（信息与通信工程专业论文）8023快速以太网mac层研究及其在fpga的实现.pdf

电子科技大学碗l 学位论文 摘要 本文主要阐述基于f p g a 对i e e e s 0 2 3 快速以太网m a c 层功能的实现。 首先介绍了以太网协议以及快速以太网接入无源光网e p o n 的原理，然后重点 阐述了m a c 层的f p g a 设计、仿真及测试。先总体介绍了对整个m a c 系统 的内部结构、模块划分，再对各个模块的设计进行了详细的描述，接着介绍了 开发环境和验证工具，之后给出了测试方案，验证数据、实现结果及时序仿真 波形图。 本文对m a c 层中的主要功能模块，诸如发送模块，接收模块，m a c 控 制模块以及与物理层和主机( m c u ) 的接口以及c r c 、c s m a c d 、h a s h 表等算 法基于f p g a 及硬件描述语言的解决方法。 设计选用硬件描述语言v e r i l o g h d l ，在开发工具q u a r t u s i l 4 0 中完成软核 的综合、布局布线、汇编，在q u a r t u s l l 4 ，0 和m o d e l s i m 中进行时序仿真验证， 最终下载到a l t e r a 公司的c y c l o n ee d i t i o n 开发板中进行测试验证。 对设计的验证采取的是由罩及外的方式，先对系统主模块的功能进行验 证，在模拟外部器件对设计的接口进行验证。验证流程是功能仿真、时序仿真、 板级调试，最终通过了系统测试，验证了该设计的功能。 在系统方案设计过程中，对模块如何合理划分及各个模块之间如何协同工 作做了仔细的推敲，按照自上而下的设计方法将各个模块逐一细化，各模块之 间通过端口信号通信进行连接，模块内部则由状态机控制时序。在代码架构时， 尽量考虑硬件的实现方式，充分考虑f p g a 芯片内部资源的合理开销及v e r i l o g 语言的可并发执行的设计理念，力求做到面积小而速度块，以满足产品成本、 性能和实用性的要求。 最后是对下一步将设计的m a ci p 应用于e p o n 的m a c 层协议进行了研 究分析，通过数学推导和实例给出了m p c p 的d b a 算法，并讨论了在m a c 核中添加m p c p 协议的实现方法。 关键词：以太网，m a c 层，e p o n ，v e r i l o g ， f p g a 生王型塾叁兰堡! 兰些堕兰 一 a b s tr a c t t h ei m p l e m e n t a t i o no fi e e e 8 0 2 3 xm a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) f u n c t i o ni s d e s i g n e db a s e do na l t e r a sf p g a i nt h i sd i s s e r t a t i o n v e r i l o g h d li su s e df o rt h i s p r o j e c t t h ei pc o r e ss y n t h e s i s ，p l a c e r o u t ea n da s s e m b l ew a sb a s e do nd e v e l o p t o o lq u a r t u s l l 4 0 t h et i m i n gs i m u l a t i o nw a sb a s e d0 1 2m o d e l s i m a tl a s t ，d e s i g n m o d u l ei sd o w n l o a d e di nd e v e l o pk i tu p i o nw h i c hr e a l t i m es i m u l a t i o nw a sd o n et o a n a l y s e t h ew a v e f o r mw i t ha g i l e n t sa n a l y z e r16 7 3 g 皿ep r o t o c o lo fe t h e m e ta n dt h e o r i e sa b o u tt h ep o n ( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) o v e re h t e m e ti si n t r o d u c e df i r s t l y t h e nt h em a s t e rp l a n ，i n c l u d i n gt h ea r c h i t e c t u r e o ft h es y s t e m ，t h em o d u l ed i v i d i n g ，t h ed e s i g nm e t h o da n dt h ec o d i n gs t y l ei s e x p a t i a t e d a f t e rt h a t ，t h ed