李小亮　張大智　桂陽(yáng)

【摘 要】文中介紹了IEEE802.3ae規(guī)范中萬(wàn)兆以太網(wǎng)物理層和媒質(zhì)接入層的有關(guān)知識(shí)，提出了一種萬(wàn)兆光纖以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)方法，并通過(guò)仿真進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)于解決新型雷達(dá)海量數(shù)據(jù)傳輸帶寬的問(wèn)題具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】萬(wàn)兆以太網(wǎng)；FPGA；UDP；IP

0 引言

由于相控陣?yán)走_(dá)及多波束數(shù)字陣列信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)的吞吐能力及數(shù)據(jù)的傳輸帶寬的需求呈現(xiàn)急速上升的趨勢(shì)。為了滿足相控陣?yán)走_(dá)對(duì)多波束數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)快速處理，需要建立各分系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的高速通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)陣列雷達(dá)前端數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

傳統(tǒng)的雷達(dá)對(duì)前端數(shù)據(jù)一般采用百兆或千兆銅介質(zhì)以太網(wǎng)與雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)進(jìn)行對(duì)接，這種實(shí)現(xiàn)方式已經(jīng)無(wú)法滿足大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，而且?duì)雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)的實(shí)時(shí)性能提出了更高的要求。近年來(lái)隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，萬(wàn)兆以太網(wǎng)因其卓越的帶寬優(yōu)勢(shì)，使得雷達(dá)系統(tǒng)間高速海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸成為可能。本文以IEEE 802.3ae-2008規(guī)范為基礎(chǔ)，介紹了以光纖為傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)的萬(wàn)兆以太網(wǎng)的傳輸方案。

1 萬(wàn)兆以太網(wǎng)的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

考慮到與當(dāng)前的千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的兼容性，萬(wàn)兆以太網(wǎng)（10GE）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)—IEEE802.3ae繼承了現(xiàn)有以太網(wǎng)的基本模型、煤質(zhì)接入控制（Media Access Control，簡(jiǎn)稱MAC）協(xié)議以及網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了將以太網(wǎng)的工作速率提升到10Gbps，同時(shí)保證其可以用于MAN和WAN的鏈路，針對(duì)現(xiàn)有的千兆以太網(wǎng)中的物理層（Physical，簡(jiǎn)稱PHY）和MAC層進(jìn)行了相應(yīng)的改造。

為了滿足10GE對(duì)帶寬的要求，不同于千兆以太網(wǎng)中125MHz時(shí)鐘域工作的MAC層，在10G以太網(wǎng)的MAC層設(shè)計(jì)中面臨著更多的挑戰(zhàn)。在10G以太網(wǎng)的規(guī)范中定義了一種新的接口—XGMII（10 Gigabit Media Independent Interface）。這個(gè)新的接口可以用于MAC層和不同的物理煤質(zhì)進(jìn)行連接。新的接口數(shù)據(jù)位寬達(dá)到了32bit，并且可以在156.25MHz的時(shí)鐘下以DDR的方式工作，以此達(dá)到10G以太網(wǎng)對(duì)帶寬的要求。在物理層中，廣域網(wǎng)與局域網(wǎng)的連接功能由WIS（廣域網(wǎng)接口子層）完成，其中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的SONET/SDH的成幀器，同時(shí)，為了能夠正確的傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，在物理層中實(shí)現(xiàn)了64B/66B的編解碼器和擾碼器，可以有效的保證10GE的應(yīng)用空間的擴(kuò)展。

2 傳輸方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

萬(wàn)兆光纖以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示，本文設(shè)計(jì)采用Xlinx公司的Virtex-7系列的XC7VX485T器件，該器件采用28nm工藝，其中-2速度等級(jí)的器件可以提供最大10.3125Gbps的GTX串行收發(fā)器，可以在不使用外部專用PHY芯片的情況下實(shí)現(xiàn)萬(wàn)兆以太網(wǎng)物理層的部分功能。

