基于FPGA的专用通信协议转换系统

2021-03-08安国臣刘家男马洪涛

内蒙古科技与经济 2021年2期

安国臣，刘家男，马洪涛

(河北科技大学，河北石家庄 050000)

随着卫星通信技术的发展，数据的透明转发已经不能满足现阶段的卫星通信的需求，融合星上交换、星上路由等技术实现卫星通信业务的全IP化，进而提高了系统的灵活性和可靠性[1，2]。为了满足卫星通信领域的有效性和可靠性，采用专用通信协议。本系统实现了以太网协议和自定义专用链路协议之间的协议转换，为卫星通信提供了可靠的保障。

1 系统总体结构描述

系统采用Xilinx公司Virtex5系列的FPGA芯片作为核心芯片，通过对4路以太网数据的轮询、拆包、拼帧和合包等处理，完成了以太网协议与专业链路协议之间的相互转换功能。

根据系统功能需求系统分为数据上行和数据下行两部分，其中数据上行部分负责从网络测试仪中接收以太网数据包，对其拆包、拼帧等处理，完成对以太网协议与专用链路协议之间的转换等功能，并由LVDS接口发送到星上设备；数据下行部分与之相反，负责接收专用链路数据包，对其合包、拼帧等处理，完成对专用链路协议与以太网协议的转换等功能，并通过网口发送回网络测试仪。

2 系统功能设计

2.1 数据上行部分

数据上行部分负责完成以太网协议与专用链路数据协议的转换功能，在其结构上可以分为以下3部分：接收部分、协议转换部分和发送部分，其结构框图，如图1所示。

图1 数据上行部分设计框图

由图1可知，数据上行分成了3个独立模块：MAC接收模块、拆包拼帧模块和发送模块，各模块功能具体详述如下。① MAC接收模块负责从网口接收以太网数据包，并完成包过滤、帧长计算和CRC校验等处理。对校验通过的数据包提取源MAC地址、目的MAC地址、帧类型、源IP地址和目的IP地址等信息，并将其存入帧头FIFO存储器中，其余数据信息存入数据FIFO存储器中。② 拆包拼帧模块负责轮询接收来自上一级模块FIFO中的帧头、帧长和数据信息，并根据读取的帧长信息对数据进行拆包处理，将其分成数组256字节小包数据，存入数据FIFO存储器中，然后根据帧头信息中的源MAC地址和源IP地址拼出专用链路数据帧头，并将其存入帧头FIFO存储器中[3]。需要注意的是当最后一组数据不足256字节时，需通过补零将数据补充完整[4]。③ 发送模块负责接收来自拆包拼帧模块中的并行数据，并经过并串转换处理，将串行数据发送到星上设备。

2.2 数据下行部分

与数据上行部分相反，数据下行部分负责完成专用链路协议与以太网协议转换功能，在其结构上也分为3部分：接收部分、协议转换部分和发送部分，其结构框图，如图2所示。

如图2可知，数据下行分成了3个独立模块：LVDS接收模块、合包拼帧模块和MAC发送模块，各模块功能具体详述如下。① 接收模块负责从LVDS口接收串行数据，经过串并转换处理，将数据包拆分为帧头和数据，并完成帧长计算，将其存入相应FIFO存储器之中。② 合包拼帧模块负责从LVDS接收模块读取FIFO存储器中的帧头、帧长和数据信息。根据帧头信息中的目的站地址，添加设定好的以太网数据包头，并将读取的小包数据按照顺序合成完整的一个以太网数据包。③MAC发送模块负责读取合包拼帧模块FIFO存储器中的数据，并根据其解析出来的帧类型输送到MAC核之中，并从对应的网口输出。

3 测试结果及分析

系统的性能和功能测试采用设备自环测试方法，并用思博伦Spirent C1网络测试仪作为发包设备，在其专用控制软件Spirent TestCenter Application中配置好端口速率、包类型和协议格式，完成数据发包工作[5]，测试结果如图3所示。由图3可知，网络测试仪发送了831720240包，在经过协议转换处理和LVDS口自环后，网络测试仪接收回来的数据为831720240，不存在丢包现象，达到了专用通信协议转换系统的性能要求。