0 前言

　　ADSL技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前寬帶接入網(wǎng)建設(shè)的主流技術(shù)之一。實(shí)現(xiàn)ADSL技術(shù)，要在用戶端增設(shè)ADSL調(diào)制解調(diào)器，而在局端，則要增設(shè)數(shù)字用戶線接入復(fù)用器DSLAM(Digital Subscriber Line Access Multiplexer )設(shè)備，以完成ADSL接入業(yè)務(wù)的匯聚和分發(fā)．

　　隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展、業(yè)務(wù)需求的不斷變化，DSLAM經(jīng)歷了純ATM結(jié)構(gòu)，ATM內(nèi)核IP上行和IP內(nèi)核IP上行三個(gè)發(fā)展階段。而骨干網(wǎng)的IP化，使得IP-DSLAM成為DSLAM發(fā)展的主流技術(shù)。IP-DSLAM中ATM數(shù)據(jù)包與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的相互轉(zhuǎn)換，需要進(jìn)行大量的協(xié)議處理，因此對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力要求很高。由于網(wǎng)絡(luò)處理器既有專用集成電路高速的處理能力，又有完全的可編程特性，適用于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理，可以滿足IP-DSLAM的要求。IXP2350是Intel公司的第二代網(wǎng)絡(luò)處理器產(chǎn)品，它不但提供了以線速處理數(shù)據(jù)包的硬件功能，還具備了極大的系統(tǒng)靈活性。本文提出了基于網(wǎng)絡(luò)處理器IXP2350的IP-DSLAM設(shè)計(jì)方案，在提供基本ADSL接入的同時(shí)，還提供IPv4轉(zhuǎn)發(fā)功能；支持靜態(tài)路由、RIP等動(dòng)態(tài)路由協(xié)議；支持IP優(yōu)先級(jí)控制及排隊(duì)策略（WRR、DRR等算法）；還支持PPP over Ethernet用戶接入控制。從硬件和軟件兩方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了模塊化分析，重點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)面的功能模塊的具體處理過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的研究和設(shè)計(jì)。通過(guò)仿真測(cè)試驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

　　1  IP-DSLAM原理

　　IP-DSLAM實(shí)現(xiàn)了ATM信元在每個(gè)業(yè)務(wù)板上的終結(jié)和每條虛電路（PVC）與MAC地址的一一映射，提供ATM信元和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包之間的高速轉(zhuǎn)發(fā)。IP-DSLAM主要可以分為以下幾部分：線卡、卡、網(wǎng)絡(luò)卡．
 
　　線卡處于網(wǎng)絡(luò)邊緣，連接著用戶線路，是ADSL模擬通路的終結(jié)點(diǎn)。在上行方向?qū)⒂脩艟€路的輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)A/D變換，離散多音頻（DMT）解調(diào)，復(fù)用送至卡；在下行方向則將從卡傳來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)解復(fù)用、DMT調(diào)制和D/A變換后由ADSL線路發(fā)送至用戶。

　　卡是IP-DSLAM重要的部分，主要提供數(shù)據(jù)流處理、調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)、業(yè)務(wù)管理監(jiān)測(cè)等功能，卡對(duì)復(fù)用后的高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行集中處理，能有效地利用系統(tǒng)資源?？ǖ奶幚砟芰χ苯佑绊懻麄€(gè)IP-DSLAM的性能，也限定了可以接入的ADSL用戶線的數(shù)目。

　　網(wǎng)絡(luò)卡提供IP-DSLAM與其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接口。經(jīng)過(guò)卡處理的高速數(shù)據(jù)流由網(wǎng)絡(luò)卡送到骨干網(wǎng)中，從骨干網(wǎng)接收的數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡(luò)卡進(jìn)入IP-DSLAM。

　　2 基于IXP2350的IP-DSLAM硬件設(shè)計(jì)

