伍召學(xué)，黃 俊，謝 虎

(重慶郵電大學(xué)信號處理與片上系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065)

根據(jù)《寬帶網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施“十二五”規(guī)劃》，我國寬帶建設(shè)將以網(wǎng)絡(luò)能力全面提升為主線，以加快城域網(wǎng)、部署大容量的DWDM系統(tǒng)為著力點(diǎn)，逐步進(jìn)行城域網(wǎng)上聯(lián)骨干網(wǎng)的扁平化改造，增加骨干網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，提升寬帶網(wǎng)絡(luò)保障能力。而節(jié)點(diǎn)一般接入到兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，一旦出現(xiàn)設(shè)備故障，將造成極大的沖擊和損失。因此，針對節(jié)點(diǎn)的旁路保護(hù)顯得至關(guān)重要。

基于10G傳輸?shù)墓饫w旁路保護(hù)器［1］是專門針對當(dāng)前DWDM系統(tǒng)接入節(jié)點(diǎn)的旁路保護(hù)設(shè)備。當(dāng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)硬件故障、電源故障、軟件死鎖時(shí)快速、自動跳過該節(jié)點(diǎn)切換到直通狀態(tài)進(jìn)行通信，形成網(wǎng)絡(luò)自愈，保證網(wǎng)絡(luò)可用性，不影響網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，讓網(wǎng)絡(luò)維護(hù)更加得心應(yīng)手。

1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的主要目的是利用MPC8308豐富的內(nèi)部資源，配合基于10G傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)交換芯片BCM56334、物理芯片BCM8705以及精密的光學(xué)元件，設(shè)計(jì)出一種性價(jià)比較高的旁路保護(hù)器。該旁路保護(hù)器通過鏡像端口與被保護(hù)設(shè)備的防火墻相連，實(shí)現(xiàn)了光纖網(wǎng)絡(luò)安全的完美保護(hù)。旁路保護(hù)器硬件原理示意圖如圖1所示。

圖1 硬件原理圖

旁路保護(hù)器硬件上采用飛思卡爾的 MPC8308［2－3］作為主處理器，通過數(shù)據(jù)采集模塊與被保護(hù)設(shè)備相連，通過RJ－45進(jìn)行管理操作，通過RS－232串口進(jìn)行配置和軟件升級操作，通過判斷接收返回的心跳信號是否異常來控制WDT驅(qū)動光開關(guān)，切換光路。數(shù)據(jù)采集模塊主要由BCM8705和光模塊(XFP)組成，通過配對使用，構(gòu)成獨(dú)立的接收或轉(zhuǎn)發(fā)電路，提高了系統(tǒng)效率。數(shù)據(jù)采集模塊示意圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊電路設(shè)計(jì)

旁路保護(hù)器主要用于10G傳輸?shù)脑O(shè)備保護(hù)，信息吞吐量大，而且是主動外置保護(hù)設(shè)備，要發(fā)送和接收心跳包，對響應(yīng)實(shí)時(shí)性要求較高，因此本設(shè)計(jì)采用飛思卡爾的MPC8308作為主處理器。MPC8308中的PowerPC e300c帶有16 kbyte的指令cache和16 kbyte的數(shù)據(jù)cache，實(shí)現(xiàn)了PowerPC的用戶指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并提供了硬件和軟件調(diào)試支持，主頻最高可達(dá)333/226 MHz。另外，MPC8308提供了2個(gè)三速(10110011000)Mbit/s的Ethernet控制器、1個(gè)DDR/DDR2 SDRAM存儲器控制器、1個(gè)靈活的本地總線控制器、1個(gè)PCI連接器、5個(gè)千兆以太網(wǎng)端口、1個(gè)通信I/O端口、2路UART等資源。此控制芯片開發(fā)成本低、開發(fā)周期短?？刂颇K和交換芯片連接示意圖如圖3所示。

圖3 交換芯片連接原理圖

在具體連接上，MPC8308通過PCIe接口對以太網(wǎng)交換模塊的交換芯片BCM56334進(jìn)行業(yè)務(wù)配置，通過連接一塊1G PHY(BCM5461)芯片實(shí)現(xiàn)RGMII到COFFER接口的轉(zhuǎn)換。

