李傳輝，劉純武，黃芝平

　　（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073）

　　摘要：在100G以太網(wǎng)媒體接入控制器（Media Access Control，MAC）的設(shè)計(jì)中，需要采用高位寬的并行數(shù)據(jù)來降低對(duì)時(shí)鐘的要求。在使用并行循環(huán)冗余校驗(yàn)(Cyclical Redundancy Check，CRC)時(shí)會(huì)有一個(gè)問題，即需要計(jì)算CRC的數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度不一定是數(shù)據(jù)通道位寬的整數(shù)倍，導(dǎo)致最后一組數(shù)據(jù)無法使用數(shù)據(jù)通道的位寬對(duì)其進(jìn)行CRC計(jì)算。為了解決這個(gè)問題，本文提出了在幀前填充0的處理方法。仿真和測(cè)試結(jié)果都驗(yàn)證了該方法的可行性。該處理方法也能應(yīng)用到其他的通信系統(tǒng)中。

　　關(guān)鍵詞：100G以太網(wǎng)；并行CRC；高位寬

0引言

　　IEEE在2010年發(fā)布了40/100G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)［1］，其中MAC層仍然沿用以前的規(guī)定未作大的改變，只是100 Gb/s的高速率使得無法沿用以前的方法完成CRC值的計(jì)算，為此，本文提出了一種簡(jiǎn)單有效的解決方法。

1循環(huán)冗余校驗(yàn)

　　在數(shù)字通信系統(tǒng)中，為了確保接收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送端的數(shù)據(jù)一致，需要引入差錯(cuò)控制機(jī)制。循環(huán)冗余校驗(yàn)碼由于其誤碼監(jiān)測(cè)能力強(qiáng)，抗干擾能力優(yōu)異，被廣泛應(yīng)用于線路檢錯(cuò)。循環(huán)冗余檢驗(yàn)是一種系統(tǒng)的縮短循環(huán)碼，它采用多項(xiàng)式編碼方法［2］。設(shè)被檢驗(yàn)的信息碼有n位，信息系列M={mn-1 mn-2…m0}，用多項(xiàng)式M(x)可表示為：

　　M(x) = mn-1 xn-1 + mn-2 xn-2 + … + m1x1 +m0x0（1）

　　發(fā)送方和接收方使用同一個(gè)生成多項(xiàng)式G(x)，其是一個(gè)k階的二進(jìn)制多項(xiàng)式，而且G(x)的首位和最后一位的系數(shù)都必須是1，其通用表達(dá)式為：

　　G(x)=xk+gk-1xk-1+gk-2xk-2+…+g1x+1（2）

　　CRC的計(jì)算規(guī)則為發(fā)送方以xk·M(x)除以生成多項(xiàng)式G(x)，將得到的余數(shù)R(x)作為校驗(yàn)值，這里的計(jì)算規(guī)則都是使用二進(jìn)制運(yùn)算規(guī)則，R(x)可表示為：

　　R(x)=CRC(M(x))= xk·M(x)mod G(x)（3）

　　發(fā)送方將CRC值隨數(shù)據(jù)一起發(fā)送給接收方，接收方對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC值的計(jì)算，并將它與發(fā)送方的CRC值進(jìn)行比較。如果數(shù)據(jù)傳輸過程中沒有錯(cuò)誤，兩者的校驗(yàn)值就會(huì)是一致的，相反如果得到的校驗(yàn)值不一致，就可以判斷出數(shù)據(jù)在傳輸過程中發(fā)生了錯(cuò)誤，這時(shí)接收方就可以丟棄當(dāng)前數(shù)據(jù)或要求發(fā)送方重傳數(shù)據(jù)。CRC校驗(yàn)可以百分百地檢測(cè)出所有的奇數(shù)個(gè)的隨機(jī)錯(cuò)誤和長(zhǎng)度小于等于k的突發(fā)錯(cuò)誤。

2100G以太網(wǎng)的CRC設(shè)計(jì)

　　在以太網(wǎng)通信中，CRC校驗(yàn)具有重要作用。依據(jù)IEEE802.3以太網(wǎng)的幀格式（如圖1所示），CRC計(jì)算的數(shù)據(jù)區(qū)域包括目的地址、原地址、長(zhǎng)度/類型和負(fù)載數(shù)據(jù)圖1以太網(wǎng)幀格式區(qū)域。得到的CRC值作為幀校驗(yàn)序列（Frame Check Sequence，F(xiàn)CS）填充在數(shù)據(jù)幀尾。其中規(guī)定了以太網(wǎng)幀F(xiàn)CS字段的生成算法為CRC32，其生成的多項(xiàng)式表達(dá)式為：

