（電磁場與微波技術專業(yè)論文）residential+ethernet技術研究與開發(fā).pdf

摘要 以太網(wǎng)技術的廣泛應用，帶來的是用戶數(shù)量的迅速增長。如今以 太網(wǎng)已經(jīng)壟斷了局域網(wǎng)領域，有超過9 5 的用戶使用以太網(wǎng)連接其內(nèi) 部網(wǎng)絡。同時，越來越多的新業(yè)務的出現(xiàn)使得以太網(wǎng)承載的業(yè)務類型 也不斷增加，不僅要為傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務提供服務，還要傳送實時 的話音或視頻業(yè)務。不同的用戶和不同的應用對服務質(zhì)量有著不同的 需求，這些都是靠傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術和增加網(wǎng)絡帶寬所不能解決的問 題。本文關注的r e s i d e n t i a le t h e r n e t 技術就是以改善在以太網(wǎng)上 傳輸話音、視頻流等實時業(yè)務服務質(zhì)量的一種技術，它通過在傳統(tǒng)以 太網(wǎng)技術上增加了各個交換設備之間的時間同步，從而產(chǎn)生同步的超 幀起始信號，然后按照超幀結構傳輸各種業(yè)務的數(shù)據(jù)；特定的幀結構 設計有利于更好地更有效地控制實時業(yè)務的時延與時延抖動；量化一 點的性能目標是：經(jīng)過一個設備給實時業(yè)務流帶來的時延與時延抖動 分別不超過兩個超幀與一個超幀的時間長度( 目前超幀的時間長度為 1 2 5 u s “1 ) 。本文以實現(xiàn)同步以太網(wǎng)交換機為目標進行大量研發(fā)工作， 對多播注冊與資源預留、以太網(wǎng)網(wǎng)橋之間的資源協(xié)同調(diào)度、自適應的 多跳時分復用的資源調(diào)度、時間同步及其算法改進這幾個方面開展了 研究。本文的主要工作如下： 同步以太網(wǎng)交換機的研發(fā)：首先跟蹤學習i e e e 8 0 2 3 工作組關于 同步以太網(wǎng)技術的技術提案，；然后與韓國總部討論開發(fā)內(nèi)容，確定研 發(fā)內(nèi)容分為三個階段：第一步階段的任務是在單片f p g a 內(nèi)實現(xiàn)同步 以太網(wǎng)交換機，完成五路千兆同步異步混合報文的分析、交換和發(fā) 送，并完成主從設備的選擇與設備間的時間同步；第二階段的任務是 在單片f p g a 內(nèi)完成同步交換與異步交換的集成，實現(xiàn)單片f p g a 支持 同步與異步兩種交換的功能，經(jīng)過集成交換機處理后的同步業(yè)務服務 質(zhì)量不受異步業(yè)務流的影響；第三階段的任務是優(yōu)化與改進設備間時 間同步的算法并實現(xiàn)，尤其要改進多跳設備互連情況下設備之間同步 后的精度，克服與解決傳統(tǒng)同步算法產(chǎn)生的級聯(lián)誤差隨級聯(lián)級數(shù)呈指 數(shù)分布的缺陷，提高同步精度。 多播注冊與資源預留的研究：首先研究了傳統(tǒng)以太網(wǎng)中的多播技 術不能有效保證服務質(zhì)量的問題；然后提出一種新的綜合多播和資源 預留的解決方案；該方案中，接收者可以通過發(fā)送單個消息來達到多 播注冊和資源預留的目的，從而能夠快速，高效地提供多播服務質(zhì)量 的支持。 以太網(wǎng)交換機資源的調(diào)度的研究：首先研究了以太網(wǎng)交換機在調(diào) 度低帶寬高時延性能需求的應用與高帶寬性能需求的應用時存在的 問題，然后提出兩個專利。這兩個專利的提出可以使得以太網(wǎng)有效地 支持低帶寬高延遲性能需求的應用以及在保證端到端延遲需求的同 時兼顧高帶寬需求應用的接入請求。 時間同步算法的研究：首先研究了傳統(tǒng)的利用精確時間協(xié)議實現(xiàn) 時間同步的算法；并在硬件平臺上實現(xiàn)并測試了傳統(tǒng)算法在單跳與多 跳環(huán)境下的時間同步精度，測試結果發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)算法的單跳同步精度有 待提高；而且驗證了傳統(tǒng)同步算法產(chǎn)生的級聯(lián)誤差隨級聯(lián)級數(shù)呈指數(shù) 分布的缺陷；在此基礎上提出一種改進算法。改進算法能有效提高單 跳時的時間同步精度，并在多跳環(huán)境下能有效克服級聯(lián)誤差隨級聯(lián)級 數(shù)呈指數(shù)分布的缺陷，顯著提高了級聯(lián)后的時間同步的性能。 關鍵詞：服務質(zhì)量、資源預留協(xié)議、頻率補償算法、超幀、精確時間 協(xié)議、在場可編程門陣列、千兆位介質(zhì)無關接口 a b s t r a c t w it ht h ew id er a n g eo fu s eo fe t h e r n e tn e t w o r k ，t h ea m o u n t o fu s e r sg r o w sr a p i d l y n o we t h e r n e ti sp l a y i n gak e yi m p o r t a n t r o l ei nl o c a la r e an e t w o r k i tisr e p o r t e dt h a t9 5 n e t w o r kis c o n n e c t e db ye t h e r n e t a n da tt h es a m et i m e ，m o r ea n dm o r ef l e w s e r v i c e s a p p e a r o ne t h e r n e ta n dp u tg r e a tc h a l l e n g e o n t r a d