CN101848186A - 一种塑料光纤三层以太网交换机 - Google Patents

Abstract

一种塑料光纤三层以太网交换机，包括三层依次设置的网络管理子系统、驱动子系统以及交换协议子系统；在交换过程中将路由学习与数据包转发分离，路由学习由在网络管理子系统的CPU运行的路由协议来实现，数据包转发由交换电路硬件实现。本发明解决了缺乏塑料光纤以太网交换机的技术问题。本发明具备很高的抗干扰能力、防雷击能力、防泄密能力，从硬件平台上为网络通信的可靠性、安全性提供了高效的解决方案；并且可以提供丰富、安全的网络管理功能，作为一个自治系统内的核心交换设备，具备隔离网络风暴、控制网络访问权限及防止IP地址欺骗、阻止黑客攻击等功能。

Description

一种塑料光纤三层以太网交换机

技术领域

本发明涉及一种以太网交换机，具体涉及一种650nm塑料光纤三层以太网交换机。

背景技术

随着计算机网络传输速率的不断发展，在以太网中数据信息高速率到桌面的应用越来越普遍，在这个过程中，以太网交换机是不可缺少的工具。但是目前的交换机中都是使用传统的五类线及铜缆或是石英光纤，具有不便连接、材料的耦合效率也较低、不易弯曲、不耐震动、不抗辐射以及价格昂贵等缺点。塑料光纤(POF)具有宜于连接，光的耦合效率也较高，同时还兼有柔软、抗弯曲、耐震动、抗辐射、价格便宜、施工方便等优点，可代替传统的五类线及铜缆，非常适合应用于连接点较多的局域网络。

目前世界上多家公司、标准化协会纷纷加入到塑料光纤领域的研究，并投入了大量人力、物力。塑料光纤作为铜缆、石英光纤的替代产品，其应用也得到各种技术标准的支持，如以太网、1394、ATM等均已制定相关的POF技术标准。

因此，在以太网中与塑料光纤配套使用的塑料光纤以太网交换机的研制成为迫切需要解决的技术问题，传统的以太网交换机已远远不能满足实际需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种650nm塑料光纤三层以太网交换机，其解决了缺乏塑料光纤以太网交换机的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种塑料光纤三层以太网交换机，包括三层依次设置的网络管理子系统、驱动子系统以及交换协议子系统；

所述网络管理子系统控制交换机的配置数据、及时通知设备的异常故障、提供性能以及控制方面的原始数据；

所述驱动子系统为操作系统和交换协议子系统访问交换机硬件提供统一的接口，便于协议访问和管理交换机硬件；

所述交换协议子系统用于收集网络信息，建立交换机路由交换路径，同时根据具体需求向网络管理子系统提供交换机管理接口，方便交换协议子系统对交换机进行管理；

其特殊之处在于：在交换过程中将路由学习与数据包转发分离，所述路由学习由在网络管理子系统中CPU运行的路由协议来实现，所述数据包转发由交换电路硬件实现。

上述网络管理子系统中的各应用模块采用统一的访问机制IDB+来访问管理对象；所有协议功能模块都通过IDB+提供的函数接口根据交换机当前状态来建立起RFC标准规定的对应对象的MIB库，而各管理模块则通过IDB+提供的函数接口获取当前交换机的信息给用户，然后再根据用户反馈调用对应被管对象的IDB+函数接口进行相应的设置，实现对交换机设备的管理。

上述驱动子系统完成交换机硬件的初始化，在交换机运行过程中，根据交换协议子系统要求，完成对寄存器的设置和管理，进而实现对交换机硬件的管理，这些操作分别由BSP和SSP来完成。

上述交换协议子系统中各协议模块在管理和维护交换通路过程中，完成对交换机状态属性方式的读取和设置。

上述各协议模块完成对交换机状态属性的读取和设置的方式有两种，一是直接调用驱动提供的接口函数，另一则是通过使用IDB+接口来设置相关的MIB库供网络管理子系统使用，并且各协议模块分别实现对标准MIB的支持。

上述驱动子系统还包括硬件抽象层HAL，所述硬件抽象层HAL向交换协议子系统和网络管理子系统提供统一的API接口。

上述网络管理子系统具体包括CPU、与CPU连接的SDRAM内部存储器以及FLASH存储器，所述嵌入式通信处理控制单元对外提供串口和带外口，分别作为本地网络管理和远程网络管理的通信接口。

