（计算机应用技术专业论文）千兆以太网交换机软件系统的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着各种媒体信息数字化的深入，多媒体通信技术的应用等， 使得千兆以太网成为高速、高带宽网络的战略性选择。本文主要 论述了千兆以太交换机v t 6 5 1 0 软件系统的设计和实现。该系统的 硬件环境：以太交换芯片为v t 6 5 1 0 ( 8 + 2 g ) ，控制c p u 采用a r m $ 3 c 4 5 1 0 b ，a r m 芯片通过i o 端口对v t 6 5 1 0 进行控制访问，数据传输 采用d m a 方式。软件系统的设计主要涉及了：b i o s 、操作系统嵌入 式l i n u x 中交换芯片底层驱动、交换机配置管理、组播协议等功能 的实现。 本文以四章的篇幅介绍交换机软件系统实现的细节。第一章 概述千兆以太网技术以及千兆交换机设计中的关键要素：第二章 介绍交换机硬件系统的设计，以及各硬件模块的工作原理：第三章 介绍在交换机系统中建立嵌入式l i n u x 操作系统，包括对系统软件 开发平台的介绍和操作系统各部分的实现：第四章介绍交换机应 用软件系统的设计和实现，包括网络管理和组播协议实现的介绍。 关键词：交换机；u c l i n u xv l a n ；s n m p ：i g m ps n o o p i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文 第li 页 a b s t r a c t b e c a l l s eo f t h et r e n dt h a tm u l t i m e d i am a t e r i a l sb es t o r e da n de x p r e s s e d i n d i g i t a lf o r m a t ，1 g b e t e c h n o l o g i e sh a v e b e c o m eah o t s p o ti nt h ea c c e s s n e t w o r k sa r e a t h i sp a p e r p r e s e n t s 口e x t e n s i b l eo p e n s o f t w a r ep l a t f o r mf o rm a n a g e m e n t e m b e d d e de t h e r n e ts w i t c h e s t h ee m b e d d e ds y s t e m i sb a s e do f fo ft h es a m s u n g $ 3 c 4 5 1 0 ba r m 7c p u ，i t ss w i t c he n g i n e v t 6 5 1 0d e l i v e r2g i g a b i te t h e r n e t d o n sa i l d810 0 m b i t se t h e r n e tp o r t s a r m c o n n e c tt os w i t c hi n t e r f a c e e x t e m a li ob a i 】_ k1 , e x t e r n a ld a t a b u sb a n d w i d t hi s1 6b i t s p a c k e tr e c e i v ea n d t r a n s m i tu s e sd m a m o d e t h es o f t w a r es y s t e m i sm a d eu po fs e v e r a l p a n s ，i n c l u d i n gb i o s ，t h ee m b e d d e d l i n u xo s ，t h es w i t c h sd r i v e rs o f t w a r e ，a n d s o m e u p p e r l e v e lp r o t o c o ls o f t w a r es u c ha st h ei g m ps n o o p i n g p r o t o c o l - t h e f l r s tc h a p t e ri n t r o d u c e s1 g b ee t h e r n e t a c c e s st e c h n o l o g i e sa n dr e q u i r e m e n t sf o r t h es w i t c h e s t h es e c o n dc h a p t e rd e s c r i b e s t h ed e s i g na n df u n c t i o n so f v t 6 5 1 0 h a r d w a r es y s t e r n i nt h et h i r dc h a p t e r , t h ed e t a i l e dd e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o n i n f j r m a t i o no ft h ee m b e d d e dl i n u x o si sg i v e n a n dt