主备双冗余网络交换机研究

主备双冗余网络交换机研究

摘要：本文介绍了一种主备方式工作的大容量、双冗余网络交换机的设计和实现方案，旨在提高军事“云”应用中网络连接的可靠性。

关键词：互联网；云计算；主控；时钟；交换网；主备倒换

中图分类号：tp393 文献标识码：a 文章编号：1007-9599 （2012）24-0150-02

1 概述

“云计算”被视为计算机诞生以来的第四次信息技术革命。其革命性意义在于运用互联网天然的渗透性，集成和管理分布于广域空间的计算能力。然而“云计算”也不是完美的网络应用模式，云计算存在以下缺点：（1）需要持久、稳定、可靠的网络连接；（2）低速连接时计算或处理操作缓慢，效率低。

由于军事领域对可靠性要求特别严苛，所以云计算的缺点在军事“云”中表现的尤为突出。本文基于可靠性和高速宽带的需求，提出了大容量、双冗余网络交换机的设计和实现方案。

2 系统硬件结构

该设备由两块功能和性能指标相同的单板组成，控制面以主备方式工作，交换面以负荷分担的方式工作，两块单板通过各自的背板管理通道实现主备之间配置同步，数据备份和业务平滑。

每块单板由主控模块、时钟模块、和交换模块组成。如图1所示。图1 系统硬件框图

2.1 主控模块。主控模块以飞思卡尔公司mpc83xx系列powerpc 作为主处理器，处理器基于e300c4s内核，主频667mhz，处理能力最高可达2310mips；处理器内部存储空间包括32kbytel1数据cache和32kbytel1指令catche，支持多种内存寻址的内存管理模式；片上集成了ddr控制器，支持ecc校验，最高支持512m内存；处理器支持32位增强型localbus，接口速度高于133mhz；片内提供两路三速增强型以太网控制器，通过软件配置可以工作在

rgmii/mii/rmii/rtbi/sgmii，mii接口需通过外部phy实现；此外还集成了两路pciexpress控制器，该控制器可以支持pcie-x1.0

总线标准。处理器与外围i/o接口通过localbus接口以及pcie总线实现。

主控模块是系统的控制核心。cpu通过pcie接口实现对交换网的配置和管理，配置数据传送给交换网模块的物理通道是三速以太网接口，软件将其配置成sgmii，同时实现系统维护和故障诊断上报。i2c接口实现对分立锁相环和电压监控器件的配置。32位增强型localbus通过cpld控制逻辑转换成为mpi用于与flash、fpga时钟逻辑、jtag控制器的接口，实现对外设的控制和数据通讯。cpld 控制逻辑除了要实现mpi接口转换外，还要实现主备倒换逻辑、fpga 从串加载接口、看门狗提前通知和屏蔽，设备工作指示灯控制等功能。

2.2 交换模块。该单板交换模块设计以broadcom的芯片来实现。broadcom以太网交换芯片和phy芯片全面兼容软件api，sdk封装

完备，软件开发可直接面对api，产品完全支持ipv4/ipv6协议。交换网片主要由ge/xe接口（mac/phy）模块，cpu接口（pcie/pci）模块，输入输出匹配/修改模块，mmu模块，l2转发模块，l3转发模块，安全模块和流分类模块等组成。phy主要完成数据传送，线路状态指示，线路时钟提取，数码编码，时钟和数据还原等，接口符合ieee802.3标准。

交换模块主要完成系统业务交换功能，cpu通过pcie接口完成交换网的配置管理。以bcm56820和bcm56330为交换网片，bcm8727和bcm54980为phy实现交换网模块。交换网向外送出22个xaui

端口，24个ge自适应网口，bcm56820和bcm56330之间通过2个xaui端口捆绑成一片交换网芯片，两块单板背板管理通道分配2个xaui端口，分配1ge端口与cpu完成通信。

2.3 时钟模块。时钟模块主要由分立锁相环、时钟fpga逻辑组成，用于系统时钟同步。该模块主要完成时钟的锁相、时间信息跟踪和时钟发送。时钟模块可以接收面板和对板时钟源作为本板时钟参考源，并根据时钟逻辑的频偏检测和配置完成时钟选源，完成选源的时钟信号经过锁相环，输出给单板其他模块作为工作时钟和线路时钟，并输送给备用单板作为帧同步信号。同时，时钟模块需要实时检测时钟源的有无，一旦时钟源丢失，单板需要有时钟短期保持功能，保证设备板时钟平滑和连续，当时钟源丢失超过设置的阀值，系统完成主备单板倒换。

时钟逻辑主要功能分析：

功能需求实现描述

时钟检测功能实时检测参考时钟源，当时钟源丢失时，上报告警。

输出帧同步相位跟踪功能备用单板跟踪主用单板输出的8k帧同步信号，保证主备倒换时相位平滑。

时钟鉴相功能实现分立锁相环的鉴相部分功能。

时钟分发功能锁相后输出给单板其他模块作为工作时钟和线路时钟并输送给备用单板作为帧同步信号。

时钟保持功能当时钟参考源丢失时，单板可继续保持时钟短期稳定输出。

地址线检测使用地址线检测寄存器，该寄存器保持cpu访问寄存器地址，提供cpu检测地址线的途径。

3 软件需求分析及主备倒换功能的实现

3.1 系统软件需求分析。软件操作系统使用风河公司的vxworks，具有微内核、可裁剪的高性能、实时操作系统，鉴于其主要优点嵌入式vxworks作为powerpc硬件平台的操作系统是较好的选择。该系统软件除了操作系统，基本的芯片驱动，bsp等之外，还包括以下功能需求：

功能需求实现描述

时钟源管理通过时钟逻辑寄存器的配置时钟源的选择，切换和告警。

时钟源检测在时钟逻辑的配合下完成时钟丢失和频偏检测功

能，用于时钟选源和切换。

帧同步信号相位跟踪时钟逻辑配合下，实现备用单板跟踪主用单板帧同步信号。

交换网配置配置交换网的单播、多播、广播表项，完成系统交换。

porttruking 软件要实现必要的porttruking，支持truking更新。

配置同步功能主备单板从逻辑上捆绑成一块单板，交换网表项吧、配置更改要保持同步，统一。

链路检测软件定时发送检测报文，周期性检测链路是否畅通。truking组更新检测到链路故障时，要将相应故障的链路从truking组中剔除。

主备倒换功能控制单板升主使能，强制单板降备。

通信处理功能支持交换网接口，调试串口，调试网口。

3.2 主备倒换功能的实现。系统中主控模块完成交换网配置管理，系统维护和智能故障诊断功能，带外的2*10ge管理通道主要完成两块单板之间的配置同步，数据备份和业务平滑，将两块单板的交换网逻辑上捆绑成一片交换网；软件定时发送链路检测报文，周期性检测链路是否故障并上报告警。并将故障的ge、10g链路及时从trunking组中删除，保证两块交换网的trunking组状态一致，还要实时通知ge、10g链路的故障状态，当错误报文达到倒换条件，主控模块通过cpld逻辑控制主用单板复位，备用单板升主。