（微电子学与固体电子学专业论文）以太网报文在otn控制平面的传送.pdf

摘要 摘要 随着网络技术的不断进步，业务模型在不断地变化，业务量也随之爆炸式增 长，光纤通信使电信业进入了一个新时代，而光网络无疑是光纤通信时代最活跃 的领域。光网络已经从基于电层面实现的s d h 业务发展到基于光层面的光传送网 ( o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ，o t n ) 和全光网络( a u t o m a t i cs w i t c h i n go p t i c a l n e t w o r k ，a s o n ) 。o t n 技术是在光层实现业务的交换、复用、选路等功能。 现在的公共电信网络中9 5 的数据流量都起止于以太网，以太网在现代通信 过程中还占据着统治地位。随着o t n 技术的发展，必然出现o t n 技术与以太网 技术相交换、互相传输，本文就是基于o t n 控制平面的传送。o t n 开销作为o t n 的控制信息，需要同主控或其他网络段相互通信，而主控之间、主控与单板之间 的通信都是基于以太网的。 本文是基于f p g a 设计的以太网开销处理芯片，主要是将从并口提取o t n 的某 些开销( 如g c c 0 、g c c l 、r e s 等) 通过以太网层面传送给主控或其他单板，并 把主控或其他单板的信息( 指定某些开销) 通过并口下插给o t n 芯片，完成o t n 开销信息在二层的管理和传输。由于规格和需求在不断的更新、变化，f p g a 的方 案保证我们能更快、更有效适应规格和需求的变动。最终我们的设计方案得到了 华为产品线的认可，并作为下一款芯片开发的依据。 关键宇：以太网光网络o t n 开销f p g a a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sa d v a n c e m e n to ft e c h n o l o g y , b u s i n e s sm o d e li s i nc o n s t a n t c h a n g ea n dt h ev o l u m eo fb u s i n e s sa l s oh a s e x p l o s i v eg r o w t h o p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o nt u r n e du pt oe n a b l et h et e l e c o m m u n i c a t i o n s i n d u s t r ye n t e r i n gan e we 氓 a l l d o p t i c a ln e t w o r k si su n d o u b t e d l yt h em o s ta c t i v ea r e a so ft h e o p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o nt i m e s t h e o p t i c a ln e t w o r kh a sd e v e l o p e d 丘o mt h er e a l i z a t i o no f b u s l n e 豁d e v e l o p m e n tb a s e do ns d hl a y e rt ot h el e v e lo f o p t i c a l 1 a y e ro p t i c a lt r a n s p o r t i l e 觚o r k ( o t n ，o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ) a n da 1 1 o p t i c a ln e t w o r k ( a s o n ，a u t o m a t i c s w i t c h i n go p t i c a ln e t w o r k ) o t ni sat e c h n o l o g yt h a ta e h i v e sb u s i n e s se x c h a n g e m u l t i p l e x i n g ，r o u t i n ga n do t h e rf u n c t i o n si nt h e o p t i c a ll a y e r n o wmt h ep u b l i ct e l e c o m m u n i c a t i o n s n e t w o r k ，9 5 o fa l ld a t at r a f f i cb e 西l l l l i n g a n d e n d i n go i le t h e r n e t e t h e m e ti nm o d e mc o m m u n i c a t i o n sw e r ea l s oo c c u p i e sa