基于FPGA技术与以太网的无源光网络实现MAC控制器的设计方案

大家好，我是极客范的本期栏目编辑小友，现在为大家讲解基于FPGA技术与以太网的无源光网络实现MAC控制器的设计方案问题。

近年来，随着传输技术和交换技术的不断进步，核心网基本实现了光纤化、数字化和宽带化，而传统的接入网仍然是采用电缆传输的模拟系统，两者之间巨大的技术差距导致接入网成为全球信息高速公路的瓶颈。目前解决这一瓶颈问题的技术手段虽然有双绞线上的xDSL系统、同轴电缆上的HFC系统、五类线路上的LAN等一系列，但都只能算是过渡性的解决方案，不能满足宽带通信对视频点播、家庭购物、数字高清电视广播等新业务的需求。唯一能够从根本上彻底解决接入瓶颈的长期技术手段就是全光接入网。基于以太网的无源光网络(EPON)是在这种背景下产生的一种光纤接入技术。EPON与传统以太网的主要区别在于，传统以太网是点对点(P2P)网络，而EPON是点对多点(P2MP)主从网络，其技术创新在于点对多点MAC访问控制的设计与实现。本文提出了一种EPON系统中MAC控制器的设计方案，并详细描述了使用带嵌入式CPU的FP2GA开发MAC控制器的整个设计过程。通过系统软硬件仿真验证了该设计的可行性，为我国MAC控制器专用芯片的开发提供了实践参考。

以太网无源光网络系统结构

如图1所示，一个典型的EPON系统主要由三部分组成，分别是光线路终端(OLT)、无源光分路器(POS)和光网络单元(ONU)。其中，OLT位于本地办公室，通常在中央办公室(CO)，ONU位于用户端，POS连接OLT和ONU。它的功能是分配下行数据和收集上行数据。从OLT到ONU的方向是下行，反之亦然。OLT的上行链路连接各个业务节点，ONU的下行链路连接各个用户终端设备。

图1 EPON系统架构

在EPON中，从OLT到多个ONU的下行数据传输过程与从多个ONU到OLT的上行数据传输过程有本质区别，如图2所示。下游数据通过广播以变长以太网包的形式从OLT发送到多个ONU，每个以太网包都有一个标识目标ONU的逻辑链路标识符(LLID)，通过标识LLID判断该包发送到一个或多个ONU。当数据流到达ONU时，ONU只提取发送给它的数据包，丢弃发送给其他ONU的数据包；另一方面，上行数据采用时分多址技术，每个ONU分配一个传输时隙，所有时隙保持同步，两者之间有间隙，以保证不同ONU的数据包汇聚到公共光纤时不会发生冲突。

图2 EPON的上下行传输机制

OLT系统设计

为了支持EPON的协议栈结构和工作模式，本文采用了图3所示的OLT系统设计，主要由MAC控制器、EPON千兆突发光收发器、存储器和外围接口电路组成。MAC控制器由Altera的EXCAL IBUR-ARM FPGA(带ARM9硬核)芯片实现。在CO端，OLT通过标准千兆以太网收发器连接到上层交换机。在EPON端，OLT通过专用光收发器接入PON网络。

图3 OLT系统总体框图

该系统可以实现以下功能：

(1)以广播方式向ONU发送以太网分组，以时分多址方式从ONU接收以太网分组；

(2)发起并控制ONU的注册流程，根据用户的QoS需求为ONU分配带宽；

(3)除了网络融合和接入功能，OLT还提供OAM功能。

核心媒体访问控制控制器的实现

图4是本文设计的EPON系统核心MAC控制器的功能框图，由硬件和软件组成。硬件部分(图中实线表示的模块)由FPGA [3]完成，实现点对点仿真、以太网帧校验、加密/解密、分类/仲裁/复用等控制功能。部分软件是嵌入式系统蒙他Vista Linux完成ONU注册和动态带宽分配(DBA)。

首先，简要说明图中各模块的功能。位宽转换模块实现数据流的8位宽(字节为单位)和32位宽(双字为单位)之间的交换；LLD添加/验证模块主要完成LLD的添加/验证；分类/仲裁/复用模块实现以太网帧的分类、传输优先级仲裁和复用；测距模块计算从ONU到OLT的往返时间(RTT)，以补偿上行链路延迟。时标处理

图4　核心MAC控制器功能框图

位宽变换及时钟设计

考虑到EXCAL IBUR-ARM系列FPGA内嵌的ARM922T是一款RISC架构的32bit微处理器，为了方便FPGA与微处理器之间的数据交换，MAC控制器的内部数据统一采用双字为单位进行处理.OLT与ONU之间的线路传输速率是1.25Gbit/s，码流在物理层经过串/并变换、8B/10B编码之后的速率为125Mbit/s，而进行位宽变换后，FPGA的工作频率下降到31.25MHz.本文设计FPGA开发板时，采用了25MHz的晶振作为时钟源。

