前言：以太網(wǎng)技術屬于當前通信領域及信息領域的核心技術內(nèi)容，其中，千兆以太網(wǎng)技術完美結(jié)合了以太網(wǎng)技術的應用優(yōu)勢，有效解決了傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術存在的不足之處。千兆以太網(wǎng)技術在原有基礎上，對傳輸介質(zhì)等組成物質(zhì)進行了適當優(yōu)化，如使用 8B/10B 的編解碼方案、采用載波擴展技術以及分組突發(fā)技術等。隨著千兆以太網(wǎng)技術的不斷成熟與改進，以千兆以太網(wǎng)技術為代表的以太網(wǎng)技術儼然成為我國局域網(wǎng)的主流技術。為進一步強化千兆以太網(wǎng)技術的應用效果，研究人員結(jié)合 FPGA 技術及相關內(nèi)容，對現(xiàn)有千兆以太網(wǎng)交換芯片進行充分優(yōu)化，以達到提高千兆以太網(wǎng)使用性能的目的。?

千兆以太網(wǎng)交換芯片的工作原理分析?

? ? ?文章所介紹的千兆以太網(wǎng)交換芯片主要按照 IEEE802.3 標準對現(xiàn)有的 8 個獨立千兆端口之間的 MAC 幀進行交換與處理。與此同時，該千兆以太網(wǎng)交換芯片可以同時兼容 10Mb/s 與 100Mb/s 的 MAC 幀交換要求。結(jié)合以往的經(jīng)驗來看，千兆以太網(wǎng)交換芯片的工作原理主要圍繞“學習”與“轉(zhuǎn)發(fā)”兩個方面進行開展。一般來說，交換芯片內(nèi)部包含一個 MAC 地址表，且每一個 MAC 地址表在存儲單元方面，主要以保留比特、老化標志、端口編號、MAC 地質(zhì)以及有效標志等內(nèi)容為主。根據(jù)實踐證明，MAC 地址表可以有效存儲 4096 條關于 MAC 地址方面的索引信息。?

? ? ? 端口在接收 MAC 幀之后，可以自動提取 MAC 幀的源地址。此時交換芯片可以自動找尋上述地址索引信息內(nèi)容，如果沒有找到，系統(tǒng)會自動將源地址與接收到幀端口編號融為一體，并自動形成一條全新的 MAC 地址索引信息。并在此基礎上，自動存儲到 MAC 地址索引內(nèi)容當中。我們一般將這個過程中稱為千兆以太網(wǎng)交換芯片的學習過程，交換芯片通過有效的學習可以及時明確主機地址與端口之間的內(nèi)部聯(lián)系，是否存在映射關系等。必要時，交換芯片還會自動記錄 VLAN 與各端口之間的信息內(nèi)容。?

MAC 幀直接轉(zhuǎn)發(fā)到對應的端口位置處。一般來說，我們將這一過程中成為“轉(zhuǎn)發(fā)過程”。可以說，千兆網(wǎng)以太網(wǎng)交換芯片通過完成“學習”與“轉(zhuǎn)發(fā)”過程，可以進一步提升交換芯片的工作效率，利于網(wǎng)絡性能的有效提升[2]。?

千兆以太網(wǎng)交換芯片的關鍵技術?

? ? ? 千兆以太網(wǎng)交換芯片的關鍵技術在于實現(xiàn) MAC 幀的幀頭信息提取要求與 MAC 地址表管理要求。其中，幀頭信息提取技術的關鍵要點在于合理判斷所提取的是以太網(wǎng)幀還是 802.3 幀。另外，還有提取源地址、目的地址等。在此基礎上，可以優(yōu)先計算當前幀的信息內(nèi)容，并根據(jù)具體處理結(jié)果，進行合理的協(xié)調(diào)處理。為進一步實現(xiàn) 1000Mb/s 的 MAC 幀交換要求，建議設計人員在實際設計過程中，必須滿足千兆以太網(wǎng)的高吞吐量需求、MAC 幀地址索引信息以及在特定周期內(nèi)尋求到 MAC 地址對應端口號的需求。為進一步實現(xiàn)上述要求，建議設計人員可以選用 HASH 算法進行處理。?

