一种基于以太网架构的ATM交换总线实现方法

胡广文

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0　引言

随着计算机和网络技术的不断发展, 以太网(Ethernet)作为一种标准化程度高、传输带宽大、性价比高的网络通信技术已经得到越来越广泛的应用[1]。以太网的传输速率也由最初的10 Mbps发展为百兆、千兆、万兆，目前40 Gbps以太网作为干线传输已被广泛应用[2-3]。伴随着以太网的应用领域和范围的拓展，以太网交换芯片产业呈高速发展的态势，交换芯片、操作系统、软件开发套件等形成了完善的产业链。基于以太网交换架构实现设备开发成为发展趋势[4]。

ATM(Asynchronous Transfer Mode)是一种传递综合业务、效率高、控制灵活的信息传递模式，在传输链路带宽受限、服务质量要求高的网络应用中仍发挥着重要作用。随着网络对承载及兼容能力需求的不断提升，如何在设备构架设计中将ATM技术与以太网交换技术结合实现基于以太网架构具有ATM交换特性的综合交换设备成为研发厂商关注的一项技术。目前基于ATM LVDS链路复用/转换器构建的星型拓扑的设备架构已面临淘汰，一些厂商借助百兆以太网PHY代替了ATM链路复用/转换器初步实现了基于以太网物理层承载的ATM星型交换拓扑架构。但这种架构又面临无法与以太网交换兼容、交换链路带宽调整困难、扩展性差等问题。基于千兆以太网交换承载[5]的逻辑星型ATM交换总线的主要实现方法有：① 通过信息报文格式的构建以适应跨越以太网交换；② 通过反压机制的设计使交换矩阵适应传输链路接口带宽的差异性；③ 通过交换链路带宽灵活调整实现各插卡对ATM交换总线的高效共享。采用层次化手段解决了ATM交换逻辑与以太网交换构架有机融合，在保证ATM交换特性的基础上兼固IP交换的优点从而提高了设备的扩展性和兼容性。

1　以太网及ATM分组结构

以太网是基于变长帧交换的网络，是一种无连接网络[6-7]。其帧符合IEEE 802.3标准[8]或RFC894标准[9]，为提高有效带宽，此处采用RFC894标准，帧格式如图1所示。

图1　RFC894以太网帧结构

目的MAC地址：接收以太网帧的设备地址，6 Byte长度；

源MAC地址：发送以太网帧的设备地址，6 Byte长度；

以太网帧类型：该字段用于标识数据字段中包含的高层协议类型，2 Byte长度；

数据字段：数据字段最小长度必须为46 Byte， 以保证以太网帧长至少为64 Byte，最大长度为1 500 Byte。

FCS：帧差错检测编码，包括地址字段、类型、数据字段的循环冗余校验(CRC)码。用于检测帧在传输过程中是否发生了错误。

ATM是基于定长信元的快速分组交换技术，ATM网络是一种面向连接的网络[10-11]。信元结构符合ITU-T I.361标准[12]。本实现方法采用的UNI信元标准，格式如图2所示。

GFC：一般流量控制，4 bit，只用于UNI接口，目前保留。

VPI：虚通路标识，8 bit。

VCI：虚通道标识，16 bit，标识虚通路中的虚通道，VPI/VCI一起标识一个虚连接。

PT：净荷类型，3 bit。用于指示本信元为用户数据或OAM信元等。

图2　I.361 UNI信元结构

CLP：信元丢失优先级，1 bit。用于拥塞控制。

HEC：信头差错控制，8 bit，用于进行信元定界和信头错误检测。

净荷：固定长度净荷，48 Byte。ATM信元对AAL0、AAL2、AAL5等不同类型业务的统一信息承载字段。

2　设计要求及分层模型设计

2.1　设计要求

整机设计中总线架构设计必须满足如下几点：

① 通过采用以太网交换作为插卡间信息交互的基础，以满足向全IP交换灵活升级应用需求[13]。

② 适应ATM网络传输链路带宽离散性大、链路数量多的应用特点，具备与原ATM网络等同的业务QoS控制特性[11]。

③ 通过合理的交换总线设计，兼容ATM交换设备能力，保证技术延续性和设备的稳定性，达到设备升级换代目的。

④ 综合发挥以太网交换和ATM交换各自的优势，实现双交换的有机融合，保证设备的前向兼容性和后向扩展性。

2.2　传统ATM交换逻辑分层模型

传统的ATM交换逻辑实现如图3所示，图中虚线右侧为ATM交换卡逻辑构成，左侧为各类业务/中继插卡的逻辑构成[14-15]。各业务/中继插卡通过基于点到点LVDS背板链路与交换卡构成星型交换总线拓扑。各业务/中继插卡间通过ATM交换卡实现信息交换和传输。

图3　传统ATM交换设备分层模型

2.3　基于以太网架构的ATM交换总线分层模型

新的分层模型是在原ATM交换设备分层模型的基础上将LVDS总线适配更改为以太网适配，设计以太网总线适配层以适应信息穿越以太网交换，从而构建以ATM交换卡为核心的逻辑星型交换。基于以太网构架的ATM交换总线分层模型如图4所示。

