专利名称：基于外围元件互连总线的路由交换卡的制作方法
技术领域：
本实用新型属于网络技术领域，特别涉及网络产品结构设计。
目前在局域网领域中使用最为广泛的网络技术就是基于IEEE802.3/Ehternet标准的以太网。传统的以太网是一种采用CSMA/CD(载波侦听多路存取/冲突检测)介质存取控制协议的介质共享型网络，其最大带宽为10Mbps。
以太网从诞生至今已有20多年的历史，其间计算机技术有了长足的进步，主要表现有CPU(中央处理单元)的处理能力得到了极大的提高；各种新型的应用不断出现；计算模式由最初的基于大型机的集中式计算模式逐步转向基于网络的分布式计算模式。所有这些都对网络的传输能力带来了很大的压力，此时传统以太网所提供的最大10Mbps的共享带宽显然已无法继续满足要求，而成为了整个系统的瓶颈。
为了解决这个问题，人们开始对传统的以太网进行改造。在各种解决网络传输带宽的改进技术中，将传统的共享式以太网改造成交换式以太网以其特有的优点而得到了大量的应用，因此各种以太网交换机具有良好的市场前景。
交换机在提高网络带宽方面具有很好的作用，但是网络中只有交换机是不够的，因为交换机属于工作在数据链路层的设备，所以它无法象路由器那样阻止可对网络性能造成严重影响的广播风暴现象的出现，而且在各个不同子网间转发数据时仍然需要路由器的存在。
现有的交换机产品都属于外置式交换机，即都是具有单独机箱和供电系统的独立单元。它们的系统结构如
图1所示，主要是由中央交换芯片和各个端口电路，另外在加上用作帧缓存的动态存储器或者还有用作地址缓存的静态存储器构成。中央交换芯片负责对所收到的以太网帧进行地址学习和匹配，以及对内部的转发数据队列进行管理，并最终完成网络帧的交换。各个端口电路负责完成由中央交换芯片所提供的接口到各种不同物理线路接口的转换，并提供对物理线路的驱动能力。动态存储器和静态存储器分别被用作交换队列的缓冲存储器和地址表存储器。
现存的各种交换机可向外提供数目不等的端口，端口的速率有10Mbps1和/或100Mbps。端口的接口标准有10BATE-T，10BASE-2，AUI(接入单元接口)，100BASE-TX，100BASE-FX，以及MII(介质无关接口)等。
这些交换机产品用于网络主干互连或提供桌面交换服务时是很适合的，它们所提供的各种端口可以直接通过光纤，同轴电缆，或双绞线直接与网络工作站，其它交换机、中继器等设备相连接。但是它们都没有提供常用的PCI(Peripheral Componetnt Interconnect，外围元件互连)总线接口，无法插入到各种计算机的内部总线插槽上去，因此也就不能通过总线接口与路由器相互交换网络数据。这个缺陷对于实现路由功能与交换技术的集成是很不利的。
本实用新型的目的在于，为克服已有的技术的不足之处，提出一种基于外围元件互连PCI总线的路由交换卡。旨在保留传统的交换机的所有功能的基础上，添加了一个由MII(介质无关接口)到PCI(Peripheral ComponetntInterconnect，外围元件互连)总线接口的转换，使之可以插入到路由器内部的总线插槽上，并可通过总线接口与路由器相互交换信息，从而方便地实现路由功能同交换功能的集成。
本实用新型提出一种基于外围元件互连总线的路由交换卡，包括由由中央高速交换芯片及与其相连的动态存储器，外部地址匹配芯片及静态存储器，各个外置端口的物理层芯片，隔离变压器和其它的辅助电路构成的交换部分模块，其特征在于，还包括由快速以太网控制器芯片与其相连的辅助芯片构成的PCI外围元件互连总线接口部分模块，所说的中央高速交换芯片通过其介质无关接口与所说的快速以太网控制器芯片相连。
