基于ASIC+FPGA的IPv6路由器PoS接口设计

1万 · 2012-8-1 19:41

IP over SDH(PoS)技术是通过SDH提供的高速传输通道直接传送IP分组，它位于数据传输骨干网，使用点到点协议PPP将IP数据包映射到SDH帧上，按各次群相应的线速率进行连续传输，其网络主要由大容量的高端路由器经由高速光纤传输通道连接而成。这种技术实际上是对传统IP网络概念的延续，完全兼容传统的IP协议体系，只是在物理通道上借助SDH提供的点到点物理连接，从而使速率提高到Gbit/s量级，因此PoS技术现在和今后都将是非常重要的IP网络传输手段。　　155Mbit/s PoS接口是IPv6路由器所提供的一种重要的PoS接口，本文介绍基于PMC公司PM5380型8×155Mbit/s和Xilinx公司VIRTEX-II PRO型300万门的大规模可编程器件的网络接口硬件设计与实现方案，也给出其中关键的FPGA设计。该设计在国家数字交换系统工程技术研究中心研制的IPv6路由器（国家863重大项目）中已经获得实现，性能良好。

1万 · 2012-8-1 19:41

1 155Mbit/s PoS接口工作原理　　1.1 IPv6路由器体系结构
　　IPv6路由器主要包含如下子系统：线路接口子系统、多功能转发子系统（“多功能”主要是指该转发系统支持多种协议类型：IPv4、IPv6、MPLS）、高速交换子系统和主控（完成各个子系统的管理，集中处理本路由器收到的路由信息，计算并更新路由表）以及OAM（操作维护台）。图1是IPv6路由器的体系结构。

　　不同类型的网络分别通过相应类型的线路接口接入路由器，数据从线路接口进入路由器后再进行转发和交换，在此过程获取指明下一路网络的路的信息，最终从相应的接口以输出网络要求的格式输出。PoS线路接口就是是线路接口子系统的一种。

1万 · 2012-8-1 19:42

　1．2 155Mbit/s PoS接口的工作原理

　　155Mbit/s PoS线路接口板的设计目标是为IPv6路由器提供8个155Mbit/s PoS接口，并支持IPv4、IPv6和MPLS包。在接收方向上将封装在SDH帧中的IP包提取出来送到协议处理单元或转发模块处理；在发送方向上将IP包封装在SDH帧中，然后送到SDH传送网上。

　　155Mbit/s PoS线路接口板的主要功能就是实现IP数据包和SDH帧的映射和去映射，具体功能可从接收和发送二个方向详细描述。

　　在接收方向（到达路由器）的主要功能有：

　　·接收外部线路光信号，进行光/电转换，以串行数据输出；

　　·对串行数据进行串并转换，得到SDH帧；

　　·对SDH帧进行去开销和拆帧处理，输出SDH网管信息并提取出HDLC帧；

　　·从HDLC帧中提取出PPP分组；

　　·检测PPP分组类型，区分PPP协议分组和PPP数据分组；

　　·对于PPP协议分组，送到线路接口处理机去处理；

　　·对于PPP数据分组，提取出其中的IP包或MPLS包，按照要求格式转换后送到缓存（FIFO）中。发送方向（离开路由器）的主要功能有：

　　·接收输出处理模块的IP分组，去除内部IP包头，形成PPP分组，并将它输出到相应的线路接口上；

　　·接收本地生成的PPP协议分组；

　　·将PPP协议分组与该线路接口上的PPP数据分组进行合路；对每一路PPP分组进行HDLC成帧和SDH成帧处理；

　　·对SDH帧数据进行并串行转换；

　　·将串行数据进行电光转换后发送出去。

1万 · 2012-8-1 19:42

2 系统设计　　根据155Mbit/s PoS线路接口板要实现的主要功能和PoS的工作原理，可以将155M PoS线路接口分为8个模块：光电转换模块、定时处理模块、串并转换模块、SDH和HDLC处理模块、PPP处理模块、处理机模块、输入缓存模块和输出缓存模块，其逻辑结构框图如图2所示。

