基于特殊网络的路由器关键技术设计和实现.doc

电子科技大学UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA专业学位硕士学位论文MASTER THESIS FOR PROFESSIONAL DEGREE 论文题目基于特殊网络的路由器关键技术设计和实现专业学位类别工程硕士学号201251010152作 者 姓 名指 导 教 师 苏永海李广军 教授 分类号密级注 1UDC学 位 论 文基于特殊网络的路由器关键技术设计和实现（题名和副题名）苏永海（作者姓名）指导教师李广军教 授成 都研究员电子科技大学 李大双 中国电科三十所成 都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别工程领域名称硕士专业学位类别工程硕士电子与通信工程提交论文日期2014年3月论文答辩日期2014年5月学位授予单位和日期答辩委员会主席评阅人电子科技大学2014年06 月 25日注 1：注明国际十进分类法 UDC的类号。 DESIGN AND IMPLEMENTATION OF BASED ONA SPECIAL NETWORK ROUTERA Master Thesis Submitted toUniversity of Electronic Science and Technology of ChinaMajor:Author:Master of EngineeringSu Yonghai Advisor: Professor. Li GuangjunSchool: School of Communication & InformationEngineering 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。作者签名：日期：年月日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将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、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）作者签名：导师签名：日期：年月日 摘要摘要现代计算机网络高速发展，对路由器的性能、稳定性、可靠性和功耗的要求越来越高。而在我国某些领域进行的特殊网络建设中，对基于特殊网络的路由器的要求更为苛刻，基于特殊网络的路由器既要满足普通路由器的高性能要求，更要满足特殊接口、多网融合、路由优选、综合业务等方面的要求。本文针对上述问题，以基于特殊网络的路由器设计与实现为主要研究对象。本文在对路由器相关的理论和技术进行研究的基础上，对基于特殊网络的路由器的设计和实现中的关键技术进行详细的讨论和研究。以下本文主要完成内容：1研究路由和路由器实现相关的技术，为解决高速电台接入和超短波电台、短波电台接入的问题，研究高速电台接入技术和电台接入技术，提出了解决方案；为解决基于特殊网络的路由器通过无线电台和窄带有线实现信道传输，传输能力十分有限，容易出现拥塞，导致网络通信变得不可靠，端到端延迟、抖动和包丢失率都增加，使网络质量降低等问题，设计了一种基于速率流量控制的两级流量控制方法；2进行基于特殊网络的路由器方案设计，对一些硬件设计方法进行探索，完成基于特殊网络的路由器电路原理图设计，完成 PCB设计实现；3完成了基于特殊网络的路由器可编程逻辑设计实现，对几种可编程逻辑的系统设计方法进行实践；4完成了基于特殊网络的路由器部分软件的设计和实现，并进行了集成调试；5最后对基于特殊网络的路由器进行了单机测试和多机组网测试，得出测试结果；通过测试结果得出结论，基于特殊网络的路由器样机完成了本文的工作任务，实现了基于特殊网络的路由器要求的功能和性能，其中，功能和性能指标测试通过率达到了 100%，功耗降到了 9.6W。基于特殊网络的路由器样机能够提供综合组网、路由优选、接入控制、设备互联等功能，符合特殊网络的要求。关键词：路由器，PCB，可编程逻辑I ABSTRACTABSTRACTThe rapid development of modern computer networks. the router efficiency.stability,reliability and energy consumption have become increasingly demanding. The privatenetwork construction in some areas of the country.on a dedicated router based on thisparticular network of more demanding.dedicated router necessary to meet theperformance requirements of ordinary routers, but also to meet the specialinterface.eg.multi-network integration, integrated services and other