e t a i l o fe a c hm o d u l ew i t ht e s t i n gd a t ar e s u l t sa n dt h e t i m i n gs i m u l a t i o nw a v e f o r m i sg i v e no u t ， s o l u t i o n st ot h ek e yf u n c t i o n a lm o d u l e so fm a c l a y e ra r eg i v e nb a s e do n f p g aa n dh d li nt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u c ha sr xm o d u l e ，t xm o d u l e ，m a c c o n t r o l a n di n t e r f a c eb e t w e e np h y ，m a ca n dh o s t ，a r i t h m e t i cf o rc r c ，c s m a c da n d h a s ht a b l e m o d e lo f c y c l er e q u e s ta r g o r i t h ma sw e l l w e d e s i g n i n gt h es y s t e m i ti sv e r yi m p o r t a n t t h a th o wt od i v i d ea n dd e f i n e e a c hm o d u l ea n dh o wt oc o o r d i n a t ea n di n t e r c o n n e e tt h e s em o d u l e s m e t h o do f t o p - d o w n a r ea t s oa p p l yt od e s i g n a sf o rt h ei n t e r c o n n e c t i o no fe a c hm o d u l e t h e i n t e r f a c es i g n a li sd e f i n e dt oc o m m u n i c a t eb e t w e e nt h e m ，a n dt h ei n t e r n a lt i m i n go f t h em o d u l ei sc o n t r o l1e db ys t a t e sm a c h i n e w h e nc o n s t r u c t i n gt h ec o d e ，i ts h o u l d b ea t t e n t i o nt oh a r d w a r er e s o u r c es p e n d i n ga n dc o n c u r r e n te x e c u t a b l ea b i l i t yo ft h e v e f i l o gl a n g u a g et om a k et h ed e s i g nc l o s et ot h eh a r d w a r ew o r k h i gw a y s oi t c o u l dm a t c hah i g hs p e e dw i t hal o wh a r d w a r es p e n d i n gt os a t i s f yt h ed e m a n do f t h ec o s t ，p e r f o r m a n c ea n d p r a c t i c a b i l i t y f i n a l l yt h et h e o r yo f t h em p c p ( m u l t i p l e x p o i n tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) i ne p o n s i sa l s or e a s e r c h e d i tg i v em a t h e m a t i c sd e d u c ea n de x a m p l ef o r d b a ( d y n a m i c b a n d w i d t ha l l o c a t i o n ) ，d i c u s s et h em e t h o dt or e a l i z e a d d i n gi t t o8 0 2 3m a c l a y e r k e yw o r d s ：e t h e m e t ，m a cl a y e r ，e p o n ，v e r i l o gh d l ，f p g a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：近也 日期：2 。