i t i o n a le t h e r n e t n e t w o r kt o s u p p o r t c o n v e n t i o n a l b e s t e f f o r ts e r v i c ea sw e l la sr e a l t i m es e r v i c es u c ha sv i d e o a n da u d i os e r v i c e s i ti si m p o s s i b l ef o re t h e r n e tt os o l v et h i s p r o b l e mj u s tb ya d d i n gn e t w o r kb a n d w i d t h u n d e rt h i ss i t u a t i o n ， r e s i d e n t i a le t h e r n e ti sb r o u g h t f o r w a r dt oa d d r e s ss u c h p r o b l e m s t h ea i mo fr e s i d e n t i a le t h e r n e ti s t oi m p r o v ea n d a s s u r et h eq u a l i t yo fr e a l t i m es e r v i c et r a n s m i t t e do ni t b y a d d i n g t i m es y n c h r o n i z a t i o nf u n c t i o no ne a c h t r a d i t i o n a l s w i t c ha n du s i n gs p e c i a ls u p e r f r a m ea r c h i t e c t u r e ，r e s i d e n t i a l e t h e r n e ts w it c hc a na s s u r e m a xi m u md el a yw h e ns y n c h r o n o u s p a c k e tp a s s e s i t t h eq u a n t i t a t i v ed e l a yo b j e c t t h a ta r e a l - t i m ep a c k e tn e e d e dt op a s st h r o u g har e s i d e n t i a le t h e r n e t s w i t c hi sl e s s t h a n2s u p e r f r a m el e n g t h ( o n es u p e r f r a m e l e n g t hi s1 2 5 u s ) w ed oag r e a ta m o u n to ff p g aa n ds o f t w a r e d e v e l o p m e n tr e l a t e do fw o r kt oi m p l e m e n tr e s i d e n t i a le t h e r n e t s w i t c h a n da tt h es a m et i m e ，w ed om u c hr e s e a r c ho ns u c ha s p e c t s s u c ha sm u l t i c a s tr e g i s t e r i n g a n dr e s o u r c er e s e r v a t i o n ， r e s o u r c ec o o r d i n a t e ds c h e d u l i n gb e t w e e nb r i d g e s ，a d a p t i v e m u l t i - h o pt d m ar e s o u r c es c h e d u l i n ga n da l g o r i t h mi m p r o v e m e n t o nc o n v e n t i o n a lt i m es y n c h r o n i z a t i o nb a s e do nf r e q u e n c y o n l y c o m p e n s a t i o nc o r r e c t i o n t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri ss t a t e d i nw h a tf o l l o w s r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fr e s i d e n t i a le t h e r n e ts w i t c h ： f i r s t l y ，w ef o l l o wt h et e c h n i c a lp r o p o s a la b o u tr e s i d e n t i a l e t h e r n e tt e c h n o l o g yw h i c hi su n d e rc o n t r o l8 0 2 3r e s i d e n t i a l e t h e r n e ts t u d yg r o u p s e c o n d l y ，d i s c u s sw i t hk o r e ah e a d q u a r t e r a b o u tt h ew o r kc o n t e n t st h a tw en e e dt od e v e l o p o u rw o r k c o n t e n t sc a nb ed i v i d e di n t ot h r e er e l a t i v e l yi n d e p e n d e