上述驱动子系统包括电源管理芯片以及核心交换芯片BCM56110与PHY芯片；

上述电源管理芯片220V交流输入采用工业级的10A大功率开关电源，-48V模块电源在结构设计上可灵活安装，方便更换为+24V等不同要求的直流模块电源，所述电源管理芯片采用TPS5124，提供3.3V小电压以及10A大电流输出；

上述PHY芯片包括2片BCM5248和1片BCM5461，每片BCM5248分别连接8个650nm塑料光纤模块，对外提供16路650nm塑料光纤交换端口，所述BCM5461连接千兆网络变压器对外提供1路1000M/100M自适应电交换口，另外1路1000M口连接SFP光纤模块，对外提供可插拔的光纤模块，适应1550nm/1310nm/850nm等不同波长的石英光纤接口，所述2片BCM5248和1片BCM5461分别与核心交换芯片BCM56110相连；

上述核心交换芯片BCM56110通过PCI总线与CPU相连，该芯片还具有Ipv6的扩展功能。

上述核心交换芯片BCM56110还连接一个状态指示灯，所述状态指示灯的指示采用FPGA逻辑电路，从BCM56110内部状态读取，进行逻辑译码，点亮对应端口的链路状态指示灯。

上述CPU为集成通信微处理器MPC8270 PowerQUICC II。该处理器能够实现交换机的协议层交换及网络管理的功能。与CPU连接的SDRAM内部存储器256M，FLASH存储器为16M。处理器单元对外提供串口和带外口，分别作为本地网络管理和远程网络管理的通信接口。

本发明具有以下优点：

1)该设备采用高性能嵌入式CPU，主频高达450MHz，交换芯片采用高集成度的BCM三层交换芯片，使得系统响应时间轻松达到硬件的线速级交换。

2)提供1路石英光纤接入，16路塑料光纤通信，本地串口管理，因此具备很高的抗干扰能力、防雷击能力、防泄密能力，从硬件平台上为网络通信的可靠性、安全性提供了高效的解决方案。

3)能有效解决随着数据流量的不断增长的路由器的需求瓶颈，并支持Ipv6，为网络建设节约大量的成本，业务需求可随软件不断升级，增加了网络架构的稳定性。

4)提供丰富、安全的网络管理功能。作为一个自治系统内的核心交换设备，具备隔离网络风暴、控制网络访问权限及防止IP地址欺骗、阻止黑客攻击等功能。

本发明能实现以下主要功能：

1)16路100M/650nm-SMI塑料光纤光收发端口，1路1000M/SFP石英光纤光收发端口，1路1000M/100M/RJ45接口；

2)支持SNMPv2简单网管协议；

3)支持基于端口的VLAN虚拟局域网的配置；

4)支持MAC层STP(生成树算法)；

5)支持IPv4静态路由/RIP/OSFP，并可向IPv6升级；

6)支持访问控制ACL包过滤功能；

7)支持DHCP协议，可使终端机自动获取IP地址；

8)支持在端口上绑定MAC地址和IP地址，可有效防止IP地址和MAC地址欺骗；

9)支持IGMPv2组播。

10)本地(RS232)命令行方式配置网管功能；

11)交换机内嵌Web网管软件，无需额外安装管理软件；

12)交换机系统软件具有在线升级功能。

附图说明

图1为本发明原理框图；

图2为本发明软件体系原理框图；

图3为本发明三层交换处理流程图。

具体实施方式

参见图1和图2，一种塑料光纤三层以太网交换机，包括三层依次设置的网络管理子系统、驱动子系统以及交换协议子系统；其中网络管理子系统控制交换机的配置数据、及时通知设备的异常故障、提供性能以及控制方面的原始数据；驱动子系统为操作系统和交换协议子系统访问交换机硬件提供统一的接口，便于协议访问和管理交换机硬件；交换协议子系统用于收集网络信息，建立交换机路由交换路径，同时根据具体需求向网络管理子系统提供交换机管理接口，方便交换协议子系统对交换机进行管理；在交换过程中将路由学习与数据包转发分离，所述路由学习由在网络管理子系统中CPU运行的路由协议来实现，所述数据包转发由交换电路硬件实现。

