CN105406920A - 一种支持千兆以太网协议处理的光模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种支持千兆以太网协议处理的光模块，包括ROSA组件、放大器、激光器驱动模块和TOSA组件，并进一步包括逻辑处理模块，所述逻辑处理模块包括SerDes层处理模块、GMII层处理模块、MAC层处理模块和FIFO，所述逻辑处理模块从SerDes层开始进行以太网协议处理，对以太网协议数据进行旁路提取。本发明在现有光模块的功能上新增支持以太网数据包采集，过滤，回传及逻辑链路诊断及监测功能，使得所有用到光模块的网络节点及相关设备，如交换机、路由器、基站等，都可以方便的部属，实现以太网链路的可视化，智能化，便于维护管理。

Description

一种支持千兆以太网协议处理的光模块

技术领域

本发明涉及光通信领域，具体涉及一种光通信器件，尤其涉及一种支持千兆以太网协议处理的光模块。

背景技术

目前市场上大多数光模块仅工作在物理层，只实现光电转换及收发功能，对收发数据的处理通常在后一级设备(如路由器，交换机，基站)的系统板卡上进行。对于光模块一级的产品来说，其本身不具有对网络逻辑链路进行监测分析的功能，当需要对网络的逻辑链路进行维护管理时，通常要求网络通信设备的系统板卡开放相应功能或升级改造新增相应功能，或借助相应的仪表(如网络分析仪等)完成相应功能检测，从而对网络的运维成本、功能升级的便利性、及部署的灵活性都提出了较高要求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种支持千兆以太网协议处理的光模块，包括ROSA组件、放大器、激光器驱动模块和TOSA组件，进一步包括逻辑处理模块，所述逻辑处理模块提取需要处理的监测控制逻辑数据进行处理。

在上述技术方案中，所述逻辑处理模块由FPGA、CPLD、ASIC、MCU、DSP、CPU中的一种或多种来实现。

在上述技术方案中，所述监测控制逻辑数据是以太网的协议数据，并基于此数据处理分析，用以实现以太网数据包的采集，过滤，回传及逻辑链路诊断及监测功能。

在上述技术方案中，所述逻辑处理模块以流水线处理方式处理以太网协议。

在上述技术方案中，所述逻辑处理模块包括SerDes层处理模块、GMII层处理模块、MAC层处理模块和FIFO。

在上述技术方案中，所述逻辑处理模块从SerDes层开始进行以太网协议处理，对以太网协议数据进行旁路提取。

在上述技术方案中，所述以太网协议处理包括以太网头部识别和/或以太网协议过滤。

在上述技术方案中，所述逻辑处理模块中直接对SerDes层处理模块的数据进行提取，利用以太协议前导码及帧间隔的间隙来处理数据，使得由所述逻辑处理模块进行数据处理的结果在到达MAC层处理模块的发送FIFO的时序上至少不晚于未由所述逻辑处理模块进行处理的数据在到达MAC层处理模块的发送FIFO，从而实现了满线速传输不丢包。

在上述技术方案中，所述MAC层处理模块对收到的并行数据进行以太网包头部识别、MAC地址判断、协议类型判断、VLAN判断、FCS校验中的至少一项处理。

在上述技术方案中，所述MAC层处理模块根据所述处理结果进一步进行MAC地址互换或填充、IP地址互换或填充、增加跳数、计算校验和中的至少一项操作。

本发明取得了以下技术效果：

在原有光模块上进行改造升级使其在原有模块的功能上新增具有支持以太网数据包采集，过滤，回传及逻辑链路监测功能。这样一来在所有用到光模块的网络节点及相关设备(如交换机，路由器，基站等)都可以方便的部属，实现以太网链路的可视化，智能化，便于维护管理。

