CN101645756A - 以太网降速传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以太网降速传输系统及方法，该系统包括发送端和接收端，发送端包括以太网芯片和发送单元，接收端包括以太网芯片和接收单元，发送单元和接收单元进行数据交换；发送端还包括以太网数据变换单元，该以太网数据变换单元和发送端的以太网芯片相连，用于为数据包添加包头、包尾、长度信息和校验信息，并发送数据包到发送单元；接收端还包括以太网数据还原单元，该以太网数据还原单元根据包头、包尾、长度信息和校验信息将数据包还原成标准以太网信号发送到接收端的以太网芯片。该方法通过包头包尾校验、长度校验、校验信息校验来保证传输准确性，提高了带宽利用率，并且使系统方便与其他设备进行互连，增加了灵活性。

Description

以太网降速传输系统及方法

技术领域

本发明属于安防监控领域，具体涉及一种100Mbps以太网降速传输系统及方法。

背景技术

以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准以太网(10Mbps)、快速以太网(100Mbps)、千兆以太网(1000Mbps)和10G以太网，它们都符合IEEE802.3系列标准规范。

在安防监控系统中也涉及到以太网的应用，但千兆以太网的大规模应用还存在和标准以太网、快速以太网的兼容性问题，所以目前一般采用100Mbps快速以太网。为了实现快速以太网的媒介传输，发射端以太网芯片需要对100Mbps数据进行编码，实际传输中的以太网信息为125Mbps，增加的25Mbps用于发送允许TXEN信号的传输，以帮助系统判断何时数据是有效的，何时是无效的。接收端以太网芯片做相反的工作，对125Mbps以太网信息进行变换解码，这样，实际上占用了125Mbps的带宽来完成100Mbps以太网信息的媒介传输。

由于行业特殊性，安防监控系统视频数据量极大，目前其大量采用的数据传输设备为光端机，而光端机中光模块的传输速率是受限的，当需要同时传输视频信号，以太网信号以及安防监控系统中所产生的其他信号时，由于带宽受限，而选用高标称速率的光模块的成本将成倍增加，因此，快速以太网25Mbps的额外带宽占用成为极大的浪费，使得带宽利用率降低了。

发明内容

本发明目的在于提供一种以太网降速传输系统及方法，有效地解决现有技术中安防监控系统带宽利用率低的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种以太网降速传输系统，包括发送端和接收端，所述发送端包括以太网芯片和发送单元，接收端包括以太网芯片和接收单元，所述发送单元和接收单元通过传输媒质(如光纤等)进行数据交换；其特征在于，

所述发送端还包括以太网数据变换单元，该以太网数据变换单元和发送端的以太网芯片相连，用于根据发送端的以太网芯片发来的标准以太网信号的TXEN信号为数据包TXD[3:0]添加包头和包尾(即起始标识和结束标识)，并根据数据包添加长度信息和校验信息，去除TXEN信号并发送数据包到发送单元；

所述接收端还包括以太网数据还原单元，该以太网数据还原单元根据所述接收单元发来的数据包的包头、包尾、长度信息和校验信息将数据包还原成标准以太网信号发送到接收端的以太网芯片。

上述系统中，所述以太网数据变换单元包括数据包包头生成器、帧长度信息生成器、帧校验信息生成器、数据包包尾生成器、同步检测模块、长度提取模块；所述同步检测模块用于判断TXEN信号的上升沿，当TXEN信号上升沿事件发生时，同步检测模块发送开始信号到数据包包头生成器；所述数据包包头生成器用于为数据包TXD[3:0]添加包头并将添加了包头的数据包发送到帧长度信息生成器；所述长度提取模块用于提取数据包TXD[3:0]的长度信息，并将该长度信息发送给帧长度信息生成器和帧校验信息生成器；所述帧长度信息生成器用于根据长度提取模块提取的长度信息在添加了包头的数据包的包头后添加该长度信息，并将添加了长度信息的数据包发送到帧校验信息生成器；帧校验信息生成器用于根据数据包和长度提取模块提取的长度信息生成校验信息添加在添加了长度信息的数据包后，并将添加了校验信息的数据包发送到数据包包尾生成器；数据包包尾生成器根据同步检测模块检测到的TXEN信号的下降沿为添加了校验信息的数据包添加包尾后发送到发送单元。