值得一提的是，位宽变换模块需用到125MHz和31.25MHz2个时钟（分别由倍频器和分频器提供）。输入的8bit码流以125MHz的频率顺序写入4个FIFO中，同时以31.25MHz的频率从这4个FIFO中并行输出，直至一帧结束。但必须考虑数据帧的帧长（以字节为单位）不能被4整除的情况，如最后只剩下3个8bit码。这时将‘0x00’写入最后的空闲FIFO中，使帧长满足4的整数倍。为此，位宽变换模块增加了以字节为单位的帧长和以双字为单位的帧长统计功能，用于告知其后级联的模块只对帧有效数据进行处理。所有的变换处理均在FPGA内部实现，因而不增加FPGA的外部引脚。

分类、仲裁和复用技术

分类、仲裁及复用是MAC控制器最为关键的功能，FPGA与微处理器如何进行数据交换、数据流如何分类及缓冲、何种仲裁机制能够实现信道的最佳复用等技术细节都是模块设计时必须考虑的问题。上行分类器收到以太帧后，首先根据帧类型（Type域）区分MAC帧、OAM帧和数据帧。如果是MAC帧或OAM帧，则直接写入双端口RAM的MAC帧队列或OAM帧队列，同时给出相应的中断请求信号，通知ARM来处理;如果是数据帧，区分是发往核心网的SNI帧，还是送给其他ONU的P2P帧.SNI帧按照FIFO机制送往上层交换机;P2P帧则写入SDRAM中，直接参与下行数据帧的仲裁和复用。图5给出了帧分类、仲裁和复用处理流图。

图5　帧分类/仲裁/复用处理流程图

图中，下行仲裁/复用器首先对送给同一个ONU的数据帧（包括下行帧和P2P帧）、OAM帧和MAC帧进行优先级仲裁，MAC帧优先级最高，数据帧次之，OAM优先级最低。然后要为发往不同ONU的帧优先级进行二次仲裁，最终通过一条物理链路将这些帧以时分复用送出去，所以下行帧和P2P帧必须先缓存在SDRAM中，等待发送指示信号。将SNI帧放在SDRAM中也是可行的，但由于上行信道的带宽分配过程已经实现了对帧的优先级仲裁，所以本文选择用FIFO替代SDRAM，完成对SNI帧的缓冲，这样可以大大减少FPGA芯片的外部引脚，降低了ASIC芯片的制造成本。

安全策略

在EPON系统中，各个ONU的上行通道是彼此独立的，用户无法窃取他人的信息;下行方向是媒质共享网络，数据以广播形式发送，每个ONU都能接收到所有的下行数据，802.3ah引入LLID来限制每个ONU只能接收属于自己的数据包。然而用户可以通过某种方式绕开LLID校验，窃取其他ONU的信息，最为典型的解决方法就是在下行方向对所有的数据帧进行加密传输。事实上，这种加密方式存在许多安全隐患。首先，未经加密的下行MAC帧和OAM帧如果被成功获取的话，入侵者便可以轻易掌握其他用户的关键信息，如ONU的LLID和终端用户MAC地址，进而在上行方向通过盗用LLID和MAC地址来窃取其他用户的带宽;其次，在上行方向合法用户可能通过伪造MAC帧或OAM帧，来更改EPON系统配置，甚至侵入电信管理网络，扰乱整个电信网。针对这两种威胁，本文采用了一种加密与认证相结合的安全策略。

信息加密

加密算法本文采用的是AES算法，密钥长度选取128bit.下行方向OLT对所有类型的帧进行加密，加密区域从目的MAC地址到FCS域。密钥由ONU产生，上行发送给OLT，不可能被用户截获，不同的ONU使用不同的密钥，从而保证了下行数据私密性的要求;上行方向，为了防止假冒用户，ONU对MAC帧和OAM帧进行加密，加密区域也是目的MAC地址到FCS域。

为提供密钥更新功能，本文定义了两类新的MAC帧，密钥更新请求帧（new_key_request）和密钥更新响应帧（new_key_respond），类型代码分别为07和08（802 3ah已经采用了六类MAC帧，类型代码01-06）.ONU通过注册过程将初始密钥发送给OLT，OLT定期向下广播密钥更新请求帧，ONU则通过密钥更新响应帧将新密钥上传给OLT，如图6所示。为了保证密钥的同步性，在Preamble中增加了1bit的flag域和1bit的keyindex域，flag为‘1’标识该帧已被加密，并通过keyindex告知接收端采用哪个密钥解密，加/解密端同时存储了2个密钥以保证新旧密钥的平稳过渡。

图6　密钥的更新与同步过程

消息认证

上行方向如果只是简单地加密，显然是不够的，因为用户可以盗用他人的合法LLID传输数据。因而OLT还必须进一步对消息发送源的真伪进行鉴别和认证，即确认接收到的ONUn的数据确实是由ONUn发出的。本文通过FCS校验来对消息源进行认证，这种方法简单而有效。首先对Preamble进行CRC校验，对加密区域进行解密处理，然后进行FCS校验，如果Preamble的CRC校验结果正确，加密域的FCS校验错误，则说明加密错误或者该消息是用户伪造的，应该予以丢弃，这样就确保了消息的真实性与合法性。

