1. 引言

　　以太網(wǎng)從10M 開(kāi)始發(fā)展，經(jīng)歷二十多年，已經(jīng)發(fā)展到千兆以太網(wǎng)，它以高效、高速、高性能而著稱(chēng)，廣泛應(yīng)用在金融、商業(yè)、教育、政府機(jī)關(guān)及廠(chǎng)礦企業(yè)等各行各業(yè)。千兆到桌面已經(jīng)開(kāi)始普及，主要用于骨干網(wǎng)的10G 以太網(wǎng)也已經(jīng)成熟，IEEE 已經(jīng)開(kāi)始討論為10 萬(wàn)兆以太網(wǎng)制訂標(biāo)準(zhǔn)的可能性。

　　90 年代中期二層交換機(jī)的引入使網(wǎng)絡(luò)各站點(diǎn)之間可獨(dú)享帶寬，消除了無(wú)謂的沖突檢測(cè)和出錯(cuò)重發(fā)，提高了傳輸效率，并且還提供網(wǎng)絡(luò)管理能力以及基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的交換功能。

　　目前二層交換機(jī)因?yàn)槠渚哂杏布訌?qiáng)、配置和管理簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、吞吐量相對(duì)較大以及吞吐量變化相對(duì)較小等特點(diǎn)而被廣泛接受和持續(xù)部署，通過(guò)這種低成本、易于實(shí)現(xiàn)的技術(shù)來(lái)改善網(wǎng)絡(luò)性能。

　　本文介紹一種我們開(kāi)發(fā)的可管理千兆以太網(wǎng)二層交換機(jī)的設(shè)計(jì)方案，該交換機(jī)主要應(yīng)用于層交換，可連接多個(gè)局域網(wǎng)，大大提高網(wǎng)絡(luò)層的交換能力，滿(mǎn)足中小企業(yè)對(duì)帶寬和網(wǎng)絡(luò)管理的需求。（更多網(wǎng)絡(luò)通信方案，請(qǐng)查看維庫(kù)技術(shù)資料網(wǎng) http://hbjingang.com/data）

　　2. 系統(tǒng)介紹

　　該二層交換機(jī)采用SoC（Swith on a Chip）加物理層芯片（PHY）分離的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可管理的二層交換功能，其中采用的芯片是Vitesse 公司的VSC7407（交換芯片）、VSC8538或VSC8558（8 口千兆PHY）。交換機(jī)有24 個(gè)10/100/1000—BaseTX 自適應(yīng)端口，也可以設(shè)計(jì)為光電復(fù)用口， 有 4 個(gè)速為2.5Gbps 的堆疊口。

　　交換機(jī)采用共享內(nèi)存的結(jié)構(gòu)，由中心交換引擎檢查每一個(gè)包并決定其發(fā)送的目標(biāo)端口。

　　在功能設(shè)計(jì)方面有以下特點(diǎn)：

　　支持QoS，能夠基于每個(gè)端口設(shè)定優(yōu)先級(jí)，也可以針對(duì)不同協(xié)議制定優(yōu)先級(jí)（IEEE802.1p），確保重要業(yè)務(wù)量不受延遲或丟棄，同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行。

　　支持對(duì)輸入輸出流量進(jìn)行設(shè)置。

　　支持虛擬局域網(wǎng)（VLAN，IEEE802.1Q），多支持4096個(gè)VLAN，允許網(wǎng)絡(luò)管理員對(duì)用戶(hù)進(jìn)行邏輯分組而無(wú)需關(guān)心用戶(hù)與網(wǎng)絡(luò)的物理連接位置。這一功能的潛在好處是降低搬遷、增加和改變網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)的管理負(fù)擔(dān)，以及將網(wǎng)絡(luò)廣播業(yè)務(wù)流限制在VLAN內(nèi)，有效地控制廣播風(fēng)暴的產(chǎn)生。

　　支持生成樹(shù)協(xié)議，這使得交換機(jī)能夠與傳統(tǒng)的路由器和其他類(lèi)型的路由器協(xié)同工作并防止網(wǎng)絡(luò)中循環(huán)的出現(xiàn)。

　　支持堆疊功能，能夠擴(kuò)展端口，使其能夠更靈活地構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。

　　支持網(wǎng)管SNMP，并可通過(guò)WEB進(jìn)行管理，大大簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)管理的工作量。

　　可提供端口鏡像功能，為網(wǎng)絡(luò)傳輸提供了備份通道，還可以用于進(jìn)行數(shù)據(jù)流量監(jiān)測(cè)。

　　同時(shí)支持IPv4和IPv6，可以讓用戶(hù)從IPv4平滑過(guò)渡到IPv6，節(jié)約用戶(hù)成本。

　　3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件主要分為交換模塊和PHY 模塊，如圖1 所示。

圖1 硬件設(shè)計(jì)框圖

　　3.1 交換模塊和CPU 模塊

　　系統(tǒng)芯片是Vitesse 的VSC7407。該芯片引入了SoC（System on Chip）的設(shè)計(jì)概念，集成了以太網(wǎng)交換模塊和CPU（ARM926EJ-S）。交換模塊和CPU 在芯片內(nèi)部連接，這樣可以大大簡(jiǎn)化外圍電路，降低功耗。CPU 的作用是配置交換模塊，處理用戶(hù)的交互信息；交換模塊則根據(jù)配置處理以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)。交換模塊還集成了ＭＡＣ模塊，作為交換模塊與ＰＨＹ芯片的接口。

