（仪器科学与技术专业论文）以太网三层交换机硬件系统研究.pdf

t h er e s e a r c ho fl a y e r3e t h e r n e ts w i t c hh a r d w a r es y s t e m b y l ic o n g c o n g b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t is f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n i n s t r u m e n ts c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rt a n gq i u ，p r o f e s s o rt e n gz h a o s h e n g a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学， 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：孝瑶程、 日期： 3 0m 1 年 月砧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：巷珲耋黎， 日期： 矽ij 年，月5 日 导师签名：多害力。喾铆l 日期：沪，年厂月沈日 硕士学位论文 摘要 随着信息技术的发展，局域网子网间通信业务迅猛增长，而用于进行子网间 数据通信的传统路由器因速度慢、配置复杂等缺点，难以满足大量跨子网及虚拟 局域网间通信量的要求。而传统的二层交换机工作在开放系统互连参考模型的第 二层，不能处理跨子网的数据通信。三层交换机在这样的背景和条件下应运而生， 三层交换机工作在o s i 参考模型的第三层，它不仅可以处理不同子网间的数据交 换而且速度接近二层交换机。 为了满足日益增长的对三层交换机的需求，使子网间的频繁通信能够更加快 速，华为技术商用计算产品部针对杭州x x x 公司提出的需求，开发适用于e 6 0 0 0 刀片服务器的以太网三层交换机产品。本文以华为技术商用计算产品部的项目为 依托，研制了集千兆、万兆和堆叠端口为一体的以太网三层交换机硬件系统，采 用高性能的m c u 芯片m p c 8 3 4 9 和多类型、高密度端口交换芯片b c m 5 6 5 1 4 构建 三层交换机的管理和交换子系统，并对各个模块的详细设计及接口进行了说明。 主要研究内容如下： 首先，介绍了以太网交换机的研究现状及发展趋势，分析了路由器对处理大 量跨子网通信应用的不足之处，阐述了本文的研究意义。通过对o s i 参考模型的 解析，分析了二层交换机和三层交换机的工作原理，并对三层交换机实现的关键 技术及主要特点进行了分析，对本设计所涉及到的以太网接口进行了介绍。 其次，设计了以太网三层交换机的硬件系统，包括电源模块、时钟驱动电路、 复位模块、c p l d 逻辑功能模块、调试接口模块、温度监测模块、风扇控制系统 等。 第三，研究了系统的抗干扰设计方法，介绍了传输线模型，分析了高速电路 中常见的反射及串扰的产生及消除，并结合本文的电路进行了仿真分析，阐述了 关键器件和p c b 设计中的抗干扰措施。 最后，详细说明了以太网三层交换机的硬件测试过程。针对产品进行了功能 测试、性能测试及整机测试。实验结果表明本文设计的以太网三层交换机满足了 国家标准的相关指标，并已经在杭州x x x 公司、华为内部的核心网部门等单位 稳定运行一年。 关键词：三层交换机；v l a n ；传输线；反射；串扰；抗干扰 以太网三层交换机硬件系统研究 i i a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ec o m m u n i c a t i o n s e r v i c eb e t w e e nt w os u b n e t sh a sb e e ni n c r e a s i n ge x p o n e n t i a l l y b e c a u s eo ft h e d i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lr o u t e r s ，l i k et h es l o wp r o c e s s i n gs p e e da n dc o m p l e x c o n f i g u r a t i o n ，t h e y c a n n o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t s o fa l a r g eq u a n t i t y o f c o m m u n i c a t i o ns e r v i c ea c r o s ss u b n e t sa n dv l a n ( v i r t u a ll o c a la r e an e t w o r k ) ， a d d i t i o n a l l y ，t h et r a d i t i o n a ls w i