基于FPGA的數(shù)據(jù)中繼器設(shè)計(jì)

　　1 前言

　　高速以太網(wǎng)可以滿(mǎn)足新的容量需求，解決了低帶寬接入、高帶寬傳輸?shù)钠款i問(wèn)題，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，并與以前的所有以太網(wǎng)兼容。全雙工的以太網(wǎng)協(xié)議并無(wú)傳輸距離的限制，只是在實(shí)際應(yīng)用中，物理層技術(shù)限制了最大的傳輸距離。不過(guò)可以通過(guò)使用高性能的收發(fā)器或鏈路擴(kuò)展器來(lái)延長(zhǎng)以太網(wǎng)鏈路的長(zhǎng)度。但是面向流量高達(dá)數(shù)十G的高速以太網(wǎng)中，如何快速、可靠地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)與鏈路延伸并不是一件很容易的事情。尤其是高速以太網(wǎng)中，對(duì)設(shè)備時(shí)延非常敏感，因此要求數(shù)據(jù)中繼設(shè)備處理速度有足夠的快、同時(shí)還能夠?qū)D(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析與處理，才能實(shí)現(xiàn)高速、可靠的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。另一方面，在10G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)之前，就已經(jīng)有多家廠商推出了基于10G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)草案的10G以太網(wǎng)設(shè)備。國(guó)外廠商如Foundry、Cisco、Enterasys、Extreme、Forcel0、Nortel、A1catel、Juniper、Avaya、HP、Riverstone等公司紛紛推出了10G以太網(wǎng)設(shè)備，國(guó)內(nèi)幾家著名的通信設(shè)備制造商，像華為、港灣也研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的10G以太網(wǎng)產(chǎn)品。不同公司的產(chǎn)品、設(shè)備在對(duì)協(xié)議實(shí)現(xiàn)的一致性、互操作性、穩(wěn)定性、成熟性等方面都有所不同，因此要設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)可靠、高速數(shù)據(jù)中繼器必須深入研究高速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，并充分考慮其設(shè)計(jì)的靈活性，因此本文提出了一個(gè)基于FPGA的高速數(shù)據(jù)中繼器設(shè)計(jì)方案。

　　2 高速數(shù)據(jù)中繼器功能分析

　　高速數(shù)據(jù)中繼器主要需完成以下功能是對(duì)外部光纖鏈路發(fā)送過(guò)來(lái)的高速、大量數(shù)據(jù)處理，主要包括有： 10G以太網(wǎng)的物理層處理。包括將10Gbps光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)和將10Gbps高速串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為低速率的并行數(shù)據(jù)，便于上層處理;10G以太網(wǎng)的鏈路層處理。包括對(duì)10Gbps數(shù)據(jù)進(jìn)行PCS解碼和MAC控制的鏈路層處理，最后輸出完整的MAC幀;對(duì)MAC幀格式進(jìn)行判斷來(lái)識(shí)別其中封裝的上層數(shù)據(jù)是協(xié)議報(bào)文還是數(shù)據(jù)報(bào)文;對(duì)IP數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行查表處理，看是否有發(fā)往本機(jī)的IP報(bào)文;將需要上交到轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行深層次IP層處理的數(shù)據(jù)報(bào)文封裝成內(nèi)部數(shù)據(jù)報(bào)文格式并上交;將需要上交到板極處理機(jī)的協(xié)議報(bào)文和發(fā)往本路由器的IP報(bào)文封裝成內(nèi)部協(xié)議報(bào)文格式并上交。

　　數(shù)據(jù)中繼器對(duì)需要轉(zhuǎn)發(fā)出去的數(shù)據(jù)需要完成如下處理：對(duì)交換發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行內(nèi)部格式判斷，決定是否進(jìn)行查表處理;對(duì)不需要進(jìn)行查表的IP報(bào)文直接從內(nèi)部頭中提取目的MAC地址;對(duì)需要查表的IP報(bào)文進(jìn)行查表處理，若查表命中則返回目的MAC地址，若不命中則將該數(shù)據(jù)報(bào)文上交到板極處理機(jī);對(duì)得到目的MAC地址的報(bào)文進(jìn)行以太網(wǎng)格式封裝;對(duì)板極處理機(jī)下發(fā)的協(xié)議報(bào)文和封裝好的以太網(wǎng)幀進(jìn)行合路處理;10G以太網(wǎng)的鏈路層處理。包括對(duì)MAC幀進(jìn)行MAC控制鏈路層處理和PCS編碼;10G以太網(wǎng)的物理層處理。包括并/串轉(zhuǎn)換和電/光轉(zhuǎn)換。其處理流程如圖一所示

　　圖 一：高速數(shù)據(jù)中繼器數(shù)據(jù)處理流程