h e nw ed e s c r i b e dt h e s t r u c n i r ea n di m p l e m e n t a t i o no f t h es w i t c ha p p l i c a t i o n r e l a t e ds o f t w a r ew h i c h r u n so v e rt h el i n u xo s ，s u c h a ss n m pa n d i g m ps n o o p i n gf u n c t i o n k e vw o r d s ：e t h e r n e ts w i t c h ；u c l i n u x ；v l a n ；i g m ps n o o p i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 以太网技术的发展及现状 以太网( e t h e r n e t ) 技术是在2 0 世纪7 0 年代发展的一种局域n ( l a n ) 技 术，以太网的特点是：性能价格比高、高度灵活、相对简单、易于实现。所以， 以太网技术成为当今最重要的一种局域网建网技术。在全球数据网络中，以 太网在数量上占有绝对的优势。随着千兆以大网g b e ( gb i t e t h e m e t ) 的成熟和 万兆以太网1 0 g b e ( 1 0 g b s ，i e e e 8 0 2 3 a e ) 的出现，加上低成本在光纤上直接架 构g b e 和10 g b e 网技术的成熟( o p t i c a le t h e r n e t ) 以及一些相关标准及协议， 如快速生成树( 8 0 2 1 w ) 等的出现，以太网已开始进入城域网m a n 和广域网 w a n 领域【”。 从以太网的发展过程来看，可分成如下几个阶段： 1 9 7 3 1 9 8 2 年：以太网的产生与d i x 联盟。 1 9 8 2 1 9 9 0 年：l o m b s 以太网发展成熟 1 9 9 2 1 9 9 7 年：快速以太网 1 9 9 3 1 9 9 7 年：l a n 桥接与交换 1 9 9 6 一今：千兆以太网及万兆以太网 最初的以太网标准是由数字设备公司( d e c ) ，i n t e l 和x e r o x ( d i x ) 联盟提 出的，该联盟成立于1 9 7 9 年，并于1 9 8 0 年出版了第一个以太网“蓝皮书”。 以太网标准提交给一个新成立的i e e e 小组( 后被定义为i e e e8 0 2 工程) 。8 0 2 工程又分成不同的小组： 8 0 2 1 小组：处理高层互联协议和管理，处理所有8 0 2 l a n 共同的 问题，包括编址、管理和网桥。 8 0 2 2 小组：定义逻辑链路控$ 1 j ( l l c ，l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 。 8 0 2 _ 3 小组：处理c s m a c d l a n ，这是由以太网发展而来的。 8 0 2 4 小组：处理令牌总线l a n 。 8 0 2 5 小组：处理令牌环l a n 。 其它8 0 2 小组处理m a n 和安全性等问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 在2 0 世纪8 0 年代早期以太网刚刚被普遍采用的时候，桌面计算技术还 处于较弱小的地位。在1 9 9 0 年运行于非屏蔽双绞线上的lo m b s 以太网被定 义为i e e e1 0 b a s e t 标准而被采纳，这使得以太网被大量地采用。当 c l i e n t s e r v e r 模式取代集中式大型机时，简单且廉价的以太网连接正好符合 了分布式桌面计算技术的加速发展的趋势。结果是更大的网络，更多的网络 应用程序以及大大增长的带宽需求。迅速增长的带宽需求和复杂系统的低成 本芯片实现导致了9 0 年代初的两个关键趋势。第一个趋势是由以太网最初被 定义以来就存在的共享式以太网拓扑结构向交换式拓扑结构的转换。共享式 以太网的本质就是所有的工作站共享10 m b s 的信道。随着网络用户数目和 流量的增加，共享结构成了瓶颈。交换式以太网允许每个工作站有可能获得 全部的lo m b s 带宽而无需共享。第二个趋势是能够以1 0 倍于原始数据率的 速度( 即l o o m b s ) 运行的以太网设备的开发与应用。快速以太网，或者叫i e e e 1 0 0 b a s e t 在1 9 9 5 年正式成为标准，同时其产品被大量采用。快速以太网 一与交换式以太网具有很强的互补性，因为多个lo m b s 网络可以被汇聚到 一个lo o m b s 连接上。另外由于1o m b s 和lo o m b s 以太网使用同一种以太 网帧格式，所以由互联设备带来的额外费用与绩效都可以实现。快速以太网 同时还包含了这样的能力，它允许设备既可以以lo m b s 也可以以1o o m b s 速度工作，并定义了一种自动协商机制用于控测并选择合适的速度。这种能 力被证明为非常重要的，它允许大量的1 0 0 m b s 网络适配卡被应用到已大量 存在的基于lo m b s 的网络中去。这就有效地激发了对1o o m b s 基础设备的 需求，从而导致快速以太网中继器和交换机的大规模使用。 