基于FPGA的數據中繼器設計

　　1 前言

　　高速以太網可以滿足新的容量需求，解決了低帶寬接入、高帶寬傳輸的瓶頸問題，擴大了應用范圍，并與以前的所有以太網兼容。全雙工的以太網協議并無傳輸距離的限制，只是在實際應用中，物理層技術限制了最大的傳輸距離。不過可以通過使用高性能的收發器或鏈路擴展器來延長以太網鏈路的長度。但是面向流量高達數十G的高速以太網中，如何快速、可靠地實現數據的轉發與鏈路延伸并不是一件很容易的事情。尤其是高速以太網中，對設備時延非常敏感，因此要求數據中繼設備處理速度有足夠的快、同時還能夠對轉發的數據進行簡單分析與處理，才能實現高速、可靠的數據轉發功能。另一方面，在10G以太網標準出臺之前，就已經有多家廠商推出了基于10G以太網標準草案的10G以太網設備。國外廠商如Foundry、Cisco、Enterasys、Extreme、Forcel0、Nortel、A1catel、Juniper、Avaya、HP、Riverstone等公司紛紛推出了10G以太網設備，國內幾家著名的通信設備制造商，像華為、港灣也研發出具有自主知識產權的10G以太網產品。不同公司的產品、設備在對協議實現的一致性、互操作性、穩定性、成熟性等方面都有所不同，因此要設計并實現一個可靠、高速數據中繼器必須深入研究高速以太網標準，并充分考慮其設計的靈活性，因此本文提出了一個基于FPGA的高速數據中繼器設計方案。

　　2 高速數據中繼器功能分析

　　高速數據中繼器主要需完成以下功能是對外部光纖鏈路發送過來的高速、大量數據處理，主要包括有： 10G以太網的物理層處理。包括將10Gbps光信號轉換為電信號和將10Gbps高速串行數據轉換為低速率的并行數據，便于上層處理;10G以太網的鏈路層處理。包括對10Gbps數據進行PCS解碼和MAC控制的鏈路層處理，最后輸出完整的MAC幀;對MAC幀格式進行判斷來識別其中封裝的上層數據是協議報文還是數據報文;對IP數據報文進行查表處理，看是否有發往本機的IP報文;將需要上交到轉發進行深層次IP層處理的數據報文封裝成內部數據報文格式并上交;將需要上交到板極處理機的協議報文和發往本路由器的IP報文封裝成內部協議報文格式并上交。

　　數據中繼器對需要轉發出去的數據需要完成如下處理：對交換發送過來的數據報文進行內部格式判斷，決定是否進行查表處理;對不需要進行查表的IP報文直接從內部頭中提取目的MAC地址;對需要查表的IP報文進行查表處理，若查表命中則返回目的MAC地址，若不命中則將該數據報文上交到板極處理機;對得到目的MAC地址的報文進行以太網格式封裝;對板極處理機下發的協議報文和封裝好的以太網幀進行合路處理;10G以太網的鏈路層處理。包括對MAC幀進行MAC控制鏈路層處理和PCS編碼;10G以太網的物理層處理。包括并/串轉換和電/光轉換。其處理流程如圖一所示

　　圖 一：高速數據中繼器數據處理流程