基于以太網(wǎng)PHY的高速可靠數(shù)據(jù)傳輸方法實現(xiàn)*

單 杰，武 杰，劉列峰

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代物理系 核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室，安徽 合肥230026）

在各種不同的場合中，人們需要將大批數(shù)據(jù)從一個設(shè)備無差錯地傳輸?shù)搅硪粋€設(shè)備上。對于設(shè)備間距離較近的場合，可以選擇PCIE（典型距離是15～30 cm）或者USB（最長傳輸距離5 m）等接口。而對于距離較遠的場合，可以選擇RS232、RS485、以太網(wǎng)等傳輸介質(zhì)，并在此基礎(chǔ)上，通過上層協(xié)議來保證數(shù)據(jù)的可靠性。上層協(xié)議通常用檢錯重傳機制來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，如TFTP、TCP/IP、SCTP以及可靠UDP等。這些協(xié)議都必須依靠較為復(fù)雜的CPU運算和內(nèi)存拷貝來實現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)墓δ?。比如在Linux下，TCP/IP協(xié)議每發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，CPU需要執(zhí)行約14 000條指令[1]。因此CPU的工作頻率、內(nèi)存的讀寫速度、硬件I/O帶寬都會影響TCP/IP的速度。一些嵌入式系統(tǒng)上TCP性能測試如表1所示。

表1 嵌入式處理器在不同主頻下TCP傳輸速度測試[2]

CPU處理能力越強，TCP傳輸速度越高。與此同時，在最大傳輸單元為9 000 B時（即相對MTU1 500包長度增加6倍，包處理頻度下降6倍），則傳輸速度大幅提高。這也從側(cè)面說明了CPU處理能力對TCP傳輸速度的影響。

在點對點傳輸和局域網(wǎng)傳輸中，往往不需要完善的路由機制和流量控制，但同樣需要一種可靠的數(shù)據(jù)傳輸手段。傳統(tǒng)的TCP協(xié)議依賴CPU運算的特性，使得傳輸速度受到限制，并且受CPU負荷變化影響而速率不穩(wěn)定[2]。從提高傳輸效率和減輕對CPU的依賴兩方面考慮，提出一種基于硬件實現(xiàn)的高速可靠數(shù)據(jù)傳輸方法，將CPU從頻繁的協(xié)議運算中解放出來。該方法可以在千兆以太網(wǎng)PHY所提供的物理層通信鏈路的基礎(chǔ)上，通過編寫FPGA邏輯，在硬件上實現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議，然后使用如PCIE這樣的接口將數(shù)據(jù)提供給計算機系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 簡化分層網(wǎng)絡(luò)模型——高速可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆謱铀枷?/p>

1 選擇重發(fā)機制提供可靠數(shù)據(jù)傳輸

保證數(shù)據(jù)傳輸過程中的可靠性有多種方式，如糾錯碼、信息反饋和檢錯重發(fā)機制。選擇重發(fā)是檢錯重發(fā)的實現(xiàn)方法之一，相對于等待重發(fā)和退回重發(fā)，它具有高效率的特點，因而被廣泛采用。比如在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中，就是用檢錯重發(fā)機制的原理。但TCP協(xié)議中包括較為復(fù)雜的流量控制機制和擁塞控制機制，它們被設(shè)計來應(yīng)對異構(gòu)的、大范圍的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

而在點對點傳輸?shù)膽?yīng)用中，或者在任務(wù)明確、拓撲簡單的局域網(wǎng)中，不需要復(fù)雜的路由機制和流量控制，因而可以簡化被廣泛使用的檢錯重傳機制，使得可靠性協(xié)議可以通過硬件實現(xiàn)。

如圖2所示，將數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)倪^程概括如下：

（1）待發(fā)送的數(shù)據(jù)在發(fā)送端打包，加上必要的識別信息和校驗信息，存入發(fā)送端的緩存；

（2）待以太網(wǎng)信道可用之后將數(shù)據(jù)包通過千兆以太網(wǎng)發(fā)送給接收方；

（3）接收方收到數(shù)據(jù)包之后對內(nèi)容進行校驗，確認數(shù)據(jù)無誤之后將識別信息通過ACK數(shù)據(jù)包反饋給發(fā)送方；