然而随着网络通信流量的不断增加，传统1 0 1 0 0 m b s 以太网在c s 计算环境中己很不适应。通信的拥塞推进了对高速网络的需求。从目前的发 展看，最合适的解决方案是千兆以太网。千兆以太网可以为网络提供1g b s 的通信带宽，而且具有以太网的简易性；以及和其他类似速率的通信技术 比具有价格低廉的特点。千兆以太网在当前以太网基础之上平滑过渡，综合 平衡了现有的端点工作站、管理工具和培训基础等各种因素。千兆以太网和 1 0 0 m b s 以太网采用同样的c s m a c d 协议、同样的帧格式和同样的帧长。 对于广大的网络用户来说，这就意味着现有的投资可以在合理的初始开销上 延续到千兆以太网，不需要对技术支持人员和用户进行重新培训，不需要做 另外的协议和中间件的投资。结果是用户的总体开销较低1 2 j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 1 1 千兆位以太网技术的特点 由以太网所支持的简易网络升级，以及对新应用和数据类型处理的灵活 性、网络的可伸缩性，使得千兆以太网成为高速、高带宽网络的战略性选择。 他主要具有以下几个特性。 ( 1 ) 简便、直接的高性能升级，而且无网络崩溃危险 网络管理员所面临的一个重要问题是如何获得更高网络带宽，而不至 于使现存的网络瘫痪。千兆以太网采用和以前的1 0 1 0 0m 以太网相同的 格式，执行同样功能。这样，向更高速度网络发展时，升级就成为直接性 的和增加性的。所有的3 种以太网都采用同样的i e e e 8 0 2 3 帧格式，同样 的双工操作和流控机制。单工操作模式中，千兆以太网采用同样的基本 c s m a c d 访问方式解决共享介质的冲突问题。而且千兆以太网使用同样 的、由i e e e 8 0 2 3 小组定义的管理对象。千兆以太网还是以太网，只是更 快。 ( a ) 以太网帧格式 使用局域网交换器或路由器将现有的低速以太网设备和千兆以太网设 备连接很简单，利用同样的线路速率互联即可。千兆以太网使用同样的变 量长度，由于所有的以太网的帧格式和长度都相同，没有必要做网络的其 他变动。这种革命性的网络升级途径使得千兆以太网可以“无缝”融入现 存的以太网和快速以太网之中。 按i e e e 8 0 2 3 x 的规定，通过全双工、交换方式连接的2 个节点可同 时发送、接收数据包。千兆以太网在双工操作模式中延续同样的标准。而 且千兆以太网采用标准以太网的流控方法避免网络拥塞和超载。在单工操 作模式中，千兆以太网也采用同样的c s m a c d 基本访问方法，解决共享介 质的访问冲突问题。 ( b ) 管理对象 从以太网过渡到快速以太网，大多数网络管理员所熟悉的基本管理对 象仍将在千兆以太网上得以延续。例如，s n m p 定义了获取设备级的以太网 信息的标准方法。s n m p 利用管理信息库( m i b ) 记录关键性的统计信息， 诸如冲突计数、发送或接收的数据包、出错率等各种设备级的信息。其他 的信息由远程监视( r m o n ) 代理收集，通过网络管理的应用程序汇集各种 统计数据。由于千兆以太网使用标准以太网帧，所以可以使用同样的m i b 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 和r m o n 代理，在千兆速率上作网络管理。 ( 2 ) 较低的总体开销 总体开销是评价新型网络技术的一个重要的因素。总体开销不仅包括 购买设备的开销，还应包括培训、维护和纠错的开销。 竞争和经济发展已经将以太网的连接开销大大降低了。虽然快速以太 网产品只是从1 9 9 4 年开始供货，但在前五年中其产品价格已经显著降低。 千兆以太网将延续同样的发展过程。甚至早期产品就能提供较好的性能价 格比。i e e e 的目标是以1 0 0 b a s e f x 连接价格的2 3 倍提供千兆以太网的 连接。随着产品数量的增加，i c 生产线会简化。低价光电设备会被研究出 来，千兆以太网端口价格将不断降低。 交换式千兆以太网连接开销低于6 2 2m b sa t m ( 假定物理介质相同) ， 这是因为产品相对简单，产品数量更大。千兆以太网中继器接口大大低于 6 2 2m b s a t m 。为用户提供性能价格比优越的数据中心主干网络和服务器 连接的解决方案。 最后，由于现有系统的用户早已熟悉了以太网技术，以太网的维护和 纠错工具，以太网的支持开销将远远低于其他的技术。千兆以太网只需要 对人员的进一步培训，附加性购置维护和纠错工具。除此之外，千兆以太 网将比其他技术更快。一旦升级培训和升级工具完成之后，网络支持人员 可以有充分信心作千兆以太网的安装和纠错工作。 ( 3 ) 对新型应用和数据类型的支持 i n t r a n e t 应用的出现预示着新数据类型的展。包括视频和音频。在过 去，人们认为视频需要一种新的、专为多媒体设计的技术，但是如今由于 新标准、新协议的出现，将数据和视频综合在以太网上已经成为可能。 ( 4 ) 灵活的网络互联和网络设计 网络管理员当今面临着无数个网络互联的选择和网络设计的各种解决 方案。这些选择包括各种路由和交换网络，包括建立规模不断增长的内部 网络。基于带宽要求和经费情况，以太网可为共享式的( 使用中继器) 或 交换式的网络。然而高速网络的选择应当不受互联方式和网络拓扑的限制。 