t c h e so p e r a t ei nt h es e c o n dl a y e ri nt h eo s i ( o p e n s y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) r e f e r e n c em o d e l ，w i t h o u ta n yc a p a b i l i t yo fr o u t i n g ，t h a ti st o s a yt h e yc a n n o tp r o c e s st h ed a t at r a n s m i s s i o n sa c r o s ss u b n e t s t h el a y e r - 3s w i t c h i n g t e c h n o l o g ye m e r g e du n d e rt h ec i r c u m s t a n c e t h el a y e r 3s w i t c ho p e r a t e si nt h e3 r d l a y e ri nt h eo s ir e f e r e n c em o d e l n o to n l yc a nt h e yd e a lw i t hd a t at r a n s m i s s i o n ，b u t a l s oi t sp r o c e s s i n gs p e e di sc l o s et ot h el a y e r - 2s w i t c h t om e e tt h ed e m a n df o r t h ee t h e r n e tl a y e r 一3s w i t c ha n da c c e l e r a t et h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns u b n e t s ，t h ed e p a r t m e n to fb u s i n e s sc o m p u t e rp r o d u c t si n h u a w e it e c h n o l o g i e sc o ，l t d i sr e s p o n s i b l ef o rt h ed e v e l o p m e n to ft h el a y e r - 3 s w i t c hw h i c hi ss u i t a b l ef o re 6 0 0 0b l a d es e r v e rf o ra l i y u nc o ，l t d t h i sp a p e rr e l i e so nt h ep r o j e c t so fb u s i n e s sc o m p u t e rp r o d u c t sd e p a r t m e n ti n h u a w e it e c h n o l o g i e sc o ，l t d i ts t u d i e st h eh a r d w a r ed e s i g nf o ra ne t h e r n e tl a y e r - 3 s w i t c h ，w h i c hi n t e g r a t e dt h eg i g a b i t ，10 - g i g a b i ta n ds t a c k i n gp o r t s t h ep r o d u c t e x p l o i t st h em i c r o c o n t r o l l e r ，m p c 8 3 4 9 ，m u l t i f u n c t i o n ，a n dh i g h l y - i n t e g r a t e da n dh i g h p o r t - d e n s i t ym u l t i l a y e rs w i t c hi c ，b c m 5 6 5 14t oc o n s t r u c tt h em a n a g e m e n ta n d s w i t c hs u b s y s t e m s t h ec o n t e n t sa r es t a t e db e l o w f i r s t l y ，i ti n t r o d u c e st h er e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d s ，a n da n a l y z e s t h ed r a w b a c k so fr o u t e r sw h e nd e a l i n gw i t hal a r g eq u a n t i t yo fc o m m u n i c a t i o na c r o s s s u b n e t s ，t h e r e b ys p e c i f y i n gt h es i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s