d o m i n a n tp o s i t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo t n t e c h n o l o g y , t h ee x c h a n g ea n dm u t u a l t r a n s m i s s i o nb e t w e e no t na n de t h e m e t t e c h n o l o g yw i l li n e v i t a b l ya p p e a r t l l i sa n i c l e i sb a s e do nt r a n s m i s s i o no fo t n c o n t r o lp l a n e a st h ec o n t r o li n f o r m a t i o n ，o t n o v e r h e a dn e e dt oc o m m u n i c a t et h em a i nc o n t r o lo ro t h e r p a r a g r a p hn e t w o r kw i t l le a c h o t h e r b u tt h ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nm a i n sa n d b e t w e e nm a i na n do t h e rb o a r da r e b a s e do nt h ee t h e m e t t h i sa r t i c l ei sa ne t h e m e t p r o c e s s i n gc h i pb a s e do nf p g ad e s i g n ，m a i l ye x t r a c t s o m eo f t h eo t n o v e r h e a d s ( s u c ha sg c c 0 ，g c c1 ，r e sa n ds oo n ) f r o m p a r a i i e ip o r t i t t r a n s p o r tt h e s eo v e r h e a d st ot h em a i n so ro t h e rb o a r do nt h ee t h e m e t l e v e l a n di ta l s o i n s e r t st h ei n f o r m a t i o nf r o mt h em a i n o ro t h e rb o a r dt oo t n c h i p s ，c o m p l e t i n gt h e m a n a g e m e n ta n dd e l i v e r yo fo t no v e r h e a d so nt h es e c o n dl e v e lo ft h en e t w o r k a st h e s p e c i f i c a t i o n sa n dn e e d sc o n s t a n tu p d a t e sa n d c h a n g e s ，f p g ap r o g r a mt oe n s u r et h a t w ec a nm o r e r a p i d l ya n de f f e c t i v e l ya d a p tt oc h a n g e si ns p e c i f i c a t i o n sa n dn e e d s u l t i m a t e l y , o u rd e s i g nh a sb e e nr e c o g n i z e db yh u a w e i p r o d u c tl i n e sa n dac h i pu n d e r d e v e l o p m e n ta st h eb a s i s k e y w o r d ：e t h e r n e t o p t i c a ln e t w o r ko t no v e r h e a df p g a 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果；也不包含为获得西安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已在论文中做了明确的 说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：塑蕉毯 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：蚴： 导师签名：超隧整。堑晤 日期埤! ：! 日期盈伞也 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 上个世纪四十年代电子计算机诞生，并得以迅速发展。