《電子技術(shù)應(yīng)用》
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千兆以太網(wǎng)測試儀的設(shè)計與實現(xiàn)

2009-06-24
作者：邱紹峰, 孫瑛琪, 張治中

??? 摘? 要：? 針對當前高速網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展情況，給出了一種千兆以太網(wǎng)絡(luò)測試儀的實現(xiàn)方法。測試儀系統(tǒng)具有光/電雙端口測試通道;采用高端FPGA生成高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量;模塊間采用標準接口，實現(xiàn)RFC2544網(wǎng)絡(luò)測試基準建議的測試項;軟件采用實時微型操作系統(tǒng)。在千兆以太網(wǎng)交換機搭建的測試環(huán)境下進行測試，系統(tǒng)工作正常，具有較高的穩(wěn)定性。?

??? 關(guān)鍵詞： 千兆以太網(wǎng);? 測試儀;? 高速流量

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??? 隨著全球通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，我國的通信技術(shù)也在以前所未有的速度向世界高端領(lǐng)域前進?？焖僖蕴W(wǎng)FE（Fast Ethernet）、千兆以太網(wǎng)GE（Giga-bit Ethernet）等高速網(wǎng)絡(luò)及其產(chǎn)品已從實驗室研究進入實際生活應(yīng)用中，并隨著電信業(yè)的快速發(fā)展以及目前正在進行的電信行業(yè)重組，高速網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品將會越來越多。而高速網(wǎng)絡(luò)及其產(chǎn)品的快速發(fā)展需要相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)測試與維護產(chǎn)品的跟進發(fā)展，目前雖然已經(jīng)有幾種高速網(wǎng)絡(luò)測試儀產(chǎn)品，但這些測試儀主要是由國外廠家所研制，一方面不能滿足國內(nèi)特定的測試需求，另一方面不適合國人的使用習慣，使用不方便。基于國內(nèi)與國外通信網(wǎng)絡(luò)存在差別的具體情況，為滿足國內(nèi)通信網(wǎng)的高速發(fā)展，有必要研發(fā)符合國內(nèi)具體情況的高性能高速網(wǎng)絡(luò)測試儀[1]。?

1 系統(tǒng)介紹?

??? 千兆以太網(wǎng)測試儀體積小、重量輕，是一款適合攜帶的手持式小型測試儀。其具有雙端口測試功能，支持電口、光口SFP（小型可插拔）以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的接入測試；具有自協(xié)商功能，支持協(xié)商10/100/1 000 M網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與Pause幀流量控制；支持PHY環(huán)回與MAC環(huán)回測試，支持RFC2544網(wǎng)絡(luò)基準測試建議的吞吐量(Throughput)、時延(Latency)、丟包率(Frame Loss Rate)和背靠背幀(Burst Back to Back Frame)等指標測試[2]；支持VLAN、SNMP、IPX、DNS等測試管理功能；系統(tǒng)可以進行大數(shù)據(jù)量的存儲處理，且具有高速網(wǎng)絡(luò)流量生成發(fā)送功能。千兆以太網(wǎng)測試儀系統(tǒng)電路原理框圖如圖1所示。?

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??? 10/100/1 000 M數(shù)據(jù)通過電口進來后，經(jīng)物理層進行開銷處理與串并轉(zhuǎn)換后到MAC層,在MAC層經(jīng)流/自協(xié)商控制、地址濾波，符合要求的數(shù)據(jù)在Gigabit MAC控制下送到POS-PHY Level 3接口到FPGA，F(xiàn)PGA對數(shù)據(jù)進行處理后送至ARM控制器進行進一步的處理與顯示報告。?

??? 從SFP電口進來的數(shù)據(jù)直接到MAC器件，由SERDES進行串并轉(zhuǎn)換，然后進行8B/10B編解碼，同樣在Gigabit MAC控制下送到POS-PHY Level 3接口，其余處理與電口進來的數(shù)據(jù)相同。?

??? 發(fā)送數(shù)據(jù)的流向與接收數(shù)據(jù)流向相反，在ARM控制模塊的指示下，F(xiàn)PGA生成相應(yīng)格式的網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)流量，經(jīng)MAC、PHY層處理后送至電口或光口發(fā)送到被測網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備。?

??? 千兆以太網(wǎng)測試儀系統(tǒng)采用的器件要求具有較高的處理速率，以滿足千兆網(wǎng)絡(luò)的高速要求。其中ARM處理器采用三星的S3C2440A處理器，這是一款內(nèi)核為ARM90T、支持最高數(shù)據(jù)速率可達403 MHz的處理器，它包含LCD接口、SD卡接口、多達3個的UART接口等[3]，能很好地滿足小型手持式測試儀需求。?

