CN107707305A - 一种基于可见光通信应用的数据流过渡机制 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可见光通信应用的数据流过渡机制，属于可见光通信技术关键设备设计领域。本发明基于IEEE 802.3以太网标准文件，实现三速以太网与处于不同带宽下的可见光通信信道端的全双工数据适配，从而使数据流从快时钟到慢时钟或是从慢时钟到快时钟能够自由平滑地切换，保证数据传输应用的正常启动、进行和完成。数据流的缓存机制工作在以太网二层协议上，无需高层协议栈的介入；且具有多种策略保障缓存系统的稳定工作。本发明立足于新兴的可见光通信技术，实现了可见光通信信道与现行通信接口进行融合适配的需求，为可见光通信技术普及打下了坚实的基础。

Description

一种基于可见光通信应用的数据流过渡机制

【技术领域】本发明公开了一种基于可见光通信应用的数据流过渡机制，属于可见光通信技术关键设备设计领域。

【背景技术】

近年来，可见光通信(Visible Light Communication，VLC)作为一个新的通信技术，正在逐渐走进学术界的视野。可见光通信，可通俗理解为“灯泡通信”，它以激光、LED等一系列发光器件为载体，用可见光频段的电磁波作为载波，将数据信息调制到可见光上，从而实现通过其通信的目的。目前学界和业界所定义的可见光通信概念始于2000年。作为一种新兴的无线通信技术，可见光通信有很多优点：

1)带宽范围宽(380nm-780nm，相当于405THz)，不受使用许可证限制；

2)安全性高，保密性好；

3)绿色环保；

4)在准确方向定位上具有明显优势；

5)能够替代无线电在某些电磁干扰敏感的特定场合(如飞机、医院、核电站或者石油钻探等)中的应用，对现行已有的无线通信场景具有极大的补充作用。

目前可见光通信的通信速率已经具有飞跃级的提升，因此相关应用场景的设计也应运而生。鉴于目前单路LED通信实时速率已经远远高出百兆全双工以太网的带宽100Mbps，因此有必要设计一款能够使上网速率接近目前LED峰值速率的设备。但是以太网标准中只有10M、100M、1000M三个速率档位，而目前的LED峰值速率处于100M和1000M范围之间，LED的峰值速率反映的恰是其最小脉宽。1000M以太网，如1000BASE-T介质(即铜线)，它使用的是4D-PAM5技术，然而基于目前的LED可见光通信技术，光路的最小脉宽尚不能达到1000BASE-T的码元脉宽，因此无法直接进行互连，而目前市场上还没有针对这方面应用的芯片或者设备，因此基于对应用场景设计的需求，有必要设计一款能够适配以太网和可见光信道的设备来填补这类应用需求。本发明属于这一设备的核心技术。

本发明针对可见光通信应用，通过多种数据流缓存以及数据流量控制技术，具有针对性地解决了当前可见光通信领域所面对的与现行通信接口速率不匹配的问题，很好地解决了该领域在接口适配方面的问题，极大拓宽可见光通信技术未来的应用场景。

【发明内容】

本发明的目的是解决可见光通信在接口适配方面的问题，从而拓宽可见光通信技术在未来的应用场景。

发明提出了一种针对于全双工以太网与可见光通信信道之间的数据流时钟域平滑切换机制，包括如下部分：

(1)连续数据流的预处理：包括以太网帧的识别和帧头剥离，和可见光通信端数据流的组装；

(2)先入先出逻辑：采用存储转发策略，将数据帧从输入时钟域跨越至输出时钟域，且保持数据流的连续性；

(3)流量控制机制：根据输出时钟侧信道带宽的需求，采用多种机制，限制输入时钟侧的数据流的带宽；

(4)碎片清除机制：消除因缓存区意外溢出而造成的数据碎片的堆积现象。

本发明解决了不同速率接口之间的数据流过渡问题，在保证功能稳定的基础之上，还具有较小的系统逻辑量，从而既准确高效又精简节约地实现了数据流在不同时钟域之间切换的功能。

【本发明的优点和积极效果】

与现有技术相比，本发明具有如下优点和积极效果：

第一，系统逻辑量小，能够以较小的逻辑使用量来准确实现双向数据流缓存的功能；

第二，输出端时钟宽度任意可调，从而能够充分满足可见光通信信道在速率上的各种不同要求；

第三，系统采用多种流量控制机制，来保证以太网数据流稳定连续的传输；

第四，数据流的传输速率可以达到并稳定处于峰值净载荷值，并且能够满足各种以太网应用。

【说明附图】

图1为数据流缓存机制缓存器数据深度随时间变化的描述图。

【具体实施方式】

本发明为可见光通信系统逻辑的核心部分，负责将同步于以太网端时钟的数据流同步到光路端数据时钟，从而实现数据在不同接口之间的适配功能。本设计中的缓存逻辑，不论是从下行到上行，还是从上行到下行，都一律定义数据流从输出端时钟同步至输出端时钟。换言之，输入端时钟慢于输出端时钟，缓存中的数据不会有丢失；如果输入端时钟快于输出端时钟，缓存逻辑会根据当前缓存深度做出相应策略，保证缓存区中不出现数据碎片，从而保证数据流的接续传输。

