魏 然，龔煥星，蘇小柳

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第三十四研究所，廣西 桂林541004）

基于Marvell芯片的千兆光纖以太網(wǎng)交換機(jī)

魏 然，龔煥星，蘇小柳

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第三十四研究所，廣西 桂林541004）

為確保通信設(shè)備的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在惡劣使用環(huán)境下保持穩(wěn)定和暢通，設(shè)計(jì)了一種基于Marvell芯片的千兆光纖以太網(wǎng)交換機(jī)，描述了交換機(jī)的整體架構(gòu)和各功能模塊的電路設(shè)計(jì)，并對(duì)其試驗(yàn)環(huán)境和測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了說(shuō)明。

Marvell；千兆以太網(wǎng)；以太網(wǎng)交換機(jī)

0 引言

近年來(lái)，以太網(wǎng)已成為人們生活中不可或缺的一部分，以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性也愈發(fā)重要。在以太網(wǎng)到桌面的應(yīng)用中，大多數(shù)企業(yè)采用千兆和百兆以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)，交換機(jī)與交換機(jī)、交換機(jī)與終端之間距離較近時(shí)可用雙絞線(xiàn)連接，距離較遠(yuǎn)時(shí)必須使用光纖傳輸[1]。Marvell公司是世界上幾大主流交換芯片的供應(yīng)商之一，生產(chǎn)的芯片性能優(yōu)越，功能強(qiáng)大。為確保惡劣使用環(huán)境下以太網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的穩(wěn)定和暢通，本文提出一種基于Marvell芯片的千兆光纖以太網(wǎng)交換機(jī)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和模塊功能描述

本文設(shè)計(jì)的千兆光纖以太網(wǎng)交換機(jī)由2個(gè)1000Mb/s光接口、4個(gè)10/100/1000Mb/s電接口和24個(gè)10/100Mb/s電接口組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 千兆光纖以太網(wǎng)交換機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.1 千兆交換電路

千兆交換電路是本交換機(jī)的核心電路,由交換機(jī)芯片88E6185設(shè) 計(jì)而成，主要完成千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的二層數(shù)據(jù)交換、地址學(xué)習(xí)、老化、端口鏡像、組播和生成樹(shù)等功能。88E6185芯片集成了10個(gè)1000Mb/s高速串行收發(fā)器（SERDES）接口，在本設(shè)計(jì)中，端口0～3與四通道千兆物理層芯片88E1145通過(guò)SERDES接口互連，提供 4個(gè) 10/100/1000Mb/s以太網(wǎng)電接口。端口4～6與3片交換機(jī)芯片88E6095F的千兆SERDES接口級(jí)聯(lián)。端口7、8配置為光接口模式與1.25Gb/s光收發(fā)模塊直連,提供2個(gè)千兆以太網(wǎng)光接口。端口9配置為MII接口與CPU連接，實(shí)現(xiàn)任意端口的管理功能。

1.2 百兆交換電路

百兆交換電路中采用的交換機(jī)芯片88E6095F支持二層以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換、地址學(xué)習(xí)和老化、VLAN、端口鏡像、組播、生成樹(shù)等功能，它包含8個(gè)集成了物理層 （PHY）的100Mb/s網(wǎng)口和3個(gè)1000Mb/s SERDES接口，其中8個(gè)100Mb/s網(wǎng)口可任意配置為光接口或電接口模式，3個(gè)SERDES接口均可配置為光接口模式直接驅(qū)動(dòng)千兆光收發(fā)模塊。

我們將3片88E6095F芯片的一個(gè)SERDES接口分別與88E6185芯片的端口4～6互連,每片88E6095F芯片的8個(gè)10/100Mb/s以太網(wǎng)口作為用戶(hù)接口，利用交換機(jī)的級(jí)聯(lián)模式擴(kuò)展出24個(gè)百兆接口[2]。因?yàn)榘僬子脩?hù)接口的最大帶寬為100Mb/s，8路總和為800Mb/s,不超過(guò)一個(gè)SERDES接口的1000Mb/s帶寬，所以在數(shù)據(jù)交換過(guò)程中不會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)阻塞。

1.3 物理層電路和接口電路

物理層芯片88E1145集成了4路獨(dú)立的千兆以太網(wǎng)收發(fā)器，提供遵循IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的10BASET、100BASE-TX和1000BASE-T物理層接口，具有3種速率、全雙工/半雙工的自適應(yīng)和自動(dòng)交叉功能。88E1145芯片的4路SGMII接口與88E6185芯片的SERDES接口互連，完成SERDES接口到用戶(hù)千兆電接口的轉(zhuǎn)換，此時(shí)SERDES接口運(yùn)行SGMII協(xié)議。