o ft h eo s ir e f e r e n c em o d e l ，i ts t u d i e st h ep r i n c i p l e so fal a y e r 2s w i t c ha n dal a y e r - 3 s w i t c h f u r t h e r m o r e ，t h ek e yt e c h n o l o g i e sa n dm a i nc h a r a c t e r i s t i c sa r ei n v e s t i g a t e d ， a n dt h er e l a t e de t h e r n e ti n t e r f a c e sa r er e p r e s e n t e d s e c o n d l y ，t h eh a r d w a r ed e s i g ni sd e s c r i b e d ，i n c l u d i n gt h ep o w e rm a n a g e m e n t c i r c u i t s ，m o d u l e so fc p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) l o g i cf u n c t i o n ， d e b u g g i n gi n t e r f a c e s ，t e m p e r a t u r em o n i t o r ，a n df a nc o n t r o la n ds oo n i i 硕士学位论文 t h i r d l y ，i ts t u d i e st h em e t h o d so fa n t i i n t e r f e r e n c e t h et r a n s m i s s i o nl i n em o d e l a n dc o m m o np r o b l e m s ，l i k er e f l e c t i o na n dc r o s s t a l k ，a r es p e c i f i e d a c c o r d i n gt ot h e c i r c u i t si nt h i s p a p e r ，i ta n a l y z e st h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dp r o p o s e st h er e l e v a n t a n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e m e n t sf o rk e yc o m p o n e n t sa n dp c bd e s i g n f i n a l l y ，i te x p l a i n st h et e s tp r o c e s so ft h eh a r d w a r e ，i n c l u d i n gt h ef u n c t i o nt e s t ， p e r f o r m a n c et e s t ，a n ds y s t e mt e s t t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee t h e r n e tl a y e r 3s w i t c h f u l f i l l st h es p e c i a l i z e di n d i c e si nn a t i o n a ls t a n d a r d f u r t h e r ，t h ep r o d u c t sh a v eb e e n o p e r a t i n gs t a b l yi nc o r en e t w o r ki nh u a w e it e c h n o l o g i e sc o ，l t d a n da l iy u n ( h a n g z h o u ) c o ，l t d f o rm o r et h a no n ey e a r k e yw o r d s ：l a y e r - 3s w i t c h i n g ；v l a n ；t r a n s m i s s i o nl i n e ；r e f l e c t i o n ，c r o s s t a l k ； a n t i i n t e r f e r e n c e i i i 以太网三层交换机硬件系统研究 目录 学位论文原创性声明与学位论文版权使用授权书i 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论：l 1 1 研究背景l 1 2 以太网交换机的研究现状与发展趋势1 1 2 1以太网的发展2 1 2 2 以太网交换机的研究现状2 1 2 3 以太网交换机的发展趋势3 1 3 项目来源与主要研究内容4 第2 