2.2 以太網(wǎng)交換模塊內(nèi)部電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中以太網(wǎng)數(shù)據(jù)處理部分主要由以太網(wǎng)交換芯片、數(shù)據(jù)采集模塊兩部分構(gòu)成。以太網(wǎng)交換芯片和物理層芯片分別采用了博通的BCM56334和BCM8705，二者均支持10G的數(shù)據(jù)傳輸。BCM56334通過4個(gè)1.0G/2.5G/10G/12G/13G棧端口與4塊BCM8705相連，實(shí)現(xiàn)了物理層數(shù)據(jù)向MAC層的傳輸。XFP是一種可熱插拔的且獨(dú)立于通信協(xié)議的光學(xué)收發(fā)器，在系統(tǒng)中主要用于光電轉(zhuǎn)換。連接電路如圖4所示。

圖4 BCM56334和BCM8705連接圖

2.3 旁路保護(hù)器切換電路設(shè)計(jì)

旁路切換電路主要由MPC8308、WDT和光開關(guān)組成。設(shè)計(jì)中使用微機(jī)械光開關(guān)從物理上切換光路。光開關(guān)選用2×2的單模/多模微機(jī)械光開關(guān)。光開關(guān)支持兩路光路同時(shí)切換。同時(shí)，此光開關(guān)具有損耗小、切換壽命長，切換時(shí)延小于4 ms等特點(diǎn)。

2.4 RS－232串口和RJ－45網(wǎng)口設(shè)計(jì)

出于安全性考慮，旁路保護(hù)器使用串口在XP系統(tǒng)的超級終端下設(shè)置參數(shù)。用MPC8308自身的DUART端口配置，來完成RS－232串口設(shè)計(jì);出于設(shè)備可擴(kuò)展和管理要求考慮，MPC8308通過對RGMII接口的配置，連接一塊物理芯片BCM5461來完成RJ－45網(wǎng)口設(shè)計(jì)。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 指令執(zhí)行流程

光開關(guān)將光信號引入旁路保護(hù)器內(nèi)部?？刂颇K監(jiān)聽防火墻返回的心跳信號，一旦在預(yù)先設(shè)置的門限值(ms)內(nèi)未收到返回信號，則發(fā)送喂狗信號控制看門狗，看門狗接收到指令后驅(qū)動光開關(guān)，切換到旁路電路;反之，則說明以太網(wǎng)交換電路和防火墻均工作正常，便將防火墻接入網(wǎng)絡(luò)并返回心跳包，控制模塊同時(shí)進(jìn)行心跳計(jì)時(shí)并通過判定心跳信號是否超時(shí)來進(jìn)行下一步工作電路判斷。旁路保護(hù)器在網(wǎng)絡(luò)中工作指令流程如圖5所示。

圖5 指令轉(zhuǎn)發(fā)流程圖

3.2 軟件平臺的構(gòu)建

旁路保護(hù)器軟件功能的實(shí)現(xiàn)依賴于嵌入式Linux平臺的構(gòu)建。平臺構(gòu)建流程如圖6所示。

圖6 軟件平臺搭建流程

3.3 交叉編譯環(huán)境的搭建

嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)一般需要交叉編譯開發(fā)環(huán)境［4－6］。主機(jī)系統(tǒng)工作在Centos環(huán)境下，將飛思卡爾針對開發(fā)板提供的嵌入式開發(fā)套件BSP源代碼包掛載到/opt/freescale目錄下。執(zhí)行./install完成安裝，最后生成項(xiàng)目開發(fā)所需的交叉編譯工具:powerpc－e300c3－linux－gnugcc、powerpc－e300c3－linux－gnu－g++、powerpce300c3－linux－gnu－ar。

3.4 U －BOOT移植

移植工作主要針對不同的目標(biāo)板進(jìn)行一些配置修改。以MPC8308RDB作為目標(biāo)板，首先確定目標(biāo)板上的系統(tǒng)資源映射，在此基礎(chǔ)上通過修改配置文件和代碼完成U－BOOT的移植，如果移植后無法滿足外部設(shè)備的一些功能需求，還需要添加一些驅(qū)動程序。本平臺的地址空間映射如表1所示。

表1 8 Mbyte NOR映射圖

在移植過程中，需要對MPC8308ERDB.h文件做一些修改，比如:

設(shè)置正確的輸入時(shí)鐘:

#define CONFIG_83XX_CLKIN 33333333/*in Hz*/

#define CONFIG_SYS_CLK_FREQ CONFIG_83XX_CLKIN

設(shè)置bootdelay:

#define bootdelay 3

注銷CONFIG_VSC7385_ENET，因目標(biāo)板不包含此交換芯片，否則U－BOOT會一直重啟:

由于系統(tǒng)中要掛載JFFS2文件系統(tǒng)，還需對archpowerpcbootdtsmpc8308erdb.dts文件中JFFS2定義部分進(jìn)行內(nèi)存大小設(shè)置。最后，將編譯好的u－boot.bin通過JTAG燒錄到Flash中，再通過tftp將內(nèi)核(uImage)、文件系統(tǒng)(rootf.gz.ext2.u－boot)加載到 Flash 中，完成 U－BOOT 和內(nèi)核移植工作。

