自主可控路由器控制交換系統設計

劉興濤，康　賓，周三友，郭彥濤

(通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室，河北 石家莊 050081)

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自主可控路由器控制交換系統設計

劉興濤，康賓，周三友，郭彥濤

(通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室，河北 石家莊 050081)

控制交換系統是路由器的核心單元，主要完成網絡信息的控制和交換。針對路由器核心軟硬件的國產自主化需求，基于龍芯CPU、國產交換芯片和中標麒麟操作系統，設計開發了CPU控制和交換等關鍵模塊，給出了一套自主可控路由器控制交換系統的設計方案，降低了網絡設備對進口器件的依賴，提高了網絡設備的自主化水平。通過在路由設備上的具體實驗，驗證了自主可控控制交換系統的可行性和有效性。

通信網絡安全；路由器；控制交換系統；龍芯CPU

0　引言

信息技術革命日新月異，對國家政治、經濟、社會和軍事等領域的發展產生了深刻影響，信息安全成為事關國家安全和發展的重大戰略問題[1]。為保障通信網絡的可靠性和安全性，提高路由器、交換機等關鍵網絡設備的自主可控能力成為網絡建設的關鍵[2]。

經過十幾年的發展，我國已實現了全網域網絡設備的國產化，能夠提供系列化的路由交換產品。但國產網絡設備的CPU、交換芯片、網絡處理器和操作系統等核心軟硬件均采用國外產品，存在信息安全隱患[3]，因此迫切需要基于國產軟硬件平臺實現路由交換設備的自主化，為國家網絡和信息安全提供基礎保障[4]。核心器件、高端芯片和基礎軟件等領域近年來成果顯著，文獻[5-7]將國產CPU、操作系統等產品成功應用于國產計算機中，但在路由交換設備中應用較少，需要設計適合網絡設備應用的自主控制交換平臺。

本文結合通信應用的功能需求和國產核心軟硬件的性能特點，選用龍芯2F處理器、中標麒麟操作系統和國產交換芯片，設計開發了一套自主可控的路由器控制交換系統，并結合路由器的實際應用，對系統的性能進行測試驗證。

1　自主硬件平臺設計

1.1硬件總體框架

控制交換系統是路由器的核心單元，為提高控制交換系統的自主可控性，同時實現大容量、高速、全雙工和無阻塞的數據交換，本文調研了文獻[8-12]提出的各種路由器技術方案，設計了如圖1所示的控制交換系統架構。控制交換系統由交換模塊、CPU控制模塊、FPGA模塊、時鐘模塊、機箱管理模塊、電源模塊及連接器模塊等組成，其中交換模塊和CPU控制模塊為核心功能模塊。

圖1　控制交換系統架構

數據在控制交換系統中的處理流程為：數據流經連接器模塊中的數據信息接口和控制信息接口進入交換模塊，在交換模塊中完成幀同步、FCS處理、分組緩存以及關鍵字提取后，再由交換模塊內部專用的路由轉發處理引擎完成業務信息分類、路由交換查表、路由交換決策、分組封裝和輸出調度等處理過程。國產交換芯片根據特定字段區分出數據流中不同的信息，將協議和控制信息發送至CPU控制模塊，由其進行處理，數據信息經路由查表等操作后，根據路由決策直接經連接器模塊交換輸出或發送給CPU控制模塊進行處理。

該系統框架中，FPGA模塊主要實現各種可編程控制和業務處理邏輯，同時提供指示燈控制、復位控制、時鐘分配和寄存器維護管理等功能。時鐘模塊主要實現外時鐘同步功能，主要由兩部分電路組成，一部分提供外部時鐘源的接入能力，另一部分提供時鐘輸出作為系統時鐘的測試接口。機箱管理模塊完成機箱管理功能，實時監控系統溫度和工作狀態，同時管理各業務板的上電、接口狀態以及風扇轉速等，并實現熱拔插。電源模塊包括電源管理和電源轉換模塊，電源管理模塊受機箱管理模塊控制，實現整板的上電、掉電控制，電源轉換模塊提供系統所需要的不同電壓值的直流電源。連接器模塊包含兩部分：一部分主要用于供電和機箱管理；另一部分用于數據傳輸，實現數據信息交換和控制信息交換。

1.2CPU控制模塊

CPU控制模塊用于完成控制交換系統的控制與協議處理，是各種網絡協議運行的硬件平臺。目前國產CPU主要有中科院龍芯處理器[13]、國防科技大學飛騰處理器[14]和申威處理器[15]，本文綜合比較了各種國產處理器的性能、成本和成熟程度，選用龍芯2F處理器設計了如圖2所示的CPU控制模塊。