r 年f 月哆日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盘匙导师签名：兰巡 日期： 2 9 玎年f 月上5 日 生王型丝查兰堡土堂些兰塞 一一 第一章引言 1 1 项目背景及研究意义 在计算机网络发展历程中，以太网可以悦是众多网络技术中最具影响力的一 种。以太网技术不但随着通信和计算机技术不断发展，而且还对新的网络技术 产生着非常重要的影响。无论是在i n t r a n e t 还在接入网，以太网都在或者将成为 应用场合最多、应用范围最广的网络技术。 近年来接入网领域不断高速发展，竞争激烈，多种新型业务的出现以及对网 络服务质量的更高要求，为满足这些业务要求而发展起来的新技术，在需求与技 术两者中相互促进和发展。以太网接入正在由工作组场合大举进入住宅、小区等 场合，让家庭用户享受高性价比的德、丰富多彩的互联网应用。 接入网的发展是近年来通信网络建设上最为重要的网络升级，而基于以太网 接入技术和光纤传输相结合的接入方式必将成为其中极其重要的一个分支。 e p o n 已经成为接入网的热点f 2 】，其中m a c 层协议的研究实现是其中的重点。 以传统的8 0 2 3 x 协议的m a c 核为核心，进步到e p o n 的m a c 层，添加了点到 多点协议的接入，实现了平稳的过渡和良好的兼容性。 1 2 国内外研究状况 以太网的性能在不断提升之中，从最初的1 0 m b p s ，到现在1 0 0 m b p s 成为最基 本的组网形式，1 0 0 0 m b p s 以太网也已经成熟并且得到了广泛应用。全双工通信， 是以太网的又一种新的进步。它不仅仅是提升了信道的传输速率，更重要的意义 在于；突破了以太网对信道长度的严格要求，使其不再受到限制。这为以太网从 一个单纯的局域网逐渐进入到广域网领域提供了必要的手段。 8 0 2 3 协议是针对以太网c d m a c d 标准的传输介质物理层( p h y ) 和介质访 问协议( m a c ) 单独定义的，并且随着技术的发展，采用新的传输介质，采用更 高的速率f 3 】，i e e e8 0 2 3 标准也在不断补充和完善。在i e e e8 0 2 3 模型中，在m a c 层内可选m a c 控制子层。在实际网络中，对以太网的控制功能要求越来越多， 如接口速率的设定、流量控制等，因此需要设置这个子层来处理这些控制功能。 以太网组网简单方便、性能高，使得他得到广泛的应用【1 1 。而采用以太网技 术实现宽带按入，从以太网的技术本身来看，实质上就是一种以太网的组网，采 用以太网交换机，采用全双工信道实现远程连接。采用基于以太网的接入网体系 结构，接入网部分实质上只包含了p h y 层和m a c 子层两部分，在这之上的部 f 乜了科技人学坝i 学位论文 分如直接利用m a c 服务，还是通过l l c 服务实现接入通信，是接入用户与运 营商的约定，如p p p o e ，是基于以太网接入的基本接入控制手段。 光纤接入网是采用光纤传输技术的接入网，在本地交换局和用户之间全部或 部分采用光纤传输【2 】，有别于光纤传输系统。无源光网络( p o n ) 是发展较快的光 纤接入网，而e p o n 利用p o n 的拓扑结构实现以太网接入，比a p o n 提供了更 高的带宽，更低的成本和更广的服务能力，成为最新研究以及实现应用的热点。 对于以太网技术而言，p o n 是一个新的媒体。8 0 2 3 工作组定义了新的物理层， 而对以太网m a c 及以上层则尽量做最小的改动以支持新的应用和媒体。e p o n 的正式标准经由i e e e8 0 2 3 a h d r a f t 工作组定义，已经于2 0 0 4 年六月正式发布。 对8 0 2 3m a c 层协议的最大改动除了在m a c 控制子层中添加了m p c p ( 多点控 制协议) 功能，还定义了m p c p 各个任务的操作代码【4 】。 国内外各家大公司也根掘新的8 0 2 3a 1 1 协议加紧了对e p o n 的开发研制，有 的已经推出了p h y 和m a c 芯片。比如t e k n o v u s 公司的t k 3 7 0 0 系列，以及 p a s s a v e 的p a s 5 0 0 i ( o l t ) 和p a s 6 0 0 1 ( o n u ) 芯片。在国内，烽火通信也在进行 e p o n 芯片的研究。 1 3 设计目标和主要设计内容 1 3 1 设计目标 在接入网技术方面，类似于p p p o e 和e p o n 等基于以太网技术的接入方案 也将有很大的应用空间。因此，对以太网8 0 2 3 协议的研究和设计有显得非常有 必要了。所有的接入网实质上就只包含了p h y 层和m a c 子层两个部分，相对 于不同介质的物理层传输，m a c 层协议相对的改动要少得多。在传统的o s i 七 层模型中，m a c 层相当于数据链路层的作用，负责对上层的包数据和物理层的 b i t 流数据进行帧的封包解包以及流量控制、循环校验等一系列功能。由此，设 计个基于f p g a8 0 2 3 协议的m a c 层的i p 核成为本次项目的最终目标。i p 核具有非常灵活的优势。