集中式三层交换机设备软件模块的设计与实现

摘要

三层交换技术将传统的二层转发和路由技术结合起来，特别适合汇聚层的需要。它拥有二层交换的高速数据处理能力，交换带宽可达30Gbps以上，同时能像路由器那样处理三层报文。虽然与骨干网上的路由器相比，三层交换机没有提供丰富的物理接口类型，没有支持那么完善的路由协议，但汇聚层在这两方面的需求并不苛刻。更为重要的是，三层交换机拥有的高交换带宽，更能满足汇聚层对数据交换能力的需要。 三层交换机的常见交换架构有集中式和分布式两种。传统的集中式交换架构由于受到主控板三层交换芯片及CPU处理能力的限制，在处理三层报文及跨板转发方面的性能不尽人意。但随着高性能转发芯片的出现及TCAM的引入，主控板的转发速度有了显著提高，能够满足大多数汇聚层的需求。相对于那些分布式交换架构而言，集中式交换架构的接口板成本很低，这更是它的优势所在。 本文讲述了我在北京港湾网络有限公司实习时所参与开发的集中式三层交换机。首先介绍了此三层交换机中的硬件转发芯片，包括G750系列转发芯片、芯片与CPU的接口以及芯片处理数据报文的主要流程。接下来讲述了此交换机中供硬件转发使用的存储结构，包括TCAM、RAM及二者的协作关系。 本文并没有详细介绍各芯片处理数据报文的过程，以及芯片在转发数据报文时所用到的数据结构，而是重点讲述了接口管理和内存管理两个软件模块的设计及实现。它们都是交换机中重要的管理模块，它们的设计借鉴了Linux内核以及面向对象的思想，具有较强的可扩展性和可移植性。 接口管理模块管理着交换机中的所有接口实例，包括它们的属性、能力以及相互间的关系。它通过命令行向用户提供强大的接口管理命令，同时将接口变化事件通知到相关模块并正确设置硬件，以确保硬件的正确行为。 内存管理模块借鉴了Linux中slab内存管理思想。此模块高效地管理着用户可支配的内存，并通过引入了内存使用信息统计功能，降低了内存泄露的跟踪定位难度。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图目录、表目录、缩略词表

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章绪论

1.1项目背景

1.2论文的主要工作

1.3论文的内容安排

第二章交换机的发展及现状

2.1二层交换技术

2.2路由技术

2.3三层交换技术

2.3.1诞生背景

2.3.2三层交换概述

2.3.3三层交换的特点

2.4路由查找算法的演变

2.4.1路由查找算法的分类

2.4.2传统的路由查找算法

2.4.3路由查找的新算法

2.4.4路由查找算法的评价

第三章集中式三层交换机的架构

3.1集中式与分布式的对比

3.1.1传统集中式交换的瓶颈

3.1.2分布式交换及优缺点

3.1.3高性能集中式交换

3.2集中式三层交换机的硬件架构

3.2.1芯片转发架构

3.2.2交换芯片与CPU的接口

3.2.3存储结构

3.2.4扣板的结构及功能

3.3软件的层次结构

3.4主要软件模块及功能

3.4.2设备相关模块

3.4.3二层交换相关模块

3.4.4三层路由相关模块

第四章接口管理

4.1接口的相关概念

4.1.1接口的分类

4.1.2接口行为

4.1.3接口的能力

4.2功能及设计原则

4.2.1接口管理模块的主要功能

4.2.2接口管理模块的设计原则

4.3软件框架

4.3.2事件的接收机制

4.3.3事件的通知机制

4.4重要数据结构

4.4.1接口类型

4.4.2接口实例

4.4.3类型与实例的关系

4.4.4行为函数的统一访问入口

4.4.5接口关系的组织

4.4.6接口能力

4.4.7全局表

第五章内存管理

5.1 X86系列CPU对存储管理的硬件支持

5.1.1实地址模式

5.1.2保护地址模式

5.1.3 i386对页式内存管理的支持

5.2 Linux内存管理的基本框架

5.2.1 Linux在i386 CPU上的映射模式

5.2.2地址映射的全过程

5.2.3重要的数据结构

5.3页式内存管理例程

5.3.1越界访问与堆栈扩展

5.3.2页面交换

5.3.3物理页面分配

5.4内核缓冲区的管理

5.4.1函数malloc的缺陷

5.4.2缓冲区的高效组织方式

5.4.3缓冲区的相关操作

5.5 slab内存管理方法的移植

5.5.1分页系统的设计与实现

5.5.2信号量的移植

5.6内存使用信息统计

5.6.1内存统计目的

5.6.2实现方法

第六章总结与展望

6.1本文总结

6.2未来展望

参考文献

致谢

个人简介和攻读硕士学位期间的成果