requirements.Aiming at these problems to a router-based network design and implementation ofa special primary object of study. Based on the theory and techniques related to therouter conduct research, based on the design and implementation of a special networkrouter key technology for a detailed discussion and research. In this paper. thecompletion of the contents as follows:1Research on Routing and router implementation of related technology. In order tosolve UHF radio access and VHF radio,HF radio access problems.Research onUHF radio access technology and radio access technology, proposed the solution.Inorder to solve the special network router based on the wireless radio and wired toachieve narrowband channel transmission, transmission capacity is limited. designeda rate based flow control two level flow control method.2Conduct a special network router design based on some hardware design methods toexplore, complete the router circuit schematic design based on a special network tocomplete PCB design and implementation.3Completed the router-based special network programmable logic designimplementation, centralized programmable logic system design approach to practice.4Completed part of the software-based routers special network design, and integrateddebugging.5Finally, the router based on a special network were tested.The results obtained bytesting, completed the task of this paper prototype based on a special network router,router to achieve the functionality and performance requirements based on a specialnetwork, in which the function and performance test pass rate reached 100%, powerconsumption dropped 9.6W. Able to provide a comprehensive network, routing ispreferred, access control, and other functions on the device interconnection networkrouter prototype particular, meet the requirements of a special network.Keywords: router, PCB, FPGAII 目录目录第一章绪论. 11.1论文背景. 11.2本文主要工作. 11.3本论文的结构安排. 2第二章基于特殊网络的路由器相关技术研究和技术指标. 32.1路由和路由器. 32.2基于特殊网络的路由器的作用. 32.3关键技术研究. 42.4基于特殊网络的路由器主要技术指标. 62.5小结. 7第二章基于特殊网络的路由器设计. 83.1硬件设计. 83.1.1硬件逻辑框图 . 83.1.2对外接口 . 103.1.3设计原则 . 103.2软件设计.113.2.1协议分层模型 .113.2.2软件功能模块组成 . 123.2.3软件系统体系结构 . 173.2.4软件通信机制 . 193.3可编程逻辑设计. 213.3.1主要功能 . 213.3.2设计原则 . 213.3.3可编程逻辑功能框图 . 213.3.4模块组成 . 