低成本实现数字微波链路中的以太网业务

66[刘洋]刘洋毕业于中山大学，硕士，现工作单位：广州京信通信技术有限公司，工作经历：2004年研究生毕业，从事数字微波与无线覆盖通信设备开发工作，研究方向主要为嵌入式系统与网络。数字微波链路通常用来传输PDH或SDH业务，而以太网业务通常需要外置或内置一个转换器来实现。介绍了一种新的办法，通过占用系统少量硬件资源的条件下实现以太网业务的透传。摘要关键词：数字微波以太网透传低成本实现数字微波链路中的以太网业务1引言随着网络业务的发展，数字微波设备的PDH与SDH业务接口已不能满足用户的需求，许多用户希望能直接获得以太网业务接口使用。传统的方法是在设备外部或内部安置一个业务转换器来实现,但这样成本较高，用户使用也不方便。而通常微波设备的室内单元(IDU)都提供一个以太网口作为系统的网管接口，将系统的以太网业务接口和该网管接口复用就可以削减PDH或SDH业务接口和业务转换器，降低系统的成本。2系统构成及其原理系统的应用模式如图1所示。微波室内单元提供一个以太网口同时作为系统的网管接口和业务接口。以太网业务和网管数据通过交换机接到微波室内单元上，网管数据将在室内单元本地处理，业务数据将通过数字微波帧传送到对端。对端在收到业务数据后将其转发到所在的以太网内。图1系统应用框图技术交流技术交流2008.08.广东通信技术67将以太网业务端口与网管端口进行复用，关键需要解决两个问题：一是如何区别以太网数据包中的业务数据和网管数据并将相应的数据向不同的目的地传送；二是如何提供以太网数据包到时分复用（TDM）链路的映射转换和解映射功能。网管口收到的数据包有网管数据和业务数据，两者可以从数据包的IP地址或MAC地址区别开来。网管数据应该指向本机的IP地址或MAC地址，业务数据应该指向其它的IP地址或MAC地址。由于实现的是以太网透传业务，所以应按照MAC地址进行区别处理。数字微波室内单元一般都采用FPGA进行数字基带处理。如图2所示，在发送端，将网管口收到的业务数据传送到FPGA，FPGA再将接收到的以太网数据包，进行HDLC协议映射，将映射后的数据通过TDM链路发送给分复接器；在接收方向，接收分复接器发送的分接数据，对分接后的以太网包进行HDLC协议解映射，并将解映射后的数据包通过接口发送给监控CPU。图2系统原理框图3系统实现方法在本文所提及的网管监控平台采用Atmel公司的AT91RM9200，操作系统采用嵌入式Linux，基带处理FPGA采用Xilinx的XC3S500E。AT91RM9200提供了丰富的外围接口可以用来作扩展处理，其中的同步串行接口（SSC）支持许多用于音频及电信应用中常用的串行同步通信协议，如I2S、短帧同步、长帧同步等，可以稳定工作在15M的频率上，基本可以满足8E1的通信业务要求。而且该同步串口还提供了双向的DMA通道，通过CPU的中断处理可以CPU的负担。所以采用SSC接口与FPGA连接可以传递以太网业务数据。3.1监控软件处理由于软件上采用了操作系统及TCP/IP协议栈，可以通过底层驱动将SSC口模拟成一个标准网口，然后利用操作系统的接口进行处理。对于标准的网络数据包，操作系统可以采用路由的方法向各目的进行转发。但是由于要实现以太网业务透传的功能，用路由和IP隧道的方法效率较低，可以通过修改内核的方法提高系统的效率。3.1.1驱动程序SSC包含独立的接收器、发送器及一个时钟分频器[1]。每个发送器及接收器有3个接口：针对数据的TD/RD信号、针对时钟的TK/RK信号及针对帧同步的TF/RF信号。最多可传输16个32位数据。可编程设定为自动启动或在帧同步信号检测到不同事件时启动。SSC的可编程高电平及两个32位专用PDC通道，可在没有处理器干涉的情况下进行连续的高速率数据传输。SSC的功能框图如图3所示。SSC的数据传输速率是由SSC模块上的发送时钟和接收时钟决定的，时钟源可以来自系统内部主时钟（MCK）再经分频后得到，也可以来自系统外部直接在TK、RK引脚上引入。因为系统内部主时钟频率最高可达90MHz，最小分频为2，所以SSC模块最高的时钟频率是45MHz。这也是同步串行接口的最高速率。经测试可以稳定地工作在15MHz的频率上。SSC的TF和RF引脚是同步串行数据传输的帧同步信号，它指示一个数据帧传输的开始。根据需要可将SSC配置成不同的启动模式，如：检测到TK/RK的上升/下降沿启动、检测到TK/RK的高/低电平启动或检测到TK/RK的电平变化或跳变沿启动。低成本实现数字微波链路中的以太网业务技术交流技术交流68经接收到内存的数据（构造内核中的数据包结构）或发送完毕后内存区域的释放，并准备下一个数据包的传输。由于中断处理期间屏蔽了同级和低优先级的中断相应，所以为了尽量小的影响后续中断处理，中断处理操作应尽可能的短。Linux采用两级中断机制，在中断处理程序中只进行必要的紧急的操作后就退出，并打开被屏蔽中断。进一步的数据处理工作则在退后的某一个时间进行，这一部分操作称为“软中断”，在软中断中进行的是一些比较耗时的工作。软中断在中断处理程序中被激活，然后由系统调度软中断的执行。3.1.2内核程序内核需要将数据包在网管口与同步串口模拟的网口由于采用了嵌入式Linux操作系统，可以将该同步串口模拟成标准的网络设备。