CN107888519A - 一种局域千兆以太网交换机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种局域千兆以太网交换机，包括基于SOC片上***的主处理器、(N+1)个以太网PHY芯片、交换机芯片、N个以太网接口；第一以太网PHY芯片的一端与所述主处理器的一端相连，另一端与交换机芯片的第一接口相连，所述主处理器的另一端还与交换机芯片相连；第n个以太网接口与第(n‑1)个以太网PHY芯片串联后与交换机芯片的第n接口相连；主处理器通过PHY芯片、交换机芯片、网络接口实现组网，实现千兆以太网信号的交换与传输；可以解决现有局域以太网的网络利用率低、碰撞率高的问题；采用本发明提供的该技术方案能够让局域网高速化、智能化，并具有集成度高、应用广泛、通用性强的特点。

Description

一种局域千兆以太网交换机

技术领域

本发明属于通信技术领域，更具体地，涉及一种局域千兆以太网交换机。

背景技术

目前，在局域网领域都展开了计算机网络的介入工作，在局部办公或家庭智能化领域常常会采用专用的以太网交换机，实现信息的传输及控制。

广义上讲，交换机就是一种传输设备，即可以在通信***实现信息交流与互通。它归属于数据链路层的网络设备，分为二层交换机和三层交换机。二层交换机可当作一个hub来使用，三层交换机应用较广泛，它可以工作在网络层。而以太网交换机指的是基于以太网传输数据的交换机，以太网是采用共享总线型传输数据的交换机、采用共享总线型传输媒体方式的一种局域网结构。

如果以太网上拥有大量的用户、繁忙的应用程序和各式各样的服务器，而网络结构未作出任何调整，那么整个以太网局域网络的性能可能会非常低。作为局域网的主要连接设备，以太网交换机成为应用普及最快的网络设备之一。以太网交换机可以解决网络利用率低、碰撞率高的问题，目的是尽可能减少和过滤网络中的数据流量。在以太网添加一个10/100/1000Mbps的交换机不仅可以处理10/100Mbps的常规以太网数据流，而且还可以支持1000Mbps的快速以太网连接。

随着网络技术发展迅速，对局域网的工作要求越来越高，关键因素在于交换机的性能，为了适应新型智能化、自动化要求，开发简单实用、高性价比的交换机设备成为市场上的上佳选择。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种局域千兆以太网交换机，其目的在于克服局域网内信息传输低速、窄带宽的缺点，实现多用户之间高速信息的互联。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种局域千兆以太网交换机，包括基于SOC片上***的主处理器、(N+1)个以太网PHY芯片、交换机芯片、N个以太网接口；其中，N为不大于16的自然数；

其中，第一以太网PHY芯片的一端与主处理器的一端相连，另一端与交换机芯片的第一接口相连，主处理器的另一端还与交换机芯片相连；第n个以太网接口与第(n-1)个以太网PHY芯片串联后与交换机芯片的第n接口相连；其中，n为大于1、不大于N的自然数；

上述架构实现了1路主机，N路分机的二层局域千兆以太网交换机；主处理器是整个局域千兆以太网交换机的处理核心，用于控制各分机之间的数据交换以及主处理器与分机的高速数据传输；第一以太网PHY芯片作为主处理器与交换机芯片之间的桥梁，用于实现主处理器与分机之间的通讯；交换机芯片是数据交换的执行核心，所有数据的传输都经过交换机芯片的协调；第2以太网PHY芯片～第(N+1)以太网PHY芯片是交换机芯片与外部接口之间的桥梁，用于将各分机传输的标准信号转换为交换机芯片可识别的信号；网络接口是用于连接分机的以太网通用接口插槽，连接普通网线插头。

优选的，上述的局域千兆以太网交换机，其主处理器包括供电电路、DDR电路和至少两个Flash；其中，供电电路用于主处理器内核以及IO接口供电，DDR电路为主处理器提供高速的RAM(Random-Access Memory，随机存取存储器)内存，便于主处理器进行快速处理；其中一个Flash为主处理器提供程序存储空间，用于存储操作***、主处理器启动程序，另一个Flash为主处理器提供数据存储空间。

