網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)在國(guó)產(chǎn)自主可控領(lǐng)域的技術(shù)研究*

王　博

(中國(guó)艦船研究院　北京　100192)

WANG Bo

(China Ship Research and Development Academy, Beijing　100192)

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網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)在國(guó)產(chǎn)自主可控領(lǐng)域的技術(shù)研究*

王博

(中國(guó)艦船研究院北京100192)

針對(duì)目前網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)廣泛采用進(jìn)口CPU及開(kāi)源操作系統(tǒng)，從而導(dǎo)致不利于自主可控的管理問(wèn)題，論文提出了采用龍芯2H CPU與國(guó)產(chǎn)“道”操作系統(tǒng)的組合方案，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)管理配置的自主可控，對(duì)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)在國(guó)產(chǎn)自主可控設(shè)計(jì)方面提供了參考。

網(wǎng)絡(luò)交換機(jī); 國(guó)產(chǎn); 自主可控

WANG Bo

(China Ship Research and Development Academy, Beijing100192)

Class NumberTN91

1　引言

在國(guó)產(chǎn)自主可控需求的牽引下，通過(guò)應(yīng)用國(guó)產(chǎn)關(guān)鍵軟硬件(CPU+操作系統(tǒng))[1]，進(jìn)一步提高基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的自主可控能力勢(shì)在必行，其中，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)暮诵脑O(shè)備，其安全性直接關(guān)系到國(guó)家的信息安全，特別是軍隊(duì)的信息安全，開(kāi)展國(guó)產(chǎn)自主可控交換機(jī)的研究，是軍隊(duì)信息安全戰(zhàn)略的重要部分。

網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是一個(gè)完整的生態(tài)鏈建設(shè)，包含CPU、操作系統(tǒng)、開(kāi)發(fā)工具、數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用軟件，逐步實(shí)現(xiàn)真正意義上的國(guó)產(chǎn)化。網(wǎng)絡(luò)安全核心算法技術(shù)、操作系統(tǒng)、CPU嚴(yán)重依賴進(jìn)口產(chǎn)品，需要從國(guó)家戰(zhàn)略高度加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全核心算法技術(shù)、操作系統(tǒng)、CPU研發(fā)的本土化生產(chǎn)投入，加強(qiáng)對(duì)新技術(shù)的應(yīng)用和推廣，真正實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的核心技術(shù)自主可控，保障國(guó)家的網(wǎng)絡(luò)安全。

本文結(jié)合裝備的應(yīng)用需求，對(duì)國(guó)產(chǎn)自主可控交換機(jī)的技術(shù)方向進(jìn)行了探索研究,重點(diǎn)采用國(guó)產(chǎn)關(guān)鍵軟硬件開(kāi)展技術(shù)設(shè)計(jì)，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的裝備特點(diǎn)，在CPU選型上確定為批量化生產(chǎn)的龍芯2H,操作系統(tǒng)選型上確定為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)“道”系統(tǒng)。

2　工作原理

2.1硬件組成

網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的硬件組成如圖1所示。

按照功能可以分為以下部分：

1) 數(shù)據(jù)交換部分，包括主交換芯片、接口PHY、隔離變壓器、對(duì)外接口輸出等。

2) 控制管理部分，包括主CPU、調(diào)試網(wǎng)口、配置口等。

圖1　網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)硬件組成圖

3) 輔助電路，包括電源、時(shí)鐘、復(fù)位等。

控制管理部分作為設(shè)備的管理核心，其自主可控是網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)自主可控的關(guān)鍵。在本研究中，CPU采用了國(guó)產(chǎn)龍芯2H作為主處理模塊，是控制管理部分的核心。

2.2軟件組成

網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2　網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)軟件功能構(gòu)架

網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)軟件部分采用平臺(tái)化、模塊化的設(shè)計(jì)模式，整體分為平臺(tái)層、系統(tǒng)抽象層和驅(qū)動(dòng)層三大部分，其中平臺(tái)層主要負(fù)責(zé)和用戶相關(guān)的業(yè)務(wù)邏輯處理，系統(tǒng)抽象層主要負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)到驅(qū)動(dòng)的映射，驅(qū)動(dòng)層主要負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯和硬件邏輯的交互。在本研究中，操作系統(tǒng)采用了國(guó)產(chǎn)“道”操作系統(tǒng)。

