實(shí)現Ethernet over SDH的嵌入式系統研究
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關(guān)鍵詞：EoS；以太網(wǎng)；SDH；嵌入式系統
隨著(zhù)波分復用技術(shù)和高速以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，骨干網(wǎng)的帶寬呈幾何級數增長(cháng)，已達到了吉比特甚至更高的水平。而連接骨干網(wǎng)和用戶(hù)網(wǎng)的接入網(wǎng)的速率卻沒(méi)有太大的提高，已成為網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的瓶頸。要想實(shí)現高速、可靠的接入，使終端用戶(hù)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(shí)現網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)的遠程接入或異地局域網(wǎng)互連，是一種非常方便的實(shí)現方案。
１ ＥｏＳ系統結構
Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｏｖｅｒ ＳＤＨ系統的結構如圖１所示。
Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｏｖｅｒ ＳＤＨ系統是以以太網(wǎng)ＩＰ數據包交換為基礎的光廣域網(wǎng)，它本質(zhì)上采用的是面向無(wú)連接的機制，內在的全網(wǎng)狀連接適合于分布式通信的無(wú)連接網(wǎng)絡(luò )，它將以太網(wǎng)的交換靈活性和資源優(yōu)化能力與現有ＳＤＨ光網(wǎng)絡(luò )的大容量、高帶寬效率和低協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)相結合，是一種高速、經(jīng)濟的數據接入系統。Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｏｖｅｒ ＳＤＨ系統實(shí)現的關(guān)鍵是在ＳＤＨ設備上增加以太網(wǎng)接口設備或者以太網(wǎng)協(xié)議轉換設備，以提供幀映射和ＶＣ級聯(lián)等功能。本文將使用ＦＰＧＡ和相關(guān)芯片構建圖１中所示的以太網(wǎng)協(xié)議轉換設備。
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(gè)子層組成?物理層為ＳＤＨ傳輸網(wǎng)。
Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｏｖｅｒ ＳＤＨ按照ＩＴＵ－Ｘ．８６的規定采用ＬＡＰＳ對以太網(wǎng)ＩＰ數據包進(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上的鏈路接入規程）協(xié)議幀是 ＨＤＬＣ協(xié)議幀的一種變體，它可提供數據鏈路服務(wù)及協(xié)議規范，并可專(zhuān)門(mén)對ＳＤＨ網(wǎng)絡(luò )所需傳送的ＩＰ數據包進(jìn)行封裝?以便對封裝后的以太網(wǎng)幀進(jìn)行定界（采用標志定界）。
使用 ＬＡＰＳ實(shí)現Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｏｖｅｒ ＳＤＨ時(shí)?其幀映射過(guò)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(guò)程如圖３所示。通過(guò)ＬＡＰＳ可將ＭＩＩ接口接收到的ＭＡＣ幀使用ＲＳ（協(xié)調子層）去掉前導（Ｐｒｅａｍｂｌｅ）碼、幀起始定界符（ＳＦＤ）和擴展字段（Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ），然后封裝入ＬＡＰＳ協(xié)議幀。
４ ＥｏＳ的嵌入式系統設計
ＥｏＳ嵌入式系統通常應該包含以下三部分：以太網(wǎng)接口部分、協(xié)議轉換部分、光接口部分。其中以太網(wǎng)接口部分用于接收以太網(wǎng)數據，并對本地網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行流量控制；協(xié)議轉換部分負責幀結構轉換，同時(shí)協(xié)調三部分的運作；而光接口部分則使用成幀器實(shí)現ＳＤＨ網(wǎng)絡(luò )數據的上下路。
