基于FPGA實現(xiàn)千兆以太網(wǎng)二層交換*

賈 婷，胡 斌，劉 臺

（武漢中原電子集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430205）

0 引 言

千兆以太網(wǎng)技術(shù)是目前局域網(wǎng)的主流解決方案。千兆以太網(wǎng)交換芯片是該技術(shù)得以實現(xiàn)的關(guān)鍵芯片。

本文介紹的FPGA實現(xiàn)的千兆以太網(wǎng)二層交換芯片，按照IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)了4個獨立千兆端口之間的MAC幀交換。以太網(wǎng)二層交換是基于MAC地址工作的，基本工作原理可以概括為“學(xué)習(xí)查找”和“存儲轉(zhuǎn)發(fā)”。

設(shè)計支持以下功能項：

（1）支持4個10/100/1 000 Mb/s自適應(yīng)，全雙工RGMII端口間的MAC幀線速轉(zhuǎn)發(fā)；

（2）每個出端口支持4種優(yōu)先級隊列；

（3）支持基于IEEE802.3xPause幀的全雙工流量控制；

（4）支持簡單生成樹協(xié)議；

（5）支持4 096個MAC地址表項和基于Hash算法的自學(xué)習(xí)和查找。

（6）提供128 kB的MAC幀共享緩沖空間。

本文首先給出FPGA實現(xiàn)千兆以太網(wǎng)二層交換芯片的結(jié)構(gòu)框圖；其次，詳細(xì)介紹設(shè)計中關(guān)鍵模塊的實現(xiàn)原理；最后，給出設(shè)計的功能仿真，驗證該設(shè)計的可行性。

1 功能概述

1.1 功能框圖

FPGA實現(xiàn)千兆二層交換芯片的功能框圖，如圖1所示。芯片內(nèi)部核心部分工作時鐘為125 MHz，端口可工作在1 000/100/10 Mb/s速率，端口時鐘可為125/25/2.5 MHz，因此需要端口幀收發(fā)緩存單元來緩存MAC幀。各端口接收到MAC幀后，向共享緩存控制單元發(fā)出請求。共享緩存單元公平輪詢各端口的請求，為MAC幀分配存儲空間，并將MAC幀從端口緩存單元分片存儲到共享緩沖區(qū)，同時提取幀頭信息，進(jìn)行MAC地址的查找和自學(xué)習(xí)。將幀存儲的起始地址、優(yōu)先級信息、幀轉(zhuǎn)發(fā)類型和目的端口號生成描述符信息，寫入目的端口相應(yīng)優(yōu)先級的發(fā)送描述符隊列中。描述符調(diào)度單元從各端口發(fā)送描述符隊列中的調(diào)度描述符，按其攜帶的起始地址，從共享緩沖區(qū)讀取MAC幀，寫入目的端口的幀發(fā)送緩存單元，并釋放空閑地址；最后，由MAC發(fā)送控制器完成802.3 MAC幀的封裝和發(fā)送。交換芯片結(jié)構(gòu)框圖中還包括寄存器單元。用戶通過SPI接口訪問寄存器單元，可以通過讀取寄存器的值了解芯片的工作狀態(tài)，并通過配置寄存器改變芯片的工作模式。

圖1 FPGA實現(xiàn)千兆交換芯片功能

1.2 模塊劃分

模塊化設(shè)計是FPGA設(shè)計中的一個重要技巧。它可以將大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)按照一定規(guī)則劃分成若干模塊，然后對每個模塊進(jìn)行設(shè)計輸入與綜合，并將實現(xiàn)結(jié)果約束在預(yù)先設(shè)置好的區(qū)域內(nèi)，最后將所有模塊的實現(xiàn)結(jié)果有機(jī)組織起來，完成整個系統(tǒng)的設(shè)計。每個模塊本身又可以通過多個子模塊來實現(xiàn)，因此模塊化設(shè)計不僅層次清晰，還有利于模塊的復(fù)用、移植，更有利于日后的代碼升級、維護(hù)以及設(shè)計的綜合優(yōu)化。根據(jù)FPGA設(shè)計中的模塊化設(shè)計思想，結(jié)合FPGA軟件的功能需求特點，基于以功能為主的原則，對FPGA程序進(jìn)行如圖2所示的模塊劃分。