n tt h r e e p h a s e s t h ew o r k c o n t e n tf o rf i r s tp h a s ei st o ：d e v e l o p r e s i d e n t i a le t h e r n e ts w i t c hi no n ep f p g aw i t he m b e d d e dc p ua n d i m p l e m e n tt i m es y n c h r o n i z a t i o nf u n c t i o ni n s w i t c h t h ew o r k c o n t e n tf o rs e c o n dp h a s ei st oi n t e g r a t er e s i d e n t i a ls w i t c ha n d a s y n c h r o n o u ss w i t c hi n t oo n ep f g ac h i pa n dd or e s o u r c ea n a l y s i s r e q u i r e df o rp f g a t h ew o r k c o n t e n tf o rt h i r dp h a s ei st o o p t i m i z ea n di m p r o v et h ea l g o r i t h mu s e df o rs y n c h r o n i z i n ge a c h d e v i c eb yu s i n gt h ep r o c e s so fp r e c i s et i m ep r o t o c 0 1 t h ea i m i st od e c r e a s es y n c h r o n i z a t i o ne r r o r ，e s p e c i a l l yi nc a s c a d e d e n v i r o n m e n t r e s e a r c hf o rb r o a d c a s tr e g i s t e r i n g a n dr e s o u r c e r e s e r v a t i o n ：f i r s t l y ， w es t u d yt h ep r o b l e mt h a tc o n v e n t i o n a l b r o a d c a s tt e c h n o l o g yc a n ta s s u r et h eq u a l i t yo n e t h e r n e t s e c o n d l y ，w ep r o p o s eo n es c h e m et h a ti n t e g r a t e sb r o a d c a s ta n d r e s o u r c er e s e r v a t i o n b yu s i n gt h i ss c h e m e ，r e c e i v e r c a nf i n i s h b r o a d c a s t i n gr e g i s t e r i n ga n dr e s o u r c er e s e r v a t i o nb y s e n d i n g o u ts i n g l em e s s a g e ，s oa st op r o v i d es u p p o r tt oq u a l i t yo ff a s t a n de f f i c i e n tb r o a d c a s t i n g r e s e a r c hf o rr e s o u r c es c h e d u l i n g o fe t h e r n e tb r i d g e s ： f i r s t l y ，w ei n v e s t i g a t et h ep r o b l e m se x i s t i n gt o s u p p o r tt w o k i n d so fa p p l i c a t i o n s t h e s ea p p l i c a t i o n sa r e l o w b a n d w i d t h b u th i g h d e l a yr e q u i r e m e n t a p p l i c a t i o n a n dh i g h b a n d w i d t h r e q u i r e m e n ta p p l i c a t i o n t h e nw ep r o p o s e t w op a t e n t st oa d d r e s s t h ep r o b l e ms oa st oe f f e c t i v e l ys u p p o r t l o w b a n d w i d t hb u t h i g h d e l a yr e q u i r e m e n t a p p l i c a t i o n a n ds t i l li n c r e a s et h e a d m i s s i o np r o b a b i l i t y o fh i g h b a n d w i d t hr e q u i r e m e n t a p p li c a t i o n r e s e a r c ha n di m p r o v e m e n to ft i m es y n c h r o n i z a t i o n ：f i r s t l y ， w ef i r s ts t u d yc o n v e n t i o n a ls c h e m ef o rt i m es y n c h r o n i z a t i o nb y u s i n gp r e c