VLAN及在千兆以太網(wǎng)MAC中的實(shí)現(xiàn)

王立瑩，王俊芳，曹 琨，李 鑫

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

VLAN是一種將局域網(wǎng)內(nèi)設(shè)備邏輯地劃分成獨(dú)立網(wǎng)段來實(shí)現(xiàn)虛擬工作組的新興技術(shù)。IEEE于1999年頒布了用以標(biāo)準(zhǔn)化虛擬局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方案的802.1Q協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)草案，即Virtual Bridged Local Area Networks協(xié)議［1］，規(guī)定了VLAN的國際標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)，從而使不同廠商之間的VLAN互通成為可能。

MAC是以太網(wǎng) IEEE 802.3［2］協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)鏈路層的一部分，是連接以太網(wǎng)物理層和網(wǎng)絡(luò)層的中間協(xié)議層，MAC協(xié)議是數(shù)據(jù)幀收發(fā)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)上層數(shù)據(jù)和物理層比特流的封裝和解封、流量控制以及差錯(cuò)校驗(yàn)等一系列功能［3］。在實(shí)際應(yīng)用中，要求網(wǎng)絡(luò)接口能對不同的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行區(qū)分，VLAN技術(shù)正能滿足設(shè)計(jì)要求。下面從VLAN的基本內(nèi)容介紹出發(fā)，討論使用Altera公司FPGA來完成千兆以太網(wǎng)MAC及VLAN的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 VLAN基本原理

1.1 802.1Q的以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)

802.1 Q協(xié)議主要規(guī)定了VLAN的實(shí)現(xiàn)。與標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀頭相比，VLAN報(bào)文格式在源地址后增加了一個(gè)4字節(jié)的VLAN標(biāo)簽。VLAN幀結(jié)構(gòu)［4］如圖1所示。

圖1 VLAN幀結(jié)構(gòu)

各個(gè)字段的詳細(xì)含義如下:

①Preamble:前導(dǎo)碼，此部分為7 byte交替出現(xiàn)的0和1;

② SFD(Start Frame Delimiter):幀起始符，此段用1 byte(11010101)作為幀開始的信號;

③ MAC Dest(MAC Destination Address):以太網(wǎng)幀的目的地址，包含6 byte;

④ MAC Source(MAC Source Address):以太網(wǎng)幀的源地址，包含6 byte;

⑤ Type/Length:類型或者長度字段，占用2 byte;

⑥Info:MAC幀中的有效數(shù)據(jù)字段;

⑦ FCS(Frame Check Sequence):幀校驗(yàn)序列字段，占用4 byte;

⑧ TPID(Tag Protocol Identifier):標(biāo)簽協(xié)議標(biāo)志，包含了一個(gè)固定的值0x8100;

⑨TCI(Tag Protocol Identifier):標(biāo)簽控制信息，占用2 byte，此字段中定義了此幀的優(yōu)先級PCP，占用3 bit，規(guī)范格式指示 CFI，占用1 bit，以及12 bit的VLAN ID。

1.2 VLAN劃分的策略

劃分VLAN的基本策略通常有:基于端口的VLAN劃分;基于MAC地址的VLAN劃分;基于網(wǎng)絡(luò)層的VLAN劃分;基于策略的VLAN劃分［5，6］等。

本文中的千兆以太網(wǎng)MAC采用帶有標(biāo)記的幀結(jié)構(gòu)是為了區(qū)分控制幀和業(yè)務(wù)幀，對控制幀和業(yè)務(wù)幀賦予不同的VLAN ID，對不同類型幀進(jìn)行相應(yīng)的處理，控制幀在MAC中解析后放入接收FIFO中，CPU對控制幀進(jìn)行解析處理，業(yè)務(wù)幀則在去掉MAC頭后放入接收數(shù)據(jù)FIFO中。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

千兆以太網(wǎng)MAC的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要由MAC發(fā)送模塊、MAC接收模塊和收發(fā) FIFO組成。

圖2 千兆以太網(wǎng)MAC控制器的結(jié)構(gòu)

