（通信与信息系统专业论文）hinoc网络mac协处理器地址转发表功能的设计与实现.pdf

摘要 1 i i 删 y 2 0 6 8 6 16 h i n o c ( h i g hp e r f o r m a n c e n e t w o r ko v e rc o a x ) 是一种利用有线电视网同轴电 缆，实现高性能双向信息传输的宽带接入解决方案，满足面向n g b ( n e x t g e n e r a t i o nb r o a d c a s t ) 电缆技术的需求。该技术完全基于有线电视网同轴 电缆的网络布线，利用8 6 0 m h z 以上的同轴电缆信道频段，仅增加h i n o cb r i d g e ( h b ) 和h i n o cm o d e m ( h m ) 等相关局端和终端调制解调设备，实现高速和高质量 多业务接入，可承载包括i p t v 、v o d 、v o i p 、高速上网、高清标、广播等宽带 业务应用。 结合实验室承担的国家8 6 3 计划项目“新一代同轴电缆宽带接入技术的研 究及芯片研制”，基于h i m a c 系统开发板，本文设计出h i n o c 网络m a c 协处理 器整体实现方案，并主要研究了该方案中的地址转发表功能的设计和实现。 本文首先分析了h i n o c 网络研究的背景和意义，介绍了h i n o c 网络的相关 设备、组网方式和拓扑结构：然后对h i n o c 网络m a c 层协议进行分析，并在此 基础上介绍了h i n o c 网络m a c 协处理器结构和整体实现方案，重点阐述了基于 v l a n 技术的单播转发表和i g m ps n o o p i n g 二层组播技术的原理和方法，完成了 单播转发表和组播转发表功能模块的f p g a 设计，并用v e r i l o gh d l 代码进行实现， 最后利用m o d e l s i ms e 对该设计进行了时序仿真，验证了方案的正确性。 关键词：h i n o c 地址转发表v l a ni g m ps n o o p i n g a b s t r a c t h i n o c ( h i g hp e r f o r m a n c en e t w o r ko v e rc o a x ) i sat y p eo fb r o a d b a n da c c e s s s o l u t i o n sw h i c hc a nm a k eu s eo ft h ec o a x i a lc a b l eo fc o m m u n i t ya n t e n n at v ( c a t v ) t or e a l i z eh i g h _ p e r f o r m a n c eb i d i r e c t i o n a li n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o na n ds a t i s f yt h e d e m a n d s o f f a c i n g t h en g b( n e x t g e n e r a t i o nb r o a d c a s t )c a b l e t e c h n o l o g y c o m p l e t e l yb a s e do nt h ec o a x i a lc a b l en e t w o r ko fc a t v ，t h et e c h n o l o g y u s et h ec o a x i a lc a b l ec h a n n e lb a n da b o v e8 6 0 m h za n dp r o v i d eh i g h s p e e da n d h i g h q u a l i t ya c c e s s f o rm u l t i s e r v i c e si n c l u d i n gi p t v , s d t v h d t v ，h i g h s p e e d i n t e r a c ta c c e s s ，h d s d ，b r o a d c a s ta n do t h e rb r o a d b a n db u s i n e s sa p p l i c a t i o n s ，b y a d d i n go n l ys o m e c o r r e l a t i v el o c a la n dt e r m i n a ld e v i c e ss u c ha sh i n o cb r i d g e ( h b ) a n dh i n o c m o d e m ( h m ) w i t ht h es t a t e8 6 3p l a n n i n gp r o j e c tu n d e r t a k e ni no u rl a b o r a t o r y - r e s e a r c ha n d c h i pd e s i g no fan e w g e n e r a t i o nb r