基于PM3388和FPGA的網(wǎng)絡(luò)接口的研究設(shè)計

　　本文根據(jù)十接口千兆以太網(wǎng)線路接口卡設(shè)計的功能需求和性能需求，按照數(shù)據(jù)處理流程劃分功能模塊，以PM3388作為鏈路層處理芯片和兩片高性能FPGA作為鏈路層處理芯片完成了系統(tǒng)設(shè)計，并給出了具體實現(xiàn)方案。對兩片FPGA控制功能的實現(xiàn)做了重點闡述，對實現(xiàn)難點做了深入的分析。

　　1 前言

　　隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的持續(xù)膨脹和新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求的不斷增長，目前基于IPv4技術(shù)的因特網(wǎng)在可擴(kuò)展性、IP地址空間、安全、服務(wù)質(zhì)量控制、移動性、運營管理和盈利模式等諸多方面面臨著挑戰(zhàn)，尤其是地址空間匱乏、可擴(kuò)展性差等缺陷嚴(yán)重制約了因特網(wǎng)的發(fā)展，需要探索新的技術(shù)來解決這些問題。IPv6通過采用128位的地址空間替代IPv4的32位地址空間來擴(kuò)充因特網(wǎng)的地址容量，使得IP地址在可以預(yù)見的時期內(nèi)不再成為限制網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的一個因素，同時在安全性、服務(wù)質(zhì)量及移動性等方面有了較大的改進(jìn)，使其成為構(gòu)建下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的最佳選擇。

　　以太網(wǎng)是當(dāng)前最基本、最流行的局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)，為了適應(yīng)各種新開展的業(yè)務(wù)如流視頻等，其速率也在不斷提高。千兆以太網(wǎng)是建立在以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上的技術(shù)，具有高效、高速、高性能的特點，目前

　　2 網(wǎng)絡(luò)接口功能分析

　　千兆以太網(wǎng)原先是作為一種交換技術(shù)設(shè)計的，采用光纖作為上行鏈路，用于樓宇之間的連接，之后在服務(wù)器的連接和骨干網(wǎng)中，千兆以太網(wǎng)獲得了廣泛應(yīng)用。目前，千兆以太網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展成為主流網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，大型企業(yè)和中小型企業(yè)在建設(shè)企業(yè)局域網(wǎng)時都把千兆以太網(wǎng)技術(shù)作為首選的高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。千兆以太網(wǎng)技術(shù)甚至正在取代ATM技術(shù)，逐漸應(yīng)用到了城域網(wǎng)建設(shè)中。

　　基于千兆以太網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀和良好的應(yīng)用前景，當(dāng)前國內(nèi)外研制各種核心路由器和高性能交換機的公司不再滿足于能夠提供低密度（單接口、雙接口等）千兆以太網(wǎng)線路接口卡模塊，紛紛推出或開始研制高密度（四接口、八接口等）的線路接口卡模塊，高密度千兆以太網(wǎng)線路接口卡的研究正在成為一個熱點。但各公司出于技術(shù)保密的考慮，公開的高密度千兆線路接口卡的文獻(xiàn)資料很少。經(jīng)分析，十接口千兆以太網(wǎng)線路接口卡的設(shè)計主要存在以下三個難點：

　　1).多種數(shù)據(jù)包的分類處理：本文研究的十接口千兆線路接口卡兼容IPv4、IPv6雙協(xié)議棧，需要實現(xiàn)三種二層協(xié)議封裝格式的拆封與封裝處理、兩種三層協(xié)議的查表處理和一種MPLS協(xié)議的處理，在高速環(huán)境下實現(xiàn)多種協(xié)議的正確處理是一個難點；

　　2).幀重組合路加速功能的實現(xiàn)：需要實現(xiàn)以太網(wǎng)幀的重組、十接口數(shù)據(jù)合路調(diào)度與加速三種功能，這是千兆線路接口卡滿足線速處理功能的關(guān)鍵；

　　3). 十接口數(shù)據(jù)合路調(diào)度功能的實現(xiàn)：需要研究一種具有良好擴(kuò)展性和時延性能的調(diào)度算法，實現(xiàn)高速環(huán)境下十接口數(shù)據(jù)合路調(diào)度的功能。

　　從功能角度來看, 以太網(wǎng)線路接口主要完成輸入處理、輸出處理和系統(tǒng)維護(hù)管理等三種功能。如圖1所示。輸入處理：從千兆以太網(wǎng)上接收編碼數(shù)據(jù)流，解碼恢復(fù)成為以太網(wǎng)幀，再經(jīng)過地址過濾、完整性校驗、差錯控制、IP地址查表、MAC幀拆封、內(nèi)部數(shù)據(jù)格式封裝等處理后送給轉(zhuǎn)發(fā)處理子系統(tǒng)或板級處理機處理（協(xié)議包）。輸出處理：從端口調(diào)度模塊或板級處理機模塊接收數(shù)據(jù)包或協(xié)議包，經(jīng)過MAC幀封裝，經(jīng)過數(shù)據(jù)編碼等處理后從正確的接口發(fā)送到千兆以太網(wǎng)上。系統(tǒng)維護(hù)管理：主要是接受板級處理機的控制命令，對輸入分類表項、ARP表項和鄰居發(fā)現(xiàn)表項進(jìn)行維護(hù)，定時或按照板級處理機的命令將線路接口卡的性能統(tǒng)計信息向板級處理機報告。

圖1 千兆以太網(wǎng)線路接口卡功能示意圖