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)中由于交換機性能高，擴展性強等優(yōu)勢，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。但是在某些特殊的應(yīng)用場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、攻擊檢測、防范等。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)往往需要將每一個網(wǎng)絡(luò)端口的數(shù)據(jù)進行收集和分析，如果使用交換機來完成，需要交換機具有特殊的端口監(jiān)視能力，勢必導(dǎo)致交換及設(shè)計復(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低一些，但是要實現(xiàn)監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集將變得很容易。另外，集線器還有傳輸延時小、響應(yīng)速度快等特點，對于要求實時性能的系統(tǒng)而言也是一種優(yōu)勢。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實現(xiàn)集線器的功能。本文介紹一種用可編程器件FPGA實現(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(國際標準化組織)的OSI(開放系統(tǒng)互聯(lián))七層模型中的物理層，其實質(zhì)是一個多端口的中繼器。主要功能是對接收到的信號進行再生放大.以擴大網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離。因為以太網(wǎng)遵循"先聽后說"的CSMA/CD協(xié)議，所以計算機在發(fā)送數(shù)據(jù)前首先進行載波偵聽。只有當判定網(wǎng)絡(luò)空閑時，才發(fā)送數(shù)據(jù)。早期的總線方式就是所有網(wǎng)絡(luò)中的計算機通過一條有T型分支的同軸電纜互聯(lián)起來,計算機的網(wǎng)絡(luò)接口利用同軸電纜這個共享的介質(zhì)完成載波偵聽和沖突檢測,從而進行有效的數(shù)據(jù)包傳遞。而現(xiàn)在普遍使用的交換機則不需要檢測載波，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)這個特性,實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的廣播傳遞方式，從而實現(xiàn)監(jiān)測、數(shù)據(jù)收集等功能。雖然集線器可以提供獨立的網(wǎng)絡(luò)接口和通道與計算機連接,但在集線器內(nèi)部，仍然采用單獨的內(nèi)部總線作為共享介質(zhì)。當來至多個端口數(shù)據(jù)包同時出現(xiàn)時必然產(chǎn)生碰撞和沖突現(xiàn)象。根據(jù)沖突檢測的原理,這時發(fā)生碰撞和沖突的數(shù)據(jù)包會丟失,因此,集線器會強化沖突，使得所有連接在該集線器上的計算機網(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。也是因為如此,集線器的規(guī)模一般不能太大，而且網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)包有效傳輸負載率也不能太高，否則發(fā)生沖突的概率會大大增加,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)計時必須要考慮集線器的這些特性。

3 集線器的實現(xiàn)

3.1 實現(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)碼和定界符識別出數(shù)據(jù)包進行處理。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接口為例對集線器實現(xiàn)原理進行闡述。集線器要實現(xiàn)的功能主要有數(shù)據(jù)接收、沖突檢測、沖突加強、數(shù)據(jù)廣播。

數(shù)據(jù)接收功能主要實現(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)存儲只需幾個時鐘周期,便于后續(xù)處理電路判斷和轉(zhuǎn)發(fā)。

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

數(shù)據(jù)廣播是將某個端口收到的數(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)計上還可以在可編程芯片中實現(xiàn)物理層功能,由FPGA處理信號電平變換、時鐘提取、數(shù)據(jù)編解碼等功能，進一步提高系統(tǒng)的集成度和可靠性。

3.2 仿真波形

本文中設(shè)計的集線器是多端口的,可編程器件實現(xiàn)完成后進行了模擬仿真,圖3是無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個端口的發(fā)送數(shù)據(jù)。此時沒有沖突，數(shù)據(jù)包正常廣播出去。

圖4中集線器同時收到端口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,因此沖突檢測標志collision detect置高電平,然后集線器加強沖突collision enhance置高電平.期間向所有端口發(fā)送強化沖突信息、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合有著一定的應(yīng)用價值。