GFP內核加速LAN/SAN協議在SONET中的傳輸

Xilinx公司 Tom Fischaber/ Krista Marks/ Hamish Fallside

　　在電信行業中，SONET網絡無處不在，被廣泛應用于語音和數據傳輸。目前的標準協議主要針對傳輸層，如針對語音和數據的ATM協議以及針對數據傳輸的HDLC或PPP協議。然而，因為這些協議都不是專門針對通過SONET/SDH網絡進行數據傳輸而開發的,所以都會引起帶寬效率的降低。

　　此外,電信運營商希望通過增加自己網絡上所傳輸的客戶業務類型以及優化帶寬利用情況來增加營收。這包括捕捉新市場機會，如存儲區域網絡（SAN-采用光纖通道(Fibre Channel)）以及新興的視頻點播（利用DVB-SAI）應用。Fibre Channel和DVB代表了這些數據網絡協議所定義的兩類特殊客戶業務或客戶數據類型。

　　通用成幀規程（GFP）能夠支持多種客戶網絡協議，是能夠滿足廣泛的數據傳輸應用需求的第一種封裝機制。GFP被國際電信聯盟（ITU）接受并作為G.7041/Y.1303標準，該標準提供了不同協議映射到傳輸網絡的靈活及有效的機制。

　　本文將討論一種靈活的網絡解決方案，能夠滿足系統供應商部署城域設備時提供前述服務的需要。賽靈思（Xilinx）公司所提供的解決方案包括利用Virtex-II PRo 器件提供全面集成的客戶適配解決方案，直到利用Spartan-3 FPGA支持低成本的協議封裝。Virtex-II Pro和Virtex-II Pro X中集成的高速RocketIO收發器支持多種客戶協議，從而可以利用工作在高達1～11 Gbps速率的協議實現無縫通信，再結合嵌入式PowerPC處理器，不僅可在單片FPGA器件中支持客戶適配能力，還可提供實時控制和處理能力。

　　基于這些平臺和賽靈思公司豐富的ip內核產品，新的GFP內核提供了一種完全可配置的解決方案，支持在快速變化的電信環境中實現具有動態適應能力的定制解決方案。

　　GFP標準

　　GFP采用的是將基于八字節的數據流直接映射到八字節同步流中，如同步光學網絡/同步數
　　由于幀起始嵌入在GFP流中，因此為保證數據傳輸，兩個GFP端點首先必須實現同步。單個端點的同步過程是這樣的:先檢測內核頭部是否存在正確的CRC域，如果存在的話，就利用長度域指向下一個幀的起點,然后重復這一過程。如果在預先編程設定的重復次數內這一過程都是成功的，那么就實現了GFP流同步過程。

　　GFP協議有些方面對于所有實現方式都是共同的。這包括諸如幀定界和同步；CRC插入/檢測/校正以及擾碼編碼處理等選項。

　　除了這些共同的方面以外，為了處理不同的協議映射方式，還需要一些特殊的客戶功能。這包括針對兩類客戶數據映射方式的一些選項：幀映射（GFP-F）和透明映射（GFP-T）。表1列出了G.7041標準支持的所有GFP-F和GFP-T協議。

　　GFP-F支持可變長度的幀數據（即包含可變長度的數據包）。此時一個客戶幀（如一個以太網幀）被直接映射到一個GFP-F幀中。這時，在系統中需要有一個媒體訪問控制器（MAC）來端接第2層協議。例如在以太網中，一個以太網MAC負責去除前導位和幀分界符，校驗CRC，并將以太網幀交給GFP端點進行封裝。

　　GFP-T支持固定數據包長度和傳輸塊編碼（block-coded）固定速度流（如Fibre Channel，Ethernet，或ESCON/SBCON）。這種模式下生成的是封裝了塊編碼數據的GFP幀，其中包括映射為64B65B塊編碼的客戶協議8B10B數據和控制（符號）。

　　透明映射協議不需要在傳輸前緩沖整個客戶幀。相反，數據和控制符號都是按順序處理的。八個8B/10B符號（加上一個標志位）組合為一個64B/65B塊編碼。這一塊編碼同時包括數據字符和控制字符。

　　然后，八個64B/65B塊代碼被組合為一個超級塊（65字節數據+CRC16）。多個超級塊被組合為GFP凈荷，其中每個幀中的超級塊數量依賴于具體的協議（對于千兆以太網為95，對于光纖通道為13）。GFP-T不需要MAC功能，因為它對于所傳輸的協議實際上是透明的。

　　到底是選擇GFP-F還是選擇GFP-T依賴于具體的應用和系統要求。GFP-F保證只傳輸實際數據，因此提供了更高的帶寬效率；同時GFP-T則傳輸包括數據、幀代碼、前導位以及閑置位在內的所有信息。

　　GFP-F在系統中引入更大的延遲，因為在傳輸前必須先接收完整的幀。同時根據系統具體情況，這也意味著可能需要使用外部存儲器。GFP-T不需要傳輸完整的幀，因此可達到更小的系統延遲。實際應用中，長距離傳輸會引入時延（由于傳輸介質的延遲），因此需要在客戶適配層增加額外的功能來保證滿足協議的時延要求。被稱為“spoofing”(電子欺騙)的這一功能對于有些客戶協議來說非常關鍵，例如光纖通道協議。因為這些協議對于傳輸時延有非常嚴格的要求。

　　Xilinx GFP內核

　　賽靈思提供的一種GFP IP內核解決方案支持所有這些協議并完全實現了ITU-T所定義的G.7041/Y.1303標準，包括端到端幀定界的系統級功能，客戶管理和數據幀支持，以及基于通道的幀映射或透明映射配置。除了支持G.7041所規定的所有特性以外，Xilinx解決方案還提供了許多選項，可方便進行系統級集成和調試。

