快速以太网交换机硬件体系结构设计与实现

的 负 载 也 成 比 例 地 增 加 。 其结果是性 能 明 显 下 降 ， 扩展性 不好。 目前比较可行的方案是采用如图 $ 所示的分布式 的结构。 这 种 分 布 式 结 构 支 持 线 速 性 能 并 可用 编 程 来 满 足 各 种 应 用 。每 个 交 换 引 擎 独 立 地 进 行 包 转 发 决 定 ， 通 过片内缓存和片外内存相结合来实现优先队列和调度 策略。由于每个交换引擎都带有自己独立的内存， 避免 了共享式存储器结构中交换引擎对内存的争用，并减 少了包在总线上出现的次数和时间。包通过直接进入 交换引擎查找地址表， 经过 $ 次 或 不 通 过 总 线 而 到 达 输 出端口。
交换总线
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交换机硬件体系结构的选择
传统的交换机体系结构采用的是交叉矩阵或共享式
存储器， 但 在 实 际 运 行 中 性 能 都 不 太 理 想 。交 叉 矩 阵 结 构 引入了难以管理的延迟、 抖动和争用， 影 响 了 !" 组 播 等 应用的性能。 其缺陷主要表现在： #不充分。存储器在所有的端口中 间静态分配，无论它们是一直活动的 还 是 只 在给 定 时 间 里 需 要 存 储 器 ， 缓 冲 区都会 在 一 个 数 据 突 发 期 内 很 快 用 光， 从 而 导 致 不 必 要 的 数 据 重 传 。 #&%
!"$ 管 理 模 块 的 功 能
管 理 模 块 可 在 D2 位或 T0 位 的 !"# 中 选 择 ， 以 相 应 的测试板为参照， 经过必要的裁减和调整， 便可以制作出 管 理 模 块 。 交 换 模 块 和 管 理 模 块 之 间 通 过 !"# 接 口 相 互 通 信 ， 完 成 管 理 信 息 的 交 换 。 在 选 择 外 部 !"# 上 有 极 大 的 灵 活 性 。 当 前 可 供 选 择 的 !"# 有 :%’%@%+* 1UU 、 =6.
硬件纵横
快速以太网交换机硬件体系结构设计与实现
武 汉 华 中 理 工 大 学 电 子 与 信 息 工 程 系 !"#$$%"& 马 涛 石冰心 杨树堂 曾庆徽
摘
要： 从体系结构的选择、 交换机的组成框架、 驱动程序的设计等方面论述和分析了快速以 体系结构 驱动程序 实时操作系统
太网交换机硬件的总体设计。 关 键 词 ： 快速以太网交 换 机
《 微型机与应用》 !""# 年第 $ 期
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硬件纵横
所示。这种结构编程灵活、 可提供高层服务、 允许软件升 级； 由于采用了专用网络交换器件， 使运行速度较快、 批 量生产成本较低、 性能价格比好。
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护、 数据包的缓冲及操作所需数据结构的存取。 内 存 中 地 址 表 的每 个 表 项 为 T0 位 ， 其 中 包 括 01 位 与该地址有关的交换引擎号及其端口号以及 :9! 地 址 、 其它辅助信息。 地 址 表 最 长 可 达 1P 项 即 包 含 1P 个 单 播
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交换机组成框图
图 2 为 采 用 -*+(+B%
.BAJ)%+%KL 公 司 的 2 个
-.01232 交 换 芯 片 实 现 20 个 3>: 端 口 和 2 个 3>: M 3>>: 自 适 应 端 口 的 快 速 以 太 网 交 换 机 。交 换 机 的 组 成 部
!"! 交 换 引 擎 和 分 布 式 内 存
图2
换引擎， 其它设备也将执行同样的填表操作。在进行包
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7689:
交换时， 从某个端口收到包的交换引擎利用包中的目的 地址检索自身的地址表。如果在表中找到了该地址， 便 将该地址所对应设备的特定端口作为目标进行包交换。 如果未找到这个地址， 则将该包作为未知包处理执行广 播操作。 消息交换协议交换引擎所执行的交换可分为 2 种， 一种是同一设备内不同端口之间的交换，且交换在交换 引擎内部进行， 无须消息交换协议； 另一种是不同设备之 间 的 交 换 。此 交 换 则 需 利 用 消 息 交 换 协 议 ， 经 过 "!= 总 线 进行交换。
97=! 交 换 引 擎 ， 采 用 基 于 硬 件 的 :9! 地 址 映 射 加 速 了
