基于IXP2400的RPR综合业务接入系统设计

　　1 引言

　　弹性分组环(Resilient Packet Ring，RPR)技术是一种为优化环型拓扑网络中数据传输而提出的城域网技术，它结合了IP的智能化、以太网的经济性和SDH的宽带效率及可靠性等优点，突破了局域网和广域网之间的接入瓶颈，能在单一网络内通过简单的传输模式融合各种宽带业务，是一种有效的城域接入网解决方案。

　　网络处理器经过专门设计和高度优化，是完成各种网络功能的专用指令处理器，同时又是一块软件可编程芯片。它综合了专用集成电路的高速处理能力和通用处理器的完全可编程特性，可满足网络宽带化和综合化的要求。目前已有数十家公司生产上百种此类产品，其中最具代表性的产品包括Motorola的C-5，IBM的PowerNP和Intel的IXP系列。C-5集成了16个信道处理器，5个协处理器和1个通用处理器，能在2.5 Gbit/s速率下进行2～7层处理，在实时处理和灵活性方面具有优势;Pow-erNP采用多处理器解决方案，具有7个专门的协处理器和1个PowerPC核，能完成2～5层的分组处理;IXP系列主要包括第一代的IXP1200和第二代的IXP2400，IXP2800等，由1个用于管理控制的ARM核和多个用于数据处理的微引擎组成，采用并行处理机制和多线程技术，具有强大的数据处理能力，支持从155 Mbit/s到10 Gbit/s的速率要求，而且，ARM核和微引擎都是可编程的，支持汇编语言和C语言，具有灵活性和通用性，加上IXA架构，为网络处理器的应用开发提供了完整的软硬件解决方案。因此，利用IXP系列实现宽带接入，使系统既具有高的性能，又简单灵活，并能获得开发环境的完全支持。

　　2 IXP2400网络处理器

　　IXP2400支持2.5 Gbit/s的网络应用，其内部结构如图1所示。

　　IXP2400主要具有以下特点：

　　1) 强大的数据处理能力

　　IXP2400采用了分布式的硬件结构，具有XScale核和微引擎等多个主控单元和SRAM，DRAM，MSF，SHaC等多个从属单元，各主控单元能并行访问各从属单元。另外，分立的内部总线结构将不同存储单元的数据总线、读/写总线分开，可对多个存储器同时进行读/写操作。因此，可大大增强数据处理速度。它还采用了并行处理和多线程机制，有效地解决了数据流复杂多样和外部存储器访问时延过大等问题。8个微引擎并列的硬件结构提供了多处理能力，可并行处理不相关的网络数据包。由于包处理程序都存储在微引擎内部的指令存储器中，可减小指令读取时延，有力地配合微引擎高速指令执行。每个微引擎提供的8个线程，采用多线程交换机制，当一个线程需要访问外部存储器时，将交出微引擎的控制权，让另一个线程运行。这种多线程结构和线程交换技术将存储器的访问时延隐藏在程序执行之后，大大提高了微引擎的利用效率。此外，IXP2400还增加了内容访问存储器、伪随机数发生器和CRC校验等特殊硬件功能单元来提高网络数据处理速度。

　　2) 具有大容量和宽带数据存储空间

　　为配合高速数据处理能力，IXP2400提供了大容量、宽带存储器单元，包括1个DRAM控制器和2个SRAM控制器。其中，DRAM控制器提供64位数据宽度的双倍速率接口，支持DRAM容量可达2 Gbyte，峰值带宽达到2.4 Gbyte/s。SRAM控制器提供4倍速率接口，具有16位物理宽度，通过数据速率加倍来获得32位的逻辑宽度。每个接口支持的SRAM最大容量为64 Mbyte，峰值带宽达到1.6 Gbyte/s。DRAM主要用于大批量数据的存储，而SRAM主要用于存储路由表和控制信息。

　　3) 丰富的对外接口

　　IXP2400提供了PCI，MSF，慢端口、UART和JTAG等多个对外接口来支持广泛的网络应用。其中：PCI接口符合PCI v2.2标准，用于连接控制主机和MAC设备等外围设备;MSF接口采用32位全双工的并行数据线路，通过配置可支持多种接口标准，主要用于连接到物理层设备或交换接口;慢端口用于FLASH和其他异步设备的访问;UART和JTAG接口则用于程序下载和系统调试。

　　4) 完全的可编程能力

　　IXP2400中，处理单元XScale核和微引擎都是完全可编程的。XScale采用ARM V5的定点指令系统，支持汇编语言，主要完成控制层面的处理任务;微引擎也具有自己的指令集，支持微代码或C语言，主要完成数据层面的处理任务。

　　3 基于IXP2400的RPR业务接入系统

　　基于IXP2400的RPR综合业务接人系统的主要功能是接入以太网业务到RPR网络，同时也能完成本地以太网的数据交换，但需要从硬件和软件两个方面进行开发。

　　3.1 硬件结构

　　系统硬件平台结构如图2所示。

　　在本设计中，硬件平台以IXP2400网络处理器为核心，利用XScale核和微引擎的高速数据处理能力和可编程性，能同时满足接入系统对高性能和灵活性的要求，支持2.5 Gbit/s的线速处理。

　　MSF单元为外部设备提供了高速接口，可用于RPR业务的数据接人。设计中通过一片FPGA芯片XC3S1000来完成RPR接口设计，采用SPI-3标准与RPR MAC芯片相连接。MSF总线被配置为32位接收数据总线和32位发送数据总线，工作频率设定为125 MHz，因此，RPR接口的实际峰值带宽为8 Gbit/s。由于FPGA的灵活性，通过编程实现接口转换还可接人其他类型业务。