章以太网交换机的基本知识6 2 1 以太网交换机的基本原理6 2 1 1 i s o o s i 参考模型6 2 1 2 二层交换机工作原理7 2 1 3 三层交换机工作原理一8 2 2 三层交换机的关键技术及其特点9 2 2 1 三层交换机的关键技术1 0 2 2 2 三层交换机的主要特点l l 2 3 以太网接口简介12 2 3 1 m i i 接口1 2 2 3 2s g m i i 接口13 2 3 3x a u l 接口1 4 2 4 本章小结1 4 第3 章以太网三层交换机硬件电路设计1 5 3 1 以太网三层交换机硬件系统架构1 5 3 2 电源模块设计15 3 3 信息处理单元设计1 7 3 3 1时钟驱动电路1 7 3 3 2 复位模块19 3 3 3 c p l d 功能实现2 0 3 3 4f l a s h 模块2 2 i v 硕士学位论文 3 4 监测与调试模块设计2 3 3 4 1 温度监测模块2 3 3 4 2 调试串口设计2 4 3 4 3 调试网口设计2 5 3 5 交换子系统设计2 5 3 5 1 堆叠接口设计2 6 3 5 2 万兆以太网接口设计2 7 3 5 3千兆光1 3 电口接口设计2 8 3 6 风扇控制系统设计2 9 3 6 1 基于闽值的调速策略2 9 3 6 2p w m 控制电路3 2 3 6 3 控制结果分析3 3 3 7 本章小结3 4 第4 章以太网三层交换机抗干扰设计3 5 4 1 传输线概述3 5 4 1 1 高速电路的定义3 5 4 1 2 传输线模型3 5 4 1 3 常见p c b 传输线3 7 4 2 传输线的反射分析3 8 4 2 1 反射的形成3 8 4 2 2 反射的抑制及仿真4 0 4 3 传输线的串扰分析4 4 4 3 1 串扰的形成4 4 4 3 2 串扰仿真及抑制4 5 4 4 关键器件和p c b 抗干扰设计4 8 4 4 1 关键器件的抗干扰设计4 8 4 4 2p c b 抗干扰设计5 0 4 5 本章小结5 3 第5 章以太网三层交换机测试5 4 5 1m c u 子系统功能测试5 4 5 1 1 启动程序访问功能测试5 4 5 1 2 d d r 2 内存测试5 4 5 1 3调试网口测试5 5 5 2 性能测试5 5 5 2 1电源测试5 5 v 以太网三层交换机硬件系统研究 5 2 2 时钟测试一5 7 5 2 3 信号质量测试5 8 5 2 4 端口带宽通道测试6 0 5 3 整机测试6 2 5 3 1 环境试验6 2 5 3 2e m c 试验6 2 5 4 本章小结6 3 结论6 4 参考文献6 6 致谢7 0 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文7 1 硕士学位论文 第1 章绪论 本章主要介绍以太网三层交换机出现的背景，论述以太网三层交换机研究的 意义，综述以太网交换机的研究现状及发展趋势，指出项目的来源及课题主要内 容。 1 1 研究背景 在大型局域网中为了避免广播风暴，一般要将整个网络划分为多个子网或虚 拟局域网( v i r t u a ll o c a la r e an e t w o r k ，v l a n ) 。随着信息技术的发展，当今的网 络业务量成几何级爆炸式增长，而且越来越多的业务需要跨子网或者v l a n i l j ， 甚至已经打破了以往客户机服务器环境下的8 0 2 0 法则，即认为8 0 的业务保持 在子网内，2 0 的业务需要跨子网通信的看法【2 】。随着子网间通信业务的增长， 路由器不仅需要承担局域网p 】( l o c a la r e a n e t w o r k ，l a n ) 与广域网( w i d ea r e a n e t w o r k ，w a n ) 之间繁重的通信任务，而且需要处理大量跨子网或v l a n 的通 信。由于传统路由器的主要功能是通过软件实现路由选择与网络互连，即通过算 法获得到达各子网的最佳路径，建立路由表1 4 】。i p 包通过路由器时需要经过排队、 协议处理、寻址选择路由软件等处理环节，造成比较大的延时1 5 j 。因此由于性能 和速度方面的限制，路由器成为网络通信的瓶颈【6 】，尤其是在大型局域网之内频 繁进行子网间通信的应用，路由器更显得力不从心1 7 】。而传统的交换机工作在开 发系统互连( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ，o s i ) 参考模型的第二层，不具备三 层的路由功能。 在这样的背景和条件下，第三层交换技术应运而生，三层交换机是工作在o s i 模型第三层的交换机，大多采用一次路由多次转发的原理，不仅可以处理不同子 网间的数据交换而且速度接近二层交换机i s , 9 】。目前，市场上主流的交换机的处理 能力为主流路由器的4 0 倍以上【l o 】。在大规模的交换网络中，路由器的处理能力 已经满足不了日益增长的子网间频繁通信的需要，而这就是三层交换所要解决的 问题。 1 2 以太网交换机的研究现状与发展趋势 自美国于1 9 6 5 年成功研制第一台程序控制交换机之后，交换机迅速成为现代 通信网络中的主流产品【】。