（电子科学与技术专业论文）ipdslam的fpga设计与构建.pdf

浙江大学硕士学位论文 m a n yo ft h en e x t g e n e r a t i o n s o l u t i o n sb e i n gd e p l o y e dt o d a ya r ea l r e a d y b e g i n n i n gt h em i g r a t i o nf r o mt r a d i t i o n a lc i r c u i t s w i t c h e da t m b a s e dn e t w o r k s i n t oe t h e m e t i p p a c k e t - s w i t c h e da r c h i t e c t u r e s d s l a mt e c h n i q u eh a sd e v e l o p e d f r o mt h ef i r s tg e n e r a t i o nw i t hp u r ea t md s l a mt ot h es e c o n do n ew i t ha t m c o r ea n di pu p l i n ka r c h i t e c t u r e w h i c hi sm o r ea d a p t i v et ot h ei pw a n t o i m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c y ，t h et h i r dg e n e r a t i o nc a l l e dp u r ei p b a s e d d s l a mc o m e so u t ac o n v e r s i o nb e t w e e na t ma n di pp a c k e ti si m p l e m e n t e d o nt h el i n ec a r d s o m em a t u r et e c h n i q u e sa r ec o m b i n e dt o g e t h e ra p p r o p r i a t e l y i t sa l li n n o v a t ei nt e c h n i q u e s t h et h i r d g e n e r a t i o nd s l a mi m p l e m e n t s at r a n s p a r e n tt r a n s m i s s i o n b e t w e e na t ma n de t h e m e tf r a m e s i tc a nb ed e s i g nb ys o f t w a r e b u tt h e p e r f o r m a n c ei sn o ts a t i s f i e dc o m m o n l y t h ef p g ag i v e sah i g h p e r f o r m a n c e 1 0 w p o w e ra n dc o s t - e f f e c t i v e s o l u t i o n t h ei pd s l a md e s i g n e db vf p g a p r o v i d e s m o r ef l e x i b i l i t ya n dl o w e rr i s k f i r s t ，t h i s p a p e r i n t r o d u c e st h e r e q u i r e m e n to f l p - d s l a m ，g i v e s ad e s i g nb l o c kd i a g r a m t h e na p p r o p r i a t ec h i p s a r es e l e c t e d d e t a i l e dm o d u l e sa r ed i v i d e d a tl a s ti ta n a l y z e st h ep r o c e s s i n gf l o w o f t h ei p - d s l a md e e p l y l o g i cl o wl e v e ld e s i g no fe v e r ym o d u l ei sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r , a c c o r d i n g t ot h ea d s lu p l i n ka n dd o w n l i n k b a s e do nt h et r a n s p a r e n tt r a n s m i s s i o no ft h e p r o t o c o l ，s o m ef u n c t i o n ss u c ha sm a c a d d r e s sb i n d i n g ，i pa d d r e s sb i n d i n ga n d v l a na r ea l s oi n t r o d u c e d a tt h el a s to ft h i sp a p e r , t h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fi p d s l a mi s d i s c u s s e d k e yw o r d s ：d s l a m ，f p g a ，a d s l ，a a l 5 ，r f c l 4 8 3 ，v l a n 浙江大学硕士学位论文 1 1 a d s l 系统简介 第一章绪论 技术发展日新月异，x d s l ( 宽带接入技术总称) 已经深入到了大家的生活中。