根据PM3388和FPGA的千兆以太网接口的规划

　　1 前语

　　跟着网络规划的继续胀大和新式网络运用需求的不断增加，现在依据IPv4技能的因特网在可扩展性、IP地址空间、安全、服务质量操控、移动性、运营办理和盈利方式等诸多方面面临着应战，尤其是地址空间匮乏、可扩展性差等缺点严峻约束了因特网的展开，需求探究新的技能来处理这些问题

IPv6经过选用128位的地址空间代替IPv4的32位地址空间来扩大因特网的地址容量，使得IP地址在可以预见的时期内不再成为约束网络规划的一个要素，一起在安全性、服务质量及移动性等方面有了较大的改善，使其成为构建下一代互联网络的最佳挑选
 

　　以太网是当时最基本、最盛行的局域网组网技能，为了习惯各种新展开的事务如流视频等，其速率也在不断提高

 千兆以太网是建立在以太网规范根底之上的技能，具有高效、高速、高功用的特色，现在的企业局域网乃至城域网建造都会把千兆以太网技能作为首选的高速网络技能
 为了使支撑多协议的高功用路由器既能衔接到主干、中心路由器，又能衔接到本地主机，需求为路由器规划可以与千兆以太网衔接的接口
 当时国内各公司推出的路由器和交流机等产品都供给千兆以太网线路接口卡，但端口密度都不高，大多数是单端口或双端口，少量可以供给四端口或八端口
 为了习惯T比特路上数据传输的需求，本文规划完结高密度的十接口千兆以太网线路接口卡
 

　　2 网络接口功用剖析

　　千兆以太网原先是作为一种交流技能规划的，选用光纤作为上行链路，用于楼宇之间的衔接，之后在服务器的衔接和主干网中，千兆以太网取得了广泛运用

 现在，千兆以太网现已展开成为干流网络技能，大型企业和中小型企业在建造企业局域网时都把千兆以太网技能作为首选的高速网络技能
 千兆以太网技能乃至正在替代ATM技能，逐步运用到了城域网建造中
 

　　依据千兆以太网的展开现状和杰出的运用远景，当时国内外研发各种中心路由器和高功用交流机的公司不再满意于可以供给低密度(单接口、双接口等)千兆以太网线路接口卡模块，纷繁推出或开端研发高密度(四接口、八接口等)的线路接口卡模块，高密度千兆以太网线路接口卡的研讨正在成为一个热门

 但各公司出于技能保密的考虑，揭露的高密度千兆线路接口卡的文献资料很少
 经剖析，十接口千兆以太网线路接口卡的规划首要存在以下三个难点：

　　1).多种数据包的分类处理：本文研讨的十接口千兆线路接口卡兼容IPv4、IPv6双协议栈，需求完结三种二层协议封装格局的拆封与封装处理、两种三层协议的查表处理和一种MPLS协议的处理，在高速环境下完结多种协议的正确处理是一个难点;

　　2).帧重组合路加快功用的完结：需求完结以太网帧的重组、十接口数据合路调度与加快三种功用，这是千兆线路接口卡满意线速处理功用的要害;

　　3). 十接口数据合路调度功用的完结：需求研讨一种具有杰出扩展性和时延功用的调度算法，完结高速环境下十接口数据合路调度的功用

 

　　从功用视点来看

 以太网线路接口首要完结输入处理、输出处理和体系保护办理等三种功用
 如图1所示
 输入处理：从千兆以太网上接纳编码数据流，解码康复成为以太网帧，再经过地址过滤、完整性校验、过失操控、IP地址查表、MAC帧拆封、内部数据格局封装等处理后送给转发处理子体系或板级处理机处理(协议包)
 输出处理：从端口调度模块或板级处理机模块接纳数据包或协议包，经过MAC帧封装，经过数据编码等处理后从正确的接口发送到千兆以太网上
 体系保护办理：首要是承受板级处理机的操控指令，对输入分类表项、ARP表项和街坊发现表项进行保护，定时或依照板级处理机的指令将线路接口卡的功用计算信息向板级处理机陈述
 

　　

　　图1 千兆以太网线路接口卡功用示意图

　　3 硬件规划与完结

　　经过对十接口千兆以太网线路接口卡功用和功用需求进行仔细剖析，依照功用明晰、接口简略、完结简单的准则，规划了其完结计划，并依照规划计划对千兆以太网线路接口卡进行了子模块区分，共分为光电转化子模块、MAC层处理子模块、输入处理子模块、输出处理子模块、输入IP地址表子模块、输出IP地址表子模块和协议报文缓存子模块等七个子模块

 千兆线路接口卡各子模块和外部接口联系如图2所示
 

　　

　　图 2 十接口千兆以太网线路接口卡模块结构图

　　其间MAC层处理子模块是千兆线路接口卡规划的中心，选用PMC-Sierra公司的PM3388芯片为MAC层处理芯片， PM3388芯片是现在市场上仅有支撑十接口的千兆以太网操控器，其功用特性如下：

　　十路千兆以太网操控器(一起完结PHY层和MAC层功用);

　　经过内部十个SERDES接口直接与光电转化模块相连

 每个SERDES接口兼容IEEE 802.3-2000 PMA(PhysICal Medium Attachment)物理层规范;

　　从网络上接纳8B/10B格局码流

 完结数据及时钟康复;

　　每个接口供给多播地址过滤及8个单播地址过滤;

　　供给规范的IEEE 802.3 以太网帧格局完整性查验

 并具有过滤功用;

　　内部供给224K字节接纳FIFO和64K发送FIFO，可在十路接口上灵敏装备;

　　供给SATURN规范的PL4(POS-PHY Level 4)规范16位LVDS总线接口，速率可达700Mbps;