上述系统中，所述以太网数据还原单元包括数据包包头检测器、包长度提取器、帧校验生成器、帧校验检测器、数据包包尾检测器、RXDV(接收数据有效指示)生成器；所述数据包包头检测器用于检测数据包的包头并发送包头后的数据包到包长度提取器；包长度提取器用于提取包头后的数据包的长度信息并将该长度信息后的数据发送到帧校验生成器；帧校验生成器用于根据长度信息后校验信息前的数据(即TXD[3:0]或TXD[3:0]变换后的有效数据)生成校验信息并将长度信息后的数据发送到帧校验检测器；帧校验检测器用于对包尾前数据中的校验信息和帧校验生成器生成的校验信息进行一致性判断，判断一致后发送数据到数据包包尾检测器；数据包包尾检测器用于提取数据的包尾并判断包尾是否正确，判断包尾正确后发送数据(RXD[3:0]，与TXD[3:0]相同)到接收端的以太网芯片；RXDV生成器用于根据数据包包头检测器和数据包包尾检测器的检测结果生成RXDV信号发送到接收端的以太网芯片。

上述系统中，所述以太网数据变换单元的帧长度信息生成器和帧校验信息生成器之间还设有数据包格式变换器，所述数据包格式变换器用于根据长度提取模块提取的长度信息将帧长度信息生成器发来的4-bit矢量数据包TXD[3:0]变换成8-bit矢量IP_BUS[7:0]后发送到帧校验信息生成器，此后4-bit矢量数据包TXD[3:0]变换成8-bit矢量IP_BUS[7:0]。

上述系统中，所述以太网数据还原单元的帧校验生成器和帧校验检测器之间还设有数据恢复器，所述数据恢复器用于根据长度提取模块提取的长度信息将包长度提取器发来的8-bit矢量IP_BUS[7:0]恢复为标准以太网的4-bit矢量RXD[3:0]后发送到帧校验检测器。

本发明还提供一种以太网降速传输方法，包括如下步骤：

A、发送端以太网数据变换单元根据标准以太网信号的TXEN信号为发送数据包TXD[3:0]预先添加包头和包尾(即起始标识和结束标识)，并根据数据包TXD[3:0]添加长度信息和校验信息，去除TXEN信号后发送；

B、接收端以太网数据还原单元根据发送端发来的数据包的包头、包尾、长度信息和校验信息将数据包还原成标准以太网信号。

上述方法中，所述以太网数据变换单元包括数据包包头生成器、帧长度信息生成器、帧校验信息生成器、数据包包尾生成器、同步检测模块、长度提取模块，所述步骤A具体包括如下步骤：

a1、数据包包头生成器根据同步检测模块检测到的同步信号TXEN上升沿为数据包TXD[3:0]添加包头；

a2、帧长度信息生成器根据长度提取模块提取的数据包TXD[3:0]长度信息在包头后添加该长度信息；

a3、帧校验信息生成器根据发送来的数据包和长度提取模块提取的长度信息生成校验信息添加在添加了长度信息的数据包后；

a4、包尾生成器根据同步检测模块检测的同步信号TXEN下降沿在添加了校验信息的数据包后添加包尾。

上述方法中，所述以太网数据还原单元包括数据包包头检测器、包长度提取器、帧校验生成器、帧校验检测器、数据包包尾检测器、RXDV生成器，所述步骤B具体包括如下步骤：

b1、数据包包头检测器检测到包头，RXDV生成器拉高RXDV信号；

b2、包长度提取器提取长度信息；

b3、帧校验生成器根据接收到的长度信息后校验信息前的数据(即TXD[3:0]或TXD[3:0]变换后的有效数据)生成校验信息；

b4、帧校验检测器对比接收到的数据包中的校验信息和生成的校验信息，若一致，则数据接收准确，进入步骤b5；若不一致，则还原数据失败；

b5、数据包包尾检测器提取接收到的数据包的包尾与步骤A中预先添加的包尾相比较，若一致，则数据接收准确，RXDV生成器拉低RXDV信号，还原数据成功；若不一致，则还原数据失败。