根据以太网传输层TCP/IP协议，数据帧的传输遵循“超时重传”的规则，即当发送端发送出一帧数据后，在一定时间内发送端没有接收到接收端返回的确认信息，那么发送端会认为接收端没有正确地接收到发送端所发送的数据帧，从而会重新发送该数据帧，由此来保证接收端能够接收到发送端发送来的所有的数据。此外，还有TCP协议中的滑动窗口机制，也能够实现数据的平滑传输。基于以太网三层的数据传输机制，网络数据传输得以实现端到端的流量控制。因为本设计中所面对的数据转换大多数情况是速率高的一端流向速率低的一端，所以数据流在缓冲的过程中，缓存区数据的溢出是不可避免的，并且不论缓存深度设置为多大，溢出现象也不会完全避免。所以正是以太网三层协议保证了数据传输和接收的完整性。

除此之外，以太网还有链路层的流量控制机制，即MAC PAUSE帧。全双工网络和半双工网络不同，它不检测冲突，而且忽略载波侦听。IEEE对全双工网络的流量控制的定义基于IEEE 802.3x文件，该文件定义了以太网MAC控制层的体系结构，而流量控制是作为体系结构的一部分存在的。IEEE 802.3标准文件中Annex 31A，31B对MAC控制帧的具体内容进行了定义和解释，而对于流量控制而言，具体是通过暂停帧(MAC PAUSE)来实现的。MAC PAUSE帧是正规的以太网(Ethernet II)帧，因此它能够通过标准的MAC层发送和被接受到。它的目的地址为一个保留的MAC地址01：80：C2：00：00：01，它是一个唯一的组播地址；源地址一般为发送设备的MAC地址；帧类型域为所有MAC控制帧的保留值：0x8808；随后两字节为PAUSE帧的控制操作码：0x0001；PAUSE帧只带有一个参数：暂停时间(PAUSE_OUANTA)，它占用两个字节，表示的是接收方请求发送方停止发送数据帧的时间长度，单位是512比特时间，即若PAUSE_QUANTA＝＝0x0002，那么所请求的停止发送时间就是1024比特时间；帧的其余字节由MAC层补零，以符合以太网中对最短帧(64字节)的规定，避免被识别成碎片而被抛弃掉。

PAUSE帧的流量控制机制可分为两类：XON/XOFF型和耗尽型。当接收端缓存达到高水位线时，MAC层向发送端发送PAUSE帧，发送端接收到PAUSE帧后，计数暂停指定时间后重启数据发送；或是接收端在缓存到达高水位后直接发送暂停时间为0xffff的PAUSE帧(XOFF)，直至缓存降至低水位以下后，再向发送端发送一个暂停时间为0x0000的PAUSE帧(XON)，此时发送端接收到该帧后，立即恢复数据的传输。

PAUSE帧属于控制帧，因此其优先级高于普通数据帧，但是不能够影响其他控制帧的优先级。当MAC正在发送普通数据帧时，PAUSE帧将在该帧发送完毕后经过最小帧间距(IPG)后优先发送，而不会中断正常的发送状态。此外，PAUSE帧的发送不会影响PAUSE帧的接收。当对端设备接收到PAUSE帧后，如果对端设备是交换机，那么由于目的地址是保留地址，因此设备在接收到目的地址为01：80：C2：00：00：01的数据帧以后，交换机不会继续广播该帧，而是直接掩盖掉该帧，以免当接收到过多的流量控制帧的时候造成大量的广播而造成更严重的拥塞。

PAUSE帧也具有其局限性。首先，它不能处理稳定状态下的网络拥塞，即持续性缓冲过载。PAUSE帧旨在通过减少到来的数据量，暂时缓和缓冲区资源的紧张，而不能在数据量持续过载的情况下控制流量。而且，它无法保证端到端的流量控制。PAUSE控制只能调节单全双工链路的数据流量，更不能协调多个链路的流量情况。另外，它也无法提供复杂于“停-启”的机制。目前PAUSE帧还不能实现基于速率的流量控制等复杂的控制机制。实现PAUSE控制的前提是链路两端都使能了PAUSE控制，即开启了接收控制帧的功能，如果发送端屏蔽了接收PAUSE帧的功能，那么基于PAUSE机制的流量控制也是不能奏效的。