相对于硬核，i p 核可以根据实际需要，进行很方便的 添加、裁减和修改，具有非常大的灵活性唧。 在众多基于以太网技术的接入网中，由于e p o n ( 无源光网络) 具有许多成 本和性能方面的优点，具有很高的竞争优势，能够提供新的收益机会，因此论 文主要针对e p o n 的m a c 子层进行研究和设计。参照协议标准为2 0 0 4 年6 月正式发布的i e e e8 0 2 _ 3a h i 舢。该协议引入了新的m p c p 帧格式。选取合适的 算法作为m p c p 协议d b a 算法，在本文设计的8 0 2 3m a ci p 核里添加对 m p c p 帧的操作，就可以实现全部的e p o nm a c 层功能。 电予科救火学坝 ：学位论文 1 3 2 设计内容 设计8 0 2 3a hm a c 子层协议包括如下几个方面的内容【”，要求工作在 1 0 0 m b s 的以太网频率下： 实现m a c 发送帧到p h y ； 实现m a c 接收帧到主机； 实现m a c 在半双工方式下以c s m a c d 访问信道： 实现m a c 在全双工方式下通过m a c 控制层进行流量控制； 实现m a c 层和p h y 之间的接e l 设计( 1 0 0 m 以太n ) t 3 l ： 选取一种总线实现m a c 层和主机之间的接e l 7 1 。 采用a l t e r a 公司的f p g a 芯片作为实现上述模块的硬件。以m c u 为核心， 采用f p g a 设计实现外围电路，不仅可以使设计小型化、集成化和实现高可靠 性，还大大缩短了设计周期，减少了设计费用，降低了设计风险【8 1 。 在实现m a c i p 的设计之后，研究在m a c c o n t r o l 模块里，加入m p c p ( 多 点控制协议) 功能，并且选择一种简单高效的d b a ( 动态带宽分配) 算法，从而实 现e p o n m a c 层功能的方案1 6 1 。本文从理论上对d b a 算法进行了研究和验证。 以下为本文每章内容概要： 第二章：对8 0 2 3 a h 协议包括以太网协议和e p o n 原理、工作方法的介绍。 第三章：对8 0 2 3 协议m a c 层的内部模块进行f p g a 设计。 第四章：对8 0 2 3 协议m a c 层的外部接口进行f p g a 设计。 第五章：对开发平台和验证工具的介绍。 第六章：对系统设计和各个模块的验证和测试。 第七章：在m a ci p 上添加m p c p 协议实现e p o nm a c 层的理论研究。 第八章：总结与展望。 皇王翌垫盔鲎塑：堂竺丝- 文一 第二章以太网协议与e p o nm a c 层概述 2 1 以太网的发展历程 1 9 7 3 8 2 ：以太网的产生与d i x 联盟。1 9 7 3 年，x e r o x 公司提出并实现了 最初的以太网。d i x 联盟1 9 8 0 年9 月开发并发稀了1 0 m b s 版的以太网标准 fd i x s 0 】。与此同时i e e e 8 0 2 委员会被分成了几个工作组从事不同的l a n 技 术研究。i e e e8 0 2 3 研究基于以太网技术的标准，i e e e8 0 2 4 和8 0 2 5 工作组 分别研究令牌总线与令牌环技术。 1 9 8 2 1 9 9 0 ：1 0 m b s 以太网发展成熟。1 9 8 3 年6 月，i e e e 标准委员会通 过了第一个8 0 2 3 标准。在8 0 年代后几年，在这项基本标准中又增加了中继 器规范并可支持细同轴电缆以及光纤等。i e e e 于1 9 9 0 年9 月通过了使用双绞 线介质的以太网( 1 0 b a s e t ) 标准，该标准很快成为办公自动化应用中首选的以 太网技术。 1 9 8 3 1 9 9 7 1l a n 网桥接与交换。d e c 在8 0 年代初开发了第一个透明 l a n 网桥，成为多个以太网互连的主流设备。结果1 9 9 0 年出现了i e e e8 0 2 1 d 标准。使用交换机后，实现了“全双工以太网”。1 9 9 5 年，i e e e8 0 2 3 委员会 开始研究全双工操作的标准，并在1 9 9 7 年通过了项标准 i e e e 9 71 。 1 9 9 2 1 9 9 7 ：快速以太网。计算机性能和应用需求的增长，要求网络容量 也同时增长。1 9 9 1 1 9 9 2 年间，g r a n dj u n c t i o n 网络公司开发了一种高速以太网， 运行速度达到1 0 0 m b s 。随后提出了快速以太网标准 i e e e9 5 。这也是从最初 d i ) ( 规范提出后的1 5 年里，以太网数据速率的第次提升。 1 9 9 6 一今：千兆以太网。在快速以太网的官方标准提出后不到一年，对 于兆以太网的研究工作也开始了，这种网的速率可达到1 0 0 0 m b s 。1 9 9 6 年i e e e 8 0 2 - 3 成立了一个标准开发任务组，1 9 9 8 年完成并通过了标准 i e e e 9 8 1 。研究 工作又向支持桌面应用的双绞线千兆以太网技术方面拓展i “。 