基于FPGA实现千兆以太网业务在SDH上的传输

摘要：为了实现千兆以太网业务在SDH网络上的传输(EOS)，可以利用FPGA将以太网MAC数据帧在SDH数据帧中进行封装和映射处理。介绍了GFP封装协议以及虚级联技术，给出了FPGA内部的模块化设计方法。利用FPGA的强大功能和内部的丰富资源，简化了电路设计的复杂性。千兆以太网在SDH中的传输增强了SDH设备的业务传输能力。
关键词：以太网；SDH；GFP；EOS

0 引言
    随着人们对数据业务需求的不断增长，以太网作为全世界应用最为广泛的网络通信技术之一，在全世界得到了大规模的普及。SDH是电信部门常用的通信传输设备，具有高可靠性和高安全性的特点。EOS(Ethernet over SDH)技术即借现有的SDH传输设备实现以太网业务的传输，具有非常重要的现实意义。
    基于以太网的七层架构，在第二层数据链路层传输的是以太网的MAC帧。由于以太网和SDH系统的传输速率不匹配，需要通过封装进行速率调整后才能映射到SDH的虚容器中。目前来讲，常用的是GFP(Generic Framing Procedure)封装。GE(千兆以太网)信号在SDH系统中的映射可以分为相邻级联和虚级联两种模式。相邻级联是在整个传输过程中保持连续带宽，各个级联的VC是相邻的，在SDH网络系统中需要有能够进行相邻级联处理的中间设备，而虚级联的应用方式比较灵活，将连续带宽分解到多个VCs上传输，不一定相邻，在传输的终端再将多个VCs重新组合成连续带宽。因此，虚级联方式有效地节省了带宽，在系统中只需能够进行处理的终端设备即可。在实际使用中，这种方式的应用比较广泛。

1 FPGA收发模块设计
    本文实现的传输方式是在STM-16中传输1路GE信号，需要对以太网MAC帧进行GFP封装。GFP帧分为GFP-F和GFP-T两种模式，本设计采用的是GFP-F封装模式。STM-16的传输速率是2．488 32 Gb／s。STM-16一共包括16路STM-1信号，STM-1的传输速率是155．52 Mb／s。STM-1信号采用虚级联方式，利用VC-4-XV(X=1～7)最多采用7路STM-1信号即可传输1路GE信号。剩余STM-1通道的信号用来传输其他数据业务。
    以太网数据在SDH设备中传输过程如下：在SDH发送部分中，以太网通过接口处理芯片产生MAC数据帧，通过GMII接口传送给FPGA。FPGA将MAC帧进行GFP协议的封装，然后映射到SDH的虚容器VC当中，再通过添加复用段和再生段开销，生成STM-16数据帧，发送给光模块再上到光网络；在SDH接收部分中，光接收模块从光网络将STM-16数据帧接收F来发送给FPGA，FPGA在内部处理相关的开销，再将GFP数据帧从VC虚容器中提取出来，通过解帧处理，将以太网的MAC帧还原出来，经过处理后发送给以太网。
    FPGA的内部设计可以分成发送模块和接收模块两部分。其中，发送模块可以分为以太网数据接收预处理模块、GFP成帧模块、SDH成帧模块；接收模块可以分为SDH解帧模块、GFP解帧模块、以太网数据发送处理模块。发送和接收模块示意图分别如图1和图2所示。

