1 引言

隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和成熟，應(yīng)用范圍日益廣泛。以太網(wǎng)的互聯(lián)技術(shù)也從早期采用專用同軸電纜的總線式網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到現(xiàn)在的多層交換機(jī)方式。傳輸和交換的效率和可靠性大為提高。在普通的商用網(wǎng)絡(luò)中由于交換機(jī)性能高，擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為了以太網(wǎng)互聯(lián)的主流技術(shù)，而集線器技術(shù)已經(jīng)基本不再使用，逐漸淡出市場(chǎng)。但是在某些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合需要使用一些特殊的技術(shù)，比如網(wǎng)絡(luò)安全方面的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、攻擊檢測(cè)、防范等。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)往往需要將每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析，如果使用交換機(jī)來(lái)完成，需要交換機(jī)具有特殊的端口監(jiān)視能力，勢(shì)必導(dǎo)致交換及設(shè)計(jì)復(fù)雜，使用成本高昂。如果使用集線器技術(shù)，雖然傳輸交換的效率會(huì)低一些，但是要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)收集將變得很容易。另外，集線器還有傳輸延時(shí)小、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，對(duì)于要求實(shí)時(shí)性能的系統(tǒng)而言也是一種優(yōu)勢(shì)。目前通用的集線器已基本停產(chǎn)，元器件廠商也停止開發(fā)有關(guān)元器件，因此有必要采用其它方式來(lái)實(shí)現(xiàn)集線器的功能。本文介紹一種用可編程器件FPGA實(shí)現(xiàn)集線器的原理和方法。

2 集線器工作原理

集線器(Hub)工作于IS0(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織)的OSI(開放系統(tǒng)互聯(lián))七層模型中的物理層，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)多端口的中繼器。主要功能是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行再生放大.以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離。因?yàn)橐蕴W(wǎng)遵循"先聽后說(shuō)"的CSMA/CD協(xié)議，所以計(jì)算機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)前首先進(jìn)行載波偵聽。只有當(dāng)判定網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)，才發(fā)送數(shù)據(jù)。早期的總線方式就是所有網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)通過(guò)一條有T型分支的同軸電纜互聯(lián)起來(lái),計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口利用同軸電纜這個(gè)共享的介質(zhì)完成載波偵聽和沖突檢測(cè),從而進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)包傳遞。而現(xiàn)在普遍使用的交換機(jī)則不需要檢測(cè)載波，也不存在共享介質(zhì)沖突等情況。集線器正是利用了以太網(wǎng)共享介質(zhì)這個(gè)特性,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的廣播傳遞方式，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)收集等功能。雖然集線器可以提供獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)接口和通道與計(jì)算機(jī)連接,但在集線器內(nèi)部，仍然采用單獨(dú)的內(nèi)部總線作為共享介質(zhì)。當(dāng)來(lái)至多個(gè)端口數(shù)據(jù)包同時(shí)出現(xiàn)時(shí)必然產(chǎn)生碰撞和沖突現(xiàn)象。根據(jù)沖突檢測(cè)的原理,這時(shí)發(fā)生碰撞和沖突的數(shù)據(jù)包會(huì)丟失,因此,集線器會(huì)強(qiáng)化沖突，使得所有連接在該集線器上的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口都能正確判斷數(shù)據(jù)包的沖突，網(wǎng)絡(luò)接口就可以根據(jù)一定的規(guī)則重發(fā)該數(shù)據(jù)幀。也是因?yàn)槿绱?集線器的規(guī)模一般不能太大，而且網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)包有效傳輸負(fù)載率也不能太高，否則發(fā)生沖突的概率會(huì)大大增加,造成數(shù)據(jù)多次重發(fā)，甚至丟包，影響網(wǎng)絡(luò)的傳輸可靠性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮集線器的這些特性。

3 集線器的實(shí)現(xiàn)

3.1 實(shí)現(xiàn)方法

以太網(wǎng)物理層的幀結(jié)構(gòu)包含前導(dǎo)碼、定界符和物理層凈荷,集線器根據(jù)前導(dǎo)碼和定界符識(shí)別出數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。目前通用的以太網(wǎng)物理層收發(fā)器技術(shù)已經(jīng)非常成熟。以100M以太網(wǎng)物理層接口器件為例,可以提供MII以及RMII等接口與數(shù)據(jù)包處理電路相連。因此,本文以RMII接口為例對(duì)集線器實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行闡述。集線器要實(shí)現(xiàn)的功能主要有數(shù)據(jù)接收、沖突檢測(cè)、沖突加強(qiáng)、數(shù)據(jù)廣播。