1 1 2 千兆位以太网的应用 于兆位以太网的最初应用将是园区和建筑中要求更高带宽的各种设备之 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 问的通信，包括路由器、交换机、集线器、中继器和服务器等。例如交换器 到路由器、交换器到交换器、交换器到服务器和中继器到交换器连接。在早 期阶段，千兆以太网预计不会广泛用于台式环境。不论什么场合，网络操作 系统( n o s ) 、台式机的应用和n i c 驱动程序都会保持不变。m i s 管理员不仅 可以继续使用现有多模光纤，而且也可以考虑当前的网络管理、网络应用和 工具的投资，在原有投资和新投资上取得平衡。 ( 1 ) 对交换器到交换器连接的升级，可以获得1 0 0 1 0 0 0m 交换器之间的 10 0 0m b s 信道一个非常直接的升级方案是将快速以太网交换器之 间或中继器之间的1 0 0m b s 的链路升到10 0 0m b s 。如此的商带 宽、交换器到交换器的链路可以使1 0 0 1 0 0 0m 交换器支持更多数量 的交换式或共享式的快速以太网网段。 ( 2 ) 对交换器到服务器连接的升级，可获得从应用到文件服务器的高速访 问能力。最简单的升级方案是将快速以太网交换器升级为千兆以太网 交换器，以获得从具备千兆以太网网卡的高性能的超级服务器集群到 网络的高速互联能力。 ( 3 ) 对交换式快速以太主干网的升级，这可以通过用千兆位以太网交换器 或中继器汇接快速以太网交换器来实现。连接多个1 0 1 0 0m 交换器 的快速以太网主干交换器可以升级为千兆以太网交换器，支持多台 1 0 0 1 0 0 0m 交换器，以及其他的设备如路由器、带有千兆以太网接 口和上联功能的集线器，在需要时也可以是于兆以太网中继器和数据 缓冲分配器。一旦主干升级为千兆以太网交换器，高性能的服务器可 以通过千兆以太网接口卡直接连接到主干上，为使用高带宽的用户提 供更高的访问吞吐能力。同时网络可以支持更多数量的网段，为每个 网段提供更高带宽，使各网段支持更多的节点接入能力。 ( 4 ) 对共享式f d d i 主干网的升级，可通过用千兆位以太网交换器或中继器 安装f d d i 交换器或以太网到f d d i 交换器路由器来实现。园区或建 筑f d d i 主干网络可以采用千兆以太网交换器或数据缓冲分配器，更换 现有的f d d i 集中器、集线器或以太网到f d d i 路由器的方式升级。 1 2 千兆以太网交换机设计中的关键因素 千兆以太交换机在设计中需要考虑的功能和性能要求 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 高速无阻塞交换：在各交换机端口之间进行高速的数据包交换转 发。 组播支持：在交换机上实现二层的组播支持，使得组播视频流不会 浪费过多的网络带宽。 v l a n 支持：允许使用v l a n 技术隔离广播流量，从而防止广播 风暴。 可管理性：支持对交换机的控制台和远程管理，实现用户控制等功 能。 一定的包缓存能力。 从系统设计的角度看，交换机可以分为四个功能模块： 底层交换模块：根据包头完成数据包的无阻塞高速转发，不需要太多的智 能计算，用硬件实现。 管理硬件子系统：以微处理器为核心构建的管理模块，连接交换模块提供 的c p u 管理接口，提供对交换模块的控制能力。 交换机应用软件：实现交换机控制，提供组播、v l a n 等协议以及增强功 能支持的软件模块，是实现接入交换机功能的核心。 交换机应用软件的运行时环境：交换机应用软件得以运行的软件平台，为 上层应用提供统接口对交换机硬件进行控制，一般为嵌入式操作系统。 1 3 本文主要工作 就目前我国的网络产品市场而言，高端的交换机、路由器等产品几乎垄 断在国外大型厂商手中：而对于低端市场，则呈现出百花齐放的局面。千兆以 太网络技术的出现更是给国产网络产品的蓬勃兴起提供了无限的商机。 本文的工作主要是进行低端可网管千兆以太交换机v t 6 5 1 0 软件系统的 研究。从国外市场情况来看，以太交换机软件系统采用的操作系统主要是 w i n d r i v e r 公司推出的v x w o r k 。国内曾推出过自有知识产全的嵌入式操作系 统解决方案，但目前仍然没有成功的案例。 在交换机软件系统方案的制定过程中，我们就是否采用v x w o r k 做过广泛 的调研。v t 6 5 1 0 是智能型千兆以太网交换芯片，已集成了交换引擎功能：自 动处理地址学习；具有i p 包头捕捉功能，支持i p 多播；硬件支持生成树协议 ( 8 0 2 1s ) ；支持v l a n ( 8 0 2 1 v ) ：支持二层c o s ( c l a s so f s e r v i c e ) 队列优先级别 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( 8 0 2 1 p ) 。控sj j c p u 的主要功能是使用s n m p 协议网管，对v t 6 5 1 0 进行设置的同 时提供对组播协议的支持。所以它对运算速度和实时性要求并不高。选择 v x w o r k 商业实时操作是个高成本方案，会大大降低产品的竞争力。我们经过 深入的对比研究，最后决定采用由l i n e o 公司维护的，完全开放源码的嵌入式 l i n u x 操作系统：u c l i n u x ，作为新一代可网络管理交换机的操作系统。 