i s et i m ep r o t o c 0 1 t h e nw ei m p l e m e n t c o n v e n t i o n a l s c h e m ei no u rf p g a t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l ts h o w st h a t c o n v e n t i o n a ls c h e m eh a st h ep r o b l e mt h a ts y n c h r o n i z a t i o ne r r o r i n c r e a s ee x p o n e n t i a l l yw i t ht h e h o pn u m b e ro fc a s c a d e db r i d g e s t h i sd e f e c ti s n ta c c e p t a b l e b a s e do nc o n v e n t i o n a ls c h e m e w ep r o p o s eo n ei m p r o v e d s c h e m e o u ri m p r o v e ds c h e m e c a n o v e r c o m et h ed e f e c t so ft r a d i t i o n a l s c h e m ea n di n c r e a s e s s y n c h r o n i z a t i o np r e c is i o nm a r k e d l y k e yw o r d s ： q u a li t y o f s e r v i c e ， r e s o u r c er e s e r v a t i o n p r o t o c o l ， f r e q u e n c y c o m p e n s a t i o nc o r r e c t i o n ，s u p e r f r a m e ，p r e c i s et i m ep r o t o c o l ( p t p ) ，f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) ，g i g a b i t m e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ( g m i i ) 北京u 人學博l 后 | j 站報告 r e s i d e n t i a le t h e r n e t 技術研究與開發(fā) 第一章緒論 1 1 研究背景 過去的以太網(wǎng)技術主要應用于局域網(wǎng)環(huán)境中，連接的設備數(shù)量較少。在以太 網(wǎng)傳輸速率由十兆發(fā)展到百兆、千兆的同時，以太網(wǎng)設備的成本也在不斷降低， 這導致網(wǎng)絡中的設備數(shù)量迅速增加；交換技術在以太網(wǎng)中的應用，通過提供優(yōu)先 級的區(qū)分、全雙工通信等功能，極大地提高了以太網(wǎng)的性能。而且，以太網(wǎng)的統(tǒng) 計復用方式更適于傳輸數(shù)據(jù)，而且成本也低得多。隨著千兆以太網(wǎng)的普及和1 0 g 以太網(wǎng)技術的發(fā)展，以太網(wǎng)技術已經(jīng)完全能夠滿足駐地網(wǎng)與城域網(wǎng)所需的速率要 求。如今以太網(wǎng)已經(jīng)壟斷了l a n 領域，有超過9 5 的用戶使用以太網(wǎng)連接其內(nèi) 部網(wǎng)絡。與此此時，傳統(tǒng)的e t h e m e t 只提供盡力而為類型的服務，這種類型的服 務非常適合一些傳統(tǒng)的應用，如電子郵件、h t t p 與f t p 業(yè)務等。但是隨著網(wǎng)絡 技術的快速發(fā)展與i n t e r n e t 的迅速普及，e t h e m e t 上承載的業(yè)務類型越來越多， 尤其是像會議電視、v o i p 、遠程教學、遠程醫(yī)療和網(wǎng)絡電視等寬帶多媒體業(yè)務更 是有著巨大的市場需求。這些業(yè)務對e t h e r n e t 提出了服務質(zhì)量要求：它們不僅要 求一定的傳輸帶寬，而且對單向時延、時延抖動以及報文丟失率也提出了要求。 i t u t g l 0 1 0 建議【2 】從單向時延、時延抖動以及報文丟失率這三個方面對話音業(yè) 務與視頻業(yè)務所要達到的目標進行了規(guī)定。g 1 0 1 0 規(guī)定交互式話音業(yè)務的單向時 延不超過1 5 0 m s ，時延抖動應小于l m s ，報文丟失率應小于3 ；而g 1 0 1 0 規(guī)定 交互式視頻業(yè)務的單向時延的短期目標是不超過4 0 0 m s ，其長期目標是不超過 1 5 0 m s ，報文丟失率應小于l ，它還要求視頻與音頻必須同步在8 0 m s 內(nèi)。這種 服務質(zhì)量的要求給傳統(tǒng)e t h e m e t 網(wǎng)絡帶來了巨大的挑戰(zhàn)。 同步以太網(wǎng)就是在這種背景下提出了，它的提出，致力于解決家庭網(wǎng)絡、駐 地網(wǎng)絡甚至城域范圍網(wǎng)絡在傳輸實時業(yè)務如話音、視頻通信等業(yè)務時存在的問 題。為了解決這些問題，同步以太網(wǎng)新提出了幾項核心技術，包括設備間時間同 步、資源預留策略、流量接入調(diào)度策略、超幀傳輸結構等，這些技術旨在傳統(tǒng)以 太網(wǎng)技術上增加了各個交換設備之間的時間同步，從而產(chǎn)生同步的超幀起始信 號，然后按照超幀結構傳輸各種業(yè)務的數(shù)據(jù)，特定的幀結構設計有利于更好地更 北京岍乜人學博j 后；站撒告 r e s i d e n t i a le t h e m e t 技術 i j 究與開發(fā) 有效地控制實時業(yè)務的時延與時延抖動；量化一點的性能目標是：經(jīng)過一個設備 給實時業(yè)務流帶來的最大時延不超過兩個超幀的時間長度( 目前超幀的長度為 1 2 5 u s ) ；而經(jīng)過一個設備給實時業(yè)務流帶來的最大時延抖動不超過一個超幀的時 間長度。 