铜线宽带 接入技术也就是x d s l 技术，主要包括高比特率的用户数字环路( h d s l ) 、非对称用户数字 环路( a d s l ) 和甚高比特率的用户数字环路( v d s l ) 【1 】。特别是a d s l 技术，应用非常广泛， 得到用户和电信运营商的认可。在宽带接入网的快速发展过程中，d s l a m 起了重要的作用。 a d s l 服务的组成主要有以下几个方面：如图l a 耐b a c k b o n e ( a 硼主干) ：是i s p 提供宽带服务的核心主干网络，是所有数据的交 汇点。不仅提供高带宽，而且由于a t m 自身具有的优越性，使得信道的利用和数据的交 换更加有效。 d s l 删( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n ea c c e s sm u l t i p l e x e r ) ：全称为数字用户线路接 入复用器，是提供a d s l 服务的局端设备。就类似局端的程控交换机。d s l a m 负责聚合数 字用户线路的数据，接入到骨干的网络。 提供服务的电话线路：目前a d s l 服务通过普通模拟电话线提供话音和数据的同时承 载服务。曾经有客户问能否将i s d n 线路改装成a d s l 线路，其实i s d n 提供的是数字传输 方式，而a d s l 必须依靠模拟线路实现。 话音、数据分离整合器：这是一个重要的部分，在局端d s l a m 输出a d s l 线路时与 局端的话音线路通过该设备整合在一条线路传输。到了用户端再通过类似的设备分离， 形成一条数据线，一条话音线。 a d s lc p e 设备( a d s l 用户前端设备) ：这是由用户自行购买或向局端租用的设备。 通常是a d s lm o d e m 或a d s lr o u t e r 。 图1a d s l 结构 浙江大学硕士学位论文 1 ：2 a d s ld 甜柚的技术演变过程 由于在早期，a t m 是宽带网络中占主导地位的核心技术，所以x d s l 早期在链路层中 使用a t m 的信元作为主要的传输格式。但随着i p 技术的迅速发展，宽带城域网的建设核 心已经转移到基于i p 的宽带分组交换网络上来，i p 技术在应用环境中占核心地位。 由于a t m 技术到i p 技术的切换，d s l a m 在技术上发展也经历了纯a t m 结构( a t m 内核 加a t m 上行接口) 、a t m 内核加i p 上行结构和纯i p 结构( i p 内核加i p 上行接口) 的技术 演变过程。 图2d s l a m 技术应用 纯a t m 结构的d s l n 的接口全部采用a t m 方式，这是符合a d s l 自身技术特点的结构， 其最早是基于a t m 网络发展起来的，使用a t m 网络作为其接入与核心网络。 提供a t m 接口( 如1 5 5 m b i t s 的a t m 接口或n * 2 m b i t si m aa t m 接口) ，上联城域核 心网，具有a t mv p v c 交叉连接，提供a t m 流量汇聚、通过a t m 的o o s 技术来实现业务 的服务质量及流量控制【2 】【3 】。它在端到端专线q o s 保证、多播的完整支持( 包括逻辑 多播和空间多播) 、多业务承载方面具有无法替代的优势。 由于a t m 网络提供的接口很少，交换容量也比较小，在提供大容量的核心网络时要 使用大量的a t m 设备，因此设备成本较高，并且为了和以i p 技术为核心的互联网互通， 还需要b r a s ( 宽带远程接入服务器) 作为a t m 到i p 的网关设备。b r a s 设备在a t m 与i p 转 换时多采用1 4 8 3 b 、1 4 8 3 r 等协议，无论是哪种协议都要进行s a r ( 切片与重组) 操作， 这极大的消耗了设备的宝贵资源，使b r a s 成为了两网互通的瓶颈【4 】。 浙江大学硕士学位论文 1 2 2 第二代： t i i 内核和i p 上行结构d 甾柚 通过上面小节的讨论可以看到，纯a t m 内核的a d s ld s l a m 缺点较多。d s l a m 技术领 域开始开发i p 上行的a d s ld s l a m 设备，从而将a d s l 接入到i p 网络中。