近几年来，高密度端口的千兆、万兆交换机逐渐走进 人们的视野，具有路由功能的三层交换机的发展更为引人关注。据市场研究公司 以太网三层交换机硬件系统研究 i n f o n e t i c sr e s e a r c h 发布的数据称2 0 1 0 年全球以太网交换机年销售收入高达到 1 8 5 亿美元，比2 0 0 9 年增长2 9 。在云计算的推动下，交换机作为网络中的关键 设备，发展将会更加迅猛。 1 2 1 以太网的发展 以太网技术是2 0 世纪7 0 年代提出的一种局域网技术，它是一类满足一套标 准规范的计算机局域网( 技术) 1 2 】，以太网标准的的制定时间如下 1 3 】： 1 9 8 3 年i e e e 8 0 2 3 工作组发布1 0 b a s e 5 粗缆以太网标准。 1 9 8 6 年i e e e s 0 2 3 工作组发布1 0 b a s e 2 细缆以太网标准。 1 9 9 1 年发布1 0 b a s e t 标准，该标准采用c s m a c d 协议来解决信息在共享 介质上的冲突。 1 9 9 5 年i e e e 通过8 0 2 3 u 标准，以太网速度提升到1 0 0 m b p s 。 1 9 9 8 年8 0 2 3 z 标准通过，其使用光纤和对称屏蔽铜缆完成千兆位的通信。 1 9 9 9 年8 0 2 3 a b 标准的发布解决了五类线构造千兆以太网的问题。 2 0 0 2 年8 0 2 3 a e 的发布标志着以太网将走进l o g b p s 的时代。 由于以太网技术的结构简单、算法简洁，并具有良好的兼容性、开放性、共 享性和平滑升级等功能。以太网技术已经成为最重要得局域网组建技术。同时随 着以太网传输速度的不断提高，使其逐步向城域网和广域网领域进军【l4 1 。 1 2 2 以太网交换机的研究现状 l 、以太网交换机的发展 交换是根据通信的双方需要，采用人工或设备将信息传输到符合要求的线路 上的一种技术。以太网交换机就是一种在通信系统中完成信息交换的设备【”】。 在早期的以太网中，采用a l o h a 协议来发送数据包，a l o h a 协议可以在 任何时候发送数据包，但是一旦发生冲突则停止发送直至冲突结束，显然这种算 法效率低下。接着出现了c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o n d e t e c t ) 技术，即载波监听多路访问冲突检测。它在发生冲突时最优化继续发送 的间隔时间【l 引。 早期的以太网采用共享总线结构，这种结构容错性差。一个节点的故障会导 致整个网络的崩溃。为了解决这种局面集线器出现了，同时拓扑结构进化为星形 拓扑。但是由于集线器是物理层的设备，只是进行物理信号的转发，与电缆没有 本质区别，因此它不能隔离冲突域。 二十世纪九十年代，接入以太网的计算机数量大增，迫切需要增加局域网的 容量来改进性能，也就需要将以太网进行分段。此时，网桥出现了，网桥的出现 是以太网从共享式走向交换式的第一步。早期的网桥一般只有两个端口，性能也 比较低下。随着集成电路的发展，出现了高性能的网桥。这种高性能的网桥具有 2 硕士学位论文 多个端i ：3 ，所有端口都可以线速转发帧，这就是二层交换机i l 5 1 。 目前二层交换机的技术已经非常成熟，二层交换机被广泛应用到通信行业的 各个角落，二层交换机工作在o s i 参考模型的第二层( 数据链路层) 。它根据数 据包中封装的介质接入控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 地址进行数据的转 发，不处理高层协议如t c p 、u d p 的端口地址。它的数据包的转发是通过硬件实 现的，因此速度非常快。但是他并不能处理不同子网间的数据。 随着以太网交换机的发展及应用，以太网交换机出现了多种不同的分类标准， 常见的有以下几种i l6 j ： ( 1 ) 按照o s i 的7 层参考模型分类，交换机可分为二层交换机、三层交换 和四层交换机等。二层交换机工作在o s i 参考模型的第二层( 数据链路层) ，基 于m a c 地址转发数据包。二层交换机应用非常普遍，技术发展也十分成熟，二 层交换基于硬件转发数据包，因此速度非常快。三层交换机既可以工作在o s i 参 考模型的的第二层也可以工作在o s i 参考模型的第三层( 网络层) ，因工作在第 三层使得其可进行不同网段之间的数据交换，而可以工作在第二层使其转发速度 接近二层交换机。第四层以上的交换机称之为内容型交换机，主要用于互联数据 中心。 ( 2 ) 按照端口支持的速度，交换机可分为以太网交换机、快速以太网交换机、 千兆以太网交换机和万兆以太网交换机等。这几种以太网交换机对应的速度分别 是1 0 m b p s 、1 0 0 m b p s 、1 0 0 0 m b p s 、1 0 0 0 0 m b p s 等。 ( 3 ) 按照可管理性，交换机可分为可管理型交换机和非可管理型交换机。其 区别主要在于对s n m p 、r m o n 等网管协议的支持。由于可管理型交换机便于网 络监控，成本较高，一般用于大中型网络的汇聚层和核心层的交换。 ( 4 ) 按照网络构成方式，交换机可分为接入层交换机、汇聚层交换机和核心 层交换机。 