0 引言

以太網是當前最基本、最流行的局域網組網技術，為了適應各種新開展的業務如流視頻等，其速率也在不斷提高。千兆以太網是建立在以太網標準基礎之上的技術，具有高效、高速、高性能的特點，目前企業局域網甚至城域網的建設都會把千兆以太網技術作為首選的高速網絡技術。而千兆以太網協議分析技術是隨著計算機技術、現代通信技術、網絡技術的迅速發展而發展起來的，能夠應對信息網絡的突發事件，迅速判斷網絡癱瘓和受攻擊部位，起到應急反應支援的作用。同時，隨著TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 的廣泛應用和深入，TCP/IP 計算機網絡的建設、維護和故障診斷面臨著巨大的挑戰，急切需要千兆以太網協議分析技術的應用。

1 工作原理

本文介紹的千兆以太網協議分析技術是基于FPGA(Field －Programmable Gate Array) 設計技術， 支持10M/100M/1 000M電口和光口測試，采用RJ45 和SFP 光口連接器形式；負責物理層及數據鏈路層的數據幀編輯、生成、捕獲、過濾、觸發、解碼和分析處理工作，IP 層以上的協議幀有軟件根據IEEE802.3 協議標準進行操作。圖1、圖2 所示分別為本方案的發送部分、接收與分析部分的原理框圖。

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千兆以太網協議測試FPGA 內部設計部分可以分為發送部分、接收分析部分和接口芯片寄存器管理部分。其中，發送部分完成發送、編輯和生成各種以太網數據流等功能，根據測試需要，發送部分可產生任意的MAC 地址、IP 地址、錯誤的校驗與錯誤插入等非正常數據。其中，MAC 地址、IP 地址的設置種類很多，可以設置為靜態、遞增、遞減、隨機等；接收分析部分完成以太網數據流統計、捕獲、解碼分析、信號性能統計等功能；根據測試需要，接收部分可選擇捕獲和統計需要的MAC地址、IP 地址、錯誤的校驗類型與錯誤插入類型等的數據幀，其中可設置的過濾條件和觸發條件有MAC 地址、IP 地址、圖形1、圖形2、協議類型和錯誤類型等。接口芯片寄存器管理部分完成對接口芯片BCM5421 寄存器的讀寫操作與管理及串/ 并、并/ 串轉換功能。

2 設計實現

本文介紹的千兆以太網協議分析技術是通過千兆以太網收發器BCM5421 和大規模FPGA 組合的硬件平臺來實現的。由于千兆以太網支持電口和光口兩種接口方式、以太網協議復雜、千兆速度很高、邏輯控制龐大，在FPGA 設計及PCB 布板設計實現中，具有很高的難度。具體設計實現的電路框圖如圖3 所示。

千兆以太網信號經過收發處理電路送入接口芯片，由接口芯片對信號進行信號有效性、碰撞、編/ 解碼、點燈等操作，然后以8- bit 的串行數據流送入FPGA。在FPGA 內需要完成MAC 層發送部分各種以太網幀的編輯、生成、數據編輯、錯誤插入、并/ 串轉換、發送模式的設置等，完成MAC 層接收部分各種以太網幀的監測、捕獲、過濾、解碼、查找錯誤和評估性能等，MAC 層接口芯片的寄存器管理、讀寫控制等；還有CPU 和硬件對SRAM、SDRAM的讀寫、存儲操作等，具體實現過程如下所述。

2.1 千兆以太網協議分析接口電路設計

以太網測試模塊采用兩種接口方式：RJ45 電口和SFP 光電轉換模塊的光口。本技術實現方案采用的是接口收發器芯片BROADCOM公司的BCM5421S，完全支持IEEE802.3、自動協商、碰撞檢測試、編/ 解碼、串/ 并變換等功能，符合10BASE- T、100BASE- TX和1000BASET標準。同時，支持RGMII、GMII、MII、TBI、RTBI、SGMII和SerDesMAC接口方式。