o a d b a n da c c e s st e c h n o l o g yo v e rc o a x ”，b a s e d o nt h eh i m a cs y s t e md e v e l o p m e n tb o a r d ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eo v e r a l l i m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo fh i m a cc o _ p r o c e s s o r ( c op r o c e s s o ra d a p tt oh t n o c n e t w o r km a cl a y e ro nh i m a c ) a n df o c u s e so nt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h e a d d r e s st r a n s f o r m a t i o nt a b l e f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y z e sb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c ho n h i n o cn e t w o r ka n da l s oi n t r o d u c e si t sr e l a t e de q u i p m e n t , c o n s t r u c t e dn e t w o r kw a y s a n dt o p o l o g i c a ls t r u c t u r e s e c o n d l y , t h ep a p e ra n a l y z e st h ep r o t o c o lo fh i n o c n e t w o r km a c l a y e ra n db a s e do nt h i s ，i n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n d o v e r a l ls c h e m eo f h i m a cc o _ p r o c e s s o r w ec o n c e n t r a t e so nt h ep r i n c i p l esa n dm e t h o d so ft h eu n i c a s t t r a n s f o r m a t i o nt a b l ew h i c hb a s e so nv l a nt e c h n o l o g ya n dt h em u l t i c a s tt e c h n o l o g y w h i c hb a s e so ni g m ps n o o p i n 争_ m es e c o n dl a y e rm u l t i c a s tt e c h n o l o g y t h ef p g a d e s i g no ft h eb o t l la d d r e s st a b l ea r ea l s oc o m p l e t ea n dn e x t l y , t h ev e r i l o gh d l c o d e s a r ea l s oc o m p l e t e d f i n a l l y , t h et i m i n gs i m u l a t i o no ft h ed e s i g ni sc a r r i e do u tb yt h e m o d e l s i ms ea n dt h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o np r o v et h ec o r r e c t n e s so ft h ed e s i g n k e y w o r d ：h i n o c a d d r e s st r a n s f o r m a t i o nt a b l ev l a n i g m p s n o o p i n g 第一章绪论 第一章绪论 1 1h i n o c 网络研究背景及意义 随着信息技术的飞速发展和人们生活水平的日益提高，数据、语音、视频成 为人们生活、娱乐、学习、工作的必需，人们越来越需要多样化的信息服务。传 统的电信网和计算机网在网络资源、信息传输、交换和接入方面虽各有所长，但 建设之初均是面向某项特定业务并有所侧重，用户只能从不同的网络服务商处获 得所需的各类不同的业务，不能直接享受综合的信息服务，同时三网重复建设， 。 对资源造成浪费，因此，电信网、有线电视网、计算机网一体化的呼声日渐高涨， 人们对网络提出了更高的要求，“三网融合”已经成为势不可挡的历史大潮，成为 人们关注网络领域技术变革的热点。 