随着计算机的日益 普及，出现了计算机的信息交流和资源共享问题，因此，到了上个世纪的六、 七十年代，计算机网络发展了起来，其中最重要的是以太网。 以太网是x e r o x 的b o bm a t c a l f e 等人在a l o h a 网络的基础上发明的。 1 9 7 2 年他们建立了第一个试验性以太网系统：1 9 7 6 年他和d a v i db o g s 发表了 “以太网：局域计算机网络的分布式交换”一文；1 9 7 9 年，以太网技术对外开 放：1 9 8 0 年，d e c 、i n t e l 和x e r o x 共同宣布了一个i o m b s 以太网标准：d i x 标准；1 9 8 2 年，以太网成为i e e e 发起的8 0 2 系列的第一个局域网标准( 引用) 。 之后，虽然陆续加入了令牌总线、令牌局域网，但以太网以其开发早、技术成 熟、价格低廉、高度灵活和众多计算机厂家的支持而成为使用最为广泛的局域 网技术。从1 9 9 6 年开始，所有网络连接中8 0 是基于以太网的，现在更是很难 在市面上看到非以太网的计算机网络产品了。 随着科技的发展，人类社会已经进入了信息时代，特别是i n t e r a c t 的飞速发 展带来的信息爆炸，光纤通信成为解决带宽问题的最佳方案，波分复用( w - d m ) 技术作为光通信系统扩容的首选方案已经得到了广泛的应用，并逐渐由骨干网 向城域网和接入网渗透。w d m 系统不仅能提高传输容量，而且具有联网的潜 力和实用价值。w d m 系统的检视也从原来的点对点系统向光传送网( o t n ) 发展。o t n 的建设，为在光层上提供快速的保护和恢复功能和实现光路上的交 换提供了坚实的基础。 针对o t n 势不可挡的发展趋势，国际电联( i t u ) 推出了一系列标准，其 中尤以2 0 0 1 年2 月推出的g 7 0 9 建议( o t n 的光接口) 具有重大意义，它是o t n 的技术基础。g 。7 0 9 建议的核心内容就是数字包封技术( d i g i t a lw r a p p e r ) ， 它定义了一种待殊的帧格式，将客户信号封装入帧的载荷单元。在头部提供用 于运营、管理、监测和保护( o a m & p ) 的开销字节并在帧尾提供了前向纠错 ( f f c ) 字节。 o t n 的发展及特点： 1 o t n 网络是继s d h s o n e t 传送网络之后的下一代传送网络体制； 2 数据业务带宽飞速发展，经过s d h s o n e t 映射开销大，通过直接 映射进入o t n 网络提供更大的传送效率，这种优势在骨干网络大带宽尤为 明显： 2 以太网报文在o t n 控制平面的传送 3 o t n 网络通过数字包封技术能够透明的传送各种客户业务，例如， 以太网、a t m 、i p 业务等，能够定时透明的传送s d h s o n e t 业务； 4 传统的w d m 网络不具备网络监视管理能力，网络生存性较差，而 o t n 网络通过改造现有的w d m 网络能够提供强大的o a & m 功能，提升网络 生存性，更易于支持a s o n ； 5 大颗粒的调度方式更适用于骨干网络，更易构建数t 级别的骨干传 送网络，通过中心超大容量的d x c 节点构建骨干m e s h 网络； 6 提供多达6 级的t c m 功能，方便组织多级子网，提供分段监视管理 功能，解决跨网、跨运营商的各种监视管理问题； 7 为未来的全网i p 化提供良好的传送层支撑，通过i po v e ro t no v e r f i b e r 的方式，提供更短的物理封装层次、传送效率更高、支持更大带宽、 传送层的监视管理更完善、协议完全透明的传送管道。 现场可编程门阵列f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 是一种高密度 可编程逻辑器件，其逻辑功能的实现是通过把设计生成的数据文件配置进芯片 内部的静态配置数据存储器来完成的，具有可重复编程性，可以灵活实现各种 逻辑功能。作为一种可编程器件，现场可编程门阵列的出现是可编程逻辑器件 发展变化的趋势，它的出现推动着可编程逻辑器件的进一步发展。f p g a 器件 集成度高、体积小，具有用户可编程实现专门应用的功能。它允许电路设计者 利用计算机的开发平台，经过设计输入、仿真、测试和验证，实现预期结果。 使用f p g a 器件可以将原来的电路级产品集成为芯片级产品，达到降低功耗， 提高可靠性的目的，同时还可以很方便的对设计进行在线现场修改。f p g a 已 器件己成为研制、开发数字系统的理想器件，尤其适合于产品样机开发和小批 量生产。 1 2 论文结构 以太网开销口使用以太网技术传送o t n 的g c c 开销和开销穿通字节开销 字节，为大容量o t n 开销集中管理提供以太网解决方案。以太网开销口主要特 点如下： 1 集成原有开销管理体系中的线卡开销管理模块和主k ；h d l c 处理模块。 2 提供了良好的向下兼容性，支持与原有技术开销管理系统兼容互通。 3 支持不同逻辑通道的优先级调度功能。 4 上下行o t n 开销传送均支持g c c 、开销穿通字节平面。