　　G(x)=x32+x26+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1（4）

　　在吉比特以上速率的通信系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的串行CRC校驗(yàn)方法已無法滿足要求，所以現(xiàn)在有很多新型并行CRC計(jì)算方法［35］。因此在100G以太網(wǎng)中，其CRC也必須采用并行方法，CRC計(jì)算的并行位寬就是數(shù)據(jù)通道的位寬。提高數(shù)據(jù)位寬可以降低系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率，但另一方面隨著并行數(shù)據(jù)位寬的增加會(huì)使得CRC電路的延遲時(shí)間增加，影響系統(tǒng)的時(shí)序性能。經(jīng)過綜合考慮本文中設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)并行位寬為320。

　　使用320位的高并行位寬會(huì)使得數(shù)據(jù)的處理變得復(fù)雜。比如在MAC層的發(fā)送方，上層客戶每個(gè)時(shí)鐘就會(huì)有一組320位40 B的數(shù)據(jù)送給MAC處理，CRC模塊就會(huì)使用320位的并行算法對(duì)其計(jì)算。當(dāng)前的CRC值只與上一次數(shù)據(jù)得到的CRC值及當(dāng)前的數(shù)據(jù)有關(guān)，CRC值初始化為全0，如圖2所示。

　　問題是數(shù)據(jù)并不一定是40 B的整數(shù)倍關(guān)系，最后一組數(shù)據(jù)可能結(jié)束于任意位置，如圖3所示。

　　在10G以太網(wǎng)中，數(shù)據(jù)位寬為64 bit，在參考文獻(xiàn)［6］中對(duì)這種情況的處理方法為同時(shí)設(shè)計(jì)從8 bit到64 bit的CRC生成模塊，根據(jù)有效字節(jié)數(shù)選擇使用其中一個(gè)。這一方法無疑會(huì)占用大量資源，而且利用率低。在100G以太網(wǎng)中數(shù)據(jù)位寬如果按320設(shè)計(jì)，需要多達(dá)40個(gè)不同的CRC模塊，加上一個(gè)40路的多選一電路，這樣的電路在資源使用和時(shí)序性能方面都是很糟糕的。所以這一方法無法用于100G以太網(wǎng)中。文獻(xiàn)［7］中提到了一種級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)可以計(jì)算任意字節(jié)的CRC，但此結(jié)構(gòu)有個(gè)很明顯的缺點(diǎn)，即級(jí)聯(lián)越大，電路延遲線性增加，320位就需要級(jí)聯(lián)40次，這樣的電路無法滿足時(shí)序要求。文獻(xiàn)［2］中利用了CRC校驗(yàn)具有的Magic Number特性，在數(shù)據(jù)幀后面添加0，使得可以只用一個(gè)64 bit的CRC模塊完成接收方的CRC校驗(yàn)，但無法在數(shù)據(jù)發(fā)送方完成CRC值的計(jì)算。

3幀前補(bǔ)0的并行CRC

　　上節(jié)提到的10G以太網(wǎng)CRC的處理方法都無法直接應(yīng)用于100G以太網(wǎng)中。下面說明本文提出的方法：幀前補(bǔ)0后再進(jìn)行CRC計(jì)算。

　　假設(shè)原始序列M有n位數(shù)據(jù)，n不是320位的整數(shù)倍。i是一個(gè)小于320的整數(shù)，且i+n為320的整數(shù)倍，在M前增加i個(gè)0構(gòu)造為新序列M′：

　　M′(x)=0·xi+n-1+…+0·xn+M(x)=0+M(x)=M(x)（5）

　　可以看出新序列在數(shù)值上與原來的序列值是一樣的。這個(gè)很好理解，就像在十進(jìn)制中在最前面添加任意位數(shù)的0并不會(huì)改變這個(gè)數(shù)的數(shù)值一樣，當(dāng)然這在二進(jìn)制數(shù)當(dāng)中同樣適用。新序列的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度成為了320的整數(shù)倍。

　　由CRC的計(jì)算公式（3）來看，CRC的結(jié)果只與序列的數(shù)值有關(guān)，所以用新序列計(jì)算CRC會(huì)得到與用原始數(shù)列同樣的結(jié)果。所以依據(jù)此原理，只需要設(shè)計(jì)一個(gè)320位的并行CRC模塊，計(jì)算時(shí)使用新的序列送給CRC模塊，這個(gè)方法可以計(jì)算任意字節(jié)數(shù)據(jù)幀的CRC值。