上述方法中，所述以太网数据变换单元还包括数据包格式变换器，所述步骤a2和a3之间还包括步骤：

a2.1、数据包格式变换器将4-bit矢量TXD[3:0]变换成8-bit矢量IP_BUS[7:0]。

上述方法中，所述以太网数据还原单元还包括数据恢复器，所述步骤b3和b4之间还包括步骤：

b3.1、数据恢复器将8-bit矢量IP_BUS[7:0]恢复为标准以太网的4-bit矢量RXD[3:0]。

本发明通过增加数据包头包尾的形式代替发送允许TXEN信号，从而节省了TXEN信号所占用的带宽；通过包头包尾、长度信息、校验信息严密保证传输的准确性。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明采用数据包头的形式代替发送允许TXEN信号，从而节省了TXEN信号所占用的带宽，提高了带宽利用率，节省出来的带宽可以用于提高视频质量或提高音频、控制等信号的传输量，对于提高带宽受限光端机系统的性能具有很大的意义；同时，通过包头包尾校验、长度校验、校验信息校验三重检验来保证传输准确性；此外，又额外将标准以太网的4-bit矢量变换为8-bit矢量，这种字节的结构处理起来十分方便，由于大多数设备都是以字节为单位工作，因此传输过程中可以十分方便的与其他设备进行系统互连，极大地增加了安防监控中光端机传输系统的灵活性。

附图说明

图1是本发明发送端的工作原理图；

图2是本发明接收端的工作原理图；

图3是本发明发送端的工作流程图；

图4是本发明接收端的工作流程图；

图5是标准以太网的数据波形图；

图6是本发明产生的数据包帧格式。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。

本发明的核心思想是：通过增加数据包头、包尾来标志以太网数据包传输的起始，从而节省发送允许TXEN所占用的带宽；同时采用数据包长度判断、校验信息判断来防止包头包尾的误判断。

在阐述本发明的详细原理前，先介绍标准以太网的数据波形，请参阅图5，其中，发送时钟TX_CLK＝25MHz，发送允许TXEN、发送数据包TXD[3:0]，每一时钟上升沿数据被采样一次。由于以太网具有很明显的突发性，为了在接收端判断接收数据的时机，必须将发送允许TXEN连同数据包一起发送到接收端。所以，在发送端的以太网芯片必须对100Mbps数据进行编码，一般为4B/5B变换编码，即4-bit宽度源码编码为5-bit宽度目标码，实际媒质中传输的以太网信息量为125Mbps；接收端的以太网芯片做相反的工作，对接收到的125Mbps以太网信息进行5B/4B变换解码，恢复100Mbps以太网数据。这样，通过编/解码的方式，占用了比实际信息量更大的传输带宽，完成了100Mbps以太网信息的媒质传输。

为了方便以后的阐述，先介绍一下标准100Mbps以太网的帧格式，一共包括七个部分：

1、前导码：7字节0x55(10101010)，一串‘1’、‘0’间隔，用于信号同步；

2、帧起始定界符：1字节0xD5(10101011)，表示一帧开始；

3、DA(目的MAC，MAC为媒体接入控制器)：6字节；

4、SA(源MAC)：6字节；

5、类型/长度：2字节，0~1500字节保留为长度域值，1536~65535字节保留为类型域值(0x0600~0xFFFF)；

6、数据：46~1500字节；

7、帧校验序列(FCS)：4字节，从目的MAC到数据域这部分内容得到的校验和。

在安防监控光端机传输系统中，也会传输以太网信息。光端机是使用光模块将电信号转换为光信号，然后通过光纤进行远距离传输的通信设备。光端机传输的带宽取决于光模块的标称速率，市场上光模块的标称速率主要有155Mbps、1.25Gbps、2.5Gbps等几个等级。光模块标称速率每提高一级，花费在光模块上的成本将提高一倍。因此，为了节约成本，应尽量提高带宽利用率，减少带宽浪费。

