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[導(dǎo)讀]簡要介紹了Ethernet over SDH(EoS)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理,闡述和分析了EoS的LAPS協(xié)議核心技術(shù),給出了使用FPGA完成SDH網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)的連接,從而實現(xiàn)EoS的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方案。

   摘要:簡要介紹了Ethernet over SDH(EoS)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理,闡述和分析了EoS的LAPS協(xié)議核心技術(shù),給出了使用FPGA完成SDH網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)的連接,從而實現(xiàn)EoS的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方案。

    關(guān)鍵詞:EoS;以太網(wǎng);SDH;嵌入式系統(tǒng)

隨著波分復(fù)用技術(shù)和高速以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,骨干網(wǎng)的帶寬呈幾何級數(shù)增長,已達(dá)到了吉比特甚至更高的水平。而連接骨干網(wǎng)和用戶網(wǎng)的接入網(wǎng)的速率卻沒有太大的提高,已成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸。要想實現(xiàn)高速、可靠的接入,使終端用戶充分利用骨干網(wǎng)的巨大容量,必須采用新的高速接入技術(shù)。SDH技術(shù)已非常成熟,其安全性好,可靠性高;用SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)承載以太網(wǎng)IP包以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)用戶的遠(yuǎn)程接入或異地局域網(wǎng)互連,是一種非常方便的實現(xiàn)方案。

1 EoS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Ethernet over SDH系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

Ethernet over SDH系統(tǒng)是以以太網(wǎng)IP數(shù)據(jù)包交換為基礎(chǔ)的光廣域網(wǎng),它本質(zhì)上采用的是面向無連接的機(jī)制,內(nèi)在的全網(wǎng)狀連接適合于分布式通信的無連接網(wǎng)絡(luò),它將以太網(wǎng)的交換靈活性和資源優(yōu)化能力與現(xiàn)有SDH光網(wǎng)絡(luò)的大容量、高帶寬效率和低協(xié)議開銷相結(jié)合,是一種高速、經(jīng)濟(jì)的數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)。Ethernet over SDH系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵是在SDH設(shè)備上增加以太網(wǎng)接口設(shè)備或者以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備,以提供幀映射和VC級聯(lián)等功能。本文將使用FPGA和相關(guān)芯片構(gòu)建圖1中所示的以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備。

2 EoS協(xié)議的層次模型

Ethernet over SDH協(xié)議的層次模型如圖2所示,該協(xié)議分為三層:其中網(wǎng)絡(luò)層為TCP和IPv4/IPv6;鏈路層由LLC/MAC/LAPS三個子層組成?物理層為SDH傳輸網(wǎng)。

Ethernet over SDH按照ITU-X.86的規(guī)定采用LAPS對以太網(wǎng)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行鏈路層封裝,從而將以太網(wǎng)幀映射到SDH幀中,其協(xié)議層次模型為IP/Ethernet/LAPS/SDH。 

3 EoS的幀格式

LAPS(Link Access Procedure SDH,SDH上的鏈路接入規(guī)程)協(xié)議幀是 HDLC協(xié)議幀的一種變體,它可提供數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)及協(xié)議規(guī)范,并可專門對SDH網(wǎng)絡(luò)所需傳送的IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝?以便對封裝后的以太網(wǎng)幀進(jìn)行定界(采用標(biāo)志定界)。

使用 LAPS實現(xiàn)Ethernet over SDH時?其幀映射過程分兩步:一是將以太網(wǎng)的MAC幀封裝成LAPS協(xié)議幀;二是將LAPS協(xié)議幀映射到SDH幀中。

將以太網(wǎng)的MAC幀封裝成LAPS協(xié)議幀的過程如圖3所示。通過LAPS可將MII接口接收到的MAC幀使用RS(協(xié)調(diào)子層)去掉前導(dǎo)(Preamble)碼、幀起始定界符(SFD)和擴(kuò)展字段(Extension),然后封裝入LAPS協(xié)議幀。

4 EoS的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

EoS嵌入式系統(tǒng)通常應(yīng)該包含以下三部分:以太網(wǎng)接口部分、協(xié)議轉(zhuǎn)換部分、光接口部分。其中以太網(wǎng)接口部分用于接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù),并對本地網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行流量控制;協(xié)議轉(zhuǎn)換部分負(fù)責(zé)幀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換,同時協(xié)調(diào)三部分的運(yùn)作;而光接口部分則使用成幀器實現(xiàn)SDH網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的上下路。

4.1 以太網(wǎng)接口部分

以太網(wǎng)接口部分使用的是雙口千兆以太網(wǎng)控制芯片IXF1002。IFX1002提供有兩個全雙工的獨(dú)立高性能千兆以太網(wǎng)接口,支持GPCS層的接口管理。當(dāng)IFX1002設(shè)置SNMP和RMON管理計數(shù)后,便可通過MCU8/16接口進(jìn)行訪問操作。每一個MAC接口包括一個4k字節(jié)的接收FIFO和一個2k字節(jié)的發(fā)送FI-FO,所有數(shù)據(jù)都可以在公共的高性能IXBUS總線上傳輸。此外,IFX1002芯片完全兼容IEEE 802.3和IEEE802.3z標(biāo)準(zhǔn),支持自協(xié)商和流量控制。

