基于PM3388和FPGA的網絡接口的研究設計

　　本文根據十接口千兆以太網線路接口卡設計的功能需求和性能需求，按照數據處理流程劃分功能模塊，以PM3388作為鏈路層處理芯片和兩片高性能FPGA作為鏈路層處理芯片完成了系統設計，并給出了具體實現方案。對兩片FPGA控制功能的實現做了重點闡述，對實現難點做了深入的分析。

　　1 前言

　　隨著網絡規模的持續膨脹和新型網絡應用需求的不斷增長，目前基于IPv4技術的因特網在可擴展性、IP地址空間、安全、服務質量控制、移動性、運營管理和盈利模式等諸多方面面臨著挑戰，尤其是地址空間匱乏、可擴展性差等缺陷嚴重制約了因特網的發展，需要探索新的技術來解決這些問題。IPv6通過采用128位的地址空間替代IPv4的32位地址空間來擴充因特網的地址容量，使得IP地址在可以預見的時期內不再成為限制網絡規模的一個因素，同時在安全性、服務質量及移動性等方面有了較大的改進，使其成為構建下一代互聯網絡的最佳選擇。

　　以太網是當前最基本、最流行的局域網組網技術，為了適應各種新開展的業務如流視頻等，其速率也在不斷提高。千兆以太網是建立在以太網標準基礎之上的技術，具有高效、高速、高性能的特點，目前

　　2 網絡接口功能分析

　　千兆以太網原先是作為一種交換技術設計的，采用光纖作為上行鏈路，用于樓宇之間的連接，之后在服務器的連接和骨干網中，千兆以太網獲得了廣泛應用。目前，千兆以太網已經發展成為主流網絡技術，大型企業和中小型企業在建設企業局域網時都把千兆以太網技術作為首選的高速網絡技術。千兆以太網技術甚至正在取代ATM技術，逐漸應用到了城域網建設中。

　　基于千兆以太網的發展現狀和良好的應用前景，當前國內外研制各種核心路由器和高性能交換機的公司不再滿足于能夠提供低密度（單接口、雙接口等）千兆以太網線路接口卡模塊，紛紛推出或開始研制高密度（四接口、八接口等）的線路接口卡模塊，高密度千兆以太網線路接口卡的研究正在成為一個熱點。但各公司出于技術保密的考慮，公開的高密度千兆線路接口卡的文獻資料很少。經分析，十接口千兆以太網線路接口卡的設計主要存在以下三個難點：

　　1).多種數據包的分類處理：本文研究的十接口千兆線路接口卡兼容IPv4、IPv6雙協議棧，需要實現三種二層協議封裝格式的拆封與封裝處理、兩種三層協議的查表處理和一種MPLS協議的處理，在高速環境下實現多種協議的正確處理是一個難點；

　　2).幀重組合路加速功能的實現：需要實現以太網幀的重組、十接口數據合路調度與加速三種功能，這是千兆線路接口卡滿足線速處理功能的關鍵；

　　3). 十接口數據合路調度功能的實現：需要研究一種具有良好擴展性和時延性能的調度算法，實現高速環境下十接口數據合路調度的功能。

　　從功能角度來看, 以太網線路接口主要完成輸入處理、輸出處理和系統維護管理等三種功能。如圖1所示。輸入處理：從千兆以太網上接收編碼數據流，解碼恢復成為以太網幀，再經過地址過濾、完整性校驗、差錯控制、IP地址查表、MAC幀拆封、內部數據格式封裝等處理后送給轉發處理子系統或板級處理機處理（協議包）。輸出處理：從端口調度模塊或板級處理機模塊接收數據包或協議包，經過MAC幀封裝，經過數據編碼等處理后從正確的接口發送到千兆以太網上。系統維護管理：主要是接受板級處理機的控制命令，對輸入分類表項、ARP表項和鄰居發現表項進行維護，定時或按照板級處理機的命令將線路接口卡的性能統計信息向板級處理機報告。

圖1 千兆以太網線路接口卡功能示意圖