2 0 1 0 年1 月1 3 日，国务院常务会议正式通过加快推进电信网、广播电视网、 互联网的“三网融合 的决定，从而加快了推进“三网融合 的进程。我国国 民经济和社会发展“十二五 规划建议【l 】中明确提出：“十二五”期间，我国将全 面提高信息化水平，推动信息化与工业化深度融合，实现“三网融合”，构建宽带 融合安全的下一代国家信息基础设施。这一规划必将对我国网络的融合与发展产 生深远影响。 一 “三网融合”是一种广义的、社会化的说法，在现阶段它并不意味着电信网、 计算机网和有线电视网三大网络的物理合一，而主要是指高层业务应用的融合。 其表现为技术上趋向一致，网络层上可以实现互联互通，形成无缝覆盖，业务层 上互相渗透和交叉，应用层上趋向使用统一的i p 通信协议1 2 】。近年来出现的i p t v ( i n t e m e tp r o t o c o lt e l e v i s i o n ) 、v o d ( v i d e oo nd e m a n d ) 等应用为“三网融合 在 业务层面上找到了突破口，被认为是“三网融合 的最佳切入点。按目前的编码 方式，传输一路数字标清电视( s t a n d a r d d e f i n i t i o nt v ，s d t v ) 信号需要约6 m b p s 带宽，传输一路数字高清电视( h i g h d e f i n i t i o nt v ，h d t v ) 信号需要至少2 5 m b p s 带宽。若一个家庭用户同时收看l 套h d t v 和l 套s d t v 节目，并进行高速上网， 则至少需要4 0 m b p s 的业务带宽1 3 l 。用户带宽需求的加大对现有的网络提出了很大 的挑战。 随着国家对通信行业投入的加大，我国的骨干网光纤化已基本完成，而接入 网速率限制成为影响高速带宽网络通信的瓶颈。当前的宽带接入方式有以太网接 入、光纤到户、电话线接入、电力线接入、同轴电缆接入和无线接入等类型。但 是由于带宽低、成本高、需要重新布线等原因，无法广泛地被用户接受，因而这 些接入技术都难以提供完善可行的接入网解决方案。 我国现有有线电视网用户近1 7 5 亿，有线电视的同轴电缆网络分布十分广泛， 2 h i n o c 网络m a c 协处理器地址转发表功能的设计与实现 同时同轴电缆还具有容量大、频带宽、抗干扰能力强等优点，所以通过同轴电缆 进行宽带接入成为数字电视网改造的首选。目前，基于同轴电缆的接入应用最广 泛的是c a b l em o d e m 技术，该技术采用的d o c s i s l 4 儿纠( d a t ao v e rc a b l es e r v i c e i n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n s ) 技术规范得到广泛应用。采用d o c s i s 规范的c a b l em o d e m 接入技术，其逻辑拓扑结构为星型，采用点到多点方式收发数据，下行信道工作 在7 5 0 - - 8 6 0 m h z 之间的频带，上行信道工作范围为5 4 2 m h z 【6 】【7 1 。c a b l em o d e m 接入技术在美国和欧洲得到了广泛应用，但在我国其应用存在以下问题：1 ) 该技 术必须对现有同轴线网络进行双向改造，工程量大。2 ) 上行通道工作频率( 5 4 2 m h z ) 内，有较多工业和民用电器噪声干扰。3 ) 当前我国的h f c 网的光纤结 点覆盖用户较多，c a b l em o d e m 技术上下行信道内数据速率由多个用户共享，每 个用户实际获得的带宽有限，难以满足用户对宽带业务的需求【8 】【9 1 。因此，c a l b e m o d e m 接入技术在我国并不是一种可行的多业务带宽接入方案。所以研究符合中 国国情并且具有自主知识产权的基于有线电视同轴电缆的宽带接入解决方案，提 高接入网速率，已成为三网融合进程中的迫切需要。 在我国有线电视网中，8 6 0 m h z 以下频段用于传输广播电视节目，而8 6 0 m h z 以上信道没有使用，本文称其为带外信道。据理论测算，在该带外信道内有超过 2 g b p s 的可用物理带宽，若利用该带外信道提供宽带接入解决方案，无需重新布线 或改造即可提供多业务宽带接入。由于各种原因，我国有线电视网络条件较为复 杂，带外信道的性能可能与国外有较大差异。我国已将研究低成本同轴电缆高速 接入技术列入中国高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 新一代高可信网络重大项目。 而本文提出的h i n o c ( h i g hp e r f o r m a n c en e t w o r ko v e rc o a x ) 技术就是利用有线 电视同轴电缆的带外信道组建多业务宽带接入网的一种新的接入技术。 1 2h i n o c 网络概述 h i n o c 网络的目的是在当前f t l b ( f i b e rt ot h eb u i l d i n g ，光纤到楼) 普遍 应用的前提下，利用有线电视网已有的同轴电缆线路和分配网络，连接光纤结点 到住户，组建最后1 0 0 米范围内的宽带接入网。