EthernetPON系统核心MAC控制器的设计与实现 系统仿真, 控制器, 嵌入式, Linux, 成本

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本文提出了一种EPON系统核心MAC控制器的设计方案,融合FPGA技术与嵌入式系统实现了EPON的点对多点MAC接入功能.帧校验、加密、分类及仲裁等控制部分用FPGA完成.　　涉及复杂算法的注册与动态带宽分配利用嵌入式Linux平台实现.对MAC控制器设计中的关键技术点进行了全面阐述,提出了一种基于滑动窗机制的动态带宽分配方案以改善网络QoS性能.系统仿真结果表明,该设计方案可以采用低成本的FPGA来实现,为开发MAC控制器专用芯片提供了实用参考.
　　近年来随着传输技术和交换技术的不断进步,核心网已经基本实现了光纤化、数字化和宽度化,而传统的接入网仍然是采用电缆传输的模拟系统,两者在技术上的巨大差距导致接入网成为全球信息高速公路的瓶颈.目前尽管出现了一系列解决这一瓶颈问题的技术手段,如双绞线上的xDSL系统、同轴电缆上的HFC系统以及五类线上的LAN,但都只能算是一些过渡性解决方案,不能满足视频点播、家庭购物、数字高清晰度电视播放等新业务对宽带通信的需求,唯一能够从根本上彻底解决接入瓶颈的长远技术手段就是全光接入网.基于以太网的无源光网络(EPON)就是这一背景下应运
而生的光纤接入技术.EPON与传统以太网的主要区别在于传统以太网是点到点(Peer-to-Peer,P2P)的对等网络,而EPON是点到多点(Point-to-Multipoint,P2MP)的主从网络,其技术创新就在于点对多点MAC接入控制的设计与实现.本文提出了一种EPON系统MAC控制器的设计方案,详细阐述了采用包含嵌入式CPU的FP2GA开发MAC控制器的设计全过程,并通过系统软、硬件仿真验证了该设计的可行性,为我国开发MAC控制器专用芯片提供实用参考.
　　EPON系统结构
　　如图1所示,一个典型的EPON系统主要由三部分组成,即光线路终端(OLT)、无源光分路器(POS)和光网络单元(ONU).其中OLT位于局端,一般放在中心机房(Central Office,CO),ONU位于用户端,POS连接OLT和ONU,它的功能是分发下行数据和汇聚上行数据.从OLT到ONU的方向为下行方向,反之为上行方向.OLT上行链路与各业务节点相连,ONU下行链路则与各用户终端设备连接.

图1　EPON系统架构
　　在EPON中,从OLT到多个ONU的下行数据传输过程与从多个ONU到OLT的上行数据传输过程有本质的区别,如图2所示.下行数据采用广播方式以变长以太包的形式从OLT发给多个ONU,每个以太包带有标识目标ONU的逻辑链路标识(LLID),通过识别LLID判断信息包是发给某个或多个ONU的.当数据流到达ONU时,ONU只提取发给它的信息包而丢弃发给其他ONU的信息包;而上行数据则采用时分多址接入(TDMA)技术,每个ONU都分配一个传输时隙,所有时隙保持同步,彼此间留有间隙,保证不同ONU的数据包汇聚到公共光纤时不发生相互碰撞.

图2　EPON的上、下行传输机制
　　OLT系统设计
　　为支持EPON的协议栈结构和工作模式,本文采用图3所示的OLT系统设计,它主要由MAC控制器、EPON千兆位突发光收发器、存储器和外围接口电路组成.其中MAC控制器是采用Altera公司的EXCAL IBUR-ARM系列FPGA(带ARM9硬核)芯片实现.在CO端,OLT通过标准的千兆以太收发器与上层交换机相连;在EPON端,OLT通过专用的光收发器连接PON网络.

图3　OLT系统总体框图
　　该系统可以实现以下功能:
　　(1)以广播方式向ONU下行发送以太数据包,以TDMA方式接收来自ONU的以太包;
　　(2)发起并控制ONU的注册过程,根据用户的QoS要求为ONU分配带宽;
　　(3)除了网络的汇聚和接入功能,OLT还提供OAM功能.
　　核心MAC控制器的实现
　　图4所示为本文设计的EPON系统核心MAC 控制器的功能框图,它由硬件和软件部分组成.硬件部分(图中实线表示的模块)由FPGA来完成[3],实现点对点仿真,以太帧的校验、加/解密、分类/仲裁/复用等控制功能;软件部分由嵌入式系统Monta Vista Linux来完成对ONU的注册和动态带宽分配(DBA).
　　首先对图中各模块的功能作一简要说明.位宽变换模块实现数据流的8bit位宽(字节为单位)与32bit位宽(双字为单位)之间的互换;LLD添加/校验模块主要完成LLD的添加/校验;分类/仲裁/复用模块实现对以太帧的分类、发送优先级仲裁和复用;测距模块计算ONU至OLT的往复时间(RTT),以便进行上行时延补偿.时标处理模块实现OLT与ONU的时钟同步.下面就MAC控制器在软、硬件设计中涉及到的关键技术进行全面阐述.

图4　核心MAC控制器功能框图