路由器架构分析.docx
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路由器架构分析.docx
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路由器架构分析
从CPU上分析低端路由器
1、前言
目前生产低端路由器的厂家很多,但是在行业内也就Cisco、华三、锐捷、博达、迈普几家,各家低端路由器的型号又很多,但各个厂家低端路由器基本上都是采用Motorola通用CPU的结构进行设计,因此理论上的差别并不大,但是各厂家的设计思路导致了产品的具体实现的方式也不同。
如博达,其低端路由器主要是17系列到26系列(不包括2640/2641),产品型号很多,支持的接口卡也不少,但是总体的架构并没有多少改变。
其发展到现在有2个很明显的特点,一个是不同的槽位对接口卡有限制,例如2621,插槽1可以插任何接口卡,但是插槽2只能插语音、8异步卡等扩展接口卡。
另一个特点是这些系列产品最大只支持2个百兆口,接口卡上只支持10M口扩展。
但是到了2640以上后,槽位对卡的限制已经取消,但是针对百兆口,仍然限制了2口百兆口模块只能插在Slot1上。
同样到4860,2口百兆口只能插在Slot1和Slot2上。
如迈普路由器,MP1700E/MP2600C/D/E,估计也是采用类似型号的CPU,因此接口卡也只能支持到10M。
但是MP2632/MP2692以上的系列因为采用了更高性能的CPU,同时结构也发生了变化,因此没有了这方面的限制。
锐捷目前的产品1762、2632、2692都采用了8248的CPU,采用了PCI总线进行扩展模块,因此没有上述的限制。
华三的低端产品变化比较大,限于资料缺乏,暂时不作点评。
2、锐捷、博达产品的CPU类型
由于资料的匮乏,华三、迈普的很多型号的CPU都不清楚,因此这里只列举了锐捷和博达2个厂家。
锐捷路由器
博达路由器
MotorolaMPC852T50M/66M
BDCOM1710/1721/1722
MotorolaMPC88080M
BDCOM1723
RG-R1762/2632
MotorolaMPC8248CPU266MHz
MotorolaMPC8250266M/200M
BDCOM2611/2621/2624/2626
RG-R2692
MotorolaMPC8248CPU300MHz
MotorolaMPC8248266M,可升级至400M
BDCOM2622
RG-R3642/3662
MotorolaMPC8245CPU400MHz
MotorolaMPC8245300MHz
BDCOM2640/2641/3660
RG-R3740
PowerPC8540833MHz
PPC8541833MHz
BDCOM4860
PPC8560833MHz
BDCOM3802/7208
注:
红色字表示支持CPU内置加密引擎。
从上表可以看出锐捷由于采用了高性能CPU,因此性能比较强,且8248还内置加密引擎,性能比较高。
但是同时也会导致产品价格增高,缺少接入层更低端的产品。
博达从低端到高端产品线较全,各型号定位比较明确。
目前锐捷主流的产品是基于MotorolaMPC8248的架构,如1762/2632/2692;博达主流产品分成1721/1722系列,2611/2621系列。
博达这2个系列虽然CPU不同,但是整体架构是一样的,因此只需要分析一款即可。
低端路由器完全是依赖于CPU的,因此本文主要尝试着分析2款CPU:
8250和8248。
3、MotorolaMPC8250CPU
3.18250介绍
MPC8250是Motorla公司在嵌入式MPC860基础之上推出的MPC82XX系列微处理器中的一种。
MPC82XX系列保留了MPC860的嵌入式PowerPC内核和通信处理模块CPM并存的体系结构,同时进一步提高了工作频率、集成了更多的外围器件、提供了丰富的总线接口。
其中,MPC8250没有集成在一数据通信设备中不常使用、而且较为昂贵的ATM处理模块,进一步降低了成本。
MPC8250的内部结构基于PowerQUICC结构,主要由PowerPC内核、系统接口单元SIU、通信处理单元CPM构成。
它支持60x总线,其数据线为64位,地址线为32位;支持PCI/LOCAL总线,其数据线为32位,地址线为32位。
