主备双冗余网络交换机研究

【 摘 要 】 计算机技术自其诞生以来，迅速在各行业领域中被广泛应用，随着科学技术的飞速发展，信息技术革命已经使计算机的性能越来越卓越。而“云计算”技术则是第四次信息技术革命的产物。其意义在于利用互联网渗透性，将在广域空间分布的计算机能力进行管理与集成。与此同时，“云计算”技术的缺点也是显而易见：一是当网络处于低速连接状态下，处理或计算操作速度慢且效率低；二是必须确保网络连接的可靠、稳定与持久。本文基于云计算对于高速宽带与可靠性的要求，设计了一种双冗余、大容量网络交换机及其实现方案。

【 关键词 】 信息技术；云计算；主备双冗余；网络交换机

1 引言

我国对于云计算的定义：网格计算、并行计算与分布式计算的发展，换言之，云计算就是上述这些概念商业化的实现。而云计算的特点则包括服务性，即对用户而言，实现服务的机制是透明的，用户并不需要对云计算进行具体了解就能够获得服务；可靠性，云计算利用计算机集群提供数据的处理服务给用户，考虑到计算机数量的加大，系统错误率也相应增加，此时数据的可靠性依靠的是分布式存储与数据冗余；高可用性，云计算系统能够对失效节点进行自动检测，同时将其排除，对系统运行不构成影响；编程模型层次高，通过简单的学习，用户就能够编写出云计算程序，使自身需求得到满足；经济性，组建起一个满足云计算需求的商业计算机集群，所需要的花费要大大少于同级性能的超级计算机；服务多样性，通过用户支付费用的不同，为用户提供的服务级别也相应不同。

2 系统硬件结构设计

两块相同性能与功能指标的单板组成了本设备，其中控制面的工作方式为主备方式，而交换面的工作方式则为负荷分担方式，两块单板分别经各自背板的管理通道使主备间配置同步、业务平滑、数据备份得以实现。

各单板的组成则包括了交换模块、时钟模块与主控模块，如图1所示。

（1）主控模块

本系统中的主控模块主处理器为飞思卡尔的MPC83XX系列的PowerPC，以e300c4s内核为基础，主频为667MHz，其最高处理能力达2310MIPS；其处理器的内存空间则包括了32K字节L1指令Catche与32K字节L1数据Cache，对多种内存寻址的管理模式予以支持；DDR控制器集成于片上，对ECC校验支持，最高支持内存512M；处理器的接口速度大于133MHz，对32位增强LocalBus予以支持；片内提供增强型两路三速以太网控制器，利用软件配置即可在SGMII/RTBI/RMII/MII/RGMII工作，MII接口的实现需要通过外部PHY。另外，还集成了PCIExpress控制器两路，其作用是对PCIe-X1.0总线标准进行支持。I/O接口与处理器的实现则经由PCIe与Localbus接口。

作为系统控制核心，主控模块的CPU管理与配置交换网则经由PCIe接口实现，配置数据向交换网模块传输的物理通道则是三速的以太网接口，通过软件配置为SGMII，使故障诊断与系统维护得以同时实现。I2C接口则负责配置电压监控器件与分立锁相环的实现。增强型32位LocalBus通过控制逻辑CPLD转换为MPI，作为控制器JTAG、时钟逻辑FPGA、FLASH的接口，使数据通讯与控制外设得以实现。除了MPI接口的转换要由控制逻辑CPLD实现以外，控制工作指示灯、看门狗屏蔽与提前通知、从串加载接口FPGA、主备倒换逻辑等功能也由其实现。

（2）交换模块

BroadCom芯片实现了本设计中的单板交换模块。其PHY芯片与以太网交换芯片对软件API全面兼容，完备封装SDK，对IPV4/IPV6协议完全支持，可直面API进行软件开发。交换网片则包括了流分类模块、安全模块、L3转发模块、L2转发模块、MMU模块、输入输出修改/匹配模块、CPU接口模块、GE/XE接口模块等。其中PHY芯片主要负责数据还原、数码编码、线路时钟提取、线路状态指示、数据传送等，其接口与IEEE802.3标准相符。

本设计中的交换模块主要负责系统业务交换，CPU则经由PCIe接口实现配置管理交换网。交换网片为BCM56330与BCM56820，BCM54980与BCM8727则为PHY交换网模块提供实现。22个XAUI端口、24个GE自适应网口由交换网负责向外送出，通过XAUI端口2个将BCM56330与BCM56820捆绑为一个交换网芯片，XAUI端口的分配则由单板背板管理通道实现，通信由CPU与1GE端口完成。