鑒于以上的挑戰(zhàn)與新技術的提出，本文以實現(xiàn)同步以太網(wǎng)交換機為目標進行 大量研發(fā)工作，對多播注冊與資源預留、以太網(wǎng)網(wǎng)橋之間的協(xié)同調(diào)度、自適應的 多跳時分復用調(diào)度、時間同步算法改進這幾個方面開展了研究。 本章的后續(xù)部分概述了本文在這領域的創(chuàng)新和主要工作、以及論文后續(xù)部 分的組織結構和內(nèi)容。 1 2 博士后工作成果和研究創(chuàng)新點 我們項目組以實現(xiàn)同步以太網(wǎng)交換機為目標進行了大量的研發(fā)工作，對多播 注冊與資源預留、以太網(wǎng)網(wǎng)橋之間的協(xié)同調(diào)度、自適應的多跳時分復用調(diào)度、時 間同步算法改進這幾個方面開展了研究。主要的創(chuàng)新與工作如下： ( 1 ) 同步以太網(wǎng)交換機的研發(fā)：首先跟蹤學習i e e e 8 0 2 3 工作組關于同步以 太網(wǎng)技術的技術提案，；然后與韓國總部討論開發(fā)內(nèi)容，確定研發(fā)內(nèi)容分為三個階 段。第一步階段的任務是研發(fā)同步以太網(wǎng)交換機：完成混合報文的分析、交換和 發(fā)送，以及完成主時間設備的選擇與設備間的時間同步；第二階段的任務是在 f p g a 內(nèi)完成同步交換陣與異步交換陣的集成，實現(xiàn)單片f p g a 支持同步與異步流 量兩種交換的功能，經(jīng)過集成交換機處理后的同步業(yè)務的服務質(zhì)量不受異步業(yè)務 的影響；第三階段的任務是優(yōu)化與改進設備間時間同步的算法并實現(xiàn)，尤其要改 進多跳環(huán)境下設備之間時間同步的同步精度，克服與解決傳統(tǒng)同步算法產(chǎn)生的級 聯(lián)誤差隨級聯(lián)級數(shù)呈指數(shù)分布的缺陷，提高同步精度。 ( 2 ) 一種單播方式的以太網(wǎng)多播控制信息傳遞方法的研究：首先研究了傳統(tǒng) 的多播方式傳送多播控制信息的缺點，在此基礎上提出了使用單播方式傳遞以太 網(wǎng)的多播控制信息。使用單播方式有兩個好處：第一、由于消息是單播方式傳送， 因此它不會被傳遞到全網(wǎng)；第二、網(wǎng)橋可以很容易地區(qū)分多播控制信息和數(shù)據(jù)流， 這樣就使得網(wǎng)橋能夠高效地對兩者進行分別處理。 ( 3 ) 多播注冊與資源預留的研究：首先研究了傳統(tǒng)以太網(wǎng)中的多播技術不能 北京匕人學博：卜后：l ：站報告 r e s i d e n t i a li ；t h e m e t 技術研究與開發(fā) 有效保證服務質(zhì)量的問題；然后提出一種新的綜合多播和資源預留的解決方案； 該方案中，接收者可以通過發(fā)送單個消息來達到多播注冊和資源預留的目的，從 而能夠快速、高效地支持多播服務的質(zhì)量。 ( 4 ) 以太網(wǎng)交換機資源調(diào)度的研究：首先研究了以太網(wǎng)交換機在調(diào)度低帶寬 高時延性能需求的應用與高帶寬性能需求的應用時存在的問題；然后提出兩個專 利。這兩個專利的提出可以使得以太網(wǎng)有效地支持低帶寬高延遲性能需求的應用 以及在保證端到端延遲需求的同時兼顧高帶寬需求應用的接入請求。 ( 5 ) 時問同步算法的研究：首先研究了傳統(tǒng)的時間同步算法；然后在硬件平 臺上實現(xiàn)并測試了傳統(tǒng)算法在單跳與多跳環(huán)境下的時間同步精度，測試結果發(fā)現(xiàn) 傳統(tǒng)算法的單跳同步精度有待提高；而且驗證了傳統(tǒng)同步算法產(chǎn)生的級聯(lián)誤差隨 級聯(lián)級數(shù)呈指數(shù)分布的缺陷；在此基礎上提出一種改進算法。改進算法能有效提 高單跳時的時間同步精度，并在多跳環(huán)境下能有效克服級聯(lián)誤差隨級聯(lián)級數(shù)呈指 數(shù)分布的缺陷，顯著提高了級聯(lián)后時f b j 同步的性能。 1 3 博士后出站報告結構 本文后續(xù)部分的內(nèi)容安排如下： 第二章開發(fā)工作的總結：首先對博士后課題的開發(fā)工作進行概述，然后對 開發(fā)平臺、開發(fā)環(huán)境、使用的操作系統(tǒng)、研發(fā)工具與測試設備進行了介紹；然后 對三個階段的研發(fā)工作分別從研發(fā)需求、系統(tǒng)模塊設計與測試結果這幾個方面進 行了描述。最后，對本章進行了總結。 第三章研究工作的總結：首先對提出的五個專利進行了概述；然后對每個 專利從專利提出的技術背景、專利細節(jié)描述與仿真或測試結果這幾個方面進行了 詳細描述。最后，對本章進行了總結。 第四章本文總結與展望：對本文所做的工作進行了簡要的總結，并對未來 的研究作了展望。 在文章的最后，給出了本文所引用的參考文獻、致謝等內(nèi)容。 北京郵電人學博。卜后j l ；站報告 r e s i d e n t i a le t h e r n e t 技術研究與開發(fā) 第二章開發(fā)工作的總結 2 1 概述 r s e 相關課題的研發(fā)工作是兩年工作量，經(jīng)過我們項目組的共同努力，僅用 了一年半的時間就提前完成了。它的執(zhí)行過程可以劃分為三個階段，在每一個階 段結束時都通過了韓國三星總部嚴格的驗收測試，每一階段的工作劃分參見后續(xù) 章節(jié)。