g c c 平面采用 h d l c 协议，开销穿通字节平面采用直接透传。 本论文主要提供以太网开销口的设计方案和f p g a 实现，论文结构如下： 第一章绪论 3 第一章：绪论，描述以太网现状、o t n 网络趋势以及f p g a 芯片的发展， 概要说明以太网技术和o t n 技术，明确在以太网层实现o t n 控制平面的目的： 第二章：介绍以太网帧结构和o t n 开销结构，结合协议进行描述：主要描 述与本设计相关的o t n 开销部分和以太网相关技术； 第三章：对以太网开销口的设计架构进行详细阐述，描述设计架构及框图， 对设计的思路以及实现方法进行描述； 第四章：仿真与测试； 第五章：介绍a l t e r af p g a 工具，及使用工具进行f p g a 验证过程，并 阐述设计结果； 第六章：对本课题的总结和展望，总结课题实现过程中的经验以及不足， 提出有待进一步完善的地方。 1 3 本章小结 本章主要通过描述现代网络发展的现状，引入以太网和o t n 技术在当代网 络技术中的重要性，提出f p g a 实现以太网开销口的必然性。本论文主要可分 为三大部分： 1 绪论和第一章，介绍以太网和o t n 技术的发展现状，阐述以太网技术 和o t n 技术中的基本知识。 2 第三章、第四章和第五章，详细介绍以太网开销口的逻辑实现方案和 仿真验证，阐述使用a l t e r af p g a 实现过程。 3 第六章，对本系统的总结与展望，总结课题实现过程中的经验以及不 足，提出有待进一步完善的地方。 第二章o t n 技术和以太网技术介绍 5 第二章o t n 技术和以太网技术介绍 本章首先介绍了o t n 技术，通过介绍o t n 的一些基本术语以及映射关系了 解o t n ；然后阐述了以太网技术，对以太网的帧结构进行了一定的阐述，了解 以太网帧的处理过程：最后通过o t n 开销、以太网帧等引入以太网报文在o t n 控制平面的传送实现原理。 2 1o t n 技术介绍 本节主要通过描述o t n 的分层结构以及映射模式，简要说明o t n 的一些基 本要素，从而引入o t n 开销以及各o d u k 的关系。 2 1 1o t n 的接口结构 o t n 的分层结构包括光层结构和电层结构，其接口结构见图1 。电层结构 主要指o p u k o d u k - o t u k 部分，o c h 、o m s n 、o t s n 、o p s n 以及o c h r 属于光 层结构。 c l i e n t s ( e 岳，s t m - n ，a t m ，i p ，e t h m 】a e t ，o t no d u k ) 1 0 p u k o n u k ：。d u u 筹k o d u k vo d u ko t u k v0 t u k 咱 0 c h0 c h r 0 m s n 0 p s n 0 t s n 0 ，r w n m f u l lf u n c t i o n a i t y o t mi n t e r f a c e o t m n m 0 t m n r m r e d u c e df u n c tio n a lit y o t mi n t e r f a c e 图1o t n 的接口结构 o p u k ：光净荷单元，级别k ，承载客户数据： o d u k ：光数据单元，级别k ，o t n 网络的连接信号； o 砌c ：完全标准的光传送单元，级n k ； 6 以太网报文在o t n 控制平面的传送 o t u k v ：功能标准化的光传送单元，级别k ； o c h ：完全功能的光通道单元，o t n 网络中的连接信号； o c h r ：简化功能的光通道单元，o t n 网络中的连接信号； o m s ：光复用段； o t s ：光传送段： o p s ：光物理段； o t m ：光传送模块： o t u o d u k 中的k 为速率级别，l 代表2 5 g ，2 代表1 0 g ，3 代表4 0 g 。一般情况 下一个o t u o d u 3 的速率约等于4 个o t u o d u 2 的速率，约为1 6 个o t u o d u l 的速 率。 2 1 20 t n 基本映射路径 o t n 业务可根据业务速率要求以及功能进行组合映射，映射路径图2 ，其映射 关系为： 1 ) 客户信号或光信道数据支路单元组( o d t u g k ) 映射到o p u k 中： 2 ) o p u k 映射至l j o d u k 中： 3 ) o d u k 映射至u o t u k v 中； 4 1 o t u k v 映射至l j o c h r 5 b ； n 岫 。口呐 呻t 圮加盹聊? a m m 单晖_ d 州吨_ 咖 图2o t n 映射路径 o t n 的映射支持时分复用，使用时分复用，最多可将4 个o d u l 信号复用进一 y j o d t u g 2 。o d t u g 2 再映射到o p u 2 中；也可桶( j _ p r e a m b l e ( p r e ) ：报头，字段中1 和0 交替使用，接收方通过该字段知道导 入帧，并且该字段提供了同步接收物理层帧接收和导入数据流的方法。 