    IXF1002可以通過對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包包頭的處理達(dá)到提前過濾地址的目的;在包的傳輸中,芯片具有IEEE P802.1Q的VLAN標(biāo)簽添加、刪除和替代功能;而當(dāng)包發(fā)生錯誤時,它會提供忽略或停止發(fā)送的選擇;同時,還提供可編程的無效數(shù)據(jù)包自動過濾功能;當(dāng)FIFO上出現(xiàn)無效數(shù)據(jù)包的時候,芯片可以發(fā)出通知信號。

本設(shè)計中, IXF1002的IXBUS工作在Split(雙向32位傳輸)模式(如圖4所示),它使用fps rxf、sop rxf、eop rxf.、fps txf?、sop txf、eop txf信號線進(jìn)行握手控制,使用雙向32位數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,并可以通過訪問fbe l?7:0?來查詢當(dāng)前傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否有效。

4.2 協(xié)議轉(zhuǎn)換部分

協(xié)議轉(zhuǎn)換部分可通過高速FPGA實現(xiàn)。本設(shè)計選擇兩片Altera公司的APEX20K200E(Ingress數(shù)據(jù)和Egress數(shù)據(jù)各一片)來管理不同方向的數(shù)據(jù);同時為每一片FPGA配備了一塊片外SDRAM以做為單向FIFO數(shù)據(jù)緩沖器。本部分的主要功能有:

●通過以太網(wǎng)控制芯片的接口總線IXUS獲取和發(fā)送數(shù)據(jù);

●可按照標(biāo)準(zhǔn)速率及總線寬度將數(shù)據(jù)傳送給SDH成幀器,同時接收成幀器的數(shù)據(jù);

●發(fā)送、接收、處理網(wǎng)絡(luò)控制芯片以及成幀器的握手信號;

●實現(xiàn)LAPS幀映射,包括自擾碼和速率匹配;

●將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)存儲于相應(yīng)的外部存儲器內(nèi),等待發(fā)送;

●提供與MCU的接口,接受管理控制;

●進(jìn)行各種流量統(tǒng)計,實施流量控制。

下面是流量控制功能的具體實現(xiàn)過程。其中:Ingress表示以太網(wǎng)到SDH方向,Egress表示SDH到以太網(wǎng)方向。

?1?以太網(wǎng)控制芯片接收本地以太網(wǎng)內(nèi)針對本設(shè)備發(fā)出的PAUSE幀,并告知In-gressFPGA,FPGA將此幀進(jìn)行復(fù)制,并在不經(jīng)IngressFIFO列隊的情況下直接送入SDH網(wǎng)絡(luò),然后PAUSE幀以最快速度到達(dá)遠(yuǎn)端設(shè)備,以中止遠(yuǎn)端以太網(wǎng)中用戶的數(shù)據(jù)發(fā)送。同樣,如果本地E-gressFIFO緩沖器數(shù)據(jù)滿,IngressFPGA構(gòu)造的PAUSE幀也不經(jīng)IngressFIFO列隊而直接向遠(yuǎn)端發(fā)送。

?2? 當(dāng)本地IngressFIFO緩沖器數(shù)據(jù)滿時,E-gressFPGA向本地以太網(wǎng)控制芯片發(fā)送PAUSE通知,以太網(wǎng)控制芯片接收到通知后,向本地以太網(wǎng)用戶發(fā)送PAUSE幀以停止其數(shù)據(jù)發(fā)送。同樣,如果是從SDH網(wǎng)絡(luò)上接收到PAUSE幀,則EgressFPGA立即發(fā)送PAUSE通知到本地以太網(wǎng)控制芯片,再由以太網(wǎng)控制芯片的PAUSE幀中止用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)。

?3? 在MCU控制下,EgressFPGA和IngressFPGA都具有XON/XOFF控制功能,可使整個流量控制更加快捷、合理,有利于保證數(shù)據(jù)的完整和正確。

本設(shè)計中,兩片FPGA都可以對SDRAM進(jìn)行控制,并對其存儲數(shù)據(jù)的容量進(jìn)行計數(shù),同時生成數(shù)據(jù)存儲位置列表,指示數(shù)據(jù)包在存儲器中的位置以提供給MCU查詢。

4.3 光接口部分

光接口部分選用杰爾系統(tǒng)公司(Agere System)的成幀器 TDAT021G2。該成幀器與FPGA的接口為UTOPIA。成幀器支持凈荷的上下路,同時可為其發(fā)送處理的數(shù)據(jù)生成CRC-16/32校驗或檢查接收數(shù)據(jù)的校驗和是否有效。在SDH網(wǎng)絡(luò)側(cè)支持四路的STS-3/STM-1或者兩路的STS-12/STM-4,本設(shè)計中采用后者。

    EoS嵌入式系統(tǒng)框圖見圖5,需要說明的是,整個系統(tǒng)各個部分均有MCU接口,可以使用一塊低成本的51單片機(jī)80C320進(jìn)行整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。

5 結(jié)束語

本文所提出的嵌入式系統(tǒng)可用作各種通用和專用SDH網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)設(shè)備的連接,如果在系統(tǒng)中加入解密加密功能,還可以構(gòu)建基于EoS技術(shù)的虛擬網(wǎng)VPN,具有很好的應(yīng)用前景。

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