各设备制造商 在原来纯a t m 内核d s l a m 的基础上，通过防议转换的方式来提供i p 上行的d s l a m 产品。 这样基于a t m 内核采用i p 上行接口的a d s ld s l a m 进入了视野。 第二代的d s l a m 核心依旧采用a t m 内核，在i p 上行接口板上采用f p g a 或网络处理 器( n p ) 进行a t m 终结，不在系统的中间环节作a t m 与i p 之间的变换。第二代的d s l a m 具有很强的多播处理能力，多播由总线的空间多播和单板内的逻辑多播配合完成，是分 布式的两级多播处理。能够提供高可靠性的专线业务，a t m 终结在上行接口板上集中实 现，可以很方便地选择v l a n ( 虚拟局域网) 与用户p v c ( 永久虚电路) 的对应关系，在内部 通过a t m 来保证专线的接入。可以完全支持q o s ，每条p v c 提供单独的队列和调度策略， 提供精密( 俗称双漏桶) 算法控制，在上行接口板终结a t m 时，实现a t mo o s 到i p 优先级 的映射。 第二代a d s ld s l a m 实际是一种过渡性产品，其a t m 与i p 的转换集中在上行i p 接口 板，由其统一处理。由于其结构特点导致设备在使用的过程中出现了以下一些问题： 1 在进行a t m 与i p 转换时需要消耗大量资源，而集中在上行接口板统一处理无疑 使上行接口成为了瓶颈，在数据流量较大时很容易导致设备上行端口拥塞。 2 第二代a d s ld s l a m 沿用了a t m 内核，其级联是通过a t m 内部总线采用专用线缆 直接级连。在实现级连时由于数据流量更大，上行瓶颈现象更为严重。这使得 网络扩容非常困难。 3 第二代d s l a m 采用a t m 内核，以太网出口，只能支持很少的v l a n ，无法保 证p v c 与v l a n 一一映射，难以保障专线用户的标示和q o s ，在应用中，容易 导致高端用户的业务困难，影响运营商服务信誉，导致利润流失【5 】。 4 a t m 的机制本身不支持点到多点的传输模式，如果要实现只能通过c p u 在每条 p v c 逐个拷贝，开销巨大且效率低下。所以第二代a d s ld s l a m 很难支持日渐盛 行的组播业务。 由于借鉴了前两代a d s ld s l a j v l 在设计上的经验，第三代a d s ld s l a m 从开始设 计就采用了纯p 内核。这样从根本上解决了前两代? d ) s ld s l a m 所存在的问题。所以 又称第三代a d s ld s l a m 为i p d s l a m 。 i p d s l a m 在a t m 与i p 的转换上采用了分布式结构。多数设备厂商可支持p v c 和 v l a n 问的一一映射，部分厂商的设备还能支持多条p v c 对应同2 条v l a n 【6 】。 i p d s l a m 大容量的以太网背板保证了所有端口的无阻塞交换，上行可提供多个g e 捆 绑，不仅解决了第二代a d s ld s l a m 上行带宽不足的问题，还解决了对于企业级用户 的服务品质保障问题。 i p d s l a m 在级联方式上采用以太网级联方式，不占用内部总线带宽，采用分布式 的a t m 与i p 转换不会因级联而加重单个设备的负载。大部分第三代a d s ld s l a m 都 可以提供4 台以上的级联能力，有的甚至可以提供1 5 台的级联能力，网络扩容非常灵活 方便。 1 浙江大学硕士学位论文 1 2 2 第二代：& i n 内核和l p 上行结构d 鳓 通过上面小节的讨论可以看到，纯a t m 内核的a d s ld s l a m 缺点较多。d s l a m 技术领 域丌始丌发i p 上行的a d s ld s l a ? 4 设备，从而将a d s l 接入到i p 网络中。各设备制造商 在原来纯a t m 内核d s l 埘的基础上，通过| 办议转换的方式来提供i p 上行的 k s l a m 产品。 这样基于a t m 内核采用i p 上行接几的a d s ld s l a m 进入_ ：r 视野。 第二代的d s l a m 核心依旧采用a t m 内核，在i p 上行接口板上采用f p g a 或网络处理 器( n p ) 进行a t m 终结，不在系统的中问环节作a t m 与l p 之间的变换。第二代的d s l a m 具有根强的多播处理能力，多播由总线的空间多播和单板内构逻辑多播日i 台完成，是分 布式的两级多播处理。能够提供高可靠性的专线业务，a t m 终结在上行接口板上集中实 现，可以很方便地选择v l a n ( 虚拟局域网) 与用户p v c ( 永久虚电路) 的对应关系，在内部 通过a t m 来保证专线的接入。可以完全支持q o s 每条p v c 提供单独的队列和调度策略， 提供精密( 俗称双漏桶) 算法捧制，在上行接口扳终结a t m 时，实现a t m q o s 到i p 优先级 的映射。 第二代a d s ld s l a m 实际足一种过渡性产品，其a t m 与i p 的转换集中在上行i p 接口 板，由其统一处理。