本发明提供的以太网降速传输系统无需依靠发送允许TXEN信号判断，旨在节约TXEN信号传输所占用的带宽。系统的发送端如图1所示，包括以太网芯片、以太网数据变换单元和发送单元。以太网数据变换单元包括数据包包头生成器、帧长度信息生成器、数据包格式变换器、帧校验信息生成器、包尾生成器、同步检测模块和长度提取模块。

发送端的工作流程如图3所示，从以太网芯片发来的标准以太网信号，其发送允许TXEN信号被发往同步检测模块，同步检测模块对TXEN信号执行高低电平的判断。当TXEN信号处于低电平时，说明没有有效的以太网数据发送，整个电路不做动作。当同步检测模块检测到TXEN信号的上升沿时，表明存在有效的以太网数据需要发送，同步检测模块发送信号至数据包包头生成器。当同步检测模块检测到TXEN信号的下降沿时，表明以太网数据包结束，同步检测模块发送信号至数据包包尾生成器。

包头包尾是代替TXEN信号作为有效以太网信号起始的标志，在本实施例中，由于将以太网的4-bit矢量转换成了8-bit矢量(在后面详细描述)，采用“FF”、“55”、“AA”、“00”作为4字节的数据包前缀，即包头；采用“00”、“AA”、“55”、“FF”作为4字节的数据包后缀，即包尾。数据包包头生成器接收到同步检测模块发来的信号后，将“FF”、“55”、“AA”、“00”作为包头添加到数据包中。当数据包包尾生成器接收到同步检测模块发来的信号时，将“00”、“AA”、“55”、“FF”作为包尾添加到数据包中。包头包尾并不局限于上述形式，其格式与数据格式相对应，本实施例中数据是8-bit矢量，包头也相应的是8位，其组成可以根据实际使用的需要来选取。

在接收端若单纯通过包头包尾来确认数据传输的开始和结束，当数据中存在与包尾相同的字节序列时，就会出现接收错误。为了进一步保证传输的准确性，另外将数据包长度也作为检验传输准确性的辅助信息，因此在数据包包头生成器后面增加帧长度信息生成器，通过该功能模块在包头和数据之间增加长度信息，占用2个字节，用于在接收端辅助判断传输完整性。长度信息是通过长度提取模块在标准以太网数据中提取出来，再加上26得到的，也就是一帧完整的标准以太网TXD[3:0]的长度。

在实际的工作系统中，无论是安防监控系统还是其他数字设备，都是以字节作为基本的数据处理单位。因此为了方便与其他设备进行系统互联，在本实施例中，在帧长度信息生成器后还设有数据包格式变换器，其作用是将标准以太网数据的4-bit矢量TXD[3:0]变成8-bit矢量IP_BUS[7:0]。数据包格式变换器同时对变换数据的长度进行累加，跟长度提取模块发来的长度信息进行比较来判断变换是否完成。该IP_BUS[7:0]并不包括包头，长度信息和后面所说的校验信息、包尾，只是标准以太网数据TXD[3:0]变换得到的。

格式变换后，帧校验信息生成器对变换得到的IP_BUS[7:0]进行累加求和，得到校验信息作为冗余字节添加在数据末尾，占用1个字节。该冗余字节用于接收端数据准确性的进一步检验。当然，计算的方式并不局限于累加求和，也可以是其他运算方式。校验信息添加完成，则添加包尾。数据包格式变换完成后发送至发送单元，通过传输媒质发送到接收端。变换后生成的数据包帧格式如图6所示。

系统的接收端如图2所示，包括接收单元、以太网数据还原单元和以太网芯片。以太网数据还原单元包括数据包包头检测器、包长度提取器、帧校验生成器、数据恢复器、帧校验检测器、数据包包尾检测器和RXDV生成器。接收端的工作流程如图4所示，和发送端相反，用于将转换过的数据包还原为标准以太网数据。

