王偉，魯海威，王圣達(dá)，石玨，陳鶴（.中興通訊股份有限公司，南京00；.國網(wǎng)吉林供電公司，吉林吉林0；.國網(wǎng)吉林省電力有限公司信息通信公司，長春00；.國網(wǎng)長春供電公司，長春005）

高精度幀時延測量裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

王偉1，魯海威2，王圣達(dá)3，石玨4，陳鶴3
（1.中興通訊股份有限公司，南京210012；2.國網(wǎng)吉林供電公司，吉林吉林132011；3.國網(wǎng)吉林省電力有限公司信息通信公司，長春130021；4.國網(wǎng)長春供電公司，長春130051）

摘要：為解決傳統(tǒng)時延測量裝置測量精度不高的問題，設(shè)計了一款基于FPGA的高精度幀時延測量裝置，描述了Y. 1731幀時延測量的原理，并著重介紹了裝置通過FPGA輔助進(jìn)行高精度幀時延測量的設(shè)計流程。

關(guān)鍵詞：Y. 1731;幀時延; FPGA

0　引言

隨著電信級以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)日益完善，以太網(wǎng)操作、管理和維護(hù)（OAM）憑借其在監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)性能，檢測、定位網(wǎng)絡(luò)故障方面發(fā)揮的重要作用，得到了更多運營商的重視。ITU Y.1731對基于虛擬局域網(wǎng)（VLAN）的以太網(wǎng)定義了一套協(xié)議和協(xié)議實體[1]，它是一種二層鏈路上基于VLAN的端到端OAM機制，可用于檢測二層網(wǎng)絡(luò)中鏈路的連通性，確認(rèn)故障和故障發(fā)生的位置。Y.1731定義了管理實體組（MEG），并在此基礎(chǔ)上定義了管理實體群端點（MEP）和管理實體群中間節(jié)點（MIP），根據(jù)功能劃分為故障管理和性能監(jiān)控兩個部分。故障管理部分的功能有連續(xù)性檢測(CCM)、環(huán)回檢測(LB)、鏈路跟蹤(LT)、以太網(wǎng)告警指示信號（AIS）和以太網(wǎng)鎖定信號（LOCK）。性能監(jiān)控有幀丟失率測量（LM）和幀時延測量（DM）[2]兩種，本文主要討論其中的幀時延測量功能。傳統(tǒng)的時延測量方法存在時鐘誤差和位置誤差，導(dǎo)致測量精度較低。因此，本文介紹一種高精度的幀時延測量方法。

1　Y.1731幀時延測量原理

在配置了正確的MEG和MEP后，幀時延測量裝置開始進(jìn)行Y.1731中定義的兩種幀時延測量，即單向時延測量（1DM）和雙向時延測量(DMM)。

1.11DM原理

每個MEP在點到點管理實體（ME）中向與其對等的MEP發(fā)送帶有單向以太網(wǎng)幀時延測量（ETH-DM）信息的幀(1DM幀)，以便在對等MEP上進(jìn)行單向幀時延和（或）單向幀時延變化的測量[3]。對端根據(jù)收到的1DM報文中的接收時間戳（RxTimeStampf）和發(fā)送時間戳（TxTimeStampf）進(jìn)行時延計算，根據(jù)Y.1731中定義的時間戳格式，時間戳精確到納秒級。由于TxTime-Stampf由發(fā)送方填充，RxTimeStampf由接收方填充，因此，要求收發(fā)兩端時鐘保持高度同步，否則誤差很大。

1.2DMM原理

MEP向其對等的MEP發(fā)送有ETH-DM請求信息的幀（DMM幀），并從其對等的MEP接收有ETHDM回復(fù)信息的幀(DMR幀)，以進(jìn)行雙向幀時延和（或）雙向幀時延變化的測量[3]。雙向幀時延測量由發(fā)送DMM幀一方發(fā)起并負(fù)責(zé)時延計算，對端收到DMM幀后立即回應(yīng)DMR幀。發(fā)起一方收到回應(yīng)的DMR幀后，根據(jù)DMR幀中的DMR接收時間戳（RxTimeStampb）、DMM發(fā)送時間戳（TxTimeStampf）、DMR發(fā)送時間戳（TxTimeStampb）和DMM接收時間戳（RxTimeStampf）字段計算時延，根據(jù)Y.1731中定義的時間戳格式，時間戳精確到納秒級。雙向時延測量雖然不要求兩端時鐘高度同步，但要求雙方本地時鐘精確度較高，否則誤差較大。