（4）發(fā)送方的緩存接收識別信息后確認數(shù)據(jù)已安全抵達接收方，清空緩存等待發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包；

（5）發(fā)送方在設(shè)定的時間內(nèi)沒有接收到帶有相應(yīng)識別信息的ACK反饋，則進行重新發(fā)送，重發(fā)超過一定次數(shù)則報錯。

圖2 可靠傳輸過程示意圖

校驗信息選擇使用和以太網(wǎng)兼容的CRC32，編碼冗余度較低（為0.26%）?？梢灶A(yù)見，在一般的誤碼率情況下（1×10-10），該方法可以實現(xiàn)高速的可靠傳輸[4]。

2 可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布崿F(xiàn)

用硬件的方式實現(xiàn)所述的可靠傳輸，將會極大地降低對發(fā)送方和接收方在協(xié)議運算上對CPU資源的依賴，這點與TCP協(xié)議大為不同。

如圖3所示，相較于TCP協(xié)議，硬件協(xié)議在接收數(shù)據(jù)時數(shù)據(jù)流大大簡化。

圖3 TCP協(xié)議和硬件協(xié)議內(nèi)存數(shù)據(jù)流比較

TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)流：

（1）網(wǎng)卡接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通過PCIE以DMA的方式寫入上位機內(nèi)存，并觸發(fā)中斷；

（2）網(wǎng)絡(luò)包內(nèi)存拷貝進入OS協(xié)議層；

（3）對網(wǎng)絡(luò)包的協(xié)議運算，檢查包頭信息和CRC校驗等；

（4）確定無誤后發(fā)送ACK包；

（5）將有效數(shù)據(jù)提供給上層用戶。

硬件協(xié)議的數(shù)據(jù)流：

（1）設(shè)備卡FPGA檢驗數(shù)據(jù)正確性自發(fā)產(chǎn)生ACK回應(yīng)包，將有效數(shù)據(jù)通過PCIE以DMA的方式寫入上位機內(nèi)存，可選擇觸發(fā)中斷或輪詢；

（2）驅(qū)動層直接將數(shù)據(jù)提供給用戶。

發(fā)送過程與接收過程相反，情況類似，不再贅述。可見，利用FPGA實現(xiàn)的硬件協(xié)議省去了上位機軟件協(xié)議運算和內(nèi)存拷貝，直接將有效數(shù)據(jù)提供給上層用戶，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎退俣?，極大地減輕了CPU運算負荷，省去了對CPU的頻繁中斷，從而獲得不依賴于CPU性能的穩(wěn)定高速的可靠數(shù)據(jù)傳輸。這點是軟件協(xié)議優(yōu)化難以實現(xiàn)的。

2.1 硬件平臺

設(shè)計PCIE接口設(shè)備卡，搭載Xilinx Spartan 6 FPGA和Broadcom千兆以太網(wǎng)PHY芯片。FPGA是設(shè)備的核心。在FPGA上部署PCIE接口模塊和Ethernet接口模塊，并設(shè)計內(nèi)部邏輯實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

2.2 FPGA邏輯模塊的設(shè)計

FPGA的邏輯設(shè)計需要保證數(shù)據(jù)流的順暢，各個模塊的互聯(lián)。采用硬件算法，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分組打包和節(jié)點間的應(yīng)答握手機制，保證每個數(shù)據(jù)包正確無誤地抵達目標設(shè)備。FPGA內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中對于數(shù)據(jù)的可靠傳輸是在Tx和Rx模塊中的狀態(tài)機控制下實現(xiàn)的，Ethernet模塊為Xilinx的TriMode Ethernet MAC Core，提供了對各種速率 （10/100/1 000 M）的以太網(wǎng)PHY的支持。位于邏輯核心區(qū)域的InterConnect模塊為多個端口之間提供了可動態(tài)配置的互聯(lián)，因而為可能的網(wǎng)絡(luò)拓撲提供支持。PCIE模塊為上位機提供了訪問FPGA的數(shù)據(jù)和命令通道。

