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        一種萬兆光纖以太網(wǎng)的實現(xiàn)方法

        2016-06-08 13:15:12李小亮張大智桂陽
        科技視界 2016年14期

        李小亮 張大智 桂陽

        【摘 要】文中介紹了IEEE802.3ae規(guī)范中萬兆以太網(wǎng)物理層和媒質(zhì)接入層的有關(guān)知識,提出了一種萬兆光纖以太網(wǎng)的實現(xiàn)方法,并通過仿真進行了驗證,對于解決新型雷達海量數(shù)據(jù)傳輸帶寬的問題具有重要意義。

        【關(guān)鍵詞】萬兆以太網(wǎng);FPGA;UDP;IP

        0 引言

        由于相控陣?yán)走_及多波束數(shù)字陣列信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展,雷達系統(tǒng)對于數(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。為了滿足相控陣?yán)走_對多波束數(shù)據(jù)的實時快速處理,需要建立各分系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的高速通道,實現(xiàn)對陣列雷達前端數(shù)據(jù)的實時傳輸。

        傳統(tǒng)的雷達對前端數(shù)據(jù)一般采用百兆或千兆銅介質(zhì)以太網(wǎng)與雷達信號處理機進行對接,這種實現(xiàn)方式已經(jīng)無法滿足大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?,而且對雷達信號處理機的實時性能提出了更高的要求。近年來隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,萬兆以太網(wǎng)因其卓越的帶寬優(yōu)勢,使得雷達系統(tǒng)間高速海量數(shù)據(jù)的實時傳輸成為可能。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)實現(xiàn)的萬兆以太網(wǎng)的傳輸方案。

        1 萬兆以太網(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,簡稱MAC)協(xié)議以及網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。為了將以太網(wǎng)的工作速率提升到10Gbps,同時保證其可以用于MAN和WAN的鏈路,針對現(xiàn)有的千兆以太網(wǎng)中的物理層(Physical,簡稱PHY)和MAC層進行了相應(yīng)的改造。

        為了滿足10GE對帶寬的要求,不同于千兆以太網(wǎng)中125MHz時鐘域工作的MAC層,在10G以太網(wǎng)的MAC層設(shè)計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)。這個新的接口可以用于MAC層和不同的物理煤質(zhì)進行連接。新的接口數(shù)據(jù)位寬達到了32bit,并且可以在156.25MHz的時鐘下以DDR的方式工作,以此達到10G以太網(wǎng)對帶寬的要求。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,其中實現(xiàn)了一個簡單的SONET/SDH的成幀器,同時,為了能夠正確的傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù),在物理層中實現(xiàn)了64B/66B的編解碼器和擾碼器,可以有效的保證10GE的應(yīng)用空間的擴展。

        2 傳輸方案設(shè)計與實現(xiàn)

        萬兆光纖以太網(wǎng)的實現(xiàn)方案如圖1所示,本文設(shè)計采用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芯片的情況下實現(xiàn)萬兆以太網(wǎng)物理層的部分功能。

        本設(shè)計主要由數(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對采樣數(shù)據(jù)進行緩存;數(shù)據(jù)封裝與解封裝單元按照以太網(wǎng)的UDP及IP協(xié)議對數(shù)據(jù)進行封裝或解封裝;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,幀封裝模塊的實現(xiàn)如圖2,由輸入緩沖模塊、輸出緩沖模塊、計數(shù)模塊、校驗?zāi)K、數(shù)據(jù)存儲模塊、首部存儲模塊和控制邏輯模塊構(gòu)成。封裝的完整操作過程如流水線一樣,緩沖單元模塊對輸入的單字節(jié)的數(shù)據(jù)進行緩存,然后輸出雙字節(jié)的數(shù)據(jù),順序通過計數(shù)模塊和校驗和計算模塊;隨后對計數(shù)模塊及校驗和計算模塊的輸出數(shù)據(jù)進行存儲,完成所有數(shù)據(jù)的運算后,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),進入下一階段的處理過程;封裝流程的控制由控制邏輯模塊完成,其可以生成封裝運算的啟動和結(jié)束標(biāo)志。因為UDP的首部結(jié)構(gòu)和IP的首部結(jié)構(gòu)存在一定差異,因此在封裝的過程里由不同的數(shù)據(jù)段進行校驗和的計算,但因為文中采用的二進制反碼求和的算法可同時用于IP幀與UDP幀的校驗和計算,所以,本文設(shè)計的校驗和計算的模塊可同時用于兩種幀的校驗和計算,如圖3所示。為了方便計算,文中采用十六進制的數(shù)據(jù)運算:首先為防止高位的數(shù)據(jù)溢出,將16位進行一位擴展,隨后對數(shù)據(jù)依次求和,每次求和結(jié)束后對0xFFFF進行取模,完成所有數(shù)據(jù)的求和運算后,將和與0xFFFF相減所得即為校驗和。

        (2)幀解封裝:解封裝的過程與封裝過程相反,因此設(shè)計如圖4所示處理模塊。完整的數(shù)據(jù)幀順序通過輸入緩沖、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。控制邏輯用于產(chǎn)生整個過程的起始與結(jié)束標(biāo)志。

        3 仿真驗證

        本文中方案在Xilinx公司的ISE14.2開發(fā)工具中開發(fā),經(jīng)ModelSim SE 10.1b工具進行了仿真驗證,如圖5所示,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收功能。

        4 結(jié)束語

        本文根據(jù)IEEE802.3和802.3ae的規(guī)范,在分析萬兆以太網(wǎng)協(xié)議的基礎(chǔ)上,借助Xilinx的10GE MAC IP核及10GE PCS/PMA IP核,實現(xiàn)了用于雷達分系統(tǒng)間高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜f兆互聯(lián)方案,闡述了各個模塊的功能及實現(xiàn)方式,并對其進行了仿真驗證。相比于傳統(tǒng)的雷達分系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方案,本方案的實現(xiàn)能夠滿足新型雷達對海量高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捯蟆?/p>

        【參考文獻】

        [1]楊陽,劉劍,等. 一種基于FPGA的萬兆光纖以太網(wǎng)高速傳輸方法[J].雷達與對抗,2015.

        [2]李偉,竇衡,等. 基于FPGA的萬兆光纖以太網(wǎng)接口的設(shè)計與實現(xiàn)[J].光通信技術(shù),2009.

        [3]張友亮,劉志軍,等.萬兆以太網(wǎng)MAC層控制器的FPGA設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與應(yīng)用,2012.

        [4]IEEE Standard 802.3ae-2008 Media Access Control(MAC) Parameter, Physical Layers, and Management Parameters for 10Gbps Operation, 2012[Z].

        [責(zé)任編輯:王偉平]

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