從以上分析可知，幀時延測量對系統(tǒng)時鐘精確度要求很高，而傳統(tǒng)的軟件幀時延測量方法依賴于操作系統(tǒng)的時鐘精度，幀時延測量結(jié)果不夠理想，不能反映真實的網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量。

2　裝置設(shè)計方案

基于FPGA模塊實現(xiàn)的高精度幀時延裝置主要由FPGA模塊、幀時延測量模塊和驅(qū)動模塊3部分組成。其中FPGA模塊為幀時延測量相關(guān)幀填充時間戳。幀時延測量模塊用于處理FPGA接收的幀時延測量相關(guān)幀，完成單向或雙向幀時延測量功能。驅(qū)動模塊的功能是關(guān)聯(lián)FPGA模塊和幀時延測量模塊，將幀時延測量模塊的配置信息轉(zhuǎn)換為FPGA對應(yīng)表項，對FPGA接收到的報文通過中斷通知幀時延測量模塊進(jìn)行處理；提供接口，完成FPGA初始化和時鐘同步。高精度幀時延裝置的設(shè)計流程如下，具體流程圖如圖1和圖2所示。

①幀時延測量模塊按需發(fā)送幀時延測量幀：1DM幀或DMM幀。幀時延測量模塊組裝正確的二層報文發(fā)送給驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊查詢FPGA 中FIFO狀態(tài)標(biāo)志位是否為1：為1則通過PCI總線向FPGA下發(fā)報文；為0則提示幀時延測量模塊重新發(fā)送報文。發(fā)送完成后，驅(qū)動模塊置狀態(tài)標(biāo)志位為0，通知FPGA從FIFO中提取報文，F(xiàn)PGA提取完畢后，將狀態(tài)標(biāo)志位復(fù)位為1。

②FPGA模塊先判斷提取出的報文是否是正確的以太網(wǎng)報文，再判斷報文中的OpCode字段數(shù)值。OpCode字段等于45或47時，F(xiàn)PGA繼續(xù)處理；否則丟棄。

圖1　裝置設(shè)計流程1

圖2　裝置設(shè)計流程2

③FPGA提供寄存器，幀時延測量模塊負(fù)責(zé)初始化時鐘，由FPGA自行時鐘計數(shù)。驅(qū)動模塊提供接口，供外部模塊進(jìn)行時鐘同步。FPGA接收到由幀時延測量模塊發(fā)送的1DM幀或DMM幀后，獲取當(dāng)前FPGA時鐘滴答數(shù)，按Y.1731規(guī)定的時間戳格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換并將TxTime-Stampf字段填入1DM幀或DMM幀。

④FPGA發(fā)送1DM幀或DMM幀，對端幀時延測量模塊可以測量單向幀時延，具體方法如步驟11○。雙向幀時延測量需要等待對端回應(yīng)DMR報文。

⑤FPGA接收從網(wǎng)絡(luò)側(cè)傳送的DMR幀，獲取當(dāng)前FPGA時鐘滴答數(shù)，按Y.1731中規(guī)定的時間戳格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換并將RxTimeStampb字段填入DMR幀中，通過驅(qū)動模塊將填充后的DMR幀傳給幀時延測量模塊進(jìn)行處理，幀時延測量模塊可以計算出雙向幀時延，具體方法如步驟（12）。

⑥對端主動發(fā)起幀時延測量，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)接收幀，通過PCI總線傳遞給幀時延測量模塊計算時延。