由于其结构特点导致设备在使用的过程巾出现丁以下一些问题： l 在进行 t m 与i p 转换时需要消耗大量资源，而集中在上行接口板统一处理无疑 使上行接口成为了瓶颈，在数据流量较大时很容易导致设备上行端口拥塞。 2 第代a d s ld s l a m 沿用了a t m 内核，其级联是通过a 1 m 内部总线采用专用线缆 直接级连。在实现级连时由丁数据流量更大，上行瓶颈现象更为严重。这使得 网络扩容非常困难。 3 第二代d s l a m 采用a t m 内核，以太网出口，只能支持很少的v l a n ，无法保 证p v c 与v l a n 一一映射，难以保障专线用户的标示和q o s ，在应用中，容易 导致高端用户的业务困难，影响运营商服务信誉，导致利润流失【5 】。 4 a t m 的机制本身小支持点到多点的传输模式，如果要实现只能通过c p u 在每条 p v c 逐个拷贝，开销巨人且效率低下。所以第二代a d s ld s l a m 很难支持日渐盛 行的组播业务。 1 。2 3 。舅 三代：i h 嘲棚 由于借鉴了前两代a d s l d s l a m 在设计上的经验，第三代a d s l d s l a m 从开始设 计就采用了纯口内核。这样从根木上解决了前两代a d s l d s l a m 所存在的问题。所以 又称第三代a d s ld s l a m 为i p d s l a m 。 i p d s l a m 在a l m 与i p 的转换上采用了分布式结构。多数设备厂商可支持p v c 和 v l a n 间的一一映射，部分厂商的设备还能支持多条p v c 对应同一条v l a n 【6 】。 i p d s l a m 大容量的以太网背板保证了所有端口的无阻塞交换，上行町提供多个g e 捆 绑，不仅解决了第二代a d s ld s l a m 上行带宽不足的问题，还解决了对于企业级用户 的服务品质保障问题。 i p ，d s l a m 在级联方式上采用以太网级联方式，不占用内部总线带宽，采用分布式 的a t m 与l p 转换不会因级联而加重单个设备的负载。大部分第三代a d s ld s l a m 都 可咀提供4 台以上的级联能力，有的甚至可以提供1 5 台的级联能力，网络扩容非常灵活 可i = 上提供4 台以上的级联能力，有的甚至可以提供1 5 台的级联能力，网络扩容非常灵活 方便。 浙江大学硕士学位论文 i p d s l a m 由于采用了纯i p 内核，所以它继承了i p 丰富的业务特性。通过i p 网中 的组播协议，可无缝的支持视频组播等宽带i p 业务。 i p d s l a m 与前两代相比有了质的变化，它不仅学习了a t m 丰富的q o s 特性，同 时也继承了i p 丰富的业务特性。三层i p d s l a m 设备还完成p p p o e 终结或8 0 2 1 x d h c p + w e b 认证、三层路由等功能，由于三层i p d s l a m 设备内置认证功能，在组网中 不需要专门的b r a s 设备。在建设模式上不需要昂贵的a t m 设备与b r a s ，使得建网成 本大大下降。 采用以太网级联方式，不占用内部总线带宽，采用分布式的a t m 与、j p 转换不会因 级联而加重单个设备的负载，可以提供5 台以上的级联能力网络扩容非常灵活方便。 由于采用了纯i p 内核，所以它继承了i p 丰富的业务特性。通过i p 网中的组播协议， 可无缝的支持视频组播等宽带i p 业务。 但处理协议转换、报文重组、业务板的线路和逻辑相对比较复杂，还需进一步完善 和提高，能够提供给用户比较完善的q o s 保证和带宽、流量控制等。 1 3 i p _ d 斟棚的协议分析 i p d s l a m 在宽带组网中属于局端设备，如图3 所示，其主要功能是桥接用户端 a d s lm o d e m 与i p 主干网，即完成a t m 信元与以太网帧的透明穿透：在协议上，完成 u t o p i ai i 到m i i 之间的协议转换。 i p i p p p p o ep p p o e 似cm a c m a cm a cm a c m c 1 4 8 3 b 1 4 8 3 b u r a t ma t m p h yp h ya d s la d s lp h yp h y p p h yp h y 图3i p - d s l a m 网络结构及协议 图3 中可以看出，i p - d s l a m 主要涉及的协议有a t m 、r f c l 4 8 3 b 、m i i 等，以及一 些相关的关键技术，下面我们来简要的分析一下。 1 3 1 a t i i 信元格式及从l 5 a t m 信元实际上就是分组，为区分x 2 5 分组( p a c k e t ) 改称为信元( c e l l ) 。a t m 信元具有固定的长度，总长为5 3 字节。其中前5 个字节为信头( h e a d e r ) ，包含各种控 制信息，包括信元目的( 逻辑) 地址、纠错码、业务控制和维护信息等；后面4 8 字节为 信息字段( p a y l o a d ) ，又称净荷，其中包含了业务的数据，它们将被透明地传输。信元结 4 浙江大学硕士学位论文 构如下图4 所示。