　　假設(shè)有一幀數(shù)據(jù)負(fù)載字節(jié)長(zhǎng)度為len，加上目的地址、源地址和數(shù)據(jù)/類型字段的長(zhǎng)度14 B，則該幀需要參與CRC計(jì)算的數(shù)據(jù)總長(zhǎng)為L(zhǎng)=len+14。令n=ceil(L/40)，ceil函數(shù)得到的是大于等于L/40的最小整數(shù)。令rem=mod(L,40)為L(zhǎng)/40的余數(shù)，表示最后一組數(shù)據(jù)中有效數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，對(duì)應(yīng)的com=40-rem表示無效的字節(jié)數(shù)，V=8*com則表示無效的比特?cái)?shù)，也就是需要在幀前添加的0的比特個(gè)數(shù)。

　　在客戶端向MAC發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)時(shí)鐘MAC層會(huì)收到一組數(shù)據(jù)Cur_data_in［319:0］，設(shè)計(jì)一組初始化為全0的寄存器Last_data_in［319:0］用來保存上一時(shí)鐘的數(shù)據(jù)。根據(jù)V值的大小將Cur_data_in和Last_data_in組合成一組新的數(shù)據(jù)Data_to_crc［319:0］，其組合關(guān)系為：

　　Data_to_crc［319：0］=Last_data_in［V-1：0］&Cur_data_in［319：V］（6）

　　“&”表示并置連接，處理過程如圖4所示。新的序列就是送給CRC模塊的數(shù)據(jù)，從圖中可以看到在原始數(shù)據(jù)的前面添加了V個(gè)比特0。每組數(shù)據(jù)都可以使用320位的并行CRC進(jìn)行處理，而且最后得到的結(jié)果與使用原始數(shù)據(jù)一樣。

　　4測(cè)試及分析

　　使用硬件描述語言VHDL實(shí)現(xiàn)上述的處理過程，并將程序下載到FPGA中進(jìn)行測(cè)試，綜合出來的結(jié)果表明該方法在面積使用和運(yùn)行速度方面的效果都很好。測(cè)試時(shí)客戶端給出了一些不同長(zhǎng)度的以太網(wǎng)幀，使用Quartus II中的SignalTap工具對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行采樣。圖5是rem值為18的一幀數(shù)據(jù)的第一組數(shù)據(jù)，可以看到data_to_crc在cur_data_in前面添加了22個(gè)比特0，這是符合設(shè)計(jì)預(yù)期結(jié)果的。圖6所示是該幀數(shù)據(jù)的最后一組數(shù)據(jù)，根據(jù)rem值，cur_data_in只有18 B的有效數(shù)據(jù)，所以data_to_crc也只取了其中的18 B有效數(shù)據(jù)，在CC處結(jié)束，此時(shí)的CRC值就是最終的FCS值為83ACF5C1。

　　為了驗(yàn)證該值的正確性，使用8位并行CRC算法計(jì)算該幀的CRC值，在ModelSim平臺(tái)下進(jìn)行了仿真。結(jié)果如圖7所示，可以看到計(jì)算完CC后CRC值為83ACF5C1，與前面的結(jié)果一致，說明了該方法得到的結(jié)果是正確的。

5結(jié)束語

　　由于100G以太網(wǎng)中會(huì)使用很高的并行數(shù)據(jù)位寬，但是數(shù)據(jù)幀中需要進(jìn)行CRC計(jì)算的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不一定是位寬的整數(shù)倍，本文針對(duì)這個(gè)問題提出了一種新的處理方法，并且通過了測(cè)試。該方法簡(jiǎn)單有效，能夠克服傳統(tǒng)方法的缺陷，在性能上有很大的提升。雖然本文是以100G以太網(wǎng)的CRC32作說明，該方法也能很容易地應(yīng)用于其他的高速通信系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

　?。?］ IEEE. IEEE Std. 802.3ba［S］. 2010.

　?。?］ 彭建輝. 10G以太網(wǎng)接口并行CRC校驗(yàn)的一種簡(jiǎn)化算法［J］．微計(jì)算機(jī)信息,2006，22(20)：213215.

　?。?］ STAVINOV E.A practical parallel CRC generation method ［J］. Circuit Cellar, 2010(234)：3845.

　?。?］ 畢占坤,張羿猛,黃芝平，等.基于邏輯設(shè)計(jì)的高速CRC并行算法研究及其FPGA實(shí)現(xiàn)［J］. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2007，28(12)：22442249.

　?。?］ KENNEDY C E， MOZAFFARIKERMANI M.Generalized parallel CRC computation on FPGA［C］. Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering (CCECE), 2015:107113.

　　［6］ 張友亮，劉志軍，馬成海,等. 萬兆以太網(wǎng)MAC層控制器的FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.  計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用, 2012,48(6):7779.

　?。?］ 劉昭,蘇厲,金德鵬,等.10G以太網(wǎng)系統(tǒng)中的并行CRC編解碼器的設(shè)計(jì)［J］. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2004,30(4)：4750.