一種基于以太網架構的ATM交換總線實現方法

胡廣文

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0　引言

隨著計算機和網絡技術的不斷發展, 以太網(Ethernet)作為一種標準化程度高、傳輸帶寬大、性價比高的網絡通信技術已經得到越來越廣泛的應用[1]。以太網的傳輸速率也由最初的10 Mbps發展為百兆、千兆、萬兆，目前40 Gbps以太網作為干線傳輸已被廣泛應用[2-3]。伴隨著以太網的應用領域和范圍的拓展，以太網交換芯片產業呈高速發展的態勢，交換芯片、操作系統、軟件開發套件等形成了完善的產業鏈。基于以太網交換架構實現設備開發成為發展趨勢[4]。

ATM(Asynchronous Transfer Mode)是一種傳遞綜合業務、效率高、控制靈活的信息傳遞模式，在傳輸鏈路帶寬受限、服務質量要求高的網絡應用中仍發揮著重要作用。隨著網絡對承載及兼容能力需求的不斷提升，如何在設備構架設計中將ATM技術與以太網交換技術結合實現基于以太網架構具有ATM交換特性的綜合交換設備成為研發廠商關注的一項技術。目前基于ATM LVDS鏈路復用/轉換器構建的星型拓撲的設備架構已面臨淘汰，一些廠商借助百兆以太網PHY代替了ATM鏈路復用/轉換器初步實現了基于以太網物理層承載的ATM星型交換拓撲架構。但這種架構又面臨無法與以太網交換兼容、交換鏈路帶寬調整困難、擴展性差等問題。基于千兆以太網交換承載[5]的邏輯星型ATM交換總線的主要實現方法有：① 通過信息報文格式的構建以適應跨越以太網交換；② 通過反壓機制的設計使交換矩陣適應傳輸鏈路接口帶寬的差異性；③ 通過交換鏈路帶寬靈活調整實現各插卡對ATM交換總線的高效共享。采用層次化手段解決了ATM交換邏輯與以太網交換構架有機融合，在保證ATM交換特性的基礎上兼固IP交換的優點從而提高了設備的擴展性和兼容性。

1　以太網及ATM分組結構

以太網是基于變長幀交換的網絡，是一種無連接網絡[6-7]。其幀符合IEEE 802.3標準[8]或RFC894標準[9]，為提高有效帶寬，此處采用RFC894標準，幀格式如圖1所示。

圖1　RFC894以太網幀結構

目的MAC地址：接收以太網幀的設備地址，6 Byte長度；

源MAC地址：發送以太網幀的設備地址，6 Byte長度；

以太網幀類型：該字段用于標識數據字段中包含的高層協議類型，2 Byte長度；

數據字段：數據字段最小長度必須為46 Byte， 以保證以太網幀長至少為64 Byte，最大長度為1 500 Byte。

FCS：幀差錯檢測編碼，包括地址字段、類型、數據字段的循環冗余校驗(CRC)碼。用于檢測幀在傳輸過程中是否發生了錯誤。

ATM是基于定長信元的快速分組交換技術，ATM網絡是一種面向連接的網絡[10-11]。信元結構符合ITU-T I.361標準[12]。本實現方法采用的UNI信元標準，格式如圖2所示。

GFC：一般流量控制，4 bit，只用于UNI接口，目前保留。

VPI：虛通路標識，8 bit。

VCI：虛通道標識，16 bit，標識虛通路中的虛通道，VPI/VCI一起標識一個虛連接。

PT：凈荷類型，3 bit。用于指示本信元為用戶數據或OAM信元等。

圖2　I.361 UNI信元結構

CLP：信元丟失優先級，1 bit。用于擁塞控制。

HEC：信頭差錯控制，8 bit，用于進行信元定界和信頭錯誤檢測。

凈荷：固定長度凈荷，48 Byte。ATM信元對AAL0、AAL2、AAL5等不同類型業務的統一信息承載字段。

2　設計要求及分層模型設計

2.1　設計要求

整機設計中總線架構設計必須滿足如下幾點：

① 通過采用以太網交換作為插卡間信息交互的基礎，以滿足向全IP交換靈活升級應用需求[13]。

② 適應ATM網絡傳輸鏈路帶寬離散性大、鏈路數量多的應用特點，具備與原ATM網絡等同的業務QoS控制特性[11]。

③ 通過合理的交換總線設計，兼容ATM交換設備能力，保證技術延續性和設備的穩定性，達到設備升級換代目的。

④ 綜合發揮以太網交換和ATM交換各自的優勢，實現雙交換的有機融合，保證設備的前向兼容性和后向擴展性。

2.2　傳統ATM交換邏輯分層模型

傳統的ATM交換邏輯實現如圖3所示，圖中虛線右側為ATM交換卡邏輯構成，左側為各類業務/中繼插卡的邏輯構成[14-15]。各業務/中繼插卡通過基于點到點LVDS背板鏈路與交換卡構成星型交換總線拓撲。各業務/中繼插卡間通過ATM交換卡實現信息交換和傳輸。

圖3　傳統ATM交換設備分層模型

2.3　基于以太網架構的ATM交換總線分層模型

新的分層模型是在原ATM交換設備分層模型的基礎上將LVDS總線適配更改為以太網適配，設計以太網總線適配層以適應信息穿越以太網交換，從而構建以ATM交換卡為核心的邏輯星型交換。基于以太網構架的ATM交換總線分層模型如圖4所示。