附图说明

图1为本发明提供的光模块的原理框图；

图2为增设的FPGA内部的简化数据流图；

图3为常规的协议处理方式流程的示意图；

图4为本发明所采用的协议处理方式流程的示意图；

图5为SerDes接收侧的一些关键信号的处理方式流程的示意图；

图6为GMII层数据流处理的示例图；

图7为64字节的数据净荷的示例图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

现有的光收发器中的光模块一般包括ROSA组件、放大器、激光器驱动模块和TOSA组件，这种光模块由ROSA组件将接收的光信号转换为电信号，由放大器进行放大后输出到其它业务逻辑设备进行处理，处理完成后的输出电信号通过激光器驱动模块进行放大调制，由TOSA组件转换为光信号输出，也就是说现有的光模块一般仅实现光电/电光的转换功能，对业务信号仅是透传，并不具有对业务信号的处理能力。

为了使得在光收发器上能够支持对网络逻辑链路进行监测分析，以及能够支持对网络逻辑链路进行维护管理，需要对现有技术中的光模块进行改造升级，使其新增支持以太网数据包采集、过滤、回传及逻辑链路监测等功能。以便在所有用到这种光模块的网络节点及相关设备(如交换机，路由器，基站等)都可以实现以太网链路的可视化、智能化，便于部署和维护管理。

一般来说，光模块的以太网性能指标包括以下几个方面：

(1)吞吐率(Throughput)

定义：被测设备在不丢包的情况下，所能转发的最大数据流量。

(2)丢包率(LostRate)

定义：在在一定的负载下，由于缺乏资源而未能被转发的包占应该转发的包数的百分比。

(3)时延(Latency)

定义：发送一定数量的数据包，记录中间数据包发出的时间T1，以及经由测试设备转发后到达接收端口的时间T2，然后按照下面的公式计算：

对于存储/位转发设备：Latency＝T2-T1

T2：输出帧的第一位到达输出端口的时间；

T1：输入帧的最后一位到达输入端口的时间。

为了实现上述功能和达到一定的性能指标，本发明采用两种技术手段来改进现有光模块：(1)在以太网数据一进入SerDes层处理模块时即开始进行以太网的头部识别，协议过滤等，而不采用常规的在MAC层处理模块做相应数据信号处理(即上面提到的头部识别，协议过滤等)处理方法；(2)以流水线处理方式处理以太网协议最大限度压缩接收数据处理FIFO。通过采用这两种技术手段能够达到节约处理时间、提高处理效率的目的，同时还能够提高光模块的性能指标。

本发明提供的支持千兆以太网协议处理的光模块的原理框图如图1所示，其包括ROSA组件、放大器、激光器驱动模块、TOSA组件和逻辑处理模块；该逻辑处理模块可以由现场可编程逻辑阵列(FPGA)等逻辑处理器件来实现，包括但不限于FPGA、CPLD、ASIC、MCU、DSP、CPU等。这种支持千兆以太网协议处理的光模块由ROSA组件将接收的光信号转换为电信号，由放大器进行放大后输出到逻辑处理模块，逻辑处理模块提取需要处理的监测控制逻辑数据进行处理，、这种监测控制逻辑数据包括但不限于以太网协议，逻辑处理模块同时将放大器输出的电信号透传到其它业务逻辑设备进行处理，其它业务逻辑设备处理完成后的输出电信号接入逻辑处理模块，逻辑处理模块将其它业务逻辑设备处理完成后的输出电信号与其自身处理输出的信号组合后通过激光器驱动模块进行放大调制，由TOSA组件转换为光信号输出。

也就是说，本发明在现有光模块的内部新增一块用于以太网协议处理的现场可编程逻辑阵列(FPGA)，通过对FPGA的编程来灵活实现对以太网数据包实时探测采集，发送特定协议的链路检测报文，对特定报文的合法性检查，数据包过滤，数据包回传及链路监测等功能。

通过上述方式，本发明能够扩展现有光模块的功能，使光模块本身即能够处理一些基于以太网的协议数据，从而提升光网络的智能化程度，能够方便廉价地对光网络进行智能化升级。

图2为在现有光模块上增设的FPGA内部的简化数据流图；FPGA的接收端接收到来自光口的串行数据，在SerDes层处理模块进行10B/8B解码并添加GMII层处理模块需要的信号(例如tx_d[7:0]，tx_en，tx_er,rx_d[7:0],rx_dv,rx_er等，传输给GMII层处理模块。此图通过FPGA集成的串行收发器(Serdes)把高速的串行数据流(吉比特)变成可用于数据处理的低速(125M)并行数据(8bit位宽)，和一些附加的控制信号。完成了数据从物理层向数据链路层的过度，是后续进行数据处理的物理保障。