该技术完全利用现有有线电视网 同轴电缆的网络布线，仅增加h i n o c 桥( h b ，h i n o cb r i d g e ) 和h i n o c 调制解 调器( h m ，h i n o cm o d e m ) ，实现高速和高质量多业务接入，可提供给用户语音、 i p t v 、s d t v h d t v 和上网等宽带应用4 0 m b p s 以上的业务带宽。 1 2 1h i n o c 系统主要设备及组网方式 目前h i n o c 网络接入技术较为常见的组网方案有f t t b + 楼内分配网络的组 网方案和f t t h + 户内分配网络的组网方案。 第一章绪论3 1 ) f t t b + 楼内分配网络的组网方案 该方案是当前最为可行的接入方式，其结构如图1 1 所示。图中左右两个虚线 圈分别代表两个独立的有线电视楼内分配网络。在该分配网络内，采用频分复用 的方式将c a b l e 的带外信道分割成多个带宽为1 6 m h z 的频带( 称为h i n o c 信道) ， 在每个h i n o c 信道上建立一个h i n o c 接入网，该1 6 m h z 频带由同一h i n o c 网 络内的h b 和多个h m 结点共享。利用f t t b 线路，g b e ( g i g a b i te t h e m e t ，千兆 以太网) 信号通过h b 结点进入楼内分配网络，并被调制到c a b l e 的某个h i n o c 信道上，经分配网络到达处于同一h i n o c 网络的某个h m 结点，由该h m 结点将 信号解调后送到终端设备，如计算机或者机顶盒( s t b ，s e tt o pb o x ) 等。h i n o c 信道的划分方式非常灵活，最典型的配置是每个用户( 家庭) 分配一个h i n o c 信 道，这样每个用户的多台h m 设备共享该信道提供的至少4 0 m b p s 的用户接入带宽。 图1 1f 1 t b + 楼内分配网络的组网方案 2 ) f t t h + 户内分配网络的组网方案 该组网方案如图1 2 所示。由于光纤已经到达用户门口，h i n o c 接入技术主 要解决户内接入组网的问题。g b e 信号经过g e p o n 的光分路器和光网络单元 ( o n u ，o p t i c a ln e t w o r ku n i t ) 进入h b 节点后，被调制到某个h i n o c 信道上， 调制后的信号进入户内分配网络，然后由处于同一h i n o c 网络中的某个h m 节点 将该信号解调后送至终端设备。在该方案中，h i n o c 技术用于在家庭内部组建电 缆接入网，每个用户独享4 0 m b p s 的接入带宽，这一带宽由户内的h b 和多个h m 设备共享。本方案要求光纤到住户门口，因此目前这种应用尚有一定局限。 4 h i n o c 网络m a c 协处理器地址转发表功能的设计与实现 图1 2f t t h + 户内分配网络的组网方案 1 2 2 网络拓扑结构 从物理拓扑上看，h b 和h m 构成如图1 3 所示的总线型拓扑结构。 h mlh m2h ma 1h mn 图1 3h i n o c 网络物理拓扑结构 逻辑上，一个h b 对应一个h i n o c 信道，每个h i n o c 信道最多可以连接3 2 个h m 。由于通信主要在h b 和h m 之间进行，各个h m 之间的业务很少，同时 为了便于h b 对每个h m 的控制，在逻辑上采用h b 到h m 的星型结构( 如图1 4 所示) ，其中h b 处于中心控制地位。因此，从下行方向看，是h b 到多个h m 的 一点到多点的网络结构；在上行方向，是多个h m 到h b 的多点到一点的网络结 构。h m 之间不能直接通信，只能通过h b 连接的( 直接或间接方式) 路由器的转 发进行。 图1 4h i n o c 网络逻辑拓扑结构 需要说明的是上图中的h b 和h m 均为逻辑上的概念，在具体实现时，多个 第一章绪论 5 逻辑上的h b 或h m 可以在一个物理设备里面实现。 1 2 3h i n o c 系统协议栈参考模型 h i n o c 系统协议栈包括物理层和m a c 层，其中m a c 层又划分为位于上部 的汇聚子层( c o n v e r g e n c es u b l a y e r ，c s ) 和位于下部的公共部分子层( c o m m o n p a r t s u b l a y e r ，c p s ) ，如图1 5 所示。 图1 5h i n o c 系统协议栈 物理层采用o f d m 的调制解调方式，o f d m 方式具有较高的频谱利用率，使 得h i n o c 系统在同样的载波带宽下可以提供更高的传输速率。同时，o f d m 方式 在抵抗多径效应、频率选择性衰落或窄带干扰上也具有明显的优势。 m a c 层主要功能包括：节点接纳、多址接入控制、链路维护、带宽请求与分 配等功能。 汇聚子层从功能上讲是m a c 层的一个功能子层，主要处理数据业务与公共部 分子层之间的适配；从逻辑上讲位于m a c 层的上部，主要完成数据封装、转发与 解封装等功能，使得上层业务能够通过h i n o c 网络透明传输。 