圖4 FPGA內(nèi)部邏輯模塊

FPGA各個模塊的說明：

（1）PCIE，使 用Xilinx的s6_pcie：2.4 Logic Core[5]。開辟兩個用戶地址空間，一個用于訪問內(nèi)部狀態(tài)控制寄存器，另一個用于訪問FPGA數(shù)據(jù)。

（2）InterConnect，在內(nèi)部寄存器的控制下，將各個Ethernet端口和上位機數(shù)據(jù)端口按照一定的規(guī)則互聯(lián)起來，可以做到指定端口之間的轉(zhuǎn)發(fā)和特定端口的收發(fā)操作。并且在verilog編碼中采用參數(shù)化的風(fēng)格，方便多端口的擴展。這樣，在上位機控制軟件的配合下，可以實現(xiàn)多個端口之間的靈活轉(zhuǎn)發(fā)，因而可以方便地組建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。InterConnect數(shù)據(jù)位寬可靈活配置，對于千兆網(wǎng)應(yīng)用可配置為16位寬。該模塊包括FPGA內(nèi)部其他模塊，時鐘頻率為75 MHz。

（3）Tx模塊，其他端口的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)或者上位機的發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)由InterConnect傳送到Tx模塊中，在Tx模塊的邏輯調(diào)度下以數(shù)據(jù)包為單位暫存在某一個Buffer中。每個Buffer都有獨立的狀態(tài)機控制。數(shù)據(jù)包在Buffer中準備好之后會在Tx模塊的邏輯調(diào)度下發(fā)送至Ethernet模塊，相應(yīng)的Buffer狀態(tài)機處于等待ACK的狀態(tài)。在計數(shù)器超時后觸發(fā)重傳，重傳一定次數(shù)依然沒有正確ACK回應(yīng)則報錯。每個Tx模塊中可以參數(shù)化地配置多個Buffer，通過多個Buffer的協(xié)作可以極大地提高信道利用效率。

（4）Rx模塊，內(nèi)部邏輯維護一個類似FIFO的存儲結(jié)構(gòu)。每當接收一個數(shù)據(jù)幀時，通過累加寫指針將數(shù)據(jù)暫存入RAM中，并在狀態(tài)機控制下記錄當前幀的目的/源地址、幀類型，序號等信息。如果是ACK幀則把相應(yīng)的幀識別信息傳遞給Tx模塊；如果是需要接收的幀則在幀接收完后指示存儲器數(shù)據(jù)有效，數(shù)據(jù)有效信號將促使待轉(zhuǎn)發(fā)模塊或者CPU接收FIFO讀取該幀。Rx和Tx的以太網(wǎng)端口數(shù)據(jù)位寬為8位，接口時鐘頻率為125 MHz。

（5）Ethernet模塊，使 用Xilinx的tri_mode_eth_mac：4.6 Logic Core[6]。該模塊提供CRC32編碼和校驗功能，提供對不同速率以太網(wǎng)的支持，并且對內(nèi)部邏輯提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口。

3 系統(tǒng)性能測試

為了盡可能完善地測試系統(tǒng)性能，從邏輯仿真和實測兩方面進行測試。

3.1 邏輯仿真測試

邏輯仿真是利用Xilinx ISim仿真器對FPGA邏輯的行為進行仿真預(yù)測。仿真測試的優(yōu)點是測試準備簡單，測試方法靈活；缺點是只能仿真FPGA邏輯部分，無法仿真其他硬件?？紤]到本數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的核心在FGPA上，并通過與實測數(shù)據(jù)比對，邏輯仿真可以在很大程度上真實反映系統(tǒng)性能。測試的是兩個節(jié)點之間的點對點傳輸。

