基于ASIC+FPGA的IPv6路由器PoS接口設(shè)計

　　IP over SDH(PoS)技術(shù)是通過SDH提供的高速傳輸通道直接傳送IP分組,它位于數(shù)據(jù)傳輸骨干網(wǎng),使用點到點協(xié)議PPP將IP數(shù)據(jù)包映射到SDH幀上,按各次群相應的線速率進行連續(xù)傳輸,其網(wǎng)絡(luò)主要由大容量的高端路由器經(jīng)由高速光纖傳輸通道連接而成。這種技術(shù)實際上是對傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)概念的延續(xù),完全兼容傳統(tǒng)的IP協(xié)議體系,只是在物理通道上借助SDH提供的點到點物理連接,從而使速率提高到Gbit/s量級,因此PoS技術(shù)現(xiàn)在和今后都將是非常重要的IP網(wǎng)絡(luò)傳輸手段。

　　155Mbit/s PoS接口是IPv6路由器所提供的一種重要的PoS接口,本文介紹基于PMC公司PM5380型8×155Mbit/s和Xilinx公司VIRTEX-II PRO型300萬門的大規(guī)模可編程器件的網(wǎng)絡(luò)接口硬件設(shè)計與實現(xiàn)方案,也給出其中關(guān)鍵的FPGA設(shè)計。該設(shè)計在國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心研制的IPv6路由器（國家863重大項目）中已經(jīng)獲得實現(xiàn),性能良好。

?????? 1 155Mbit/s PoS接口工作原理

　　1.1 IPv6路由器體系結(jié)構(gòu)

　　IPv6路由器主要包含如下子系統(tǒng)：線路接口子系統(tǒng)、多功能轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)（“多功能”主要是指該轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)支持多種協(xié)議類型：IPv4、IPv6、MPLS）、高速交換子系統(tǒng)和主控（完成各個子系統(tǒng)的管理,集中處理本路由器收到的路由信息,計算并更新路由表）以及OAM（操作維護臺）。圖1是IPv6路由器的體系結(jié)構(gòu)。

　　不同類型的網(wǎng)絡(luò)分別通過相應類型的線路接口接入路由器,數(shù)據(jù)從線路接口進入路由器后再進行轉(zhuǎn)發(fā)和交換,在此過程獲取指明下一路網(wǎng)絡(luò)的路的信息,最終從相應的接口以輸出網(wǎng)絡(luò)要求的格式輸出。PoS線路接口就是是線路接口子系統(tǒng)的一種。

　　1．2 155Mbit/s PoS接口的工作原理

　　155Mbit/s PoS線路接口板的設(shè)計目標是為IPv6路由器提供8個155Mbit/s PoS接口,并支持IPv4、IPv6和MPLS包。在接收方向上將封裝在SDH幀中的IP包提取出來送到協(xié)議處理單元或轉(zhuǎn)發(fā)模塊處理;在發(fā)送方向上將IP包封裝在SDH幀中,然后送到SDH傳送網(wǎng)上。

　　155Mbit/s PoS線路接口板的主要功能就是實現(xiàn)IP數(shù)據(jù)包和SDH幀的映射和去映射,具體功能可從接收和發(fā)送二個方向詳細描述。

　　在接收方向（到達路由器）的主要功能有：

　　·接收外部線路光信號,進行光/電轉(zhuǎn)換,以串行數(shù)據(jù)輸出;

　　·對串行數(shù)據(jù)進行串并轉(zhuǎn)換,得到SDH幀;

　　·對SDH幀進行去開銷和拆幀處理,輸出SDH網(wǎng)管信息并提取出HDLC幀;

　　·從HDLC幀中提取出PPP分組;

　　·檢測PPP分組類型,區(qū)分PPP協(xié)議分組和PPP數(shù)據(jù)分組;

　　·對于PPP協(xié)議分組,送到線路接口處理機去處理;

　　·對于PPP數(shù)據(jù)分組,提取出其中的IP包或MPLS包,按照要求格式轉(zhuǎn)換后送到緩存（FIFO）中。??? 發(fā)送方向（離開路由器）的主要功能有：

　　·接收輸出處理模塊的IP分組,去除內(nèi)部IP包頭,形成PPP分組,并將它輸出到相應的線路接口上;

　　·接收本地生成的PPP協(xié)議分組;

　　·將PPP協(xié)議分組與該線路接口上的PPP數(shù)據(jù)分組進行合路;對每一路PPP分組進行HDLC成幀和SDH成幀處理;

　　·對SDH幀數(shù)據(jù)進行并串行轉(zhuǎn)換;

　　·將串行數(shù)據(jù)進行電光轉(zhuǎn)換后發(fā)送出去。

?????? 2 系統(tǒng)設(shè)計

　　根據(jù)155Mbit/s PoS線路接口板要實現(xiàn)的主要功能和PoS的工作原理,可以將155M PoS線路接口分為8個模塊：光電轉(zhuǎn)換模塊、定時處理模塊、串并轉(zhuǎn)換模塊、SDH和HDLC處理模塊、PPP處理模塊、處理機模塊、輸入緩存模塊和輸出緩存模塊,其邏輯結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。???