h i n o c 网络采用t d d ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ，时分双工) 方式实现双工通信。 采用t d d 的优点之一是实现简单，另一优点是在主结点的统一协调下可以非常灵 活的实现上、下行带宽的分配。 h i n o c 网络下行( h b 一h m ) 采用t d m ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，时分 复用) ，上行( h m _ h b ) 采用t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，时分多址) ， 即t d m t d m a 。t d m a 机制需要各结点间比较严格的时钟同步，但由于电缆接入 网范围非常小，因此可以通过主结点定期发送系统时间，就能很容易保证各结点 的同步。 为避免接入冲突，引入预约许可机制。协议采用的t d m a 是动态的和全协调 的：当h m 有数据要发送时，首先会发送预约请求给h b ，然后h b 根据收到的各 结点的预约情况，进行带宽分配并将分配结果通知网络各结点；各结点根据h b 的 指配进行信息传送。这样，所有结点( 包括h b 本身) 何时发送信息，何时接收信 6 h i n o c 网络m a c 协处理器地址转发表功能的设计与实现 息，完全由h b 控制和动态调度，因此整个通信过程中是没有任何冲突的。 1 3 本文的主要工作和论文结构 本文课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目利用有线电视 网带外信道的多业务宽带接入网技术研究。本文在深入分析已有的h i n o c 网络 m a c 层协议的基础上，设计h i n o c 网络m a c 协处理器的总体实现方案，并详 细描述了h i n o c 网络m a c 协处理器中地址转发表模块的设计及验证方案。 本文的内容安排如下： 第一章为绪论部分，介绍了h i n o c 网络的研究背景及意义，对h i n o c 网络 进行了概述。 第二章对h i n o c 网络m a c 层协议进行了分析，介绍了h i n o c 网络的开发 环境以及需求分析，在此基础上提出了适合f p g a 实现的h i n o c 网络m a c 协处 理器的整体设计方案，并阐述了各模块的组成和功能。 第三章介绍了支持v l a n 技术的单播转发表和基于i g m ps n o o p i n g 技术的组 播原理和方案，而后详细介绍单播转发表和组播转发表模块的设计与实现。 第四章利用m o d e l s i m 仿真工具，测试了地址转发表对单播自学习、老化删除、 v l a n 、组播等功能的支持，验证了设计方案的正确性和可行性。 第五章对论文的工作进行总结，并对下一步的工作进行展望。 第二章h i n o c 网络m a c 协处理器整体设计方案7 第二章h i n o c 网络m a c 协处理器整体设计方案 h i n o c 网络m a c 协处理器设计方案按照h i n o c 网络m a c 层协议而制定。 本章首先对h 1 n o cm a c 层协议进行分析，而后根据h i n o cm a c 层协议提出 h 1 n o c 网络m a c 协处理器的设计需求，并介绍m a c 协处理器实现环境的开发 平台，最后具体介绍m a c 协处理器的整体设计方案。 2 1 1h i m a c 帧类型 2 1m a c 层协议分析 h i m a c 帧分为控制帧、数据帧和信令帧三类，具体的帧结构和功能如下： a ) 控制帧 控制帧的帧结构如图2 1 所示，包括首部、载荷和尾部三部分。帧首部中，目 的和源结点i d 分别表示收、发该帧的h i n o c 网络结点地址。子帧个数表示该帧 载荷域内包含的业务数据单元的数目。载荷域包含相应访问控制信息，尾部是c r c i 8 与节 4 与5 脚筐塞匿垂e 兰兰弓 比特o ： 7 l1 5 1 6 ! i id e s l 脒a 1 1 0 n n o d e i s o u r c en o d e d l f r 怔l 斟g n l i ln u 崛1 饿is u b n u 眦n u mi 列m v e dl 控制帧用于实现信道预约和信道分配功能，包括预约请求帧和m a p 帧。表2 1 给出了控制帧的类型、传送方向、方式和功能。 表2 1h i m a c 控制帧 帧类型传送方向、方式功能 调度和发布( 已接纳结 脚帧h b h m ，广播方式 点) 各帧的发送时隙 h m 向h b 请求安排发送 预约请求帧h m h b ，单播方式 时隙 b ) 数据帧 数据帧的帧结构与控制帧相同，见图2 1 。数据帧用于承载上层以太网业务， 将一个或多个以太网帧封装成一个h i m a c 帧进行传输，以提高传输效率。 c ) 信令帧 信令帧用于实现结点接纳、结点退出和链路维护过程中h b 和h m 之间的信 8h i n o c 网络m a c 协处理器地址转发表功能的设计与实现 令交互。信令帧分为下行信令帧和上行信令帧，其帧结构分别如图2 2 和图2 3 所 示。 