（3）时钟模块

主要由时钟逻辑FPGA、分立锁相环组成了时钟模块，其作用为系统时钟同步、时钟发送、时间信息跟踪与时钟锁相。时钟模块能够接收对板与面板的时钟源作为本板时钟的参考源，同时以时钟逻辑频偏配置与检测为依据实现时钟的选源，时钟信号完成选源后，再经锁相环，向单板其他模块输出以作线路时钟与工作时钟之用，并向备用单板输送以作帧同步信号。另外，时钟模块还需要对时钟源的有无进行实时检测，如丢失时钟源，单板则需要具备短期时钟保持功能，确保设备板时钟的连续与平滑，当时钟源丢失大于所设置的阀值时，系统将会完成倒换主备单板操作。

从时钟逻辑实现的主要功能上进行分析，其主要功能的实现主要包括几个方面。

1）地址线检测。利用寄存器实现，寄存器的主要作用是使CPU访问寄存器的地址得以保持，从而提供CPU检测地址的途径。

2）时钟保持功能。丢失时钟参考源时，单板仍可使时钟短期的输出稳定得以继续保持。

3）时钟分发功能。在经锁相后向单板其他模块输出，以作线路时钟与工作时钟之用，同时向备用单板输送，以作帧同步信号之用。

4）时钟鉴相功能。使分立锁相环鉴相的部分功能得以实现。

5）跟踪输出帧同步相位。备用单板对主用单板所输出的帧同步信号进行跟踪，以确保主备倒换的时候相位平滑性。

6）时钟检测功能。对参考时钟源进行实时检测，如丢失时钟源，则发出警告。

3 软件需求与实现主备倒换功能

（1）软件需求

本设计的软件操作系统为风河公司VxWorks系统，具备可裁剪、微内核的实时、高性能操作系统，其主要优点在于VxWorks为嵌入式。除了包括BSP、基本芯片驱动以及操作系统之外。该软件操作系统的功能需求还包括几个方面。

1）通信处理功能。调试网口、调试串口、交换网接口支持。

2）主备倒换功能。强制单板降备，单板升主使能控制。

3）更新Truking组。当链路故障被检测到时，会将故障链路剔除出Truking组。

4）链路检测。检测报文由软件负责定时发送，并对链路畅通性进行周期性检测。

5）配置同步功能。从逻辑上将主备单板捆绑为一块单板，确保交换网配置更改的统一性与同步性。

6）PortTurking。对必要的PortTurking予以实现，并对其更新予以支持。

7）配置交换网。对交换网的广播、多播、单播表项进行配置，从而使系统交换得以完成。

8）跟踪帧同步信号的相位。在时钟逻辑的配合下，使备用单板对主用单板的帧同步信号跟踪得以实现。

9）检测时钟源。实现时钟丢失与频偏检测的功能，负责时钟切换与时钟选源。

10）管理时钟源。经由时钟逻辑寄存器对时钟源选择、告警与切换进行配置。

（2）实现主备倒换功能

主控模块负责智能故障诊断、系统维护与配置管理交换网，两块单板间配置同步、业务平滑、数据备份则由带外2*10Ge管理通道完成，从逻辑上将两块单板交换网捆绑为一片交换网；链路检测报文则软件定时发送，并对链路进行周期性检测。将Trunking组中故障的10G链路、GE及时剔除，确保交换网间的Trunking状态保持一致性，对10G链路、GE故障状态进行实时通知，当错误报文满足倒换要求时，主控模块就会由CPLD逻辑对主用单板的复位进行控制，使备用单板升主得以实现。

4 执行标准与工作环境

（1）长期工作湿度5至85%，温度5至45摄氏度。

（2）标准SFP+接口、10GE光/电接口。

（3）总线标准PCIExpressX1.0。

（4）XAUI：CML电平，IEEE802.3ae标准。

（5）GESerdes：CML电平，IEEE802.31000Base-X标准。

5 结束语

综上所述，在云计算中，网络计算、数据存储传输对于网络连接的可靠性有着极高的要求。而本设计中的主备双冗余网络交换机则能够将高速连接、网络可靠、稳定的问题进行解决。

参考文献

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作者简介：

方黎（1970-），女，汉族，山东青岛人，学士，浙江省中医药附属医院绍兴市中医院，工程师；研究方向：网络安全。