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1、 全分散模块化程控交换机设计方案摘 要： 20世纪90年代，我国程控交换机的研制经历了从无到有的发展过程，特别是大型局用程控交换机的成功研制给我国信息产业带来巨大的生机。这次我主要介绍的以中兴ZXJ10程控交换机设计全分散模块化进程控交换机。ZXJ10数字程控交换系统为模块间全分散，模块内分级控制，集中管理的开放式体系结构，以通用计算机平台为基础，局域网技术为支撑，客户机/服务器方式为控制结构的基本形态，使系统具备灵活的组网能力、强大的呼叫处理能力、高可靠性、良好的兼容性和扩展性。关键词：全分散，交换机，模块化 目 录1.绪论32.设计交换机系统结构及系统原理介绍32.1 交换机系统结构32.
2、1.1模块化结构32.1.2全分散控制方式42.2 三层交换42.2.1 第三层交换的特点52.2.2第三层交换机的应用52.2.3三层交换的原理63.设计模块化的交换机硬件结构74.设计交换机各组成模块及其功能84.1 处理器模块84.2 交换模块95.设计交换机各组成模块之间的通信96.设计全开放的后台维护、管理系统116.1 操作维护系统116.2诊断测试系统146.3告警部分156.4用户部分166.5 中继部分176.6 故障的预防和常见处理措施187.设计交换机软件系统197.1驱动层197.2协议栈197.3应用层198.心得体会201绪论20世纪60年代初期以来，脉冲编码调制（
3、PCM）技术成功地应用在传输系统中，对通话质量和节约线路设备的成本都产生了好处。于是产生了将PCM信息直接交换的设想。各国都开始了研制PCM信息的交换系统。1970年法国首位在拉尼翁开通了第一台数字交换系统E10，开始了数字交换的时代。程控数字交换与交换网作为通信专业的基础教材。学好这门课程极为重要。目前相关教材均是基于理论课教学的需要, 在内容设计上把大量篇幅用于介绍理论, 对于实际程控交换体系的产品设计、生产和具体应用等则比较简略。当然,程控数字交换实验课程可以部分弥补这一不足, 但所使用的实验箱为整板式的电路板, 且实验内容更多着眼于验证所学理论, 忽视了实际动手能力的培养。为了加深我们
4、对所学理论知识的理解, 加强动手实践能力, 特对程控交换的基本模块进行设计。2.设计交换机系统结构，给出系统原理介绍。2.1 交换机系统结构2.1.1模块化结构在模块化结构中，外围交换模块（PSM）是系统最基本的模块，可独立成局。当外围交换模块（PSM）为多个时，需要一个中心模块来完成模块间的互联。中心模块也叫互联网络模块，它包括交换网络模块（SNM）、消息分配模块（MDM）和操作维护模块（OMM）。交换网络模块（SNM）用来完成模块间的话路交换，消息分配模块（MDM）用来完成模块间的通信。为了满足通信网的发展和用户不断增长的新需求，根据需要还可添加其他功能模块，如增加No.7信令模块（CSM
5、）、分组交换模块（PHM）、座席管理模块（PMM）、话音业务模块（VSM）、智能业务模块（INM）和数字综合业务模块（ISM）等。2.1.2全分散控制方式这次设计的程控交换机还要有许多独立的分散式功能模块组成。例如，外围交换模块（PSM）完成基本的呼叫处理功能；交换网络模块完成模块间的通信和话路交换；N0.7信令模块（CSM）完成N0.7信令的二级和三级功能处理；操作维护模块（OMM）完成系统的操作维护等。每个模块都有各自的主处理机（MP），能相对独立的完成模块内的呼叫接续功能，在某一模块出现故障时不影响其他模块的运行。图1 程控数字交换机系统的结构2.2 三层交换第三层交换技术的出现，解决了