2 、路由器 由于二层交换机不能处理不同子网间的数据，因此子网间数据的交换采用路 由器来进行。路由器工作在o s i 模型中的第三层，即网络层。它完成不同网络或 网段之间的数据信息通信，从而构成一个更大的网络。路由器支持的协议众多， 可以用于连接不同类型的网络，因其具有丰富的端口类型，路由能力强，比较适 合连接大型的网络。 最优路由路径的选择和数据报文转发是传统路由器的两个最基本的功能 1 7 , 1 8 】。最优路径选择涉及多种复杂的路由协议及算法，以此发现和建立网络结构 图，从而计算出达到目标的最优路径，并建立对应的路由表。由于传统路由是软 件驱动的，因此它可以通过软件升级增强功能。但正是因为传统路由是基于软件 的，其所有的数据包交换、路由和第三层协议等几乎都是靠软件实现，导致传统 以太网三层交换机硬件系统研究 路由配置复杂、速度慢、性价比低等缺点1 1 引。 3 、三层交换机 随着局域网的速度越来越快，千兆以太网技术已经得到普遍应用，万兆位以 太网的份额也在逐步增加1 2 0 1 。同时子网间的业务发展也极其迅猛，但工作在o s i 参考模型第二层的交换机不具备子网间交换的能力。用于网间互连的路由器配置 复杂，速度远远低于二层交换机【2 ，不能满足高速和大量子网间通信的需求。三 层交换技术在这种情况下应运而生。 以太网三层交换机工作在o s i 参考模型的第三层，它通过对i p 包的包头信息 进行分析对数据进行件转发。三层交换机集二层交换技术与三层路由技术为一体， 不仅可以实现第三层的路由功能，而且具有线速转发报文的能力【2 2 1 ，在多数三层 交换机中采用“一次路由，多次交换”的原理，减少了路由算法的使用频率，在一 定程度上提高了数据的交换速度，最关键地是三层交换机使用a s i c 来处理有规 律的数据包的转发，大大提高了转发速度。 1 2 3 以太网交换机的发展趋势 近几年来，随着通信业务的飞速发展，以太网交换机作为网络通信的关键设 备，发展非常迅速，各方面不断完善。宽带化和融合化是企业信息应用的发展趋 势，传统的连接简单、仅具有数据传输功能的以太网交换机已经满足不了市场的 需求。纵观当前整个发展趋势，以太网交换机有如下几个发展特点。 ( 1 ) 速度越来越快。速度是交换机最重要的参数之一，也是交换机发展的一 个重要方向 2 3 】。随着以太网的发展，通信速率从1 0 m b p s 、1 0 0 m b p s 增大到了如 今的1 0 0 0 m b p s 、1 0 g b p s ，目前千兆交换机和万兆交换机的市场份额正在逐渐扩 大。但是人们对带宽的追求是无止境的，高带宽不仅可以给用户带来新的体验， 而且在一些如网络存储这样需要海量数据传输的场合将会拥有良好应用前景。近 十余年来以太网的传输速度基本上是每4 年提升1 0 倍，随着速度的进一步提高网 络呼唤1 0 0 g b p s 标准的制定【1 3 】。 ( 2 ) 端口密度越来越大。当今企业的以太网端口数量持续增长。如今的计算 机已全面实现网络化，但其它设备仍有待更新以具备以太网能力。在众多企业中， 对以太网端口的需求一直都在持续增长，随着物联网与云计算的兴起，对端口的 需求将更加急切。 ( 3 ) 智能化越来越高。从非管理型交换机到管理型交换机是一次技术的飞跃， 智能交换机将拥有更复杂的功能，如用于诊断的端口映射、用于远程监视和配置 的简单网络管理协议、用于确保优先级消息通过的优先级排列功能、用于网络设 备组成的v l a n 等。 ( 4 ) 越来越多地融入路由功能。过去，交换机一直被看作基于局域网技术的 4 硕士学位论文 一种设备，与广域网连接只有使用路由器。随着a s i c 技术的不断发展以及网络 逐渐被i p 技术所统一，以太网交换机已经在汇聚层与骨干层得到了广泛的应用。 并且三层交换机上已经可以实现路由器中所有的接口；路由器中多数路由协议与 大容量得路由表，在三层交换机中也得到大量的实现和应用2 3 1 。 1 3 项目来源与主要研究内容 为了满足日益增长的对三层交换机的需求，使子网间的频繁通信能够更加快 速，华为技术商用计算产品部针对杭州x x x 公司的需求，开发适用于e 6 0 0 0 刀 片服务器的以太网三层交换机产品。本文以华为技术商用计算产品部的项目为依 托，设计一款高密度、多类型端口、高速并可堆叠的以太网三层交换机。 本文采用高性能的m c u 芯片m p c 8 3 4 9 和多类型高密度端口交换芯片 b c m 5 6 5 1 4 设计了以太网三层交换系统架构，进行了高效的d c d c 设计，采用了 合理的时钟分配方案及逻辑控制管理，结合具体电路对典型的信号完整性的两个 问题反射和串扰进行了仿真分析，有效抑制了高频下的干扰问题，构建了一个低 噪声、多类型端口、稳定、高速的以太网三层交换机系统 全文共分5 章，各章节主要内容如下： 第1 章：主要介绍研究背景，目前交换机的发展现状和趋势，指出本课题研 究的意义及主要内容。 第2 章：介绍o s i 参考模型，分析二层交换机和三层交换机的基本工作原理， 并给出三层交换机实现的关键技术及其主要特点，最后对本文所涉及到的三种以 太网接口进行了介绍。 第3 章：对以太网交换机的硬件系统进行详细设计。