在国际上，使用u c l i n u x 方案已经成功的案例有：基于c o l d f i r e 的c i s c o 2 5 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 路由器；基于a r m 7 t d m i 的a p l i o 公司的v o i c e o v e r i p 电话； a x i s 公司的a x i s 2 0 0 1 网络数码相机；a d o m o 公司的家庭机顶盒“”以及各种开 发板。 正是综合考虑了技术成熟度和市场因素的前提下，我们设计并实现了适 合商业应用的v t 6 5 1 0 以太网交换机的嵌入式软件系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第二章以太交换机v t 6 5 10 系统结构设计 2 1 以太网交换机综述 2 1 1 以太网交换机的类型及特点 根据不同的标准，交换机有不同的分类。常见的有以下几种： 1 按照现在复杂的网络构成方式，网络交换机被划分为接入层交换机、 汇聚层交换机和核心层交换机。其中，核心层交换机全部采用机箱式模块化 设计，目前己经基本都设计了与之相配备的1 0 0 0 b a s e t 模块。接入层的以 太网交换机基本上是固定端口式交换机，以1 0 1 0 0 m b p s 端口为主，并且以 固定端口或扩展槽方式提供10 0 0 b a s e - t 的上连端口。汇聚层交换机同时存 在机箱式和固定端口式2 种设计，可以提供多个1 0 0 0 b a s e t 端口，一般也 可以提供1 0 0 0 b a s e t x 等其他形式的端口。接入层和汇聚层交换机共同构 成完整的中小型局域网解决方案。 2 按照o s i 的7 层网络模型，交换机又可以分为第二层交换机、第三层 交换机、第四层交换机等等，一直到第七层交换机。基于m a c 地址工作的 第二层交换机最为普遍，用于网络接入层和汇聚层。基于i p 地址和协议进行 交换的第三层交换机普遍应用于网络的核心层，也少量应用于汇聚层。部分 第3 层交换机也同时具有第四层交换功能，可以根据数据帧的协议端口信息 进行目标端口判断。第四层以上的交换机称之为内容型交换机，主要用于互 联网数据中心。 3 按照交换机的可管理性，又可以分为可管理型交换机和非可管理型交 换机，它们的区别在于对s n m p , r m o n ( r e m o t em o n i t o r i n g ) 等网管协议的支 持。 可管理型交换机便于网络监控，但成本也相对较高。大中型网络在汇聚 层应浚选择可管理型交换机，在接入层视应用需要而定，核心层交换机全部 是可管理型交换机p j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 1 2 二层以太网交换机的基本工作原理 第二层交换机功能范围比较广。但从基本功能上讲，第二层交换机就是 网桥，是用硬件实现的第二层桥。本文所谈及的第二层以太网交换机的基本 工作原理来源于透明网桥【4 】。 第二层交换机的基本工作原理很简单，它与透明网桥一样具有自动学习 功能，能够自动建立使用网段的地址信息。它检测从以太端口来的数据包的 源和目的地的m a c 地址，并将分组的源地址与端口号一起保存在个地址 一端口对应表高速缓存器中。同时，交换机也将检测分组的目的地址，并试 图在地址端口缓存中寻找其匹配的出口： 1 ) 如果成功地找到匹配，就将分组交换到其对应的端1 2 1 。 2 1 如果没有找到匹配，就将该分组发送到除了其输入端1 ：3 以外的所有输 出端口上。 3 ) 如果目的地址对应的输出端口就是该分组对应的输入端1 3 ，交换机将 丢弃该分组。 经过一段时间，交换机就会自动学习到所连网段的地址信息。同时缓存 器中的长时间未更新的表项会超时，以便使高速缓存中的信息得到更新。其 地址学习过程可用图2 1 表示出来，其原理来源于透明网桥。透明网桥的功 能列举如下： 图2 - 1 地址学习过程 1 1 通过将局部网终流量限制在局域网的有限部分来提高性能。即能够 有效的隔离冲突域。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 ) 使建立混合速率的局域网成为可能。例如，在1 0 m b s 以太网网段与1 0 0 m b s 网段之间或者1 0 0 m b s 以太网网段与1 0 0 0 m b s 网段之间， 网络流量必须进行桥接。即相互连接必须通过交换机。 3 ) 扩展局域网覆盖的区域。冲突域的大小受到限定电缆长度和路径中中继 器数目的规则的限制。当一个帧到达一个交换机端口时，这些规则的作用范 围就结束了。当一个帧从交换机的另一个端口发送出去时，该帧就有了一个 新的开端。 交换机在过去传统网桥的基础上在提高性能、安全性、可用性和可管理 性的功能方面己得到增强。这些功能包括： 1 ) 阻止某些类型的帧被转发到局域网的某些部分。这样做是为了消除多 余的网络流量或者为了增加某些安全性限制。网络管理员手工配置应用于帧 的过滤规则。 2 ) 通过安装备份交换机和建立交换机之问的备份链路来消除单故障点。 生成树协议( s t p ，s p a n n i n gt r e ep r o t o c o 1 ) 及快速生成树协议( r s t er a p i d s p a n n i n gt r e ep r o t o c 0 1 ) 是最流行的备份设施。 