发送端发来的数据，首先经过接收单元，然后发送到以太网数据还原单元的数据包包头检测器。当数据包包头检测器检测到包头“FF”、“55”、“AA”、“00”时，发送信号到RXDV生成器拉高RXDV信号，并将包头后的数据发送到包长度提取器(若未检测到包头，则不发送数据)，包长度提取器直接提取包头后两个字节的长度信息，同时将长度信息后面的数据，包括IP_BUS[7:0]、校验信息和包尾，发往帧校验生成器。帧校验生成器对所有的IP_BUS[7:0]进行累加并同时累加长度，由于经过了4-bit矢量变8-bit矢量的处理，每累加一个8-bit矢量，长度累加2，直到累加的长度等于包长度提取器发来的TXD[3:0]的长度，这样生成了一个检测用的校验信息；同时帧校验生成器还将IP_BUS[7:0]及其后的数据发往数据恢复器。数据恢复器将所有的IP_BUS[7:0]恢复为标准以太网的RXD[3:0]，同时累加长度，每变换一个字节，长度累加2，直到累加的长度等于包长度提取器发来的TXD[3:0]的长度，恢复结束。RXD[3:0]和后面的校验信息、包尾被发往帧校验检测器。帧校验检测器提取RXD[3:0]后的一个字节的校验信息，与帧校验生成器累加生成的校验信息进行比较，如果两个值相同，则判定接收成功，RXD[3:0]和包尾被发往数据包包尾检测器。数据包包尾检测器提取校验信息后面的4个字节，将其与预设的包尾进行比较，如果相同则最终判定接收成功，同时发送信号给RXDV生成器拉低RXDV电平。这样，RXD[3:0]连同RXDV一同恢复成功，作为标准以太网信号发往接收端的以太网芯片。

本发明使以太网传输所占用的带宽减少了20％，对于一个系统来说，省下的带宽可以用来传输其它业务，带宽利用率提高，相应地也降低了系统成本和系统负荷；4-bit矢量变换为8-bit矢量，又增加了系统互连的便利性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，凡是本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种以太网降速传输系统，包括发送端和接收端，所述发送端包括以太网芯片和发送单元，接收端包括以太网芯片和接收单元，所述发送单元和接收单元通过传输媒质进行数据交换；其特征在于，

所述发送端还包括以太网数据变换单元，该以太网数据变换单元和发送端的以太网芯片相连，用于根据发送端的以太网芯片发来的标准以太网信号的TXEN信号为数据包TXD[3:0]添加包头和包尾，并根据数据包添加长度信息和校验信息，去除TXEN信号并发送数据包到发送单元；

所述接收端还包括以太网数据还原单元，该以太网数据还原单元根据所述接收单元发来的数据包的包头、包尾、长度信息和校验信息将数据包还原成标准以太网信号发送到接收端的以太网芯片。

2.根据权利要求1所述的以太网降速传输系统，其特征在于，所述以太网数据变换单元包括数据包包头生成器、帧长度信息生成器、帧校验信息生成器、数据包包尾生成器、同步检测模块、长度提取模块；所述同步检测模块用于判断TXEN信号的上升沿，当TXEN信号上升沿事件发生时，同步检测模块发送开始信号到数据包包头生成器；所述数据包包头生成器用于为数据包TXD[3:0]添加包头并将添加了包头的数据包发送到帧长度信息生成器；所述长度提取模块用于提取数据包TXD[3:0]的长度信息，并将该长度信息发送给帧长度信息生成器和帧校验信息生成器；所述帧长度信息生成器用于根据长度提取模块提取的长度信息在添加了包头的数据包的包头后添加该长度信息，并将添加了长度信息的数据包发送到帧校验信息生成器；帧校验信息生成器用于根据数据包和长度提取模块提取的长度信息生成校验信息添加在添加了长度信息的数据包后，并将添加了校验信息的数据包发送到数据包包尾生成器；数据包包尾生成器根据同步检测模块检测到的TXEN信号的下降沿为添加了校验信息的数据包添加包尾后发送到发送单元。

