基于FPGA實(shí)現千兆以太網(wǎng)業(yè)務(wù)在SDH上的傳輸

摘要：為了實(shí)現千兆以太網(wǎng)業(yè)務(wù)在SDH網(wǎng)絡(luò )上的傳輸(EOS)，可以利用FPGA將以太網(wǎng)MAC數據幀在SDH數據幀中進(jìn)行封裝和映射處理。介紹了GFP封裝協(xié)議以及虛級聯(lián)技術(shù)，給出了FPGA內部的模塊化設計方法。利用FPGA的強大功能和內部的豐富資源，簡(jiǎn)化了電路設計的復雜性。千兆以太網(wǎng)在SDH中的傳輸增強了SDH設備的業(yè)務(wù)傳輸能力。
關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；SDH；GFP；EOS

0 引言
隨著(zhù)人們對數據業(yè)務(wù)需求的不斷增長(cháng)，以太網(wǎng)作為全世界應用最為廣泛的網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)之一，在全世界得到了大規模的普及。SDH是電信部門(mén)常用的通信傳輸設備，具有高可靠性和高安全性的特點(diǎn)。EOS(Ethernet over SDH)技術(shù)即借現有的SDH傳輸設備實(shí)現以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的傳輸，具有非常重要的現實(shí)意義。
基于以太網(wǎng)的七層架構，在第二層數據鏈路層傳輸的是以太網(wǎng)的MAC幀。由于以太網(wǎng)和SDH系統的傳輸速率不匹配，需要通過(guò)封裝進(jìn)行速率調整后才能映射到SDH的虛容器中。目前來(lái)講，常用的是GFP(Generic Framing Procedure)封裝。GE(千兆以太網(wǎng))信號在SDH系統中的映射可以分為相鄰級聯(lián)和虛級聯(lián)兩種模式。相鄰級聯(lián)是在整個(gè)傳輸過(guò)程中保持連續帶寬，各個(gè)級聯(lián)的VC是相鄰的，在SDH網(wǎng)絡(luò )系統中需要有能夠進(jìn)行相鄰級聯(lián)處理的中間設備，而虛級聯(lián)的應用方式比較靈活，將連續帶寬分解到多個(gè)VCs上傳輸，不一定相鄰，在傳輸的終端再將多個(gè)VCs重新組合成連續帶寬。因此，虛級聯(lián)方式有效地節省了帶寬，在系統中只需能夠進(jìn)行處理的終端設備即可。在實(shí)際使用中，這種方式的應用比較廣泛。

1 FPGA收發(fā)模塊設計
本文實(shí)現的傳輸方式是在STM-16中傳輸1路GE信號，需要對以太網(wǎng)MAC幀進(jìn)行GFP封裝。GFP幀分為GFP-F和GFP-T兩種模式，本設計采用的是GFP-F封裝模式。STM-16的傳輸速率是2．488 32 Gb／s。STM-16一共包括16路STM-1信號，STM-1的傳輸速率是155．52 Mb／s。STM-1信號采用虛級聯(lián)方式，利用VC-4-XV(X=1～7)最多采用7路STM-1信號即可傳輸1路GE信號。剩余STM-1通道的信號用來(lái)傳輸其他數據業(yè)務(wù)。
以太網(wǎng)數據在SDH設備中傳輸過(guò)程如下：在SDH發(fā)送部分中，以太網(wǎng)通過(guò)接口處理芯片產(chǎn)生MAC數據幀，通過(guò)GMII接口傳送給FPGA。FPGA將MAC幀進(jìn)行GFP協(xié)議的封裝，然后映射到SDH的虛容器VC當中，再通過(guò)添加復用段和再生段開(kāi)銷(xiāo)，生成STM-16數據幀，發(fā)送給光模塊再上到光網(wǎng)絡(luò )；在SDH接收部分中，光接收模塊從光網(wǎng)絡(luò )將STM-16數據幀接收F來(lái)發(fā)送給FPGA，FPGA在內部處理相關(guān)的開(kāi)銷(xiāo)，再將GFP數據幀從VC虛容器中提取出來(lái)，通過(guò)解幀處理，將以太網(wǎng)的MAC幀還原出來(lái)，經(jīng)過(guò)處理后發(fā)送給以太網(wǎng)。
FPGA的內部設計可以分成發(fā)送模塊和接收模塊兩部分。其中，發(fā)送模塊可以分為以太網(wǎng)數據接收預處理模塊、GFP成幀模塊、SDH成幀模塊；接收模塊可以分為SDH解幀模塊、GFP解幀模塊、以太網(wǎng)數據發(fā)送處理模塊。發(fā)送和接收模塊示意圖分別如圖1和圖2所示。

發(fā)送部分的三個(gè)模塊的功能分別如下：以太網(wǎng)數據接收處理模塊利用FIFO緩存模塊存儲每一個(gè)有效MAC數據幀的數據和長(cháng)度。同時(shí)實(shí)現數據從以太網(wǎng)時(shí)鐘域到SDH時(shí)鐘域的轉換；GFP成幀模塊對以太網(wǎng)MAC幀進(jìn)行GFP封裝，通過(guò)調整GFP數據幀和GFP空閑幀的插入，將以太網(wǎng)MAC幀映射到SDH的高階VC-4虛容器中；SDH成幀模塊對虛容器進(jìn)一步處理，添加開(kāi)銷(xiāo)字段，生成STM-16數據幀，再利用FPGA內部的GTP接口將16位155. 52MHz的并行數據轉化為一路2 488．32 MHz高速LVDS差分信號發(fā)送出去。
接收部分實(shí)現的過(guò)程是發(fā)送部分的逆過(guò)程。
GFP成幀模塊分為GFP數據幀產(chǎn)生模塊、空閑幀產(chǎn)生模塊、插入幀選擇模塊、GFP擾碼模塊；GFP解幀模塊分為GFP幀同步模塊、GFP解擾模塊、GFP接收幀處理模塊。
GFP數據幀產(chǎn)生模塊在去掉MAC幀8 B前導碼后，將剩余部分的數據封裝為GFP數據幀。按照GFP協(xié)議添加4 B的核心頭部和4 B的凈負荷域頭部，將非定長(cháng)的以太網(wǎng)MAC幀添加到凈負荷信息字段，在幀尾添加4 B的凈負荷幀校驗序列(FCS)。
空閑幀實(shí)際上屬于GFP用戶(hù)管理幀的一種，沒(méi)有凈負荷域，只包含一個(gè)GFP核心幀頭，是4 B的全0比特與序列“B6AB31E0”異或所得。
插入幀選擇模塊根據流量情況調整數據幀和空閑幀的插入，在沒(méi)有數據幀要發(fā)送時(shí)，插入空閑幀，以保證GFP數據流的連續性。