内核工作时钟最高300MHz,CPU工作时钟最高200MHz。
内部结构如下图所示。
①PowerPC内核:
完成中央处理器的功能,执行高层程序,它与SIU和CPM通过独立的指令Cache和数据Cache通信,通过MMU对存储器进行管理。
②系统接口单元SIU:
包括CPU的复位、中断控制器、时钟配置等功能。
内部包括60x总线控制器、PCI/LOCAL总线到60x总线的桥接器、存储器控制器、时钟控制器等。
MPC8250的存储控制器部分集成了SDRAM控制器,通过设置寄存器即可完成与SDRAM的接口配置,与MPC860配置UPM表的方式相比,极大地降低了开发的复杂度。
③通信处理单元CPM:
CPM可与内核并行工作,处理通信控制中的底层任务。
内部包括32位RISC通信控制器、DMA通道、用于内部交换数据的32KB双口RAM、中断控制器、波特率发生器、计数器等。
CPM部分还集成了4个时分复用TDM接口、3个媒体无关接口MII和非时分复用串行接口NMSI三种物理层接口,它们之间的选择由串行接口SI模块控制。
CPM部分最主要的功能模块是它所集成的大量可同时使用的通信控制单元,包括:
●1个多通道通信控制器MCC,可工作于HDLC模式,物理层接口为TDM方式,最多可以同时与4个TDM接口相连;
●3个快速通信控制器FCC,可工作于HDLC、10M/100Mbit/s以太网和透明模式,物理层接口为TDM或MII方式,当物理层工作于TDM方式时,最高可以支持T3/E3速率;
●4个串行通信控制器SCC,可工作于HDLC、UART、同步UART、BISYNC、10Mbit/s以太网、AppleTalk、透明模式,物理层接口为TDM或NMSI方式;
●2个串行管理控制器SMC,可工作于UART或透明方式,物理层接口为TDM或NMSI方式;
●1个I2C控制器;
●1个SPI控制器。
3.28250说明
结构图中的内容很多,但是我们主要关心的是该CPU能够提供哪些扩展接口,因此分析的重点主要定位在“通信处理单元CPM”上。
首先弄清楚上面提到的一些控制器的概念和在路由器结构中的具体表现。
1、Serialcommunicationscontrollers(SCCs)
翻译:
串行通信控制器
解释:
可工作于HDLC、UART、同步UART、BISYNC、10Mbit/s以太网、AppleTalk、透明模式,物理层接口为TDM或NMSI方式;支持PPP(PointtoPointProtocol)的异步HDLC等标准协议
说明:
在路由器中,1个SCC主要对应1个同异步串口或1个10M以太网口等接口。
如果需要支持CE1、ISDN这样的接口,则该SCC需要支持TDM接口。
2、Fastcommunicationcontrollers(FCCs)
翻译:
快速通信控制器
解释:
可工作于HDLC、10M/100Mbit/s以太网和透明模式,物理层接口为TDM或MII方式,当物理层工作于TDM方式时,最高可以支持T3/E3速率
说明:
在路由器中,1个FCC主要对应1个10/100M以太网口,其内部物理接口要采用MII方式。
FCC也可以对应E3接口,估计高端用到的支持E3的线卡其CPU会为该类型。
3、Serialmanagementcontrollers(SMC)
翻译:
串行管理控制器
解释:
两个(SMC),UART方式或透明传输,含GCI(GeneralCircuitInterface)控制器,可以连到时分复用通道。
说明:
由于MPC8250内部SMC接口的UART方式没有Modem控制信号,无法支持远程拨号连接,因此,需要扩展串口通信芯片,使用双路UART收发器实现。
常见的双路UART收发器均支持硬件流控,内部带有FIFO的缓存,支持DMA方式。
两路UART中:
一路用做本地维护串口同时在开发过程中用做调试串口;一路用做远程维护串口,即AUX口。
4、Multichannelcontrollers(MCCs)
翻译:
多通道通信控制器
解释:
可工作于HDLC模式,物理层接口为TDM方式,最多可以同时与4个TDM接口相连。
说明:
具体在路由器中的表现不清楚,看解释说明只是配合接口为TDM方式的时候使用,因此一定要和TDM接口相连,估计和E1/ISDN接口相关联。