FPGA采用 Altera公司的 CycloneⅡ系列的EP2C70F672芯片，千兆PHY芯片選用MARVEL公司的88E1111，外接RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，該器件可工作于10/100/1 000M模式，雙工/半雙工模式可選，用于實(shí)現(xiàn)千兆以太網(wǎng)物理層協(xié)議。

2.1 MAC接收模塊

MAC接收模塊數(shù)據(jù)從PHY芯片經(jīng)GMII接口到MAC接收模塊，MAC接收模塊完成功能如下:

①移除幀的前導(dǎo)碼和幀起始符;

②過濾無效MAC地址的接收幀;

③判斷VLAN ID，區(qū)分業(yè)務(wù)幀和控制幀，并刪除VLAN;

④把接收幀寫到對應(yīng)接收FIFO;

⑤接收業(yè)務(wù)幀、控制幀計(jì)數(shù)。

以太網(wǎng)接收部分MAC內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。

圖3 接收狀態(tài)機(jī)各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換

MAC接收模塊復(fù)位后，模塊處于IDLE狀態(tài)并監(jiān)聽總線的狀態(tài)。此狀態(tài)下，當(dāng)RX-DV信號變?yōu)楦唠娖奖砻鹘邮諗?shù)據(jù)有效，此時(shí)如果檢測到以太網(wǎng)幀的前導(dǎo)碼0x55，則自動進(jìn)入RX Premble狀態(tài)，如果再接收到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的幀定界符0xD5，則MAC接收模塊進(jìn)入MAC Dest Check狀態(tài)，通過與配置好的目的地址比對后，判斷是否與本站地址匹配，如果不匹配，則丟棄并返回IDLE狀態(tài)，否則，進(jìn)入VLAN Check狀態(tài)，通過與預(yù)先配置好的VLAN ID對比，判斷接收數(shù)據(jù)為業(yè)務(wù)幀還是控制幀，如為數(shù)據(jù)幀，則進(jìn)入RX Data狀態(tài)開始接收數(shù)據(jù)，否則，進(jìn)入RX Protocol狀態(tài)開始接收控制字段。數(shù)據(jù)接收完畢后，則將接收到的數(shù)據(jù)存貯到對應(yīng)的接收FIFO。

2.2 MAC發(fā)送模塊

MAC發(fā)送模塊完成功能如下:

①判斷發(fā)送為業(yè)務(wù)字段或控制字段，賦予對應(yīng)的VLAN ID;

②幀傳輸以前生成相應(yīng)的前導(dǎo)碼和幀起始符;

③幀填充，使Info達(dá)到最小長度46 byte;

④計(jì)算并添加FCS到傳輸幀;

⑤以正確的間隔發(fā)送幀。

⑥發(fā)送業(yè)務(wù)幀、控制幀計(jì)數(shù)。

以太網(wǎng)發(fā)送部分MAC內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示。

MAC發(fā)送模塊復(fù)位后，進(jìn)入IDLE狀態(tài)。此狀態(tài)下，如果發(fā)送FIFO不為空，模塊轉(zhuǎn)入Data TYPE Check狀態(tài)，如為業(yè)務(wù)幀，則VLAN ID配置成業(yè)務(wù)幀對應(yīng)值，否則，配置成控制幀對應(yīng)值。接著進(jìn)入TX Premble發(fā)送狀態(tài)，先發(fā)送7 byte前導(dǎo)碼(0x55)，再發(fā)送1 byte的幀起始符(0xD5)，然后轉(zhuǎn)入TX VLAN狀態(tài)，插入 VLAN TAG，先發(fā)送2 byte的 TPID(0x8100)，再發(fā)送對應(yīng)的TCI，再轉(zhuǎn)入TX Data/Protocol狀態(tài)，先發(fā)送6 byte的目的地址，然后發(fā)送6 byte的源地址，接著發(fā)送2 byte的數(shù)據(jù)/類型字段，接著發(fā)送有效數(shù)據(jù)，如果發(fā)送有效數(shù)據(jù)小于46 byte，則轉(zhuǎn)入PAD狀態(tài)，填充數(shù)據(jù)字段到46 byte，否則直接轉(zhuǎn)入TX FCS狀態(tài)，填充數(shù)據(jù)發(fā)送后，也進(jìn)入TX FCS狀態(tài)，F(xiàn)CS發(fā)送完后，轉(zhuǎn)入 IPG狀態(tài)，等待12 byte數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間后，返回IDLE狀態(tài)，準(zhǔn)備下一幀數(shù)據(jù)發(fā)送。

