一種萬兆光纖以太網的實現方法

李小亮　張大智　桂陽

【摘 要】文中介紹了IEEE802.3ae規范中萬兆以太網物理層和媒質接入層的有關知識，提出了一種萬兆光纖以太網的實現方法，并通過仿真進行了驗證，對于解決新型雷達海量數據傳輸帶寬的問題具有重要意義。

【關鍵詞】萬兆以太網；FPGA；UDP；IP

0 引言

由于相控陣雷達及多波束數字陣列信號處理技術的飛速發展，雷達系統對于數據的吞吐能力及數據的傳輸帶寬的需求呈現急速上升的趨勢。為了滿足相控陣雷達對多波束數據的實時快速處理，需要建立各分系統間數據的高速通道，實現對陣列雷達前端數據的實時傳輸。

傳統的雷達對前端數據一般采用百兆或千兆銅介質以太網與雷達信號處理機進行對接，這種實現方式已經無法滿足大量數據傳輸的需求，而且對雷達信號處理機的實時性能提出了更高的要求。近年來隨著以太網技術的不斷發展，萬兆以太網因其卓越的帶寬優勢，使得雷達系統間高速海量數據的實時傳輸成為可能。本文以IEEE 802.3ae-2008規范為基礎，介紹了以光纖為傳輸介質實現的萬兆以太網的傳輸方案。

1 萬兆以太網的協議體系結構

考慮到與當前的千兆以太網標準的兼容性，萬兆以太網（10GE）技術標準—IEEE802.3ae繼承了現有以太網的基本模型、煤質接入控制（Media Access Control，簡稱MAC）協議以及網絡的拓撲結構。為了將以太網的工作速率提升到10Gbps，同時保證其可以用于MAN和WAN的鏈路，針對現有的千兆以太網中的物理層（Physical，簡稱PHY）和MAC層進行了相應的改造。

為了滿足10GE對帶寬的要求，不同于千兆以太網中125MHz時鐘域工作的MAC層，在10G以太網的MAC層設計中面臨著更多的挑戰。在10G以太網的規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進行連接。新的接口數據位寬達到了32bit，并且可以在156.25MHz的時鐘下以DDR的方式工作，以此達到10G以太網對帶寬的要求。在物理層中，廣域網與局域網的連接功能由WIS（廣域網接口子層）完成，其中實現了一個簡單的SONET/SDH的成幀器，同時，為了能夠正確的傳輸以太網數據，在物理層中實現了64B/66B的編解碼器和擾碼器，可以有效的保證10GE的應用空間的擴展。

2 傳輸方案設計與實現

萬兆光纖以太網的實現方案如圖1所示，本文設計采用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串行收發器，可以在不使用外部專用PHY芯片的情況下實現萬兆以太網物理層的部分功能。

本設計主要由數據緩存單元、數據封裝與解封裝單元，10GE MAC IP核、10GE PCS/PMA（10GBASE-R）IP核及光收發器SFP+模塊組成。數據緩存單元采用雙口RAM對采樣數據進行緩存；數據封裝與解封裝單元按照以太網的UDP及IP協議對數據進行封裝或解封裝；10GE MAC IP核及10GE PCS/PMA（10GBASE-R）IP核完成封裝后的數據的接收、發送及流量控制等功能。

（1）幀封裝：根據UDP及IP的幀格式，幀封裝模塊的實現如圖2，由輸入緩沖模塊、輸出緩沖模塊、計數模塊、校驗模塊、數據存儲模塊、首部存儲模塊和控制邏輯模塊構成。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的數據進行緩存，然后輸出雙字節的數據，順序通過計數模塊和校驗和計算模塊；隨后對計數模塊及校驗和計算模塊的輸出數據進行存儲，完成所有數據的運算后，將數據依次送入輸出緩沖單元模塊，最后輸出單字節的數據，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束標志。因為UDP的首部結構和IP的首部結構存在一定差異，因此在封裝的過程里由不同的數據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據運算：首先為防止高位的數據溢出，將16位進行一位擴展，隨后對數據依次求和，每次求和結束后對0xFFFF進行取模，完成所有數據的求和運算后，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，因此設計如圖4所示處理模塊。完整的數據幀順序通過輸入緩沖、去MAC頭、去IP頭、去UDP頭和輸出緩沖，輸出即為最終的數據部分。控制邏輯用于產生整個過程的起始與結束標志。

3 仿真驗證

本文中方案在Xilinx公司的ISE14.2開發工具中開發，經ModelSim SE 10.1b工具進行了仿真驗證，如圖5所示，實現了數據的發送與接收功能。

4 結束語

本文根據IEEE802.3和802.3ae的規范，在分析萬兆以太網協議的基礎上，借助Xilinx的10GE MAC IP核及10GE PCS/PMA IP核，實現了用于雷達分系統間高速數據傳輸的萬兆互聯方案，闡述了各個模塊的功能及實現方式，并對其進行了仿真驗證。相比于傳統的雷達分系統數據傳輸方案，本方案的實現能夠滿足新型雷達對海量高速數據傳輸的帶寬要求。

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[責任編輯：王偉平]