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基于PM3388和FPGA的网络接口的研究设计

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本文根据十接口千兆以太网线路接口卡设计的功能需求和性能需求，按照数据处理流程划分功能模块，以PM3388作为链路层处理芯片和两片高性能FPGA作为链路层处理芯片完成了系统设计，并给出了具体实现方案。对两片FPGA控制功能的实现做了重点阐述，对实现难点做了深入的分析。

1 前言

随着网络规模的持续膨胀和新型网络应用需求的不断增长，目前基于IPv4技术的因特网在可扩展性、IP地址空间、安全、服务质量控制、移动性、运营管理和盈利模式等诸多方面面临着挑战，尤其是地址空间匮乏、可扩展性差等缺陷严重制约了因特网的发展，需要探索新的技术来解决这些问题。IPv6通过采用128位的地址空间替代IPv4的32位地址空间来扩充因特网的地址容量，使得IP地址在可以预见的时期内不再成为限制网络规模的一个因素，同时在安全性、服务质量及移动性等方面有了较大的改进，使其成为构建下一代互联网络的最佳选择。

以太网是当前最基本、最流行的局域网组网技术，为了适应各种新开展的业务如流视频等，其速率也在不断提高。千兆以太网是建立在以太网标准基础之上的技术，具有高效、高速、高性能的特点，目前的企业局域网甚至城域网建设都会把千兆以太网技术作为首选的高速网络技术。为了使支持多协议的高性能路由器既能连接到骨干、核心路由器，又能连接到本地主机，需要为路由器设计能够与千兆以太网连接的接口。当前国内各公司推出的路由器和交换机等产品都提供千兆以太网线路接口卡，但端口密度都不高，大多数是单端口或双端口，少数能够提供四端口或八端口。为了适应T比特路上数据传输的需求，本文设计完成高密度的十接口千兆以太网线路接口卡。

2 网络接口功能分析

千兆以太网原先是作为一种交换技术设计的，采用光纤作为上行链路，用于楼宇之间的连接，之后在服务器的连接和骨干网中，千兆以太网获得了广泛应用。目前，千兆以太网已经发展成为主流网络技术，大型企业和中小型企业在建设企业局域网时都把千兆以太网技术作为首选的高速网络技术。千兆以太网技术甚至正在取代ATM技术，逐渐应用到了城域网建设中。

基于千兆以太网的发展现状和良好的应用前景，当前国内外研制各种核心路由器和高性能交换机的公司不再满足于能够提供低密度（单接口、双接口等）千兆以太网线路接口卡模块，纷纷推出或开始研制高密度（四接口、八接口等）的线路接口卡模块，高密度千兆以太网线路接口卡的研究正在成为一个热点。但各公司出于技术保密的考虑，公开的高密度千兆线路接口卡的文献资料很少。经分析，十接口千兆以太网线路接口卡的设计主要存在以下三个难点：

1).多种数据包的分类处理：本文研究的十接口千兆线路接口卡兼容IPv4、IPv6双协议栈，需要实现三种二层协议封装格式的拆封与封装处理、两种三层协议的查表处理和一种MPLS协议的处理，在高速环境下实现多种协议的正确处理是一个难点；

2).帧重组合路加速功能的实现：需要实现以太网帧的重组、十接口数据合路调度与加速三种功能，这是千兆线路接口卡满足线速处理功能的关键；

3). 十接口数据合路调度功能的实现：需要研究一种具有良好扩展性和时延性能的调度算法，实现高速环境下十接口数据合路调度的功能。

从功能角度来看, 以太网线路接口主要完成输入处理、输出处理和系统维护管理等三种功能。如图1所示。输入处理：从千兆以太网上接收编码数据流，解码恢复成为以太网帧，再经过地址过滤、完整性校验、差错控制、IP地址查表、MAC帧拆封、内部数据格式封装等处理后送给转发处理子系统或板级处理机处理（协议包）。输出处理：从端口调度模块或板级处理机模块接收数据包或协议包，经过MAC帧封装，经过数据编码等处理后从正确的接口发送到千兆以太网上。系统维护管理：主要是接受板级处理机的控制命令，对输入分类表项、ARP表项和邻居发现表项进行维护，定时或按照板级处理机的命令将线路接口卡的性能统计信息向板级处理机报告。

图1 千兆以太网线路接口卡功能示意图

3 硬件设计与实现

经过对十接口千兆以太网线路接口卡功能和性能需求进行认真分析，按照功能清晰、接口简单、实现容易的原则，设计了其实现方案，并按照设计方案对千兆以太网线路接口卡进行了子模块划分，共分为光电转换子模块、MAC层处理子模块、输入处理子模块、输出处理子模块、输入IP地址表子模块、输出IP地址表子模块和协议报文缓存子模块等七个子模块。千兆线路接口卡各子模块和外部接口关系如图2所示。