3 1 将交换机之间的一组链路组合起来，使其看上去像一条链路一样，称 为链路聚合( 1 i n ka g g r e g a t i o n ，或t r u n k i n g ) 。同时，将链路聚合用于使用备份 链路更为可取，因为在正常运行期间，由额外链路提供的全部带宽都可以使 用。 4 ) 设置优先级，使对时间敏感的帧能够传输得更快。 5 ) 支持虚拟局域i 网( v l a n ，v i r t u a l l o c a ll a n ) 。虚拟局域网能够根据用户 相互通信和分享共同数据的需要将用户分成组，而不基于用户的物理位置分 组。 6 ) 支持组播的处理。i g m p 窥探( ( i g m ps n o o p i n g ) 可以将组播帧引导到组 成员。i n t e r n e t 分组管理协议( i g m p , i n t e r n e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 是 t c p i p 系统用于加入和退出基于i p 的组播组的协议。交换机通过窥探i g m p 消息以建立识别通向组播组成员的端口的相关表目。组播登记协议 ( g m r p , g a r pm u l t i c a s tr e g i s t r a t i o np r o t o c 0 1 ) 使希望加入一个组播组的系统 能够向相邻的交换机进行登记。交换机之间交换登记信息，以保证组播帧只 转发到组成员。 7 ) 通过简单网络管理协议( s n m p ) 支持网络管理。有的交换机还具有远程 监控( r m o n ，r e m o t em o n i t o r i n g ) 的功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 2 1 3 二层以太网交换机在m a c 层的体系结构 交换机在m a c 层的功能主要是实现l a n 的互连。根据i e e e 8 0 2 1d 协 议的规定，在m a c 层工作的体系结构必须包含以下内容：( 1 ) 一个用于连接交 换机端口的m a c 转发实体；( 2 ) 至少两个端口；( 3 ) 高层协议实体，其中包括二 层交换协议实体。 m a c 转发实体主要实现交换机不同端口间的内部通信。该实体存储各个 端口的工作状态并维护了一个过滤数据库，数据库中存放了一一张m a c 地址 表，用以实现m a c 层的路由。当数据帧从一个端口的底层服务进程传上来 时，m a c 实体首先将判断目的端g t 的工作状态，如果目的端口没有被阻塞， m a c 转发实体将依据m a c 地址表的对应关系将该帧从目的端i s i 转发出去。 同时，m a c 转发实体还可以进行过滤、记录m a c 地址等操作。交换机端口 的功能是在与其相连的l a n 上接收或传送数据帧。端口的状态由生成树算 法规定，包括转发、学习、监听、阻塞和禁止状态。高层协议实体位于l l c 层，主要用于计算和配置l a n 的拓扑结构。 2 1 4 二层以太网交换机的功能结构 s n m p l g m p u d p 窥撵 t o a r p ， g g a v 州p , p 窑感树 协生成树议 1i g g m v r r p p o m r p ! 舟设 飘 l l c l l c厩 ，戢厶 拳爿、 lm 妻装、 二a c 、 ， 物理层 物理层 端口1 端口2 图2 - 2 交换机的功能层次结构 交换机在m a c 层的工作方式与透明网桥相同，网桥最初的设计是忽略 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 或转发帧，网桥本身不是帧的源或目的地。而对于交换机，随着生成树协议、 链路聚合、i g m p 以及s n m p 管理等功能的引入，交换机除了转发帧外，交 换机之间还要交换协议信息并与网络管理工作站交换s n m p 捎息。图2 - 2 描 述了一个二层以太网交换机的功能结构。 2 1 5 二层以太网交换机与传统路由器的比较 交换机是从网桥发展而来，属于o s i 第二层即链路层设备。它根据m a c 地址寻址，通过m a c 地址表选择路由，m a c 地址表的建立和维护由交换机自 动进行。而路由器属于o s i 第三层即网络层设备，它根据i p 地址进行寻址， 通过路由表选择路由，路由表可以静态配置也可以使用协议动态进行配置和 维护。交换机最大的好处是做到线速转发。但交换机的工作机制也带来下述 问题： ( 1 ) 回路。根据交换机的地址学习和m a c 地址表建立算法，交换机之间 不允许存在回路。一旦存在回路，必须启动生成树协议，阻塞掉产生回路 的端口。而路由器的路由协议没有这个问题，路由器之间可以有多条通 路来平衡负载，提高可靠性。 ( 2 ) 负载集中。交换机之间只能有二条通路，使得信息集中在一条通信链 路上，不能动态分配，以平衡负载。而路由器的路由协议算法可以避免这 一点，o s p f 路由协议不仅能产生多条路由，而且能为不同网络应用选 择各自不同最佳路由。 ( 3 ) 广播控制。不支持v l a n 的交换机只能缩小冲突域，而不能缩小广播 域。整个交换式网络就是一个大的广播域，广播报文扩散到整个交换式网络 中。