223.3.5业务处理流程 . 253.4小结. 30第四章基于特殊网络的路由器实现. 31III 目录4.1硬件实现. 314.1.1原理图设计流程 . 314.1.2 PCB设计流程. 324.1.3硬件实现和调试 . 354.2软件实现. 374.2.1软件应用环境 . 374.2.2驱动程序实现 . 384.3可编程逻辑实现. 384.3.1可编程逻辑系统设计方法 . 384.3.2可编程逻辑设计流程 . 394.3.3可编程逻辑代码实现和调试 . 414.4小结. 47第五章基于特殊网络的路由器系统测试及分析. 485.1单机测试. 485.1.1电源适应性测试 . 485.1.2功耗测试 . 485.1.3端口功能测试 . 485.1.4端口性能测试 . 535.2多机组网测试. 565.2.1组网拓扑 . 565.2.2路由协议测试 . 575.2.3路由切换测试 . 585.2.4拷机测试 . 595.3分析与结论. 605.4小结. 61第六章论文成果与展望. 626.1论文工作成果. 626.2下一步工作的展望. 62致谢. 64参考文献 . 65IV 第一章绪论第一章绪论1.1论文背景近年，在一些特殊应用领域中，数字化移动平台对平台与基地、平台与平台间互联互通的需求越发强烈。在这些特殊应用领域中，通过特殊网络互联协议将各类特殊通信和终端设备互连，形成统一的机动通信网络，该网络主要由有线网和移动网组成，构成面向多种用户联合使用的公共信息传输平台，这就是特殊网络。在特殊网络中，移动网络内的移动平台上，需要一种能够提供综合组网、路由优选、接入控制、设备互联等功能，实现超短波电台网、短波电台网、有线通信网、高速无线网、局域网、平台内通信系统的互联，完成平台内、平台际话音与数据业务的互连互通的设备。基于特殊网络的路由器是为了满足上述需求而专门为特殊网络应用研制的设备。1.2本文主要工作本论文的任务是研制出能够提供综合组网、路由优选、接入控制、设备互联等功能，符合特殊领域应用需求的基于特殊网络的路由器，实现特殊网络中超短波电台网、短波电台网、有线通信网、高速无线网、局域网、平台内通信互联。根据研制基于特殊网络的路由器的目标，本论文从以下几个方面开展工作：1.研究国内外路由和路由实现相关的技术，确定本论文的设计工作规划；2.编写基于特殊网络的路由器总体技术方案，指导论文设计的总体方向。在基于特殊网络的路由器总体技术方案中，明确了任务来源，分析了基于特殊网络的路由器的设计依据，并提出了基于特殊网络的路由器的技术指标和性能指标，进行基于特殊网络的路由器系统总体设计；3.基于特殊网络的路由器硬件设计和实现。着重进行硬件架构设计、主要元器件选型、硬件详细设计编写，按照硬件详细设计进行原理图设计、PCB设计，完成路由器硬件调试；4.基于特殊网络的路由器可编程逻辑和部分软件设计和实现。主要进行可编程逻辑设计和接口驱动设计，完成集成调试；5.组织整机测试和组网测试。通过接口功能测试，接口性能测试和单机功能测试，并通过组网测试对路由协议进行测试。最后为了保证设备的可1 电子科技大学硕士学位论文靠性和稳定性，进行了拷机测试。1.3本论文的结构安排本文共分为六章，各章的内容如下：第一章绪论，论述本论文选题背景和论文的主要工作，总体介绍本论文论文的结构安排；第二章路由器相关技术研究，概述了路由和路由器相关的技术，说明在特殊网络的一些特点，详细论述了基于特殊网络的路由器在特殊网络中的作用和基于特殊网络的路由器两种常用的组织应用方式；第三章基于特殊网络的路由器设计，从总体设计、硬件设计和软件设计三个方面阐述了基于特殊网络的路由器的设计阶段工作内容；第四章基于特殊网络的路由器实现，阐述了基于特殊网络的路由器硬件实现和软件实现的一些方法和技术，说明了基于特殊网络的路由器硬件和软件实现的过程；第五章系统测试，从单机测试和多机组网测试两个方面阐述了基于特殊网络的路由器的功能和性能测试结果；第六章结论，论述了本论文取得的主要成果，并分析了本论文存在的不足，阐述了下一步需要开展的工作重点。2 第二章基于特殊网络的路由器相关技术研究和技术指标第二章基于特殊网络的路由器相关技术研究和技术指标本章将概述路由和路由器相关的技术，分析本文所述的特殊网络的一些特点，详细论述基于特殊网络的路由器在特殊网络中的作用和基于特殊网络的路由器常用的组织应用方式。2.1路由和路由器路由是指导路由器进行数据报文发送的路径信息。路由器是能够将数据报文在不同逻辑网段间转发的网络设备。每一台路由器都有一个存储着路由的路由表。每条路由都包含有目的地址、下一跳地址、出接口、到目的地的代价等要素，路由器根据自己的路由表对数据报文进行转发设备。32。路由器是计算机网络中最重要的2.2基于特殊网络的路由器的作用基于特殊网络的路由器是特殊网络的移动网中应用于某移动平台的网络互连互通关键设备，具有综合组网、路由优选、接入控制、设备互联等功能，实现超短波电台子网、短波电台子网、有线通信网、高速无线网、局域网、平台内通信系统的互联，完成平台内/平台际话音与数据业务的互连互通。以基于特殊网络的路由器为核心组建的有线、无线通信网络，能够适应平台快速机动、快速组网的需求，保障平台在高度机动时的通信指挥需求，为高速机动的环境下的各种电子信息系统提供无缝的信息传输平台。