基于IP的艦船通信交換平臺研究*

徐 翔 徐 皓

(中國船舶重工集團(tuán)公司第722研究所 武漢 430079)

1 引言

隨著通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展,人們對通信的需求由原來的語音變?yōu)榻Y(jié)合數(shù)據(jù)、圖像、語音等的綜合通信需求。大規(guī)模、高流量的綜合通信業(yè)務(wù),對網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)的要求持續(xù)提高,數(shù)據(jù)交換的設(shè)計(jì)將直接決定網(wǎng)絡(luò)的整體性能。因此設(shè)計(jì)出高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交換平臺就顯得尤為重要。

2 基于IP的寬帶綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有基于電路業(yè)務(wù)的艦船內(nèi)部通信系統(tǒng)仍然由TDM網(wǎng)絡(luò)承載,帶寬窄,信號傳輸速率一般為E1(2.048Mb/s)或E3(34.368Mb/s)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠酁榄h(huán)形結(jié)構(gòu),如圖1所示。由于網(wǎng)速較低,信號傳輸時延大。而且TDM格式的數(shù)據(jù)包對時鐘變化范圍有嚴(yán)格的要求,失幀的幾率大。由于信號傳輸通道的冗余只有1個,網(wǎng)絡(luò)的整體可靠性較低。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)一處電纜故障時,網(wǎng)元間可以采用迂回傳輸模式保障通信的正常傳輸;但當(dāng)出現(xiàn)第二處電纜故障時,通信傳輸將中斷,網(wǎng)元降級使用。

隨著裝備信息化水平的不斷提升,上述艦船內(nèi)部通信系統(tǒng)多采用的窄帶TDM(Time Division Multiplexing,時分復(fù)用)格式環(huán)形傳輸網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)越來越不適應(yīng)未來信息化戰(zhàn)爭的需要。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,使得IP技術(shù)的主導(dǎo)地位日益明晰,未來網(wǎng)絡(luò)的主體架構(gòu)必定是IP,也就是說IP將是無所不在的[1]。本文通過對IP交換技術(shù)的研究,提出了一種基于IP(Internet Protocol,互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)格式的寬帶綜合業(yè)務(wù)傳輸網(wǎng)絡(luò),以滿足日益增長的對綜合通信業(yè)務(wù)的需求。

基于IP的寬帶綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)以IP為技術(shù)基礎(chǔ),網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎镁W(wǎng)狀結(jié)構(gòu),如圖2所示。

該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由IP網(wǎng)絡(luò)承載,以 IP交換為依托,帶寬寬,信號傳輸速率高達(dá)1Gb/s,信號傳輸時延小。IP格式的數(shù)據(jù)包對時鐘變化范圍的要求比TDM數(shù)據(jù)包低,失幀的幾率小。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個網(wǎng)元間關(guān)聯(lián)緊密,信號傳輸通路的冗余數(shù)量大大增多,中斷傳輸或網(wǎng)元降級使用的幾率極大降低,網(wǎng)絡(luò)的整體可靠性極大提高。網(wǎng)元單端口吞吐量高達(dá)1Gb,可以流暢的承載各種語音、數(shù)據(jù)和視頻等綜合寬帶業(yè)務(wù)。

3 IP交換技術(shù)

交換是按照通信兩端傳輸信息的要求,用人工或設(shè)備自動完成的方法,動態(tài)地把要傳輸?shù)男畔⑺偷椒弦蟮南鄳?yīng)路由上的技術(shù)的統(tǒng)稱。交換的方式經(jīng)歷了電路交換、數(shù)據(jù)交換和IP交換三個主要階段,其間實(shí)現(xiàn)了從模擬信號到數(shù)字信號,從窄帶到寬帶的跨越[2]。

從傳統(tǒng)意義上講,真正的交換是在第二層(數(shù)據(jù)鏈路層)實(shí)現(xiàn)的,俗稱第二層交換。由于第二層交換技術(shù)不處理網(wǎng)絡(luò)層的IP地址,不處理高層協(xié)議的端口地址,它只需要數(shù)據(jù)包的物理地址即MAC地址。可以說,直接面向用戶的第二層交換已得到了令人滿意的答案。

IP交換也稱為第三層交換,顧名思義,就是在OSI的第三層(網(wǎng)絡(luò)層)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。更確切的說,第三層交換就是利用第三層協(xié)議中的信息來加強(qiáng)第二層交換功能,在網(wǎng)絡(luò)模型的第三層實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的高速轉(zhuǎn)發(fā)。用一個公式來表示為:

第三層交換=第二層交換+第三層轉(zhuǎn)發(fā)

IP交換技術(shù)可以操作在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的第三層,作為一種路由設(shè)備并起到路由作用。它的速度極快,不僅解決了局域網(wǎng)中網(wǎng)段劃分后子網(wǎng)必須以來路由器進(jìn)行管理的局面,而且解決了由于傳統(tǒng)路由器低速復(fù)雜造成的網(wǎng)絡(luò)瓶頸問題[3]。

IP交換分為純硬件和純軟件兩種方式。純硬件的IP交換相對來說技術(shù)復(fù)雜、成本高,但是速度快、性能好、帶負(fù)載能力強(qiáng)。其原理是采用ASIC(Application Specific Integrated Circuit,專業(yè)集成電路)芯片,用硬件的方式進(jìn)行路由表的查找和刷新。純軟件的IP交換技術(shù)較簡單,但速度較慢,不適合作為主干。其原理是采用CPU用軟件的方式查找路由表[4]。基于上述兩種IP交換的實(shí)現(xiàn)方式各有不足,我們提出了基于ASIC硬件芯片與CPU控制交換軟件相結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)對第三層表格進(jìn)行查找和刷新。

具體表現(xiàn)為:當(dāng)IP數(shù)據(jù)包由端口接收進(jìn)來以后,ASIC交換器芯片首先在第二層表格中查找相應(yīng)的目的MAC地址,如果查到就進(jìn)行第二層轉(zhuǎn)發(fā),否則將IP數(shù)據(jù)包發(fā)送至第三層引擎。在第三層引擎中,CPU運(yùn)行軟件查找相應(yīng)的第三層表格信息,與IP數(shù)據(jù)包的目的IP地址比較,然后發(fā)送ARP(Address Resolution Protocol,地址解析協(xié)議)到目的主機(jī),得到該目的主機(jī)的MAC地址,接著將MAC地址發(fā)送到第二層引擎,由第二層引擎轉(zhuǎn)發(fā)該IP數(shù)據(jù)包。

4 IP交換平臺硬件設(shè)計(jì)

交換平臺為用戶提供交換功能。可以將多個端口的數(shù)據(jù)連接到一起,完成多端口轉(zhuǎn)發(fā)過來的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包格式轉(zhuǎn)換與轉(zhuǎn)發(fā)。也可同時提供網(wǎng)絡(luò)層接入,向網(wǎng)絡(luò)提供高帶寬的網(wǎng)絡(luò)接口。IP交換平臺功能框圖如圖3所示。

圖3 IP交換平臺功能框圖

硬件設(shè)計(jì)包含控制模塊、交換模塊和接口模塊設(shè)計(jì)3個部分。

1)控制模塊:主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化、配置、管理以及運(yùn)行上層協(xié)議等。采用PowerPC系列通信處理器(CPU)為控制核心,輔以外圍器件,構(gòu)成PowerPC最小系統(tǒng),并經(jīng)PCI橋通過PCI(Peripheral Component Interconnect,外部器件互連)[5]總線實(shí)現(xiàn)對交換模塊進(jìn)行訪問和控制。控制模塊框圖如圖4所示。

IP交換平臺要使用通信處理器來運(yùn)行路由協(xié)議,通信處理器選用MPC866,它是一款性能穩(wěn)定的CPU[6]。其核心頻率達(dá)到133MHz,與133MHz的PCI總線相匹配。

這樣控制模塊中的CPU將只完成控制面的路由功能,而不參與數(shù)據(jù)面的轉(zhuǎn)發(fā),使得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)了線速(Wire-Speed)。

2)交換模塊:主要負(fù)責(zé)第二層交換、第三層交換和其他一些功能。使用第三層ASIC芯片為交換器,負(fù)責(zé)IP數(shù)據(jù)包的交換,實(shí)現(xiàn)IP交換的功能。

交換器選用Broadcom的BCM56224,它集成了24個1GbE,4個1/2.5Gb復(fù)用接口,最大吞吐量高達(dá)34Gb。同時支持IPv4和IPv6協(xié)議;支持硬件處理的第二層交換,第三層路由及數(shù)據(jù)包的分類和過濾功能,內(nèi)部集成數(shù)據(jù)包緩沖內(nèi)存[7]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通常使用CPU通過PCI總線對交換器進(jìn)行初始化、配置管理和實(shí)現(xiàn)第三層交換功能。每個交換器的4個復(fù)用接口可以與相鄰的交換器按圖2所示組成網(wǎng)狀拓?fù)?滿足了組網(wǎng)需要。