6、局域网中网段划分之后，网段中子网必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。当然，三层交换技术并不是网络交换机与路由器的简单叠加，而是二者的有机结合，形成一个集成的、完整的解决方案。 因为三层交换机与传统的交换机比，比较占优势。所以，在这里，我主要介绍三层的程控交换机,具体如下：2.2.1 第三层交换的特点突出的特点如下：(1.高可扩充性三层交换机在连接多个子网时，子网只是与第三层交换模块建立逻辑连接，不像传统外接路由器那样需要增加端口，从而保护了用户对校园网、城域教育网的投资 2.高性价比三层交换机具有连接大型网络的能力，功能基本上可以取代某些传统路由器，但
7、是价格却接近二层交换机。现在一台百兆三层交换机的价格只有几万元，与高端的二层交换机的价格差不多。 3.内置安全机构三层交换机可以与普通路由器一样，具有访问列表的功能，可以实现不同VLAN间的单向或双向通讯。如果在访问列表中进行设置，可以限制用户访问特定的IP地址，这样学校就可以禁止学生访问不健康的站点。 4.适合多媒体传输教育网经常需要传输多媒体信息，这是教育网的一个特色。三层交换机具有QoS（服务质量）的控制功能，可以给不同的应用程序分配不同的带宽。 5.计费功能在高校校园网及有些地区的城域教育网中，很可能有计费的需求，因为三层交换机可以识别数据包中的IP地址信息，因此可以统计网络中计算机的
8、数据流量，可以按流量计费，也可以统计计算机连接在网络上的时间，按时间进行计费。而普通的二层交换机就难以同时做到这两点。 第三层交换的目标是，只要在源地址和目的地址之间有一条更为直接的第二层通路，就没有必要经过路由器转发数据包。第三层交换使用第三层路由协议确定传送路径，此路径可以只用一次，也可以存储起来，供以后使用。之后数据包通过一条虚电路绕过路由器快速发送。 2.2.2第三层交换机的应用 第三层交换机的主要用途是代替传统路由器作为网络的核心，因此，凡是没有广域连接需求，同时又需要路由器的地方，都可以用第三层交换机来代替。在企业网和校园网中，一般会将第三层交换机用在网络的核心层，用第三层交换机上
9、的千兆端口或百兆端口连接不同的子网或VLAN。第三层交换机解决了局域网VLAN必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器速度低、复杂所造成的网络瓶颈问题。利用三层交换机在局域网中划分VLAN,可以满足用户端多种灵活的逻辑组合, 防止了广播风暴的产生, 对不同 VLAN 之间可以根据需要设定不同的访问权限，以此增加网络的整体安全性，极大地提高网络管理员的工作效率，而且第三层交换机可以合理配置信息资源，降低网络配置成本，使得交换机之间连接变得灵活。 2.2.3三层交换的原理从硬件的实现上看，目前，第二层交换机的接口模块都是通过高速背板/总线交换数据的。在第三层交换机中，与路由器有关的第三层路由
10、硬件模块也插接在高速背板/总线上，这种方式使得路由模块可以与需要路由的其他模块间高速地交换数据，从而突破了传统的外接路由器接口速率的限制(10Mbit/s-100Mbit/s)。在软件方面，第三层交换机将传统的基于软件的路由器重新进行了界定： (1)数据封包的转发：如IP/IPX 封包的转发，这些有规律的过程通过硬件高速实现；(2)第三层路由软件：如路由信息的更新、路由表维护、路由计算、路由的确定等功能，用优化、高效的软件实现。 假设有两个使用IP 协议的站点，通过第三层交换机进行通信的过程为：若发送站点A在开始发送时，已知目的站B的IP 地址，但尚不知道它在局域网上发送所需要的MAC 地址，
