以太网三层交换机硬件系统研究

论文摘要

随着信息技术的发展,局域网子网间通信业务迅猛增长,而用于进行子网间数据通信的传统路由器因速度慢、配置复杂等缺点,难以满足大量跨子网及虚拟局域网间通信量的要求。而传统的二层交换机工作在开放系统互连参考模型的第二层,不能处理跨子网的数据通信。三层交换机在这样的背景和条件下应运而生,三层交换机工作在OSI参考模型的第三层,它不仅可以处理不同子网间的数据交换而且速度接近二层交换机。为了满足日益增长的对三层交换机的需求,使子网间的频繁通信能够更加快速,华为技术商用计算产品部针对杭州XXX公司提出的需求,开发适用于E6000刀片服务器的以太网三层交换机产品。本文以华为技术商用计算产品部的项目为依托,研制了集千兆、万兆和堆叠端口为一体的以太网三层交换机硬件系统,采用高性能的MCU芯片MPC8349和多类型、高密度端口交换芯片BCM56514构建三层交换机的管理和交换子系统,并对各个模块的详细设计及接口进行了说明。主要研究内容如下：首先,介绍了以太网交换机的研究现状及发展趋势,分析了路由器对处理大量跨子网通信应用的不足之处,阐述了本文的研究意义。通过对OSI参考模型的解析,分析了二层交换机和三层交换机的工作原理,并对三层交换机实现的关键技术及主要特点进行了分析,对本设计所涉及到的以太网接口进行了介绍。其次,设计了以太网三层交换机的硬件系统,包括电源模块、时钟驱动电路、复位模块、CPLD逻辑功能模块、调试接口模块、温度监测模块、风扇控制系统等。第三,研究了系统的抗干扰设计方法,介绍了传输线模型,分析了高速电路中常见的反射及串扰的产生及消除,并结合本文的电路进行了仿真分析,阐述了关键器件和PCB设计中的抗干扰措施。最后,详细说明了以太网三层交换机的硬件测试过程。针对产品进行了功能测试、性能测试及整机测试。实验结果表明本文设计的以太网三层交换机满足了国家标准的相关指标,并已经在杭州XXX公司、华为内部的核心网部门等单位稳定运行一年。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 以太网交换机的研究现状与发展趋势
• 1.2.1 以太网的发展
• 1.2.2 以太网交换机的研究现状
• 1.2.3 以太网交换机的发展趋势
• 1.3 项目来源与主要研究内容
• 第2章 以太网交换机的基本知识
• 2.1 以太网交换机的基本原理
• 2.1.1 ISO/OSI参考模型
• 2.1.2 二层交换机工作原理
• 2.1.3 三层交换机工作原理
• 2.2 三层交换机的关键技术及其特点
• 2.2.1 三层交换机的关键技术
• 2.2.2 三层交换机的主要特点
• 2.3 以太网接口简介
• 2.3.1 MII接口
• 2.3.2 SGMII接口
• 2.3.3 XAUI接口
• 2.4 本章小结
• 第3章 以太网三层交换机硬件电路设计
• 3.1 以太网三层交换机硬件系统架构
• 3.2 电源模块设计
• 3.3 信息处理单元设计
• 3.3.1 时钟驱动电路
• 3.3.2 复位模块
• 3.3.3 CPLD功能实现
• 3.3.4 Flash模块
• 3.4 监测与调试模块设计
• 3.4.1 温度监测模块
• 3.4.2 调试串口设计
• 3.4.3 调试网口设计
• 3.5 交换子系统设计
• 3.5.1 堆叠接口设计
• 3.5.2 万兆以太网接口设计
• 3.5.3 千兆光口/电口接口设计
• 3.6 风扇控制系统设计
• 3.6.1 基于阈值的调速策略
• 3.6.2 PWM控制电路
• 3.6.3 控制结果分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 以太网三层交换机抗干扰设计
• 4.1 传输线概述
• 4.1.1 高速电路的定义
• 4.1.2 传输线模型
• 4.1.3 常见PCB传输线
• 4.2 传输线的反射分析
• 4.2.1 反射的形成
• 4.2.2 反射的抑制及仿真
• 4.3 传输线的串扰分析
• 4.3.1 串扰的形成
• 4.3.2 串扰仿真及抑制
• 4.4 关键器件和PCB抗干扰设计
• 4.4.1 关键器件的抗干扰设计
• 4.4.2 PCB抗干扰设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 以太网三层交换机测试
• 5.1 MCU子系统功能测试
• 5.1.1 启动程序访问功能测试
• 5.1.2 DDR2内存测试
• 5.1.3 调试网口测试
• 5.2 性能测试
• 5.2.1 电源测试
• 5.2.2 时钟测试
• 5.2.3 信号质量测试
• 5.2.4 端口带宽通道测试
• 5.3 整机测试
• 5.3.1 环境试验
• 5.3.2 EMC试验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文