1 6 字节 图2 2 下行信令帧格式 6 字节 图2 3 上行信令帧格式 2 1 2 公共部分子层( c p s ) c p s 主要实现信道访问控制与带宽分配。其信道分配的主要机制如下： ( 1 ) 各个h m 必须先接纳到h i n o c 网络后，才能访问信道。 ( 2 ) h m 结点被接纳到网络后，其对信道的访问完全在h b 的集中控制下进 行。 ( 3 ) h b 将信道划分为在时间轴上连续且互不重叠的时间段，每个时间段称 为一个m a p 周期。在每个m a p 周期中h b 通过发送一种特定的m a p 帧向各结点 发布下一m a p 周期的起止时刻以及该周期内的信道分配方案。 ( 4 ) 各h m 结点通过预约许可机制实现信道访问。在每个m a p 周期内，h b 为h m 结点分配预约帧发送时隙，h m 利用各自的预约时隙向h b 预约信道。h b 收到预约帧后，通过m a p 帧发布信道分配方案。下行数据不需要预约信道，由 h b 直接在m a p 帧中规定发送时隙。 ( 5 ) 在信道分配的过程中，协议支持基于优先级的q o s 保障。 ( 6 ) 所有m a c 层的预约帧、m a p 帧和数据帧，均封装在p h y 层的d d 和 d u 帧内进行发送。 h i n o c 网络m a c 协处理器重点是对汇聚子层( c s ) 处理，关于公共部分子 层( c p s ) 是软件c p u 处理的部分，不是本论文的重点，对公共部分子层( c p s ) 的介绍就到这里。 2 1 3 汇聚子层( c s ) 汇聚子层负责接收高层的协议数据单元( p d u ) ，并将高层p d u 映射到m a c 公共部分子层，以及进行相反方向的转换操作。高层p d u 为以太网m a c 帧。 汇聚子层实现的具体功能是：地址学习与转发表构建、数据帧转发、数据帧 第二章h i n o c 网络m a c 协处理器整体设计方案9 打包拆包，以及优先级映射。 1 ) 地址学习与转发表构建 地址学习与转发表构建就是建立高层p d u 地址与h i n o c 网络地址的映射关 系。通过学习帧的源p d u 地址和源h i n o c 网络地址来完成这种映射。 2 ) 数据帧转发 数据帧转发就是确定将高层p d u 转发到哪一个h i n o c 网络结点。通过查找 转发表来完成这种操作。 3 ) 数据帧打包拆包 数据帧打包功能就是将发往同一个h i n o c 目的结点且优先级相同的多个 e m a c 帧组合成一个h i m a cp d u 后，在h i n o c 网络内发送。打包后的h i m a c 帧结构如图2 4 所示。每个s d u 表示一个e m a c 帧。 e m a c 帧 q ， 打包 数据帧 匡i 逦丑多面工二巨圣三习囹 、 2 字节可变，。、 图2 4h i n o c 对e m a c 帧的打包 子帧长度( s u b f 凡m el e n g t h ) 域的取值等于子帧长度域与其后s d u 域 的长度之和。 打包之后传输的h i m a cp d u 在到达h i n o c 目的结点c s 后，进行相应拆包 ( u n p a c k i n g ) ，还原出各个e m a c 帧并交给高层。 ； h i m a cp d u 最大长度限制为4 6 0 0 字节。 对h i m a c 控制帧，不进行打包操作。 4 ) 优先级映射 优先级映射就是确定高层p d u 与h i n o c 优先级之间的映射关系。上层以太 网帧在进入h i n o c 网络时，根据e m a c 帧内指示的优先级等参数，将上层以太 网业务映射为h i n o c 网络内的相应优先级。 h i n o c 网络规定了4 种优先级，从高到低分别为优先级3 一o 。优先级类型3 对应网络管理帧；优先级类型2 对应以v o i p 为代表的迟延敏感的实时交互性业务； 优先级类型l 对应以i p t v 为代表的流媒体业务；优先级类型0 对应b e ( b e s t e f f o r t ， 尽力服务) 业务。 2 2h i n o c 网络m a c 协处理器开发平台 本项目设计的h i n o c 网络m a c 协处理器应当具有以下功能： 1 0h i n o c 网络m a c 协处理器地址转发表功能的设计与实现 实现h i m a c 协议处理功能； 根据h i m a c 协议实现数据的组帧及拆帧功能； 设计的h i n o c 网络m a c 协处理器可应用于h i n o c 网络的h b h m 设备； 提供1 0 0 m b p s 全双工以太网接口，1 0 0 m b p s 以太网协议处理单元应满足i e e e 8 0 2 3 标准对于e m a c 的要求； h i n o c 网络拓扑支持点到多点的组网方式； 每个h b 支持连接3 2 个h m ，h b h m 具备地址自学习功能； 能支持1 0 0 m b p s 以太网业务流，上行业务速率达到4 0 m b p s ： 支持单播、组播、广播和v l a n 功能； 在一定的业务负载下，为1 0 0 m b p s 网络接口提供无阻塞的数据通路： h b h m 自行完成初始化和配置管理功能，具有以太网接口和串行调试口，支 持l i n u x 操作系统下的软件和初始参数值加载以及对内部状态寄存器的读取。 