动态带宽分配

在802.3ah协议中，带宽分配算法是开放的，协议不作明确规定，由制造商自行设计。目前802.3ah工作组讨论较多的都是一种基于公平调度（FS）的动态带宽分配算法，它在一个轮询周期内只给每个ONU一个发送机会以保证服务的公平性。这种分配方式算法简单，易于实现。然而它忽略了综合业务网的一个非常重要的特征：网络流量自相似特性导致的数据流突发性，无法根本解决公平性和数据流的突发性之间的矛盾。即使EPON出于小负荷状态，下述矛盾现象也是不可避免的：某些ONU处于零负荷状态，每个轮询周期都报告零字节带宽请求;另一些ONU负荷轻，经过一次发送机会已经将缓冲区内所有的数据包全部上传;还有一些重负荷ONU，恰好处于数据流持续突发和震荡状态，即使每个轮询周期都给这些ONU分配上限带宽Wmax，它们的缓冲区内仍然累积了大量等待发送的数据包。因此，整个上行信道将被“空闲”ONU的MAC控制信息和GB带宽大量占用，而那些真正急需带宽资源的“突发”ONU却长时间处于等待状态。

为此，本文设计了一种基于滑动窗（SW）的动态带宽分配算法，将一个周期的带宽分配过程分成2个阶段，第1个阶段是预留阶段，第2个阶段是竞争阶段。预留阶段采用FS算法为所有ONU分配带宽来保证公平性;竞争阶段将为那些处于数据突发状态的ONU安排第2次发送机会，其带宽大小用滑动窗来加以限制。在竞争阶段，为了将自相似性引发的数据持续突发性这一因素考虑在内，用SW算法取代FS算法，取消上限带宽Wmax的限制，而采用一个滑动窗Bmax来对ONU当前最后N个周期授权的带宽总和B进行限制。也就是说，SW算法将以ONU在最近的N个周期（包括当前这个周期在内）获得的总带宽不超过Bmax为条件，在当前周期的竞争阶段为其分配带宽。 OLT在第j个ONU的第i个轮询周期分配带宽：

式中：Rj I表示在第i个周期的预留阶段分配给ONUj的带宽大小，它在不超过上限带宽Wmax的前提下，根据ONUj申请的带宽rji进行分配;Cji表示在第i个周期的竞争阶段分配给ONUj的带宽大小，它的值用滑动窗Bmax进行限制.Bmax代表ONUj在最近N个周期（包括预留和竞争阶段）得到的带宽总和。

仿真结果

本文采用Altera的型号为EPXA 10F 1020C1的FPGA，通过硬件描述语言Verilog HDL对MAC控制器的硬件模块进行了仿真。系统由1个OLT、2个ONU、4个用户终端组成，时钟频率为125MHz.图7是8～32bit的位宽变换模块的仿真结果，wr_clk和rd_clk分别是125MHz的写时钟和31.25MHz的读时钟，bytei和seg_out分别是输入的8bit码流和输出的32bit码流。

图8为帧分类和RTT计算的仿真结果，MAC控制器根据帧类型域和LLID标识将上行帧分为MAC帧、OAM帧、SNI帧和P2P帧，并写入相应的帧队列;local_TIme是OLT的本地时钟计数器，将local_TIme与ONU的MAC帧的TIme stamp值进行模减得到ONU的RTT.

图9给出了SW算法和FS算法在平均包延时和带宽利用率方面的性能比较结果。

图9　SW与FS算法的包延时和带宽利用率性能分析

由图可见，当ONU的载荷小于0.9时，SW算法的包延时明显小于FS算法;在带宽利用率方面，SW算法的性能也优于FS算法，这是因为SW算法将FS算法中大量被“空闲”ONU的MAC控制信息和GB带宽占有的资源在竞争阶段分配给了“繁忙”ONU，从而提高了网络的带宽利用率.SW算法通过滑动窗机制将整个上行带宽分2个阶段进行动态分配，既满足了网络公平服务的要求，又缓解了数据突发性对网络性能造成的负面影响，有效解决了公平性与突发性这一FS算法无法克服的矛盾，因而非常显著地改善了网络的服务质量。

结　语

本文提出了一种基于FPGA技术与嵌入式系统的EPON核心MAC控制器设计方案，用于实现EPON下行广播和上行TDMA的传输方式。对于帧校验、加密、分类及仲裁等控制部分用FPGA实现，注册过程与动态带宽分配在嵌入式Linux平台上完成。文中对MAC控制器硬件设计的关键技术点进行了全面阐述，提出了一种基于滑动窗机制的动态带宽分配方案以改善网络QoS性能。系统的软、硬件仿真验证了该方案的可行性，为我国开发MAC控制器专用芯片提供了实用参考。

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