基于FPGA實(shí)現(xiàn)千兆以太網(wǎng)業(yè)務(wù)在SDH上的傳輸

摘要：為了實(shí)現(xiàn)千兆以太網(wǎng)業(yè)務(wù)在SDH網(wǎng)絡(luò)上的傳輸(EOS)，可以利用FPGA將以太網(wǎng)MAC數(shù)據(jù)幀在SDH數(shù)據(jù)幀中進(jìn)行封裝和映射處理。介紹了GFP封裝協(xié)議以及虛級(jí)聯(lián)技術(shù)，給出了FPGA內(nèi)部的模塊化設(shè)計(jì)方法。利用FPGA的強(qiáng)大功能和內(nèi)部的豐富資源，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。千兆以太網(wǎng)在SDH中的傳輸增強(qiáng)了SDH設(shè)備的業(yè)務(wù)傳輸能力。
關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；SDH；GFP；EOS

0 引言
隨著人們對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的不斷增長(zhǎng)，以太網(wǎng)作為全世界應(yīng)用最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)之一，在全世界得到了大規(guī)模的普及。SDH是電信部門(mén)常用的通信傳輸設(shè)備，具有高可靠性和高安全性的特點(diǎn)。EOS(Ethernet over SDH)技術(shù)即借現(xiàn)有的SDH傳輸設(shè)備實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的傳輸，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
基于以太網(wǎng)的七層架構(gòu)，在第二層數(shù)據(jù)鏈路層傳輸?shù)氖且蕴W(wǎng)的MAC幀。由于以太網(wǎng)和SDH系統(tǒng)的傳輸速率不匹配，需要通過(guò)封裝進(jìn)行速率調(diào)整后才能映射到SDH的虛容器中。目前來(lái)講，常用的是GFP(Generic Framing Procedure)封裝。GE(千兆以太網(wǎng))信號(hào)在SDH系統(tǒng)中的映射可以分為相鄰級(jí)聯(lián)和虛級(jí)聯(lián)兩種模式。相鄰級(jí)聯(lián)是在整個(gè)傳輸過(guò)程中保持連續(xù)帶寬，各個(gè)級(jí)聯(lián)的VC是相鄰的，在SDH網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中需要有能夠進(jìn)行相鄰級(jí)聯(lián)處理的中間設(shè)備，而虛級(jí)聯(lián)的應(yīng)用方式比較靈活，將連續(xù)帶寬分解到多個(gè)VCs上傳輸，不一定相鄰，在傳輸?shù)慕K端再將多個(gè)VCs重新組合成連續(xù)帶寬。因此，虛級(jí)聯(lián)方式有效地節(jié)省了帶寬，在系統(tǒng)中只需能夠進(jìn)行處理的終端設(shè)備即可。在實(shí)際使用中，這種方式的應(yīng)用比較廣泛。

1 FPGA收發(fā)模塊設(shè)計(jì)
本文實(shí)現(xiàn)的傳輸方式是在STM-16中傳輸1路GE信號(hào)，需要對(duì)以太網(wǎng)MAC幀進(jìn)行GFP封裝。GFP幀分為GFP-F和GFP-T兩種模式，本設(shè)計(jì)采用的是GFP-F封裝模式。STM-16的傳輸速率是2．488 32 Gb／s。STM-16一共包括16路STM-1信號(hào)，STM-1的傳輸速率是155．52 Mb／s。STM-1信號(hào)采用虛級(jí)聯(lián)方式，利用VC-4-XV(X=1～7)最多采用7路STM-1信號(hào)即可傳輸1路GE信號(hào)。剩余STM-1通道的信號(hào)用來(lái)傳輸其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
以太網(wǎng)數(shù)據(jù)在SDH設(shè)備中傳輸過(guò)程如下：在SDH發(fā)送部分中，以太網(wǎng)通過(guò)接口處理芯片產(chǎn)生MAC數(shù)據(jù)幀，通過(guò)GMII接口傳送給FPGA。FPGA將MAC幀進(jìn)行GFP協(xié)議的封裝，然后映射到SDH的虛容器VC當(dāng)中，再通過(guò)添加復(fù)用段和再生段開(kāi)銷，生成STM-16數(shù)據(jù)幀，發(fā)送給光模塊再上到光網(wǎng)絡(luò)；在SDH接收部分中，光接收模塊從光網(wǎng)絡(luò)將STM-16數(shù)據(jù)幀接收F來(lái)發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA在內(nèi)部處理相關(guān)的開(kāi)銷，再將GFP數(shù)據(jù)幀從VC虛容器中提取出來(lái)，通過(guò)解幀處理，將以太網(wǎng)的MAC幀還原出來(lái)，經(jīng)過(guò)處理后發(fā)送給以太網(wǎng)。
FPGA的內(nèi)部設(shè)計(jì)可以分成發(fā)送模塊和接收模塊兩部分。其中，發(fā)送模塊可以分為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接收預(yù)處理模塊、GFP成幀模塊、SDH成幀模塊；接收模塊可以分為SDH解幀模塊、GFP解幀模塊、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送處理模塊。發(fā)送和接收模塊示意圖分別如圖1和圖2所示。

發(fā)送部分的三個(gè)模塊的功能分別如下：以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接收處理模塊利用FIFO緩存模塊存儲(chǔ)每一個(gè)有效MAC數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)和長(zhǎng)度。同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從以太網(wǎng)時(shí)鐘域到SDH時(shí)鐘域的轉(zhuǎn)換；GFP成幀模塊對(duì)以太網(wǎng)MAC幀進(jìn)行GFP封裝，通過(guò)調(diào)整GFP數(shù)據(jù)幀和GFP空閑幀的插入，將以太網(wǎng)MAC幀映射到SDH的高階VC-4虛容器中；SDH成幀模塊對(duì)虛容器進(jìn)一步處理，添加開(kāi)銷字段，生成STM-16數(shù)據(jù)幀，再利用FPGA內(nèi)部的GTP接口將16位155. 52MHz的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一路2 488．32 MHz高速LVDS差分信號(hào)發(fā)送出去。
接收部分實(shí)現(xiàn)的過(guò)程是發(fā)送部分的逆過(guò)程。
GFP成幀模塊分為GFP數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生模塊、空閑幀產(chǎn)生模塊、插入幀選擇模塊、GFP擾碼模塊；GFP解幀模塊分為GFP幀同步模塊、GFP解擾模塊、GFP接收幀處理模塊。
GFP數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生模塊在去掉MAC幀8 B前導(dǎo)碼后，將剩余部分的數(shù)據(jù)封裝為GFP數(shù)據(jù)幀。按照GFP協(xié)議添加4 B的核心頭部和4 B的凈負(fù)荷域頭部，將非定長(zhǎng)的以太網(wǎng)MAC幀添加到凈負(fù)荷信息字段，在幀尾添加4 B的凈負(fù)荷幀校驗(yàn)序列(FCS)。
空閑幀實(shí)際上屬于GFP用戶管理幀的一種，沒(méi)有凈負(fù)荷域，只包含一個(gè)GFP核心幀頭，是4 B的全0比特與序列“B6AB31E0”異或所得。
插入幀選擇模塊根據(jù)流量情況調(diào)整數(shù)據(jù)幀和空閑幀的插入，在沒(méi)有數(shù)據(jù)幀要發(fā)送時(shí)，插入空閑幀，以保證GFP數(shù)據(jù)流的連續(xù)性。