課題主要的開發(fā)內(nèi)容圍繞f p g a 邏輯與嵌入在f p g a 芯片內(nèi)部的c p u 核進 行同步以太網(wǎng)相關內(nèi)容的開發(fā)，主要丌發(fā)涉及到f p g a 代碼編寫與調(diào)試、c p u 核 的外圍平臺的搭建與調(diào)試、嵌入式l i n u x 內(nèi)核移植、驅(qū)動程序代碼的編寫與調(diào)試、 以及應用層軟件代碼的編寫與調(diào)試。 第一階段的主要工作是開發(fā)同步以太網(wǎng)交換機與時間同步系統(tǒng)；第二階段的 主要工作是在單片f p g a 內(nèi)集成同步以太網(wǎng)交換機與傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機，評估 f p g a 資源占用情況；第三階段的工作集中在時間同步協(xié)議的驗證與改進方面。 至于這三個階段具體的工作情況，請參見2 2 章節(jié)。 在隨后的半年時間里，我們將承接新的課題項目，以擴展博士后課題的研究 范圍與研究內(nèi)容。下面我將就開發(fā)平臺與開發(fā)環(huán)境、開發(fā)工作等方面進行介紹。 2 1 1 開發(fā)平臺與開發(fā)環(huán)境介紹 開發(fā)板介紹 r s e 開發(fā)板由韓國總部開發(fā)完成，整個開發(fā)板對外提供四路千兆以太網(wǎng) r j 4 5 接1 ：3 與一路光接口，板子上面集成了千兆以太網(wǎng)物理層芯片、3 2 m bf l a s h 存儲器、8 m bs d r a m 與x i l i n xf p g a 芯片。f p g a 芯片的型號是v i r t e x l ip r o 系列的x c 2 v p 4 0 一f f l l 5 2 6 ，芯片門數(shù)高達4 百萬門，它內(nèi)部內(nèi)嵌了兩個p p c 4 0 5 c p u 核，且能夠提供3 4 5 6 k b 的塊存儲器供開發(fā)者使用。由于這款f p g a 的強 大功能，我們可以在單片f p g a 上實現(xiàn)片上系統(tǒng)的開發(fā)，而且使得項目的開發(fā)具 有很大的靈活性，而不需要額外的c p u 控制扳。當然，這種片上系統(tǒng)項目的設 計涉及到f p g a 代碼的開發(fā)、c p u 核外圍平臺的搭建、嵌入式l i n u x 的移植、 驅(qū)動程序的開發(fā)以應用代碼的編寫，給項目帶來了巨大的難度與挑戰(zhàn)性。 4 北京郵電大學博：l 后f j ；站報告 r e s i d e n t i a le t h e m e t 技術研究與開發(fā) 操作系統(tǒng)介紹 我們選擇了m o n t a v i s t al i n u x 嵌入式操作系統(tǒng)來開發(fā)我們的項目， m o n t a y i s t al i n u x 操作系統(tǒng)是在實時嵌入式領域罩廣泛應用的系統(tǒng)軟件，它同 時也是一個開發(fā)環(huán)境。它可以對軟硬件資源進行有效的管理，并提供人機接口， 它提供了基于標準化開放系統(tǒng)的完整的多任務環(huán)境，我們使用的m o n t a v i s t a l i n u x 版本是m o n t a v i s t al i n u x 專業(yè)版p e3 1 ，它充分利用l i n u x 丌放源代碼 的穩(wěn)定性、高性能和可擴展性的優(yōu)點，增強l i n u x2 4 2 0 內(nèi)核以適應嵌入式應 用，包括優(yōu)化嵌入式應用的高級工具。專業(yè)版還包含的m o n t a v i s t ad e v r o c k e t 交叉丌發(fā)平臺，它具有綜合開發(fā)和分析工具，可降低項目開發(fā)風險。該版本l i n u x 包含c c + + 編輯瀏覽器，源碼級調(diào)試器，編譯器和圖形運行分析工具。用戶可以 在g n u 環(huán)境中輕松地完成編輯、編譯、調(diào)試等工作。 為滿足嵌入式設計的實時性能需求，m o n t a v i s t al i n u x 采用具有戰(zhàn)略性的方 案，既顯著提高實時響應而又保留健壯的l i n u x 用戶編程模式和標準l i n u xa p i 。 m o n t a v i s t a 可搶占內(nèi)核技術明顯降低了內(nèi)核延遲和抖動，保證了毫秒級的系統(tǒng) 最壞實時響應。為了優(yōu)化l i n u x 進程線程調(diào)度，m o n t a v i s t a 在內(nèi)核里集成了固 定調(diào)度開銷的實時調(diào)度器，提供了可配置實時優(yōu)先級和具有c p u 親和性 ( a f f i n i t y ) 。m o n t a v i s t a 在p e3 1 中引入了高分辨率定時器( h i g hr e s o l u t i o n t i m e r s ) ，給開發(fā)人員提供了增加實時程序的控制。使用h r t ，編程人員能實現(xiàn) 微秒級精度的基于時間、事件驅(qū)動的新算法，減少作c p u 時鐘周期的輪詢和空循 環(huán)時間開銷。這些技術在不影響l i n u x 優(yōu)勢的基礎上為嵌入式應用開發(fā)提供了一 個實時開發(fā)平臺。專業(yè)版以m o n t a v i s t ad e v r o c k e t 為主要特色，提供了交叉和 本地工具鏈的集成開發(fā)環(huán)境，具有基于圖形化界面的調(diào)試能力、軟件和性能分析 能力和用于提高開發(fā)效率強大的工程向?qū)?。專業(yè)版也包含超過2 5 0 種l i n u x 系統(tǒng) 應用包，可被用于快速構建平臺映像。