本路由交换卡的主要特点是利用基于PCI(Peripheral ComponetntInterconnect，外围元件互连)总线的快速以太网控制器芯片和高速以太网交换芯片，再加上其它的外围器件构成一块具有交换功能的快速以太网卡。该交换卡具有8个10BASE-T和1个100BASE-TX外接端口，使得在多个外接端口和PCI(外围元件互连)总线接口之间可以进行包括直通式、存储转发式以及改进型直通式在内的各种方式的交换。另外，该交换卡还具有划分虚拟网(VLAN)以及虚拟网重叠的功能，可将所带的多个端口进行任意形式的基于端口的可重叠虚拟网划分，使得在各个虚拟网内部可以通过卡上的交换芯片进行高速的数据链路层交换，而对跨越虚拟网边界的数据流量则可以通过标准PCI(Peripheral Componetnt Interconnect，外围元件互连)总线送到主机系统进行路由或其它处理。
由于该交换卡具有十分灵活的工作方式，所以它可以应用于各种网络环境中。既可用作独立交换机，又可用作服务器或路由器内置插卡。
总的来讲，其主要的工作环境包括以下几种其一，用作网络服务器的内置式网络适配器，其中交换卡的各个外置端口被划分为一至多个虚拟局域网，各个虚拟局域网可以是实际网络应用中按照地理位置或者是按照所具功能而形成的网络工作组。各个工作组的内部端口之间可以实现高速低延迟的第二层交换，与此同时它们之间又被虚拟局域网相互隔离成不同的广播域，这样又可以使各个虚拟局域网的网络安全得到了保证。另外，不同的虚拟局域网可以通过使用交换卡的虚拟局域网重叠功能而在它们公共的服务器处重叠，这样就可以达到既可以实现资源共享，又可以保证网络安全的目的，而无需再在公共服务器和各个要求相互隔离的工作组子网之间设置昂贵且高延迟的路由器。
其二，用作路由器的内置式网络适配器，在这种应用环境下，该卡被插入到路由器的标准PCI(Peripheral Componetnt Interconnect，外围元件互连)总线之中，通过只占用路由器的一个内部插槽就可以为路由器提供多个可灵活配置的以太网和快速以太网端口。这些端口可以根据需求被配置一个或多个互不连通的虚拟子网，在虚拟子网的内部，可以在端口之间通过卡上的高速交换芯片实现高速的第二层交换，而在各个虚拟子网之间，或者是虚拟子网和广域网之间需要进行通信时，相应的网络数据将通过总线接口进入路由器内，再由路由器完成所需要的第三层路由功能。这样，通过使用该交换卡就可以将第三层路由和第二层交换功能集成在一个系统之内。
其三，作为独立的外置式小型以太网交换机，向传统的共享式以太网提供第二层交换服务。这种使用方式与普通的以太网交换机相同。
附图简要说明图1为已有的一种太网交换机结构示意图。
图2为本实用新型总体结构示意图。
图3为本实施例的中央交换芯片示意图。
图4为本实施例的动态存储器模块示意图。
图5为本实施例的外部地址匹配芯片示意图。
图6为本实施例的静态存储器模块示意图。
图7a为本实施例的4×10M物理层芯片示意图。
图7b为本实施例的100M物理层芯片示意图。
图8a为本实施例的4×10M隔离变压器示意图。
图8b为本实施例的100M隔离变压器示意图。
图9为本实施例的管理接口模块示意图。
图10为本实施例的快速以太网控制器芯片示意图。
本实用新型设计的一种基于外围元件互连总线的路由交换卡实施例其组成结构如图2--10所示，结合附图详细说明如下本实施例的交换卡主要由交换部分和PCI(Peripheral ComponetntInterconnect，外围元件互连)总线接口部分两大模块构成，其中交换部分又由中央高速交换芯片，动态存储器，外部地址匹配芯片及静态存储器，各个外置端口的物理层芯片，隔离变压器和其它的辅助电路构成；PCI(PeripheralComponetnt Interconnect，外围元件互连)总线接口部分则由快速以太网控制器芯片与相关的辅助芯片构成。整个交换卡的系统结构如图2所示。