优选的，上述的局域千兆以太网交换机，其配置顺序具体如下：

(1)通过主处理器对第一以太网PHY芯片和交换机芯片进行配置；

(2)通过交换机芯片对第2～第(N+1)路以太网PHY芯片进行配置。

优选的，上述的局域千兆以太网交换机，其主处理器内部PS(Processing System)***包括MDIO、MDC接口，用于配置第一以太网PHY芯片，实现主处理器与第一以太网PHY芯片、第一以太网PHY芯片与交换机芯片之间的通讯配置；主处理器与第一以太网PHY芯片之间采用RGMII模式通讯；第一以太网PHY芯片与交换机芯片之间采用SGMII模式通讯。

优选的，上述的局域千兆以太网交换机，其主处理器通过SPI总线对交换机芯片进行配置，进而通过交换机芯片配置第2～第(N+1)路以太网PHY芯片。

优选的，上述的局域千兆以太网交换机，交换机芯片采用博通BCM5396，以太网PHY芯片采用88E1111。

优选的，上述的局域千兆以太网交换机，其主处理器通过MDC、MDIO管理交换机芯片；第一以太网PHY芯片和交换机芯片内部都集成了千兆以太网SGMII模块；交换机芯片通过自身集成的MDC、MDIO功能配置第2～第(N+1)路以太网PHY芯片；网络接口采用带有变压器功能的RJ45模块；网络接口与PHY芯片之间采用MDI通讯模式。

本发明提供的上述的局域千兆以太网交换机建立维护地址表的方法，具体如下：

(1)当局域千兆以太网交换机从某个端口收到一个数据包时，首先读取包头中的源MAC地址，识别端口，如果地址表中没有则加入该地址；

(2)读取包头中的目的MAC地址，并在地址表中查找相应的端口；

(3)如果表中有目的MAC地址对应的端口，把数据包直接复制到此端口；如果表中找不到相应端口，则把数据包广播到所有端口，当目的端口对源机器回应时，局域千兆以太网交换机据此识别MAC地址与端口的对应关系，将其记录到地址表中，下次传送数据就不需广播所有端口；

通过上述过程，交换机逐步建立并维护地址表。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供的上述局域千兆以太网交换机，主处理器通过PHY芯片、交换机芯片、网络接口实现组网，实现千兆以太网信号的交换与传输；可以解决现有局域以太网的网络利用率低、碰撞率高的问题；采用本发明提供的该技术方案，能够让局域网高速化、智能化，并具有集成度高、应用广泛、通用性强的特点。

附图说明

图1是本发明提供的局域千兆以太网交换机的一个实施例的结构示意图；

图2是本发明提供的局域千兆以太网交换机的实施例的主电路示意图；

图3是实施例提供局域千兆以太网交换机的架构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1所示，本发明提供的局域千兆以太网交换机的一个实施例，基于SOC片上***的主处理器、常用以太网PHY芯片、专用交换机芯片、带有变压器功能的以太网接口搭建局域千兆以太网交换机，实现1主机、15路分机的局域千兆以太网二层交换机；本实施例中，交换机芯片采用博通BCM5396，以太网PHY芯片采用88E1111。该局域千兆以太网交换机具体的包括：主处理器、第16以太网PHY芯片16、交换机芯片、第1以太网PHY芯片1～第15以太网PHY芯片15、第1网络接口1～第15网络接口15；其中主处理器是整个交换机的处理核心，用于控制分机之间的数据交换以及与分机进行高速数据传输；第16以太网PHY芯片16是主处理器和交换机芯片之间的桥梁，用于实现主处理器与分机之间的通讯；交换机芯片是数据交换的执行核心，所有数据的传输都经过交换机芯片的协调；第1以太网PHY芯片1～第15以太网PHY芯片15是交换机芯片与外部接口之间的桥梁，用于将外部各分机传输的标准信号转换为交换机芯片可识别的信号；第1网络接口1～第15网络接口15是用于连接分机的以太网通用接口插槽，连接普通网线插头。