（1）固定幀長1 024 B測試結(jié)果：帶寬利用效率為96.4%，數(shù)據(jù)傳輸速度為120.5 MB/s。

（2）隨機幀長測試結(jié)果：數(shù)據(jù)傳輸速度為99.4 MB/s，帶寬利用效率為79.5%。

仿真波形如圖5所示，rgmii_txen_A信號表明在這種情況下信道利用出現(xiàn)間隙。這是由于幀長度突然變長，需要等待內(nèi)部數(shù)據(jù)寫入Buffer。這種特殊情況可以通過增加Tx_buffer的數(shù)量來解決。

圖5 隨機長/短幀仿真波形

（3）人為添加誤碼測試結(jié)果：數(shù)據(jù)傳輸速度為106.7 MB/s，帶寬利用效率為85.3%。

測試幀長度為1 024 B，設(shè)定FPGA在發(fā)送端口隨機添加誤碼，測試添加誤碼率為0.000 76%。一般情況下誤碼率很低（平均一個誤碼造成一個數(shù)據(jù)包重傳）。單次誤碼造成的等待和重傳開銷是一定的，因而傳輸速度的變化值與誤碼率的關(guān)系可以近似看成正比關(guān)系（Δx：傳輸速率比變化；Δe：誤碼率）：Δx=kΔe。

測試時，人為添加誤碼率Δe=0.000 76%，Δx=-13.8 MB/s，求得k=-1.82×106MB/s。由此估計，在一般情況下（即誤碼率為1×10-10），傳輸速度變化Δx=-1.82 106 MB/s×10-10，為-18.2 KB/s，傳輸帶寬仍接近120.5 MB/s。

3.2 實際傳輸測試

測試兩個節(jié)點間點對點傳輸，需要兩個數(shù)據(jù)節(jié)點。節(jié)點A產(chǎn)生測試數(shù)據(jù)，節(jié)點B接收、校驗測試數(shù)據(jù)，并通過PCIE以DMA方式發(fā)送到PC端。通過PC端軟件檢查并統(tǒng)計100 s傳輸數(shù)據(jù)，接收11 742 592幀，共計12.024 GB數(shù)據(jù)。

測試結(jié)果：數(shù)據(jù)傳輸速度為120.2 MB/s；帶寬利用效率為96.2%，與仿真結(jié)果（96.4%）基本持平。

3.3 結(jié)論

根據(jù)測試結(jié)果，該硬件協(xié)議可以有效地進行可靠數(shù)據(jù)傳輸。在實際測試情況和可以預(yù)計的誤碼率情況下，順序傳輸大塊數(shù)據(jù)的傳輸速度可達到千兆以太網(wǎng)極限帶寬125 MB/s的96%，即120 MB/s。這個數(shù)據(jù)與TCP協(xié)議在MTU 9 000超長幀設(shè)定下的PowerPC405系統(tǒng)上的表現(xiàn)基本持平（平均考慮收和發(fā)），而遠高于MTU 1 500設(shè)定下的表現(xiàn)。TCP協(xié)議在低處理頻度下可換來更高的速度，這說明軟件協(xié)議的傳輸速度受CPU運算影響大，易產(chǎn)生波動。穩(wěn)定的高數(shù)據(jù)率則是硬件協(xié)議的優(yōu)點所在。

數(shù)據(jù)的可靠傳輸是一個具有普遍意義的話題。本文所闡述的在現(xiàn)有成熟以太網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上，利用FPGA硬件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速、可靠的傳輸。相較于復(fù)雜的TCP軟件協(xié)議，使用硬件協(xié)議能夠有效降低CPU負荷，并因此得到穩(wěn)定的高速數(shù)據(jù)傳輸速率。本文所述的硬件平臺支持多個以太網(wǎng)端口的擴展。節(jié)點內(nèi)端口之間的可配置轉(zhuǎn)發(fā)功能在板載MCU的控制下可實現(xiàn)靈活路由。這樣多個節(jié)點可以組成數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，因而為諸如高速數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)傳輸?shù)染W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了可行方案。

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