在u n i 接口和n n i 接口上a t m 的信元头结构是不同的。 uni 信头结构 nn 信头结构 图4a t m 信元格式 u n i ( u s e r - n e t w o r ki n t e r f a c e ) ：u n i 为a t m 网中的用户网络接口，它是用户设备与网络 之间的接口，直接面向用户。u n i 接口定义了物理传输线路的接口标准，即用户可以通过 怎样的物理线路和接口与a t m 网相连，还定义了a t m 层标准、u n i 信令、o h m 功能和管理 功能等。按u n i 接口所在的位置不同，又可分为公用网的u n i 和专用网的u n i ( p u n i ) ，这 两种u n i 接口的定义基本上是相同的，只是p u n i 由于不必象公网的接口那样过多地考虑 严格的一致性，所以p u n i 的接口形式更多、更灵活、发展也更快一些， n n i ( n e t w o r kt on e t w o r k n e t w o r kn o d ei n t e r f a c e ) ：n n i 可理解为网络节点接口或网 络网络之间的接口，一般为两个交换机之间的接口，与u n i 一样，n n i 接口也定义了物 理层、a t m 层等各层的规范，以及信令等功能，但由于n n i 接口关系到连接在网络中的路 由选择问题，所以特别对路由选择方法做了说明。同样，n n i 接口也分为公网n n i 和专用 网中的n n i ( p n n i ) ，公网n n i 和p n n i 的差别还是相当大的，如公网n n i 的信令为3 、7 号信令体系的宽带i s d n 用户部分b - i s u p ，而p n n i 则完全基于u n i 接口，仍采用u n i 的 信令结构。 g f c ( g e n e r i cf l o wc o n t r 0 1 ) ：一般流量控制。 因为a t m 只在端设备与用户设备处进行流控制， 如图4 所示，g f c 仅在u n i 信头存在， 以减少网络过载的可能性。 v p i ( v i r t u a lp a t hi d e n t i f i e r ) ；虚通道标识符。在a t m 中，若干虚通路( v c ) 组成一 个虚通道( v p ) ，并以v p 作为网络管理单位，相当于x 2 5 中的逻辑信道群号( l c g n ) 。 v c i ( v i r t u a lc o n n e c t i o ni d e n t i f i e r ) ：虚通路标识符。类似于x 2 5 中逻辑信道号( l c n ) ， 用于标志一个v p i 群中的唯一呼叫，在呼叫建立时分配，呼叫结束时释放。在a t m 中的 呼叫由v p l 和v c i 共同决定，且唯一确定。 p t i ( p a y l o a dt y p ei d e n t i f i e r ) ：净荷类型。用于指示信息字段的信息是用户信息还是 网络信息。 浙江大学硕士学位论文 c l p ( c e l ll o s sp r i o r i t y ) ：信元抛弃优先级。当c l p 为”1 ”时，表示当网络拥塞时可以 抛弃该信元：相反，不能抛弃c l p 为”0 ”的信元。 h e c ( h e a d e re r r o rc o n t r 0 1 ) ：信头差错控制。为了提高处理效率( 同时传输线路条件 允许如此) ，a t m 仅进行信头差错控制，以防v p i v c i 差错，即呼叫间”串话”。 a t m 适配层，是a t m 核心( 包括a t m 层和物理层，与业务无关) 和高层间的接口， 它是为使a t m 层能适应不同业务类型而设置的，故a t m 对各种业务承载能力集中体现 在a t m 适配层。 ， a a l 5 向其应用程序提供了几种服务。一种选择是可靠服务( 即采用流控机制来保 证传输，以防过载) ；另一种选择是不可靠服务( 即不提供数据传输保证措旌) ，通过选 项使校验错的信元或者丢失或者传送给应用程序( 但被标识为坏信元) 。a a l 5 支持点到 点方式和多点播送方式的传输，但多点播送方式未提供数据传输的保证措施1 7 1 0 像a a l 3 4 一样，a a l 5 支持报文模式和流模式。在报文模式中，应用程序可以将长 度从1 字节6 5 5 3 5 字节的数据报传送到a a l 层。当到达会聚子层时，将报文填充至有 效载荷字段并加上尾部信息，选择填充数据( o 字节 4 7 字节) ，以使整个报文( 包括填 补的数据和尾部信息) 为4 8 字一节的整数倍。a a l 5 没有会聚子层头，只有一个8 字节 的尾。 用户到用户u u ( u s e r t o u s e r ) 字段不用于a a l 层本身，而是为了自己的目的供更 高一层( 可能是会聚子层的特定服务子部分) 使用，例如，排序或者多路复用。长度 ( l e n g t h ) 字段指出真正的有效载荷是多少，以字节为单位，不包括填充的字节数。0 值 用于终止未传送完毕的报文。c r c 字段是基于整个报文的标准3 2 位校验和，包括填充数 据和尾部信息( c r c 字段设置为o ) 。