　　基于IXP2350的IP-DSLAM系統(tǒng)從硬件結(jié)構(gòu)上分為IXP2350和前端處理專用芯片兩部分。IP-DSLAM系統(tǒng)的前端處理部分包括調(diào)制/解調(diào)、復(fù)用/解復(fù)用，可采用專用芯片實(shí)現(xiàn)。如4片TI公司的AC7芯片和中興的ZX2610組合，可以完成64路ADSL用戶線的匯聚、分發(fā)。本文中IP-DSLAM的部分?jǐn)?shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)采用IXP2350實(shí)現(xiàn)。

　　IXP2350用作IP-DSLAM接入設(shè)備的，主要完成對(duì)線路側(cè)和骨干網(wǎng)側(cè)不同數(shù)據(jù)包的處理、轉(zhuǎn)發(fā)功能，而且還能執(zhí)行線路管理控制、PPPoE的、計(jì)費(fèi)等功能。IXP2350具有高度的可編程性、靈活的適應(yīng)性和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)處理能力等特點(diǎn)，能提供2Gbps的線速處理速度，理論上能夠滿足單板72路的ADSL接入，這些特點(diǎn)使IXP2350在IP-DSLAM的應(yīng)用上有著很好的前景。
 
　　網(wǎng)絡(luò)處理器IXP2350硬件結(jié)構(gòu)主要包括微引擎（ME）、Xscale核、介質(zhì)交換結(jié)構(gòu)接口（MSF）等。
微引擎ME是IXP2350的部件，是整個(gè)IP-DSLAM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)單元。IXP2350共有4個(gè)微引擎，采用多核處理機(jī)制，并行處理不相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，以充分利用其處理能力。而每個(gè)微引擎內(nèi)部有8個(gè)硬件線程，采用多線程技術(shù)，有效解決了執(zhí)行速度與存儲(chǔ)器訪問(wèn)速度不匹配的問(wèn)題。此外還采用分布式緩存結(jié)構(gòu)減小了讀寫修改操作帶來(lái)的存儲(chǔ)器訪問(wèn)時(shí)延。

　　Xscale核是IP-DSLAM系統(tǒng)的高層控制管理單元，還負(fù)責(zé)部分網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理。它是一個(gè)高性能、低功耗、32位嵌入式精簡(jiǎn)指令集處理器，工作頻率可達(dá)1200MHz，與微引擎之間采用共享內(nèi)存的方式進(jìn)行通信。

　　MSF是IP-DSLAM系統(tǒng)的外部接口單元，支持UTOPIA、SPI 和CSIX協(xié)議接口，還提供了兩個(gè)千兆以太網(wǎng)口，用于與外部二層或者三層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的連接。這種多接口結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的靈活性。
DRAM、SRAM、閃存（Flash）等單元是系統(tǒng)的外圍設(shè)備，給整個(gè)IP-DSLAM設(shè)備提供了系統(tǒng)程序和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和尋址空間。

　　3 基于IXP2350的IP-DSLAM軟件設(shè)計(jì)

　　3.1軟件構(gòu)成IXP2350的軟件系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)面和控制面，采用分層、模塊化設(shè)計(jì)思想，既可加快開發(fā)周期，又增加了可擴(kuò)充的處理能力。

　　數(shù)據(jù)面運(yùn)行在微引擎上，負(fù)責(zé)大部分網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的處理和高速轉(zhuǎn)發(fā)，這是軟件系統(tǒng)重要的組成部分。微引擎上運(yùn)行微代碼，每個(gè)微引擎上都提供了代碼存儲(chǔ)空間。不同功能的微碼分別加載在不同的微引擎中，進(jìn)行分布式處理。根據(jù)功能將數(shù)據(jù)面劃分為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的軟件微模塊，即接收微模塊、二層處理微模塊、隊(duì)列管理調(diào)度微模塊、發(fā)送微模塊等。綜合考慮各個(gè)微模塊的功能復(fù)雜度和負(fù)載量，對(duì)IXP2350中的4個(gè)ME和32個(gè)線程進(jìn)行分配，使其運(yùn)行更有效合理分配。