　　CPU外圍電路包括存儲(chǔ)模塊、上電復(fù)位電路和URAT接口等。其中存儲(chǔ)模塊包括DDR和FLASH：DDR提供CPU高速運(yùn)行的存儲(chǔ)空間，F(xiàn)LASH用于在斷電的情況下對(duì)程序和配置信息進(jìn)行保存。由于FLASH有啟動(dòng)塊，可以存儲(chǔ)初始化程序，使CPU上電時(shí)直接讀取，這樣就無(wú)須再接EEPROM，簡(jiǎn)化了電路。另兩個(gè)部分上電復(fù)位電路在上電后復(fù)位芯片，URAT接口提供配置系統(tǒng)的接口。

　　3.2 PHY 模塊

　　PHY模塊原則上可以根據(jù)需求選擇不同的PHY芯片，我們使用的是VSC8558（也可以用VSC8538）。芯片上包括與ＭＡＣ的接口模塊、物理編碼子層（PCS Physical Coding Sublayer）、物理接入子層（PMA Physical Medium Attachment）、介質(zhì)有關(guān)子層（MDI, MediumDependent Interface）。其中VSC8558共有8個(gè)接口，并提供Combo功能，即光電復(fù)用：一個(gè)口既可以接光口，也可以接電口。每個(gè)口可以接電口RJ45 with Maganetic，接CAT5線(xiàn)，同時(shí)可以接光口SFP，即Combo，也可以不通過(guò)PHY芯片而直接接SFP，不過(guò)這樣會(huì)影響性能。

　　VSC8558芯片可以自動(dòng)檢測(cè)該接口所接的是電口還是光口。VSC8538只提供電口。

　　4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件主要完成對(duì)交換模塊的配置管理包括PHY 的配置管理。通過(guò)UART接口模塊提供CLI 接口可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初的配置，另外還可以通過(guò)Web 隨時(shí)進(jìn)行配置管理。系統(tǒng)軟件采用模塊化分層的設(shè)計(jì)方法，如圖2 所示。

圖2 軟件設(shè)計(jì)框圖

      交換機(jī)的操作系統(tǒng)用嵌入式可配置操作系統(tǒng)eCos（embedded Configurable operatingsystem）實(shí)現(xiàn)，它是RedHat 的產(chǎn)品， 是一個(gè)源碼開(kāi)放的可配置、可移植、無(wú)版稅、面向嵌入式應(yīng)用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，還包括了FreeBSD 的TCP/IP 協(xié)議。

　　API 層提供許多編程接口，便于第三方開(kāi)發(fā)軟件，API 還提供了與交換芯片、PHY 芯片等的接口。

　　Support Modules 提供各種系統(tǒng)服務(wù)。

　　Control Modules 為管理模塊提供管理接口，控制交換芯片的工作，保存配置信息等。

　　Managment Modules 提供用戶(hù)接口，用戶(hù)通過(guò)該模塊管理交換機(jī)，可以用CLI 和WEB兩種方式管理交換機(jī)。

　　5. 交換流程

　　二層交換機(jī)屬數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備，主功能是識(shí)別數(shù)據(jù)包中的MAC 地址信息進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)，這一功能的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于能夠?qū)⒏鱾€(gè)MAC 地址與對(duì)應(yīng)的端口記錄在內(nèi)部的地址表中并進(jìn)行維護(hù)。

　　具體而言。交換機(jī)的工作流程如下：

　　（1） 當(dāng)交換機(jī)從某個(gè)端口收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，首先讀取包頭中的源MAC 地址，從而知道源MAC 地址的機(jī)器是連在哪個(gè)端口上的，如果地址表中沒(méi)有則加入該地址；

　　（2） 再去讀取包頭中的目的MAC 地址，并在地址表中查找相應(yīng)的端口；

　　（3） 如果表中有與這個(gè)目的MAC 地址對(duì)應(yīng)的端口，把數(shù)據(jù)包直接復(fù)制到這端口上；

　　（4） 如果表中找不到相應(yīng)的端口則把數(shù)據(jù)包廣播到所有端口上，當(dāng)目的機(jī)器對(duì)源機(jī)器回應(yīng)時(shí)，交換機(jī)就可以又學(xué)習(xí)到一個(gè)MAC 地址與端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將其記錄到地址表中，在下次傳送數(shù)據(jù)時(shí)就不再需要對(duì)所有端口進(jìn)行廣播了。

　　不斷地循環(huán)上述過(guò)程，二層交換機(jī)就可以逐步建立和維護(hù)它自己的地址表了，但其轉(zhuǎn)發(fā)和建立的地址表限定在同一VLAN 中，不同VLAN 之間不能通信。

　　6. 結(jié)論

　　二層交換技術(shù)的發(fā)展目前已比較成熟，但性?xún)r(jià)比適宜的產(chǎn)品仍然有較大的市場(chǎng)空間。本文詳細(xì)描述了一款千兆以太網(wǎng)二層交換機(jī)的設(shè)計(jì)方法，該交換機(jī)使用Vittesse 公司的交換芯片和PHY 芯片，實(shí)現(xiàn)了可管理二層交換機(jī)，可廣泛滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)帶寬和網(wǎng)絡(luò)管理的需求。