    发送部分的三个模块的功能分别如下：以太网数据接收处理模块利用FIFO缓存模块存储每一个有效MAC数据帧的数据和长度。同时实现数据从以太网时钟域到SDH时钟域的转换；GFP成帧模块对以太网MAC帧进行GFP封装，通过调整GFP数据帧和GFP空闲帧的插入，将以太网MAC帧映射到SDH的高阶VC-4虚容器中；SDH成帧模块对虚容器进一步处理，添加开销字段，生成STM-16数据帧，再利用FPGA内部的GTP接口将16位155. 52MHz的并行数据转化为一路2 488．32 MHz高速LVDS差分信号发送出去。
    接收部分实现的过程是发送部分的逆过程。
    GFP成帧模块分为GFP数据帧产生模块、空闲帧产生模块、插入帧选择模块、GFP扰码模块；GFP解帧模块分为GFP帧同步模块、GFP解扰模块、GFP接收帧处理模块。
    GFP数据帧产生模块在去掉MAC帧8 B前导码后，将剩余部分的数据封装为GFP数据帧。按照GFP协议添加4 B的核心头部和4 B的净负荷域头部，将非定长的以太网MAC帧添加到净负荷信息字段，在帧尾添加4 B的净负荷帧校验序列(FCS)。
    空闲帧实际上属于GFP用户管理帧的一种，没有净负荷域，只包含一个GFP核心帧头，是4 B的全0比特与序列“B6AB31E0”异或所得。
    插入帧选择模块根据流量情况调整数据帧和空闲帧的插入，在没有数据帧要发送时，插入空闲帧，以保证GFP数据流的连续性。
    在整个FPGA设计中，接收端的帧同步模块是比较重要的，它主要进行GFP帧的帧头搜索和同步保持处理。同步状态转移图如图3所示。

    用一个状态机表示三种状态，即搜索态、预同步态和同步态。在预同步状态和同步状态时都只取1帧进行状态跳转判断。状态机在FPGA初始化时默认处于搜索状态，然后在连续的GFP数据流中进行帧头的搜索判断，将连续的数据流在每个时钟周期按字节存入缓存器中，在每个时钟周期进行4 B的扰码判断，即连续的4个字节与扰码序列“B6AB31E0”进行异或，得到的4 B数据中前2个字节根据扰码多项式G(x)=X16+X12 +X5+1生成2个字节的校验值，然后与后2个字节进行比较，如果一致则表示找到了帧头，进入到预同步态。在预同步态继续在一帧帧头的相应时刻进行帧头的判断，如果正确则跳转到同步态，否则重新跳转到搜索态，继续寻找帧头。如果进入到同步态，和预同步态一样，也在一帧帧头的相应时刻进行判断，如果正确则继续保持在同步态，否则跳转到搜索态，重新在数据流中进行帧头的搜索。只有在处于同步状态时才能继续对数据进行后续处理。
    在SDH和GFP协议的成帧解帧里都要进行扰码和解扰处理。SDH的扰码多项式为G(x)=X7+X6+1，GFP对核心头部PLI的扰码多项式为G(x)=X16 +X12+X5+1，GFP净负荷域的扰码多项式为G(x)=x43+1。这些扰码器都为串行扰码器，对于GE这种速率的数据如果也采用串行处理方式的话，FPGA内部是无法实现的。经过转换处理，可以将串行扰码器变为并行扰码器再进行扰码，即可降低处理速度，满足时序要求。

2 仿真综合及实现
    本设计采用VHDL硬件描述语言，使用的是XILINX公司带有高速SERDES接口的SPARTAN-6芯片，利用ISE 12．1和仿真软件进行了综合和仿真。由于FPGA的内部资源较为丰富，本身自带的IP核具有可靠性、方便性和灵活性的特点。时钟部分使用了XIUNX芯片内部的DCM时钟管理模块，双端口RAM以及FIFO缓存器都使用了FPGA的内部IP核资源。高速数据接口部分使用的是芯片内部的GTP模块，去掉了外部高速接口转换芯片，简化了电路板的设计，不但提高了设计效率，也提高了系统设计的稳定性。
    图4和图5表示的是对EOS数据进行VC-4-7V虚级联后的部分时序仿真图。

    图4中，data_frm_state信号表示的是帧同步状态机。在数据流中，状态机一开始处于hunt状态，一旦找到帧头，则进入到presync状态；如果帧头检测没有错误，则继续跳转到sync状态；如果帧头判断正确，那么状态机就一直保持在sync状态。
    图5中，s_datain信号表示的是解码前的数据，s_dataout信号表示的是根据扰码多项式G(x)=X43+1解扰后的数据。

3 结语
    综上所述，利用FPGA可以实现千兆以太网MAC帧在SDH数据帧中的封装和映射，配合外围接口电路的使用，可以实现GE在STM-16中的传输。EOS技术既增强了以太网传输的覆盖范围，也丰富了SDH设备的传输接口，极大地方便了用户的使用。同时，利用FPGA进行设计，大大缩短了开发的周期，也便于以后的升级和维护。