　　控制面運(yùn)行在Xscale上，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的高層控制管理。對(duì)于微引擎上的每一個(gè)微模塊，在Xscale上都有相應(yīng)的核模塊與之對(duì)應(yīng)，主要完成微模塊的初始化設(shè)置、微引擎的啟動(dòng)、二層轉(zhuǎn)發(fā)表的配置管理等。另外，Xscale中還有一些核模塊負(fù)責(zé)處理由微引擎提交的異常數(shù)據(jù)包，將由協(xié)議棧產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包下發(fā)給微引擎。Xscale內(nèi)核軟件包括板級(jí)支持包、嵌入式操作系統(tǒng)、PPPoE協(xié)議軟件包等。板級(jí)支持包記錄著Xscale協(xié)處理器單元需要管理的硬件信息以及它們的主要配置信息。嵌入式操作系統(tǒng)是PPPoE協(xié)議或其他應(yīng)用程序運(yùn)行的基礎(chǔ)，在Xscale上可以運(yùn)行Montavista、Vxworks等實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)。Xscale執(zhí)行系統(tǒng)初始化，完成對(duì)PPP，MAC，IP地址對(duì)應(yīng)關(guān)系表的建立和維護(hù)，通過(guò)運(yùn)行PPPoE協(xié)議軟件包，可以在發(fā)現(xiàn)階段和會(huì)話階段執(zhí)行相關(guān)的和處理，實(shí)現(xiàn)整個(gè)協(xié)議的交互過(guò)程。

　　3.2數(shù)據(jù)面處理流程

　　數(shù)據(jù)面是整個(gè)DSLAM中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的快速處理和轉(zhuǎn)發(fā)的部分，是取得線速處理的關(guān)鍵。根據(jù)IP-DSLAM中數(shù)據(jù)流向可以將數(shù)據(jù)分為上行和下行，上行數(shù)據(jù)流從用戶端發(fā)送到局端，完成將用戶ADSL線上的ATM信元轉(zhuǎn)化成以太數(shù)據(jù)包發(fā)送到骨干網(wǎng)中；下行數(shù)據(jù)流從局端到用戶端，完成將骨干網(wǎng)接收的以太數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)化成ATM信元發(fā)送到ADSL線路上。

　　數(shù)據(jù)面從軟件上分為接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、隊(duì)列調(diào)度管理模塊、發(fā)送模塊。每個(gè)模塊占用IXP2350的一個(gè)ME，每個(gè)模塊又分為上行部分下行部分，各占用每個(gè)ME上的若干個(gè)threads（硬件線程），上行和下行的處理是完全獨(dú)立的。
（1）接收模塊分為AAL5接收（上行）、Packet接收（下行）。AAL5接收占用2個(gè)線程，主要完成接收ATM信元、完成AAL5適配，將適配好的數(shù)據(jù)包放入DRAM中，并為每個(gè)數(shù)據(jù)包建立描述信息發(fā)送給上行數(shù)據(jù)處理模塊；Packet接收占用6個(gè)線程，主要完成接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，并將接收的數(shù)據(jù)包放入DRAM，并為每個(gè)數(shù)據(jù)包創(chuàng)建描述信息發(fā)送給上行數(shù)據(jù)處理模塊。

　　（2）數(shù)據(jù)處理模塊分為上行下行兩部分，上行處理占用2個(gè)線程，主要是完成PPPoE數(shù)據(jù)包解封裝然后進(jìn)行IPv4轉(zhuǎn)發(fā)完成以太網(wǎng)封裝，并將其發(fā)送至隊(duì)列管理模塊；下行占用6個(gè)線程，主要完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包解封裝然后進(jìn)行IPv4轉(zhuǎn)發(fā)、PPPoE封裝完成ATM封裝，并將其發(fā)送至隊(duì)列管理模塊。