3)接口模塊:分為PCI接口、SERDES(Serialization-Deserialization,串行-解串行)接口和SGMII(Gb Media-Independent Interface,千兆介質(zhì)無關(guān))接口。

(1)PCI接口為控制模塊與交換模塊的信號交互通道,如圖4所示,主要器件為一片PCI橋芯片;

圖4 控制模塊框圖

(2)SERDES接口為1GbE的光接口,可以直接與光模塊SFP連接;

(3)SGMII接口為1GbE的電接口,經(jīng)PHY(Physics,物理層)芯片連接到銅線。

5 IP交換平臺軟件結(jié)構(gòu)

IP交換平臺的軟件設(shè)計(jì)包含交換模塊的硬件初始化和軟件啟動過程。交換平臺采用VxWorks操作系統(tǒng)。在PowerPC最小系統(tǒng)完成啟動后,需要通過PCI總線對交換模塊的交換部分進(jìn)行初始化,主要步驟如下:

?對交換器和CPU的頭模式進(jìn)行設(shè)置;

?根據(jù)硬件連接選擇PCI設(shè)備的設(shè)備號,配置交換器的PCI基地址和窗口大小;

?通過PCI總線使用交換器的CPU管理接口確定交換器的型號,然后根據(jù)不同的芯片類型進(jìn)行初始化和DMA通道的配置;

?掛接交換器的驅(qū)動程序和各種API,完成交換器的初始化。

最后兩步需要Broadcom的軟件開發(fā)包支持,直接從程序中調(diào)用初始化程序,保證完成初始化和加載驅(qū)動。

對于PCI驅(qū)動部分,我們直接調(diào)用VxWorks系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)PCI驅(qū)動程序。對于交換器的PCI掛接過程,主要步驟如下:

?在bootROM中用sysHwInit()調(diào)用 sysP-ciAutoConfig(),對PCI_SYSTEM結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)例化;

?在sysHwInit()中,使用pciConfigOutLong()對交換器的基地址和窗口大小進(jìn)行配置,然后使用pciConfigOutBite()掛接交換器的中斷到CPU的外部中斷向量表;

?到此,PCI配置完成。通過交換器的 S_Channel可以配置交換器中的各個寄存器和表項(xiàng)。S_Channel的信息傳輸有特殊的格式和規(guī)范,一般通過Broadcom提供的軟件開發(fā)包(SDK)中自帶的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)來配置。

交換器初始化結(jié)束后,進(jìn)入正常的工作模式。依據(jù)IP交換的原理設(shè)計(jì)的交換軟件流程圖如圖5所示。

圖5 交換軟件流程圖

6 結(jié)語

基于IP的艦船通信交換平臺以IP網(wǎng)絡(luò)為依托,以IP交換技術(shù)為支撐,迎合了未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向,滿足了未來信息化戰(zhàn)爭條件下對艦船綜合通信業(yè)務(wù)提出的種種需求。該平臺把IP硬交換與軟交換,第二層交換和第三層轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)勢結(jié)合為一個有機(jī)的整體來完成IP交換,并提出了該平臺的具體實(shí)施內(nèi)容。IP交換技術(shù)具有以當(dāng)前系統(tǒng)1/10的代價(jià)獲得傳輸性能于過去10倍的能力,隨著IP交換技術(shù)在未來艦船通信系統(tǒng)中的應(yīng)用,必將使網(wǎng)絡(luò)的整體性能得到大幅度的提升。

[1]Mark Weiser.The Computer for the 21st Century[J].Scientific American,1991(9):94～100

[2]謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].北京:電子工業(yè)出版社.2003

[3]M etzler J,DeNoia.L.第三層交換[M].盧澤新,周榕,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000

[4]溫鈺,等.三層交換技術(shù)的原理及應(yīng)用[J].網(wǎng)絡(luò)安全,2007(7):43～46

[5]PCI Special Interest Group.PCI LocalBus Specification Revision 2.1.1995

[6]MPC866 PowerQUICCTM Family Reference Manual[R].Freescale Semiconductor,2004

[7]BCM56220 DataSheet.Broadcom Corporation,2007