?????? 其中,光電轉(zhuǎn)換模塊主要實現(xiàn)光信號和電信號之間的轉(zhuǎn)換。定時處理模塊負責從接收的串行數(shù)據(jù)中提取時鐘信號。串并轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)和并行數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換。在接收方向上,在對信號進行串并轉(zhuǎn)換之前,對于串行的輸入數(shù)據(jù)需要進行幀和字節(jié)邊界的檢測。SDH和HDLC處理模塊是155M PoS線路接口的關(guān)鍵模塊,完成STM-1的映身教 處理及HDLC幀格式的封裝和拆裝。PPP處理模塊主要完成對PPP分組的硬件處理。處理機模塊負責單板的初始化、狀態(tài)監(jiān)測和控制、處理PPP協(xié)議分組以及與主控通信等任務(wù)。輸入緩存用來存放線路接口發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)處理的數(shù)據(jù)包,輸出緩存用來存放調(diào)度輸出后送給線路接口的數(shù)據(jù)包。

根據(jù)目前的技術(shù)水平,可選擇如下方案：光電轉(zhuǎn)換模塊由專用的光電器件完成,串并轉(zhuǎn)換、定時處理、HDLC/SDH等物理層處理功能由專用電路完成,而PPP處理由FPGA完成。

?????? 3 關(guān)鍵電路的選型及說明　　

　　物理層處理電路采用PMC公司的PM5380,它是一款新型的PoS/ATM專用處理電路,支持8路獨立的ATM/PoS接口。該電路具有極高的集成度,將定時提取模塊、串行轉(zhuǎn)換模塊、段開銷處理模塊、通道開銷處理模塊、路開銷處理模塊和HDLC處理模塊等集成到一起,功能非常強大。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3。???

?????? PM5380的設(shè)計符合IETF PPP工作組提出的PPP over SDH/SONET規(guī)范;支持8路全雙工155Mbit/s的STM-1接口,并帶有數(shù)據(jù)和時鐘恢復（CDR）電路;完全符合Utopia-2接口規(guī)范,支持多地址和奇偶校驗;對PoS應用提供相當于Utopia-2的系統(tǒng)接口,16位總線寬度,支持包傳送和字節(jié)傳送,內(nèi)置8個FIFO緩存對應接口的數(shù)據(jù);提供串行的155Mbit/s的接口與光器件對接,并且都是差分線路;提供一個通用的八位微處理器接口來完成PM5380的初始化配置、工作控制以及狀態(tài)監(jiān)測;支持線路環(huán)回、串行環(huán)回和并行環(huán)回;單電源3.3VCMOS制作工藝,輸入兼容PECL和TTL電平,輸出為TTL電平。在本設(shè)計中,需要通過處理機配置相應的寄存器,使PM5380工作于PoS模式。

　　FPGA選用Xilinx公司VIRTEX-II PRO,該電路是300萬門級的FPGA,其高速I/O模塊可提供多達16路Rocket I/O,內(nèi)置Power PC核提供高性能的數(shù)字時鐘管理,并且具有強大的開發(fā)軟件支持。

?????? 4 實現(xiàn)方案

　　圖4為155Mbit/s PoS接口的實現(xiàn)方案圖。在輸入方向上,從光纖傳入的信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后送入PM5380,完成定時處理、幀同步,從輸入比特流中提取出SDH幀并進而恢復出PPP幀,并按接口緩存于內(nèi)部8個FIFO中。輸入鏈路處理模塊輪詢讀取PM5380的FIFO,獲得PPP幀并完成PPP相關(guān)處理,恢復出IP報文并且完成查IP地址表的工作,將協(xié)議報文交處理機,而普通的數(shù)據(jù)報文合路輸入FIFO,進而通過FPGA的Rocket I/O（高速I/O）送轉(zhuǎn)發(fā)處理。

?????? 在輸出方向上,從轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)報文 經(jīng)Rocket I/O送FPGA內(nèi)部,在輸出鏈路處理模塊中完成與協(xié)議報文的合路并且封裝成PPP幀,然后根據(jù)內(nèi)部報文格式中的出接口號來判斷送往ASIC的哪個接口;ASIC完成SDH幀的映射,最后經(jīng)電光轉(zhuǎn)換通過光纖送到外部SDH網(wǎng)絡(luò)。

?????? 5 FPGA設(shè)計

　　圖5中的虛線框內(nèi)為輸入FPGA設(shè)計原理。輸入FPGA的輪詢接收模塊從PM5380的FIFO中輪詢讀取8個外部接口的數(shù)據(jù),并將完整的PPP包緩存;分揀模塊查本地IP表,將協(xié)議報文緩存于協(xié)議FIFO并經(jīng)處理機送交主控處理,需轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)報文送轉(zhuǎn)發(fā)FIFO。圖中的MPM5380管理模塊負責產(chǎn)生處理機管理PM5380時所需要的時序,CPU模塊負責和860的交互,時鐘模塊產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘,它們是公共模塊。

?????? 圖6示出輸出FPGA設(shè)計原理。從轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)經(jīng)Rocket I/O后緩存于輸出FIFO,合路模塊將數(shù)據(jù)報文和從處理機下發(fā)的協(xié)議報文合路送發(fā)送模塊按照PM5380要求的時序?qū)懙较鄳涌诘腇IFO中發(fā)送,但這里必須嚴格滿足PM5380的寫時序要求。

?????? 6 結(jié)束語

　　本文根據(jù)IPv6路由器155Mbit/s PoS接口的需求,提出并實現(xiàn)了一種基于ASIC+FPGA的設(shè)計方案。目前該方案已經(jīng)在國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心開發(fā)的IPv6路由器中得到實現(xiàn),測試后的系統(tǒng)性能穩(wěn)定,達到了預期的設(shè)計目標。