⑦FPGA模塊判斷報文中的OpCode字段，當(dāng)Op-Code等于45或47時，F(xiàn)PGA繼續(xù)處理；否則丟棄。

⑧FPGA接收到從網(wǎng)絡(luò)側(cè)傳送的1DM幀或DMM幀后，獲取當(dāng)前FPGA時鐘滴答數(shù)，按照Y.1731中規(guī)定的時間戳格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換并將RxTimeStampf字段填入幀中。

⑨FPGA通過PCI總線將幀透傳給幀時延測量模塊進(jìn)行處理，雙端的幀時延測量需要幀時延測量模塊回應(yīng)DMR幀。

⑩FPGA收到幀時延測量模塊回應(yīng)的DMR幀，獲取當(dāng)前FPGA時鐘滴答數(shù)，按照Y.1731中規(guī)定的時間戳格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換并將TxTimeStampb字段填入幀中，發(fā)送給對端測量節(jié)點，對端可以計算雙向幀時延。

（11）對端收到本端發(fā)出的1DM幀后，提取1DM報文中的RxTimeStampf、TxTimeStampf字段計算單向幀時延。時間戳TxTimeStampf處理如步驟③，RxTimeS-tampf處理如步驟⑧。單向幀時延=RxTimeStampf-Tx-TimeStampf。

（12）幀時延測量模塊收到對端回應(yīng)的DMR幀，根據(jù)DMR幀的管理實體組等級（MEG LEVEL）和以太網(wǎng)報文頭部的VLAN判斷收到的DMR幀是否是本端發(fā)出的DMM幀對應(yīng)的DMR幀。若不是，幀時延測量模塊丟棄DMR幀，不進(jìn)行處理；若是，則提取DMR幀中的RxTimeStampb、TxTimeStampf、TxTimeStampb、RxTimeStampf字段計算時延，時間戳TxTimeStampf處理如步驟③，RxTimeStampb處理如步驟⑤，RxTimeStampf處理如步驟⑧，TxTimeStampb處理如步驟⑩。雙向幀時延=(RxTimeStampb-TxTimeStampf)-(TxTimeStampb-RxTimeStampf)。

3　結(jié)束語

隨著Internet的規(guī)模指數(shù)級膨脹，網(wǎng)絡(luò)的分布化、異質(zhì)性和不協(xié)作性正逐漸增強，控制和管理網(wǎng)絡(luò)變得越來越困難，對網(wǎng)絡(luò)性能的整體把握也更復(fù)雜，時延測量是了解網(wǎng)絡(luò)運營狀態(tài)并對其進(jìn)行優(yōu)化的重要手段[4]。本文設(shè)計的基于FPGA的高精度幀時延測量裝置解決了純軟件幀時延測量系統(tǒng)測量精度較低和可靠性不高的問題，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)時延可以達(dá)到納秒級別，具有很大的實際應(yīng)用價值。采用本裝置的無源光網(wǎng)路（XPON）多用戶接入單元可廣泛應(yīng)用于FTTB/FTTC業(yè)務(wù)，提供寬帶、E1/T1和IPTV業(yè)務(wù)，特別是移動通訊基站回傳等對時延要求較高的場景。

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Design and implement of high-precision frame delay measure device

WANGWei1, LUHai-wei2, WANGSheng-da3, SHIYu4, CHENHe3
(1. ZTE Corporation, Nanjing 210012, China; 2. Jilin SGCC, Jilin Jilin 132011, China; 3. Jilin State Grid Information & Telecommunication Company，Changchun 130021, China; 4. Changchun SGCC, Changchun 130051, China)

Abstract：In order to solve the problem that the traditional time delay measurement device measuring precision is not good enough, the paper introduces a high-precision frame delay measurement device based on FPGA, describes the measure principle of Y.1731 frame delay, and emphatically introduces the design process of the device how to measure high-precision frame delay through FPGA.

Key words：Y.1731，frame delay, FPGA

中圖分類號：TP274.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-5561（2016）01-0029-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.01.009

收稿日期：2015-10-08。

作者簡介：王偉（1982-），男，碩士研究生，主要研究方向為XPON終端研究和開發(fā)。