h i n o c 网络m a c 协处理器电路板( h i m a c 系统开发板) 硬件结构如图2 5 所示，包括以p x a 2 7 0c p u 为核心的微机最小系统、s t r a t i x l ie p 2 s 1 8 0f p g a 和一 些外围设备组成。 图2 5h i n o c 网络m a c 协处理器电路板原理框图 根据2 1 节对m a c 层协议分析，涉及到大量数据传输、搬移操作的以及对实 时性要求较高的部分，即汇聚子层( c s ) 中的地址学习与转发表构建、数据帧转 发、数据帧打包拆包、优先级映射等功能由硬件完成，这些功能主要集中在h i n o c 网络m a c 协处理器的f p g a ( 以下简称h i m a cf p g a ) 中，我们选用a l t e r a 公 司的s t r a i xi ie p 2 s 1 8 0 ；而协议中比较复杂的操作，如公共部分子层( c p s ) 中的 第二章h i n o c 网络m a c 协处理器整体设计方案 l l m a p 调度处理模块，接纳控制模块，链路维护功能由软件来实现，c p u 采用英特 尔的p x a 2 7 0 。下面我们对h i n o c 网络m a c 协处理器电路板主要功能单元做详 细介绍。 2 2 1f p g ae p 2 s 1 8 0 f p g a 选用的是a l t e r a 公司生产的一款高性能f p g a 器件一s t r a t i x i i 系列的 e p 2 s 1 8 0 ，这款f p g a 采用1 2 v 、9 0 r i m 、9 层走线、全铜s r a m - i - 艺制造，等价 逻辑单元( l e ) 高达1 8 0 ，0 0 0 个。内部主要特性有：存储器容量达到9m b i t s 的内 嵌r a m 块、运行频率高达3 7 0m h z 的d s p 块、1 2 个可编程锁相环( p l l ) 以及外 部存储器的接口等。同时，还在增加了源同步通道的动态相位校准( d p a ) 电路和对 新的外部存储器接口的支持，如d d r 2s d r a m 和r l d r a mi i 。该器件还可以采 用1 2 8 位a e s 密匙对配置文件进行加密，保证用户设计的安全性。s t r a t i xi i e p 2 s 1 8 0 不但具有极高的性能和密度，而且还针对器件总功率进行了优化，同时 可以支持高达1g b p s 的高速差分i o 信号，因而是一款超快的f p g a ，能实现最 大的系统性能。 。 f p g a 器件左右两边( b a n k l 2 5 6 ) 支持高速的l v d s 信号，最高可达8 4 0 m b i t s s 的速率。每个l v d s 的发送或接收通道都有专用的硬件s e r d e s 电路来实现高速 的并串转换，性能可以做得很高，而且不需要占用内部的逻辑资源。同时，支持 高速源同步设计中随路时钟输入的快速锁相环( f a s tp l l ) 同样也都分布在器件的这 两边。另外，增强型锁相环( e n h a n c e dp l l ) 分布在器件的上下两侧，可以为f p g a 内部提供丰富的全局时钟资源，同时也可以为外部存储器提供采样时钟。在这个 设计中，两片s s r a m 分布在f p g a 的上侧，双端口r a m 分布在f p g a 的下边， c p u 亦从这一侧与f p g a 进行连接。 2 2 1 p x a 2 7 0 1 0 i p x a 2 7 0 是一款应用于高性能、低功耗的手持移动设备中的嵌入式系统 s o c ( s y s t e m o n a - c h i p ) 微处理器，特别适合于智能手机、掌上电脑、信息家电、 网络设备、无线通信和工业控制等嵌入式系统的应用开发。 p x a 2 7 0 运用了在线电压频率调节和复杂的电源管理使得i n t e lx s c a l e 技术能 够提供业界领先的m i p s m w 性能。p x a 2 7 0x s c a l e 核是采用a r mv s t e 架构的 处理器，兼容a r m v 5 t e 架构指令集( 除浮点指令外) ，遵从a r m 通用编程模型规 范。此外，p x a 2 7 0 还支持i n t e lw i r e l e s sm m x 整数指令，从而使音频视频处理速 度得到很大提高。 12 h i n o c 网络m a c 协处理器地址转发表功能的设计与实现 p x a 2 7 0 的存储控制器支持多种类型的存储器，包括s d r a m 、f l a s h 、e p r o m 等；利用存储控制接口还可以挂接其它伴侣芯片。另外p x a 2 7 0 还支持四块 6 4 k b y t e 的片内s r a m ，用于存放代码或者各种多媒体数据；在睡眠或进入低功 耗模式时，s r a m 中的数据仍然能够保留。 2 2 3l a n 9 l c l l l 以太网网卡的主要功能是负责通信数据的发送和接收。发送时，网卡将从总 线传送过来的数据按照特定的格式并加上前导码、定界符等装配成数据包，并进 行c r c 校验。