??? PHY層采用支持IEEE802.3協(xié)議,兼容10/100/1 000 M速率，支持自協(xié)商，具有平行檢測能力的器件。MAC層為支持電口，可直接接SFP光口的器件,支持Ethernet 2.0、IEEE 802.3 LLC、IEEE 802.3 SNAP/LLC編碼格式和VLAN幀；具有可編程Pause流量控制，可編程自協(xié)商功能；具有8個單播精確匹配地址過濾器，1個基于64bit的Hash多播過濾器；具有一組統(tǒng)計計數(shù)寄存器，可以統(tǒng)計各種情況下的收幀、發(fā)幀以及不同錯誤的錯誤幀的發(fā)送接收情況。另外，具有一個8位MCU接口，可與ARM控制器連接，實現(xiàn)對MAC層的配置與控制。?

??? 高速數(shù)據(jù)的生成與處理采用XILINX公司的大規(guī)模可編程器件FPGA，其寄存器速率最高可達550MHz，滿足POS-PHY Level 3(60 MHz～104 MHz)的速率要求。?

??? 千兆以太網(wǎng)測試儀系統(tǒng)各個模塊間采用標準接口：8位的GMII(PHY層與MAC層)、32位的POS-PHY Level 3(MAC層與FPGA高速數(shù)據(jù)流量生成與處理)、8位的MCU（MAC器件與ARM控制器），其中FPGA模塊與ARM控制模塊通過雙FIFO進行通信，1個用于下行數(shù)據(jù)傳輸，一個用于上行數(shù)據(jù)傳輸。?

??? 發(fā)送與處理數(shù)據(jù)必須支持不同協(xié)議的數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)時，ARM控制模塊告訴FPGA需要發(fā)送的數(shù)據(jù)格式，包括UDP、TCP、ICMP等數(shù)據(jù)類型以及流量模式為突發(fā)流還是均勻流等信息[4]，F(xiàn)PGA產(chǎn)生發(fā)送流量數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)時，MAC層、FPGA模塊根據(jù)ARM控制模塊的指示，對數(shù)據(jù)進行過濾、統(tǒng)計等處理后把結(jié)果報告給ARM控制模塊，如需要也可將符合要求的數(shù)據(jù)送至ARM模塊進行分析。?

2? 功能實現(xiàn)?

??? 千兆以太網(wǎng)測試儀系統(tǒng)需要實現(xiàn)的模塊按功能劃分,可以分為接收處理模塊、數(shù)據(jù)生成發(fā)送模塊、控制協(xié)調(diào)模塊及接口通信模塊。接收處理模塊主要是接收處理來自網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)生成發(fā)送模塊主要是根據(jù)ARM控制模塊的指示生成高速數(shù)據(jù)流并發(fā)送?？刂茀f(xié)調(diào)模塊負責指示接收、發(fā)送數(shù)據(jù)的類型模式以及協(xié)調(diào)各個模塊的工作。接口通信模塊一方面需要處理不同模塊間的通信協(xié)議，另一方面需要把數(shù)據(jù)送至人機交互界面。?

2.1 接收處理模塊?

??? 接收數(shù)據(jù)是從電/光口接收，經(jīng)過PHY層、MAC層處理后到FPGA。在FPGA中根據(jù)RFC2544網(wǎng)絡(luò)基準測試建議的吞吐量、時延、丟包率和背靠背幀等指標，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，然后送至ARM控制器模塊進行進一步的處理與報告顯示。電口、光口接收數(shù)據(jù)流程框圖分別如圖2、圖3所示。?

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??? 接收數(shù)據(jù)端口為雙端口，接收來自電口的數(shù)據(jù)以及來自SFP小型可插拔的光口數(shù)據(jù)。?

??? 電口支持符合IEEE802.3ab定義的1000 BASE-T接口。數(shù)據(jù)進來后在PHY層器件中經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，物理介質(zhì)接入(PAM)子層和物理編碼(PCS)子層處理，由DMUX處理后，通過GMII接口到MAC層，在MAC層中實現(xiàn)自協(xié)商、流控制與設(shè)置的地址過濾后，通過POS-PHY接口的可編程FIFO到FPGA 模塊。在FPGA模塊中主要根據(jù)RFC2544建議實現(xiàn)各種統(tǒng)計等處理。?

??? 光口支持IEEE802.3定義的1000BASE-SX短波（多模），1000BASE-LX長波（單?；蚨嗄＃┕饫w信號。光口處理基本與電口處理相同，由SFP進來的信號直接傳到MAC器件的SERDES(Serial to Parallel & 8B/10B Decoder)模塊，在其中進行串并轉(zhuǎn)換、8B/10B解碼后，由POS-PHY接口的可編程FIFO傳到FPGA模塊。?

??? 在FPGA模塊中處理統(tǒng)計接收到的數(shù)據(jù)時，需要快速查找數(shù)據(jù)以確定其是否與所統(tǒng)計處理數(shù)據(jù)類型匹配。此處采用輸入為需查詢的數(shù)據(jù)，輸出為數(shù)據(jù)地址和匹配標志的CAM存儲器，這樣可大大加快數(shù)據(jù)的查詢速率。?

2.2 數(shù)據(jù)生成發(fā)送模塊?