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(gè)全雙工的獨立高性能千兆以太網(wǎng)接口，支持ＧＰＣＳ層的接口管理。當ＩＦＸ１００２設置ＳＮＭＰ和ＲＭＯＮ管理計數后，便可通過(guò)ＭＣＵ８／１６接口進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)操作。每一個(gè)ＭＡＣ接口包括一個(gè)４ｋ字節的接收ＦＩＦＯ和一個(gè)２ｋ字節的發(fā)送ＦＩ-ＦＯ，所有數據都可以在公共的高性能ＩＸＢＵＳ總線(xiàn)上傳輸。此外，ＩＦＸ１００２芯片完全兼容ＩＥＥＥ ８０２．３和ＩＥＥＥ８０２．３ｚ標準，支持自協(xié)商和流量控制。
ＩＸＦ１００２可以通過(guò)對以太網(wǎng)數據包包頭的處理達到提前過(guò)濾地址的目的；在包的傳輸中，芯片具有ＩＥＥＥ Ｐ８０２．１Ｑ的ＶＬＡＮ標簽添加、刪除和替代功能；而當包發(fā)生錯誤時(shí)，它會(huì )提供忽略或停止發(fā)送的選擇；同時(shí)，還提供可編程的無(wú)效數據包自動(dòng)過(guò)濾功能；當ＦＩＦＯ上出現無(wú)效數據包的時(shí)候，芯片可以發(fā)出通知信號。
本設計中， 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(xiàn)進(jìn)行握手控制，使用雙向３２位數據總線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸，并可以通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)ｆｂｅ ｌ?７：０?來(lái)查詢(xún)當前傳輸的數據是否有效。
４．２ 協(xié)議轉換部分
協(xié)議轉換部分可通過(guò)高速ＦＰＧＡ實(shí)現。本設計選擇兩片Ａｌｔｅｒａ公司的ＡＰＥＸ２０Ｋ２００Ｅ（Ｉｎｇｒｅｓｓ數據和Ｅｇｒｅｓｓ數據各一片）來(lái)管理不同方向的數據；同時(shí)為每一片ＦＰＧＡ配備了一塊片外ＳＤＲＡＭ以做為單向ＦＩＦＯ數據緩沖器。本部分的主要功能有：
●通過(guò)以太網(wǎng)控制芯片的接口總線(xiàn)ＩＸＵＳ獲取和發(fā)送數據；
●可按照標準速率及總線(xiàn)寬度將數據傳送給ＳＤＨ成幀器，同時(shí)接收成幀器的數據；
●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(shí)現ＬＡＰＳ幀映射，包括自擾碼和速率匹配；
●將經(jīng)過(guò)處理的數據存儲于相應的外部存儲器內，等待發(fā)送；
●提供與ＭＣＵ的接口，接受管理控制；
●進(jìn)行各種流量統計，實(shí)施流量控制。
下面是流量控制功能的具體實(shí)現過(guò)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)內針對本設備發(fā)出的ＰＡＵＳＥ幀，并告知Ｉｎ-ｇｒｅｓｓＦＰＧＡ，ＦＰＧＡ將此幀進(jìn)行復制，并在不經(jīng)ＩｎｇｒｅｓｓＦＩＦＯ列隊的情況下直接送入ＳＤＨ網(wǎng)絡(luò )，然后ＰＡＵＳＥ幀以最快速度到達遠端設備，以中止遠端以太網(wǎng)中用戶(hù)的數據發(fā)送。同樣，如果本地Ｅ-ｇｒｅｓｓＦＩＦＯ緩沖器數據滿(mǎn)，ＩｎｇｒｅｓｓＦＰＧＡ構造的ＰＡＵＳＥ幀也不經(jīng)ＩｎｇｒｅｓｓＦＩＦＯ列隊而直接向遠端發(fā)送。
?２? 當本地ＩｎｇｒｅｓｓＦＩＦＯ緩沖器數據滿(mǎn)時(shí)，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(hù)發(fā)送ＰＡＵＳＥ幀以停止其數據發(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(hù)發(fā)送的數據。
?３? 在ＭＣＵ控制下，ＥｇｒｅｓｓＦＰＧＡ和ＩｎｇｒｅｓｓＦＰＧＡ都具有ＸＯＮ／ＸＯＦＦ控制功能，可使整個(gè)流量控制更加快捷、合理，有利于保證數據的完整和正確。
本設計中，兩片ＦＰＧＡ都可以對ＳＤＲＡＭ進(jìn)行控制，并對其存儲數據的容量進(jìn)行計數，同時(shí)生成數據存儲位置列表，指示數據包在存儲器中的位置以提供給ＭＣＵ查詢(xún)。
４．３ 光接口部分
光接口部分選用杰爾系統公司（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(shí)可為其發(fā)送處理的數據生成ＣＲＣ－１６／３２校驗或檢查接收數據的校驗和是否有效。在ＳＤＨ網(wǎng)絡(luò )側支持四路的ＳＴＳ－３／ＳＴＭ－１或者兩路的ＳＴＳ－１２／ＳＴＭ－４，本設計中采用后者。
５ 結束語(yǔ)
本文所提出的嵌入式系統可用作各種通用和專(zhuān)用ＳＤＨ網(wǎng)絡(luò )和以太網(wǎng)設備的連接，如果在系統中加入解密加密功能，還可以構建基于ＥｏＳ技術(shù)的虛擬網(wǎng)ＶＰＮ，具有很好的應用前景。
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