100G以太網(wǎng)中高位寬并行CRC的簡化方法

李傳輝，劉純武，黃芝平

(國防科學技術大學 機電工程與自動化學院，湖南 長沙 410073)

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100G以太網(wǎng)中高位寬并行CRC的簡化方法

李傳輝，劉純武，黃芝平

(國防科學技術大學 機電工程與自動化學院，湖南 長沙 410073)

在100G以太網(wǎng)媒體接入控制器(Media Access Control，MAC)的設計中，需要采用高位寬的并行數(shù)據(jù)來降低對時鐘的要求。在使用并行循環(huán)冗余校驗(Cyclical Redundancy Check，CRC)時會有一個問題，即需要計算CRC的數(shù)據(jù)域長度不一定是數(shù)據(jù)通道位寬的整數(shù)倍，導致最后一組數(shù)據(jù)無法使用數(shù)據(jù)通道的位寬對其進行CRC計算。為了解決這個問題，本文提出了在幀前填充0的處理方法。仿真和測試結果都驗證了該方法的可行性。該處理方法也能應用到其他的通信系統(tǒng)中。

100G以太網(wǎng)；并行CRC；高位寬

0 引言

IEEE在2010年發(fā)布了40/100G以太網(wǎng)標準[1]，其中MAC層仍然沿用以前的規(guī)定未作大的改變，只是100 Gb/s的高速率使得無法沿用以前的方法完成CRC值的計算，為此，本文提出了一種簡單有效的解決方法。

1 循環(huán)冗余校驗

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了確保接收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送端的數(shù)據(jù)一致，需要引入差錯控制機制。循環(huán)冗余校驗碼由于其誤碼監(jiān)測能力強，抗干擾能力優(yōu)異，被廣泛應用于線路檢錯。循環(huán)冗余檢驗是一種系統(tǒng)的縮短循環(huán)碼，它采用多項式編碼方法[2]。設被檢驗的信息碼有n位，信息系列M={mn-1mn-2…m0}，用多項式M(x)可表示為：

M(x) =mn-1xn-1+mn-2xn-2+ … +m1x1+m0x0

(1)

發(fā)送方和接收方使用同一個生成多項式G(x)，其是一個k階的二進制多項式，而且G(x)的首位和最后一位的系數(shù)都必須是1，其通用表達式為：

G(x)=xk+gk-1xk-1+gk-2xk-2+…+g1x+1

(2)

CRC的計算規(guī)則為發(fā)送方以xk·M(x)除以生成多項式G(x)，將得到的余數(shù)R(x)作為校驗值，這里的計算規(guī)則都是使用二進制運算規(guī)則，R(x)可表示為：

R(x)=CRC(M(x))=xk·M(x)modG(x)

(3)

發(fā)送方將CRC值隨數(shù)據(jù)一起發(fā)送給接收方，接收方對接收到的數(shù)據(jù)進行CRC值的計算，并將它與發(fā)送方的CRC值進行比較。如果數(shù)據(jù)傳輸過程中沒有錯誤，兩者的校驗值就會是一致的，相反如果得到的校驗值不一致，就可以判斷出數(shù)據(jù)在傳輸過程中發(fā)生了錯誤，這時接收方就可以丟棄當前數(shù)據(jù)或要求發(fā)送方重傳數(shù)據(jù)。CRC校驗可以百分百地檢測出所有的奇數(shù)個的隨機錯誤和長度小于等于k的突發(fā)錯誤。

2 100G以太網(wǎng)的CRC設計

圖1 以太網(wǎng)幀格式

在以太網(wǎng)通信中，CRC校驗具有重要作用。依據(jù)IEEE802.3以太網(wǎng)的幀格式(如圖1所示)，CRC計算的數(shù)據(jù)區(qū)域包括目的地址、原地址、長度/類型和負載數(shù)據(jù)區(qū)域。得到的CRC值作為幀校驗序列(Frame Check Sequence，F(xiàn)CS)填充在數(shù)據(jù)幀尾。其中規(guī)定了以太網(wǎng)幀F(xiàn)CS字段的生成算法為CRC-32，其生成的多項式表達式為：

G(x)=x32+x26+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1

(4)

在吉比特以上速率的通信系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的串行CRC校驗方法已無法滿足要求，所以現(xiàn)在有很多新型并行CRC計算方法[3-5]。因此在100G以太網(wǎng)中，其CRC也必須采用并行方法，CRC計算的并行位寬就是數(shù)據(jù)通道的位寬。提高數(shù)據(jù)位寬可以降低系統(tǒng)的時鐘頻率，但另一方面隨著并行數(shù)據(jù)位寬的增加會使得CRC電路的延遲時間增加，影響系統(tǒng)的時序性能。經(jīng)過綜合考慮本文中設計的數(shù)據(jù)并行位寬為320。