缓存逻辑在设计中同时采用两种策略：一是基于链路层流量控制的机制，二是基于以太网第三层的流量控制机制。二者相辅相成，共同完成数据的缓存以及数据流量的控制。数据缓存的架构基于异步先入先出逻辑，即先写入缓存的数据也是最先被读出的数据，这样才能够保证数据流从缓存输出之后和进入缓存之前的顺序没有发生变化，只是数据线上电平跳变的周期(脉宽)发生了变化，换言之，即每个数据帧的时间长度发生了变化，其变化的程度取决于字节时钟的频率。此外，数据是需要以帧为单位输入，也需要以帧为单位输出，因此数据流的缓存遵循“存储转发”的规则，从而能够保证无论在何时，数据帧的输入和输出都是完整的，而不会出现意外的数据碎片。

输出端时钟频率高于输入端时钟时，数据帧输出的时间长度就会缩短；输出端时钟频率低于输入端时钟时，数据帧输出的时间长度就会拉长。当输出端读出的速度比输入端输入的速度慢时，缓存区内就会更快地堆积未处理的数据；当输入端持续处于高流量时，由于输出端读出速度较慢，那么缓存区最终就会溢出，从而在缓存区内留下数据帧的碎片，这样缓存器吞吐的效率就会大大降低。因此需要在缓存区深度上设置水位线，即高水位线和低水位线。当已缓存数据的深度高于高水位线时，此时缓存区等待输出端慢慢将目前已缓存的数据帧按顺序读出；当已缓存深度下降到低水位线时，此时输入端重新打开数据帧的写入；当已缓存深度再次高于高水位时，重复上述步骤，并如此周期往复。对于丢失掉的数据帧，以太网高层协议可以保证这些丢失掉的数据帧可以被重传，因此保证数据流的稳定传输。

与此同时，在这种水位线控制的机制下，依然是可以在已缓存深度达到高水位线时，向下行数据发送端发送流量控制帧，即上文所提及的MAC PAUSE帧，起到暂缓发送的效果。可以在缓存区深度回复至低水位线以下之前，按照一定的时间间隔向下行端发送XOFF帧，当水位下降以后，可以再发送一个XON帧，结束流量控制，如此周期往复，实现第二级流量控制机制。实际操作时，可以选择使用或者不使用链路层的流量控制机制，最终视情况而定。

如果发生最坏的情况，即缓存区溢出，那么此时立即停止写入，输出端继续按顺序读出数据帧。当所有的有效的数据帧都读完后，由输出端向缓存区生成一个复位信号，清空缓存区，随后待缓存区为空后，打开缓存写入，等待新的数据帧的到来，由此实现数据缓存过程中最后一级保险机制。

下面结合图来进行进一步的说明：

图1为数据流缓存机制缓存器数据深度随时间变化的描述图。其中向上的箭头代表向缓存写入，向下的箭头代表从缓存读出；当缓存深度高于高水位线时，便停止写入，此时只有读出，当缓存内数据深度低于低水位线时，才重新开启写入，在此之间未写入缓存的数据即为丢弃掉的数据。

由于存在数据流不可避免丢帧的情况，所以缓存深度越大越好，但是对缓存深度的最小值有一定的要求，即考虑两个最长数据帧背对背传输的最坏情况。不考虑超巨帧，常见的以太网帧长度在64-1518字节之间(包括64字节和1518字节，除去8字节的同步头)，因此缓存深度至少不能低于1518字节的2倍，即3036字节，因此，缓存深度要不低于4096字节。因为是全双工网络，所以下行和上行可以采用相同的缓存深度。需要指出的是，适配器的缓存设计不同于传统MAC层的缓冲区的设计，后者可以根据当前缓存区使用情况将数据帧拆成区段传送至上层，而前者因为涉及到后级与可见光通信模块的对接，因此只能够进行以帧为单位的传输，否则一帧数据中只要有一段数据误传，那么这一帧数据就都会作废；此外，数据帧拆解后还需要进行组装，以能够被PC端识别成正确的以太网帧，而这样做也无疑增加了设计的难度，因此存储转发策略在该场合下是目前最稳定的传输机制。

Claims (1)

1.一种基于可见光通信应用的数据流过渡机制，包括如下部分：

(1)连续数据流的预处理：包括以太网帧的识别和帧头剥离，和可见光通信端数据流的组装；

(2)先入先出逻辑：采用存储转发策略，将数据帧从输入时钟域跨越至输出时钟域，且保持数据流的连续性；

(3)流量控制机制：根据输出时钟侧信道带宽的需求，采用多种机制，限制输入时钟侧的数据流的带宽；

(4)碎片清除机制：消除因缓存区意外溢出而造成的数据碎片的堆积现象。