如图 2-1为特殊网络中基于特殊网络的路由器的典型应用方式。3 电子科技大学硕士学位论文移动平台高速电台超短波电台短波电台高速电台接口电台接口电台接口音频平台内通信系统基于特殊网络的路由器XDSL远传以太网以太网其它移动平台IP话机IP话机以太网以太网计算机图 2- 1典型应用方式典型应用方式是移动平台上装备的通信设备以基于特殊网络的路由器为核心，其中：1）超短波电台、短波电台通过电台接口连接基于特殊网络的路由器；2）高速无线电台通过高速电台接口连接基于特殊网络的路由器；3）平台内通信系统通过以太网或者音频口连接基于特殊网络的路由器；4）计算机通过以太网连接基于特殊网络的路由器；5）基于特殊网络的路由器可通过 XDSL接口连接其它移动平台，实现话音、数据的高速、可靠传输；6）有线网、无线网与计算机的数据业务由基于特殊网络的路由器进行路由、转发；7）有线网、无线网和平台内部通信系统的话音业务有基于特殊网络的路由器控制，实现互通；2.3关键技术研究1.高速电台接入技术基于特殊网络的路由器需要通过高速电台实现数据传输，需要通过一种方式将高速电台接入到基于特殊网络的路由器上，在特殊网络中，将高速电台接口规4 第二章基于特殊网络的路由器相关技术研究和技术指标范确定为高速电台接入基于特殊网络的路由器的标准接口。高速电台接口规范规定了该接口特性为，速率 2048kbps,线路采用 HDB3编码，帧协议符合 G.703，采用特定的链路同步机制，链路协议采用 HDLC协议，并详细规定了设备识别、数据业务交互、路由交互等协议。在本论文的工作中，为实现高速电台接入技术，提出了一种解决方案，通过硬件电路设计实现物理接口及电器特性适配，通过可编程逻辑设计实现帧解析、链路协议解析等功能，通过软件设计实现设备识别、数据业务交互和路由交互等协议。2.电台接入技术电台接入技术是解决基于特殊网络的路由器连接一些低速电台（如短波电台和超短波电台）的关键技术，在特殊网络中，将电台接口规定为基于特殊网络的路由器连接短波电台和超短波电台的标准接口。电台接口标准中，规定了线路代码采用 CDP（条件二相码）、采用特定的链路同步机制，采用 HDLC协议作为链路层协议，并详细规定了设备识别、数据业务交互、路由交互等协议。在本论文的中，为实现电台接入技术，提出了一种解决方案，通过硬件电路、可编程逻辑设计和软件设计分别实现电台接口的物理接口及电气特性适配、链路同步和帧解析以及数据交等功能。3.流量控制在特殊网络的应用中，基于特殊网络的路由器主要通过无线电台和窄带有线实现信道传输，传输能力十分有限，在基于特殊网络的路由器上很容易出现拥塞，导致整个网络的通信变得不可靠，端到端延迟、抖动和包丢失率都增加，使网络质量降低。因此需要采用一种流量控制方式，来防止拥塞，导致网络崩溃。如图 2-2是流量控制的基本原理示意图，当发送端的数据发送速率超过接收端的数据处理速率时,数据将被缓存在缓冲区内。如果不调节发送方数据发送的速率或数量,缓冲区就会产生拥塞而引起数据的丢失。因此,流量控制的基本工作原理就是通过接收方的反馈信息来调节发送方的发送能力33。5 电子科技大学硕士学位论文缓缓存存发发送送端端接接收端收端流量控制图 2- 2流量控制基本原理本论文中，采用基于速率的两级流量控制设计来解决数据在经过瓶颈路径时可能发生的拥塞问题。第一级流量控制为端口流量控制，在高速电台接口、电台接口和 XDSL远传口上采用设计数据发送流量控制，防止数据突发造成接口缓存溢出。第二级流量控制为信道流量控制，在高速电台和电台接口协议中，约定一种流量协商机制，在电台数据缓存区处在轻度缓存、中度缓存和重度缓存等不同的缓存状态时，动态调整发送到电台上的数据量，确保数据在进入信道传输之前不会发生丢包。2.4基于特殊网络的路由器主要技术指标1.电源适应性基于特殊网络的路由器输入额定电压为 24V，需适应额定电压+8V的高电压和额定电压-4.2V的低电压。2.设备功耗基于特殊网络的路由器功耗应小于 15W。3. IP数据的转发性能指标基于特殊网络的路由器所有 IP数据接口必须能够以其端口速率的 70转发1500字节的数据包。4. IP数据的丢失率当基于特殊网络的路由器轻载时（端口吞吐量等于 10%）IP数据包（1500字节）丢失率小于 0.1%；当基于特殊网络的路由器重载时（端口吞吐量等于 50%）IP数据包（1500字节）丢失率小于 0.3%。5. IP数据在接口转发时延基于特殊网络的路由器 64字节 IP数据包的转发时延小于 5ms；基于特殊网络的路由器 512字节 IP数据包的转发时延小于 15ms；基于特殊网络的路由器 1518字节 IP数据包的转发时延小于 35ms。6.路由收敛时间6 第二章基于特殊网络的路由器相关技术研究和技术指标基于特殊网络的路由器在小规模组网（网络节点小于 10）中，路由收敛时间应当不大于 45秒。2.5小结本章中，概述了路由和路由器相关的技术，论述特殊网络的一些特点，详细论述了基于特殊网络的路由器在特殊网络中的作用和基于特殊网络的路由器常用的组织应用方式,介绍了本论文中的关键技术和解决方案。7 电子科技大学硕士学位论文第三章基于特殊网络的路由器设计本章将从硬件设计、可编程逻辑设计和软件设计三个方面阐述基于特殊网络的路由器的设计阶段工作内容，并着重介绍关键技术的设计和相关业务流程。