s t a r t o f - d e l i m i t e r ( s o d ：帧起始分隔符，字段中1 和0 交替使用，结尾是两 个连续的1 ，表示下一位是目的地址的第一个字节的第一位。 d e s t i n a t i o na d d r e s s ( d a ) ：目标地址，用于识别需要接收帧的目的地。 s o u r c ea d d r e s s ( s a ) ：源地址，用于识别发送帧的源地址。 l e n g t h t y p e ：长度类型，表示包含在帧数据字段中的m a c 数据大小，也 可以表示帧的类型。 d a t a ：数据，是一组n ( 4 6 n 1 5 0 0 ) 字节的任意值序列。 f r a m ec h e c ks e q u e n c e ( f c s ) ：帧数据校验序列，该序列包括3 2 位的循环冗 ( c r c ) 值，由发送方生成，通过接收方进行计算以校验帧是否被破坏。 2 、帧传输 m a c 层从上层协议接收到发送帧数据的请求，首先按照下面的次序将数据和 地址信息保存到m a c 层的帧数据缓冲区中。 插入报头和帧起始分隔符。 插入目标地址和源地址。 统计来自上层协议数据的数量，插入数量值。 插入来自上层协议的数据，如果数据量小于4 6 字节，则补齐4 6 字节。 根据目标地址、源地址、长度类型和数据产生c r c 校验序列，并插入校 验序列。 一帧完整数据组成后，m a c 层可以开始发送帧数据。有两种发送方式可供选 择：半x 叹i ( h a l f d u p l e x ) 和全双工( m l ld u p l e x ) 。i e e e 8 0 2 3 规范规定所有的以太网 m a c 都要支持半双工方式，即一个时刻只能进行发送或者接收，而不能同时进行 发送和接收。全双工方式下发送和接收可以同时进行。 3 、帧接收 以太网报文在o t n 控制平面的传送 帧接收的过程和发送的过程是相反的。首先检查帧数据中的目标地址和当前 地址是否相符，然后检查接收到的帧数据中的数据长度、c r c 校验序列和实际的 数据长度、c r c 校验序列是否相符。如果符合，则将数据交给上层协议进行解析， m a c 层的传输任务完成。 4 、以太网控制器 下面将要介绍的以太网控制器( m a c ) 实现了以太网标准的第二层协议 m a c ( 媒体访问控制) 协议，完全符合1 e e e 8 0 2 3 和i e e e 8 0 2 3 u 规范所规定的 i o m b i t s 和1 0 0 m b i t s 以太网标准。如图5 6 所示，使用这个以太网控制器外部连接 一块p h y 芯片( 实现了物理层功能的芯片) 就可以进行数据链路层的通信，即帧通 信。 以太网控制器( m a c ) - im i i 管理黻卜 主一致据发送模块 _ l 主机接口卜 帆 p h y 芯片 l1 接 t 口 控制模块 叫数据接收模块 图1 6 以太网控制器 这个以太网控制器具体实现了以下内容。 符合i e e e 8 0 2 3 x 规定的全双工帧控制。 半双工传输模式下的c s m c d 协议。 3 2 位c r c 校验序列的自动产生和检查。 报头的产生和去处。 发送和接收数据包的完全状态控制。 满足正e e 8 0 2 3 规定的m i i ( 媒体无关接口) 。 i 以太同卜 - _ j 厂 第三章以太网开销口设计方案 2 1 主帆接n 复块 【h o 吐i 埘a f 删 以太网控制器( m a c ) 寄存器援块 ( r 啷t e tm o d u l c ) 发送数据信号 接收数据信号 寄存稻设置 心 自：4 一 鞲 稿 剃 翅 囊体曼美接口壤块 ( m m i ei d 出! 唧蛔 m o d m e ) 控触楱块 ( c m m a lm o d l l t l t ) 接收数据信号 致据发送谯块 ( t u m m mm o d u l e ) 发送数据状态 状森显示镆块 ( $ t a n nm o a a l e 】 接收致据状态 敦锗接收模块 ( r t t m i m o d u l e ) 图1 7m a c 控制器设计 以太网控制器的程序框架包括如下几个主要部分。 主机接口( h o s t i n t e r f a c e ) ：主机接1 2 1 用来连接主机部分，将接收到的数 据帧保存到存储器中，同时从存储器中载入需要通过以太网接口传输 的数据。主机上可以实现更高层次的以太网协议。 数据发送模块( t r a n s m i tm o d u l e ) ：完成所有与发送数据相关的操作，包 括产生报头、添j 3 1 c r c 校验序列等。 数据接收模块( r e c e i v em o d u l e ) ：完成所有与接收数据相关的操作，包括 去除报头、c r c 校验等。 控制模块( c o n l r o lm o d u l e ) ：完成以太网控制器所有功能需要执行的操 作。 