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IPTV网络测试仪中以太网控制器的设计与实现*1张三，李四，王五六(重庆邮电大学通信网与测试技术重点实验室，重庆400065)摘要：针对IPTV网络的监测与维护，结合目前网络的快速演进，在综合考虑业务发展和运营商实际需求的基础上，设计了IPTV网络测试仪中的以太网控制器，对仪表的系统架构、以太网控制器的算法与链路层提取指标等进行了阐述，并通过FPGA对其进行仿真及验证，结果证明，此方案设计具有高度的可靠性和稳定性，在IPTV网络测试仪中得到了良好的应用。关键词：IPTV；以太网控制器；FPGA【中图分类号】TN949.6【文献标识码】BImplementationandDesignofEthernetControlleronIPTVNetworkTesterZHANGSan,LISi,WANGWu-liu（KeyLaboratoryonCommunicationNetworksandTestingTechnology,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China）Abstract:InviewofthemonitoringandmaintenanceonIPTVnetwork,togetherwiththerapidevolutionofthenetwork,tocatertotherequirementoftheserviceevolutionandtheproviders’reality,theEthernetcontrollerofIPTVnetworktesterisdesignedinthispaper.Andthen,thearchitectureofthetesterisdescribed,thealgorithmandindicatorsextractionoftheEthernetcontrollerareanalyzed.Meanwhile,thesimulationandverificationarealsogivenbasedonFPGA.Thesimulatingresultsprovethatthedesignhasreliability,stabilityandgoodapplicationsintheIPTVnetworktester.Keywords:IPTV;Ethernetcontroller;FPGA1引言目前，在世界经济发展相对减缓的情况下，交互式网络电视（IPTV）[1]作为三网合一的典型应用技术，其发展仍处于不断深入的趋势，其应用更是帮助通信产业在全球范围内逆流而上，不断发展。同时，IPTV作为一种利用宽带或有线电视网，集互联网、多媒体、通讯等多种技术于一体，向家庭用户提供包括数字电视在内的多种交互式服务的综合技术备受业界的广泛关注，对信息化和工业化的融合，对推动各国现代化的发展，特别是信息产业的发展起着至关重要的作用。IPTV业务是利用IP网络，把来源于电视传媒、影视制片公司、新闻媒体机构、远程教育机构等各类内容提供商的内容，通过IPTV宽带业务应用平台（该平台往往不仅支持TV，也支持其他业务）整合，传送到用户个人电脑、机顶盒+电视机、多媒体手机（用于移动IPTV）等终端，使得用户享受IPTV所带来的丰富多彩的宽带多媒体业务内容。伴随着IPTV业务的不断深入开展，对于IPTV业务最后一公里维护与测试已成为亟待解决的问题，由此，IPTV网络测试仪应运而生。2总体架构IPTV网络测试仪主要应用于IPTV业务最后一公里的线路开通和故障排查。目前，运营商集中发展的IPTV用户主要分两类：普通用户和大客户（如宾馆等）。对于普通用户，IPTV业务的接入主要以ADSL为主，有少量的FTTx方式；对于大客户，IPTV业务的接入主要以光纤接入到CPE，然后通过以太网交换机分发到各个楼层。因此，IPTV网络测试仪必须同时支持这两种IPTV业务的维护。当前的IPTV承载线路[2-4]主要分两大类：第一类是xDSL线路，包括ADSL，ADSL+，ADSL2和ADSL2+，用于传输速率相对较低的场合；第二类是以太网线路，其速率从10~1000Mbit/s，主要用于传输高速数据。IPTV网络测试仪主要针对xDSL线路和以太网线路（10/100/1000（Mbit/s））的维护与测试，可以对线路指标及其承载的信息如视频1国家新一代宽带无线移动通信网重大专项（2009ZX03002-009）；国家“863”重大专项（G2009-09)质量等方面进行测试。仪表主要由ADSL接入、以太网接入、FPGA处理、STB处理、VoIP处理、SD/SDHC卡、SDRAM、CPU控制、3.5in触摸屏以及电源管理部分组成（见如图1）。在系统总体设计时，考虑到FPGA可以提供以硬件为中心的可编程特性，在深度分组处理、软件可升级性、硬件可升级性及复杂分类查表等方面具有实时、高效、灵活的特点，且开发周期短，能够形成具有自主知识产权的内核，还可以最终形成自己的ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)，因此在设计中选择FPGA实现方案。如图1所示，FPGA处理部分包括：Utopia接口、ATM信元处理（ATM/IP协议转换）、MII接口、以太网MAC处理（MAC/IP协议转换）、IP处理及指标提取、CPU控制接口。ADSL接口FPGAATM转换CPU控制3.5寸TFTQVGA显示屏(触摸屏)电源＆电源管理STB处理VOIP处理SD/SDHC卡(用来保存重要数据和视频、音频等业务)可选硬盘STB接口UTOPIA接口可充电锂电池控制接口数据接口以太网10M100M1000MPHYMII接口USB接口IP包检测提取IP包处理以太网MAC控制器MAC/IP转换、MAC处理以太网MAC处理SDRAM(用来临时保存数据)MICPHONEGMII接口CPU控制接口图1IPTV网络测试仪系统架构图本文的工作重心为IPTV网络测试仪中以太网控制器的设计与实现，具体包含：MII/GMII接口时序仿真；10/100/1000（Mbit/s）以太网控制器算法设计与实现。