3.1硬件设计3.1.1硬件逻辑框图基于特殊网络的路由器硬件采用 PowerPC（型号：MPC8271）处理器加 FPGA（型号：xc3sd3400a）的硬件平台架构。按照该架构基于特殊网络的路由器分为主处理模块、可编程逻辑模块、高速电台接口模块、电台接口模块、音频接口模块、XDSL接口模块、RS232串口模块、话音编解码模块、电源模块共九个模块，其硬件模块框图如图 3-1所示。硬件模块框图音频接口接口电路各种电压输出24V直流电源模块STBUS同步接口电台接口电台接口60XSCC电台接口模块管理口POWERPC处理平台以太网口UartRS232接口模块Xc3sd3400a模块终端接口STBUS话音编解码模块同步接口高速电台接口高速电台模块XDSL接XDSL模块口同步接口图 3- 1基于特殊网络的路由器硬件模块框图8 第三章基于特殊网络的路由器设计处理器模块处理器模块采用 PowerPC模块。此模块作为基于特殊网络的路由器的主处理器，完成设备上所有功能模块的管理，同时作为上层应用软件和协议处理的运行平台。 XC3SD3400A模块XC3SD3400A模块主要功能是完成 XC3SD3400A外围电路配置，保证可编程逻辑内部逻辑功能稳定可靠。主要由 XC3SD3400A供电电路和 PROM电路两大部分组成。电台接口模块电台接口模块提供 3路电台接口；1.完成二、四线的线路波形编码及回波抵消功能；2.完成电台接口的电路整流和条件二相码的编解码。高速电台接口模块高速电台接口模块提供 1路高速电台接口；2.048M的业务码流通过接口芯片封装成符合 G.703协议的帧，经过 HDB3编码，数模转换后通过变压器发送上线路；从线路接收数据时，处理流程相反。音频接口模块音频接口模块提供 3路音频接口，主要实现以下功能：1.模拟话音信号处理；2.话音 AD/DA转换； XDSL接口模块支持 2路 XDSL接口，主要实现以下功能：1.电平脉冲幅度调制和解调；2.扰码和解扰码。将数据随机化，使输出的功率谱密度可预测，利于定时的提取和自适应均衡与回波抵消调整。 RS232接口模块9 电子科技大学硕士学位论文RS232接口模块提供 1路 RS232接口，RS232接口物理层符合 EIA RS-232协议。RS232接口接收的数据经接口电路转换成 TTL电平并经可编程逻辑内嵌RS232控制器处理后，通过总线送入 PowerPC进行协议处理；与此类似，PowerPC通过总线发送数据到可编程逻辑内嵌 RS232控制器处理，并在接口电路模块转换为 RS232电平后，从 RS232接口输出。电源模块电源模块完成以下功能：1.电源滤波、电源浪涌抑制、电源防跌落处理；2.转换、输出设备内部需要的各种电压；3.1.2对外接口在特殊网络中，设备种类较多，设备间接口类型繁多，因此基于特殊网络的路由器有十分丰富的接口配置，基于特殊网络的路由器对外接口配置如表 3-1所示。表 3- 1基于特殊网络的路由器对外接口接口名称主要作用数量电台接口用于超短波电台或短波电台互连321311XDSL接口电源口用于平台际互联用于整机电源供给音频口用于与语音通信系统互连以太网口高速电台接口用于与计算机或者交换机互连用于与高速无线电台互连口用于基于特殊网络的路由器配置管理，其中包括 1路 RS232口、1路 LAN口管理口13.1.3设计原则由于基于特殊网络的路由器接口种类多，功能复杂，因此在设计时要做到以下两点。1.采用模块化、标准化、系列化、通用化设计方式。2.确立一个良好的硬件平台。平台的开放性是基于特殊网络的路由器或系统生命力的重要保证，系统各设备应在结构、功能、技术体制等各个层面上，遵循多种设备、系统的互连标准，并保证其具备良好的开放性和可扩展性，以适应发展需求。10 第三章基于特殊网络的路由器设计1.基于特殊网络的路由器内部采用标准内部总线方式：采用这种方式可以最大限度利用现有成熟技术，降低技术风险，可根据用户使用需求灵活地进行配置。同时这种体制具有良好的开放性，以适应未来技术和用户装备的发展需求。2.基于特殊网络的路由器对外接口的种类、容量及数量可根据需求进行增减：设计应做到接口的种类、容量和数量，可根据不同用户在不同组织应用模式下的不同使用需求，进行变更、增加或减少。3.2软件设计3.2.1协议分层模型特殊网络是基于 TCP/IP协议族进行网络互联互通的，基于特殊网络的路由器的协议模型参照 TCP/IP和 OSI七层模型制定，自底层往上层分为物理层、链路层、网络层、传输层和运用层，每个层次支持的协议如图 3-3所示。FTPTELNETTCPSNMPRIPv2应用层传输层网络层链路层物理层多目标传输处理专用路由协议OSPFv2IGMPUDP非IP业务处理IPSLIPHDLC分组网协议处理ARP802.3音频接口RS232接口一类、二类接口XDSL接口以太网口图 3- 2基于特殊网络的路由器协议分层模型图中的分组网协议处理部分主要完成电台网分组协议的控制和处理；应用层为用户提供对网络环境的访问，并且提供分布信息服务；传输层：提供端到端可靠的信息传送、流量控制、差错控制等；网络层完成网络互连、网际之间路由选择及中继转发功能；链路层实现多种传输链路的适配；物理层提供多种传输物理接口。11 电子科技大学硕士学