其中，光电转换模块主要实现光信号和电信号之间的转换。定时处理模块负责从接收的串行数据中提取时钟信号。串并转换模块实现串行数据和并行数据之间的转换。在接收方向上，在对信号进行串并转换之前，对于串行的输入数据需要进行帧和字节边界的检测。SDH和HDLC处理模块是155M PoS线路接口的关键模块，完成STM-1的映身教处理及HDLC帧格式的封装和拆装。PPP处理模块主要完成对PPP分组的硬件处理。处理机模块负责单板的初始化、状态监测和控制、处理PPP协议分组以及与主控通信等任务。输入缓存用来存放线路接口发送转发处理的数据包，输出缓存用来存放调度输出后送给线路接口的数据包。

1万 · 2012-8-1 19:42

　根据目前的技术水平，可选择如下方案：光电转换模块由专用的光电器件完成，串并转换、定时处理、HDLC/SDH等物理层处理功能由专用电路完成，而PPP处理由FPGA完成。

3 关键电路的选型及说明　　　　物理层处理电路采用PMC公司的PM5380，它是一款新型的PoS/ATM专用处理电路，支持8路独立的ATM/PoS接口。该电路具有极高的集成度，将定时提取模块、串行转换模块、段开销处理模块、通道开销处理模块、路开销处理模块和HDLC处理模块等集成到一起，功能非常强大。其内部结构见图3。

1万 · 2012-8-1 19:42

PM5380的设计符合IETF PPP工作组提出的PPP over SDH/SONET规范；支持8路全双工155Mbit/s的STM-1接口，并带有数据和时钟恢复（CDR）电路；完全符合Utopia-2接口规范，支持多地址和奇偶校验；对PoS应用提供相

当于Utopia-2的系统接口，16位总线宽度，支持包传送和字节传送，内置8个FIFO缓存对应接口的数据；提供串行的155Mbit/s的接口与光器件对接，并且都是差分线路；提供一个通用的八位微处理器接口来完成PM5380的初始化配置、工作控制以及状态监测；支持线路环回、串行环回和并行环回；单电源3.3VCMOS制作工艺，输入兼容PECL和TTL电平，输出为TTL电平。在本设计中，需要通过处理机配置相应的寄存器，使PM5380工作于PoS模式。

　　FPGA选用Xilinx公司VIRTEX-II PRO，该电路是300万门级的FPGA，其高速I/O模块可提供多达16路Rocket I/O，内置Power PC核提供高性能的数字时钟管理，并且具有强大的开发软件支持。

1万 · 2012-8-1 19:42

4 实现方案　　图4为155Mbit/s PoS接口的实现方案图。在输入方向上，从光纤传入的信号经光电转换后送入PM5380，完成定时处理、帧同步，从输入比特流中提取出SDH帧并进而恢复出PPP帧，并按接口缓存于内部8个FIFO中。输入链路处理模块轮询读取PM5380的FIFO，获得PPP帧并完成PPP相关处理，恢复出IP报文并且完成查IP地址表的工作，将协议报文交处理机，而普通的数据报文合路输入FIFO，进而通过FPGA的Rocket I/O（高速I/O）送转发处理。

在输出方向上，从转发过来的数据报文经Rocket I/O送FPGA内部，在输出链路处理模块中完成与协议报文的合路并且封装成PPP帧，然后根据内部报文格式中的出接口号来判断送往ASIC的哪个接口；ASIC完成SDH帧的映射，最后经电光转换通过光纤送到外部SDH网络。

1万 · 2012-8-1 19:42

5 FPGA设计　　图5中的虚线框内为输入FPGA设计原理。输入FPGA的轮询接收模块从PM5380的FIFO中轮询读取8个外部接口的数据，并将完整的PPP包缓存；分拣模块查本地IP表，将协议报文缓存于协议FIFO并经处理机送交主控处理，需转发的数据报文送转发FIFO。图中的MPM5380管理模块负责产生处理机管理PM5380时所需要的时序，CPU模块负责和860的交互，时钟模块产生系统时钟，它们是公共模块。