依靠m o n t a v i s t as o f t w a r e 的技術領先性 和與流行微處理器和板級供應商的伙伴關系，以及先進的特色、高級的o s 、完 整的開發(fā)環(huán)境和m o n t a v i s t a 產(chǎn)品訂閱模式所提供的可繼承優(yōu)勢，m o n t a v i s t a l i n u x 專業(yè)版在世界范圍內(nèi)被成百上千的用戶使用。 研發(fā)工具與設備介紹 北京郵1 也人學博l ：后j i j 站報告 r e m d e n t l a le t h e r n e t 技術研究與開發(fā) 在開發(fā)過程中，我們主要使用的研發(fā)工具有： 1 m o d e l s i ms e5 8 d ，它主要用來編譯仿真我們的v h d l 代碼，m o d e l s i m 卓越而強大的功能給我們項目的開展提供了很大的便利與支持； 2 i s e 6 3 i ，它主要用來對f p g a 代碼進行綜合、布局和布線； 3 e d k 6 3 i ，它主要用來生成c p u 核外圍設備相關的工程文件與網(wǎng)表文件， 并生成與嵌入式l i n u x 相關的驅(qū)動與參數(shù)定義文件； 4 b d l 2 0 0 0 ，它主要用來控制c p u 、并通過它下載軟件與調(diào)試操作； 5 s m a r t b i t s 流量產(chǎn)生儀，它能夠產(chǎn)生1 0 0 0 m b p s 的千兆線速流量的報文輸 入我們設計的f p g a 旱，然后通過它接收報文來觀察從我們f p g a 里輸 出的報文是否有錯，是否有丟包以及時延特性，并根據(jù)它的分析結果尋 找代碼的缺陷，這種測試儀對于我們項目的調(diào)試來說是不可缺少的。 6 c h i p s c o p e 6 ，3 i ，片內(nèi)邏輯分析儀，它的主要功能是通過j t a g 編程接口， 在線、實時地讀出f p g a 內(nèi)部的信號。其基本原理是利用f p g a 中未使 用的塊存儲器，根據(jù)用戶設定的觸發(fā)條件，將信號實時地保存到這些存 儲塊中，然后通過j t a g 接口傳送到計算機，并通過計算機的用戶界面 g u i 顯示出所采集的時序波形，大大方便了對f p g a 內(nèi)部信號的跟蹤與 調(diào)試。 2 1 2 開發(fā)工作的階段劃分 r s e 相關課題的執(zhí)行過程可以劃分為三個階段。第階段的主要工作是開發(fā) 同步以太網(wǎng)交換機與時間同步系統(tǒng)；第二階段的主要工作是在單片f p g a 內(nèi)集成 同步以太網(wǎng)交換機與傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機，評估f p g a 資源占用情況；第三階段的 工作集中在時間同步協(xié)議的驗證與改進方面。下面我們將仔細介紹這三個階段具 體的工作情況。 2 2 第一階段工作總結 第一階段工作的持續(xù)時間是從2 0 0 4 1 1 到2 0 0 5 7 。這期間項目組共五名成員， 我擔任項目經(jīng)理，其他四名成員是鄭劍鋒博士、譚興曄博士、吳起博士與畢務剛。 2 2 1 系統(tǒng)設計需求 功能需求： 6 北京郵f u 人學博f + 后f | 站撤告 r e s i d e n t i a le t h e r n e t 技術可究j 開發(fā) 1 ，r 發(fā)f p g a 代碼實現(xiàn)從千兆以太網(wǎng)接口上接收報文，并識別與插入超幀， 超幀長度為1 2 5 u s ； 2 開發(fā)f p g a 代碼實現(xiàn)對同步報文、異步報文與協(xié)議控制報文的分析，并 提取出源目的m a c 地址、協(xié)議類型與報文長度；完成對報文的c r c 檢 驗；完成對報文的存儲與控制；將同步報文發(fā)送到同步交換陣；將異步 報文發(fā)送到外部g m i i 接口；將協(xié)議控制報文存儲到內(nèi)部存儲器，供c p u 讀取； 3 開發(fā)f p g a 代碼實現(xiàn)對同步報文、異步報文與協(xié)議控制報文這三秭報文 的發(fā)送控制，并復用到千兆以太網(wǎng)端口上；復用時需要遵守超幀的格式。 三種報文中同步報文的優(yōu)先級最高，協(xié)議控制報文次之，異步報文的優(yōu) 先級最低；為了保證同步報文的服務質(zhì)量，需要對異步報文進行h o l d 控制； 4 軟件與f p g a 協(xié)同開發(fā)實現(xiàn)時間同步模塊； a ) f p g a 提供時間計時功能，并根據(jù)軟件的設置進行時間調(diào)整；與此同 時提供時間信息給報文分析模塊：并根掘報文復用模塊提供的指示 信號鎖存時間信息供應用層軟件使用； b ) 軟件需要完成的功能分為兩個部分： i 從報文分析模塊里讀取協(xié)議控制報文； i i 將協(xié)議控制報文發(fā)送到報文復用模塊； 1 1 。1 根據(jù)主同步設備的選擇原則，從多個設備選擇出主同步設備， 其它設備為從設備； i v 根據(jù)i e e e l 5 8 8 時間同步協(xié)議，完成主從同步設備之間的時間信 息的交互，并實現(xiàn)設備間的時間同步； v 設計并實現(xiàn)算法實現(xiàn)對時鐘漂移的補償，實現(xiàn)主從設備之間的 精確同步； v l 設計人機界面與一些控制接口，并通過人機界面控制是否進行 同步以及各種參數(shù)的調(diào)整。 5 開發(fā)f p g a 代碼實現(xiàn)5 x 5 千兆交換陣，需要完成 a ) 完成同步報文m a c 地址的自學習功能； 北京舢：i u 人學博_ j 二后j j ；站撇告r e s i d e n t i a le t h e r n e t 技術研究與開發(fā) b ) 完成同步報文m a c 地址超時自動刪除功能； c ) 對同步報文交換的性能需要達到5 路千兆輸入內(nèi)部交換無阻塞； 6 需要完成以上模塊的功能仿真、單元測試、集成測試與系統(tǒng)測試。 