尾部的一个8 位的字段留作将来使用。 报文交给s a r 子层，然后发送出去。在s a r 子层不增加任何头、尾信息，而是将 报文分成4 8 字节的单元，并将每个单元送到a t m 层进行传输。它还通知a t m 层将最后 信元的p q - i 字段置为1 ，以便保留报文分界。( 这时出现了一个问题：这是一种不正确的 协议层混合体，因为a a l 层不该使用a t m 层的头部信息。) a a l 5 较a a l 3 4 的主要优点是更加高效。虽然a a l 3 4 对每个报文只增加4 字节的 头信息，但它还要为每个信元增加4 字节的头信息，因而使有效载荷的容量减少到4 4 字 节，对于长的报文，无效数据占8 。a a l 5 的每个报文有一个稍大的尾部( 8 字节) ，但 每个信元无额外开销。信元中没有顺序号，可以通过长的校验和来弥补，从而可以检测 丢失的、误插的或错误的信元，而不需要使用顺序号。 在因特网中，与a t m 网接口的一般方法是使用a a l 5 的有效载荷字段来传输i p 分 组，并使用p t i 字段进行报文分界。与这种方法相关的各种问题在文献【8 】和 9 1 中 进行了讨论。 1 3 2 r f c l 船3 技术 r f c l 4 8 3 描述了网络上承载无连接网络互连业务( 即路由和桥接的协议数据单元 p d u ) 的两种不同方法。 6 浙江大学硕士学位论文 第一种方法允许在一条a t m 虚电路上复用多个协议，这时需要在传统的p d u 前加上 i e e e8 0 2 2 逻辑链路控制( l l c ) 信头，以此来标识所传送的 p d u 的协议，这种方法称为l l c 封装。 第二种方法是一个高层协议由一条a t m 虚电路来承载，这种方法称为基于v c 的复 用。 r f c l 4 8 3 描述了a l l 5 的业务特定汇聚( s s c s ) 为空时，在a a l 5 的公共部分汇聚 ( c p c s ) 上承载路由和桥接p d u 的方法。 无论选择哪一种复用方法，路由和桥按的p d u 应该被封装在a a l 5c p s p d u 的净荷 字段中。a a l 5c p c s p d u 的帧格式如图5 a 所示。 c p c s p d u 净荷 ( 最大2 1 6 - - 1 字节) p a d ( 0 4 7 字节) c p c s - i j u ( 1 字节) c p i ( 1 字节) 长度( 2 字节) c r c ( 4 字节) 图5a a l 5c p c s p d u 帧格式 c p c s p d u 净荷字段包含任意长度的用户信息，但最大长度为2 1 6 一l 字节。 p a d 字段用于填充c p c s p d u ，使c p c s p d u 的长度为4 8 个字节的整数倍，正好能放 入a t m 信元中。 c p c s - u u ( 用户一用户指示) 字段用于透明传送c p c s 用户一用户信息。在r f c l 4 8 3 所 描述的多协议封装中，该字段不起作用，可以被设置为任何值。 c p i ( 公共部分指示) 字段的基本用途是填充c p c s p d u 尾，使其长度正好为6 4 个比 特，这时该字段编码为o x 0 0 ( o x 表示十六进制) 。 长度字段用于指出净荷字段的字节长度。长度字段的最大值是6 5 5 3 5 字节。当长度 字段编码为o x 0 0 时，它用于指示接收方执行丢弃( a b o r t ) 功能。 c r c 字段用来保护除c r c 字段以外的整个c p c s p d u 。 当在同一条v c 上多个协议时，需要进行l l c 封装。为了使接收方能正确地处理所 收到的a l l 5c p c s p d u ，净荷字段中必须包含必要的信息以标识 路由的或桥接的协议。在l l c 封装中，该信息在l l c 信头中进行编码，并置于所承 载的p d u 的前面。 虽然r f c l 4 8 3 仅规定了在l l c 类型1 ( 未确认无连接模式) 业务上操作的协议，但相 同的封装原则也适用在l l c 类型2 ( 连接模式) 业务上操作的协议。在后一种情况下，l l c 信头的格式和内容与r f c l 4 8 3 的规定不同。 浙江大学硕士学位论文 1 j 3 3 i p 同际协议 i p 是t c p i p 出议族中最为核心的协议。所有的t c p 、u d p 、i c m p 及i g m p 数据都以 i p 数据报格式传输。具体的信息参阅 8 1 。 i p 数据报的格式如图6 所示【1 0 1 。 4 盘 4 雠嚣瓤 8 往麟务粪毽 1 5 盥总长g 瞎学带彀) 版本 长痿f r o s ， 3 位 ”挝片憾蟹 1 6 僚檬识 标志 3 位生舂甜麓 l 割整蓠郭检验和 2 0 娥捺波 3 雒蹲龃龇 鞠整瘩酶l 眺 j 逛凌螺峨静_l e 鳜褰1 | l 图6i p 数据报格式及首部中的各字段 p p p o e 全称是p o i n tt op o i n tp r o t o c o lo v e re t h e r n e t ( 基于局域网的点对点通讯 协议) ，这个协议是为了满足越来越多的宽带上网设备( 即a d s l ，无线等) 和越来越快的网 络之间的通讯而最新制定开发的标准，它基于两个广泛接受的标准即：局域网e t h e r n e t 和p p p 点对点拨号协议。