Национальный Исследовательский Ядерный Университет «МИФИ»
Факультет автоматики и электроники
Кафедра микро- и наноэлектроники
«Архитектура однокристальных коммутаторов
для технологии Ethernet (Gigabit Ethernet)»
Отчет по Домашнему Заданию №1 по курсу “Сети компьютеров”
Подготовил студент группы А9-09
Кобзарь М.С.
Проверил доцент кафедры №27
Лапшинский В.А.
Москва
2014
Оглавление
Оглавление………………………………………………………..........................................…2
Реферат………………………………………………...………............................................…3
Список определений, обозначений и сокращений…………....................….....…4
Введение..………………………………….…………….............................................…..…5
Кремниевые коммутаторы…………………...…………........................................…..6
Контроллеры с аппаратной логикой и микропрограммным управлением .…..…9
Коммуникационный процессор-контроллер……….….....................................11
Многообразие коммутаторов для Ethernet………....................................…....12
Заключение………………………………….……....................................................……15
Литература…………………………………….…………..............................................…..16
Реферат
Этот отчет посвящен архитектурам однокристальных коммутаторов с технологией Ethernet (Gigabit Ethernet). Знакомство с представленными на рынке ИМС, производителями, путями развития данного направления и пр.
Число страниц: 16, Рисунков: 3, Таблиц: 1, Источников в списке литературы: 3
Ключевые слова: Матричный коммутатор; ASIC; Ethernet; ROX; MIPS;GigabitEthernet.
Список определений, обозначений и сокращений
Матричный коммутатор– это устройство, обеспечивающее соединение определенного числа камер с определенным числом абонентов (мониторов, видеорегистраторов).
ASIC– интегральная схема, специализированная для решения конкретной задачи. В отличие от интегральных схем общего назначения, специализированные интегральные схемы применяются в конкретном устройстве и выполняют строго ограниченные функции, характерные только для данного устройства
ROX – это система второго поколения программного обеспечения ROX™ предоставляет новый функционал, который позволит разрабатывать новые устройства.
Ethernet– пакетная технология передачи данных преимущественно локальных компьютерных сетей.
MIPS (англ. MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages) – микропроцессор, разработанный компанией MIPSComputerSystems (в настоящее время MIPSTechnologies) в соответствии с концепцией проектирования процессоров RISC (то есть для процессоров с сокращенным набором команд). Ранние модели процессора имели 32-битную структуру, позднее появились его 64-битные версии.
GigabitEthernet– стандарт Ethernet , используемый для передачи данных на скоростях порядка 1 Гбит/с .
Введение
Сетевая техника связи (передача цифровой информации и речевых сигналов по сетям) получает все большее распространение, поддерживаемое появлением сетевых интегральных схем с новыми возможностями. Силиконизация сетевых функций это замена сложных систем коммутаторов, маршрутизаторов и стыковых (edge) процессоров на микросхемные наборы коммутаторов, коммутаторов/маршрутизаторов и сетевых процессоров. В число сетевых микросхем для установки на печатные платы входят: сетевые процессоры (Network Processors), контроллеры с аппаратной логикой (Hardwired Controllers) и коммутирующие кристаллы для локальных сетей (LAN Switch Chips), коммуникацИмея в своём распоряжении такую растущую номенклатуру базовых микросхем, проектировщики коммутаторов и маршрутизаторов постепенно отказываются от специально разрабатываемых спецкристаллов (ASIC) и начинают применять готовые покупные микросхемы. Уже сейчас имеются микросхемные наборы для построения недорогих коммутаторов для локальных сетей и даже несложных маршрутизаторов. Кроме того, более широким становится выбор программных решений, легко настраиваемых под класс обслуживания QoS (Quality of Service) и другие методы специальной обработки передаваемой информации. Для этого могут использоваться начинающие появляться сетевые процессоры или комбинации процессоров и коммуникационных контроллеров (они являются программируемыми и поэтому могут адаптироваться к изменениям протоколов, стратегиям принятия решений и специфике ответственных приложений).
Не секрет, что возможности сегментов, относящихся к телефонии (Telecom) и передаче информационных данных (Datacom) уже давно определяются возможностями интегральных схем. Однако особенность нынешнего момента в том, что плотность компоновки и рабочие частоты интегральных схем достигли той точки, когда стали появляться новые классы микросхемноуправляемых систем. Тактовые частоты микросхем достигли гигагерцового рубежа, а плотность компоновки превышает 100 миллионов транзисторов, особенно в таких специализированных устройствах, как микропроцессоры с памятью на кристалле. И пусть аналогичные параметры сетевых микросхем еще не достигнуты, новые возможности кремниевых технологий проложили путь трём отдельным технологиям (которые в настоящ ионные процессоры и контроллеры.