数据在SSC接口系统内存之间的数据传输是采用DMA方式，DMA功能的实现在硬件上要有DMA控制器实施数据的传输，软件方面需要在内存中开辟一个供数据传输的区域，驱动程序在数据开始传输前要把这片区域的地址告知DMA控制器，然后才能启动DMA传输。每次传输一个完整的以太网数据包。该串口的DMA中断号即作为网口的中断号向操作系统申请。在数据传输完毕，硬件产生一个中断通知操作系统进行处理，驱动程序的一个重要部分就是中断处理函数，它在系统相应设备中断后被调用。中断处理的工作主要是处理已图3SSC功能框图技术交流技术交流技术交流2008.08.广东通信技术69之间转发。网管口收到的网管数据需要交给本地的应用处理，而收到的业务数据需要转发到同步串口，通过FPGA映射到微波帧内传输到对端。同步串口收到的数据只有业务数据，需要将其通过网管口转发到外部的以太网。内核收到的数据包不能完全依靠它的目的MAC地址来判断是否是网管数据。因为对于ARP或RARP之类的广播包目的MAC地址为广播地址，必须通过数据包内的目的IP地址段来判断是否需要应答[2]。内核在收到数据包后首先判断该数据包的目的MAC地址是否指向本地网管口，如果是的话将转入到标准的内核处理程序，交到本地的网络协议栈和应用程序处理。如果数据包的目的地址不指向本机MAC地址，则需要判断是否是广播包。如果是广播包还需判断数据包的目的IP地址。若判断出该数据包是业务数据则直接通过网络设备的接口函数从同步串口发送出去。3.2FPGA实现方法FPGA部分主要完成HDLC协议的映射与解映射的功能。在发送方向，接收监控发送的以太网数据包，进行HDLC协议映射，将映射后的数据通过TDM链路发送给分复接器；在接收方向，接收分复接器发送的分接数据，对分接后的以太网包进行HDLC协议解映射，并将解映射后的数据包通过SSC接口发送给监控。其原理框图如图4所示：图4FPGA部分原理框图协议映射部分主要完成数据到TDM链路的映射和解映射，当前的相关映射协议共有3种HDLC，LAPS和GFP。本系统采用HDLC协议。数据的映射主要是将数据按协议封装与解封。这种固定重复的数据操作用硬件的方式实现，可减轻处理器运算开销。TDM接口用于TDM数据流的接口，时钟由外部TDM信号变换或线路接口单元提供。FIFO用于暂存从处理器输出等待映射的数据和来自于TDM链路的解映射后的数据。PLL用于产生协议处理中所需的时钟。硬件模式配置用于配置协议映射部分的工作模式，采用硬件引脚预置电平的方式对该部分进行配置。HDLC映射具体完成数据的映射功能，主要包括：数据FIFO处理、HDLC标志字符处理、CRC校验和插‘0’处理。HDLC模块内部结构如图5所示。图5HDLC功能模块为互通各种不同类型的设备，必须保证在TDM接口上的数据格式是兼容的。现有的微波室内单元设备的TDM数据是将以太网数据包用HDLC协议的格式进行封装，这里的HDLC协议只是完成数据封装而没有协议的握手、链路的建立和撤销的过程。依此可将TDM接口上的数据格式统一为以HDLC协议封装以太网数据包的形式。具体形式如图6所示，HDLC协议在没有数据时发送填充字符“7E”，有效数据为以太网数据包，其中由HDLC协议的插入的“0”比特和CRC校验。图6TDM接口数据格式所有的微波室内单元设备都遵循这样统一的数据格（下转第79页）低成本实现数字微波链路中的以太网业务技术交流技术交流技术交流2008.08.广东通信技术79的HEC经过事先计算，以保证HEC正确），输入的CPS-PDU净荷中包含12个数据分别为1，2，3…11，12，用MODELSIM做功能仿真仿真时序如图7所示。图7图8为时序仿真的结果，对比可知功能仿真和时序仿真均正确，实现了AAL2类数据包的正确解码。图85结论通过以上对AAL2协议分析，设计和验证，使用FPGA实现了硬件的解码过程，在最后的综合验证中采用ALTERA公司的新型CYCLONE2FPGA系列，EP2C35F484C8，容量为35000个逻辑宏单元，等效于标准100万逻辑门电路，速度为-8，编译后系统速度可以达到80MHz，实现了预期的目标。参考文献1陈锡生.ATM交换技术,人民邮电出版社.2刘雅娟,田素芬,冉茂儒.国防科学技术大学ATR实验室,网络接入设备的ATMUTOPIA接口设计与实现.3ITU-TI.363.2（收稿日期：2008-08-05）式通信，就可在数字微波设备组网时采用不同的设备组合，提供各种不同形式的功能配置。4小结通过修改数字微波室内单元嵌入式软件与FPGA程序的方法，只占用系统少量资源就可以实现在微波链路中透传以太网业务，大大的降低了系统的成本。经测试，该系统的吞吐量、丢包率和时延等以太网相关指标完全满足应用要求。参考文献1ATMELCorporation.AT91RM9200userManual,20052William.Stallings.TCP/IP详解，卷1：协议，2001(收稿日期：2008-07-08)（上接第69页）下期要目平等用户模型下GoTa系统群组内用户容量的仿真分析校讯通的工程项目管理号码可携带及其在中国的应用基于FPGA的AAL2协议解码实现技术交流技术交流技术交流