11、则需要采用地址解析(ARP)来确定B的MAC 地址。A把自己的IP 地址与B的IP 地址比较，采用其软件中配置的子网掩码提取出网络地址来确定B是否与自己在同一子网内若B 与A 在同一子网内，A 广播一个ARP 请求，B 返回其MAC 地址，A 得到B 的MAC地址后将这一地址缓存起来，并用此MAC 地址封包转发数据，第二层交换模块查找MAC 地址表确定将数据包发向目的端口。若两个站点不在同一子网内，则A 要向缺省网关发出ARP(地址解析)封包，而缺省网关的IP 地址已经在系统软件中设置，这个IP 地址实际上对应第三层交换机的第三层交换模块。当A 对缺省网关的IP 地址广播出一个ARP 请求时，
12、若第三层交换模块在以往的通信过程中已得到B 的MAC 地址，则向发送站A 回复B 的MAC 地址；否则第三层交换模块根据路由信息向目的站广播一个ARP 请求，B 得到此ARP 请求后向第三层交换模块回复其MAC 地址，第三层交换模块保存此地址并回复给发送站A 。以后，当再进行A 与B 之间数据包转发时，将用最终的目的站点的MAC 地址封包，数据转发过程全部交给第二层交换处理，信息得以高速交换。 3.设计模块化的交换机硬件结构VLSW 4150三层交换机的硬件结构分为两个部分，处理器模块和交换模块，它们之间通过PCI接口相连，同时配合相应的外围电路形成完整的三层交换机系统，见图2。 图2 硬件结
13、构4.设计交换机各组成模块，并简述各模块功能4.1 处理器模块 如图3所示，处理器部采用一款MOTOROLA PowerQUICC II CPU，同一些外部存储设备以及一些外围电路构成三层交换机的处理器部分。处理器模块主要是运行嵌入式操作系统，配置系统和路由表的维持，而不是数据转发通路的组成部分。CPLD 保存一些CPU初始化的一些配置以保证上电后CPU正常启动，Flash 芯片用于存储三层交换机的所需要的所有软件和相关配置，SDRAM在系统启动之后载入FLASH中的程序，保证系统正常运行。处理器模块一方面提供一个快速以太网接口和一个异步口，用于对交换机进行配置和调试；另一方面通过PCI接口和
14、交换模块相连，通过PCI接口对交换模块进行控制，并进行数据传输。 图3 处理器模块的硬件组成 4.2 交换模块 如图4所示，交换模块采用了BROADCOM公司的BCM5645作为ASIC芯片，通过PCI接口与处理器模块进行通信完成数据传输，通过5645提供的内存接口，可以给交换模块提供一个64M的外部SDRAM，从而提高交换机的吞吐量和交换速度。5645通过MII接口和GMII接口分别连接24个百兆以太网和2个千兆以太网。图4 交换模块的硬件组成 5.设计交换机各组成模块之间的通信本交换机中，各个模块中有模块主处理机MP来处理所有的数据和消息。通过消息分配模块（MDM）将各个模块的主处理机（M
15、P）用固定的64kb/s的通道连接起来，即通过固定的通道来进行通信，以保证各个模块的MP能及时的收发各种信息。消息分配模块（MDM）的交换网由2块2K*2K的T网组成，称为MDN网。MDN网的时隙及HW线间的连接关系在系统初始化时既已确定，一般不需要改动。MDN网的HW线、时隙分配原则如下：（1） 每个MDN网为每个模块提供1条HW线，2个MDN网为每个模块提供2条HW线。（2） HW线中的每一个时隙对应一个模块，即每个模块分别通过一个固定的64kb/s时隙和其他模块进行通信。2条HW线总共64个64kb/s时隙，因此每个模块就可以和其他的63个模块进行通信。（3） 模块间通信接口。模块间通信接口如图所示：图5 模块间通信接口在上图中，各个模块间的通信消息都是通过MDN网的半固定连接实现的。各个模块的主处理机（MP）通过模块间通信处理机（MPMP）和MDN网直接相连，由MPMP来进行消息的转发，保证消息无差错的传输。近端模块用电缆通过网络驱动板（NETD）和中心模块直接相连，近端模块的MPMP和中心模块的MPMP均能处理1条HW线上32个时隙的消息。根据系统的配置（64个模块）而疲惫2块MPMP，负责将消息按