媒体无关接口模块( m e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) ：提供一个与媒体无关 的接口，用来连接外部的以太网p h y 控制芯片。 状态显示模块( ( s t a t u sm o d u l e ) ：记录以太网控制芯片进行数据传输时各 个状态的变化。 寄存器模块( r e g i s t e rm o d u l e ) ：为以太网控制芯片提供需要的所有寄存 器。 5 、媒体无关接c i m i i ( m e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) i e e e 8 0 2 3 规范提出媒体无关接h ( m e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ，m i i ) 就是为了 能够实现m a c 层和不同的物理层( ( p h y ) 之间的逻辑连接，如图1 8 所示。 以太网报文在o t n 控制平面的传送 上层协议 媒体访问控制层 ( m a c ) 媒体无关接口 ( m e d i ai n d e p e n d e n ti n t e z f a c , ) 物理层 ( p h y ) 图1 8m i i 接口 m a c 层可以通过媒体无关接口连接不同的物理层。根据对以太网通信速率的 要求选择合适物理层接口。针对不同的物理层，媒体无关接口可以以不同的方式 实现到m a c 的逻辑连接。例如在1 0 m b i t s 以太网通信中，媒体无关接口使用1 位来 串行发送接收数据流；在1 0 0 m b i t s 以太网通信中，媒体无关接口使用4 位来串行发 送接收数据流；在1 0 0 0 m b i t s 以太网通信中，媒体无关接口使用8 位来串行发送接 收数据流。 媒体无关接口模块提供一个连接到外部以太网p h y 控制器的接口，用来设置 p h y 控制器的寄存器并获得其状态信息，如图1 9 所示。 第三章以太网开销口设计方案 媒体无关接口模块 ( m e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e 一时钟信号 m o d u l e ) 时钟产生模块 一使能信号( c l o c kg e n e r a t o r ) 外部p h y 一串行输出信号 芯片输出控制模块。b 厅 一输出使能信号 ( o u t p u tc o n t r 0 1 ) 输入信号 移位寄存器模块 ( s h l e tr e g i s t e r ) 图1 9 媒体无关接口的实现 媒体无关接口( m i ) 模块包括以下3 个子模块和控制逻辑。 时钟产生模块：产生m i i 接口的时钟信号，这个时钟信号需要满足外部 p h y 芯片对时钟的要求。 输出控制模块：因为m i i 连接到外部p h y 的数据线实际只有一根线，输 出控制模块需要将输出、输入和使能信号联合形成一个信号。 移位寄存器模块：将需要传输到p h y 芯片的数据串行化，同时从外部 p h y 芯片接收的串行数据并行保存到寄存器中。 控制逻辑：实现读、写和查找等请求信号的同步，提供输入数据的锁 存信号，提供移位输出数据的字节选择信号，提供m i i 的计数器，提供 更新相关寄存器的信号。 2 4 以太网报文在o t n 控制平面的传送 3 2 4g c c 通信通道的处理 p a y l o a d 缓存 调度 和以太网封装 m h d l c 处理 a c p a y l o a d 和 以太网帧 帧信息缓存 解封装 图2 0g c c 通信通道的数据处理过程 g c c 通信通道的处理过程见图2 0 。上行方向：从主控来的数据经过m c 处理 后，进行解帧处理，然后对解帧后的数据净荷和帧信息进行缓存，最后进行数据 净荷的h d l c 封装，并进行下插。下行方向：首先进行净荷数据的提取，并进行 h d l c 的解封装，然后进行数据的缓存，并根据下游调度需求进行以太网帧封装、 发送，经过m a c 处理后发送给主控或其他单板。 l 、以太网帧的封装和解封装 1 1 解封装 g c c 通道的数据为不定长的，因此其最短帧要满足以太网的最短帧要求。上 行g c c 通道进行以太网帧的解封装，剥离帧头d a 、s a 、t y p e 域，f c s 通过m a c 删除。本系统可通过c p u 设置以太网帧的最大长度，设计过程中要保证输入帧长 不超过设置的最大帧长。解封装的过程同时也是错误帧的判断过程，以保证传送 的g c c 数据正确，过滤掉m a c 检测到的错帧以及非本地m a c 地址的帧，同时判断 并过滤掉超短帧和超长帧。判断m a c 地址是否本地可由c p u 配置本地目的m a c 地 址，使其与输入数据流的m a c 目的地址进行比较，相同则说明是发送给本地的数 据，否则对数据进行置错并丢弃。 第三章以太呵开锖口设计方案 图2 1g c c 通道的以太回帧解封装 剥离过程如图2 1 所示，利用输入的帧头指示8 叩、帧尾指示e o p 和输八数据有效 指示v l d 进行计数，计算输入数据帧长，在o p 的时候判断帧是否超长或者超短，将 超长或者超短的帧标识0 1 t o r 。