网络管理子系统中的各应用模块采用统一的访问机制IDB+来访问管理对象；所有协议功能模块都通过IDB+提供的函数接口根据交换机当前状态来建立起RFC标准规定的对应对象的MIB库，而各管理模块则通过IDB+提供的函数接口获取当前交换机的信息给用户，然后再根据用户反馈调用对应被管对象的IDB+函数接口进行相应的设置，实现对交换机设备的管理。

驱动子系统完成交换机硬件的初始化，在交换机运行过程中，根据交换协议子系统要求，完成对寄存器的设置和管理，进而实现对交换机硬件的管理，这些操作分别由BSP和SSP来完成。

交换协议子系统中各协议模块在管理和维护交换通路过程中，完成对交换机状态属性方式的读取和设置。

各协议模块完成对交换机状态属性的读取和设置的方式有两种，一是直接调用驱动提供的接口函数，另一则是通过使用IDB+接口来设置相关的MIB库供网络管理子系统使用，并且各协议模块分别实现对标准MIB的支持。

驱动子系统还包括硬件抽象层HAL，所述硬件抽象层HAL向交换协议子系统和网络管理子系统提供统一的API接口。

网络管理子系统具体包括CPU、与CPU连接的SDRAM内部存储器以及FLASH存储器，所述嵌入式通信处理控制单元对外提供串口和带外口，分别作为本地网络管理和远程网络管理的通信接口。

驱动子系统包括电源管理芯片以及核心交换芯片BCM56110与PHY芯片；

电源管理芯片220V交流输入采用工业级的10A大功率开关电源，-48V模块电源在结构设计上可灵活安装，方便更换为+24V等不同要求的直流模块电源，所述电源管理芯片采用TPS5124，提供3.3V小电压以及10A大电流输出；

PHY芯片包括2片BCM5248和1片BCM5461，每片BCM5248分别连接8个650nm塑料光纤模块，对外提供16路650nm塑料光纤交换端口，所述BCM5461连接千兆网络变压器对外提供1路1000M/100M自适应电交换口，另外1路1000M口连接SFP光纤模块，对外提供可插拔的光纤模块，适应1550nm/1310nm/850nm等不同波长的石英光纤接口，2片BCM5248和1片BCM5461分别与核心交换芯片BCM56110相连；

核心交换芯片BCM56110通过PCI总线与CPU相连，该芯片还具有Ipv6的扩展功能。

核心交换芯片BCM56110还连接一个状态指示灯，所述状态指示灯的指示采用FPGA逻辑电路，从BCM56110内部状态读取，进行逻辑译码，点亮对应端口的链路状态指示灯。

CPU为集成通信微处理器MPC8270 PowerQUICC II。该处理器能够实现交换机的协议层交换及网络管理的功能。与CPU连接的SDRAM内部存储器256M，FLASH存储器为16M。处理器单元对外提供串口和带外口，分别作为本地网络管理和远程网络管理的通信接口。

本发明的工作过程主要分为第二层交换和第三层交换。在设计时，将路由学习与数据包转发功能分离，路由学习由CPU中运行的路由协议来实现，而数据包转发则采用交换电路，即硬件实现，能够在第三层(网络层)实现线速转发。

1.第二层交换

交换芯片内部有一个地址解析逻辑，负责进行第二层交换。收到数据包后，地址解析逻辑首先会进行源地址查找。地址解析逻辑从数据包中提取源MAC地址和VLAN ID，如果该数据包是不带VLAN标签的数据包，则地址解析逻辑会依据收到的该数据包的端口号从PTABLE中获得对应的VLAN ID和优先级为其加上标签。这样地址解析逻辑会按照SA-E-VLAN ID去查找ARL表。如果找不到，地址解析逻辑会进行源地址学习；如果找到了，会按照相应的设置执行相应的动作。

随后地址解析逻辑进行目的地址查找。对于单播MAC地址，地址解析逻辑查找ARL表，对于组播MAC地址，地址解析逻辑查找MARL表。如果找到了，则可以获得出端口；如果找不到则出端口为该VALN ID对应的VLAN的所有成员端口。

