0 引言

以太網(wǎng)是當(dāng)前最基本、最流行的局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)，為了適應(yīng)各種新開(kāi)展的業(yè)務(wù)如流視頻等，其速率也在不斷提高。千兆以太網(wǎng)是建立在以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上的技術(shù)，具有高效、高速、高性能的特點(diǎn)，目前企業(yè)局域網(wǎng)甚至城域網(wǎng)的建設(shè)都會(huì)把千兆以太網(wǎng)技術(shù)作為首選的高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。而千兆以太網(wǎng)協(xié)議分析技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，能夠應(yīng)對(duì)信息網(wǎng)絡(luò)的突發(fā)事件，迅速判斷網(wǎng)絡(luò)癱瘓和受攻擊部位，起到應(yīng)急反應(yīng)支援的作用。同時(shí)，隨著TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 的廣泛應(yīng)用和深入，TCP/IP 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)、維護(hù)和故障診斷面臨著巨大的挑戰(zhàn)，急切需要千兆以太網(wǎng)協(xié)議分析技術(shù)的應(yīng)用。

1 工作原理

本文介紹的千兆以太網(wǎng)協(xié)議分析技術(shù)是基于FPGA(Field －Programmable Gate Array) 設(shè)計(jì)技術(shù)， 支持10M/100M/1 000M電口和光口測(cè)試，采用RJ45 和SFP 光口連接器形式；負(fù)責(zé)物理層及數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)幀編輯、生成、捕獲、過(guò)濾、觸發(fā)、解碼和分析處理工作，IP 層以上的協(xié)議幀有軟件根據(jù)IEEE802.3 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作。圖1、圖2 所示分別為本方案的發(fā)送部分、接收與分析部分的原理框圖。

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千兆以太網(wǎng)協(xié)議測(cè)試FPGA 內(nèi)部設(shè)計(jì)部分可以分為發(fā)送部分、接收分析部分和接口芯片寄存器管理部分。其中，發(fā)送部分完成發(fā)送、編輯和生成各種以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流等功能，根據(jù)測(cè)試需要，發(fā)送部分可產(chǎn)生任意的MAC 地址、IP 地址、錯(cuò)誤的校驗(yàn)與錯(cuò)誤插入等非正常數(shù)據(jù)。其中，MAC 地址、IP 地址的設(shè)置種類很多，可以設(shè)置為靜態(tài)、遞增、遞減、隨機(jī)等；接收分析部分完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流統(tǒng)計(jì)、捕獲、解碼分析、信號(hào)性能統(tǒng)計(jì)等功能；根據(jù)測(cè)試需要，接收部分可選擇捕獲和統(tǒng)計(jì)需要的MAC地址、IP 地址、錯(cuò)誤的校驗(yàn)類型與錯(cuò)誤插入類型等的數(shù)據(jù)幀，其中可設(shè)置的過(guò)濾條件和觸發(fā)條件有MAC 地址、IP 地址、圖形1、圖形2、協(xié)議類型和錯(cuò)誤類型等。接口芯片寄存器管理部分完成對(duì)接口芯片BCM5421 寄存器的讀寫操作與管理及串/ 并、并/ 串轉(zhuǎn)換功能。

2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文介紹的千兆以太網(wǎng)協(xié)議分析技術(shù)是通過(guò)千兆以太網(wǎng)收發(fā)器BCM5421 和大規(guī)模FPGA 組合的硬件平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于千兆以太網(wǎng)支持電口和光口兩種接口方式、以太網(wǎng)協(xié)議復(fù)雜、千兆速度很高、邏輯控制龐大，在FPGA 設(shè)計(jì)及PCB 布板設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中，具有很高的難度。具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的電路框圖如圖3 所示。

千兆以太網(wǎng)信號(hào)經(jīng)過(guò)收發(fā)處理電路送入接口芯片，由接口芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)有效性、碰撞、編/ 解碼、點(diǎn)燈等操作，然后以8- bit 的串行數(shù)據(jù)流送入FPGA。在FPGA 內(nèi)需要完成MAC 層發(fā)送部分各種以太網(wǎng)幀的編輯、生成、數(shù)據(jù)編輯、錯(cuò)誤插入、并/ 串轉(zhuǎn)換、發(fā)送模式的設(shè)置等，完成MAC 層接收部分各種以太網(wǎng)幀的監(jiān)測(cè)、捕獲、過(guò)濾、解碼、查找錯(cuò)誤和評(píng)估性能等，MAC 層接口芯片的寄存器管理、讀寫控制等；還有CPU 和硬件對(duì)SRAM、SDRAM的讀寫、存儲(chǔ)操作等，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下所述。

2.1 千兆以太網(wǎng)協(xié)議分析接口電路設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)測(cè)試模塊采用兩種接口方式：RJ45 電口和SFP 光電轉(zhuǎn)換模塊的光口。本技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案采用的是接口收發(fā)器芯片BROADCOM公司的BCM5421S，完全支持IEEE802.3、自動(dòng)協(xié)商、碰撞檢測(cè)試、編/ 解碼、串/ 并變換等功能，符合10BASE- T、100BASE- TX和1000BASET標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，支持RGMII、GMII、MII、TBI、RTBI、SGMII和SerDesMAC接口方式。