另外，由于以太网帧的d a 、s a 和t y p e 域的长度固 定，d a 、s a 均为6 字节，t y p e 为2 字节，总共为1 4 字节，由于输入数据为3 2 b i t 位 宽，因此删除d a 、s a 、t y p e 域后需要将整个帧向前移动2 个字节对齐。见图2 2 波形图输入数据i m a c _ d a n 3 1 ：0 ，解帧后得到的数据为b , l o a t a tb d _ w r 为其有 效指示信号。由图可见解帧后的数据p a y l o a d 第一个数据为原以太网帧的第4 个数 据的低1 6 b j t 和第5 个数据的高1 6 b i 付并接而成后面的数据依次类推为当前数据和前 一个数据相拼接而成。 囝2 2 以太网帧解封装波形图 帧信息的提取：同样根据计数器计数值，可分别将目的地址d a 和源地址s a 提 取出来，以提取其内部包含的一些通道、光口、优先级等信息。如图2 2 所示，得 到的b iw d a t a 就是包含了当前帧的帧信息数据，b iw r 为其有效指示。且每7 个帧净 荷数据对应一个帧信息数据。 2 1 封装 ( 3 c c 通道的封装过程是在读取某一通道的数据时，先在其帧头添加配置的 以太网报文在o t n 控制平面的传送 d a 、s a 和t y p e 域，然后读取缓存的g c c 通道数据，添加在t y p e 之后。 d a t y p e d a s a p a y l o a d p a y l s a 0 a d 图2 3 封装后的数据格式 由图2 3 可知，数据封装的过程就是一个数据拼接的过程，由于数据流位宽为 3 2 b i t ，而不是按照实际配置进行。如d a 和s a 的配置为4 8 b i t ，t y p e 配置为1 6 b i t ， 存在数据拼接、对齐问题。设计时使用计数器，计数器值为0 且读有效时输出数据 为d a ，l 且读时输出数据为d a 的低1 6 b i t 和s a 的高1 6 b i t 的拼接，2n 读时输出s a 的 低3 2 b i t 数据，3 且读时输, m , t y p e n 及第一次读出的净荷数据拼接，后面输出数据为 数据净荷的拼接而成，用前一个数据的 l 毛1 6 b i t 和当前数据的高1 6 b i t 数据拼接为一 个3 2 b i t 数据。 0 n $ i 。i1 5 。n ；i1 1 。，。，1 1 5 。 5i11 2 。f 。， i! ； ji i ；!ii；iij!； 嗽，八nn 八八八nn 八八n 八： 喇i r r _ _ 弋 in r r 一l c n t 触k 至义亟蜀c 二盏五蓝二 二二二j 二= v i a | l 厂f 弋| n 厂r _ ! 图2 4g c c 数据封装时序 数据净荷的读取分两阶段，当读有效且计数器为1 时，产生依次缓存b u f f e r 的 读操作，当计数器为4 时，直接将外部的读信号作为b u f f e r 的读使能信号，b u f f e r 两 拍后出数据，直接进行与前一个数据拼接，并打一拍用于下一个数据的拼接。数 据有效指示信号为：当计数器小于4 时，数据有效指示信号为读信号打一拍，当计 数器值为4 时数据有效指示信号为读信号打两拍。 3 ) 帧数据缓存 上行我们提供一个1 6 b i t ，1 5 5 m h z 的d d r i i 接1 ：2 用于存储上行业务帧数据。 d d ri is d r a m 容量为5 1 2 m b i t 。 内部d d r 2 c 模块通过此接口对外挂d d ri is d r a m 进行读写操作，将接收的 第三章以太网开销口设计方案 e t h e m e t 包写入外挂d d ri is d r a m 中，进行包缓存；d d r 2 c 模块根据队列管理的 结果将对应包从外挂d d ri is d r a m 中读操作，将待发送的e t h e r n e t 包读出送入后 级模块；如果d d ri i 效率按照5 7 计算，上述d d r 接口可以提供 2 x 1 6 x 1 5 5 x 5 7 = 2 。8 3 g b p s 的带宽，足可以满足带宽需求。 2 、w r r 调度和s p 调度 分组调度实现对链路带宽的管理，是按照一定的规则来决定从等待队列中选 择哪个分组进行发送，使得所有输入业务能够按照预定的方式共享输出链路带宽。 它影响的主要性能参数包括带宽分配、时延和时延抖动等，是实现网络服务质量 控制的核心技术之一。 w r r 算法是一种加权轮循分组调度算法，w r r 算法核心思想是通过周期性 的访问各个队列达到为队列提供带宽保证的目的。 算法原理如下： 假定有x 个队列，每个队列各有一个记录令牌的寄存器qt o k e nc n tx 。有一 个用于记录当前轮询队列号的计数器c u l ti t。所有队列的令牌值是可配qnum c p u 的。