校验后，将数据串行的从网线上发送出去。接收时，判断报文的目 的地址是否为本机地址。如果是，对报文进行校验，校验正确，则将报文送往存 储器并发送一个a c k 应答包；如果校验后发现报文错误，则将收到的报文丢弃并 发送一个n a k 否定应答包。 l a n 9 1 c 11 l 是s m s c 公司为嵌入式应用系统推出的第三代快速以太网控制 器。l a n 9 1 c 1ll 的芯片上集成了遵循s m s c c d 协议的m a c ( 媒体层) 和p h y ( 物 理层) ，符合i e e e 8 0 2 3 8 0 2 u 1 0 0 b a s e t x 1 0 b a s e t 规范，该以太网控制器的主要 功能如下： 自适应地选传输速率，支持1 0 m b s 1 0 0 m b s ； 充分支持全双工交换式以太网； 支持突发数据传输； 8 k 字节的内部存储器用作接收发送的f i f o 缓存； 增强式能量管理功能； 支持总线8 位、1 6 位、3 2 位的c p u 访问； 提前发送和接收。 2 3h i n o c 网络m a c 协处理器整体设计方案 h i m a cf p g a 的原理框图如图2 6 所示，包括以太网m a ci p 核、流分类模 块、分组处理模块、h i m a c 帧组帧和拆帧模块、调度模块、转发表模块、队列管 理模块、内部总线控制模块、捕获模块、插入模块以及m a c 与c p u 之间、m a c 与p h y 之间的接口模块等。下面对图中的外围接口和主要模块做简要的介绍。 第二章h i n o c 网络m a c 协处理器整体设计方案1 3 2 3 1 外围接口模块 图2 6h i m a cf p g a 整体框图 以太网接口( 以下简称网口或e m a c 端口) 以太网p h y ( 简称e p h y ) 与h i m a cf p g a 之间的接口，完成e m a c 帧的接收 和发送，实现h i m a cf p g a 与高层数据业务的交互。 e p h y 和h i m a cf p g a 之间传输的是e m a c 数据帧。数据处理流程为：e p h y 中有数据帧要发送时，通知m a ci p 核，将数据搬移到m a ci p 核的接收缓存中， m a ci p 再把数据帧发给分组处理模块，从而实现对e m a c 数据帧的接收；对接 收到的e m a c 数据帧进行流分类、流控、统计、调度、查找转发表等一些列操作 之后，将数据帧入队。当e m a c 队列中有数据帧需要出队时，先将出队的数据帧 放入e m a c 发送模块的发送缓存中，再通过m a ci p 核将数据发送出去。 h i m a c 接口 h i n o cp h y ( 简称h i p h y ) 与h i m a cf p g a 之间的接口，完成h i m a c 帧的组 帧和拆帧，实现h i n o c 网络内部的数据传输。 h i p h y 交给h i m a cf p g a 处理的帧有两种类型：数据帧和控制帧。数据处 理流程为：接收到h i m a c 帧后，h i p h y 会产生中断触发中断处理程序；c p u 执 行中断处理程序，读取帧头信息判断帧的类型：如果是控制帧，交给c p u 处理， 如果是数据帧，交给h i m a cf p g a 的拆帧模块进行拆帧。对拆帧出来的e m a c 子帧进行流分类、调度、查找转发表等一系列的操作之后，将数据帧入队。当有 1 4 h i n o c 网络m a c 协处理器地址转发表功能的设计与实现 e m a c 帧需要打包发送到h i n o c 网络时，先将打包的h i m a c 帧放入组帧模块的 发送缓存中，再经过h i m a c 接口发送给h i p h y 。 c p u 接口 c p u 与h i m a cf p g a 之间的接口，完成c p u 对数据帧的捕获和插入。 数据帧经过流分类处理以后，如果需要被复制或者重定向到c p u ，则捕获模 块从数据总线将数据捕获给c p u ；当c p u 中有数据帧需要发送时，通过插入模块， 将数据帧入队，然后在调度模块的统一控制下将数据发送出去。 2 3 2 内部功能模块 m a ci p 核模块 m a ci p 核模块的具体功能包括： 1 ) 在发送时为帧加上前导码和帧起始标志s f d ，前导码为七个字节的0 x 5 5 ， s f d 为0 x d 5 。 2 ) 对于长度不足的帧会产生填充部分，使帧长为字节的整数倍。 3 ) 在发送时加上c r c ( 或选择由上层直接填写f c s ) ，在接收时检查c r c ( 或选择不进行c r c 校验) 。 4 ) 1 0 1 0 0m b p s 模式下，可以工作在全双工或半双工方式；在全双工模式下， 有标准的流控机制。 5 ) 通过一个4 b i t 的m i i 接口( 工作频率2 5 m h z ) ，实现与1 0 0m b p s 以太网 p h y 的无缝连接。 6 ) 可编程的m a c 地址。在发送时，自动插入源m a c 地址( 可选择) 。在接 收时，抛弃掉与目的地址不匹配的帧( 广播除外，也可设置成接收所有收 到的帧) 。