圖2 模塊劃分

2 FPGA關(guān)鍵模塊實現(xiàn)

2.1 MAC幀收發(fā)控制器

圖3是IEEE802.3規(guī)定的MAC幀格式。前兩個字段分別是目的MAC地址和源MAC地址，第三個字段是長度/類型字段。

圖3 IEEE802.3 MAC幀格式

數(shù)據(jù)字段是對上層IP數(shù)據(jù)報的直接封裝，IP頭部包含優(yōu)先級信息。IEEE802.3規(guī)定有效的MAC幀長為64～1 518 Byte，因此數(shù)據(jù)字段長度應(yīng)為46～1 500 Byte。MAC幀尾部是4 Byte的FCS，即幀檢驗序列。它采用CRC-32校驗碼，用以檢驗收到的幀是否存在差錯。

802.3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，凡出現(xiàn)下列情況之一的即為無效的MAC幀：

（1）第三字段表示長度時，MAC數(shù)據(jù)字段的長度與長度字段的值不一致；

（2）幀長度不是整數(shù)個字節(jié)；

（3）用收到的幀檢驗序列FCS查出有差錯；

（4）收到的MAC幀長度不在64～1 518 Byte范圍內(nèi)。

當(dāng)目的MAC地址為x“FFFFFFFFFFFF”時，是廣播包；當(dāng)目的MAC地址為x“0180C2000000”時，是BPDU報文，用于實現(xiàn)生成樹協(xié)議；當(dāng)目的MAC地址為x“0180C2000001”時，是Pause幀，用于實現(xiàn)流量控制。

MAC幀收發(fā)控制器主要依賴MAC幀接收狀態(tài)機(jī)和MAC幀發(fā)送狀態(tài)機(jī)。根據(jù)IEEE802.3 MAC幀格式，MAC幀收發(fā)狀態(tài)機(jī)如圖4所示。

圖4 MAC幀收發(fā)狀態(tài)機(jī)

FPGA軟件對接收到的MAC幀進(jìn)行CRC校驗判斷，校驗錯誤的幀直接丟棄，只對校驗通過的幀進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)發(fā)。

2.2 存儲轉(zhuǎn)發(fā)控制單元

存儲轉(zhuǎn)發(fā)控制單元主要包括端口幀緩存單元、地址表查找單元、共享緩存管理單元和描述符調(diào)度單元。

2.2.1 端口幀緩存單元

FPGA軟件為每個端口設(shè)置MAC幀收發(fā)FIFO各1個。FIFO寬36 bit，深4 096。MAC幀在端口收發(fā)FIFO中的存儲格式，如圖5所示。

圖5 MAC幀數(shù)據(jù)存儲格式

端口完成數(shù)據(jù)幀的緩存后，會向共享緩存交換單元發(fā)出請求，請求為包分配存儲空間[1]。

2.2.2 地址表查找單元

本設(shè)計中，MAC地址表共支持4 096個MAC地址表項，地址表由1 000個Bucket組成，每個Bucket包含4個地址，組織結(jié)構(gòu)如圖6所示。地址表中，MAC地址的存儲位置是由48 bit MAC地址計算出來的Hash值的低10位決定的。Hash算法采用CRC-CCITT多項式（X16+X12+X5+1）實現(xiàn)，根據(jù)MAC地址生成16位的Hash值，取其低10位，索引1 000個bucket。因Hash算法不是完美的，為防止出現(xiàn)碰撞，一個Hash值定位1個Bucket，每個Bucket包含4個MAC地址，第一個周期內(nèi)讀出bin0和bin1與DA比較；第二個周期內(nèi)讀出bin2和bin3。