地址解析逻辑可以在没有CPU的干预下进行MAC地址学习。地址解析逻辑有三种方式学习MAC地址：

1)动态地址学习：当地址解析逻辑查找源地址失败后，地址解析逻辑会在ARL表中插入一条新的表项；如果源地址查找成功但对应的端口发生了变化，这时会将这一表项的端口号更新一下。

2)静态地址学习：CPU可以向ARL表中插入静态地址项。但静态地址项无法因超时被交换芯片的老化进程删除，只能在CPU的干预下被删除。

3)组播地址学习：组播地址被保存在MARL表中。组播地址的学习是在上层组播协议的协助下完成的，如IGMP Snooping和GMRP等。

当源地址查找成功时，会将ARL表项中的HIT标志位置1。老化进程会将经过设定的时间而HIT标志位没有被设置的ARL表项删除。

2.第三层交换

数据包需要在VLAN间传输时，就要进行选路，此时，数据包要提交到第三层进行交换。第三层交换主要功能就是VLAN间的路由。其中路由表及交换逻辑由交换电路在硬件中实现，路由表的管理、IP地址的学习及路由表的老化处理要由软件完成。

交换芯片为第三层IP交换提供了如下硬件资源：L3表、L3Interface表、Default IPRouter表以及ARL表。

L3表中记录了IP地址与所对应的下一跳。IP ADDR表示目的站点的IP地址，MAC ADDR表示下一跳的MAC地址，当数据包的目的IP地址与IP ADDR匹配时，在数据包被转发给下一跳时，将用MAC ADDR替换数据包的目的MAC地址。PORT表示与IP ADDR对应的端口号。INTF是对应的L3 Interface表的索引。当数据包的源IP地址与IP ADDR匹配时，硬件将HIT置位；当数据包的目的IP地址与IP ADDR匹配时，硬件将D HIT置位。上层软件利用这两个标志位可以将长时间不用的L3表项清除。

Default IP Router表是对L3表的补充，搜索的关键字由IP地址变为子网地址。在搜索该表之前，需要用子网掩码与数据包的目的IP地址进行“与”操作，用所得结果作为关键字搜索该表。

L3 Interface表将VLAN虚拟成路由器的一个接口。ROUT ADDR表示与VLANTAG对应的虚拟接口的MAC地址，当数据包转发给这个VLAN的端口时，需要将数据包的源MAC地址用ROUT ADDR来替换。

当一个子网内的站点与另一个子网内的站点通信时，站点将数据包转发给站点所设置的网关，网关再为数据包进行选路。所以只有当IP数据包的目的MAC地址是网关的MAC地址时，网关才负责为该IP数据包进行选路。通过设置ARL表完成这项工作，ARL.MAC ADDR设置为L3INTF.ROUT ADDR，ARL.VLAN TAG设置为对应的L3 INTF.VLAN TAG，将ARL.L3置为1。这样当交换芯片对ARL表进行查找时，如果所匹配的表项的ARL.L3为1则表示该数据包需要在网络层进行选路。

当交换芯片无法为一个IP数据包找到下一跳时，即：交换芯片通过查找L3表与Default IP Router表都没有找到匹配的表项，交换芯片将IP数据包发送给CPU，由上层路由协议为其选路。CPU在接收和发送IP数据包的同时负责IP地址的学习，其学习原理与硬件进行MAC地址学习的原理相同。IP地址学习在软件中实现。

当第三层交换机收到一个IP数据包时，可以从数据包中提取出这样的信息：其源IP地址对应的下一跳的MAC地址就是其源MAC地址，对应的交换机端口就是接收到该数据包的交换机端口。根据这样的信息就可以完成源IP地址学习。

当交换芯片无法为一个IP数据包找到下一跳时就会把该数据包发送给CPU，软件接收该数据包，IP模块通过查找其路由表为该数据包选路，并通过相应的虚接口交给驱动程序。这时驱动程序可以提取足够的信息进行目的IP地址学习。通过ARP可以为目的IP地址找到下一跳MAC地址，然后通过查找ARL表为其找到对应的转发端口，如果找不到则在相应的VLAN中广播。