? ? ?基于FPGA的千兆以太網(wǎng)交換芯片的設計方案基于 FPGA 的千兆以太網(wǎng)交換芯片的設計方案可以從交換芯片組成方面進行優(yōu)化設計。一般來說，基于 FPGA 的千兆以太網(wǎng)交換芯片在具體設計過程中，主要以接口幀緩存、MAC 幀處理模塊、交換模塊以及寄存器等成分為主?；?FPGA 的千兆以太網(wǎng)交換芯片在雙端口的選擇方面，主要采用容量為 108k 字節(jié)的雙端口 SRAM 的設計方式。目的在于可以及時接收到 MAC 幀內(nèi)容，與此同時，內(nèi)存管理模塊可以利用 SRAM 存儲空間的性能優(yōu)勢，如分配、釋放等，進一步實現(xiàn)交換芯片的功能?？梢哉f，通過利用這種交換功能，可以進一步強化以太網(wǎng)交換芯片的應用功能。?

在芯片與用戶接口處的設計方面，本方案主要采用 RS232 接口。通過利用 RS232 接口可以及時了解用戶讀取寄存器或者芯片的運行狀態(tài)，能夠進一步根據(jù)寄存器的運行狀態(tài)調(diào)整芯片的工作模式。其中， MAC 幀處理模塊在功能方面多呈現(xiàn)出實現(xiàn) MAC 幀接收與發(fā)送兩個功能。其中，GMII/MII 口在接收到 MAC 數(shù)據(jù)幀之后，MAC 幀處理模塊會優(yōu)先處理端口接收到的數(shù)據(jù)內(nèi)容，并將緩存到接口幀模塊中的信息內(nèi)容放置到 FIFO 當中。在此基礎上，MAC 幀處理模塊可以根據(jù)內(nèi)存管理模塊，釋放內(nèi)部的緩存空間。再得到內(nèi)存管理模塊的回執(zhí)命令之后，可以有效提取出幀頭。?

? ? ?與此同時，幀頭信息分析模塊在接收到 MAC 幀處理模塊返置回來的信息之后，會將優(yōu)先級信息提取出來，如目的地址、源地址以及 IP 頭信息。待提取完這些信息之后，分析模塊可以將其轉(zhuǎn)發(fā)到學習轉(zhuǎn)發(fā)模塊當中。待處理結(jié)束之后，內(nèi)部系統(tǒng)可以參照幀頭、幀尾等方面的信息內(nèi)容或者相關指示信號，發(fā)送到端口記錄模塊當中。發(fā)送指示信號會根據(jù)端口記錄信號回執(zhí)的信息內(nèi)容，完成信號處理工作。并在此基礎上，內(nèi)存處理單元會結(jié)合信息的具體內(nèi)容進行合理處理。此時，MAC 幀處理單元會根據(jù)內(nèi)存處理單元發(fā)來的指令要求釋放信號，進一步優(yōu)化基于FPGA千兆以太網(wǎng)交換芯片的應用功能。?

結(jié)論：通過本文的內(nèi)容敘述，大致可以明確基于 FPGA 的千兆以太網(wǎng)交換芯片的方案具有一定的可行性。在具體設計過程中，通過利用千兆全雙工模式，優(yōu)化 8 個端口工作模式。并在此基礎上，利用以太網(wǎng)測試儀對端口工作模式進行性能方面的測試。測試結(jié)果明確顯示在 10min 中內(nèi)，8 個端口 1000Mb/s 老化測試的丟包率滿足預期控制范圍，均小于百萬分之一。由此可以證明，基于 FPGA 的千兆以太網(wǎng)交換芯片可以投入正式使用。目前，基于 FPGA 的千兆以太網(wǎng)交換芯片已經(jīng)得到廣泛應用，效果顯著。?