圖6 基于hash算法的MAC地址表查找

2.2.3 共享緩存交換單元

FPGA軟件提供128 kB的共享緩存空間，并采用基于鏈表的控制機(jī)制對MAC幀分片存儲，每片128 Byte，共支持1 024片。實質(zhì)上，共享緩存式交換機(jī)是時分復(fù)用的，緩存在一個時鐘周期內(nèi)，只能允許一個端口讀寫。本設(shè)計以輪循方式為各端口分配空閑地址。共享緩存管理單元負(fù)責(zé)完成MAC幀的分片處理，也就是以128 Byte為一個單位從端口緩存FIFO中讀取數(shù)據(jù)，然后為每個分片分配存儲空間，并把第一個分片的存儲地址記錄在描述符中。每個分片除了記錄數(shù)據(jù)外，還記錄下一個分片的存儲地址。當(dāng)分片轉(zhuǎn)發(fā)出去后，共享緩存管理單元完成片地址的釋放。采用分片存儲數(shù)據(jù)包，一個數(shù)據(jù)包的所有分片形成一個鏈表。這種結(jié)構(gòu)使得發(fā)送描述符隊列相對簡單。每個描述符代表一個數(shù)據(jù)包，但只需要存儲第一個分片的地址。這種結(jié)構(gòu)可以自然實現(xiàn)數(shù)據(jù)包之間的分界，不需要設(shè)專門的定界符。空閑的片地址存儲在空閑地址隊列中，先進(jìn)先出，有效實現(xiàn)了空閑地址的分配和釋放。共享緩存管理單元的實現(xiàn)邏輯框，如圖7所示。

圖7 共享緩存管理單元實現(xiàn)邏輯框

2.2.4 描述符調(diào)度單元

RFC1349中定義的IP報文頭部ToS字段高3 bit標(biāo)識優(yōu)先級，可使數(shù)據(jù)包具有8種優(yōu)先級，其中0為最低優(yōu)先級，7為最高優(yōu)先級。FPGA軟件為每個端口設(shè)置4個優(yōu)先級隊列，根據(jù)數(shù)據(jù)攜帶的ToS信息將其描述符映射到相應(yīng)的優(yōu)先級隊列中排隊[2]，映射關(guān)系和調(diào)度示意圖如圖8所示。它的優(yōu)先級關(guān)系為Cos0＞Cos1＞Cos2＞Cos3。

圖8 描述符調(diào)度

每個端口4個描述符隊列之間的調(diào)度算法采用嚴(yán)格優(yōu)先級的方式進(jìn)行調(diào)度。只有當(dāng)高優(yōu)先級隊列為空時，才調(diào)度低優(yōu)先級隊列中的描述符。4個端口之間采用公平的輪詢機(jī)制進(jìn)行調(diào)度。描述符32 bit，具體格式如圖9所示。

圖9 描述符格式

2.3 STP生成樹

當(dāng)很多個交換機(jī)形成一個網(wǎng)絡(luò)時，極有可能產(chǎn)生環(huán)路。此時若網(wǎng)絡(luò)上有廣播報文時，因為交換機(jī)對廣播報文的處理是所有端口復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)，而環(huán)路的形成就會導(dǎo)致廣播報文永遠(yuǎn)無法消除，且被復(fù)制的越來越多而形成廣播風(fēng)暴，最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)崩潰。生成樹的作用是對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動拓?fù)?，防止環(huán)路的產(chǎn)生[3]。

FPGA實現(xiàn)的二層交換芯片具備以下功能，可以支持生成樹的運行：

（1）可以通過寄存器配置交換模式，選擇是否使能生成樹協(xié)議；

（2）可以識別以01.80.c2.00.00.00為目標(biāo)地址的MAC層網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元BPDU報文，并通過IMP口將其轉(zhuǎn)發(fā)且只轉(zhuǎn)發(fā)給CPU；

（3）可以處理生成樹標(biāo)簽，對于轉(zhuǎn)發(fā)給CPU的報文，在標(biāo)簽中添加接收端口；從CPU接收的報文可以按照CPU在標(biāo)簽中指定的端口轉(zhuǎn)發(fā)；

（4）CPU可以通過寄存器配置各端口的生成樹狀態(tài)，交換芯片能在下面5種狀態(tài)里控制轉(zhuǎn)發(fā)：

①Disabled（禁止態(tài)），不能接收和發(fā)送任何MAC幀；

②Blocking（阻塞態(tài)），只能接收BPDU，不能傳輸數(shù)據(jù)，也不能發(fā)送BPDU；

③Listening（監(jiān)聽?wèi)B(tài)），不能接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)，但可以接收和發(fā)送BPDU；