2 2 以太网8 0 2 3s a c 层协议 2 2 1 快速以太网的特点 高速以太网在网络技术发展中是一种演进，建立在以下技术基础上： 从共享的l a n 介质到专用介质的转变。以太网最初使用共享的同轴电 缆，随着1 0 b a s e t 的发展，采用星型结构、专用电缆连接每个接入设备具有 坐王至! 丝叁堂型! ：兰些堡苎 明显的优点。1 0 0 m b s 和干兆以太网都使用完全专用的介质，它们都不支持共 享的同轴电缆或其他电缆。 从共享的l a n 带宽到专用的带宽。 使用全双工以太网连接。 以太网流量控制。 介质无关的接口。 自动的连接配置。 2 2 2 全双工以太网技术 2 2 2 1m a c 算法和c s m a c d 的重要性 c s m a c dm a c 被认为是自x e r o x 最初的研究工作以来最重要的进展。 它提供了一个极其简单的算法，可以在多个设备之间进行信道使用仲裁，而不 需要中央控制设备。然而，高层的协议和应用程序完全不知道底层m a c 的仲 裁，也就是说，应用程序或协议使用以太网的能力与c s m 刖c d 算法毫无关系， 而只与以太网的帧格式有关f j 】。 2 2 2 2 全双工以太网 在以太网最初设计中，底层信道是共享的同轴介质，它不可能支持全双工 操作。因此，在以太网中实现全双工操作需要两个因素：使用结构化布线系统， 底层实现转向专用介质；使用交换机，建立微分段、专用的l a n 。 现在支持全双工模式的介质一般有1 0 b a s e t ，1 0 b a s e f l ， 1 0 0 b a s e t x ，1 0 0 b a s e f x ，1 0 0 b a s e - t 2 ，1 0 0 0 b a s e s x ，1 0 0 0 b a s e l x ， 1 0 0 0 b a s e c x ，1 0 0 0 b a s e t 等等 在这种基本条件下全双工以太网作为i e e e8 0 2 3 a x 补充标准的一部分增 加到原有的标准 i e e e 9 7 中。m a c 控制器的功能，包括以下几项：关掉载波 侦听功能；关掉冲突检测功能；关掉将已发送数据回送到接收器的功能。 对于发送操作，全双工发送器可以做到一旦它的发送队列中有帧，它就发 送，只要它遵守以下两个简单规则： 1 ) 站每次操作一个帧。即在开始发送下一帧前，已经完成上一帧的发送。 2 ) 发送器在两帧之阃加入很短的时间问隔。帧间隙使得接收器有短暂的 时间来处理必要的内部事务。 而对于接收操作，在全双工以太网接口中的操作与半双工模式下样。 所有的标准以太网都使用5 1 2 比特的最小帧长，包括从目的地址到校验序 坐王! ! 丝叁兰塑! ：兰垡堡墨一列。虽然在全双工模式下不需要最小帧长的限制，但保持这个限制可使设备驱 动器和高层软件能同样地对待两种特性的以太网( 全双工和半双工) 。 全双工以太网可以广泛运用在交换机之间的连接、服务器之间的连接、长 距离连接等方面。优点如下：( 1 ) 消除了c s m a c d 对链路长度的限制。( 2 ) 增 加了信道的总容量。 2 ，2 38 0 2 3m a c 帧格式 从d i x 以太网到现在，以太网的帧格式改变非常小。所有帧格式都要经 过物理层的进一步封装，包括数据流开始和结束的定界符、空闲信号等等”。 + 一2 4 毖徽燃蕊识符卜特定供磊能一标识符 t l 熬局管州幸局唯一f ll o = 全局管理的( 幸局唯一地址) i | = 1 瓣0 蚍 l 啪 i r _ 对于甚的地址：l l o 。物理地址( 单捕地址) f ii = 逻辑地址( 组播地址)l l 对于源地址：必须为 l 2 2 3 2l e e e8 0 2 3 帧格式描述 在1 9 9 5 1 9 9 6 年间，1 e e e8 0 2 3 x 任务组，为了支持全双工操作对原有 电子科技大学硕士 l f 究生毕业论义 的标准作了补充，开发了流量控制算法。从帧格式角度的最大变化是，m a c 控制协议使用d i x 以太网风格的类型域来唯一区分m a c 控制帧与其他协议的 帧，i e e e8 0 2 3 x 在1 9 9 7 年成为i e e e 通过的协议，支持这个域作为类型域和 长度域两种解释p 】。如图2 2 所示。该帧包含6 个域： 1 ) 前8 个字节包括7 个字节的前导码( p r e m b l e ) 0 x 5 5 和1 个字节帧起始定 界符( s f d ) 0 x d 5 。最后2 位是连续的l ，表示数据链路层帧的开始。 2 ) 目的地址( d a ) 包含6 个字节。d a 可以是单播地址或组播地址。 3 ) 源地址( s a ) 包台6 个字节。s a 标识了发送帧的站，通常是单播地址。 4 ) 类型长度域包含2 个字节。类型域标识了在以太网上运行的客户端协 议。长度域被用来指示数据域中有效数据的字节数。数掘范围1 5 0 1 , - 6 5 5 3 5 的 值用来标识类型域，而从0 到1 5 0 0 的所有值则保留为长度域的赋值。 5 ) 数据域包含4 6 1 5 0 0 字节。