数据包的传送。 交换引擎有如下特点： $3, 基 于 工 业 标 准 的 每 个 交 换 引 擎 可 直 接 连 到 "!= 总 线 上 。$2, 利 用 "!= 总 线 ， 特 定 消 息 交 换 协 议 ， 在 无 须 !"# 干 预 的 情 况 下 ， 交 换 引 擎 之 间 可 无 缝 连 接 并 交 换 包 。 $D, 先 进 的 地 址 学 习 与 识 别 机制， 每 个 交 换 引 擎 可 识 别 多 达 1PQ 个 单 播 :9! 地 址 以 及 任 意 多 个 组 播 和 广 播 :9! 地 址 。 $0, 可 通 过 !"# 干 预 方式， 将 交 换 的 包 送 给 !"# 进 行 处 理 。 $R, 交 换 引 擎 为 其 每 个 端 口 提 供 若 干 统 计 计 数 器 ， 以 支 持 :=Q 和 7S:" 的 网管功能 。 可动态 $T, 交 换 引 擎 各 端 口 具 有 自 动 协 商 能 力 ， 地 设 置 半 双 工 及 全 双 工 和 3>:?&< 或 3>>:?&< 操 作 方 式， 以便与终端主机接口匹配。 交换方式完成用户信息包的交换是交换机的基本功 能。 交换的速度是决定交换机性能的主要因素。 在一个完 全由交换引擎构成的以太网交换机中，通过消息交换协 议， 可 以 高 效 率 地 执 行 包 的 交 换 。消 息 交 换 协 议 主 要 是 靠 交换引擎的硬件来实现的。
:9! 地 址 。 每 当 交 换 引 擎 学 习 到 一 个 新 的 :9! 地 址
时， 便将该地址及其相应的设备号与端口号填入自身的 地 址 表 中 。同 时 该 设 备 还 要 利 用 消 息 通 知 系 统 中 其 它 交
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"
交换机的组成框架
交换机的组成主要分为交换板和管理板二部分。其
中 单 独 的 交 换 板 可 实 现 一 个 无 管 理 交 换 机 的 功 能 。通 过 可选的管理板可以实现许多基于软件的功能。 目 前 大 多 数 交 换 机 产 品 均 采 用 9!*- 和 -!*- 高 性 能 通 用 微 处 理 器 :;*!- 网 络 交 换 芯 片作 为 核 心 结 构 ， 如图 & —
通常所说的“ 三网合一” 或“ 统一网络” 是将 语 音 通 信 网络、 视 频 通 信 网 络 及 数 据 通 信 网 络 汇 集 到 统 一 的 !" 网 络 。在 这 种 统 一 的 !" 网 络 中 ， 交 换 机 和 路 由 器 是 网 络 互 连 的 核 心 设 备 。本 文 从 硬 件 体 系 结 构 的 选 择 、 交换机的组 成框架、驱动程序的设计等方面来分析快速以太网交换 机硬件的设计和实现。
图$
分布式交换结构
一 般 每 个 交 换 引 擎 可 独 立 处 理 一 定 数 量 的 $+, 或
$++, 端 口 。每 增 加 $ 个 交 换 引 擎 则 支 持 的 端 口 数 目 成 倍
增 加 。各 个 交 换 引 擎 间 使 用 特 定 消 息 传 送 协 议 来 相 互 通 信， 如： 地址表的升级和更新信息在各个交换引擎间高速 转 发 。 通 过 工 业 标 准 "-! 总 线 来 扩 展 支 持 和 提 供 与 管 理 板之间的连接。 这种体系结构可实现高速数据通信流量，在时钟频 率 为 ..,/0 时 ， 背 板 带 宽 可 达 &1$2345#..,/06’&3785% ， 并可通过多片级联来支持更多端口， 支持热插拔， 并可通 过扩充支持消息协议来支持更多的应用。
012XX 含 有 一 个 简 单 的 机 制 来 阻 止 HY4 阻 塞 。 接 收 缓 冲
区 和 传 送 队 列 在 689: 中 分 配 。 接 收 缓 冲 区 空 间 分 成 R32 块 或 2>01 块 （ 每 块 3ZRPQ ） 分配给每一端口， 足 以 放 下 最 大 的 以 太 帧 。这 可 通 过 发 送 队列传送一个指示到内存分配机，将一个单播数据包转 发 到 !"# 端 口 。 传 送 给 !"# 的 包 还 有 组 播 包 、 未 知 包 、 所 需 监 听 的 端 口 的 所 有 包 。将 一 个 单 =-:" 包 、 Q"6# 包 、 播 数 据 包 转 发 到 !"# 端 口 的 顺 序 是：
存储器 交换引擎 端口
存储器
交换引擎 端口
存储器
交换引擎 端口
存储器
交换引擎 端口
!" 组 播 实 现 困 难 即 严 重 的 阻 塞 问 题 。
由多个出端口决定的入站通信量必须被多次复制并放在 多个存储器位置。 #’% 线 路 头 部 阻 塞 即 在 网 络 中 央 的 拥 塞 。 当分组的目标是一个接收忙的端口时，该分组经常会遇 到“ 线路头部阻塞” 。因 为 其 目 标 是 一 个 非 活 动 接 收 端 口 ， 基于端口的入站缓冲使线路头部阻塞在网络中产生人为 的、 不 必 要 的 拥 塞 。交 叉 矩 阵 存 储 器 提 供 静 态 的 存 储 器 池 存在线路头部阻塞等问题， 很 难 提 供 可 靠 的 ()* 支 持 。使 用这种结构的交换在端口对端口的基础上，经常会限制 对有优先权的通信过程的处理能力。 共享式存储器体系结构是基于总线的。这种结构克 服了交叉矩阵交换的某些限制。在共享存储器总线结构 中， 通过一个共享的总线接入中央存储器， 这样就取消了 基于端口的存储器，与交叉矩阵交换相关的端口线路头 部阻塞问题也就不存在了，因此使用系统存储器的效率 很 高 。但 这 种 结 构 需 要 大 量 昂 贵 的 内 存 ， 并依靠一个中央 交换引擎， 随着端口数增加， 内存消耗量和中央交换引擎