性能需求： 1 千兆線速情況下異步報文通過率要求達到1 0 0 ，測試報文數(shù)目需要達 到1 0 “以上； 2 千兆線速情況下同步報文通過率要求達到9 5 以上，測試報文數(shù)目需 要達到1 0 8 以上； 3 異步報文與同步報文混合輸出時( 以下稱混合流量或混合報文) ： e t ) 7 0 同步報文+ 2 0 異步報文，要求兩種報文均不能出現(xiàn)報文丟失； b ) 7 0 同步報文+ 3 0 異步報文，要求同步報文不能出現(xiàn)報文丟失； c ) 7 0 同步報文+ 5 0 異步報文，要求同步報文不能出現(xiàn)報文丟失； d ) 7 0 同步報文+ 1 0 0 異步報文，要求同步報文不能出現(xiàn)報文丟失； 4 兩個設備之間時間同步的誤差要求在 - 5 0 0 n s ，5 0 0 n s 范圍以內(nèi)。 2 2 2 系統(tǒng)設計描述 系統(tǒng)設計的總體模塊框圖如下圖所示。 圖1 總體模塊框圖 f p g a 設計包括以下模塊： 北京i | 】i f f u 人學博士后j | 站撤告 r e s i d e n t i a le t h e r n e t 技術研究與開發(fā) 報文分析模塊p a r s e r 模塊 報文復用模塊一m u x 模塊 同步交換陣模塊一r e s es a v 模塊 時間同步模塊一c y c l em a s t e r 模塊 c p u 接口模塊c p ui n t e r f a c e 模塊 超幀脈沖產(chǎn)生模塊一s o c 模塊 g m i it os g m i i 模塊，由韓國總部人員開發(fā) 從上圖可以看出，f p g a 系統(tǒng)主要包括7 個模塊。下面我們將描述我們?yōu)楹?需要設計以上幾個模塊。 報文從物理線路進行r j 4 5 接口后，經(jīng)物理層芯片處理后變成標準的g m i i 接口送到f p g a 芯片。這些報文首先需要被p a r s e r 模塊與s o c 模塊處理。p a r s e r 模塊根據(jù)報文中攜帶的e t h e r n e t 類型域攜帶的類型關鍵字將以太網(wǎng)報文劃分成 三種類型：同步報文、異步報文與協(xié)議控制報文。然后，同步報文將根據(jù)目的 m a c 地址查表結果發(fā)送到同步交換陣模塊；異步報文將通過g m i i t o s g m i i 轉(zhuǎn)換 模塊發(fā)送到f p g a 外部的異步交換陣模塊進行相應處理；協(xié)議控制報文，主要包 括時間同步相關的協(xié)議報文與設備能力廣播報文，將被p a r s e r 模塊發(fā)送到內(nèi)部存 儲器內(nèi)；如果該協(xié)議控制報文是時間同步相關的協(xié)議報文，將打上該報文到達時 刻的系統(tǒng)時間標簽供應用層軟件使用。p a r s e r 模塊還將對所有的報文進行c r c 檢查，如果發(fā)現(xiàn)錯誤，將報告錯誤結果。 同步交換陣模塊將根據(jù)同步報文的目的m a c 地址的查表結果將報文交換到 相應的輸出端口，如果查表結果沒有匹配項，將該報文廣播其它端口。而且同步 交換陣需要支持m a c 地址自動學習、自動超時更新與靜態(tài)路由配置功能。 c p u 接口模塊用于適配p l b 總線信號，并對地址信號進行譯碼，產(chǎn)生相應 的讀寫控制信號來訪問報文復用模塊、同步交換陣模塊以及時間同步模塊。 報文復用模塊有三個數(shù)據(jù)來源，它們是：來自與f p g a 芯片外部的異步交換 陣的異步報文；來自同步交換陣的同步報文以及來自c p u 接口模塊的協(xié)議處理 報文。報文復用模塊將根據(jù)超幀的要求將這三種報文復用到g m i i 接口上。 s o c 模塊將要檢測超幀的抖動是否在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，如果超限，將產(chǎn)生 超幀抖動超限指示信號指導隨后處理。此外，s o c 模塊還將根據(jù)時間同步模塊輸 北京郵1 u 人學博上后出站報告r e s i d e n t i a le t h e m e t 技術研究與開發(fā) 出的時間信息產(chǎn)生周期為1 2 5 u s 的超幀起始信號，并將該超幀起始信號發(fā)送到報 文復用模塊，報文復用模塊將根據(jù)超幀起始信號按照超幀格式向g m i i 接口上發(fā) 送報文。 時間同步模塊將維護時間計數(shù)器，并根據(jù)c p u 設定的控制命令進行時間調(diào) 整，以達到設備問時間的同步。時間同步模塊將紿報文分析模塊提供時間信息。 此外，時問同步模塊將根據(jù)報文復用模塊產(chǎn)生的s f d 指示信號鎖存當前系統(tǒng)的 時戳，以供應用層軟件讀取使用。 2 2 3 系統(tǒng)測試結果 測試結論：第一階段的工作通過了韓國總部要求的所有測試。 測試連接圖如下圖所示，其中g r e 板子就是指韓國總部開發(fā)的硬件平臺。下 圖描述了兩種配置連接圖，配置( a ) 用于測試單板的性能，配置( b ) 用于測試兩個 板子級聯(lián)后的性能。 下面兩個表分別總結了同步以太網(wǎng)交換機性能與異步交換機性能的測試結 果，在每個表的后面，給出了部分測試場景下的詳細測試配置與測試結果。 表1 ：同步交換機的測試結果 1 測試同步交換機功能 單跳或級聯(lián)測試 期顰的結果測試結果：是否通過 異步報文測試 單跳( f i g 2 a ) 1 0 0 異步報文通過通過 0 北京郵包大學博：，后j 站報告 r e s i d e n t i a e t h e m e t 技術 f | 究與開發(fā) 級聯(lián)( f i g 2 b ) 1 0 0 異步報文通過通過 同步報文通過率為 同步報文測試 級聯(lián)( f i g 2 b ) 通過率為9 7 9 。通過 9 5 以上 同步、異步報義均無報 2 0 異步流量通過 文丟