通信与网络中的在FPGA中集成以太网ASSP功能以提高第二层交换机的灵活性

第二层以太网交换机连接多个以太网LAN网段。由于交换机的每个端口可以连接至不同的网段，所以这种拓扑结构能够形成规模更大的以太网。交换机存储介质访问控制器(MAC)地址(从每个端口接收到的帧中提取该地址)，以识别每个网段。交换机利用MAC地址，将源网段的帧只发送至目的网段，而不是发送至所有连接它的端口，从而减少网络流量。 　　不同的供应商提供各种各样的用于多端口以太网交换机的特殊应用标准产品(ASSP)，以满足多种应用需求。但是，这些ASSP针对典型的联网应用而设计，并不能为具有奇数端口配置或者各种速率端口配置等特殊特性的应用提供最佳解决方案。本文将讨论如何利用低成本的可编程逻辑架构实现以太 在通信与网络领域，以太网交换机是网络基础设施的核心组件，它们负责高效地转发数据包，连接不同的局域网（LAN）网段。第二层以太网交换机通过存储和处理介质访问控制（MAC）地址来实现这一功能。MAC地址是每个网络设备的唯一标识符，交换机通过读取每个帧的源MAC地址，决定帧应被转发到哪个端口，以减少不必要的网络流量。 特殊应用标准产品（ASSP）通常被用于构建多端口以太网交换机，以满足广泛的应用需求。然而，这些ASSP虽然适用于常规的联网场景，但对具有独特端口配置（如奇数端口数）或不同速率端口的需求，它们可能不是最佳选择。为了克服这一限制，集成以太网ASSP功能到现场可编程门阵列（FPGA）中成为一种更具灵活性和可定制性的解决方案。 FPGA是一种可编程逻辑器件，能够根据设计需求定制电路，这使得在FPGA中实现以太网交换机功能成为可能。通过这种方式，不仅可以实现物理接口（如MII、GMII）的灵活性，还可以适应非标准速率的端口，比如2Gbps。这为那些需要连接到其他协议（如PCI、SONET/SDH成帧器或VoIP处理器）的端口提供了更大的设计空间。 MoreThanIP公司开发的基于Altera FPGA的以太网交换引擎，就是一个很好的例子。这个自适应引擎不仅包含了硬件交换引擎，还包含了一个32位的软核嵌入式处理器，用于执行MAC地址表的管理和维护，如学习、老化和迁移。嵌入式处理器还可以实现更复杂的功能，如生成树算法、以太网终结以及其他特定用户任务。 交换引擎支持可编程的端口数量，这意味着可以根据应用需求动态调整端口配置。通过简单的主/从FIFO接口，可以与各种第一层应用或标准板级接口兼容。这种设计可以在Stratix II和Cyclone II FPGA系列中实现，提供高达8Gbps的交换能力，并且可以灵活分配带宽以适应定制化需求。 此外，交换引擎还支持服务质量（QoS）的定制配置，确保关键业务的优先级。帧交换采用基于两级哈希的线性搜索，确保高速性能和非阻塞运行。32位Nios II处理器则负责管理交换查找表，以保证高效的MAC地址映射。 通过在FPGA中集成以太网ASSP功能，设计人员可以创建出高度灵活、可定制的第二层以太网交换机，适应多样化的网络环境和特定应用需求，而不再受制于传统ASSP的固定配置。这种方法不仅降低了成本，还提高了系统集成度，为通信与网络领域带来了创新的可能性。