3.5 SDK 移植

SDK源代碼包從博通官網(wǎng)上下載。

1)首先在/opt/share/broadcom目錄下解壓出SDK源代碼。

2)進(jìn)入sdk －all－5.10.1systemslinuxkernel，建立目錄mpc8308，選擇合適的目標(biāo)平臺(bmw－2_6)，將該平臺下的makefile復(fù)制到mpc8308目錄下，打開/mpc8308下的makefile，找到platform，將bmw－2_6替換為mpc8308。

3)進(jìn)入 sdk－all－5.10.1make目錄，復(fù)制當(dāng)前文件Makefile.linux－bmw －2_6，并重新更名為 Makefile.linuxmpc8308。要順利向后執(zhí)行代碼，必須先設(shè)置環(huán)境變量，這里建立一個(gè)setenv.sh腳本文件，錄入如下代碼:

export PATH=MYMPATH:/opt/freescale/usr/local/gcc－4.1.78 － eglibc－2/powerpce300c3－linux－gnu/bin/

export CROSS_COMPILE=powerpc－e300c3－linux－gnu

export PPC_TOOLS_DIR=/opt/freescale/usr/local/gcc－4.1.78 － eglibc－2/powerpc－e300c3－linux－gnu/bin/

export SDK=/opt/share/broadcom/sdk － all－5.10.1

export KERNDIR=/home/ferry/wok/ltib－mpc8308erdb－20100413/rpm/BUILD/－linux

上述變量中，PATH為交叉編譯環(huán)境的路徑，CROSS_COMPILE為編譯工具，即U－BOOT移植過程中所生成的交叉編譯工具，SDK為sdk安裝目錄，KERNDIR為U－BOOT源代碼所在目錄。針對目標(biāo)芯片，對當(dāng)前環(huán)境做適當(dāng)修改。注銷掉WRS_LINUX_VERSION=2.0，將CFGFLAGS+= －DBCM_PLATFORM_STRING=”BBMW_MPC8245/PPC603e”編譯環(huán)境變量替換為CFGFLAGS+=－DBCM_PLATFORAM_STRING=”BMW__MPC8308”，ARCH=ppc替換為ARCH=powerpc，最后再將KFLAGS重新設(shè)置為目標(biāo)參考值。

4)執(zhí)行source setenv.sh，導(dǎo)入腳本文件，進(jìn)入 sdkall－5.10.1systemslinuxkernelmpc8308 執(zhí)行 make 命令。編譯成功后，在/sdk －all－5.10.1 生成 build 目錄，在/build目錄下生成7個(gè)文件，如表2所示。

最后將用到的模塊加載。執(zhí)行過程如下:

#insmod linux－kernel－bde.ko–f

#insmod linux－bcm－core.ko–f

#./bcm.user.proxy

表2 生成模塊列表

4 測試分析

經(jīng)過測試，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間如表3所示。

表3 響應(yīng)時(shí)間

初始上電后，看門狗的LED呈淺黃色，CPU每隔5 ms發(fā)送一次心跳數(shù)據(jù)包。當(dāng)被保護(hù)設(shè)備掉電時(shí)，看門狗的LED呈紅色，系統(tǒng)自動切換到旁路模式，切換時(shí)延小于20 ms。光路切換時(shí)延是指心跳包通過內(nèi)部電路繞過防火墻情況下，從防火墻返回心跳信號到光路切換完成所需要的時(shí)間。

5 小結(jié)

經(jīng)以上分析測試，旁路保護(hù)器具有響應(yīng)快、自動檢測、功耗低、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，能支持10G單模和多模數(shù)據(jù)傳輸，具備很好的實(shí)用價(jià)值，該旁路保護(hù)器已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，逐步推向市場。

本文創(chuàng)新點(diǎn):硬件上充分利用了MPC8308高度集成、低功耗的優(yōu)勢，提供了RJ－45和RS－232兩個(gè)接口，擴(kuò)展了系統(tǒng)功能，硬件上也采用了雙重電路安全設(shè)計(jì)，對設(shè)備自身提供了安全保護(hù)功能;在軟件上，采用了飛思卡爾提供的LITB開發(fā)包以及博通交換芯片SDK源碼包，構(gòu)建了優(yōu)秀的開發(fā)平臺，縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期。

［1］孫紀(jì)坤.嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)詳解－基于ARM［M］.北京:人民郵電出版社，2006.

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