④Learning（學(xué)習(xí)態(tài)），不能傳輸數(shù)據(jù)，可以發(fā)送和接收BPDU，可以學(xué)習(xí)MAC地址。

⑤Forwarding（轉(zhuǎn)發(fā)態(tài)），能夠發(fā)送和接收數(shù)據(jù)和BPDU。

2.4 流量控制單元

IEEE802.3x中定義了全雙工鏈路上流量控制的PAUSE機(jī)制，使用MAC Control幀攜帶PAUSE命令。PAUSE命令的MAC Control幀格式如圖10所示，幀長度為64 Byte。多播地址01-80-C2-00-00-01保留給PAUSE幀專用。

圖10 PAUSE幀格式

PAUSE幀中包含了PAUSE操作碼和要求的暫停時間間隙。這些信息以兩個字節(jié)整數(shù)形式表示，其中包含請求接收站點停止發(fā)送數(shù)據(jù)的時間長度。暫停時間以暫?！皅uanta”為單位，每個“quanta”等于512位時間。暫停時間的范圍為0～65 535個單位。通過利用MAC Control幀傳送PAUSE請求，全雙工鏈路一端的站點能夠請求另一端的站點在一段時間內(nèi)停止發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)暫停發(fā)送的端口收到時間因子為0的pause幀時，則停止等待，恢復(fù)發(fā)送。

本設(shè)計實現(xiàn)的千兆二層交換芯片，首先各端口是否使能pause幀機(jī)制的流量控制，是CPU通過寄存器配置的。若是端口未使能pause幀的流控，則共享緩存剩余空間不足時，直接丟棄數(shù)據(jù)包，避免緩存溢出，包處理出錯。若端口使能了pause幀的流控機(jī)制，則在共享緩存剩余空間低于下限時，發(fā)送時間因子為x“FFFF”的pause幀，讓對端等待，停止發(fā)送；當(dāng)共享緩存剩余空間高于上限時，發(fā)送時間因子為x“0000”的pause幀時，讓對方停止等待，恢復(fù)發(fā)送。這種方式又稱為Xon/Xoff喚醒機(jī)制的流控方式。

僅僅采用基于Pause幀的流量控制，并不能保證高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的實時轉(zhuǎn)發(fā)。假如某端口同時有多種優(yōu)先級的數(shù)據(jù)需要發(fā)送，為了避免低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)積壓占用共享緩存而引發(fā)pause幀的流控，造成高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)也暫停傳輸，F(xiàn)PGA程序中還加入了低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的丟棄機(jī)制，即當(dāng)共享緩存剩余空間低于下限時，若當(dāng)前端口只有一種優(yōu)先級的數(shù)據(jù)，則啟動pause幀的流控；若當(dāng)前端口有兩種及以上優(yōu)先級的數(shù)據(jù)時，則首先丟棄最低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)，釋放緩存空間。

3 仿真結(jié)果

本設(shè)計的軟件開發(fā)平臺是Xilinx ISE 13.3，利用其自帶仿真工具進(jìn)行功能仿真。圖11給出了MAC幀從端口2接收，然后交換至端口1發(fā)送的仿真結(jié)果。

從仿真圖11可以看出，從端口2接收到的MAC幀，先寫入端口接收FIFO中，完成幀的存儲后產(chǎn)生rxfifo_req請求信號。然后，共享緩存單元響應(yīng)請求，先從freecellfifo空閑片地址FIFO中讀取一個空閑片地址x“38”，把數(shù)據(jù)從接收FIFO中寫入共享緩存，并產(chǎn)生一個描述符，將描述符寫入信號descriptor_valid。當(dāng)描述符寫入目的端口相應(yīng)優(yōu)先級的描述符隊列后，共享緩存調(diào)度描述符，按照描述符中攜帶的起始地址從共享緩存中讀取數(shù)據(jù)，并釋放了x“38”的片地址。端口1的發(fā)送FIFO中有數(shù)據(jù)后，便開始通過發(fā)送控制器往鏈路上發(fā)送數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

本文的設(shè)計對象是千兆以太網(wǎng)二層交換芯片。通過上述分析和仿真驗證，可以證明FPGA體系結(jié)構(gòu)和功能的正確性。目前，設(shè)計的可管理性主要包括鏈路配置、生成樹配置以及流控配置。相比于市場上成熟的交換芯片，該設(shè)計可以滿足千兆自適應(yīng)二層交換的基本功能，但是尚存在需要完善和豐富的地方，也是后期繼續(xù)研究的方向。