本实施例的中央高速交换芯片如图3所示，它是整个交换卡的核心，它完成在各个外部端口和总线接口之间的全部交换功能，并且还负责在进行了虚拟子网划分的情况下对各虚拟子网内的多目传输帧进行处理。同时，该芯片还应对各个端口的状态进行监控和管理，并记录和维护各种相关信息以支持网络管理。在本实施例中选用了TNETX3100作为中央交换芯片。该芯片具有上述的全部功能，可向外提供8个10Mbps和2个100Mbps端口，其中8个10Mbps接口均符合与SNI(串行网络接口)接口工业标准，并支持全/半双工工作模式，而2个100Mbps接口向外提供的是符合IEEE802.3u标准的MII(介质无关接口)接口。在本实施例中，第一个100M接口被用来提供外部快速以太网端口，该端口具有上行链路能力。另一个100M的MII(介质无关接口)接口则被用来经总线接口部分转换之后向外提供PCI(外围元件互连)总线接口。
每一个接口由数据发送控制和数据接收控制两个部分构成。当进行数据接收时，数据接收控制中的帧控制部分负责调度所有的接收操作，其中包括对以太网帧前导序列的监测和清除，对帧地址和帧长度的提取，帧内数据的处理，以及对循环冗余校验(CRC)码的检查，同时还包括一个用于检测从网络上接收到的超过最大允许长度的超长发送帧的定时器；而数据接收控制中的FIFO(先进先出)控制部分则负责将所接收的数据放入到FIFO(先进先出)缓冲区中，同时还负责检测错误数据并对其进行标识。当网络负荷较重时，端口会在短时间内接收到大量的以太网帧，此时由于帧缓冲区的大小有限而将会出现网络拥塞现象。为了减小这种情况对交换过程的影响，TNETX3100内部实现了基于冲突的流控机制。TNETX3100通过监控空闲帧缓冲区队列的长度来检测拥塞情况的发生。当空闲队列中的缓冲区数目小于256个时，它将通过向所有端口的所有帧(除了它自身当前的发送帧外)强行进行冲突而阻止更多的网络帧进入交换系统，从而达到流控的目的。当它发送完一些网络帧而使得空闲缓冲区队列的数目大于256个后，强行冲突状态将停止下来，网络帧将又可以进入交换系统内部。
当进行数据发送时，数据发送控制中的帧控制部分负责处理向外部物理层进行输出的数据，同时还将处理一些可能出现的错误状态。如果在发送过程中网络介质上发生了冲突，它将停止进行发送。当该冲突为迟冲突(即在开始的64字节发送完毕之后)时，该发送帧将会丢失；如果该冲突为早冲突，控制器将在重新发送之前进行后退。在全双工模式下，载波侦听(CRS)模式和冲突检测(CD)模式都将被禁止。与此同时，数据发送控制中的FIFO(先进先出)控制部分负责处理由FIFO(先进先出)缓冲区到MAC(介质存取控制)接口的发送数据流。FIFO(先进先出)缓冲区中的数据只有在无冲突情况下成功发送之后(对于半双工端口)才会被清除。TNETX3100的MAC(介质存取控制)接口还具有慢步发送功能，该功能使得它在网络负荷很重的时候自动地通过在两次发送尝试之间插入额外的延迟来改进自己的发送策略。增加的额外延迟可以减少冲突的发生频率，从而增加了发送成功的几率，这些都有助于减少网络节点CPU的开销，并减轻整个网络的负荷。如果没有这个机制，它将会在网络负荷已经很重的情况下仍继续向网络发送大量的数据，使得网络中不成功的发送尝试大大增加。
由于片内的数据缓冲区相对很小(仅20个72字节的FIFO(先进先出))，显然无法满足对所有端口的数据流量进行存储转发方式的交换。所以它还提供了一个动态存储器接口，可以外接大容量存储器来缓存接收到的数据帧。另外在芯片内部还有大量的寄存器，这些寄存器有的用于对整个交换过程进行控制，有的是用于记录各个端口的状态信息和用于网络管理的统计数据。DIO(直接存取)接口就是为了能从外部有效地控制交换过程并获取网管信息而设置的。