5、PCIbridge
说明:
8250的结构图中说明了可以通过PCIBUS或者LOCALBUS进行扩展。
具体的意思并不是很清楚,不过结合后文可以明确一些东西。
结论:
FCC用于扩展百兆以太网口,SCC用于扩展10M以太网口、同异步串口、E1口、ISDN等接口,SMC用于扩展Console口和AUX口。
3.3博达2621结构分析
博达2621集成了2个百兆口,2个串口,同时支持2个扩展槽,示意图如下:
插槽所能支持的接口卡列表:
接口卡种类
Slot1
网络/语音插槽
Slot2
扩展插槽
编号
型号名称
标识
1
单路E1卡
WIC-1CE1
Yes
/
2
单路T1卡
WIC-1CT1
Yes
/
3
单路ISDNBRIS/T接口卡
WIC-1B-S/T
Yes
/
4
单路ISDNBRI-U/DTU/IDSL多功能接口卡
WIC-1DTU
Yes
/
5
单串口卡
WIC-1T
Yes
/
6
双串口卡
WIC-2T
Yes
/
7
单路UE1卡
WIC-1UE1
Yes
/
8
两路UE1卡
WIC-2UE1
Yes
/
9
单以太网+单串口复合卡
WIC-1E1T
Yes
/
10
单以太网卡
WIC-1ETH
Yes
/
11
双以太网卡
WIC-2ETH
Yes
/
12
单路异步Modem接口卡
WIC-1AM
Yes
Yes
13
八路异步卡
EIC-8ASY
Yes
Yes
14
单路差分串口卡
WIC-1T-V11
Yes
/
15
两路差分串口卡
WIC-2T-V11
Yes
/
16
八路异步+单路ISDNBRIS/T接口卡
EIC-8ASY1B-S/T
Yes
/
分析:
1、Console口和AUX口是由8250的2个SMC引出。
2、集成的2个百兆口是由2个FCC引出。
这样还剩余1个FCC资源。
3、集成的2个高速串口是由2个SCC引出。
该串口支持同异步,异步速率最大到115K,同步最大到2M。
4、SLOT1是可以支持2个SCC的WIC接口,并且其中的一个SCC可以支持TDM接口。
这样对照上图的表格,可以判断该槽的端口密度为2个,但是只能支持1个TDM接口,即E1/ISDN接口。
因此SLOT1可以扩展单、双10M以太网口,单双串口,单串单10M口,单路E1/T1口和双UE1口,注意UE1口为非信道方式,实际等同串口。
因此类型为WIC系列的接口卡是基于SCC资源的接口卡。
但是为什么不能2个SCC都支持TDD接口,这样可以提供2个E1/ISDN接口,适应性更强。
估计没有这样设计有其它方面的原因,但是感觉理论上是可以做到的。
内置Modem卡和8异步卡不清楚该如何对应?
5、SLOT2接口已经无SCC资源可用,因此只能通过总线扩展方式。
由于通过总线扩展有2种方式,分为PCIBUS或LOCALBUS接口,具体SLOT2通过何种方式进行扩展并不清楚,据说是采用LOCALBUS接口,称之为总线接口卡。
结论:
根据上面的分析,可以看到2611固化提供2个10/100M以太口,2个高速同步口,直接和CPU通讯,不占用PCI总线带宽,转发性能还是不错的。
而且针对接入层的应用,2个百兆口、2个串口基本上能满足大部分的应用。
但是由于没有采用PCI的扩展设计,因此不能称之为其采用了PCI总线的扩展设计。
而且由于缺少PCI的扩展支持,无法进行更多模块、更多端口的扩展。
这估计是厂家对该产品的定位所导致的。
3.4博达1721/1722结构分析
这里顺便也分析一下1721/1722的结构。
先看一下MPC852T的结构:
结合前面的分析再参考上图,可以得出结论:
1、只有1个FCC,因此只有1个10/100M快速以太网口;
2、只有1个SMC,因此只能做成Console口,并不是为了节省成本而省掉AUX口,实在是因为CPU的限制没法做出AUX口。
3、只提供2个SCC,因此1个SCC资源做成了1个10M以太网口,另一个SCC做成了1个集成的高速串口。
4、SLOT1通过LOCALBUS进行扩展。
而1722也采用了同样的CPU,但是为了避免1721只支持1个串口的尴尬局面,在结构上进行了调整。
也就是将10M口去掉,将剩余的1个SCC资源引入SLOT1,这样可以支持1个串口,但同时少掉了1个10M以太网口。
综上所述,由于厂家将其定位于低端接入层路由器,因此结构上并没有考虑很高的扩展性,性能也没有达到很高的指标,纯粹出于市场的考虑。
