网络交换机在国产自主可控领域的技术研究*

王　博

(中国舰船研究院　北京　100192)

WANG Bo

(China Ship Research and Development Academy, Beijing　100192)



网络交换机在国产自主可控领域的技术研究*

王博

(中国舰船研究院北京100192)

针对目前网络交换机广泛采用进口CPU及开源操作系统，从而导致不利于自主可控的管理问题，论文提出了采用龙芯2H CPU与国产“道”操作系统的组合方案，实现了网络交换机管理配置的自主可控，对网络交换机在国产自主可控设计方面提供了参考。

网络交换机; 国产; 自主可控

WANG Bo

(China Ship Research and Development Academy, Beijing100192)

Class NumberTN91

1　引言

在国产自主可控需求的牵引下，通过应用国产关键软硬件(CPU+操作系统)[1]，进一步提高基础网络设施的自主可控能力势在必行，其中，网络交换机作为网络传输的核心设备，其安全性直接关系到国家的信息安全，特别是军队的信息安全，开展国产自主可控交换机的研究，是军队信息安全战略的重要部分。

网络基础设施建设是一个完整的生态链建设，包含CPU、操作系统、开发工具、数据库、应用软件，逐步实现真正意义上的国产化。网络安全核心算法技术、操作系统、CPU严重依赖进口产品，需要从国家战略高度加强网络安全核心算法技术、操作系统、CPU研发的本土化生产投入，加强对新技术的应用和推广，真正实现网络基础设施的核心技术自主可控，保障国家的网络安全。

本文结合装备的应用需求，对国产自主可控交换机的技术方向进行了探索研究,重点采用国产关键软硬件开展技术设计，针对网络交换机可靠性高、实时性强的装备特点，在CPU选型上确定为批量化生产的龙芯2H,操作系统选型上确定为嵌入式实时操作系统“道”系统。

2　工作原理

2.1硬件组成

网络交换机的硬件组成如图1所示。

按照功能可以分为以下部分：

1) 数据交换部分，包括主交换芯片、接口PHY、隔离变压器、对外接口输出等。

2) 控制管理部分，包括主CPU、调试网口、配置口等。

图1　网络交换机硬件组成图

3) 辅助电路，包括电源、时钟、复位等。

控制管理部分作为设备的管理核心，其自主可控是网络交换机自主可控的关键。在本研究中，CPU采用了国产龙芯2H作为主处理模块，是控制管理部分的核心。

2.2软件组成

网络交换机软件架构如图2所示。

图2　网络交换机软件功能构架

网络交换机软件部分采用平台化、模块化的设计模式，整体分为平台层、系统抽象层和驱动层三大部分，其中平台层主要负责和用户相关的业务逻辑处理，系统抽象层主要负责用户数据到驱动的映射，驱动层主要负责业务逻辑和硬件逻辑的交互。在本研究中，操作系统采用了国产“道”操作系统。

3　技术实现

3.1龙芯2H CPU

龙芯2H采用65nm 工艺，主频在800MHz 以上。片内集成定点处理器、浮点处理器、流媒体处理和图形图像处理功能，支持X86虚拟机[2]以及南桥、北桥等配套芯片组功能。

龙芯2H 具有以下关键特性[3]：

1) 集成一个GS464 龙芯处理器核，主频≥800MHz， L1 Cache(I/D) 64KB，L2 Cache 512KB；

2) 集成GS232v 媒体处理器，支持H264/AVS/VC-1 解码，720p；

3) 集成3D GPU，兼容OpenGL ES2.0；

4) 集成两路DC 控制器，最大分辨率可支持到1920*1080@60Hz/24bit；

5) 集成PCIE gen2 控制器，支持1x4 和4x1，支持主从模式；

6) 集成中断控制器，支持灵活的中断设置。

通过对龙芯2H处理器的分析可以得到如下结论：

图3　龙芯2H功能框图

·龙芯2H CPU采用64位超标量单核处理器[4]，主频已达800MHz 以上，可以满足交换机芯片的配置管理需求[5]；

·龙芯2H CPU集成PCIE gen2 控制器，支持1x4 和4x1，支持主从模式，完全能够满足通过PCIE配置交换芯片的需求；

·龙芯2H集成2 个10M/100M/1000M 自适应GMAC，可以满足交换机的管理网口的需求；

·龙芯2H集成4 路UART 串口，可以满足交换机的配置口的需求。

基于上述结论可知，龙芯2H CPU的性能与接口完全满足对网络交换机设备的应用需求。

3.2国产“道”操作系统

操作系统是装备应用的控制管理核心，对武器装备的功能、性能和可靠性等关键内容具有重要影响。为适应现代战争的需要，装备应用向信息化、自动化、智能化、高性能、高可靠的方向快速发展，而这些特性大都需要通过软件来进行支持。其中，操作系统起着至关重要的作用，为整个武器装备的功能、性能和可靠性提供核心支持。