要实现整个网络链路通，需要对第1以太网PHY芯片1～第16以太网PHY芯片16和交换机芯片进行配置。本实施例中，第16以太网PHY芯片16与交换机芯片由主处理器进行配置，而第1以太网PHY芯片1～第15以太网PHY芯片15由交换机芯片进行配置，主处理器对交换机芯片完成配置后，交换机芯片就会对第1以太网PHY芯片1～第15以太网PHY芯片15正确配置。具体地，主处理器内部PS***的MDIO、MDC接口用于配置第16以太网PHY芯片16，实现主处理器与第16以太网PHY芯片16、第16以太网PHY芯片16与交换机芯片之间的通讯配置，主处理器与第16以太网PHY芯片16之间为RGMII模式，第16以太网PHY芯片16与交换机芯片之间为SGMII模式；然后，主处理器通过SPI总线对交换机芯片进行配置，进而配置第1以太网PHY芯片1～第15以太网PHY芯片15，完成配置后以太网接口中的黄灯亮起。主处理器中嵌入操作***，在u-boot中设置IP地址后，通过网线就可以ping通其他分机或者电脑。

参照图2，本发明实施例提供的主处理器包括外部供电电路、DDR电路、Flash电路等。外部供电电路用于主处理器内核以及IO接口供电，DDR电路为主处理器提供高速的RAM内存，便于主处理器进行快速处理，图2中的Flash1为主处理器提供程序存储空间，用于存储操作***、主处理器启动程序；Flash2为主处理器提供数据存储空间。

主处理器与第16以太网PHY芯片88E1111之间的通讯为RGMII模式，主处理器SOC中的PS***集成了RGMII以太网专用通道，第16以太网PHY也集成了RGMII以太网专用通道，主处理器通过MDC、MDIO配置第16以太网PHY芯片，通过SPI总线配置交换机芯片BCM5396，并通过MDC、MDIO管理交换机芯片BCM5396；第16以太网PHY芯片与交换机芯片之间采用SGMII通讯模式，第16以太网PHY芯片和交换机芯片内部都集成了千兆以太网SGMII模块，实现方便互连；交换机芯片BCM5396通过自身集成的MDC、MDIO功能配置第1以太网PHY芯片1～第15以太网PHY芯片15，其剩余的15路SGMII口分别连接15路以太网PHY芯片，通讯方式为SGMII；网络接口采用带有变压器功能的RJ45模块，接口简单通用，与PHY芯片采用MDI通讯模式。

本发明实施例提供局域千兆以太网交换机的架构参照图3所示，***软件主要完成对交换机芯片的配置管理包括PHY芯片的配置管理。通过UART接口模块提供CLI接口可对***进行最初的配置，另外还可以通过Web随时进行配置管理，***软件采用模块化分层的设计方法。局域千兆网交换机的操作***用嵌入式可配置操作***VxWorks实现，是一个源码开放的可配置、可移植、无版税、面向嵌入式应用的实时操作***；应用层提供编程接口，提供了与交换芯片、PHY芯片的接口；支持模块提供***服务；管理模块提供管理接口，控制交换机芯片的工作，保存配置信息；管理模块提供用户接口，用户通过该模块管理交换机，可以用CLI和WEB两种方式管理交换机。

二层交换机属于数据链路层设备，主功能是识别数据包中的MAC地址信息进行相应的转发，这一功能的实现依靠将各个MAC地址与对应的端口记录在内部的地址表中并进行维护。具体的工作流程如下：

(1)当交换机从某个端口收到一个数据包时，首先读取包头中的源MAC地址，识别端口，如果地址表中没有则加入该地址；

(2)读取包头中的目的MAC地址，并在地址表中查找相应的端口；

(3)如果表中有目的MAC地址对应的端口，把数据包直接复制到此端口；如果表中找不到相应端口，则把数据包广播到所有端口，当目的端口对源机器回应时，交换机就可以识别MAC地址与端口的对应关系，将其记录到地址表中，下次传送数据就不需广播所有端口。通过上述过程，交换机就可以逐步建立和维护地址表。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种局域千兆以太网交换机，其特征在于，包括基于SOC片上***的主处理器、(N+1)个以太网PHY芯片、交换机芯片、N个以太网接口；