本交換機(jī)的接口電路包括千兆光接口電路、千兆電接口電路和百兆電接口電路。光接口電路主要由光收發(fā)模塊和外圍匹配電路組成，與88E6185芯片的SERDES接口直連，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)千兆光接口。千兆和百兆電接口電路分別由千兆和百兆以太網(wǎng)變壓器與外圍匹配電路組成，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)千兆和百兆電接口。

1.4 CPU控制模塊

CPU控制模塊邏輯圖如圖2所示，控制模塊由處理器、FLASH、SDRAM、FPGA、單電源電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3221等組成，主要功能是對(duì)各交換機(jī)和物理層芯片的配置、芯片內(nèi)部寄存器狀態(tài)查詢(xún)和VLAN配置管理等。

圖2 CPU模塊邏輯圖

處理器采用Motorola公司生產(chǎn)的MPC860系列高性能32位嵌入式處理器，開(kāi)發(fā)環(huán)境為VxWorks。交換機(jī)管理員通過(guò)雙絞線(xiàn)將管理計(jì)算機(jī)接入交換機(jī)的任意一個(gè)以太網(wǎng)口，并利用網(wǎng)管軟件連入CPU，下發(fā)操作指令。CPU通過(guò)總線(xiàn)接口將指令寫(xiě)入FPGA內(nèi)部寄存器，F(xiàn)PGA將其轉(zhuǎn)換為各交換機(jī)和物理層芯片能識(shí)別的串行數(shù)據(jù)，通過(guò)SMI接口分別對(duì)各芯片內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置和查詢(xún)。

2 交換機(jī)測(cè)試與結(jié)果

2.1 丟包率測(cè)試

丟包率是指交換機(jī)因資源不足引起的包丟失率，中國(guó)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建議交換機(jī)的丟包率應(yīng)小于0.01%[3]。我們采用IXIA公司的IM12網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)千兆光纖以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試。測(cè)試得到本交換機(jī)100M端口到100M端口和1GB端口到1GB端口的丟包率如表1所示。可以看出，本交換機(jī)在丟包率方面滿(mǎn)足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 丟包率測(cè)試結(jié)果

2.2 環(huán)境試驗(yàn)

我們根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求對(duì)交換機(jī)進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下：本交換機(jī)在-40℃～+55℃時(shí)仍能正常工作，且在低氣壓、沖擊、振動(dòng)、電磁兼容、鹽霧和霉菌等特殊嚴(yán)酷環(huán)境測(cè)試中，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。我們將千兆光纖以太網(wǎng)交換機(jī)與思科和華為的多款商用路由器、交換機(jī)進(jìn)行互連互通測(cè)試，均能正常通信。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用Marvell芯片設(shè)計(jì)了一款千兆光纖以太網(wǎng)交換機(jī)，說(shuō)明了交換機(jī)中各芯片的功能和設(shè)計(jì)方法，測(cè)試結(jié)果表明本交換機(jī)能滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。本交換機(jī)接口類(lèi)型豐富、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)，能適用于各種環(huán)境惡劣的工業(yè)和野戰(zhàn)場(chǎng)合，目前已經(jīng)在某系統(tǒng)中成功使用。

[1]Rich Seifert.千兆以太網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用[M].郎波，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]黃秀珍，蔣文榮，石旭剛，伍一帆.基于MC9S12NE64的千兆以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008，34(7)：120-122.

[3]魏亮.YD/T 1099-2001,千兆比以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)備技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民郵電出版社,2001.

Gigabit optical fiber ethernet switch base on Marvell chips

WEI Ran，GONG Huan-xing，SU Xiao-liu
(The 34th Research Institute of CETC，Guilin Guangxi 541004，China)

In order to ensure the ethernet data business of communication equipment run stably and smoothly in harsh environment,the paper designs a Gigabit optical fiber Ethernet switch with chips of Marvell,it describes the overall structure and the circuit design of switch each function models,and illustrates the test environment and results of the switch．

Marvell,Gigabit ethernet,ethernet switch

TN915

A

1002-5561（2016）04-0015-02

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.04.005

2016-01-06。

魏然（1981-），男，工程師，主要從事光通信技術(shù)研發(fā)工作。