圖4　基于以太網構架的ATM交換分層模型

以太網總線適配層對上層接口與原LVDS總線適配層對上接口保持一致，保留原中繼鏈路處理、業務接入處理層、ATM適配層、ATM交換等硬件邏輯設計和協議及信令處理的軟件代碼，從而繼承原ATM交換設備針對ATM連接、流格式業務、數據業務、語音業務等邏輯處理功能和面向連接的QoS控制特性。以太網總線適配層這一特點實現了對原總線適配層之上處理的無感化，避免了大量的二次開發工作，保證了設備的穩定性和延續性。

以太網總線適配層對下主要適應以太網交換總線特點實現報文信息翻譯、封裝和拆裝。適配層完成插卡的槽位信息與以太網地址映射，完成各邏輯通道的帶寬調度，進而實現各業務/中繼插卡與ATM交換卡間虛擬ATM星型拓撲構建。適配層充分利用以太網交換容量及鏈路帶寬大的特點，將傳輸序號、鏈路通道號、通道反壓、優先級等ATM交換控制信息作為專用附加字段插入以太網傳輸幀[16]中實現以太網承載。

3　總線設計實現

3.1　設備總線結構

設備總線結構如圖5所示。物理總線拓撲是以以太網二層交換[17-18]為基礎與各插卡構建的物理承載星型拓撲，ATM邏輯總線拓撲是以ATM交換單元為中心與各插卡構建的ATM邏輯星型拓撲。每個單元具有唯一的以太網MAC地址，總線上從各業務單元到ATM交換單元信息流向稱之為Upstream方向，從ATM交換單元到各業務單元信息流向稱之為Downstream方向。

總線傳輸幀封裝格式如圖6所示。在Upstream方向和Downstream方向ATM交換專用字段有所不同。

圖5　基于以太網架構的ATM交換總線拓撲

圖6　總線傳輸幀封裝格式

3.2　字段說明

傳輸序號：總線傳輸幀序號，可用于監視總線傳輸質量；

CA字段：指示通道緩存隊列是否達到擁塞門限；

PHY-ID字段：指示幀中承載的信元的PHY通道號標識；

優先級字段：指示幀中承載的信元的優先級。

3.3　總線信息傳送工作流程

① MAC地址確定，ATM交換單元MAC地址是固定的。其他插卡通過背板上的物理槽位地址生成本板的MAC地址。

② 由管理單元配置ATM交換單元交換端口與目的MAC地址的對應關系并為各端口分配的ATM交換總線帶寬資源。

③ ATM交換單元采用WRR算法按設置的帶寬調度各虛擬ATM交換端口，將定長信元(如有業務信元封裝業務信元，無業務信元封裝空信元)封裝到以太網幀的凈荷中，通過查找ATM交換端口與MAC地址翻譯表實現以太網承載幀頭封裝，同時將對應交換端口Upstream方向擁塞指示封裝入CA字段，通過Downstream方向發送給以太網交換。

④ 以太網交換通過對幀頭中目的MAC地址查表轉發到對應的業務/中繼卡上。

⑤ 各業務/中繼單元收到Downstream方向的信元后，如為有效信元則按照PHY-ID字段發送給業務或中繼端口進行處理，如為空信元則丟棄。同時各業務插卡按照從Downstream方向接收信元的頻率向Upstream方向發送信元(如Upstream方向無業務信元或Downstream方向的信元CA指示擁塞，則發送空信元幀，否則發送業務信元幀)。同時通過發送幀中的CA字段攜帶Downstream方向各PHY通道擁塞指示。

⑥ 以太網交換通過對幀頭中目的MAC地址將各業務/中繼卡Upstream方向的幀轉發到ATM交換單元。

⑦ ATM交換接收到各插卡Upstream方向的信元，如封裝的為空信元則丟棄，如為業務信元則送入ATM交換矩陣進行交換。并根據Upstream方向傳來的CA信息決定是否調度對應交換矩陣輸出PHY通道的業務。

3.4　實現過程中的注意事項

由于ATM交換單元與各個插卡間已經不是原有星型直連的LVDS線路，而是變成了基于以太網的邏輯星型拓撲，即所有經過ATM交換的信息共享ATM交換單元的以太網承載鏈路，即所以進行總線帶寬資源分配時，應小于以太網承載鏈路帶寬。

在緩存隊列的設計方面必須綜合考慮以太網交換延時、業務對外接口速率、總線帶寬資源、PHY-ID支持數量等因素，以確定各業務/中繼單元交換端口Downstream方向信元緩存隊列數量和深度。

3.5　應用案例

采用基于以太網架構的ATM交換總線實現方法已應用于綜合交換設備的設計和實現。通過設備在綜合組網環境下承載的語音、傳真、數據、視頻等業務特性的測試表明：各類業務的QoS承載、ATM交換容量特性與原ATM交換設備一致，但設備的擴展性、靈活性及兼容性得到顯著提升。

4　結束語

本文從分層模型、分組格式及工作流程等方面詳細闡述了一種基于以太網架構的ATM交換總線實現方法。通過工程應用和測試表明，此種方法在對傳統的ATM交換設備升級換代中取得了較好的效果。基于以太網架構的ATM交換總線實現方法著眼點在將基于原有的ATM專用總線平滑移植到基于以太網承載架構的設計實現，保證了設備功能和特性延續性的同時,實現了設備架構的兼容性和靈活性。層次替換對上無感的設計思路對路由交換、網絡控制甚至測試類設備的升級換代具有較好的借鑒意義。

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