圖2　CPU控制模塊組成

CPU控制模塊以龍芯2F處理器為核心，同時配以BIOS程序存儲器、DDR2 SDRAM存儲器、總線橋控制器、復位及控制邏輯和以太網控制器等，提供RS-232接口、網口用于系統調試和加載程序。CPU控制模塊中各個芯片工作的時鐘信號由時鐘模塊提供，所需的各種電源由電源模塊提供。數據流經連接器模塊進入控制交換系統后，協議信息和控制信息進入CPU控制模塊完成協議交互、路由計算和管理維護等處理。

龍芯2F處理器主要包含PCI接口信號組、時鐘信號、中斷信號、LOCAL總線信號、DDR2 SDRAM接口信號、上電復位初始化信號、JTAG信號和測試信號等。CPU控制模塊中，BIOS程序存儲區存放龍芯2F的引導啟動代碼，用于在上電初期啟動和配置龍芯2F內核，同時存儲PMON軟件的開發調試環境。DDR2 SDRAM存儲器用于暫存CPU運行指令以及執行過程中所產生和調用的各種數據結構，通過龍芯2F的DDR2總線擴展實現。CPU控制模塊工作所需要的系統時鐘、存儲器時鐘以及PCI接口時鐘參考由時鐘模塊提供，同時總線橋連接器所需的其他時鐘參考也由時鐘模塊提供。系統上電時，采用龍芯2F處理器先上電，其他部分在后的最佳上電順序。

1.3交換模塊

交換模塊用于實現板間或不同端口間的大容量信息交換，是控制交換系統的核心組成部分，圖3給出了本文所設計的交換模塊架構。交換模塊由國產交換芯片、千兆以太網PHY芯片、千兆以太網接口變壓器、TCAM和SRAM電路等組成，主要實現業務數據路由交換以及協議、控制信息的路由交換功能。

圖3　交換模塊組成

該國產交換芯片內部集成了DRAM、TCAM和SRAM，具備完整的L2/L3/MPLS特性，其接口豐富、功耗低，可滿足工業級需求。交換芯片內部主要由業務MAC控制器、Ingress和Egress包處理引擎、流量管理引擎、PCI接口控制器和CPUMAC控制器等組成。

交換模塊最大可支持8個10 G業務槽位、2個交換槽位。交換芯片通過連接千兆以太網PHY芯片，提供12個千兆以太網接口作為控制信息交換接口。為支持更大的表容量，擴展了TCAM和SRAM電路。對于GE接口，選用千兆以太網PHY芯片配合千兆以太網接口變壓器實現，千兆以太網PHY芯片對外提供12個MDI雙絞線接口，通過連接千兆以太網接口變壓器，實現12路千兆以太網線路接口的電平變換。

1.4內外接口

控制交換系統的內部接口主要用于系統內部各模塊之間的互連，包括GMII接口、PCI總線接口、CPU接口、SMB總線接口和I2C總線接口等，系統內部接口組成如圖4所示。

圖4　控制交換系統內部接口

CPU控制模塊與交換模塊之間通過接口轉換來進行協議信息的交互，GMII接口是交換模塊與CPU之間逐跳數據和信令協議的主要傳輸接口。PCI總線接口是控制交換系統的管理控制接口和CPU控制模塊的功能擴展接口，龍芯2F與交換芯片通過PCI接口直接連接，實現CPU對交換模塊的配置和管理，同時龍芯2F通過PCI接口經接口轉換實現與交換芯片間協議數據的互通。SMB總線接口是龍芯2F與FPGA模塊的互連接口，用于實現溫度監測及管理。I2C總線接口是FPGA模塊與機箱管理模塊間的互連接口，用于實現機箱管理功能。

外部接口主要用于控制交換系統與外界的數據交互，同時實現對系統的配置、更新和維護，主要包括數據信息接口、控制信息接口、時鐘接口、機箱管理接口、串行管理調試接口、電源接口和維護接口等。

數據信息接口是控制交換系統主要的數據傳輸接口，通過背板與其他業務板互連。控制信息接口提供機框內的IP傳輸，是處理單元之間交互控制管理信息的接口。時鐘接口支持主從同步功能，提供雙冗余的3對差分時鐘作為系統的主用、備用和輸入時鐘。2個控制交換系統之間提供差分信號，系統間通過該差分信號共享狀態信息，實現主、備控制交換系統間的通信。機箱管理接口是基于I2C接口的智能平臺管理總線，該總線同時具有串行管理總線功能。串行管理調試接口用于設備的管理和調試，電源接口為電源的輸入接口，維護接口是對控制交換系統進行維護管理的接口。