Кремниевые коммутаторы
В полупроводниковой отрасли появилась совершенно новая технология. Это матричные коммутаторы (crossbars). Хотя самой идее уже много лет, новым является ее реализация на уровне кристаллов. Сегодня они все чаще применяются в коммутирующих и мостовых системах. Перед параллельными шинами у них есть одно немаловажное преимущество. В отличие от последних, к которым может быть подключено множество модулей, но с возможной активностью только одного, у матричных коммутаторов может быть несколько активных соединений. В частности, у коммутатора N x N может быть до N одновременно активных пар соединений. Таким образом, он может обеспечивать гораздо большую, чем у параллельной шины, производительность (в данном случае в N раз).
Применение матричных коммутаторов одна из основных причин возрождения Ethernet. В локальных сетях теперь почти повсеместно применяется коммутируемая Ethernet, которая побила всех своих конкурентов, включая АТМ и другие технологии. Благодаря использованию кремниевых матричных коммутаторов удельная стоимость Ethernet-порта снизилась очень существенно. В Ethernet-коммутаторах теперь применяются в основном матричные коммутаторы, дополненные контроллерами и другой вспомогательной логикой. Собрать Ethernet-коммутатор можно буквально из горстки микросхем.
Для поддержки большего количества портов применяется несколько коммутаторных микросхем. Одну из интересных схем соединений матричных коммутаторов предложила компания Allayer Technologies (производитель кремниевых коммутаторов для локальных сетей). Восьмипортовые матричные коммутаторы объединяются шиной RoCX-II в кольцевую архитектуру. В одном кольце может быть завязано до 4-х коммутаторов AL126, поддерживающих до 24-х портов Ethernet или Fast Ethernet. В кольце, кроме того, есть одна управляющая схема, AL300, которая контролирует состояние шины и связывается с дополнительным управляющим микропроцессором. AL300 собирает статистику операций шины и компонует ее в форматы RMON и SNMP для дальнейшего анализа сетевой деятельности.
Шина RoX (Ring of Switches (X) Кольцо коммутаторов) обладает очень высокой производительностью. Она формирует двухшинное кольцо, к которому и подключаются коммутаторы (к 32-разрядным шинам ввода и вывода, каждая с рабочей частотой 75 МГц). Общая пропускная способность в каждом направлении составляет 2,4 Гбит/с. В каждом кристалле коммутатора есть собственный блок коммутации и до 8 Ethernet- или Fast Ethernet-портов. Кроме того, к кольцу RoX возможно подключение кристаллов, имеющих порты Gigabit Ethernet. Архитектура RoX поддерживает коммутацию и маршрутизацию уровней 2 и 3, что обеспечивает ее применение в магистралях Internet, корпоративных сетях и приложениях малого и домашнего офиса (SOHO).
Еще один пример: самая последняя Ethernet-архитектура фирмы Galileo GALnet 3. Она строится на базе гибридного матричного коммутатора. Коммутирующие процессоры подключаются к этому коммутатору, а тот, в свою очередь, к сервисному процессору посредством 66-мегагерцовой шины PCI. Эта архитектура является конвергентной, в том смысле, что однокристальные коммутирующие процессоры коллективно обслуживают как локальные сети, так и телефонные соединения. Следовательно, система GALnet 3 может выполнять функции как коммутатора локальной сети, так и частной телефонной станции. Система поддерживает коммутацию на уровнях 2 5 до 256 Ethernet-портов 10/100 или до 32 портов Gigabit Ethernet, обрабатывая до 40 М пакетов Ipv4 и IPX уровня 3.
Матричный коммутатор GALnet 3 может строиться и на основе иерархии кремниевых матричных коммутаторов с дуплексными портами по 3 Гбит/с каждый и двухточечными линиями связи с кремниевыми коммутаторами нижележащих уровней. Все семейство состоит из трех типов устройств: с 8 портами Ethernet 10/100, с одним портом Gigabit Ethernet и с портом для одно-пакетной передачи по оптическим сетям SONET (оптическая несущая ОС-12). Подключение одних устройств к другим осуществляется при помощи гибридного матричного коммутатора GalNet-II.
