基于IP交换技术的以太网交换机的设计与实现

李庆

摘要文章分析了基于三层的交换技术，给出了一种三层以太网交换机的硬件设计方案和基于分层的交换网络软件平台设计方案，对交换机的主要性能进行了测试并对测试结果作了分析。

关键词IP交换技术三层以太网交换机吞吐量时延丢包率

1引言

局域网的发展趋势是：由千兆速度为骨干、百兆速度为接入的主流结构逐渐过渡到万兆速度为骨干、千兆速度为接入的结构。交换式以太网技术的出现，极大提高了局域网的性能。局域网中加入交换技术，使得网络拓扑结构更松散，也使得以太网交换技术逐步走向智能化，以太网交换机等设备必须适应用户的高速化和智能化的需求。交换的智能化包括QoS、单一IP地址管理、远程控制等功能，同时还包括流量访问控制、速度限制、远程管理等智能管理功能。

另外，随着路由功能融入到以太网交换机中，新的以太网交换技术可以应用到汇聚层和骨干层，目前在交换机上可以实现路由器中所有的网络接口。以太网的发展也正逐步从企业级过渡到电信市场级别，因此业界也提出了“电信级以太网”的概念，并形成了成熟的解决方案。

2三层交换原理

三层交换是相对于二层交换而提出的，它在OSI七层参考模型的第三层实现了数据包的转发。三层交换技术将二层交换机和三层路由器两者的优势结合成为一个有机的整体，是一种利用三层协议中的信息来加强二层交换功能的机制，是新一代局域网交换和路由技术，也称为IP交换技术。这种跨层集成的方式既保留了二层交换机的许多功能和特性，又引进三层以上的路由、策略管理和流控等多种功能。

三层交换机采用“一次路由，多次交换”的处理方式，达到有效控制广播信息的目的。由于只在路由过程中才进行三层处理，绝大部分数据都通过二层交换，因此三层交换机的转发速度接近二层交换机的速度，提高了网络整体性能，它也成为当前核心高性能交换机的主流。

3三层以太网交换机设计方案

3.1硬件平台设计

目前三层以太网交换机硬件平台实现方案大部分采用：微处理器+专用交换芯片+物理层接口芯片+交换矩阵(可选)，本文采用MPC8245高性能CPU+98EX108交换芯片构建48FE+4GbE的解决方案。硬件系统逻辑组成如图1所示。

交换机按功能划分为六部分：时钟模块、CPU控制模块、交换处理模块、PHY模块、接口模块和电源模块。

(1)CPU控制模块

CPU控制模块是整个系统的管理核心，主要完成系统的配置管理、系统信息存储、状态信息查询、特殊报文和路由信息的处理等。

CPU控制模块由处理器、BootROM、程序储存器(FLASH)、实时时钟(RTC)、SDRAM、逻辑控制电路、控制串

口和调试网口等组成，其各部分配置为：512K×8bit BootROM、4M×16bit FLASH、16M×64bitSDRAM。

处理器采用飞思卡尔公司生产的MPC8245高性能32位嵌入式处理器，其主要特点包括：采用了MPC603e内核架构，最高主频达到400MHz；由一个32位超标量体系结构PowerPC处理器内核与一个外设逻辑块构成，在外设逻辑块中集成了一个PCI桥、DUART、内存控制器、DMA控制器、EPIC中断控制器、一个消息单元和一个I²C控制器；内含一外设逻辑总线，用于连接处理器内核和外设逻辑块；处理器内核可以在不同的频率下工作，64位数据总线和32位地址总线。

(2)交换处理模块

交换处理模块是交换机的交换路由处理核心，系统工作时，数据包由业务口接收，然后送至交换芯片进行数据包二层交换和三层路由。针对报文类型，经过不同的处理过程后，再进行MAC地址的重新封装，然后发送到相应的目的业务口。

交换处理模块采用Marvell公司的98EX108，通过RGMII和SSMII接口分别下挂千兆和百兆PHY芯片，可提供48FE+4GE端口，和CPU之间通过PCI总线进行通信。

98EX108为Marvell公司的多层以太网交换芯片，其主要特点包括：提供48个10／100Mbps和4个10／100／1000Mbps的以太网口支持；提供RGMII和SSMII接口，即可通过RGMI接口下挂千兆PHY芯片，通过SSMII接口接百兆PHY芯片；二层特性有：二层线速转发、16K MAC地址、4KVLAN、8个优先级队列；三层特性有：线速IPV4／IPV6转发、8K主机路由、16K网络路由、4K路由接口、1K三层多播；支持802.1s、1D、1Q、1W、1x，DOUBLETAGING VLAN；支持端口聚合(基于L2或L3，31个TRUNK组、每组最多8个端口)32b／66M PCIv2.2接口；1044PIN BGA封装。