图4　基于以太网构架的ATM交换分层模型

以太网总线适配层对上层接口与原LVDS总线适配层对上接口保持一致，保留原中继链路处理、业务接入处理层、ATM适配层、ATM交换等硬件逻辑设计和协议及信令处理的软件代码，从而继承原ATM交换设备针对ATM连接、流格式业务、数据业务、语音业务等逻辑处理功能和面向连接的QoS控制特性。以太网总线适配层这一特点实现了对原总线适配层之上处理的无感化，避免了大量的二次开发工作，保证了设备的稳定性和延续性。

以太网总线适配层对下主要适应以太网交换总线特点实现报文信息翻译、封装和拆装。适配层完成插卡的槽位信息与以太网地址映射，完成各逻辑通道的带宽调度，进而实现各业务/中继插卡与ATM交换卡间虚拟ATM星型拓扑构建。适配层充分利用以太网交换容量及链路带宽大的特点，将传输序号、链路通道号、通道反压、优先级等ATM交换控制信息作为专用附加字段插入以太网传输帧[16]中实现以太网承载。

3　总线设计实现

3.1　设备总线结构

设备总线结构如图5所示。物理总线拓扑是以以太网二层交换[17-18]为基础与各插卡构建的物理承载星型拓扑，ATM逻辑总线拓扑是以ATM交换单元为中心与各插卡构建的ATM逻辑星型拓扑。每个单元具有唯一的以太网MAC地址，总线上从各业务单元到ATM交换单元信息流向称之为Upstream方向，从ATM交换单元到各业务单元信息流向称之为Downstream方向。

总线传输帧封装格式如图6所示。在Upstream方向和Downstream方向ATM交换专用字段有所不同。

图5　基于以太网架构的ATM交换总线拓扑

图6　总线传输帧封装格式

3.2　字段说明

传输序号：总线传输帧序号，可用于监视总线传输质量；

CA字段：指示通道缓存队列是否达到拥塞门限；

PHY-ID字段：指示帧中承载的信元的PHY通道号标识；

优先级字段：指示帧中承载的信元的优先级。

3.3　总线信息传送工作流程

① MAC地址确定，ATM交换单元MAC地址是固定的。其他插卡通过背板上的物理槽位地址生成本板的MAC地址。

② 由管理单元配置ATM交换单元交换端口与目的MAC地址的对应关系并为各端口分配的ATM交换总线带宽资源。

③ ATM交换单元采用WRR算法按设置的带宽调度各虚拟ATM交换端口，将定长信元(如有业务信元封装业务信元，无业务信元封装空信元)封装到以太网帧的净荷中，通过查找ATM交换端口与MAC地址翻译表实现以太网承载帧头封装，同时将对应交换端口Upstream方向拥塞指示封装入CA字段，通过Downstream方向发送给以太网交换。

④ 以太网交换通过对帧头中目的MAC地址查表转发到对应的业务/中继卡上。

⑤ 各业务/中继单元收到Downstream方向的信元后，如为有效信元则按照PHY-ID字段发送给业务或中继端口进行处理，如为空信元则丢弃。同时各业务插卡按照从Downstream方向接收信元的频率向Upstream方向发送信元(如Upstream方向无业务信元或Downstream方向的信元CA指示拥塞，则发送空信元帧，否则发送业务信元帧)。同时通过发送帧中的CA字段携带Downstream方向各PHY通道拥塞指示。

⑥ 以太网交换通过对帧头中目的MAC地址将各业务/中继卡Upstream方向的帧转发到ATM交换单元。

⑦ ATM交换接收到各插卡Upstream方向的信元，如封装的为空信元则丢弃，如为业务信元则送入ATM交换矩阵进行交换。并根据Upstream方向传来的CA信息决定是否调度对应交换矩阵输出PHY通道的业务。

3.4　实现过程中的注意事项

由于ATM交换单元与各个插卡间已经不是原有星型直连的LVDS线路，而是变成了基于以太网的逻辑星型拓扑，即所有经过ATM交换的信息共享ATM交换单元的以太网承载链路，即所以进行总线带宽资源分配时，应小于以太网承载链路带宽。

在缓存队列的设计方面必须综合考虑以太网交换延时、业务对外接口速率、总线带宽资源、PHY-ID支持数量等因素，以确定各业务/中继单元交换端口Downstream方向信元缓存队列数量和深度。

3.5　应用案例

采用基于以太网架构的ATM交换总线实现方法已应用于综合交换设备的设计和实现。通过设备在综合组网环境下承载的语音、传真、数据、视频等业务特性的测试表明：各类业务的QoS承载、ATM交换容量特性与原ATM交换设备一致，但设备的扩展性、灵活性及兼容性得到显著提升。

4　结束语

本文从分层模型、分组格式及工作流程等方面详细阐述了一种基于以太网架构的ATM交换总线实现方法。通过工程应用和测试表明，此种方法在对传统的ATM交换设备升级换代中取得了较好的效果。基于以太网架构的ATM交换总线实现方法着眼点在将基于原有的ATM专用总线平滑移植到基于以太网承载架构的设计实现，保证了设备功能和特性延续性的同时,实现了设备架构的兼容性和灵活性。层次替换对上无感的设计思路对路由交换、网络控制甚至测试类设备的升级换代具有较好的借鉴意义。

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