圖4 發(fā)送狀態(tài)機(jī)各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)采用 Altera Cyclone II系列 FPGA芯片EP2C70F672，整個(gè)設(shè)計(jì)采用VHDL硬件描述語言來實(shí)現(xiàn)，在Altera Quartus II 9.1開發(fā)平臺上完成整個(gè)模塊的設(shè)計(jì)、綜合及布局布線，利用InterWatch M7性能測試與協(xié)議分析儀構(gòu)建以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，并使用Altera Quartus II 9.1自帶的SignalTap II內(nèi)嵌邏輯分析儀在PC機(jī)上對千兆以太網(wǎng)MAC進(jìn)行數(shù)據(jù)包的捕獲分析。測試框圖如圖5所示。

圖5 測試框圖

測試步驟如下:

①通過以太網(wǎng)線，將電路板RJ45接口與測試儀InterWatch M7的以太網(wǎng)板卡正確連接;

②設(shè)置測試儀對應(yīng)以太網(wǎng)接口為自適應(yīng)模式;

③配置測試數(shù)據(jù)的鏈路層協(xié)議參數(shù)、IP地址、FCS和包長等;

④設(shè)置測試儀端口帶寬，啟動InterWatch M7;

⑤啟動SignalTap II內(nèi)嵌邏輯分析儀捕獲千兆以太網(wǎng)接口數(shù)據(jù)。

SignalTap II邏輯分析儀接收的以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)為流數(shù)據(jù)，具體為7 個(gè) 55，D5，00，45，45，45，01，00，00，45，45，45，02，00，81，00，00，21，08，00，45，00，00，2E，00，00，00，00，40，00，7C，CE，7F，00，00，01，7F，00，00，01，00，01，02 ～ 18，00，C6，7C，45，B3。其中，目的MAC地址為00－45－45－45－01－00，源MAC地址為00－45－45－45－02－00，TPID為0x8100，VLAN ID 為0x21，數(shù)據(jù)類型為0x0800，MAC幀中的有效數(shù)據(jù)字段為0x2E個(gè)，即46個(gè)，最后4個(gè)字節(jié)是FCS序列32’hC67C45B3。

4 結(jié)束語

介紹了VLAN的基本原理以及基于FPGA的千兆全雙工以太網(wǎng)MAC中VLAN的實(shí)現(xiàn)。上述設(shè)計(jì)可用于實(shí)現(xiàn)1 000 Mbps的全雙工以太網(wǎng)通信，完成千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的收發(fā)，VLAN的添加與移除，業(yè)務(wù)幀、控制幀的區(qū)分，MAC地址過濾，包填充功能，并提供了收發(fā)統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)等功能，通過了FPGA驗(yàn)證。

［1］IEEE Std 802.1Q.Virtual Bridged Local Area Networks［S］，2005.

［2］IEEE Std 802.3.Telecommunications and Information Exchange between Systems Local and Etropolitan Area Networks Specific Requirements.Part 3:Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection(CSMA/CD)Access Method and Physical Layer Specifications［S］，2008.

［3］謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(第4版)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003.

［4］周仁邦，毛國華.VLAN干線傳輸協(xié)議［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2006(8):93－97.

［5］孫廣波，謝 俊，張 琛.3G網(wǎng)絡(luò)VLAN劃分方案［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(15):96－98.

［6］李德水.基于IEEE 802.1Q幀標(biāo)記的VLAN實(shí)現(xiàn)原理［J］.信息技術(shù)，2006(10):68－70.