數(shù)據(jù)接收功能主要實(shí)現(xiàn)從各端口接收到的CRS_DV和RXD中提取出有效的數(shù)據(jù)包,如圖1所示,提取的依據(jù)是在接收到的CRS_DV有效并且RXD未發(fā)生載波錯(cuò)誤的前提下,前導(dǎo)碼和SFD(定界符)以后的數(shù)據(jù)為有效的凈荷數(shù)據(jù)。由于集線器對(duì)接收的數(shù)據(jù)不作改變,直接再生后轉(zhuǎn)發(fā),所以數(shù)據(jù)存儲(chǔ)只需幾個(gè)時(shí)鐘周期,便于后續(xù)處理電路判斷和轉(zhuǎn)發(fā)。

沖突檢測(cè)是根據(jù)各端口的數(shù)據(jù)包是否同時(shí)到達(dá)作為判定依據(jù)的,若兩個(gè)或兩個(gè)以上的端口有數(shù)據(jù)包同時(shí)到達(dá),則被認(rèn)為發(fā)生了數(shù)據(jù)包沖突,集線器對(duì)沖突的反應(yīng)是加強(qiáng)沖突,亦即在檢測(cè)到?jīng)_突期間向所有端口發(fā)送強(qiáng)化沖突包,若沖突依然存在,則間隔960ns后繼續(xù)加強(qiáng)沖突,直到?jīng)_突消失。在發(fā)送加強(qiáng)的沖突信號(hào)期間應(yīng)保證其完整性,即使沖突加強(qiáng)期間,檢測(cè)到?jīng)_突消失,也要把加強(qiáng)的沖突信號(hào)發(fā)送完畢。

數(shù)據(jù)廣播是將某個(gè)端口收到的數(shù)據(jù)向其它的所有端口發(fā)送,這是集線器的基本功能,也是集線器在各個(gè)端口之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的唯一工作方式。如圖2所示,TX_EN是發(fā)送使能,TXD是發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)出的數(shù)據(jù)包含前導(dǎo)碼、定界符和凈荷數(shù)據(jù)。

另外,如果FPGA規(guī)模允許,設(shè)計(jì)上還可以在可編程芯片中實(shí)現(xiàn)物理層功能,由FPGA處理信號(hào)電平變換、時(shí)鐘提取、數(shù)據(jù)編解碼等功能，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的集成度和可靠性。

3.2 仿真波形

本文中設(shè)計(jì)的集線器是多端口的,可編程器件實(shí)現(xiàn)完成后進(jìn)行了模擬仿真,圖3是無(wú)沖突的情況的仿真波形,集線器將收到的端口1的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給所有端口,圖中rx_dv_in是端口的載波偵聽/數(shù)據(jù)有效標(biāo)志,rxd rmii0是端口0的接收數(shù)據(jù),tx en 0ut是端口的發(fā)送使能，txd_mii0、txd_rmii2、txd_rmii3是其中3個(gè)端口的發(fā)送數(shù)據(jù)。此時(shí)沒(méi)有沖突，數(shù)據(jù)包正常廣播出去。

集線器同時(shí)收到端口0和端口1的數(shù)據(jù)的仿真波形圖,數(shù)據(jù)包發(fā)生沖突,因此沖突檢測(cè)標(biāo)志collisiON detect置高電平,然后集線器加強(qiáng)沖突collision enhance置高電平.期間向所有端口發(fā)送強(qiáng)化沖突信息、并且接收到的所有數(shù)據(jù)丟棄,以使端口重新發(fā)送數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本文中討論的集線器其功能和性能完全滿足系統(tǒng)要求，同時(shí)由于采用了新型的可編程芯片,集線器的體積功耗也大為減少。用可編程芯片實(shí)現(xiàn)集線器，還可以不受傳統(tǒng)專用器件的局限,任意增減端口數(shù)量,配置端口類型(電纜或者光纖)，提高系統(tǒng)集成度，在要求較高的特殊場(chǎng)合有著一定的應(yīng)用價(jià)值。