图3是常规的协议处理方式流程的示意图。FPGA在MAC层处理模块可对收到的并行数据做以太网包头部识别、MAC地址判断(广播多播及是否合法)、协议判断、VLAN判断、FCS校验等处理，并做相应标示，然后根据这些标示做MAC地址互换或填充(二层回传或反射)、IP地址互换或填充(三层回传或反射)、增加跳数、计算校验和等工作。再根据需要对这些处理过的数据包进行转发或丢弃。此时在GMII层处理模块收到来自SerDes层处理模块的数据后把收到的数据转成MAC层处理模块需要的数据(主要是剔除了一些控制字符前导码和FCS的数据净荷)和信号(包络信号和帧尾指示)发给MAC层处理模块。MAC层处理模块收到来自GMII层处理模块的数据及信号后会对数据包的合法性做检查并产生诊断信息，对这些信息统计后可根据需要或是发往远端，或是产生本地告警信息等。需要发送的数据都进入FIFO,再交给MAC层处理模块的发送端，对整个数据包做循环冗余校验，再交给GMII层处理模块，附加前导码后交给SerDes层处理模块，做8B/10B变换后完成整个逻辑处理模块的工作，最后由激光器发射出去。但是在采用这种工作方式时，难以满足满线速处理转发的要求，具体而言，这里的满线速指以太网帧间隔(IPG)最小，具体到吉比特以太网两个包的间隔为96纳秒，那么真正能够留给FPGA进行应用逻辑处理时间可大致估算为：IPG(包间隔)+Preamble(前导码)+SFD(帧开始)共20个字节(160纳秒)，如果在收到第一个包之后不能尽快完成应用逻辑处理，那么下一个包就会出错，从而导致丢包。而FPGA的以太网IP核从SerDes层处理模块到GMII层处理模块再到MAC层处理模块，在每一层都会都有一定延时(参看图6图7)，如果按部就班到MAC层处理模块处理应用协议将不能满足满线速要求，特别在接收小包的时候，由于单位时间内包的密度更大，丢包现象将更为突出。

图4为本发明所采用的协议处理方式流程的示意图，在逻辑处理模块中直接对SerDes层处理模块输出到GMII层处理模块的数据进行旁路提取，则可以使进行协议识别及处理与不需处理的数据提前(至少同时)到达MAC层处理模块发送端的FIFO，即进行协议识别及处理的结果和不加处理的数据在到达MAC子层的FIFO的时序有提前量(至少无差异)。

图5是对一些关键信号进行处理的简化示意图，图中rxdta_ch0中已经把高速的串行信号变成8路并行的数据，rx_k_ch是8B/10B编码的控制字符输出指示，为高时表示收到是控制字符，为低时表示收到的是非控制字符，由此可以利用rx_k_ch中信号的特性在PCS层分离出以太网的头部，即只要出现三个连续的低电平即可视作以太网的头部出现，据此产生以太网头部信号指示。

有了以太网头部信号指示和rxdta_ch0中的8路并行的数据就可以提前对以太网的数据进行处理，而不必等到下一层再对数据进行处理，从而能有效降低网络时延提高吞吐率。

而常规的流程到了GMII层数据流的处理也作了类似处理，如图6所示。图6中，rx_kcntl，rx_data是SerDes层处理模块中的控制信号和并行数据。rx_dv，rx_d是GMII层处理模块中的控制信号和并行数据，可以通过两者对应的以太网的前导码preamble位置对比看出SerDes层处理模块在时间上比GMII层处理模块的提前性。由此表明充分利用前导码及早介入应用逻辑处理是必要的。

到了MAC层就只有数据净荷了，例如一个64字节的数据包如图7所示。图7中的rx_dbout[7：0]就是图6中DestAdd至Fcs的部分，虽然可以直接简单使用rx_dbout和rx_write的数据，但由于此时的数据或信号经过了SerDes子层和GMII子层的时延已经不能满足数据包最小时延和最大吞吐率的要求。