3　技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1龍芯2H CPU

龍芯2H采用65nm 工藝，主頻在800MHz 以上。片內(nèi)集成定點(diǎn)處理器、浮點(diǎn)處理器、流媒體處理和圖形圖像處理功能，支持X86虛擬機(jī)[2]以及南橋、北橋等配套芯片組功能。

龍芯2H 具有以下關(guān)鍵特性[3]：

1) 集成一個(gè)GS464 龍芯處理器核，主頻≥800MHz， L1 Cache(I/D) 64KB，L2 Cache 512KB；

2) 集成GS232v 媒體處理器，支持H264/AVS/VC-1 解碼，720p；

3) 集成3D GPU，兼容OpenGL ES2.0；

4) 集成兩路DC 控制器，最大分辨率可支持到1920*1080@60Hz/24bit；

5) 集成PCIE gen2 控制器，支持1x4 和4x1，支持主從模式；

6) 集成中斷控制器，支持靈活的中斷設(shè)置。

通過(guò)對(duì)龍芯2H處理器的分析可以得到如下結(jié)論：

圖3　龍芯2H功能框圖

·龍芯2H CPU采用64位超標(biāo)量單核處理器[4]，主頻已達(dá)800MHz 以上，可以滿足交換機(jī)芯片的配置管理需求[5]；

·龍芯2H CPU集成PCIE gen2 控制器，支持1x4 和4x1，支持主從模式，完全能夠滿足通過(guò)PCIE配置交換芯片的需求；

·龍芯2H集成2 個(gè)10M/100M/1000M 自適應(yīng)GMAC，可以滿足交換機(jī)的管理網(wǎng)口的需求；

·龍芯2H集成4 路UART 串口，可以滿足交換機(jī)的配置口的需求。

基于上述結(jié)論可知，龍芯2H CPU的性能與接口完全滿足對(duì)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)備的應(yīng)用需求。

3.2國(guó)產(chǎn)“道”操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是裝備應(yīng)用的控制管理核心，對(duì)武器裝備的功能、性能和可靠性等關(guān)鍵內(nèi)容具有重要影響。為適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，裝備應(yīng)用向信息化、自動(dòng)化、智能化、高性能、高可靠的方向快速發(fā)展，而這些特性大都需要通過(guò)軟件來(lái)進(jìn)行支持。其中，操作系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，為整個(gè)武器裝備的功能、性能和可靠性提供核心支持。

國(guó)產(chǎn)“道”操作系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)，通過(guò)優(yōu)化任務(wù)劃分、有效利用終端機(jī)制滿足系統(tǒng)的強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求[6]。“道”操作系統(tǒng)具備微秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間，提供基于優(yōu)先級(jí)搶占的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度策略，提供動(dòng)態(tài)加載功能。

圖4　“道”系統(tǒng)組成

目前應(yīng)用的“道”系統(tǒng)版本為DeltaOS 6.0,其內(nèi)核的基本特點(diǎn)主要體現(xiàn)在如下方面：

1) 支持對(duì)稱多處理(SMP)多核系統(tǒng)；

2) 支持實(shí)時(shí)進(jìn)程(RTP)；

3) 支持優(yōu)先級(jí)搶占、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)任務(wù)調(diào)度策略、支持256個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)；

4) 支持任務(wù)獨(dú)立時(shí)間片；

5) 支持信號(hào)量、異步信號(hào)、事件、消息隊(duì)列等任務(wù)間通信、同步和互斥管理方式，支持消息發(fā)送等待；

6) 支持?jǐn)U展點(diǎn)，可在系統(tǒng)初始化階段、任務(wù)切換等時(shí)刻擴(kuò)展系統(tǒng)行為[7]。

3.3操作系統(tǒng)適配工作

龍芯2H與“道”操作系統(tǒng)的適配工作是本次國(guó)產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，適配工作主要分為兩個(gè)部分：

