基于FPGA的千兆以太网交换芯片的设计
发布日期:
2021-12-09

前言:以太网技术属于当前通信领域及信息领域的核心技术内容,其中,千兆以太网技术完美结合了以太网技术的应用优势,有效解决了传统以太网技术存在的不足之处。千兆以太网技术在原有基础上,对传输介质等组成物质进行了适当优化,如使用 8B/10B 的编解码方案、采用载波扩展技术以及分组突发技术等。随着千兆以太网技术的不断成熟与改进,以千兆以太网技术为代表的以太网技术俨然成为我国局域网的主流技术。为进一步强化千兆以太网技术的应用效果,研究人员结合 FPGA 技术及相关内容,对现有千兆以太网交换芯片进行充分优化,以达到提高千兆以太网使用性能的目的。 

千兆以太网交换芯片的工作原理分析 

     文章所介绍的千兆以太网交换芯片主要按照 IEEE802.3 标准对现有的 8 个独立千兆端口之间的 MAC 帧进行交换与处理。与此同时,该千兆以太网交换芯片可以同时兼容 10Mb/s 与 100Mb/s 的 MAC 帧交换要求。结合以往的经验来看,千兆以太网交换芯片的工作原理主要围绕“学习”与“转发”两个方面进行开展。一般来说,交换芯片内部包含一个 MAC 地址表,且每一个 MAC 地址表在存储单元方面,主要以保留比特、老化标志、端口编号、MAC 地质以及有效标志等内容为主。根据实践证明,MAC 地址表可以有效存储 4096 条关于 MAC 地址方面的索引信息。 

      端口在接收 MAC 帧之后,可以自动提取 MAC 帧的源地址。此时交换芯片可以自动找寻上述地址索引信息内容,如果没有找到,系统会自动将源地址与接收到帧端口编号融为一体,并自动形成一条全新的 MAC 地址索引信息。并在此基础上,自动存储到 MAC 地址索引内容当中。我们一般将这个过程中称为千兆以太网交换芯片的学习过程,交换芯片通过有效的学习可以及时明确主机地址与端口之间的内部联系,是否存在映射关系等。必要时,交换芯片还会自动记录 VLAN 与各端口之间的信息内容。 

MAC 帧直接转发到对应的端口位置处。一般来说,我们将这一过程中成为“转发过程”。可以说,千兆网以太网交换芯片通过完成“学习”与“转发”过程,可以进一步提升交换芯片的工作效率,利于网络性能的有效提升[2]。 

千兆以太网交换芯片的关键技术 

      千兆以太网交换芯片的关键技术在于实现 MAC 帧的帧头信息提取要求与 MAC 地址表管理要求。其中,帧头信息提取技术的关键要点在于合理判断所提取的是以太网帧还是 802.3 帧。另外,还有提取源地址、目的地址等。在此基础上,可以优先计算当前帧的信息内容,并根据具体处理结果,进行合理的协调处理。为进一步实现 1000Mb/s 的 MAC 帧交换要求,建议设计人员在实际设计过程中,必须满足千兆以太网的高吞吐量需求、MAC 帧地址索引信息以及在特定周期内寻求到 MAC 地址对应端口号的需求。为进一步实现上述要求,建议设计人员可以选用 HASH 算法进行处理。 

     基于FPGA的千兆以太网交换芯片的设计方案基于 FPGA 的千兆以太网交换芯片的设计方案可以从交换芯片组成方面进行优化设计。一般来说,基于 FPGA 的千兆以太网交换芯片在具体设计过程中,主要以接口帧缓存、MAC 帧处理模块、交换模块以及寄存器等成分为主。基于 FPGA 的千兆以太网交换芯片在双端口的选择方面,主要采用容量为 108k 字节的双端口 SRAM 的设计方式。目的在于可以及时接收到 MAC 帧内容,与此同时,内存管理模块可以利用 SRAM 存储空间的性能优势,如分配、释放等,进一步实现交换芯片的功能。可以说,通过利用这种交换功能,可以进一步强化以太网交换芯片的应用功能。 

在芯片与用户接口处的设计方面,本方案主要采用 RS232 接口。通过利用 RS232 接口可以及时了解用户读取寄存器或者芯片的运行状态,能够进一步根据寄存器的运行状态调整芯片的工作模式。其中, MAC 帧处理模块在功能方面多呈现出实现 MAC 帧接收与发送两个功能。其中,GMII/MII 口在接收到 MAC 数据帧之后,MAC 帧处理模块会优先处理端口接收到的数据内容,并将缓存到接口帧模块中的信息内容放置到 FIFO 当中。在此基础上,MAC 帧处理模块可以根据内存管理模块,释放内部的缓存空间。再得到内存管理模块的回执命令之后,可以有效提取出帧头。 

     与此同时,帧头信息分析模块在接收到 MAC 帧处理模块返置回来的信息之后,会将优先级信息提取出来,如目的地址、源地址以及 IP 头信息。待提取完这些信息之后,分析模块可以将其转发到学习转发模块当中。待处理结束之后,内部系统可以参照帧头、帧尾等方面的信息内容或者相关指示信号,发送到端口记录模块当中。发送指示信号会根据端口记录信号回执的信息内容,完成信号处理工作。并在此基础上,内存处理单元会结合信息的具体内容进行合理处理。此时,MAC 帧处理单元会根据内存处理单元发来的指令要求释放信号,进一步优化基于FPGA千兆以太网交换芯片的应用功能。 

结论:通过本文的内容叙述,大致可以明确基于 FPGA 的千兆以太网交换芯片的方案具有一定的可行性。在具体设计过程中,通过利用千兆全双工模式,优化 8 个端口工作模式。并在此基础上,利用以太网测试仪对端口工作模式进行性能方面的测试。测试结果明确显示在 10min 中内,8 个端口 1000Mb/s 老化测试的丢包率满足预期控制范围,均小于百万分之一。由此可以证明,基于 FPGA 的千兆以太网交换芯片可以投入正式使用。目前,基于 FPGA 的千兆以太网交换芯片已经得到广泛应用,效果显著。 



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