H.R# show //查看設(shè)備配置。

admin@H.R# show pro //配置時(shí)，可采用“空格”鍵,對(duì)指令進(jìn)行補(bǔ)齊。

admin@H.R# show protocols

配置時(shí)，可采用“PAGE UP”、“Page Down”鍵上翻、下翻已執(zhí)行過的指令。

5.2 多廠商設(shè)備對(duì)接

筆者開發(fā)、測(cè)試時(shí)，路由協(xié)議和多種設(shè)備對(duì)接成功，以下為和H3C路由器對(duì)接時(shí)的范例，使用的路由協(xié)議為OSPF,設(shè)備連接如下：

計(jì)算機(jī)--(eth1)路由器A(eth0)--(eth0/0)H3C路由器B(eth0/1)--計(jì)算機(jī)

路由器A為B型構(gòu)架設(shè)備，執(zhí)行的配置指令如下：

set interfaces interface eth1 vif eth1 address 192.168.6.1 prefix-length 24

set interfaces interface eth0 vif eth2 address 192.168.3.2 prefix-length 30

set protocols ospf4 area 0.0.0.0

set protocols ospf4 router-id 192.168.6.1

set protocols ospf4 area 0.0.0.0 interface eth0 vif eth0 address 192.168.3.9

set protocols ospf4 area 0.0.0.0 area-range

192.168.6.0/24

set policy policy-statement a1 term a1 from protocol connected

set protocols ospf4 export a1

路由器B為H3C路由器，配置如下：

interface Ethernet0/0

ip address 192.168.3.1 255.255.255.252

port link-mode route

#

interface Ethernet0/1

ip address 192.168.1.1 255.255.255.0

port link-mode route

#

ospf 100 router-id 192.168.1.1

import-route direct

area 0.0.0.0

network 192.168.3.0 0.0.0.7

6 結(jié)語

綜上所述，本文實(shí)現(xiàn)了通過軟件匹配、構(gòu)架調(diào)整，搭建基于自主芯片的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)能、體積小,是唯一不受制約的通信系統(tǒng)，可大幅提高行業(yè)信息安全水平，有良好的應(yīng)用前景。