　?。?）隊(duì)列調(diào)度管理模塊也是分為上行下行兩部分，上行占用2個(gè)線程，下行占用6個(gè)線程；上行下行的處理功能是相同的，只使處理的數(shù)據(jù)包不同，上行處理以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，下行處理ATM信元；隊(duì)列管理模塊接收從轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)送來(lái)的入隊(duì)請(qǐng)求，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行入隊(duì)操作，并將隊(duì)列變化信息發(fā)送給調(diào)度模塊，調(diào)度模塊根據(jù)掌握的隊(duì)列信息運(yùn)行特定的調(diào)度算法，向隊(duì)列管理模塊發(fā)送出隊(duì)請(qǐng)求，隊(duì)列管理模塊接收到出隊(duì)請(qǐng)求后，做出隊(duì)操作并向發(fā)送模塊發(fā)出發(fā)送請(qǐng)求。

　　（4）發(fā)送模塊也是分為上行下行兩部分，上行占用2個(gè)線程，下行占用6個(gè)線程，二者的處理功能也是相同的，只是處理的數(shù)據(jù)包不同，發(fā)送模塊接收從隊(duì)列管理模塊發(fā)出的發(fā)送請(qǐng)求，然后將指定的數(shù)據(jù)包從DRAM存儲(chǔ)區(qū)中取出從指定的端口發(fā)送出去。

　　4 性能仿真測(cè)試

　　本文使用Intel公司提供的軟件開發(fā)工具DevWorkbench，對(duì)數(shù)據(jù)處理的線速處理上限、數(shù)據(jù)處理時(shí)延進(jìn)行了仿真測(cè)試。在仿真環(huán)境中，接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)都實(shí)時(shí)地記錄在日志文件中可檢驗(yàn)其正確性。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在處理數(shù)據(jù)正確的前提下重要的指標(biāo)是線速處理的上限速率，而線速處理的速率上限是和處理數(shù)據(jù)包的大小有直接關(guān)系的，數(shù)據(jù)包越小，包頭在整個(gè)數(shù)據(jù)包中占用的百分比越大，線速的上限就越小，反之，數(shù)據(jù)包越大，線速的上限值就越大。仿真過(guò)程中，改變接收數(shù)據(jù)包的大小，以整百字節(jié)為測(cè)試點(diǎn)測(cè)得的處理上限速率隨數(shù)據(jù)包大小的變化曲線圖如圖4所示：
 
　　網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的處理速率上限是與數(shù)據(jù)包的大小有關(guān)系的，數(shù)據(jù)包平均大小為100bytes，上行線速速率可達(dá)120Mbps，下行線蘇速率可達(dá)192Mbps，在數(shù)據(jù)包大小超過(guò)500bytes情況下，上行線速處理速率可以達(dá)到260Mbit/s以上、下行線速處理可以達(dá)到320Mbits/s以上，能滿足單板64路ADSL數(shù)據(jù)的線速處理設(shè)計(jì)要求的。
仿真過(guò)程中，計(jì)算一個(gè)數(shù)據(jù)包接收到處理完成發(fā)送出去所經(jīng)過(guò)的指令數(shù)，再根據(jù)網(wǎng)絡(luò)處理器的主頻可以計(jì)算出數(shù)據(jù)處理時(shí)延。以數(shù)據(jù)包大小為500bytes為例，上行處理時(shí)延為39.9us，下行處理時(shí)延為35.2us。
　　
　　5 結(jié)論

　　本文將IXP2350與前端處理專用芯片結(jié)合，用來(lái)構(gòu)架IP-DSLAM的硬件平臺(tái)。IXP2350作為整個(gè)IP-DSLAM的部分，通過(guò)采用多處理、多線程、分布式緩存等技術(shù)，提高了系統(tǒng)處理性能。數(shù)據(jù)面上針對(duì)不同功能微模塊進(jìn)行微引擎和線程的劃分，使軟件功能和硬件結(jié)構(gòu)充分匹配，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化組合。模塊化的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可移植性和通用性，有利于系統(tǒng)新功能的擴(kuò)展。

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