1. 引言
作為因特網的樞紐，路由器正在朝速度更快、服務質量更好和更易于綜合化管理的三個方向發展。現在芯片速度每18個月翻一翻，而因特網的流量是每六個月翻一翻。大家對路由器的研究也重點體現在提高路由器的處理速度上，相續提出了千兆位交換路由器（GSR，Gigabit Switch Router）和太位交換路由器（TSR，Terabit Switch Router）。
隨著IP的核心地位逐漸被認同，IP over ATM、然后ATM over SDH的方式被IP直接over SDH的方式取代。傳輸速度也很快從OC-12 ( 622Mbps ) 跳到OC-48 ( 2.5Gbps )。POS技術已經廣泛用于骨干網中，而POS接口成為高端路由器必不可少的一部分。
我所研制的T比特路由器，系統總吞吐率可達1.28Tbps，峰值交換能力為2.4Tbps，而每端口可達到10G的轉發速率。為達到10G的轉發速率，本路由器采用了4路2.5GPOS接口。文章在第二節描述了2.5GPOS接口的硬件體系結構的設計和性能需求分析，在第三節詳細闡述了軟件體系結構的設計與實現。
2. 硬件總體結構設計
本路由器硬件體系結構由線路接口子系統、轉發處理子系統、光背板交換網絡子系統和內部通信子系統四大部分組成。當接口收到數據包后，首先判斷該包的目的地址是否為本路由器，是則上交給單板軟件并由內部通信子系統交給主控處理；否則填充內部包頭，注明包類型，協議類型，目的機架號，端口號，接口號等信息，由同軸電纜交給轉發處理子系統，再由光背板轉發到目的接口。接口把轉發送過來的包和本路由器發出的包，進行和路處理后再發送出去。
2.1 性能需求分析
1）根據以往路由器的經驗，通常硬件FPGA 中的高速通道工作在2.5Gbps速率下比較穩定。就A口輸入數據速率10Gbps來說，4個2.5Gbps的高速通道就可以將數據傳到轉發處理模塊。但是，線路接口模塊的功能實現要求：數據包在經過線路接口輸入處理模塊的處理后要加上128 bit即16個byte的內部標簽。考慮極限情況，A口收到的都是40 byte的超短包，那么，B口輸出的數據的極限速率為：[10Gbps×（40 byte＋16 byte）]/40 byte＝14Gbps。所以，我們設計采用兩路2.5Gbps的高速通道來傳A口接收的10Gbps數據中的四分之一即2.5Gbps數據到轉發處理模塊。那么，B口的最大輸出速率為2.5Gbps×8＝20Gbps，完全滿足B口傳輸帶寬要求。
2）在均勻輸入業務模型和平衡輸出模型條件下，假定定長分組業務強度λ為0.95，為了控制分組的丟失概率小于10－8，可計算所需要的輸出隊列分組緩沖容量S約為650個分組。統計意義上IP分組的平均長度為508字節。考慮到內部分組標簽附加的24字節，平均需要緩沖的IP分組字節數為532字節 總緩沖容量為650×532×8=2766400（Bits），即近似為2.8MBits的緩沖容量。
3）本子系統的接口速度要達到10Gbps，如果每個包都是40字節，那么這時極限查表速率為：
對于輸入查表模塊的另一個指標為表項容量。按照極限容量來算，T比特路由器有8個機架，每個機架8個端口，每個端口8個接口，每個接口的IPv4單播組播、IPv6單播組播地址總計有64個。那么極限表項容量為8*8*8*64＝32768（32k）條。達到這兩個設計指標是本模塊設計的一個難點。最終，我們選擇了一款CAM，有64K條表項，查表速率能夠達到100MSPS。這樣的指標完全可以達到本模塊的要求。
2.2 子系統功能劃分和模塊設計
如下圖所示，4 2.5G線路接口子系統可劃分為光電及串并轉換模塊、鏈路層處理模塊、輸出FPGA處理模塊、輸入FPGA處理模塊、協議報文上交緩存模塊、輸入查表模塊和時鐘處理模塊。為描述方便，將本子系統和路由器外部的接口稱為A口，和轉發處理子系統的接口稱為B口，和光背板子系統的接口稱為G口，和單板處理機的接口稱為F口，和時鐘子系統的接口稱為J口。