(3)PHY模块

PHY模块采用MarvellL公司的1片88E1145千兆芯片和6片88E3083百兆芯片。PHY芯片主要用于数据的编码转换、传输控制和端口状态监测等。

88E1145支持4个10／100／1000M Base-T／Base-X以太网接口；和MAC之间的接口支持GMII、TBI、RGMII、RTBI、SGMII；可编程LED模式和LED测试；支持CRC校验、包计数器和发生器。

88E3083支持8个10／100M Base-T以太网接口；和MAC之间的接口支持RMII、SMII、SSSMII；低功耗和电源管理模式。

(4)时钟模块

时钟模块提供单板所需的各种时钟信号。

(5)电源模块

电源模块提供单板所需各种电源，单板所需的3.3V、2.5V、2.1V、1.65V、1.5V、1V电源均由MAX1954转换而来：首先用LD1117将12V转为5V输出分别供给MAX1954，再用MAX1954分出需要的电压。

3.2软件平台设计

交换机嵌入式操作系统采用VxWorks5.5，软件平台采用模块化分层设计方法，划分为三层：

(1)支撑平面层

支撑平面层负责硬件管理，给业务平面层提供统一的标准接口，主要由板级支持包(BSP)和交换芯片支持包(SSP)组成。

BSP：控制CPU的底层支持软件，其功能主要包括：单板硬件初始化，为整个软件系统提供底层的硬件支持；为操作系统提供设备驱动程序和系统中断服务程序；订制操作系统的功能，为软件系统提供一个实时多任务的运行环境；初始化操作系统，为操作系统正常运行作好准备。

SSP：交换芯片的硬件支持软件，其功能主要包括：交换芯片资源映射表管理；交换芯片驱动；报文接收处理。

(2)业务平面层

业务平面层是系统的核心处理层，主要由二层协议、三层协议和应用协议等功能组成。

二层协议功能：主要包括生成树协议(STP／RSTP／

MSTP)、虚拟局域网(VLAN)、二层组播协议、链路汇聚和IGMP Snooping等协议功能模块。

三层协议功能：主要包括TCP／IP协议栈、VLAN接口、SuperVLAN接口、单播路由协议(RIP、OSPF)和组播路由协议(IGMP、PIM-DM／SM)等协议功能模块。

应用协议功能：主要包括DHCP Relay／Server、802.1x、QoS／ACL、SNTP等协议功能模块。

(3)管理平面层

管理平面层主要负责提供外部管理设备的协议功能支持，包括命令行(CLI)、Web服务管理、SNMP网管协议支持等。

不难看出，软件平台在产品开发上具有移植性强的特性，要应用于一个产品只要按照标准开发相应的BSP和SSP即可，而管理平面层和业务平面层的功能模块不需要修改就可以做无缝隙结合，缩减了产品的开发周期。

4交换机的测试及结果

根据有关以太网交换机技术规范和测试方法标准要求，采用思博伦公司的专业测试仪器SmartBit600B对交换机的物理特性、功能测试、性能测试、协议测试和常规测试等四大项进行测试。主要性能测试结果如下：

4.1吞吐量

吞吐量是交换机在不丢失任何一帧的情况下的最大转发速率，是反映交换机性能的最重要指标之一。由于交换机在不同的工作模式下，其吞吐量也会不同，因此要分别针对交换机不同速率、不同转发数据帧长来进行测试。该交换机的吞吐量测试结果如表1：

4.2时延

典型的以太网交换机转发类型有存储转发和直通转发两种。本交换机为存储转发类型，其时延定义为：交换机收到最后一比特到交换机发出第一比特的时间间隔。时延是衡量交换机性能的又一最重要指标，国标建议64Byte长的数据帧时延不超过100μs。该交换机的时延测试结果如表2。

4.3丢包率

丢包率是指交换机因资源不足而引起的包丢失率，国标建议交换机的丢包率≤0.01％。该交换机的丢包率测试结果如表3：

4.4常规测试

根据设计规范要求和有关国标技术与测试要求对交换机进行环境适应性测试。

低温－40℃储存24小时后，直接上电连续工作测试2小时，测试主要性能指标均符合要求且与常温测试结果吻合。

高温+65℃储存48小时然后降到+60℃，上电2小时后连续工作测试2小时，测试主要性能指标均符合要求且与常温测试结果吻合。

另外，还对交换机进行了冲击、震动、湿热、盐雾等特殊严酷环境测试，各项指标均符合设计和相关标准要求。

4.5测试小结

测试表明，该交换机不仅可以在任意模式、任何负载状态下，而且可以在所有端口上完全实现二层、三层线速转发，时延指标与思科3550等多款同类型商用三层交换机100μs水平相比明显领先，能够实现－40℃～+60℃的严酷环境下长时间不间断工作，满足工业应用等特殊应用场合的需要。

5结束语

本文根据企业数据通信和综合通信业务的需求以及IP交换设备发展情况，通过对以太网路由交换机体系的研究，采用模块化、分层的体系架构设计了一种三层以太网交换机。测试表明：交换机能完全实现二层、三层线速转发，吞吐量、时延和丢包率性能均达到设计目的。