關(guān)鍵詞：PCI設(shè)備 Linux 通用網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展的今天，根據(jù)用戶特殊的需求，有時(shí)需要研發(fā)特殊的私有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以使網(wǎng)絡(luò)的性能得到優(yōu)化。研究新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，必須進(jìn)行仿真以驗(yàn)證性能，但是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能指標(biāo)多樣，并且不同的協(xié)議需要的具體測(cè)試環(huán)境不同，因此很難用純軟件的方式（如NS2、OPNET）給出網(wǎng)絡(luò)協(xié)議運(yùn)行性能的有效描述。另一方面，如果針對(duì)每一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議搭建專門的測(cè)試平臺(tái)，則需要大量的人力、經(jīng)費(fèi)和時(shí)間。而采用中硬件相結(jié)合的方法搭建一種通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，既能很好地測(cè)試出整個(gè)設(shè)備的性能，又能大幅度節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(fā)時(shí)間，是一種切實(shí)可行的方法。

為此，本文提出一種通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)介紹該平臺(tái)的中硬件設(shè)計(jì)方法。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想

該網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的目的是：針對(duì)不同的私有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，開發(fā)者可以根據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)有針對(duì)性地修改網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的程序代碼，然后通過本系統(tǒng)測(cè)試其協(xié)議的性能。所以，該系統(tǒng)應(yīng)該是一個(gè)與協(xié)議無關(guān)且可程控的數(shù)據(jù)傳輸通道。數(shù)據(jù)包經(jīng)過系統(tǒng)傳輸后，更多的工作由傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和上層應(yīng)用程序完成。該系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為了保證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的通用性可操作性，采用PC機(jī)和與PCI總線接口的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備卡（以下簡稱PCI接口卡）組建該平臺(tái)。

近年來，Linux操作系統(tǒng)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，它強(qiáng)大的功能、良好的界面、高效率以及全開放的特性使其具有很強(qiáng)的吸引力。基于以上考慮，在PC機(jī)中采用Linux操作系統(tǒng)。按Linux操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，私有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件需要包含傳輸層代碼、網(wǎng)絡(luò)層代碼以及與設(shè)備相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序，并運(yùn)行在系統(tǒng)“核心態(tài)”中。在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，不需要用戶關(guān)心驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)，但允許將網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層代碼運(yùn)行在Linux“用戶態(tài)”中。

    PCI接口卡是基于PCI總線的，它通過合理選擇接口芯片屏蔽PCI總線協(xié)議的多余功能，并使用FPGA芯片把上層傳輸過來的數(shù)據(jù)包進(jìn)行相應(yīng)的處理（詳見第2節(jié)），然后傳遞到物理層設(shè)備。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

2．1 PCI接口卡結(jié)構(gòu)

PIC接口卡由PCI總線接口芯片、數(shù)據(jù)處理模塊FPGA、數(shù)據(jù)緩存模塊RAM和有線傳輸驅(qū)動(dòng)模塊LVDS（Low Voltage Differential Signaling Driver）等四部分組成，模塊間的數(shù)據(jù)傳輸如圖2所示。

2．2 芯片的選擇

Winbond公司以太網(wǎng)控制芯片W89C840AF支持高達(dá)100Mbps的雙向數(shù)據(jù)傳輸，該芯片不但具有良好的PCI總線接口設(shè)計(jì)，而且還有一整套的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，技術(shù)成熟。所以在此選用W89C840AF，并借用該芯片的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，通過對(duì)芯片合理配置，實(shí)現(xiàn)一條從驅(qū)動(dòng)程序到物理層設(shè)備的透明數(shù)據(jù)傳輸通道，來滿足設(shè)備要求。

    FPGA芯片只要能夠提供足夠多的I/O口和內(nèi)部硬件資源即可。RAM是為了滿足不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及算法對(duì)存儲(chǔ)器的需要而設(shè)置的，對(duì)于不同的私有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，根據(jù)實(shí)際需要選用適當(dāng)容量的RAM即可，沒有很荷刻的要求。本系統(tǒng)中FPGA芯片選用ACEX1K50TC144，RAM芯片選用CY7C006AC_PLCC，主要考慮的是芯片的速率高、使用簡單并且價(jià)格低廉。

有線傳輸信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊選用LVDS芯片對(duì)（ds90c401,ds90c402），該芯片對(duì)的優(yōu)點(diǎn)是速率高（155Mbps串行數(shù)據(jù)傳輸）、傳輸距離遠(yuǎn)、靈敏度高、功耗小。

2．3 PCI接口卡的功能

PCI總線接口芯片（W89C840AF）把從PCI總線上傳輸過來的數(shù)據(jù)封裝成“以太幀”的格式，傳遞給FPGA（RAM可以對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行緩沖），F(xiàn)PGA去掉前8byte的“以太幀頭”從而獲得數(shù)據(jù)包。然后根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的數(shù)據(jù)包格式，在FPGA中靈活地設(shè)備相應(yīng)的邏輯功能。如作者目前在研的衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，定義了一種私有的ATM協(xié)議，數(shù)據(jù)處理單元將完成以下任務(wù)：識(shí)別信元頭，按優(yōu)先級(jí)對(duì)信元進(jìn)行排隊(duì)、存儲(chǔ)、打包并轉(zhuǎn)發(fā)