Однако коммутатор GALnet 3 это больше, чем просто матричный коммутатор. В нем реализован также механизм AOS (Availability-of-Service), обеспечивающий приоритетность и гарантированность доставки пакетов типа QoS. Более того, он гарантирует и обеспечивает требуемую пропускную способность сети (путем резервирования полосы пропускания для специальных потоков данных). Таким образом, например, трафику VoIP (Voice over IP) будет гарантирована именно та полоса пропускания, которая ему необходима.
Вместе с тем коммутирующие архитектуры отнюдь не ограничиваются матричной коммутацией. Они могут составляться из соединений, коммутируемых с помощью самых разных технологий.
Например, Motorola построила коммутатор АТМ-ячеек, ACE (ATM Cell Switching Engine (рис. 5)). Этот простой контроллер с аппаратной логикой и микропрограммным управлением (hardwired firmware-based) может применяться для построения АТМ-коммутаторов, в которых каждая плата АТМ-канала ввода/вывода управляется своим контроллером и все платы отображаются на специализированную шину объединительной панели с временным уплотнением. Микропрограммное ПО микросхемы АСЕ обеспечивает надежность операций как в обычном (workaround), так и аварийном (failure) режимах.
Рисунок 1. АТМ-коммутатор Motorola с АСЕ
АТМ-коммутатор можно строить на базе АСЕ-коммутатора ячеек Motorola (ATM Cell-Switching Engine). В коммутаторе может быть до 16 линейных адаптеров, каждый из которых содержит одну АСЕ-схему, что видно на рисунке 1 [1]. Все адаптеры подключаются к единой 64-разрядной 20-мегагерцовой шине с временным уплотнением, способной поддерживать несколько межмодульных соединений через объединительную панель. Пропускная способность каждого порта интегральных схем до 155 Мбит/с (дуплексный режим)
На базе кристалла АСЕ возможно построение 16-линейного АТМ-коммутатора с 16 линейными адаптерами, каждый из которых содержит одну микросхему АСЕ, обеспечивающую взаимодействие с шиной. Шина с временным уплотнением может программироваться и обеспечивает взаимодействие линейных адаптеров без нарушения шинных потоков. Кроме того, этот кристалл может использоваться как внутримодульный соединитель АТМ-архитектуры с подписчиком. Motorola предлагает базовый блок, состоящий из интегральной схемы MC92400 ACWE с коммуникационным процессором-контроллером PowerQUICC II и САМ-памятью для хранения адресов.
Контроллеры с аппаратной логикой и микропрограммным управлением
С нынешними частотами и плотностью интегральных компонентов высокую производительность обработки сетевых потоков и широкий набор функциональных возможностей могут обеспечить контроллеры с аппаратной логикой и микропрограммным управлением. Сетевые интерфейсы и обработка потоков в локальных и глобальных сетях (хотя бы на низких уровнях), уже довольно хорошо изучены. Они тяготеют к повторяемости процессинга, используя преимущества аппаратной (hardwired) логики и фиксированных шинных связей. Для поддержки высокоуровневых протоколов и обработки пакетов это устройство может дополняться управляющим процессором (стандартный высокопроизводительный RISC-процессор), который обеспечивает достаточную гибкость, чтобы удовлетворить требованиям более высоких уровней и меняющихся протоколов.
В качестве примера подобного аппаратного подхода к сетевому обеспечению можно привести новое семейство Horizon однокристальных коммуникационных контроллеров компании Galileo для объединения локальных и глобальных сетей (рис. 4). Контроллеры соединяют Internet или корпоративную глобальную сеть с локальной (глобальные линии T1/E1 с локальной Ethernet.). Для этого в каждом кристалле семейства есть контроллер глобальной сети, контроллер локальной сети и встроенный системный контроллер. Связь системного контроллера с внешним 64-разрядным RISC-процессором MIPS (в процессе высокоуровневой обработки) осуществляется по 64-разрядной шине памяти с максимальной скоростью передачи 5,3 Гбит/с.
Рисунок 2. Структура контроллера Galileo GT-96100
На базе сетевых контроллеров с аппаратной (hardwired) логикой можно создавать высокопроизводительные сетевые коммутаторы и маршрутизаторы для локальных и глобальных сетей. Семейство устройств Horizon компании Galileo GT-96100 входят 8 линий Т1/Е1 или Т3/Е3, а также два порта для локальной Ethernet, представлено на рисунке 2 [2]. Высокоуровневая обработка пакетов осуществляется 64-разрядным MIPS.