　　为保证RPR数据的速率，设计中没有采用MSF接口复用的方式，而是通过PCI接口接入以太网数据。系统通过PCI接口连接了一片双端口千兆以太网控制芯片82546EB。它集成了两路的MAC层和PHY层功能，通过配置能收发双通道的1 000 Mbit/s，100 Mbit/s或10 Mbit/s的数据，可应用于多种速率的以太网中。

　　为配合RPR和以太网数据包的高速处理，外接了多块DRAM，SRAM和FLASH存储芯片，分别用于存储数据包、路由表和底层程序。其中：DRAM单元连接了5块MT46V32M16芯片，提供总容量为256 Mbyte;SRAM单元连接了4块CY7C1425AV18芯片，提供了16 Mbyte存储总容量;慢端口连接了4片FLASH芯片28F128J3A，总容量为64 Mbyte。大容量和宽带存储单元加上内部多线程技术，减小了访问时延，有力地保证了系统的线速处理能力。

　　3.2 软件体系

　　系统的软件设计主要可分为XScale内核程序和微引擎程序两部分，分别完成控制层面和数据层面的功能。软件体系结构如图3所示。

　　XScale内核程序主要包括VxWorks操作系统、板极支持包和内核应用程序软件包3部分，可利用VxWorks集成开发软件Tornado进行设计。VxWorks是一种实时多任务嵌入式操作系统，为用户提供高效的实时任务调度、中断管理、实时的系统资源以及实时的任务间通信，是运行其他应用程序的基础;板极支持包是所有与硬件相关的代码体的集合，主要包括系统被引导时的硬件初始化程序和系统中设备的驱动程序，实现接入系统参数的配置和引导过程的管理;内核应用程序软件包主要包括路由协议、模块间通信协议、系统管理和异常包处理等模块。路由协议软件包完成路由表的生成、管理和维护;模块间通信协议通过共享内存和消息队列等方式完成XScale核和微引擎间的通信;系统管理模块完成硬件的初始化、配置和系统资源管理等工作;异常数据包处理模块则对微引擎送来的异常数据包进行深层次的处理。

　　微引擎程序称为微码，主要执行数据包的处理和转发任务，可采用Intel专门设计的开发平台DeveloperWorkbench进行开发。根据接入系统的数据处理流程，微码程序可分为接收、分类、封装、管理和转发等模块。根据不同业务，接收、分类和封装模块又分为以太网和RPR数据处理两类。当以太网接口有数据包到来时，以太网数据接收模块首先将接收到的数据包分片缓存在DRAM中，并将分片重组得到完整的数据包，然后，以太网分类模块从数据包中提取包头信息放入微引擎寄存器中进行处理，完成包分类和路由表查询等操作。如果该包需要转发到RPR网络，RPR数据封装模块将根据包头处理结果完成数据帧格式的转换，并把数据包回写到DRAM中。队列管理和端口调度模块根据发送请求将数据包加入指定的发送队列和分配到指定的端口，最后由数据发送模块从DRAM中读取数据并完成转发工作。如果以太网数据包的目的地址仍是以太网，则不需要进行RPR数据封装而直接调度和发送。当RPR接口有数据包到来时，类似地，由RPR数据接收和分类模块进行处理。如果目的地址仍为RPR网络则直接丢弃该包;否则通过以太网封装模块完成帧格式转换，由队列管理和端口调度模块以及数据发送模块完成调度和转发。

　　4 实验网络和系统验证

　　利用RPR综合业务接入系统，可和RPR MAC层芯片以及物理层芯片一起组成RPR站点，多个站点之间通过双环光纤相连则可构成完整的实验网络。图4是具有4个站点的实验网络。

　　将多台测试主机通过接入系统的千兆以太网口连接到实验网络，进行数据收发可验证RPR综合业务接入系统软硬件设计的正确性。功能验证包括以太网内的自环和以太网-RPR-以太网的环回两部分。以太网内的自环指不经过RPR网络而在本站点内完成以太网数据的转发;以太网-RPR-以太网的环回则指一个站点接入的以太网数据经RPR网络传输到另一个站点后，再通过接入系统转发到以太网中。验证时，在其中一台测试主机上运行Serv-U软件，作为FTP服务器;在另一台测试主机上运行LeapFTP软件，作为FTP客户端。通过客户端主机向服务器主机上传和下载文件，即根据FTP协议进行文件传输。测试结果表明，文件能根据FTP协议正确而流畅地传输，表明接入系统既能实现以太网和RPR之间的数据交换，又能完成以太网数据的本地转发。

　　此外，利用实验网络还可验证RPR中环路带宽分配、拥塞控制、自动拓扑发现和智能保护倒换等各种算法性能，为RPR技术和城域网组网的研究奠定了良好的基础。

　　5 小结

　　笔者提出了一种基于IXP2400网络处理器的RPR综合业务接入系统设计方案，该系统具有高速数据处理能力，对外提供了一个2.5Gbit/s的SPI-3接口和两路千兆以太网口，可用于RPR和千兆以太网业务的接入。同时系统具有良好的可扩展性，通过修改微引擎和FPGA程序，可实现其他多种类型宽带业务的接入。利用该接入系统构建的RPR站点和实验网络简单灵活，目前进行了点对点的数据传输测试，今后，还可在其基础上进行多点对多点的数据传输测试，以及深入的性能研究。