对于最终用户来说不需要用户了解比较深的局域网技术只需要 当作普通拨号上网就可以了，对于服务商来说在现有局域网基础上不需要花费巨资来做 大面积改造，设置i p 地址绑定用户等来支持专线方式。这就使得p p p o e 在宽带接入服务 中比其他协议更具有优势。因此逐渐成为宽带上网的最佳选择。p p p o e 的实质是以太网和 拨号网络之间的一个中继协议，他继承了以太网的快速和p p p 拨号的简单，用户验证， i p 分配等优势。 在实际应用上，p p p o e 利用以太网络的工作机理，将a d s lm o d e m 的i o b a s e - - t 接口 与内部以太网络互联，在a d s lm o d e m 中采用r f c l 4 8 3 的桥接封装方式对终端发出的p p p 包进行l l c s n a p 封装后，通过连结两端的p v c 在a d s lm o d e m 与网络侧的宽带接入服务 器之间建立连接，实现p p p 的动态接入【儿】。p p p o e 接入利用在网络侧和a d s lm o d e m 之间的一条p v c 就可以完成以太网络上多用户的共同接入，实用方便，实际组网方式也 很简单，大大降低了网络的复杂程度。 p p p o e 具备了以上这些特点，所以成为了当前a d s l 宽带接入的主流接入协议。 浙江大学硕士学位论文 1 3 5 v l 棚技术简介 v l a n ( v i r t u a ll o c a la r e an e t w o r k ) 即虚拟局域网，是一种通过将局域网内的设备 逻辑地而不是物理地划分成一个个网段从而实现虚拟工作组的新兴技术。i e e e 于1 9 9 9 年颁布了用以标准化v l a n 实现方案的8 0 2 1 q 协议标准草案【1 2 】。 v l a n 技术允许网络管理者将一个物理的l a n 逻辑地划分成不同的广播域( 或称虚拟 l a n ，即v l a n ) ，每一个v l a n 都包含一组有着相同需求的计算机工作站，与物理上形成的 l a n 有着相同的属性。但由于它是逻辑地而不是物理地划分，所以同一个v l a n 内的各个 工作站无须被放置在同一个物理空间里，即这些工作站不一定属于同一个物理l a n 网段。 一个v l a n 内部的广播和单播流量都不会转发到其他v l a n 中，从而有助于控制流量、减 少设备投资、简化网络管理、提高网络的安全性。 v l 州是为解决以太网的广播问题和安全性而提出的一种协议，它在以太网帧的基础 上增加了v l a n 头，用v l a ni d 把用户划分为更小的工作组，限制不同工作组间的用户二 层互访，每个工作组就是一个虚拟局域网。虚拟局域网的好处是可以限制广播范围，并 能够形成虚拟工作组，动态管理网络。 虽然v l a n 并非最好的网络技术，但这种用于网络结点逻辑分段的方法正为许多企业 所使用。v l a n 采用多种方式配置于企业网络中，包括网络安全认证、使无线用户在8 0 2 1 1 b 接入点漫游、隔离i p 语音流在不同协议的网络中传输数据等虚拟局域网( v l a n ) 的出现 打破了传统网络的许多固有观念，使网络结构变得灵活、方便。 在用户端的a t u _ r 设备与局端的i p d s l a m 设备是通过电话线连接，数据传送是以 a t m 信元格式；而在城域网中传送的数据主要是以i p 包的格式；i p d s l a m 的基本功能正 是根据r f c l 4 8 3 协议来进行a t m 信元与i p 包之间的透明穿透。当然还要辅助以一些其他 的增强功能。 本文研究的重点正式基于此。 1 4 课题提出意义和主要研究内容 i p d s l a m 作为a d s l 接入设备一种新的接入技术，正在蓬勃的发展中。本文目的是 提出一种基于f p g a 的i pd s l a m 设计方案，并进行模块设计的详细描述。 论文的结构安排如下： 第一章从发展的角度，分析了d s l a m 设备的发展演变过程，及i p - d s l a m 的协议分 析，论述本文研究工作的意义。 第二章介绍i p d s l a m 设备的总体框架设计，从需求出发，介绍了i p d s l a m 设备 数据面和控制面的构架；接着分析了f p g a 的总体设计，包括内核的模块划 分、存储器的分配管理、芯片选型等等；最后对i p d s l a m 内核的设计流程 进行剖析。 第三章介绍i p d s l a m 在f p g a 平台上进行设计时的使用的工具介绍和一些设计经 验。 9 浙江大学硕士学位论文 第四章介绍了i p d s l a m 的总体设计方案，重点介绍了f p g a 内核的设计，在本章 中，对f p g a 内核部分进行详细设计。f p g a 对数据面的处理分成两个部分， 一个是a d s l 上行，另一个是a d s l 下行。 论文最后给出课题研究的主要结论和特点，讨论a d s l 技术进步发展的趋势。 