国产“道”操作系统是一个强实时性操作系统，通过优化任务划分、有效利用终端机制满足系统的强实时性要求[6]。“道”操作系统具备微秒级的响应时间，提供基于优先级抢占的实时任务调度策略，提供动态加载功能。

图4　“道”系统组成

目前应用的“道”系统版本为DeltaOS 6.0,其内核的基本特点主要体现在如下方面：

1) 支持对称多处理(SMP)多核系统；

2) 支持实时进程(RTP)；

3) 支持优先级抢占、时间片轮转任务调度策略、支持256个任务优先级；

4) 支持任务独立时间片；

5) 支持信号量、异步信号、事件、消息队列等任务间通信、同步和互斥管理方式，支持消息发送等待；

6) 支持扩展点，可在系统初始化阶段、任务切换等时刻扩展系统行为[7]。

3.3操作系统适配工作

龙芯2H与“道”操作系统的适配工作是本次国产网络交换机技术设计的难点，适配工作主要分为两个部分：

第一部分为系统适配：

1) 板级支持包适配：根据交换机的需求，对龙芯2H SOC中的串口、网卡以及PCIE总线提供驱动支持；

2) 昆仑固件适配：根据对龙芯系列处理器的适配经验，针对龙芯2H对昆仑固件进行适配；

3) 操作系统适配：根据交换机需求，对操作系统内核、设备管理层、设备驱动、VxWorks兼容层、文件系统组件以及Posix接口功能提供适配验证；

4) 交换芯片SDK的适配：针对交换芯片SDK支持操作系统类型的不同，SDK适配的方式有所不同，如果SDK支持的系统为Linux，则主要依赖于道系统的Posix接口。对于VxWorks系统，则主要依赖于道系统的Vxworks兼容层，交换芯片采用PCIE的方式与龙芯2H连接，道系统提供PCIE总线驱动以及PCIE读写内存接口；

5) 三层协议和交换机应用的适配：针对原有操作系统类型的不同，应用适配的方式有所不同，如果SDK采用的系统为Linux，则主要依赖于道系统的Posix接口。对于VxWorks系统，则主要依赖于道系统的VxWorks兼容层。

第二部分为环境搭建：

在道系统的应用开发中，需要提供交换机应用和库的编译环境，编译环境的搭建主要分为两部分，一部分为三层协议和应用的编译，第二部分为交换芯片SDK提供编译环境。

4　结语

本文以实现国产网络交换机的自主可控为出发点， 对使用龙芯2H CPU与国产 “道”操作系统

进行了全面分析与研究，研究结果表明使用龙芯2H CPU与国产“道”操作系统实现网络交换机管理配置的自主可控是可行的。与此同时，对国产交换芯片的功能性能测试工作也在同步进行中，随着国产交换芯片技术的不断成熟，国产网络交换机将逐步实现全面自主可控。

[1] 胡伟武,靳国杰,汪文祥,等.龙芯指令系统融合技术[J].中国科学：信息科学,2015,45(4)：459-479.

[2] 向继文，刘昕，廖柏林.龙芯CPU研发与应用现状综述[J].吉首大学学报，2015,36(S2):127-127.

[3] 北京龙芯中科技术服务中心有限公司.龙芯2H处理器数据手册[G].2015.

[4] 芮雪，王亮亮，扬琴.国产处理器研究与发展现状综述[J].现代计算机，2014(8):17-17.

[5] 李驹光，许丹闳.基于龙芯处理器的可信嵌入式计算机[J].工业控制计算机，2012(6):16-18.

[6] 张蕴玉，唐祖平，胡修林.基于DeltaOS的系统软件设计[J].微计算机信息，2005,21(8-2):34-36.

[7] 北京科银京成技术有限公司.嵌入式实时操作系统DeltaOS 6.0技术手册[G]. 2016.

Network Switch Technology Research in Domestic Independently Controllable Field*

In view of the fact that present network switch widely adopts imported CPU and operating system,leading to unfavorable to independently controllable management issues,this paper proposes a scheme using Loongson 2H CPU and DeltaOS, the management and configuration of a network switch independently controllable is implemented, reference is provided on the network switch in domestic independent controllable design.

network switch, domestic, independently controllable

2016年2月9日,

2016年3月27日

王博,男,硕士,工程师,研究方向：国产基础软硬件平台体系设计、系统仿真及功能测试。

TN91

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.033