使用320位的高并行位寬會使得數(shù)據(jù)的處理變得復雜。比如在MAC層的發(fā)送方，上層客戶每個時鐘就會有一組320位40 B的數(shù)據(jù)送給MAC處理，CRC模塊就會使用320位的并行算法對其計算。當前的CRC值只與上一次數(shù)據(jù)得到的CRC值及當前的數(shù)據(jù)有關，CRC值初始化為全0，如圖2所示。

圖2 并行CRC生成模塊

問題是數(shù)據(jù)并不一定是40 B的整數(shù)倍關系，最后一組數(shù)據(jù)可能結束于任意位置，如圖3所示。

圖3 以太網(wǎng)幀邊界

在10G以太網(wǎng)中，數(shù)據(jù)位寬為64 bit，在參考文獻[6]中對這種情況的處理方法為同時設計從8 bit到64 bit的CRC生成模塊，根據(jù)有效字節(jié)數(shù)選擇使用其中一個。這一方法無疑會占用大量資源，而且利用率低。在100G以太網(wǎng)中數(shù)據(jù)位寬如果按320設計，需要多達40個不同的CRC模塊，加上一個40路的多選一電路，這樣的電路在資源使用和時序性能方面都是很糟糕的。所以這一方法無法用于100G以太網(wǎng)中。文獻[7]中提到了一種級聯(lián)結構可以計算任意字節(jié)的CRC，但此結構有個很明顯的缺點，即級聯(lián)越大，電路延遲線性增加，320位就需要級聯(lián)40次，這樣的電路無法滿足時序要求。文獻[2]中利用了CRC校驗具有的Magic Number特性，在數(shù)據(jù)幀后面添加0，使得可以只用一個64 bit的CRC模塊完成接收方的CRC校驗，但無法在數(shù)據(jù)發(fā)送方完成CRC值的計算。

3 幀前補0的并行CRC

上節(jié)提到的10G以太網(wǎng)CRC的處理方法都無法直接應用于100G以太網(wǎng)中。下面說明本文提出的方法：幀前補0后再進行CRC計算。

假設原始序列M有n位數(shù)據(jù)，n不是320位的整數(shù)倍。i是一個小于320的整數(shù)，且i+n為320的整數(shù)倍，在M前增加i個0構造為新序列M′：

M′(x)=0·xi+n-1+…+0·xn+M(x)=0+M(x)=M(x)

(5)

可以看出新序列在數(shù)值上與原來的序列值是一樣的。這個很好理解，就像在十進制中在最前面添加任意位數(shù)的0并不會改變這個數(shù)的數(shù)值一樣，當然這在二進制數(shù)當中同樣適用。新序列的數(shù)據(jù)長度成為了320的整數(shù)倍。

由CRC的計算公式(3)來看，CRC的結果只與序列的數(shù)值有關，所以用新序列計算CRC會得到與用原始數(shù)列同樣的結果。所以依據(jù)此原理，只需要設計一個320位的并行CRC模塊，計算時使用新的序列送給CRC模塊，這個方法可以計算任意字節(jié)數(shù)據(jù)幀的CRC值。

假設有一幀數(shù)據(jù)負載字節(jié)長度為len，加上目的地址、源地址和數(shù)據(jù)/類型字段的長度14 B，則該幀需要參與CRC計算的數(shù)據(jù)總長為L=len+14。令n=ceil(L/40)，ceil函數(shù)得到的是大于等于L/40的最小整數(shù)。令rem=mod(L,40)為L/40的余數(shù)，表示最后一組數(shù)據(jù)中有效數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，對應的com=40-rem表示無效的字節(jié)數(shù)，V=8*com則表示無效的比特數(shù)，也就是需要在幀前添加的0的比特個數(shù)。

在客戶端向MAC發(fā)送數(shù)據(jù)時，每個時鐘MAC層會收到一組數(shù)據(jù)Cur_data_in[319:0]，設計一組初始化為全0的寄存器Last_data_in[319:0]用來保存上一時鐘的數(shù)據(jù)。根據(jù)V值的大小將Cur_data_in和Last_data_in組合成一組新的數(shù)據(jù)Data_to_crc[319:0]，其組合關系為：

Data_to_crc[319：0]=Last_data_in[V-1：0]&Cur_data_in[319：V]

(6)

“&”表示并置連接，處理過程如圖4所示。新的序列就是送給CRC模塊的數(shù)據(jù)，從圖中可以看到在原始數(shù)據(jù)的前面添加了V個比特0。每組數(shù)據(jù)都可以使用320位的并行CRC進行處理，而且最后得到的結果與使用原始數(shù)據(jù)一樣。