其中，第一以太网PHY芯片的一端与所述主处理器的一端相连，另一端与交换机芯片的第一接口相连，所述主处理器的另一端还与交换机芯片相连；第n个以太网接口与第(n-1)个以太网PHY芯片串联后与交换机芯片的第n接口相连；其中，N为不大于16的自然数，n为大于1、不大于N的自然数；

所述主处理器用于控制各分机之间的数据交换以及主处理器与分机的高速数据传输；第一以太网PHY芯片作为主处理器与交换机芯片之间的桥梁，用于实现主处理器与分机之间的通讯；所述交换机芯片是数据交换的执行核心，所有数据的传输都经过交换机芯片的协调；第2以太网PHY芯片～第(N+1)以太网PHY芯片是交换机芯片与外部接口之间的桥梁，用于将各分机传输的标准信号转换为交换机芯片可识别的信号；所述网络接口是用于连接分机的以太网通用接口插槽。

2.如权利要求1所述的局域千兆以太网交换机，其特征在于，所述主处理器包括供电电路、DDR电路和至少两个Flash；其中，供电电路用于主处理器内核以及IO接口供电，DDR电路为主处理器提供高速的RAM内存，便于主处理器进行快速处理；其中一个Flash为主处理器提供程序存储空间，用于存储操作***、主处理器启动程序，另一个Flash为主处理器提供数据存储空间。

3.如权利要求1或2所述的局域千兆以太网交换机，其特征在于，其配置顺序具体如下：

(1)通过主处理器对第一以太网PHY芯片和交换机芯片进行配置；

(2)通过交换机芯片对第2～第(N+1)路以太网PHY芯片进行配置。

4.如权利要求1或2所述的局域千兆以太网交换机，其特征在于，所述主处理器内部PS***包括MDIO、MDC接口，用于配置第一以太网PHY芯片，实现主处理器与第一以太网PHY芯片、第一以太网PHY芯片与交换机芯片之间的通讯配置；主处理器与第一以太网PHY芯片之间采用RGMII模式通讯；第一以太网PHY芯片与交换机芯片之间采用SGMII模式通讯。

5.如权利要求3所述的局域千兆以太网交换机，其特征在于，所述主处理器通过SPI总线对交换机芯片进行配置，进而通过交换机芯片配置第2～第(N+1)路以太网PHY芯片。

6.如权利要求4所述的局域千兆以太网交换机，其特征在于，所述主处理器通过MDC、MDIO管理交换机芯片；第一以太网PHY芯片和交换机芯片内部都集成了千兆以太网SGMII模块；交换机芯片通过自身集成的MDC、MDIO功能配置第2～第(N+1)路以太网PHY芯片；网络接口采用带有变压器功能的RJ45模块；网络接口与PHY芯片之间采用MDI通讯模式。

7.如权利要求1或2所述的局域千兆以太网交换机，其特征在于，所述局域千兆以太网交换机通过以下方法建立维护地址表：

(1)当局域千兆以太网交换机从某个端口收到一个数据包时，首先读取包头中的源MAC地址，识别端口，如果地址表中没有则加入该地址；

(2)读取包头中的目的MAC地址，并在地址表中查找相应的端口；

(3)如果表中有目的MAC地址对应的端口，把数据包直接复制到此端口；如果表中找不到相应端口，则把数据包广播到所有端口，当目的端口对源机器回应时，局域千兆以太网交换机据此识别MAC地址与端口的对应关系，将其记录到地址表中，下次传送数据就不需广播所有端口。

8.如权利要求3所述的局域千兆以太网交换机，其特征在于，所述交换机芯片采用博通BCM5396，以太网PHY芯片采用88E1111。