数据域封装了通过以太网传输的高层协议信 息。由于c s m a c d 算法的限制，要保证这个域至少包含4 6 字节。如果不足， 则高层协议必须执行某些填充算法。长度上限被设置为15 0 0 字节。 6 ) 帧效验序列( f c s ) 包含4 个字节。f c s 是从d a 丌始到数据域结束这 部分的校验和。校验和的算法是32 位的c r c 校验。生成多项式是： g ( x ) = x ，i + x 二，+ x ：，+ x ：+ x l “+ x l ! + x l + x + x 。+ x 7b y t e s 1b y t e 6b y t e s 6b y t e s 2b y t e s 4 6 一l 5 0 0b y t e s 帧前导码p r e a m b l e 帧起始定界符s f d 目的地址d a 源地址s a 疑度，类型l e n t h t y p e 数据d a t a 帧校验码c r c 2 2 4 以太网流量控制 ，+ x t + x 。+ x ! + x ，+ 1 。 f 肄 1寰 i 瘫 l器 l 讯 l进 i矬 i 以太网本质上是无连接的，帧传输的可靠性也没有什么保证。在数据位出 错、接收器的缓冲区不能满足或其他异常情况下，以太网接收器会简单地丢弃 帧，而不给出任何提示。缓冲拥塞造成丢帧的可能性要远远大于位出错，特别 l u 于科技大学坝i ：研究生毕业论艾 是在高数据率下或网络互连设备( 如交换机) 中。如果没有能提供流量控制的协 议，就可能由于交换机缓冲区拥塞而丢失过多的帧【”。 2 2 4 1 半双工的后退压力c s 姒c d 算法的简单描述 当交换机端口连接到共享式l a n ( 半双工网络) 时上，那么就可能通过改变 m a c 算法的行为，抢在将要到来的数据之前采取某种动作，来阻止发送者发 送它们的数据。这就称为后退压力( b a c k p r e s s ) 。在c s m a c dl a n 中，有两种 方法可用来防止交换机的输入缓冲区溢出： t ) 强行与将要到达的帧发生冲突，但是存在不利影响： 发送站可能阻塞太多，导致系统实际吞吐量要比可用吞吐量低( 在信道上 有不必要的空闲时间1 。 如果交换机输入缓冲区持续捌塞，站中的待发帧可能要经历连续1 6 次 的冲突与重发。如果1 6 次发送都不成功，则按照m a c 算法，站将丢弃该帧， 并作为错误报告。对于高层协议，这与交换机丢失帧是一样的。 管理计数器与统计资料除了表明有“过多的冲突错误”外，还将显示很 高的冲突次数。网络管理人员会认为该网络出现了某些严重的错误。 2 ) 使信道看起来处于忙状态。这种方法使用“拖延”策略而不是以太网 m a c 的冲突后退策略。只要站发现信道忙，它将延迟传输。它不增加后退延 迟时间，而且该帧保留在队首，并且不管时间有多长，该帧都不会被丢弃。 让共享式l a n 的载波侦听作出“信道忙”判断。在交换机遭遇捌塞而想 要阻塞供应负载时，生成一段前导码，把它放到需要的输入端口上。这段前导 码的结尾绝对不能是s f d ，这保证接收站不会把它解释为一个真f 的帧。但是 如果这段前导码的发送时间超过2 0 m s ，1 0 m b s 收发器会作出“过长发送控制” ( j a b b e rc o n t r 0 1 ) 的判断。而在l o o mb ，s 和1 b o o mb s 系统中，就完全不会出 现这样的问题。 当每个端口都只有一个站连接时，使用伪载波信号尤为合适。当有两个以 上的站连接到交换机端口时，可能有多个站有帧要发送，这些站间将出现冲突。 各个站将使用恰当的冲突发现及后退方法，解决它们的以太网拥塞问题，因此， 虽然伪载波侦听算法可能间接导致冲突的发生，但是这些冲突是f 常的并且可 以被适当地解决。 2 2 4 2 全双工网络中的m a o 控制算法 在全双工以太网中，无论是伪载波侦听，还是强迫冲突算法都不能工作。 全双工以太网接口不检测冲突，并且忽略可延迟传送的载波侦听。 生王型垫盔兰堡：兰兰竺堡苎 i e e e8 0 2 3 a x 任务组规定了一个控制以太网m a c ( m a c 控制) 的更通用的 体系结构框架。m a c 控制是数据链路层的一个子层，介于传统以太网m a c 层和m a c 客户之间的可选功能。客户可以是网络层协议或数据链路层内部的 网桥。正常的发送和接收数据流会经过m a c 与m a c 控制子层的客户交互。 一旦对m a c 控制敏感客户发出了请求，m a c 控制可以产生控制帧( c o n t r o l f l a m e ) ，这些帧被发送到底层使用标准m a c 的以太网上，同样，以太网m a c 将接收m a c 控制帧，并把它们提交到m a c 控制子层中的相应模块0 1 。下图 为m a c 控制子层的位置以及m a c 控制帧和标准m a c 帧的交互。 客户数据帧( 接收)客户数据帧( 发送) 控制诈：求 m a c 控制客户 1r1r i m a cc o n t r o l jl l o p e r a t i o n m a c 控制帧( 接收)m a c 控制帧( 发送) 一 1r jl m a c 控制子型 17 m a c 客户数摧帧( 接收)客户数据帧( 发送) 图2 3客户帧和控带4 i 顷 所有m a c 控制帧的长度都是以太网帧的最小长度6 4 字节，通过唯一的 类型域标识符0 x 8 8 0 8 标识出。