TNETX3100内部具有用于物理地址学习和匹配的高速静态存储器，但是由于其大小受到了严格的限制，只具备对32个地址的支持能力，这在一个较大型的基于工作组的网络中显然是不够的，因此它包含了对外部地址匹配芯片的支持，外部地址匹配接口就是用于外接地址匹配芯片的。
本实施例的动态存储器如图4所示，它的作用是用作帧缓冲区。由于中央交换芯片内部的帧缓冲存储器容量很小，在进行存储转发式交换或短时间内接收到大量突发性数据时显然是不够用的，所以交换卡上带有用作帧缓冲区的动态存储器，存储器的最大容量可以为4M×36Bits，可采用存取时间小于70纳秒的动态存储器芯片构成。本实施例所采用的是AS4C256K16EO-50。
中央交换芯片的内部地址存贮器所支持的物理地址数目是有限的，在网络中具有较大数目的节点时就需要有外部的地址匹配芯片的帮助。
本实施例的外部地址匹配芯片如图5所示，它可外接大容量的地址静态存储器，再加以专门的地址学习和匹配逻辑，可以支持数目大得多的地址。在本实施例使用的是TNETX15VE，它通过TNETX3100的外部地址匹配接口与之相连，并可监控后者的帧缓存数据总线。在交换过程中，它可以分离出出现在动态存储器数据总线上的以太网帧的源、目的地址和源端口号而进行帧地址学习和匹配，并通过外部地址匹配接口向TNETX3100传递该以太网帧的目的端口信息，后者再根据这个结果来对其进行交换。
本实施例的静态存储器如图6所示，它的作用是用作外部地址匹配芯片的高速地址缓存。在它的内部存有用于地址学习和匹配的物理地址表。本实施例采用的是存取时间为15纳秒的静态存储器芯片，型号是IS61C1024-15K，最多可支持8192个物理地址。
物理层芯片的作用主要是在中央交换芯片的各个接口进行数据发送时将来自于接口的数据针对不同的外置端口类型和物理介质类型进行相应的线路编码，并且提供对外部网络电缆的驱动。当中央交换芯片的各个接口进行数据接收时，它将完成正好相反的过程，即从网络电缆上接收线路编码，然后再进行解码，最后将其送到中央交换芯片的接口上去。另外物理层芯片还完成对数据发送和接收过程以及物理线路状态的监控，并将这些状态报告给中央交换芯片。中央交换芯片的各个内部接口电路将根据这些状态来执行CSMA/CD(载波侦听多路存取/冲突检测)介质存取控制协议。本实施例中的物理层芯片有10Mbps和100bpsM两种不同的速率，分别采用的是TNETE2004如图7a所示和LXT-970如图7b所示。
本实施例的隔离变压器的作用是将物理层芯片的内部电路与物理电缆回路隔离开来，用以防止电缆上出现的危险情况造成对物理层芯片的损坏。本实施例中的隔离变压器有10Mbps和100bpsM两种不同的速率，分别采用的是PE-68062L如图8a所示和PE-68517L如图8b所示。
本实施例的管理端口如图9所示，交换卡上的中央交换芯片和外部地址匹配芯片内部含有大量的状态和控制寄存器，通过读写这些寄存器就可以完成对交换卡的管理和控制。交换端口的作用就是通过它们的直接存取接口来读写这些寄存器，向外提供一个管理接口。本实施例的管理端口采用的是标准25针并行口。
本实施例的PCI总线接口部分的作用是将交换芯片提供的MII(介质无关接口)接口转换成常见的PCI总线接口，该部分是本交换卡与现存的交换机产品的改进之处所在。通过该接口，路由器，或者是普通的带有PCI总线插槽的服务器就可以直接通过PCI(外围元件互连)总线向中央交换芯片发送和接收数据，从而利用它的交换功能来实现交换技术与路由技术的紧密集成或其它的高层功能，或者是从中获得更高的网络性能。本实施例采用的是已经发展的十分成熟的快速以太网控制器芯片DS-21140如图10所示。这总芯片在主机接口一侧含有完整的PCI(外围元件互连)接口逻辑电路，可以与32位PCI(外围元件互连)总线实现无缝连接；在网络接口一侧，它具有符合IEEE802.3u快速以太网规范的MII(介质无关接口)接口，可以与TNETX3100的100Mbps接口直接相连，具有完全兼容的互操作能力。
本实施例由于采用了世界半导体工业领先开发者-美国TI公司的ThunderSWITCH系列以太网交换芯片TNETX3100作为核心交换引擎，保证了其高可靠性和高性能。它具有以下特点(1)提供8个10BASE-T以太网端口，1个10/100BASE-TX高速以太网端口和一个基于PCI总线的100M高速以太网接口。既可以作为外置式9口以太网交换机，又可以作为内置式以太网交换卡，向外提供8个10M端口和一个100M端口。
(2)100M端口可以用作上行链路，可用于构建更大的网络结构。
(3)高度集成化、基于共享内存的单芯片无阻塞交换结构，中央高速缓存最大可达4M，有效解决了10M端口与100M端口间由于通信瓶颈而产生的丢包问题，使低速以太网和高速以太网得以紧密集成。
(4)所有端口均支持10/100M自动协商和全双工方式，背板速率可达280Mbps。
(5)本实施例可用于与路由器SED-08进行紧密集成，可构建具有多达8个10M和1个100M以太端口的路由器，并且这些端口可以任意灵活组合成1到9个虚拟网，同一虚拟网内进行高速交换，不同虚拟网间则可进行路由，可以有效地提高网络构造的灵活性和安全性。
(6)提供基于冲突的流量控制，减少高负荷情况下的包丢失率，使网络运转更加可靠。
(7)慢步发送功能，在网络负荷很重的时候自动地通过在两次发送尝试之间插入额外的延迟来改进自己的发送策略。
(8)支持直通式和存储转发式两种工作方式。
(9)支持基于端口的虚拟网划分，最多可以支持9个虚拟网，使网络的管理和配置更加灵活。
(10)内部交换结构提供对多达8192个物理地址的自学习和匹配支持，有效地降低网络上的广播包数量，提高网络工作效率。
(11)提供管理接口。通过该接口，用户可以配置交换机，监控网络活动，并可以配合相应的SNMP Agent(简单网络管理协议代理)提共对SNMP(简单网络管理协议)的支持。在内置于路由器时，还可以和路由相结合实现对网络的动态划分。
(12)该产品全面符合Ethernet/IEEE 802.3(10Mps)和IEEE802.3u(100Mbps)标准。
(13)采用3.3/5.0V低电压低功耗技术，功耗仅为15W。
权利要求1.一种基于外围元件互连总线的路由交换卡，包括由由中央高速交换芯片及与其相连的动态存储器，外部地址匹配芯片及静态存储器，各个外置端口的物理层芯片，隔离变压器和其它的辅助电路构成的交换部分模块，其特征在于，还包括由快速以太网控制器芯片与其相连的辅助芯片构成的PCI外围元件互连总线接口部分模块，所说的中央高速交换芯片通过其介质无关接口与所说的快速以太网控制器芯片相连。
专利摘要本实用新型属于网络技术领域,包括由中央高速交换芯片,动态存储器,外部地址匹配芯片及静态存储器,各个外置端口的物理层芯片,隔离变压器和辅助电路构成的交换部分模块以及由快速以太网控制器芯片与辅助芯片构成的PCI外围元件互连总线接口部分模块。中央高速交换芯片通过其介质无关接口与快速以太网控制器芯片相连。本实用新型插入到路由器内部的总线插槽上,与路由器相互交换信息,方便实现了路由功能同交换功能的集成。
文档编号H04Q3/54GK2373958SQ9824899
公开日2000年4月12日 申请日期1998年11月13日 优先权日1998年11月13日
发明者张尧学, 赵艳标, 段小平, 王晓春 申请人:清华大学