浙江大学硕士学位论文 第二章ip - - d s i _ 州总体设计方案 在本章中，将系统的介绍i p d s l a m 的f p g a 内核的设计过程。本章主要描述总体设 计方案，而下一章节进行模块的详细设计描述。我们这里设计的i p d s l a m 系统由2 个部 分组成，f p g a 部分和c p u 部分。f p g a 主要负责数据面的处理，而c p u 负责控制面的处理， 同时一些f p g a 处理起来比较困难的业务也由c p u 进行辅助处理。 在这一章中我们从需求出发，对i pd s l a m 进行总体设计规划，接着对f p g a 内核部 分进行进一步的分析描述，最后对i p d s l a m 内核的主要处理流程进行剖析。 2 1 。t p - d s l a m 设备的总体框架 2 1 。1 设计需求分析 i p d s l a m 属于局端设备，我们这里设计的d s l a m 设备设计成盒式的以太网内核的 a d s l 接入设备，专为城郊、乡镇、村等中小容量的边际网局点量身定做的盒式局端设备。 设计出的i p - d s l a m 需要达到以下目标： 1 完善的用户管理策略 内嵌p p p o e8 0 2 1 x 认证系统实现a d s l 的p p p o e 和8 0 2 1 x 终结认证； 整机支持2 4 个8 0 2 1 qv l a n ，级联时支持v l a ni d 透传； 支持基于时间、流量的计费功能； 2 a d s l 组播能力的支持 a d s ld s l a m 基于纯以太网技术架构，在a d s l 接口板上完全终结a t m 特性； 实现v l a n 对广播包的支持； 3 较强的系统扩展能力 提供2 个l o o m 全双工以太网端口，支持级联方式，可支持多达4 台的级联： 级联时同样支持v l a n 隔离功能，保证网络的安全： 4 安全控制技术 支持i p 地址绑定； 支持m a c 地址绑定。 2 1 2 总体设计框架 在设计中，我们主要思路是把它设计成以太网交换机的形式，数据面方面的处理主 要由f p g a 来承担。设计成能够承载2 4 路的a d s l 接入，与以太网衔接采用m a c 芯片。 在设计中，主要思路是设计成以太网交换机的形式，数据面方面的处理主要由f p g a 来承担。设计成能够承载2 4 路的a d s l 接入，与以太网衔接采用m a c 芯片。 设计框图如图7 ： 浙江大学硕士学位论文 图7 总体框图 整个设计可以简单的划分成为5 个部分： 1 a t u _ c 部分 a t u c 部分承接用户端的a t u r ，每个a t u c 为4 路的a d s l 输入，即整个设 计支持2 4 路的a d s l 输入； 2 f p g a 部分 f p g a 部分承担数据面的处理，充分的使用了f p g a 处理大流量数据的能力。 在f p g a 中，除了必要的数据处理部分的内核外，还需要设计与c p u 相连的接口 单元、与辅助的s d r a m 相连的控制单元、与以太网芯片相匹配的控制单元等； 3 c p u 控制部分 c p u 采用比较通用的通信c p u - m o t op o w e r p c 8 5 0 【1 3 1 。c p u 承担的工作主 要是控制面方面的业务，比如g u i 交互界面、f p g a 上电配置、f p g a 内部寄存器 配置等功能，除此之外，一些f p g a 处理起来较为困难的数据业务也交给c p u 来 进行处理。 4 以太网部分 以太网芯片采用b r o a d c o m 的b c m 5 3 2 5 【1 4 1 ，由它来支持级联的功能； 5 电源模块 把交流2 2 0 v 转换成板载芯片所需要的直流电： 在本文中，我们主要讨论f p g a 内核的设计过程。 浙江大学硕士学位论文 2 ；2 f p p - 认内核的总体设计 2 2 1 f p p - 认芯片选型 通过对f p g a 的需求分析发现，本设计f p c - a 内核资源的瓶颈主要是在存储方面，所 以我们选用了拥有大量b l o c k r a m 的x i l i n x 公司生产的s p a r t a n i i e 系列的x c 2 s 6 0 0 e 【1 5 】。 图8s p a r t a n l l el o g o 2 2 2 内核的模块划分 通过对协议的理解和分析，我们把f p g a 内核的工作划分为以下几个模块 夺a t m 接收模块 夺a t m 发送模块 夺m i i 接口接收发送模块， 夺组包分片模块， 夺报文分析处理模块， 夺通信模块 各模块之间的关系如图9 所示。 a t m 信元l 1 接收模块r _ 一 报文 组包 接 分片 分析 口 模块 处理 a t m i 自 元1 模块 _ 1 发送模块r 一 图9 内核模块 其中组包分片模块和报文分析处理模块相配合完成a a l 5 协议的功能。 2 2 3 1 p d 渤媸处理流程分析 通过对需求中对数据面处理的分析，我们需要达成最基本的a t m 信元到以太网帧的 转换，以及m a c 地址绑定、i p 地址绑定、v l a n 等增强功能。按照数据流的方