Кремниевый контроллер GT-96100 предназначен для построения стыковых (edge) маршрутизаторов. На кристалле контроллера реализовано 8 глобальных портов, каждый из которых допускает подключение линий Т1/Е1 или Т3/Е3 (через соответствующий адаптер), и два порта Ethernet 10/100. Таким образом, микросхема может одновременно поддерживать 8 глобальных каналов с пропускной способностью 55 Мбит/с каждый в дуплексном режиме (в общей сложности 1080 Мбит/с). Типы глобальных соединений: ISDN, E1/T1, SDSL, E3/T3 и HSSL. Со стороны ЛВС она взаимодействиет с двумя портами 10/100 Ethernet.
Для увеличения числа портов используются дополнительные процессоры глобальных пакетов GT-96101. Как и GT-96100, в каждом из них имеются по 8 глобальных портов, однако подключаются они к единой 32-разрядной 66-мегагерцовой шине PCI, по которой и обмениваются данными с системным контроллером GT-96100. Последний, в свою очередь, взаимодействует с локальными портами и серверным процессором MIPS. Для подключения внешних устройств ввода/вывода имеется 32-разрядная 66-мегагерцовая шина PCI. Кроме того, для получения более производительной 64-разрядной 66-мегагерцовой шины обе 32-разрядных PCI-шины могут быть объединены.
Коммуникационный процессор-контроллер
На самом деле одно из решений с ориентацией на программирование развивается уже достаточное время. В свое время Motorola выпустила первый, ныне широко известный, коммуникационный процессор-контроллер 68302. На одном кристалле размещалось процессорное ядро 68К и специализированный коммуникационный контроллер. Общая встроенная память обеспечивала раздельную работу процессоров, при этом ядро 68К выполняло высокоуровневую обработку, а коммуникационный контроллер имел дело с каналами связи.
Сегодня на платах предварительного сбора данных в области среднедальней связи слегка доминируют его последние версии QUICC и PowerQUICC. PowerQUICC имеет встроенный коммуникационный процессор Motorola (вместе с микропрограммным обеспечением протокола), а также ядра RISC-процессора PowerPC, обеспечивающие значительный прирост производительности. Последняя версия PowerQUICC, PowerQUICC II, построена на базе PowerPC 603е, самого распространенного процессорного ядра. Оно представляет собой ядро процессора для настольных систем и серверов и поэтому поддерживает многопроцессорные операции и аппаратную когерентность кэша между несколькими процессорами. Таким образом обеспечивается возможность построения многопроцессорных систем для решения сложных с программной точки зрения задач. Минимальная тактовая частота устройств PowerQUICC II 300 МГц.
Motorola расширяет серию коммуникационных процессоров-контроллеров новыми процессорными архитектурами. Ее последнее устройство MSC8101 объединяет в себе новейший DSP-процессор (совместной разработки Motorola и Lucent) Star*Core, периферийные устройства PowerPC и PowerQUICC, шину и коммуникационный процессор. Работающий на тактовой частоте 300 МГц DSP-процессор может выполнять до 3000 MIPS и 1200 МАС. Говорят, Motorola объединяет свой новейший PowerPC четвертого поколения с той же периферией и коммуникационным процессором. Четвертое поколение это ядро PowerPC третьего поколения со 128-разрядным векторным SIMD-вычислителем, которые могут обеспечивать производительность до 1,8 GMIPS в 32-разрядном и 3,6 GMIPS в 16-разрядном режимах.
Сегодня для создания коммуникационного процессора-контроллера повсеместно берут разные RISC-процессоры и дополняют их коммуникационными устройствами. В число таких процессоров входят MIPS, ARM и теперь StrongARM. Особенно в специализированных однокристальных коммуникационных процессорах-контроллерах хороши процессоры ARM.
Недавно в области коммуникационных процессоров-контроллеров состоялся дебют усовершенствованной RISC-архитектуры Tri-Core компании Infineon (ранее Siemens Semiconductor Group). Компания выпустила сетевой процессор Harrier. На кристалле реализован 32-разрядный процессор Tri-Core с аппаратными обработчиками пакетов, ячеек и слотов (Packet Handler, Cell Handler, Slot Handler). Первая из микросхем этой серии, Harrier-XT, жестко запрограммирована для поддержки HDLC, ATM и последовательных xDSL-линий.
Область применения Harrier-XT растущий рынок xDSL-оборудования (Digital Subscriber Lines Абонентские цифровые линии) как для бытовых, так и офисных приложений. Она имеет как Ethernet-, так и АТМ-интерфейсы для передачи данных и может служить в качестве шлюза для оказания широковещательных мультимедийных услуг нескольким пользователям. Наряду с ATM-сервисом (включая PPP-over-ATM и Voice-over-ATM) Harrier-XT поддерживает и HDLC.