3.根据权利要求2所述的以太网降速传输系统，其特征在于，所述以太网数据还原单元包括数据包包头检测器、包长度提取器、帧校验生成器、帧校验检测器、数据包包尾检测器、RXDV生成器；所述数据包包头检测器用于检测数据包的包头并发送包头后的数据包到包长度提取器；包长度提取器用于提取包头后的数据包的长度信息并将该长度信息后的数据发送到帧校验生成器；帧校验生成器用于根据长度信息后校验信息前的数据生成校验信息并将长度信息后的数据发送到帧校验检测器；帧校验检测器用于对包尾前数据中的校验信息和帧校验生成器生成的校验信息进行一致性判断，判断一致后发送数据到数据包包尾检测器；数据包包尾检测器用于提取数据的包尾并判断包尾是否正确，判断包尾正确后发送数据到接收端的以太网芯片；RXDV生成器用于根据数据包包头检测器和数据包包尾检测器的检测结果生成RXDV信号发送到接收端的以太网芯片。

4.根据权利要求3所述的以太网降速传输系统，其特征在于，所述以太网数据变换单元的帧长度信息生成器和帧校验信息生成器之间还设有数据包格式变换器，所述数据包格式变换器用于根据长度提取模块提取的长度信息将帧长度信息生成器发来的4-bit矢量数据包TXD[3:0]变换成8-bit矢量IP_BUS[7:0]后发送到帧校验信息生成器。

5.根据权利要求4所述的以太网降速传输系统，其特征在于，所述以太网数据还原单元的帧校验生成器和帧校验检测器之间还设有数据恢复器，所述数据恢复器用于根据长度提取模块提取的长度信息将包长度提取器发来的8-bit矢量IP_BUS[7:0]恢复为标准以太网的4-bit矢量RXD[3:0]后发送到帧校验检测器。

6.一种以太网降速传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、发送端以太网数据变换单元根据标准以太网信号的TXEN信号为发送数据包TXD[3:0]预先添加包头和包尾，并根据数据包TXD[3:0]添加长度信息和校验信息，去除TXEN信号后发送；

B、接收端以太网数据还原单元根据发送端发来的数据包的包头、包尾、长度信息和校验信息将数据包还原成标准以太网信号。

7.根据权利要求6所述的以太网降速传输方法，其特征在于，所述以太网数据变换单元包括数据包包头生成器、帧长度信息生成器、帧校验信息生成器、数据包包尾生成器、同步检测模块、长度提取模块，所述步骤A具体包括如下步骤：

a1、数据包包头生成器根据同步检测模块检测到的同步信号TXEN上升沿为数据包TXD[3:0]添加包头；

a2、帧长度信息生成器根据长度提取模块提取的数据包TXD[3:0]长度信息在包头后添加该长度信息；

a3、帧校验信息生成器根据发送来的数据包和长度提取模块提取的长度信息生成校验信息添加在添加了长度信息的数据包后；

a4、包尾生成器根据同步检测模块检测的同步信号TXEN下降沿在添加了校验信息的数据包后添加包尾。

8.根据权利要求7所述的以太网降速传输方法，其特征在于，所述以太网数据还原单元包括数据包包头检测器、包长度提取器、帧校验生成器、帧校验检测器、数据包包尾检测器、RXDV生成器，所述步骤B具体包括如下步骤：

b1、数据包包头检测器检测到包头，RXDV生成器拉高RXDV信号；

b2、包长度提取器提取长度信息；

b3、帧校验生成器根据接收到的长度信息后校验信息前的数据生成校验信息；

b4、帧校验检测器对比接收到的数据包中的校验信息和生成的校验信息，若一致，则数据接收准确，进入步骤b5；若不一致，则还原数据失败；

b5、数据包包尾检测器提取接收到的数据包的包尾与步骤A中预先添加的包尾相比较，若一致，则数据接收准确，RXDV生成器拉低RXDV信号，还原数据成功；若不一致，则还原数据失败。

9.根据权利要求8所述的以太网降速传输方法，其特征在于，所述以太网数据变换单元还包括数据包格式变换器，所述步骤a2和a3之间还包括步骤：

a2.1、数据包格式变换器将4-bit矢量TXD[3:0]变换成8-bit矢量IP_BUS[7:0]。

10.根据权利要求9所述的以太网降速传输方法，其特征在于，所述以太网数据还原单元还包括数据恢复器，所述步骤b3和b4之间还包括步骤：

b3.1、数据恢复器将8-bit矢量IP_BUS[7:0]恢复为标准以太网的4-bit矢量RXD[3:0]。

Images