第一部分為系統(tǒng)適配：

1) 板級(jí)支持包適配：根據(jù)交換機(jī)的需求，對(duì)龍芯2H SOC中的串口、網(wǎng)卡以及PCIE總線提供驅(qū)動(dòng)支持；

2) 昆侖固件適配：根據(jù)對(duì)龍芯系列處理器的適配經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)龍芯2H對(duì)昆侖固件進(jìn)行適配；

3) 操作系統(tǒng)適配：根據(jù)交換機(jī)需求，對(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備管理層、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、VxWorks兼容層、文件系統(tǒng)組件以及Posix接口功能提供適配驗(yàn)證；

4) 交換芯片SDK的適配：針對(duì)交換芯片SDK支持操作系統(tǒng)類型的不同，SDK適配的方式有所不同，如果SDK支持的系統(tǒng)為L(zhǎng)inux，則主要依賴于道系統(tǒng)的Posix接口。對(duì)于VxWorks系統(tǒng)，則主要依賴于道系統(tǒng)的Vxworks兼容層，交換芯片采用PCIE的方式與龍芯2H連接，道系統(tǒng)提供PCIE總線驅(qū)動(dòng)以及PCIE讀寫(xiě)內(nèi)存接口；

5) 三層協(xié)議和交換機(jī)應(yīng)用的適配：針對(duì)原有操作系統(tǒng)類型的不同，應(yīng)用適配的方式有所不同，如果SDK采用的系統(tǒng)為L(zhǎng)inux，則主要依賴于道系統(tǒng)的Posix接口。對(duì)于VxWorks系統(tǒng)，則主要依賴于道系統(tǒng)的VxWorks兼容層。

第二部分為環(huán)境搭建：

在道系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)中，需要提供交換機(jī)應(yīng)用和庫(kù)的編譯環(huán)境，編譯環(huán)境的搭建主要分為兩部分，一部分為三層協(xié)議和應(yīng)用的編譯，第二部分為交換芯片SDK提供編譯環(huán)境。

4　結(jié)語(yǔ)

本文以實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的自主可控為出發(fā)點(diǎn)， 對(duì)使用龍芯2H CPU與國(guó)產(chǎn) “道”操作系統(tǒng)

進(jìn)行了全面分析與研究，研究結(jié)果表明使用龍芯2H CPU與國(guó)產(chǎn)“道”操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)管理配置的自主可控是可行的。與此同時(shí)，對(duì)國(guó)產(chǎn)交換芯片的功能性能測(cè)試工作也在同步進(jìn)行中，隨著國(guó)產(chǎn)交換芯片技術(shù)的不斷成熟，國(guó)產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將逐步實(shí)現(xiàn)全面自主可控。

[1] 胡偉武,靳國(guó)杰,汪文祥,等.龍芯指令系統(tǒng)融合技術(shù)[J].中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué),2015,45(4)：459-479.

[2] 向繼文，劉昕，廖柏林.龍芯CPU研發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀綜述[J].吉首大學(xué)學(xué)報(bào)，2015,36(S2):127-127.

[3] 北京龍芯中科技術(shù)服務(wù)中心有限公司.龍芯2H處理器數(shù)據(jù)手冊(cè)[G].2015.

[4] 芮雪，王亮亮，揚(yáng)琴.國(guó)產(chǎn)處理器研究與發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2014(8):17-17.

[5] 李駒光，許丹閎.基于龍芯處理器的可信嵌入式計(jì)算機(jī)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2012(6):16-18.

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Network Switch Technology Research in Domestic Independently Controllable Field*

In view of the fact that present network switch widely adopts imported CPU and operating system,leading to unfavorable to independently controllable management issues,this paper proposes a scheme using Loongson 2H CPU and DeltaOS, the management and configuration of a network switch independently controllable is implemented, reference is provided on the network switch in domestic independent controllable design.

network switch, domestic, independently controllable

2016年2月9日,

2016年3月27日

王博,男,碩士,工程師,研究方向：國(guó)產(chǎn)基礎(chǔ)軟硬件平臺(tái)體系設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真及功能測(cè)試。

TN91

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.033