　　利用Xilinx CORE Generator工具，設計人員可方便地配置GFP內核來滿足自己的系統要求，可供選擇的工作模式有三種：幀映射（frame-mapped），透明映射（transparent-mapped），或混合模式（mixed mode）。混合模式允許針對每個通道指定該通道是采用幀映射方式還是透明映射方式。還可以通過GFP主機接口方便地修改工作模式。

　　賽靈思提供的GFP內核還提供了對線性擴展頭（linear extension header）的可選支持，可以配置為多達10個獨立通道。通過選擇可選的通用主機接口，還可以實時修改控制和狀態寄存器。

　　利用CORE Generator系統，設計人員可對GFP內核的行為進行全面定制。特定的配置可決定GFP內核如何處理幀以及物理實現時所需要的資源。

　　GFP內核分為一個MAP（映射）內核和一個UNMAP（解映射）內核。MAP內核在系統接口端接收客戶網絡協議數據（如以太網），進行數據封裝并將生成的幀通過線路接口（如SONET）進行傳輸。

　　UNMAP內核的工作過程正好相反，通過線路接口接收封裝后的數據，對幀進行解映射來提取客戶網絡協議數據，然后再通過系統接口傳輸。GFP內核在線路接口和客戶接口采用Xilinx LocalLink接口標準來直接連接至其它內核和參考設計。

　　在幀映射模式中，客戶為MAP內核系統接口提供一個完整的數據幀，這個完整的數據幀會在無停頓的情況下發送出去。在透明映射模式中，MAP內核自動處理下溢（underflow），在幀中插入填充字（PAD WordS），這樣客戶就不必提供無中斷的數據幀了。

　　每一內核都有一個主機接口（一個PowerPC設備控制寄存器[DCR]總線），通過這個接口可以訪問一組控制和狀態寄存器。如果只需要缺省控制信號，可以將內核配置為不使用狀態寄存器，這樣可以減少所需要的資源數量。

　　完整解決方案

　　GFP的應用非常多，不同的系統架構和要求會帶來不同的應用要求組合。

　　例如，如果使用支持GFP（GFP-aware）的成幀器，那么就可以配置GFP內核來提供成幀器所不支持的功能選項，從而增強成幀器功能。此類應用的例子包括利用線性擴展頭或透明映射模式實現通道化（channelization ）。

　　如果應用使用的成幀器不支持GFP，那么可配置GFP內核，以完成所有GFP功能，包括幀定界和同步、CRC以及擾碼。

　　利用CORE Generator軟件，您可輕松創建滿足您要求的內核，從而最小化所需要的FPGA資源。

　　除了GFP內核以外，配合賽靈思提供的其它解決方案可以實現通過SONET進行Ethernet或Fibre Channel傳輸的完整系統。

　　可配置PCS（CPCS）：賽靈思應用指南XAPP739展示了如何利用Virtex-II Pro MGT，為一系列協議（FC [1G, 2G], ESCON/SBCON, 和GE）提供了一個可配置的PCS。利用PowerPC，它動態控制每個端口的PCS模式，在透明映射和幀映射模式下都可支持多達8個通道。

　　SPI-4.2（System Packet Interface level 4 phase 2）IP解決方案提供了一個完全兼容的內核，可在網絡和通信系統中實現POS（Packet Over SONET）物理層器件和鏈路層器件間的數據路徑連接。這一SPI-4.2內核支持利用一個資源優化的OC-48（2.5 Gbps）接口和一個高性能（高于 14Gbps）接口通過OC-192成幀器和映射器，以及千兆和10G以太網數據鏈路MAC來連接網絡處理器。

　　1GE MAC IP內核解決方案提供支持IEEE 802.3-2002的一個半雙工和全雙工1 Gbps MAC控制器。這一MAC內核完成千兆以太網標準的鏈路層功能。利用該內核的千兆位介質獨立接口（GMII），這一內核可接口到一個片外物理層（PHY）器件。做為其它選擇，它還可利用通過Virtex-II Pro器件中集成的RocketIO收發器實現的一個帶有 10位接口（TBI）的集成1000BASE-X PCS，或者一個1000BASE-X PCS和PMA。

　　緩沖器管理器參考設計展示了如何利用外部DDR-RAM來按通道緩沖數據。

　　Fibre Channel（光纖通道）參考設計突出了通過SONET/SDH網絡傳輸Fiber Channel業務時除了GFP標準以外的一些特殊要求。包括解決Fibre Channel時延敏感問題的一個流控制例子。

　　Fibre Channel（光纖通道）參考設計展示了通過SONET/SDH網絡傳輸Fiber Channel業務如何實現Fibre

　　Channel的一些特殊要求。當配置為透明模式時，GFP內核本身并意識不到所傳輸的具體協議格式。然而，Fibre Channel標準采用了一種時延敏感的流控制機制。為成功地實現這一機制并滿足苛刻的時延要求，流控制部分必須進行本地端接，而不能跨越SONET/SDH網絡。這就需要越出GFP內核范圍之外的一些專門針對Fibre Channel協議的預處理功能，本參考設計也演示了這一預處理功能。

　　結論

　　Virtex-II Pro系列FPGA為實現網絡解決方案提供了一個功能強大的靈活平臺。高速串行MGT和PowerPC，再加上經過驗證的IP內核和參考設計，為多種數據協議的傳輸和管理提供了經過驗證的解決方案。

　　ITU-T GFP標準提供了將這些數據協議靈活高效地映射到傳輸網絡中進行傳輸的機制。利用Xilinx Virtex-II Pro FPGA和GFP內核，您可快速可靠地將這一新技術應用于您的SONET/SDH系統，從而實現可滿足您特殊系統要求的解決方案。

　　
摘自　中電網