圖4 數(shù)據(jù)處理過程

4 測試及分析

使用硬件描述語言VHDL實現(xiàn)上述的處理過程，并將程序下載到FPGA中進行測試，綜合出來的結果表明該方法在面積使用和運行速度方面的效果都很好。測試時客戶端給出了一些不同長度的以太網(wǎng)幀，使用Quartus II中的SignalTap工具對數(shù)據(jù)流進行采樣。圖5是rem值為18的一幀數(shù)據(jù)的第一組數(shù)據(jù)，可以看到data_to_crc在cur_data_in前面添加了22個比特0，這是符合設計預期結果的。圖6所示是該幀數(shù)據(jù)的最后一組數(shù)據(jù)，根據(jù)rem值，cur_data_in只有18 B的有效數(shù)據(jù)，所以data_to_crc也只取了其中的18 B有效數(shù)據(jù)，在CC處結束，此時的CRC值就是最終的FCS值為83ACF5C1。

為了驗證該值的正確性，使用8位并行CRC算法計算該幀的CRC值，在ModelSim平臺下進行了仿真。結果如圖7所示，可以看到計算完CC后CRC值為83ACF5C1，與前面的結果一致，說明了該方法得到的結果是正確的。

圖5 rem為18的第一組數(shù)據(jù)

圖6 rem為18的最后一組數(shù)據(jù)

圖7 rem為18的一組幀數(shù)據(jù)進行8位CRC計算仿真

5 結束語

由于100G以太網(wǎng)中會使用很高的并行數(shù)據(jù)位寬，但是數(shù)據(jù)幀中需要進行CRC計算的數(shù)據(jù)長度不一定是位寬的整數(shù)倍，本文針對這個問題提出了一種新的處理方法，并且通過了測試。該方法簡單有效，能夠克服傳統(tǒng)方法的缺陷，在性能上有很大的提升。雖然本文是以100G以太網(wǎng)的CRC-32作說明，該方法也能很容易地應用于其他的高速通信系統(tǒng)。

[1] IEEE. IEEE Std. 802.3ba[S]. 2010.

[2] 彭建輝. 10G以太網(wǎng)接口并行CRC校驗的一種簡化算法[J]．微計算機信息,2006，22(20)：213-215.

[3] STAVINOV E.A practical parallel CRC generation method [J]. Circuit Cellar, 2010(234)：38-45.

[4] 畢占坤,張羿猛,黃芝平，等.基于邏輯設計的高速CRC并行算法研究及其FPGA實現(xiàn)[J]. 儀器儀表學報, 2007，28(12)：2244-2249.

[5] KENNEDY C E， MOZAFFARI-KERMANI M.Generalized parallel CRC computation on FPGA[C]. Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering (CCECE), 2015:107-113.

[6] 張友亮，劉志軍，馬成海,等. 萬兆以太網(wǎng)MAC層控制器的FPGA設計與實現(xiàn)[J]. 計算機工程與應用, 2012,48(6):77-79.

[7] 劉昭,蘇厲,金德鵬,等.10G以太網(wǎng)系統(tǒng)中的并行CRC編解碼器的設計[J]. 電子技術應用, 2004,30(4)：47-50.

A simple method of high-bit-wide parallel CRC for 100G Ethernet

Li Chuanhui，Liu Chunwu，Huang Zhiping

(School of Mechatronic Engineering and Automation, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

In the process of 100G Ethernet MAC (Media Access Controller) design, in order to reduce the requirements on the clock, high-bit-wide parallel data should be used. When using the parallel CRC (Cyclical Redundancy Check), there will be a problem that the length of CRC calculation span is not an integer multiple of parallel width. It causes that we can’t use the parallel width’s CRC to handle the last data. In order to solve this problem, this paper proposes a method of adding zero before the frame. The simulation and test results have verified the feasibility of the method, and this method can also be applied to other communication systems.

100G Ethernet; parallel CRC; high-bit-wide

TN911.22

A

1674-7720(2016)07- 0057- 03

李傳輝，劉純武，黃芝平. 100G以太網(wǎng)中高位寬并行CRC的簡化方法[J].微型機與應用，2016,35(7)：57-59.

2015-12-09)

李傳輝(1991-)，通信作者，男，在讀碩士研究生，主要研究方向：網(wǎng)電空間測控。E-mail:chankli@163.com。

劉純武(1963-)，男，碩士，副教授，主要研究方向：網(wǎng)電空間測控。

黃芝平(1965-)，男，博士，教授，主要研究方向：網(wǎng)電空間測控。