在控制帧的数据域内，前两个字节标识了m a c 控制的操作代码。操作代码后面的域是该操作所需的参数。如果这些参数不能 使用全部的4 4 字节，则帧中其余的位将以0 填充。 p a u s e 功能用来在全双工以太网链路上实现流量控制。p a u s e 操作实现 了种简单的“停- 启”形式的流量控制。如果某个设备( 站或交换机) 想阻止帧 到来，它可以发送一个带有参数的p a u s e 帧。当另一个站接收到p a u s e 帧 后，将在指定的时间内停止发送数据。当这个时间超时后，该站将从暂停的位 置继续发送帧。p a u s e 帧能禁止发送数据帧，但不影响m a c 控制帧的发送。 p a u s e 帧只带一个称为暂停时r 日j ( p a u s et i m e ) 的参数，是2 个字节的无符号整 型值。它是发送方请求接收方停止发送数掘帧的时间长度。时间度量以5 1 2 比 特时间为增量。 9 鱼王塑垫查兰堡生兰堡垒苎 2 3 基于以太网技术的无源光网络接入 2 3 1 光接入网 由于光纤的高带宽特性，光纤接入技术的研究一直备受重视。根据o n u ( 光 网络单元) 位置的不同，o a v 可以划分为四种基本类型，光纤到户( f t t h ) 、光 纤到楼f f t t b ) 、光纤到室( f t t o ) 、光纤到路( f t t c ) 2 1 0 在系统配置上，光接入网可以分成无源光网络( p o n ) 和有源光网络( a o n ) 。 利用全光网络技术，i p 包可能会直接调制在光纤上，省去s d h 这一层，是传 送效率更高，设备成本降低。无源光网络就是在光线路终端( o l t ) 至u 光网络单 元( o n u ) 之间采用无源器件( 光纤、光分路器、光连接器等) 。其主要特点就是 使用无源器件实现资源共享，便于维护，易于升级，费用低。 2 3 2 基于以太网的无源光网络e p o n 简介 2 3 2 1e p o n 的发展与应用 无源光网络( p o n ) 系统在9 0 年代初期出现。1 9 9 6 年i t u t 完成了对g 9 8 2 的标准化，主要目标是对2 m b i t s 以下的窄带p o n 系统进行定义。与此同时， 以a t m 为基础的p o n ( i i 0a p o n 系统) 也发展较快。1 9 9 9 年i t u t 推出g 9 8 3 2 建议，主要从网络管理和信息模型上对a p 0 咐系统进行了定义。 基于以太网技术在局域网的绝对优势，i e e e 于2 0 0 0 年底成立了e f m 工 作组( e t h e m e ti nt h ef i r s tm l i es t u d yg r o u p ) ，引入一种新的接入技术标准一 e t h e m e tp o n ( 简称e p o n ) 。i e e ee f m 工作组的目的是在现有i e e e8 0 2 3 协议 的基础上，通过较小的修改实现在用户接入网络中传输以太网帧。e p o n 相对 于现有类似技术的优势，归纳起来主要体现在：( 1 ) 与现有以太网的兼容性。( 2 ) 高带宽。( 3 ) 低成本。( 4 ) 为灵活和快速的服务重组提供了方便。 2 3 2 2e p o n 的工作原理 e p o n 中，根据i e e e 8 0 2 3 以太网协议，传送的是可变长度的数据包，最长 可为1 5 1 8 个字节，可以传送i p 业务( a t m 不行) 。i p 要求将待传数据分割成可 变长度的数据包，最长可为6 5 5 3 5 个字节，其中典型的长度为5 7 6 字节。以太 网适合携带i p 业务，与a t m 相比，极大地减少了开销。千兆以太网以双工方 式操作的设备，不作载波扩充、“时隙”扩充和包突发修改。全双工设备仍将 继续使用常规的以太网9 6 位帧间隔( i f g ) 年f l6 4 字节的最小包长度。 e p o n 下行帧结构如图2 - 4 所示，它由一个被分割成固定长度帧的连续信 电子科技太学硕士研究生毕业论文 息流组成，其传输速率为1 2 5 g b i t s ，每帧又携带多个可变长度的数据包( 时隙) 。 含有同步标识符的时钟信息位于每帧的开头，用于o n u 与o l t 的同步，每 2 m s 发送一次，占1 个字节。按照i e e e 8 0 2 3 组成可变长度的数据包，每个 o n u 分配一个，每个数据包由信头、可变长度净荷和误码检测域组成。 e p o n 的上行帧结构及其组成的过程图2 - 5 表示，与光分配器连接的各个 o n u 发送的上行信息流，通过光分配器耦合进共用光纤，以t d m 的方式复合 成一个连续的数据流。该数据流以帧的形式组成，帧长也是2 m s ，每帧有一个 帧头。表示该帧的_ 丌始。每帧进一步分割成可变长度的时隙，每个时隙分配给 一个o n u ，用于向o l t 发送上行数据。 