??? 數(shù)據(jù)發(fā)送流程與接收流程相反，在FPGA模塊中需要生成各種類型、各種模式的高速數(shù)據(jù)流量。需要生成的數(shù)據(jù)流量包括UDP、TCP、ICMP等。需要支持的流量生成模型主要有均勻流和突發(fā)流，其差別主要是流量速率、報文之間的時間間隔的不同，前者是以恒定速率生成發(fā)送流量，后者以滿足一定分布的隨機數(shù)速率產(chǎn)生發(fā)送流量[4]。發(fā)送時需要根據(jù)ARM控制部分決定發(fā)送類型為單播、多播、還是廣播。數(shù)據(jù)生成流程如圖4所示。?

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2.3 控制協(xié)調(diào)模塊?

??? ARM控制模塊是協(xié)調(diào)測試儀系統(tǒng)各部分工作，并根據(jù)用戶設(shè)置生成接收處理與生成發(fā)送數(shù)據(jù)的配置信息。?

??? ARM控制協(xié)調(diào)模塊對FPGA模塊的配置信息是通過FIFO實現(xiàn)的。首先，ARM處理器將用戶輸入的控制字轉(zhuǎn)換處理成雙方約定的、具有一定格式的數(shù)據(jù)類型，然后放入FIFO；然后，ARM向FPGA模塊發(fā)送一個指示信息，F(xiàn)PGA在掃描到此指示信息后，按照約定的格式讀取FIFO，提取配置信息。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，此配置信息為發(fā)送數(shù)據(jù)流量的配置信息，而在接收處理數(shù)據(jù)時為處理數(shù)據(jù)命令信息。?

??? 對MAC層的控制包括配置地址過濾、發(fā)送接收端口選擇等。ARM處理器將需要過濾的地址信息通過MAC器件的8位MCU接口配置到MAC層器件寄存器，實現(xiàn)對單播、多播、廣播的地址設(shè)置。同樣，通過配置使能通道設(shè)計寄存器，選擇數(shù)據(jù)接收發(fā)送通道為電口還是光口。?

2.4 接口通信模塊?

??? 各個模塊間的通信盡可能采用業(yè)界標準接口，以便于系統(tǒng)升級維護。?

??? PHY層與MAC層接口采用8位的GMII接口。GMII(Gigabit Media Independent Interface)可以滿足不同芯片供應(yīng)商對于MAC層和PHY層的互連互通。GMII采用8位接口數(shù)據(jù)，工作時鐘125 MHz，傳輸速率可達1 000 Mb/s，同時兼容MII所規(guī)定的10/100 Mb/s工作方式。?

??? MAC層與FPGA模塊采用32位的POS-PHY Level 3接口。POS-PHY接口為成幀器、網(wǎng)絡(luò)處理器與相關(guān)器件間通常使用的接口，由PMC-Sierra和Saturn開發(fā)，很多特性與Utopia接口相同，但POS-PHY能滿足不同長度數(shù)據(jù)包的需要，其中Level 3速率為2.488 Gb/s。?

3 軟件設(shè)計?

??? 千兆以太網(wǎng)測試儀軟件采用Microsoft公司的Windows CE操作系統(tǒng)，其界面友好，支持中文，支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。軟件設(shè)計需要實現(xiàn)的模塊主要有4個：?

??? (1)對MAC層、FPGA等器件進行配置，數(shù)據(jù)提取，發(fā)送驅(qū)動程序；?

??? (2)在FPGA等模塊的數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)上，進一步對統(tǒng)計處理結(jié)果進行處理；?

??? (3)指示生成發(fā)送，接收過濾數(shù)據(jù)配置信息；?

??? (4)界面顯示測試報告。?

??? Windows CE操作系統(tǒng)軟件還需實現(xiàn)USB、串口等通信交互功能。?

??? 對千兆以太網(wǎng)測試儀采用深圳東進通訊技術(shù)有限公司研制的Keygoe1003型千兆以太網(wǎng)交換機進行測試。測試項包括接收數(shù)據(jù)分析測試、發(fā)送數(shù)據(jù)環(huán)回分析測試、對測試結(jié)果進行RFC2544建議的吞吐量、時延、丟包率和背靠背幀等指標分析。經(jīng)過嚴格的功能和指標測試，本千兆以太網(wǎng)測試儀的各項指標均達到高速網(wǎng)絡(luò)測試儀要求的標準，可滿足電信行業(yè)廠商的需求。?

參考文獻?

[1] 吳義寶，沈文博，陸增援，等. 2.5 G ATM IP寬帶測試接口的研制. 中國科學技術(shù)大學學報，2004，34(1).?

[2] RFC2544. Benchmarking methodology for network interconnect devices. 1999.?

[3] ELECTRONICS S. S3C2440A.pdf. Http://www.samsungsemi.com/.2004.?

[4] 盛立杰，吳建平，章淼，等. 高速網(wǎng)絡(luò)性能測試負載生成多流發(fā)送調(diào)度算法. 清華大學學報(自然科學版)，2004，44(7).?

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