本設(shè)計(jì)主要由數(shù)據(jù)緩存單元、數(shù)據(jù)封裝與解封裝單元，10GE MAC IP核、10GE PCS/PMA（10GBASE-R）IP核及光收發(fā)器SFP+模塊組成。數(shù)據(jù)緩存單元采用雙口RAM對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存；數(shù)據(jù)封裝與解封裝單元按照以太網(wǎng)的UDP及IP協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝或解封裝；10GE MAC IP核及10GE PCS/PMA（10GBASE-R）IP核完成封裝后的數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送及流量控制等功能。

（1）幀封裝：根據(jù)UDP及IP的幀格式，幀封裝模塊的實(shí)現(xiàn)如圖2，由輸入緩沖模塊、輸出緩沖模塊、計(jì)數(shù)模塊、校驗(yàn)?zāi)K、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、首部存儲(chǔ)模塊和控制邏輯模塊構(gòu)成。封裝的完整操作過(guò)程如流水線一樣，緩沖單元模塊對(duì)輸入的單字節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，然后輸出雙字節(jié)的數(shù)據(jù)，順序通過(guò)計(jì)數(shù)模塊和校驗(yàn)和計(jì)算模塊；隨后對(duì)計(jì)數(shù)模塊及校驗(yàn)和計(jì)算模塊的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，完成所有數(shù)據(jù)的運(yùn)算后，將數(shù)據(jù)依次送入輸出緩沖單元模塊，最后輸出單字節(jié)的數(shù)據(jù)，進(jìn)入下一階段的處理過(guò)程；封裝流程的控制由控制邏輯模塊完成，其可以生成封裝運(yùn)算的啟動(dòng)和結(jié)束標(biāo)志。因?yàn)閁DP的首部結(jié)構(gòu)和IP的首部結(jié)構(gòu)存在一定差異，因此在封裝的過(guò)程里由不同的數(shù)據(jù)段進(jìn)行校驗(yàn)和的計(jì)算，但因?yàn)槲闹胁捎玫亩M(jìn)制反碼求和的算法可同時(shí)用于IP幀與UDP幀的校驗(yàn)和計(jì)算，所以，本文設(shè)計(jì)的校驗(yàn)和計(jì)算的模塊可同時(shí)用于兩種幀的校驗(yàn)和計(jì)算，如圖3所示。為了方便計(jì)算，文中采用十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)運(yùn)算：首先為防止高位的數(shù)據(jù)溢出，將16位進(jìn)行一位擴(kuò)展，隨后對(duì)數(shù)據(jù)依次求和，每次求和結(jié)束后對(duì)0xFFFF進(jìn)行取模，完成所有數(shù)據(jù)的求和運(yùn)算后，將和與0xFFFF相減所得即為校驗(yàn)和。

（2）幀解封裝：解封裝的過(guò)程與封裝過(guò)程相反，因此設(shè)計(jì)如圖4所示處理模塊。完整的數(shù)據(jù)幀順序通過(guò)輸入緩沖、去MAC頭、去IP頭、去UDP頭和輸出緩沖，輸出即為最終的數(shù)據(jù)部分?？刂七壿嬘糜诋a(chǎn)生整個(gè)過(guò)程的起始與結(jié)束標(biāo)志。

3 仿真驗(yàn)證

本文中方案在Xilinx公司的ISE14.2開(kāi)發(fā)工具中開(kāi)發(fā)，經(jīng)ModelSim SE 10.1b工具進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，如圖5所示，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)IEEE802.3和802.3ae的規(guī)范，在分析萬(wàn)兆以太網(wǎng)協(xié)議的基礎(chǔ)上，借助Xilinx的10GE MAC IP核及10GE PCS/PMA IP核，實(shí)現(xiàn)了用于雷達(dá)分系統(tǒng)間高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜f(wàn)兆互聯(lián)方案，闡述了各個(gè)模塊的功能及實(shí)現(xiàn)方式，并對(duì)其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。相比于傳統(tǒng)的雷達(dá)分系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方案，本方案的實(shí)現(xiàn)能夠滿足新型雷達(dá)對(duì)海量高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捯蟆?/p>

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：王偉平]