交换机中只有通过v l a n ，划分虚拟子网，将广播报文限制在一个虚拟子 网的范围内。而路由器可以隔离广播域，广播报文不能通过路由器继续进行 广播。 ( 4 ) 子网划分。交换机只能识别m a c 地址。m a c 地址是物理地址，而且采 用平面的地址结构，因此不能根据m a c 地址来划分子网。而路由器识 别i p 地址，i p 地址由网络管理员分配，是逻辑地址且i p 地址具有层次 结构，被划分成网络号和主机号，可以非常方便地用于划分子网，路由 器的主要功能是用于连接不同网络。 。 ( 5 ) 保密问题。虽说交换机也可以根据帧的源m a c 地址、目的m a c 地址和 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 其它帧中内容对帧实旌过滤。但路由器根据报文的源i p 地址、目的i p 地址、t c p 端口等地址等内容对报文实施过滤，更加直观方便。 ( 6 ) 介质相关。变换机作为桥接设备也能完成不同链路层和物理层之间的 转换，但这种转换过程比较复杂，不适合集成电路硬件实现，势必降低交换 机的转发速度。因此目前交换机主要完成相同或相似物理介质和链路层协议 的网络。而路由器则不同，主要用于不同网络之间互连，因此能连接不同物 理介质、链路层协议和网络层协议的网络。路由器在功能上虽然占据了优势， 但价格昂贵，报文转发速度低。 因此，交换机与路由器是性能和功能的矛盾体，交换机交换速度快，但 控制能力弱，路由器控制功能强，但报文转发速度慢。解决这个矛盾的最新 技术是三层交换，既有交换机线速转发报文的能力，又有路由器良好的控制 功能。表2 1 是各种交换技术的比较。 表2 - 1 各种交换技术的比较 解决方案优点应考虑问题 第二层采用成熟的技术生成树协议可拆除环路 价格较低和实现冗余连接 v l a n 容易产生广播风暴 无可扩展性 传统路由器隔离广播价格昂贵 良好的可扩展性配置困难 提供对网络的控制速度慢 第三层交换机实现快速i p i p x 包交换可能无法实现全部路由 价格较低功能 包括第二层交换功能各产品具有不同标准 需要配鼍 2 2 以太网交换机v t 6 5 1 0 硬件系统总体结构 从共享式以太网过渡到交换式以太网以来的几年中，二层交换技术得到 了很快的发展。具有管理功能的百兆交换机在市场上也己经比较普遍，干兆 及更高速率的交换技术也日趋成熟。随着交换芯片交换引擎功能的增强，智 能交换机增加智能控制模块的主要功能集中在：根据组播协议，对i p 组播管 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 理寄存器控制的支持：根据s n m p 信息对v l a n 管理寄存器进行动念设置等支持。 现在的智能交换芯片应该说是工作在o s i2 5 层，捕捉i p 包头和识另i j v l a n 标记 ( v l a n ) ，片内一般都集成了足够的内存( v t 6 5 1 0 ) b 3 m ，1 m 存储地址表，2 m 用 于数据报文缓存) ，根据i p 包头、v l a n 标记的设置进行存储转发路由都已实现 线速硬件处理。 千兆以太网接入交换机v t 6 5 i 0 的硬件系统，分为硬件交换引擎和c p u 管理 两大模块。c p u 管理模块基于a r m 7 t d m i 的嵌入式微处理器s a m s u n g $ 3 c 4 5 1 0 b 设计，通过i o 总线完成对交换机硬件交换模块的管理控制，并提供如i g m p s n o o p i n g ，s n m p 等协议的支持和v l a n ，t r u n k 配置功能。c p u 管理模块以 $ 3 c 4 5 1 0 b 为中央处理器，使用s d r a m 和闪存两级存储，内盖了实时时钟芯片和 调试接口，对外提供了用于管理整个交换机系统的接口。 v t 6 5 1 0 以太网交换机硬件结构如图2 - 3 。 图2 3v t 6 5 1 0 以太网交换机硬件结构 2 3 以太网交换模块 交换模块的核心是智能型以太网控制芯片v t 6 5 1 0 ，它内部集成了数据交 换引擎，提供2 个g 级的局域网接口8 个i o j 0 0 m b 的普通局域网接口。主要的功 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 能和特性： 1 ) 线速过滤路由； + 2 ) 支持v l a n ( 8 0 2 1 v ) 3 ) 支持生成树协议s t p 和基于v l a n 的生成树协议( 8 0 2 1 s ) ； 4 ) 支持t r u n k 功能( 8 0 2 3 a d ) 5 ) 支持i p 多播 6 ) 支持二层c o s ( c l a s so f s e r v i c e ) 优先级别控制( 8 0 2 i p ) ，具有管理信息 表( b i l b ) 寄存器，支持远程网络管理功能。 7 ) 片内有2 m 对数据报进行缓存： 8 ) 具有流量控制功能( 8 0 2 3 x ) 。 9 ) 支持端口安全设置 v t 6 5 1 0 功能模块结构如图2 一乱 2 4o p u 管理模块 图2 4v t 6 5 1 0 功能模块结构 a r ms 3 c 4 5 1 0 bc p u 管理模块主要针对以太网交换机的特定应用而设计， 同时又具有一定的通用性和独立性，也可以用于其他应用环境。