控制交換系統通過內部接口實現了系統內各模塊間的高速互連，通過外部接口實現了數據流的快速傳輸，高效、可靠的內外部接口為控制交換系統實現大容量、高速和無阻塞的數據交換提供了有力支撐。

2　自主軟件架構

操作系統是網絡裝備實現數據報文交換、路由功能的基礎軟件平臺。國產中標麒麟操作系統是針對關鍵業務負載而構建的高可靠、易管理的Linux操作系統[16]。基于中標麒麟操作系統設計的自主軟件架構如圖5所示。

基于中標麒麟操作系統，在龍芯CPU的硬件平臺上設計了自主軟件架構，同時結合自主網絡體系的需求，對商用路由協議進行適應性改造和安全加固，將其運行在國產操作系統上，與國產操作系統相結合實現了網絡設備核心軟件的自主化。

控制交換系統基于國產中標麒麟操作系統構建了應用層處理軟件，實現了對系統管理、配置和網絡信息的安全控制，提高了系統的安全性。

圖5　自主軟件架構

3　系統應用分析

為驗證自主可控路由交換系統的性能指標，搭建了如圖6所示的路由器測試環境，包括自主可控控制交換平臺、以太網數據轉發平臺、光接口轉發平臺和測試儀。

圖6　系統測試環境

轉發能力測試：測試儀與光接口轉發平臺間通過光接口互連，使用思博倫[17]的TestCenter測試儀從光接口發送滿帶寬10 G的數據報文，幀長為1 500 bytes，數據報文經自主可控控制交換平臺進行轉發[18]。測試結果顯示，在10 G帶寬情況下，數據報文轉發無丟包。

路由表容量測試：測試儀與以太網轉發平臺通過以太網互連，測試儀與路由器間通過OSPF協議建立鄰居關系，TestCenter生成10 000條路由擴散至路由器。在自主可控控制交換平臺上查看路由表，顯示5 000條路由。TestCenter通過以太網接口發送目的地址為上述5 000條路由的數據流，每個數據流帶寬為0.2M，測試結果顯示，數據流轉發無丟包。

自主可控路由器控制交換系統通過應用國產CPU、交換芯片等關鍵芯片，杜絕了進口器件中可能存在的后門和漏洞，基于國產操作系統設計了自主軟件架構，從軟件層次提高了系統的安全性，為安全可靠的通網絡信提供了保障。因此，本系統可應用于金融、政府和大型國企等安全等級要求較高的內部專網，構建自主可控的通信網絡，有效提高信息傳輸的安全性。

4　結束語

研究探索自主可控技術，設計開發自主可控網絡設備，建設自主可控的通信網絡是國家信息安全和長遠發展的重要保障。針對網絡設備的自主可控化需求，本文在綜合分析各種技術方案的基礎上，應用龍芯2F處理器、國產交換芯片和中標麒麟操作系統，設計了具有高自主可控能力的路由器控制交換系統。該系統通過核心軟硬件的國產化，杜絕了進口器件帶來的后門、漏洞和陷阱等安全隱患，保障了通信網絡的安全性，為我國網絡設備的自主生產和保障提供了支撐。

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劉興濤男，(1985—)，博士。主要研究方向：未來通信網絡、路由與交換。

康賓男，(1981—)，高級工程師。主要研究方向：通信網絡設備、路由與交換。

Design of Independent Controllable Control and Switching System for Routers

LIU Xing-tao，KANG Bin，ZHOU San-you，GUO Yan-tao

(ScienceandTechnologyonInformationTransmissionandDisseminationinCommunicationNetworksLaboratory，ShijiazhuangHebei050081，China)

Control and switching system，which is responsible for the control and exchange of network information，is the core component of the routers.Aiming at the requirement of the independent controllable core software and hardware of the routers，the CPU control module and switch module are developed based on Godson CPU，domestic switch chip and NeoKylin operating system to realize the localization of the key components for the routers.With the presented independent controllable control and switching system of the routers，the localization and independence of the network devices are enhanced，and the communication security is improved.Experiment results on the routers show the feasibility and effectiveness of the proposed control and switching system.

communication network security；router；control and switching system；Godson CPU

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.08.02

2016-04-22

中國電子科技集團公司第五十四研究所發展基金資助項目(XX146410008)。

TN391.4

A

1003-3106(2016)08-0005-04

引用格式：劉興濤，康賓，周三友，等.自主可控路由器控制交換系統設計[J].無線電工程,2016,46(8):5-8，73.