设计以太网三层交换机 的系统架构，并以此为基础分别对各个子模块的详细设计进行说明。 第4 章：研究传输线模型和信号在高速时出现的反射和串扰问题，并结合本 文的电路进行仿真分析，对反射和串扰进行抑制，最后阐述系统关键器件和p c b 设计中的抗干扰措施，保证产品的e m c 设计。 第5 章：详细说明以太网三层交换机的硬件测试过程。针对产品进行功能测 试、性能测试及整机测试。 结论：总结全文的工作，指出后续的研究方向。 5 以太网三层交换机硬件系统研究 第2 章以太网交换机的基本知识 本章介绍o s i 七层参考模型结构，简要阐述每层的主要功能，分析二层交换 机和三层交换机的基本工作原理及区别，讨论三层交换机实现的关键技术及其主 要特点，并介绍本文涉及的三种以太网接口。 2 1 以太网交换机的基本原理 二层交换机及三层交换机中的“层”是指工作在o s i 七层参考模型中的第二层 和第三层而得名，不同的层对应着不同的工作原理并具有不同的功能。 2 1 1 i s o o s i 参考模型 在早期的计算机网络中，不同设备生产厂商采用的网络体系结构差异很大， 导致不同网络体系结构间的互联非常困难。为了实现不同系统结构的网络之间互 相通信，国际化标准组织( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ，i s o ) 对 当时的不同的计算机网络体系结构进行了研究，提出并创建了o s i 参考模型，从 此o s i 参考模型被作为网络体系结构的国际标准。现在o s i 参考模型已经成为所 有开放式通信系统互联的标准模型。 o s i 参考模型结构如图2 1 所示。模型将整个网络由低到高划分为物理层、 数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层【1 2 】。 鼯翮隔翮 表示层 二二 会话层 = 二 传输层 生一 网络层 二二 数据链路层 皇一 物理层 应用层 1 r 一 表示层 工 会话层 网络层 i 一 数据链路层 1 物理层 物理传输介质 图2 1o s i 参考模型 当数据在网络中从一个节点发送到另一个节点时，首先在发送端对数据按层 次进行逐层信息封装，并通过物理传输介质将封装后的数据以比特流的形式传输 6 硕士学位论文 给接收端。在接收端，根据每层的封装约定在逐层对数据进行解封装，最终得到 发送端发送的信息。各层之间的封装和解封装即为各层的通信协议。通过o s i 参 考模型，不同网络体系结构的网络能够实现互联。0 s i 参考模型的各层功能及特 点如下f 2 4 j ： 物理层：o s i 参考模型的第一层，主要提供网络的物理连接【2 5 1 。该层包括物 理传输媒介，如电缆连线、连接器等。物理层协议对物理媒介上的数据信号进行 规范，如电平信号电压的规范等。物理层又可细分为物理编码子层、物理介质连 接子层和物理介质相关子层【l2 1 。 数据链路层：o s i 参考模型的第二层，包括逻辑链路( l o g i c a ll i n kc o n r t o l s u b 1 a y e r ，l l c ) 子层和m a c 子层。l l c 子层用于设备间单个连接的错误控制 和流量控制，与物理媒介无关。m a c 子层定义了数据帧怎样在介质上进行传输、 物理寻址和逻辑拓扑等。 网络层：o s i 参考模型的第三层，负责对予网间的数据包进行路由选择。网 络层还可以实现拥塞控制、网际互连等功能。有些网络连接设备，如路由器，主 要实现路由功能，是工作在网络层的，三层交换机也可以工作在网络层。 传输层：o s i 参考模型的第四层，也是o s i 参考模型中的最重要得一层。传 输层为会话层实体之间提供端对端可靠的、全透明的数据传送条件，并可以根据 网络的情况将较长的数据包进行强制分割。 会话层：0 s i 参考模型的第五层，实现管理端对端用户的对话连接、建立、 管理、终止进程之间的会话及实现数据的同步。决定通信是否被中断以及通信中 断时决定从何处重新发送。会话层通过决定节点通信的优先级和通信时间的长短 来设置通信期限。 表示层：o s i 参考模型的第六层，主要实现不同网络应用程序与网络体系结 构之间的数据格式转换，数据将按照网络通信双方都能理解的方案进行数据格式 化，这种格式化也因所使用网络的类型不同而不同。 应用层：0 s i 参考模型的最高层，负责对应用软件提供接口以使程序能使用 网络服务。表征应用进程和应用服务要素，通过这些要素进行数据传送和数据库 访问等。 2 1 2 二层交换机工作原理 二层交换工作在o s i 参考模型的第二层，即数据链路层。二层交换机也被称 为交换式集线器。二层交换机是通过为需要通信的两台主机直接建立专用的通信 信道来增加可用带宽的。 二层交换机检测从以太网端口传送过来的数据包的源地址和目的m a c 地址， 并将其保存在一个m a c 地址端口对应表中。同时，交换机也将在m a c 地址- 端 7 以太网三层交换机硬件系统研究 口对应表中寻找其目的m a c 匹配的端口。二层交换机的工作流程如下： ( 1 ) 当交换机收到从一个端口发送的数据包时，首先会读取包头中的源m a c 地址，如果这个m a c 地址