在处理协议的方法上，现有技术上的处理方式是先缓存一个较大的数据包，例如先接收从以太网头部开始的100个字节，在收第101个数据时候一起处理前100个数据，处理包括MAC地址互换或填充(二层回传或反射)、IP地址互换或填充(三层回传或反射)、增加跳数、计算校验和等工作，用来决定对收到的数据包作透传、反射、或是丢弃处理，整个处理完成后，再把这100个字节发送出去。但是这样处理会影响时延和吞吐率要求。本发明将其改进，尽量压缩缓存大小，以交换以太网头部MAC地址为例(二层回传或反射)，仅缓存6个数据(以太网MAC地址为6个字节长度)可以在收到第7个数据的时候处理第1个数据，把第7个字节与第1个字节对调；在收到第8个数据的时候处理处理第2个数据，把第8个字节与第2个字节对调，先前处理好的第1个数据就可以发送出去了；在收到第9个数据的时候处理处理第3个数据，把第9个字节与第3个字节对调先前处理好的第2个数据就可以发送出去了；以此类推。用这样的流水线处理方式结合上文中提到的提前介入处理数据流的办法能够有效节约时延和提高吞吐率，能满足以太网对最小帧间隔的要求。这样普通的业务数据流能够满线速收发，而特殊监控的数据流也能在需要的时候有能力满线速回传远端的网络状态。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例是使用对以太网协议进行处理来进行举例说明，但是本发明的基本精神应可用于任何其它业务逻辑的处理。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种支持千兆以太网协议处理的光模块，包括ROSA组件、放大器、激光器驱动模块和TOSA组件，其特征在于：进一步包括逻辑处理模块，所述逻辑处理模块提取需要处理的监测控制逻辑数据进行处理。

2.根据权利要求1所述的支持千兆以太网协议处理的光模块，其特征在于：所述逻辑处理模块由FPGA、CPLD、ASIC、MCU、DSP、CPU中的一种或多种来实现。

3.根据权利要求1所述的支持千兆以太网协议处理的光模块，其特征在于：所述监测控制逻辑数据是以太网的协议数据，并基于此数据处理分析，用以实现以太网数据包的采集，过滤，回传及逻辑链路诊断及监测功能。

4.根据权利要求3所述的支持千兆以太网协议处理的光模块，其特征在于：所述逻辑处理模块以流水线处理方式处理以太网协议。

5.根据权利要求3或4所述的支持千兆以太网协议处理的光模块，其特征在于：所述逻辑处理模块包括SerDes层处理模块、GMII层处理模块、MAC层处理模块和FIFO。

6.根据权利要求5所述的支持千兆以太网协议处理的光模块，其特征在于：所述逻辑处理模块从SerDes层开始进行以太网协议处理，对以太网协议数据进行旁路提取。

7.根据权利要求6所述的支持千兆以太网协议处理的光模块，其特征在于：所述以太网协议处理包括以太网头部识别和/或以太网协议过滤。

8.根据权利要求7所述的支持千兆以太网协议处理的光模块，其特征在于：所述逻辑处理模块中直接对SerDes层处理模块的数据进行提取，利用以太协议前导码及帧间隔的间隙来处理数据，使得由所述逻辑处理模块进行数据处理的结果在到达MAC层处理模块的发送FIFO的时序上至少不晚于未由所述逻辑处理模块进行处理的数据在到达MAC层处理模块的发送FIFO，从而实现了满线速传输不丢包。

9.根据权利要求5-8中任一项所述的支持千兆以太网协议处理的光模块，其特征在于：所述MAC层处理模块对收到的并行数据进行以太网包头部识别、MAC地址判断、协议类型判断、VLAN判断、FCS校验中的至少一项处理。

10.根据权利要求9所述的支持千兆以太网协议处理的光模块，其特征在于：所述MAC层处理模块根据所述处理结果进一步进行MAC地址互换或填充、IP地址互换或填充、增加跳数、计算校验和中的至少一项操作。