交换芯片处理第三层交换的流程参见图3，两个不同子网的站点相互通信，两个方向上的第一包数据需要经过上层软件处理。但对于随后的IP数据包，交换芯片可以按照IP地址直接转发，无需再经过上层软件处理。这样不同子网的站点相互通信可以获得二层交换的速度。

Claims (10)

1.一种塑料光纤三层以太网交换机，包括三层依次设置的网络管理子系统、驱动子系统以及交换协议子系统；

所述网络管理子系统控制交换机的配置数据、及时通知设备的异常故障、提供性能以及控制方面的原始数据；

所述驱动子系统为操作系统和交换协议子系统访问交换机硬件提供统一的接口，便于协议访问和管理交换机硬件；

所述交换协议子系统用于收集网络信息，建立交换机路由交换路径，同时根据具体需求向网络管理子系统提供交换机管理接口，方便交换协议子系统对交换机进行管理；

其特征在于：在交换过程中将路由学习与数据包转发分离，所述路由学习由在网络管理子系统的CPU运行的路由协议来实现，所述数据包转发由交换电路硬件实现。

2.根据权利要求1所述塑料光纤三层以太网交换机，其特征在于：所述网络管理子系统中的各应用模块采用统一的访问机制IDB+来访问管理对象；所有协议功能模块都通过IDB+提供的函数接口根据交换机当前状态来建立起RFC标准规定的对应对象的MIB库，而各管理模块则通过IDB+提供的函数接口获取当前交换机的信息给用户，然后再根据用户反馈调用对应被管对象的IDB+函数接口进行相应的进行设置，实现对交换机设备的管理。

3.根据权利要求1所述塑料光纤三层以太网交换机，其特征在于：所述驱动子系统完成交换机硬件的初始化，在交换机运行过程中，根据交换协议子系统要求，完成对寄存器的设置和管理，进而实现对交换机硬件的管理，这些操作分别由BSP和SSP来完成。

4.根据权利要求1所述塑料光纤三层以太网交换机，其特征在于：所述交换协议子系统中各协议模块在管理和维护交换通路过程中，完成对交换机状态属性方式的读取和设置。

5.根据权利要求4所述塑料光纤三层以太网交换机，其特征在于：所述各协议模块完成对交换机状态属性方式的读取和设置的方式有两种，一是直接调用驱动提供的接口函数，另一则是通过使用IDB+接口来设置相关的MIB库供网络管理子系统使用，并且各协议模块分别实现对标准MIB的支持。

6.根据权利要求1～5任一所述塑料光纤三层以太网交换机，其特征在于：所述驱动子系统还包括硬件抽象层HAL，所述硬件抽象层HAL向交换协议子系统和网络管理子系统提供统一的API接口。

7.根据权利要求6所述塑料光纤三层以太网交换机，其特征在于：所述网络管理子系统具体包括CPU、与CPU连接的SDRAM内部存储器以及FLASH存储器，所述嵌入式通信处理器控制单元对外提供串口和带外口，分别作为本地网络管理和远程网络管理的通信接口。

8.根据权利要求7所述塑料光纤三层以太网交换机，其特征在于：所述驱动子系统包括电源管理芯片以及核心交换芯片BCM56110与PHY芯片；

所述电源管理芯片220V交流输入采用工业级的10A大功率开关电源，所述电源管理芯片采用TPS5124，提供3.3V小电压以及10A大电流输出；

所述PHY芯片包括2片BCM5248和1片BCM5461，每片BCM5248分别连接8个650nm塑料光纤模块，对外提供16路650nm塑料光纤交换端口，所述BCM5461连接千兆网络变压器对外提供1路1000M/100M自适应电交换口，另外1路1000M口连接SFP光纤模块，对外提供可插拔的光纤模块，所述2片BCM5248和1片BCM5461分别与核心交换芯片BCM56110相连；

所述核心交换芯片BCM56110通过PCI总线与CPU相连。

9.根据权利要求8所述塑料光纤三层以太网交换机，其特征在于：所述核心交换芯片BCM56110还连接一状态指示灯，所述状态指示灯的指示采用FPGA逻辑电路，从BCM56110内部状态读取，进行逻辑译码，点亮对应端口的链路状态指示灯。

10.根据权利要求9所述塑料光纤三层以太网交换机，其特征在于：所述CPU为集成通信微处理器MPC8270 PowerQUICC II。

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