基于PM3388和FPGA的網(wǎng)絡(luò)接口的研究設(shè)計(jì)

　　本文根據(jù)十接口千兆以太網(wǎng)線路接口卡設(shè)計(jì)的功能需求和性能需求，按照數(shù)據(jù)處理流程劃分功能模塊，以PM3388作為鏈路層處理芯片和兩片高性能FPGA作為鏈路層處理芯片完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并給出了具體實(shí)現(xiàn)方案。對(duì)兩片FPGA控制功能的實(shí)現(xiàn)做了重點(diǎn)闡述，對(duì)實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)做了深入的分析。

　　1 前言

　　隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的持續(xù)膨脹和新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求的不斷增長(zhǎng)，目前基于IPv4技術(shù)的因特網(wǎng)在可擴(kuò)展性、IP地址空間、安全、服務(wù)質(zhì)量控制、移動(dòng)性、運(yùn)營(yíng)管理和盈利模式等諸多方面面臨著挑戰(zhàn)，尤其是地址空間匱乏、可擴(kuò)展性差等缺陷嚴(yán)重制約了因特網(wǎng)的發(fā)展，需要探索新的技術(shù)來(lái)解決這些問(wèn)題。IPv6通過(guò)采用128位的地址空間替代IPv4的32位地址空間來(lái)擴(kuò)充因特網(wǎng)的地址容量，使得IP地址在可以預(yù)見(jiàn)的時(shí)期內(nèi)不再成為限制網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的一個(gè)因素，同時(shí)在安全性、服務(wù)質(zhì)量及移動(dòng)性等方面有了較大的改進(jìn)，使其成為構(gòu)建下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的最佳選擇。

　　以太網(wǎng)是當(dāng)前最基本、最流行的局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)，為了適應(yīng)各種新開(kāi)展的業(yè)務(wù)如流視頻等，其速率也在不斷提高。千兆以太網(wǎng)是建立在以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上的技術(shù)，具有高效、高速、高性能的特點(diǎn)，目前

　　2 網(wǎng)絡(luò)接口功能分析

　　千兆以太網(wǎng)原先是作為一種交換技術(shù)設(shè)計(jì)的，采用光纖作為上行鏈路，用于樓宇之間的連接，之后在服務(wù)器的連接和骨干網(wǎng)中，千兆以太網(wǎng)獲得了廣泛應(yīng)用。目前，千兆以太網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展成為主流網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，大型企業(yè)和中小型企業(yè)在建設(shè)企業(yè)局域網(wǎng)時(shí)都把千兆以太網(wǎng)技術(shù)作為首選的高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。千兆以太網(wǎng)技術(shù)甚至正在取代ATM技術(shù)，逐漸應(yīng)用到了城域網(wǎng)建設(shè)中。

　　基于千兆以太網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀和良好的應(yīng)用前景，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研制各種核心路由器和高性能交換機(jī)的公司不再滿足于能夠提供低密度（單接口、雙接口等）千兆以太網(wǎng)線路接口卡模塊，紛紛推出或開(kāi)始研制高密度（四接口、八接口等）的線路接口卡模塊，高密度千兆以太網(wǎng)線路接口卡的研究正在成為一個(gè)熱點(diǎn)。但各公司出于技術(shù)保密的考慮，公開(kāi)的高密度千兆線路接口卡的文獻(xiàn)資料很少。經(jīng)分析，十接口千兆以太網(wǎng)線路接口卡的設(shè)計(jì)主要存在以下三個(gè)難點(diǎn)：

　　1).多種數(shù)據(jù)包的分類處理：本文研究的十接口千兆線路接口卡兼容IPv4、IPv6雙協(xié)議棧，需要實(shí)現(xiàn)三種二層協(xié)議封裝格式的拆封與封裝處理、兩種三層協(xié)議的查表處理和一種MPLS協(xié)議的處理，在高速環(huán)境下實(shí)現(xiàn)多種協(xié)議的正確處理是一個(gè)難點(diǎn)；

　　2).幀重組合路加速功能的實(shí)現(xiàn)：需要實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)幀的重組、十接口數(shù)據(jù)合路調(diào)度與加速三種功能，這是千兆線路接口卡滿足線速處理功能的關(guān)鍵；

　　3). 十接口數(shù)據(jù)合路調(diào)度功能的實(shí)現(xiàn)：需要研究一種具有良好擴(kuò)展性和時(shí)延性能的調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)高速環(huán)境下十接口數(shù)據(jù)合路調(diào)度的功能。

　　從功能角度來(lái)看, 以太網(wǎng)線路接口主要完成輸入處理、輸出處理和系統(tǒng)維護(hù)管理等三種功能。如圖1所示。輸入處理：從千兆以太網(wǎng)上接收編碼數(shù)據(jù)流，解碼恢復(fù)成為以太網(wǎng)幀，再經(jīng)過(guò)地址過(guò)濾、完整性校驗(yàn)、差錯(cuò)控制、IP地址查表、MAC幀拆封、內(nèi)部數(shù)據(jù)格式封裝等處理后送給轉(zhuǎn)發(fā)處理子系統(tǒng)或板級(jí)處理機(jī)處理（協(xié)議包）。輸出處理：從端口調(diào)度模塊或板級(jí)處理機(jī)模塊接收數(shù)據(jù)包或協(xié)議包，經(jīng)過(guò)MAC幀封裝，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)編碼等處理后從正確的接口發(fā)送到千兆以太網(wǎng)上。系統(tǒng)維護(hù)管理：主要是接受板級(jí)處理機(jī)的控制命令，對(duì)輸入分類表項(xiàng)、ARP表項(xiàng)和鄰居發(fā)現(xiàn)表項(xiàng)進(jìn)行維護(hù)，定時(shí)或按照板級(jí)處理機(jī)的命令將線路接口卡的性能統(tǒng)計(jì)信息向板級(jí)處理機(jī)報(bào)告。

圖1 千兆以太網(wǎng)線路接口卡功能示意圖