2 m s2 m s 探测域口 亘蔓耍耍雯耍皿信头 幽2 - 4e p o nf 行帧 1 1 堕! 竺， 同步标识符 j ! l ! i ! l ：随l ! i ! l l ：虹l ! i ：1 2l ：i 丝i i 吲 误码 探测域l l逢兹i 信头 n 1 1 睦度可变 图2 - 5e p o n 下行帧 2 3 2 3 e p o n 技术的难点 如前所述，虽然8 0 23a h 协议已经f 式发布了，e p o n 技术目前还处在研 究讨论阶段，基于以太网技术的e p o n 宽带接入网，与传统的用于计算机局域 网的以太网技术不同，它仅采用了以太网的帧结构和接口，而网络结构和工作 原理完全不同，虽然e p o n 有许多诱人的优点，但是要想解决关键技术问题， 难度却很大i ”。 ( 1 ) 上行信道复用技术，是e p o n 技术的核心，包括上行带宽的分配方法、 o n u 发送窗口固定还是可变、最大的o n u 发送窗口应为多大、o n u 发送窗 口的间隔、以太网帧是否切割等问题都有待于研究和确定。 ( 2 ) 测距和时延补偿技术。测距的目的是补偿因为o n u 与o l t 之间的距 离不同而引起的传输时延差异，使所有o n u 感觉到与o l t 的逻辑距离相同。 坐王! ! 垫盔兰型型业堑竺兰些至塞一 ( 3 、突发信号的收发。上行信道是所有o n u 分时复用的，每个o n u 只能 在指定的时间窗口内发送数据。因此，e p o n 上行信道传输的是突发信号。 ( 4 ) 实时业务传输质量。e p o n 关键的技术挑战是增强以太网的能力，以保 证实时语音和i p 语音服务能够在单一平台上传输。 此外，基于以太网技术的宽带接入网应该具有高度的信息安全性、电信级 的网络可靠性、强大的网管功能，并且能保证用户的接入带宽，这些问题也需 要解决。 2 4i e e e 8 0 2 3 a h 协议对8 0 2 3 协议的补充 2 ，4 1m p c p 协议8 0 2 3 a h 的新内容 2 0 0 4 年6 月，i e e e 协会正式通过了新的8 0 2 3 a h 基于以太网技术的 p o n 接入协议标准。i e e ee f m 工作组的目的是在现有i e e e8 0 2 3 协议的基础 上，通过较小的修改实现在用户接入网络中传输以太网帧。在m a c 层上，最 主要的修改就在m a c c o n t r o l 子层里添加了m p c p ( 多点控制协议) 协议1 4 1 。 在采用点对多点( p 2 m e ) 通信的网络设备中，主单元和从单元之间要采用 m p c p 来实现数据的有效传输。e p o n 系统是一种典型的点到多点传输，接入设 备，采用m p c p ，可以实现一个可控制的网络配置，如光网络单元( o n u ) 酐j 自 动发现、终端站点的带宽分配及查询、监控等。m p c p 在m a c 控制层实现， 除8 0 2 3 的子句定义的消息乡 ，还要引入5 条新的控制消息：g a t e 、r e p o r t 、 r e g i s t e r r e q 、r e g i s t e r 、r e g i s t e r ，a c k f 6 ) 。通过p 2 p 仿真，m p c p 可以和现有的以 太网兼容，依然属于传统的以太网帧格式。 o n u 的操作如下：( 1 ) o n u 同步。通过在下行的m a c 控制帧中携带“时戳 ( t i m e s t a m p ) ”信息，o n u 可以找到定时信息，从而和o l t 同步。( 2 ) o n u 等 待发现窗1 2 1 ( 1 3 i s e o v e r yg a t e ) 。( 3 ) o n u 利用发现窗口的信息执行测距操作，o l t 应给其分配逻辑链路l l i d 及管理o n u 所必需的带宽。( 4 ) o n u 向o l t 报告 其状态信息，等待授权。( 5 ) 收到授权后在自己的授权时隙内发送数据帧。 o l t 的操作如下：( 1 ) 要产生一个时戳消息，作为全局的时钟参考。f 2 ) 控制 o n u 的注册进程。( 3 ) 为新o n u 测距产生发现窗v 1 。( 4 ) 执行测距操作。( 5 ) 为 己发现的o n u 分配授权时隙。在发现的过程中可能会出现碰撞，因此对每一 个已注册的o n u 都要分配一个最小带宽用于对它的管理，还需要有优化的 d b a 算法。这些操作的实现要依赖于m p c p 及m p c p 消息帧结构。 皇至型垫奎堂堡主婴壅兰堡些笙苎 2 4 2m p c p 子层的功能 m p c p 子层使用了m a c 控制子层的工作机制和一些定义，支持多个 m a c c l i e n t 和e p o n 特定的m a c 控制功能。m p c p 子层还扩展了m a c 控制 的机制，使其可以同时控制下面的多个m a c 层，还使得各个m a c c l i e n t 能 够在p 2 m p 的光网络中不受干扰地发送和接收帧，好像p 2 p 的情形一样。 因此提出了以下要求：(