從路由器外部接收數據時，光電及串并轉換模塊負責從A口接收4路2.5Gbit/s串行光信號，轉換成16路差分622Mhz電信號；送由鏈路層處理模塊進行鏈路層處理。鏈路層處理模塊從SDH幀提取出ppp報文，然后交給輸入FPGA處理模塊。輸入FPGA處理模塊針對輸入包的類型，對輸入查表模塊存儲的本機IP地址表查表，進行分路處理，若此報文的目的為本路由器則上交主控，否則轉發到B口。輸出FPGA處理模塊負責接收主控下發協議包和從系統光背板轉發G口數據包，合路后交給鏈路層處理模塊。鏈路層處理模塊把和路后的ppp報文封裝在SDH幀中，由光電及串并轉換模塊轉換成光信號發送出去。時鐘處理模塊為本模塊提供全局時鐘和將本模塊從線路上提取的時鐘輸出到時鐘板。
3. 軟件總體結構設計與實現
MPC860是基于PowerPC結構的通信控制器。它不僅是集成的微處理器，而且將很多外設的功能也集成在一起。MPC860具有存儲控制器，其存儲控制器的功能很強，可以支持各種存儲器，包括各種新型的DRAM和Flash，并可以實現與存儲器的無縫接口。
由美國風河公司（Wind River）推出的嵌入式強實時操作系統VxWorks因用于火星登陸車而名噪一時。VxWorks是一套具有微內核，高性能，可伸縮的操作系統，支持廣泛的網絡通信協議，并能夠根據用戶的需求組合，增減。再加上其優秀的開發環境Tornado，使其成了嵌入式操作系統的首選。選擇MPC860加上嵌入式強實時操作系統VxWorks完全可以買足單板處理的性能需求。
上圖展示了單板軟件總體結構。單板操作系統是采用VxWorks，單板處理器是采用MPC860。路由器有不同種類的線路接口板，每種接口板都需要完成許多相同的功能，可把這些相同的功能放在一個單獨的模塊中實現，減少冗余勞動。板級支撐模塊為單板應用提供與主控軟件之間的通信、任務管理、內存管理和定時器管理等服務；而單板應用為線路接口單板軟件模塊，完成單板轉發處理。
單板軟件主要完成的功能有：對各類型單板硬件的初始化和配置，接收并處理主控下發的單板控制命令，完成軟硬件程序加載，以太網接口板運行IPv4 ARP協議，維護并向主控通告ARP信息，協議數據（源/目地址為本路由器的分組）收發，維護路由器接口地址信息，差錯報文處理、記錄報文上報，業務性能統計數據收集與上報，維護單板與主控板間的通信連接。
按照這些功能，把單板軟件分為初始化模塊，主控命令處理模塊，接口芯片監控和業務性能統計模塊，消息分發模塊，包發送模塊，報接收模塊，自檢模塊，CAM表維護模塊，工具函數模塊。正常運行時建立四個任務：主控處理任務，統計任務，發包任務，收包任務。
其數據處理流程如右圖：單板硬件接收到本路由器包，寫入輸入FIFO，收包任務讀出包，封裝在定義的內部數據結構中，調用板級支撐模塊中的發送函數發給主控；主控下發的包則由消息分發模塊處理，協議包交給發包任務，再寫入輸出FIFO，然后發送出去，控制包則交主控處理模塊處理，完成向對應的功能。
由于本接口需要達到10G的速率，各任務之間必須有穩定和高速交互機制。VxWorks操作系統為任務間通信提供了許多通信方式，包括共享內存，信號量，消息隊列和管道，Sockets和遠程調用等。消息隊列允許長度可變，數目可變的消息隊列，可以滿足多任務之間通信。VxWorks的Wind內核可采用基于優先級的搶占式任務調度與輪轉調度相結合，因此一定要設置好各任務的優先級，如內存任務的優先級就必須高于主控處理任務，主控處理任務必須高于收發包的任務。而對相同優先級的任務必須預先設置各任務的執行時間，否則第一個獲得CPU 的任務就會獨占，阻礙別的人物運行。總之，在軟件設計中一定要充分了解VxWorks的工作機制，否則不但不能設計出效益高的程序，反而會阻礙VxWorks的有效運行。
4. 結束語
高速增長的網絡和互聯網通訊量對現有的網絡基礎結構提出了更高的需求，也刺激了高性能網絡連接的發展。本文簡要介紹了吞吐率高達1.28T比特的高性能路由器，并研究了其2.5GPOS接口的實現技術，首先可以深入對POS技術在實現和應用上的研究，其次可以豐富路由器的接口功能，增加路由器接口的靈活性，增強路由器的兼容性，以便更為廣泛的利用網絡資源，實現網絡體系和架構的演進，為高性能路由器的研制和后續開發提供可借鑒的技術思路。