模块的核 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 0 是$ 3 c 4 5 1 0 bc p u ，发出控制指令：f h s d r a m 与闪存组成存储系统。 2 4 1 v t 6 5 1 0 管理模块与c p us 3 c 4 5 1 0 b 的硬件接口 v t 6 5 1 0 在设计的时候很好的考虑了对a r m 接口的支持问题。a r m $ 3 c 4 5 1 0 b 微处理器具有：d m a 控制器、计时器、u a r t 、通用i o 控制器、s d r a m 控制器、 以及8 k 片内c a c h e 。这些特性可以保证以较低的硬件系统设计成本，提供最佳 交换机的整体性能。a r m $ 3 c 4 5 1 0 b 使用i o 扩展插槽1 和v t 6 5 1 0 接口，a r m 芯 片通过i o 端口访问v t 6 5 1 0 的寄存器和片内ra m 。v t 6 5 1 0 支持d m a ，可以不通 过c p u ，硬件在外设和内存之间直接进行数据传输。v t 6 5 1 0 是将管理寄存器地 址映射到其内存地址，a r m 可以读取这些寄存器的内容，根据这些寄存器的值 对接收到的数据做进一步的处理。$ 3 c 4 5 1 0 b 就是使用d m a 通道，接收来自 v t 6 5 1 0 的数据包，并将数据包发送蛰j v t 6 5 1 0 。 v t 6 5 1 0 和a r m 接口时，地址线和数据线是分离的，其中3 根地址线，1 6 根数据总线。地址的编址见表2 2 。 表2 2v t 6 5 1 0 地址的编址 地址 a 2a 1a o 数据 ooo 数据包内存数据 0o1 寄存器数据 o1o 内部寄存器数据总线 7 ：0 011 内部寄存器数据总线 1 5 ：8 10o 保留 1o1 保留 11o 保留 l11 保留 硬件接口示意图见图2 - 5 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 图2 5v t 6 5 1 0 和a r m $ 3 c 4 5 1 0 b 硬件接口示意图 2 4 2v t 6 5 10 管理模块系统资源 a r m ：接口使用扩展i o 插槽1 ( b a n k1 ) 。 数据总线：1 6b i t s v t 6 5 1 0 编址：0 x 7 6 0 4 0 0 0 f l a s h ：i m b ，采用的r o m 扩展插槽0 ( r o mb a n k o ) ，编址空间 o x 0 1 0 0 0 0 0 0 一o x 0 11 0 0 0 0 0 s d r a m ：8m b ，采用扩展插槽0 ( s d r a mb a n k o ) ，编址空间 o x 0 0 0 0 0 0 0 0 一o x 0 0 8 0 0 0 0 0 。 2 4 3v t 6 5 10 管理模块数据收发方式 采用s 3 c 4 5 1 0 bg d m a o 进行数据包的接收和发送，g d m a 0 采用突发模 式，半字传送方式( 数据总线采用1 6b i t s ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 第三章交换机嵌入式l if l u x 操作系统的实现 交换机v t 6 5 1 0 使用嵌入式l i n u x 作为交换机应用软件的运行和开发平 台，本章介绍嵌入式l i n u x 在交换机硬件系统基础上的实现。 3 1 总体结构设计 3 1 1 嵌入式操作系统的发展和嵌入式l i n m x 嵌入式操作系统主要有p a l mo s ，u c o s i i ，w i n d o w sc e ，e p o c ，l i n u x c e ， q n x ，e c o s ，l y n x ，高端嵌入式系统要求许多高级的动能，如图形用户界面和 网络支持。很多高端r t o s 供应商已经提供了这些功能，但其价格也很高端， 一般人难以接受。微软的w i n d o w sc e 也有此类功能，却不具备大多数嵌入式 系统要求的实时性能，而且难以移植，也曾经有人想以d o s 为基础用单独的 第三方工具拼凑一个系统，但这种努力最终是白费的。现在需要的是一个便 宜、成熟并且提供高端嵌入式系统所必须特性的操作系统，嵌入式l i n u x 操 作系统以价格低廉、功能强大又易于移植而正在被广泛采用，成为新兴的力 量，所以，众多商家纷纷转向了嵌入式l i n u x 。l i n u x 为嵌入操作系统提供了 一个极有吸引力的选择，它是个和u n i x 相似、以核心为基础的、完全内存保 护、多任务多进程的操作系统。支持广泛的计算机硬件，包括m o t o r o l a ，x 8 6 ， a 1 p h a ，s p a r c ，m i p s ，p p c ，a r m ，n e c 等现有的大部分芯片。软件源码全部 公开，任何人可以修改并在g n u 通用公共许可证( g n ug e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) 下发行，这样，开发人员可以对操作系统进行定制，再也不必担心像m s w i n d o w s 操作系统中“后门”的威胁。同时由于有g p l 的控制，大家开发的东 西大都相互兼容，不会走向分裂之路。l