3以太网控制器设计3.1算法设计在设计IPTV网络测试仪的以太网控制器[5-6]时，提出了两个关键性的算法思想：半字节定位法与调度控制算法。1）通过半字节定位法对10/100（Mbit/s）以太网数据帧接收进行准确定位，计算并提取相应的链路层指标，而且能对帧长度进行有效的判断，提交上层处理或显示，并高效实现以太网协议与IP协议的转换。2）通过调度控制算法对ARP包、RARP包和IP包进行有效的调度和处理，并将主机分为只收、只发、收发和转发4种模式进行调度控制，识别不同模式，对其进行相应的处理和控制，实现IPTV网络测试仪在以太网接入时的灵活运用。3.1.1半字节定位法10/100（Mbit/s）以太网设计中，首先定义32位计数器Counter_32（32bit计数一次），半字节寄存器offset（4bit计数一次），目的MAC地址、源MAC地址、类型、数据和IP长度分别用dest_mac，sour_mac，type，data和IP_Len表示。对于超长帧和超短帧用Counter_32指示与offset偏移共同进行定位和计算。1）定位/计算公式设Kcnt为32位计数，Icnt为8位计数，Jcnt为4位计数，帧长为Frame_Len。则基本式定义为Kcnt=Jcnt×8（1）Icnt=Jcnt×2（2）通过偏移定位计算得出（用程序语言表述）：（1）dest_mac定位，即fromKcnt=0&&Jcnt=0toKcnt=1&&Jcnt=3；（2）sour_mac定位，即fromKcnt=1&&Jcnt=4toKcnt=2&&Jcnt=7；（3）type定位，即fromKcnt=3&&Jcnt=0toKcnt=3&&Jcnt=3；（4）PPoe头定位，即fromKcnt=3&&Jcnt=4toKcnt=4&&Jcnt=7；（5）IP_Len定位，即fromKcnt=5&&Jcnt=4toKcnt=5&&Jcnt=7；（6）超短帧范围（单位为byte)，即0Kcnt16或0Icnt64；（7）超长帧范围，即Kcnt*4+Jcnt/21518或Icnt1518；（8）帧长计算（单位为byte），即Frame_Len=Kcnt*4+Jcnt/2;或Frame_Len=IP_Len+24。2）伪代码当接收到0xAB时，进入数据接收状态，32位计数器counter32，4位计数器为offset，8位计数器counter8同时开始计数，通过这3个关键参数的计数和偏移对数据帧进行分析和处理，程序段如下：Whenreceiving_state//数据接收状态{counter32=0;offset=0;counter8=0;ifclk’srising_edgeoffset=offset+1;if(offset/2==0)counter8=counter8+1;else(offset==7){counter32=counter32+1;offset=0;}endif;}Whendrop_state//判断处理状态{if(counter32=16)Len_instruc:thisframeistooshort;if(counter32379)Len_instruc:thisframeistoolong;if(offset/2!=0)Len_instuc:thisisalengtherrorframe;}3.1.2调度控制算法1）数据调度控制当数据接收处于Receiving状态，根据半字节定位法得到的类型指示type，参照IEEE802.3标准进行分析，若type为0x0800，则此帧承载的净荷数据是IP数据包，调度至IP解析模块进行处理；若type为0x0806，则此帧承载的数据是ARP包，调度至ARP请求/应答模块进行处理；若type为0x8035，则此帧承载的数据是RARP包，调度至RARP请求/应答模块进行处理。通过此调度控制方式对ARP包、RARP包和IP包进行有效的调度和处理，以保证整个测试仪处于工作正常稳定的状态。2）主机模式调度控制在主机模式调度中，采用如图2所示的通信方式进行分类：①表示Recv_Only（只收模式）；②表示Send_Only（只发模式）；①和③表示Forward（转发模式）；④表示Send_Recv（收发模式）。在设计以太网控制器时将这4种模式进行合理的调度控制，通信过程中，首先识别该主机属于哪种模式，然后按照相应的处理方式对其进行处理和控制，实现IPTV测试仪在以太网接入时的灵活运用。在网络中，IPTV网络测试仪处于桥接状态时，可为Forward或Recv_Only模式；当仪表用作终端监控接收时（可替代机顶盒），须为Recv_Only模式；而当仪表处于自身或者链路测试状态时，如处于链路带宽、速率等测试过程中，主机则为Recv_Only或Send_Only模式。Client-CClient-BClient-AClient-D①②④③主机模式调度控制图2以太网中主机模式调度控制3.2设计方案以太网MAC控制器是FPGA设计的一个重要部分，主要分为10/100/1000（Mbit/s）这3种接入方式。考虑到仪表的实际工作需求，由于工作频率不同以及芯片匹配度的问题，将其分为两种模式：10/100（Mbit/s）模式和1000Mbit/s模式。在方案设计时，IPTV网络测试中以太网MAC控制器由以下7个模块组成（见图3）：1）MII接口模块主要完成MII接口时序仿真，并完成帧数据串并（并串）转换，10/100（Mbit/s）的数据是4位，1000Mbit/s的数据是8位，帧接收时，为了后续处理方便以及高效，需将其串并转换为32位的并行数据；帧发送时，则进行并串转换操作，实现32位/4位或32位/8位之间的转换。2）接收/发送时钟