4、MotorolaMPC8248CPU
4.18248介绍
MPC8248属于PowerQUICCII系列MPC8272处理器家族,性价比较高,适合于多种网络和通讯产品的应用。
由于内部集成了硬件加密模块,MPC8272家族非常适合使用在要求有加密功能的网络设备中,如中小企业(SME)路由器、虚拟专用网(VPN)和防火墙,无线接入点(AP)、家庭网关和xDSL设备;同样也适合用于图像处理、工业控制、测试和测量设备等等。
MPC8272家族包括了MPC8247、MPC8248、MPC8271和MPC8272处理器,每个芯片都集成了2个处理单元:
一个嵌入式PowerPC603e核与一个精减指令集(RISC)的通讯处理模块(CPM)。
这种双核的设计可以比传统的设计更大的降低功耗和提供更加平衡的处理能力。
CPM承担了底层外围通讯的任务,而CPU则专注于管理高端的任务。
MPC8272家族支持丰富的协议和接口界面包括:
双百兆以太网MAC、ATM、HDLC、一个32位33/66MHzPCI总线和一个USBhost/device界面。
MPC8248和MPC8272处理器具有一个安全引擎可以支持DES,3DES,MD-5,SHA-1,AES和ARC-4编码算法。
处理器还提供了一个公钥加速器和片上随机数生成器。
这个嵌入式的安全内核源自Freescale安全类协处理器产品线,提供了和这些安全类协处理器相同的直接内存访问(DMA)和并行处理能力。
片上集成的安全功能使得MPC8272家族成为高性能、低成本支持安全功能的系统设计的最佳首选。
MPC8272家族的特性如下:
MPC8248的结构图如下:
从上面的2个图可以看出,在CPM中增加了USB控制器,同时不再支持MCC,而采用QMC进行代替。
4.28248说明
我们先看一下什么是QMC。
1、QUICCmulti-channelcontroller(QMC)
翻译:
QUICC多通道控制器
解释:
MPC860QMC支持64条独立的通信通道(channel),并且允许将64条channel任意映射到TDM中的64个时隙。
在应用于E1/T1时,QMC可以将任意64条通道分组复用到同一个TDM接口,QMC同时使用TSA的两个TDM(TDMa和TDMb),每条通道可以独立的配置为HDLC或者透明传输(transparent)模式。
说明:
具体的并不清楚,我的理解是类似于8250中的SMC。
其它方面:
2、USBcontroller
这个比较简单,就不用解释了。
3、其余的FCC、SCC、SMC说明都和8250一样。
4、提供了加密引擎Security(SEC)。
5、没有LocalBUS,只剩下PCIBUS。
4.3锐捷1762/2632/2692结构分析
由于1762/2632/2692采用同样的CPU,结构基本一致,因此放在一起进行分析。
分析:
1、2个SMC资源扩展成1个Console口和1个AUX口。
2、2个FCC资源扩展成2个10/100M快速以太网口。
3、2个SCC资源扩展成2个同步口,至于为什么不是同异步口,据说是研发偷懒所致。
这样还剩余1个SCC资源。
4、扩展模块通过PCI总线进行扩展,总线带宽32bit×66Mhz=2112,也就是采用了PCI总线,其带宽为2G。
结论:
锐捷1762/2632/2692固化提供2个10/100M以太口,2个高速同步口,直接和CPU通讯,不占用PCI总线带宽,内置硬件加密引擎,内置AIM插槽,合理的硬件体系架构,大大提升路由器的整体性能。
4.4锐捷3642/3662结构分析
这里顺便也分析一下3642/3662的结构。
先看一下MPC8245的结构:
从上图可以看出,8245CPU并无SCC资源可以利用,因此不能直接引出2个快速以太网口,因此只能从PCI总线引出。
而Console口和AUX应该由DUART引出。
如下图所示:
而博达3660同样采用8245设计,但是并没有考虑到设计出2个固化的百兆口,因此在竞争的时候锐捷具有优势。
5、芯片厂家网址
飞思尔半导体,也就是原来motorola的半导体部门,网站上有所有芯片的资料,值得一看。
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