　　供给规范IEEE 1149.1 JTAG测验端口;

　　供给微处理器接口;

　　供给线路侧环回和体系侧环回的体系级调试功用;

　　供给丰厚的装备及计算寄存器

 

　　PM3388作业流程包含接纳处理和发送处理两部分

 1.接纳通路：PM3388从光电转化子模块接纳串行差分电信号
 经过串/并转化、8B/10B解码后
 进行以太网帧完整性查验和地址过滤，

　　假如该以太网帧无误

 则写入为该接口分配的PL4模块中的FIFO
 不然丢掉
 为了充分运用带宽，PL4接口把MAC帧区分为数据片(以64字节或MAC帧尾之前数据为一片)调度输出，并选用带内操控字的方式指示帧头、数据、帧尾、线路接标语、填充字节数、闲暇操控字等信息
 接纳通道还经过两位的信号指示接纳设备的缓存状况(空、满、半满)
 2.发送通路：发送通道的PL4接口与接纳通道的作业方式相同，数据从PL4接口进入PM3388后，经过8B/10B编码
 并/串改换等处理进程
 以串行差分信号的方式输出到光电转化子模块
 

　　为了确保PL4接口到达十路1Gbps的速率，PM3388的参阅时钟引脚接160MHz时钟晶振，输入输出接口的采样时钟经过将该时钟倍频取得320MHz时钟，输入输出数据别离在时钟双沿采样，可以取得640Mbps的数据数率，总带宽达10.24Gbps，可以满意0丢包率功用对带宽的要求

 

　　此外，输入处理FPGA是千兆以太网线路接口卡模块规划的要点之一，首要的功用是将各种规范的MAC帧数据格局转化为网络层一致的数据格局，为网络层处理屏蔽掉底层物理接口

 

　　输入处理FPGA选用Altera公司StraTIx GX系列的EP1SGX25F芯片，该芯片具有25660个逻辑单元，16个高速收发器通道，39个源同步IO和总数为1944576比特的RAM，可以满意完结输出处理功用对资源的要求

 

　　输入处理子模块首要完结输入处理和装备计算两大功用：榜首、接纳MAC层处理子模块发送过来的数据片，完结MAC帧重组和十路数据合路处理，再依据MAC帧封装的三层协议类型完结数据包的分类处理，依照不同的处理要求把数据包别离送B接口、F接口或许一起送两个接口

 送往B口的数据包经过MAC帧格局拆封和B口格局封装后输出到转发模块，送往F口的数据经过数据宽度和时钟频率的改换后输出到协议FIFO
 第二、线路接口卡上电初始化时，输入FPGA经过板级处理机获取本线路接口卡地点的机架号和端标语等信息，并把这些信息刺进到送往转发处理模块的数据包的B口格局字中
 输入处理FPGA还要完结很多的计算功用，计算项包含每个接口接纳到的总帧数、过错帧数、丢掉帧数、IPv4单组播包数、IPv6单组播包数、MPLS单播包数、送往B口包数和送往协议FIFO包数等，并依据指令把计算信息送往板级处理机
 

　　4 体系调试

　　FPGA的调试包含输入FPGA和输出FPGA两部分，首要检查FPGA的焊接、时钟和程序下载等是否正确，调试办法是用VHDL编写一个计数器的程序，用JTAG下载到FPGA中，运用SignalTap软件和指示灯测验FPGA是否作业正常

 完结体系输入输出处理功用的大规划VHDL程序的调试放在整个线路接口卡的调试中进行
 

　　PM3388芯片是千兆线路接口卡完结MAC层操控功用的芯片，其调试是整个千兆线路接口卡调试的要点

 PM3388芯片的调试需求板级处理机软件、板级处理机、输入输出FPGA和网络测验仪合作，调试内容依次为寄存器装备、PL4体系侧环回、SERDES体系侧环回、SERDES线路侧环回、PL4线路侧环回
 

　　PM3388芯片寄存器装备的调试进程为：首先往一个可读写寄存器(挑选地址为0x6的寄存器)中写入一个数，再读出来比较是否正确，假如不正确，经过SignalTap软件别离抓输出FPGA与PM3388芯片的微处理机接口的读写操控信号，确认过错是发作在写操作仍是读操作上，扫除过错

 单个寄存器的装备调试经往后，再进行多个寄存器的接连装备，调试办法是装备PM3388进入不同作业方式，经过检查状况寄存器的值判别是否装备成功，假如不成功，检查相邻寄存器的装备是否发作了搅扰，经过SIGNALTAP软件检查逻辑和时序问题
 再加以处理
 

　　而PL4体系侧环回首要是为了验证输出FPGA与PM3388的输入PL4接口、输入FPGA与PM3388的输出PL4接口是否正常，调试办法是运用板级处理机向输出处理FPGA发送协议包，输出处理FPGA再把该数据包发送到PM3388的PL4接口的接纳侧，接纳侧把该数据包环回到PL4接口的发送侧，从发送侧发送到输入处理FPGA，最终该数据包被板级处理机读回来进行比较

 调试中发作的过错可以经过PM3388内部的计算寄存器和SIGNALTAP软件进行定位，再采纳相应的办法扫除过错;

　　5 总结

　　本文的立异点在于选用适宜的规划计划和调试计划，完结了十接口千兆线路接口卡的规划与完结，研发的千兆线路接口卡彻底满意了T比特路由器项目对十接口千兆线路接口卡规划的功用与功用要求

 选用FPGA规划并完结了十接口千兆以太网线路接口卡规划与完结中的帧重组与加快功用，可以供给更高的带宽，具有更好的加快功用