调度之前，如果全部非空队列的qt o k e ne n tx 都为0 ，则用队列可配的令牌 值刷新所有的qt o k e ne n tx 为对应的令牌。在某个固定的时刻，以计数器 c , u l t1 1 rq n u m 表示的队列号对应的队列为起始队列开始依次轮询，直到轮询到第 一个非空的qt o k e ne n t 非o 队列y ，轮询停止，那么y 就是当前调度出的队列号。 当调度完成后，如果调度出来的队列y 的己空，则把对应的qt o k e nc n ty 清零， 否则把对应的qt o k e nc n ty 减一。然后o l l r rr r减一指向下一次轮询的开始_qnum 队列，等待下一个固定时刻的到来。 以太网报文在o t n 控制平面的传送 图2 5 嗽算法原理 对于每个队列，配置一个令牌值t o k e nn ，每个队列有一个空指示信号e m p t y 。n 每次轮询以w 1 1 rr e 嘴示的队列开始，向右轮询，判断队列状态指示信号是否有效， 搜索第一个队列状态指示信号有效的位置，记录该位置，其对应的队列即为轮询 出的队列。 s p 调度是简单优先级( s i m p l ep r i o r i t y ) 调度，它是根据系统约定的队列优先 级进行调度，每次首先判断优先级最高的队列是否需要调度，按照优先级从高到 低的顺序依次判断。以3 个队列为例，g c c 通道的请求、开销穿通字节通道的请求 以及流控帧分从三个方向要发送到m a c 侧，这样就存在冲突，当三个方向的请求 同时到来时，就需要一个调度过程，系统规定开销穿通字节通道的数据优先级最 高，流控帧其次，g c c 通道的优先级最低，因此设计时首先判断开销穿通字节方 向的请求是否存在，最后判断g c c 通道的请求。 第三章以太网开销口设计方案 图2 6s p 调度 s e l 2 ：0 图3 中，根据优先级依次判断各个方向的请求，当开销穿通字节的请求存在时 开销穿通字节输出为1 ，其余输出为0 ，s e l l 2 ：0 - - - - - 3 b 1 0 0 ：否则开始判断流控请求， 此时开销穿通字节的输出为0 ，若流控有请求，s e l 2 ：0 1 - - 3 b 0 1 0 ；若开销穿通字节 和流控都没有请求，最后判断g c c 的请求，若g c c 有请求，s e l 2 ：0 】= 3 b 0 0 1 ，否 则都没有请求s e l 2 ：0 = 3 b 0 0 0 ，重新开始调度。当其中某一方向调度成功后，等到 该方向的处理完成后回送一个调度开始信号重新开始调度。 3 、h d l c 帧介绍 0 ， 。： ，嚣”三 托s 凸。l f ，。1 詹 c 工 产c sf i b1 i1i 曩，咖 f ，凸i i 1 1o j 图2 7h d l c 帧结构 ( 1 ) 标志字段( f ) 标志字段为o l l l l l l 0 的比特模式，用以标志帧的开始与结束，也可以作 为帧与帧之间的填充字符。通常，在不进行帧传送的时刻，信道仍处于激活状态， 在这种状态下，发送方不断地发送标志字段，而接收方则检测每一个收到的标志 字段，一旦发现某个标志字段后面不再是一个标志字段，便可认为新的帧传动已 经开始。采用“0 比特插入法”可以实现数据的透明传输。 ( 2 ) 地址字段( a ) 地址字段的内容取决于所采用的操作方式，有主节点、从节点、组合节点之 以太网报文在o t n 控制平面的传送 分。每个从节点与组合节点都被分配一个唯一的地址，命令帧中的地址字段携带 的是对方节点的地址，而响应帧中的地址字段所携带的地址是本节点的地址。某 一地址也可分配给不止一个节点，这种地址称为组地址，利用一个组地址传输的 帧能被组内所有拥有该地址的节点接收。但当一个节点或组合节点发送响应时， 它仍应当用它唯一的地址。还可以用全“l ”地址来表示包含所有节点的地址，称 为广播地址，含有广播地址的帧传送给链路上所有的节点。另外还规定全0 的地址 为无节点地址，不分配给任何节点，仅作为测试用。 ( 3 ) 控制字段( c ) 控制字段用于构成各种命令及响应，以便对链路进行监视与控制。发送方主 节点或组合节点利用控制字段来通知被寻址的从节点或组合节点执行约定的操 作；相反，从节点用该字段作为对命令的响应，报告已经完成的操作或状态的变 化。该字段是h d l c 的关键。控制字段中的第一位或第一位、第二位表示传送帧的 类型即信息帧( i 帧) 、监控帧( s 帧) 和无编号帧( u 帧) 3 种不同类型的帧。控 制字段的第五位是p f 位，即轮询终止位( p o l l f i n a l ) 位。 ( 4 ) 信息字段( i ) 信息字段可以是任意的二进制比特串，长度未作限定，其上限由f c s 字段或通 讯节点的缓冲容量来决定，目前国际上用得较多的是1 0 0 0 2 0 0 0 比特，而下限可以 是0 ，即无信息字段。但是监控帧中不可有信息字段。 ( 5 ) 帧校验序列字段( f c s ) 帧检验序列字段可以使用1 6 位c r c ，对两个标志字段之间的整个帧的内容进 行校验。f c s 的生成多项式是c c i t tv 4 1 建议的x 1 6 + x 1 2 + x 5 + 1 。 4 、h d l c