Многообразие коммутаторов для Ethernet
Выделяется корпорация VitesseSemiconductor, специализирующая на микросхемах для оборудования GigabitEthernet (GbE), объявила о выпуске новинки под наименованием G-RocXVSC7501. По словам производителя, это первая в отрасли однокристальная система, в которой реализованы функции маршрутизатора GbE.
Высокая степень интеграции новой микросхемы позволит изготовителям сетевого оборудования уменьшить количество комплектующих изделий, используемых в высокоскоростных продуктах. Другим важным достоинством изделия является малое энергопотребление. Среди ключевых областей применения G-RocX названы шлюзы и маршрутизаторы нового поколения с поддержкой 802.11 VoIP, PON, DOCSIS и xDSL.
Рисунок 3. Интеграция G-RocX VSC7501
По данным компании, пока больше никто из производителей элементной базы для сетей GbE не представлял однокристальную систему такой степени интеграции. В состав G-RocXVSC7501 входит 6-портовый коммутатор GbE, маршрутизатор и интерфейс физического уровня, рассчитанный на прием и передачу данных о медным проводным линиям с пропускной способностью 10, 100 и 1000 Мбит/с. Кроме того, микросхема содержит согласующие резисторы, цепи ФАПЧ, блок трансляции адресов (HardwareNetworkAddressTranslation, HNAT), универсальный асинхронный приемопередатчик (UART), два порта USB 2.0 и порт PCI.
При этом, потребляемая мощность изделия не превышает 3 Вт. В частности, это позволяет упростить решение задачи отвода тепла и дает возможность использовать более дешевые пластмассовые корпуса. Поставки VSC7501 уже начались.
Название/Скорость передачи/Диапазон температур данных на порт/Системный интерфейс/Изображения коммутаторов
MICREL SEMICONDUCTOR- KSZ8041NL/100Mbps/0- 70°C/MII, RMII/
Intel XL710 Ethernet/40 GbE/10 GbE/1 GbE/ 0–55° C / PCIe v3.0 /
QLogic 8300 /10GbE/0-65° C/PCI Express/
По крайней мере, на сегодняшний день оба метода программный метод и метод коммутации находятся на пике успеха. Коммутаторы с аппаратной логикой, предназначенные для работы в локальных сетях, получают все большее распространение, при этом стоимость одного порта неудержимо падает вниз. Аналогичный успех, по всей видимости, сопутствует и программному подходу, олицетворённому в сетевых процессорах и коммуникационных процессорах-контроллерах (особенно на сегодняшнем быстроменяющемся коммуникационном рынке).
Заключение
На сетевые проекты влияют два взаимосвязанных фактора: требование более быстрого выхода продукта на рынок и требование его адаптируемости. Более быстрой разработке продукта способствует ориентация на кремниевую и аппаратную логику и зашитое программное обеспечение, в то время как быстроте и простоте - адаптируемый программный подход.
Нет никакого сомнения, что когда-нибудь два эти метода и соответствующие им продукты объединятся в одно целое. Это уже происходит. В коммутаторах с аппаратной логикой многокристальные коммутаторы дополняются управляющими процессорами, которые можно программировать и адаптировать к верхним уровням, а в сетевых процессорах в качестве наиболее предпочтительной инфраструктуры становится связная архитектура с коммутацией. Программируемые сетевые контроллеры и кремниевые коммутаторы с аппаратной логикой все чаще начинают применяться совместно.
Возможно, сетевые процессоры возьмут на себя большую часть сетевых функций стыкового процессинга. Учитывая всё более высокие плотности интеграции и тактовые частоты, этот подход дополняет действие закона Мура. Таким образом, через какое-то время в одном кристалле аккумулируются вычислительные возможности большего числа микропроцессоров, ведь нужно будет успевать за всё возрастающим быстродействием каналов передачи.
Литература
1. Информация по параметрам коммутаторов: http://ru.farnell.com/controllers-network_ethernet/ethernet-type/ieee-802-3u/pg/110033011/results/2
2. Коммутатор от Vitesse: http://news.a42.ru/news/item/39592/]http://news.a42.ru/news/item/39592/
3. Коммуникационный процессор-контроллер: http://www.mka.ru/?p=40108]http://www.mka.ru/?p=40108
4. Информация по параметрам коммутаторов: http://www.intel.ru/content/www/ru/ru/network-adapters/converged-network-adapters/ethernet-xl710.html]http://www.intel.ru/content/www/ru/ru/n ... xl710.html |
