基于FPGA的IPv6网络测试卡设计

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协议 解 析模块 完成 对 网络 的 Ｌ２协议 和 Ｌ３协议 的解 接 口也 直接 占用 １０资 源¨ 。本 测试 卡用到 的 ＦＰＧＡ
析处 理 ，结合 内部 测试 域参 数 即可得 到测 试结 果 。 内部嵌 入式 硬 核 资 源为 ＧＴＰ。基 于前 面对 ＦＰＧＡ逻
测试方案 中 ，ＰＨＹ芯 片 ＢＣＭ５４６４ＳＲ 的 Ｍ Ａ Ｃ侧接 辑资源 的评估 ，采用 自顶 向下 和模块 化设计 的设 计原 口选 用 ＲＧＭＩＩ接 口。图 ２所 示 为 ＢＣＭ５４６４ＳＲ每 个 则将 ＦＰＧＡ内部 的功 能模 块划分 为如 图 ３所 示 。
产 品相 继 出现 ，于是 就 产 生 了对 这 些 产 品进 行 测 试 的需求 Ｊ。使 用 仪 表 测 试 的 比较 明显 的 优 势 就 是 能 进行 性能 测试 ，定 量地 分析 网络 设备 的吞 吐量 、时 延 、丢 包率 等 性 能 参 数 指 标 Ｊ。基 于 此 ，提 出一 种 低 成 本 、高 性 能 的 可 用 于 ＩＰｖ６协 议 测 试 的 系 统 方 案 ，采 用 高 速 数 字 集 成 电 路 系 统 ，设 计 出 一 种 以 ＦＰＧＡ芯片 为 核 心 同 时 集 ＣＰＬＤ 芯 片 、ＰＨＹ 芯 片 和 ８３１１桥 芯 片等 于一 体 的 ＩＰｖ６网络测试 卡 ，能够 满 足 ＩＰｖ６协议 对 吞 吐 量 、时 延 、丢包 率 等 参 数 指 标 的性 能 测试 需求 。
３期
许 战锋等 ：基 于 ＦＰＧＡ的 ＩＰｖ６网络测试 卡设计
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Ｘｕ Ｚｈａｎｆｅｎｇ，Ｃｈｅｎ Ｙａｎ，Ｑｉｎ Ｌｏｎｇ，Ｗａｎｇ Ｙｕｅｆｅｉ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏ ｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ ６５０５００，Ｃｈｉｎａ）
图 １ ＩＰｖ６网络 协 议 测 试 卡 结 构 框 图
，
ＩＰｖ６ 网 络 协 议 测 试 系 统 硬 件 采 用 “ＣＰＵ ＋ Ｐｏｒｔ与 ＦＰＧＡ之 问 的 ＭＡＣ接 口、Ｃｏｐｐｅｒ接 口和 ＳｅｒＤｅｓ
ＦＰＧＡ”架构的插卡式设计 。该测试板卡的运行环境 接口。每个 Ｐｏｒｔ都有一个 ＭＤＩＯ管理 口，用于软件配
基 于高性 能 ＣＰＵ模 块专 用机 箱 ，ＣＰＵ模 块 主 要用 来 置 ＰＨＹ芯片 的工作模式 、读 取 ＰＨＹ芯片 内部状态 。
做 系统级 配置 和管 理 以及各 种协 议 仿 真测试 ，ＦＰＧＡ
由于 ＭＡＣ和 ＰＨＹ 之 间的接 口多采用 源 同步 时
用 于完成 可达 线速 的网络包 流量 生成 和分 析 以及配 钟 ，需要 综合 运 用 如 ＦＰＧＡ 内部 的 ＰＬＬ时 钟 管 理 技 合 ＣＰＵ完成 协 议 仿 真 Ｊ。测 试 卡 与测 试 机 箱 之 间 术 以及 Ｉ／０端 口时延 单 元 来 进 行 微 调 。ＭＡＣ接 口
关键 词 ：ＩＰｖ６协议 栈 ；测试 卡 ；性 能指标 ；数据包 ；信 息流 ；丢包 率 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—２２７９．２０１６．０３．０２３ 中图分 类号 ：ＴＮ４ 文献 标识 码 ：Ｂ 文 章编 号 ：１００２—２２７９（２０１６）０３—００８５—０５
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｉ Ｐｖ６ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｔｅｓｔ Ｃａｒｄ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ
Ｐｔ Ｖ ＾ｌ０ ＰＩＲＩ（Ｄ０ １
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄｓ ｏｆ ［Ｐｖ６ ｎｅｔｗｏｒｋ ｐｒｏｄｕｃｔ ｔｅｓｔ， ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙ ａｎａｌｙｚｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ＩＰｖ６ ｎｅｔｗｏｒｋ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ￣ｓ ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ， ｄｅｌａｙ， ｐａｃｋｅｔ ｌｏｓｉｎｇ ｒａｔｅ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ，ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ＩＰｖ６ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｅｓｔ ｃａｒｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ，ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｃａｒｄ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｍ ａｉｎ ｃｏｍ ｐｏｎｅｎｔｓ， ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ， ｃｏｍ ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂｕｓ，ｔｈｅ ｃｏｏｐｅｒａｔｅｄ ｃａｓｅｓ ｆｏｒ ｔｅｓｔ， ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ， ｅｔｃ． Ｆｉｎａｌｌｙ，ＩＰｖ６ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｓｔａｃｋ ｔｅｓｔ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｆｏ ｒ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｃａｒｄ ａｎｄ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｉｔ ｍ ｅｅｔｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍ ｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ＩＰｖ６ ｔｅｓｔ ｏｆ ｎｅｔｗｏｒｋ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ ａｎｄ ｎｅｔｗｏｒｋ ｒｅａｃｈａｂｉｌｉｔｙ． Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｃａｒｄ ｉｓ ｉｎ ｌｉｎｅ ｗｉｔｈ ｎａｔｉｏｎａｌ ｔｅｓｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍ ｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｓｔａｎｄａｒｄｓ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｈｉｇｈ ｃｏｓｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｗｉｄｅｌｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ．
ＦＰＧＡ 内部 如 ＤＤＲ２ ＳＤＲＡＭ 接 口、ＭＡＣ接 口以
１００／１０（ＯＭ 传输 速 率 的 电 网 口 ，输 入 的 网络 数 据 包 及其 他协 议 处理模 块 等各 种功 能模 块直 接消 耗 逻辑
经过 ＰＨＹ芯片完成网络数据包的物理层处理 ，然后 资源。存储资源主要用于实现内部数据 ＦＩＦＯ、存储
作者简介 ：许战锋 （１９８６一），男 ，河南平顶 山人 ，硕士，主研 方向 ：嵌入式系统设计 。 通讯作者 ：陈焰 （１９６６～），男 ，高级工程师 ，主研方 向 ：嵌入 式系统设计 ，复杂工业过程 自动化控制 。 收 稿 日期 ：２０１５—０７—０７
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微 处 理 机
２ 测试 卡 系统设计
经 ＰＨＹ芯片的 ＭＡＣ层接 口 ＲＧＭＩＩ接入到 ＦＰＧＡ芯 包头与控制字信息等参数 ，消耗的逻辑资源数量取 片 中 。ＰＨＹ芯 片与 ＦＰＧＡ 之 间通 过 ＭＡＣ—ＭＡＣ直 决 于其 单位 时 间 内处 理 的 流 数 量 …ｊ。特 定 型 号 的
接互 连 Ｊ。ＦＰＧＡ 的 ＭＡＣ接 口收 到 网 络 数 据 包 后 ＦＰＧＡ需要 配置特定容量 的 ｆｌａｓｈ且其提供 的兼容第 三
测 试 卡 以 ＦＰＧＡ为核 心 芯 片 ，配合 ＣＰＬＤ芯 片 、 ＰＨＹ芯 片 、８３１ １桥 芯 片等构 成 高速数 字 电路 系统 并 使 用多 种接 口总线 协议 ，由 ＣＰＵ模 块 和 包括 路 由
器 、交 换机 设 备 和 ＩＰｖ６／ＩＰｖ４协 议 转 换 等 模 块 在 内 的集成 仪器 组成 。将 测试 卡插 入集 成 的测试 机 箱并 配合专 用 的 ＩＰｖ６协 议 测 试 软件 对 ＩＰｖ６协 议 栈 的吞 吐量 、时 延 、丢 包 率 等 性 能 参 数 进 行 测 试 引。 ＩＰｖ６ 网络测 试 卡的结 构框 图如 图 １所示 。
第 ３期 ２０１６年 ６月
微 处 理 机
Ｍ ＩＣＲＯＰＲＯＣＥＳＳＯＲＳ
Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．，２０１６
基 于 ＦＰＧＡ的 ＩＰｖ６网络测 试 卡设 计
许战锋 ，陈 焰 ，秦 龙 ，王跃 飞
（昆明理 工 大学信 息 工程 与 自动化 学 院 ，昆明 ６５０５００）
摘 要 ：为 了能够 满足 ＩＰｖ６网络产 品的测 试 需 求且 能够 定量 分析 ＩＰｖ６网络设备 的吞 吐量 、时 延 、丢包 率 等 性能参 数指 标 ，以高速 集成 电路 为介 质 ，设 计 并 实现 了一种 基 于 ＦＰＧＡ 的 ＩＰｖ６网络测 试 卡 。 阐述 了该 测试 卡 的结 构 、原理 ，包 括 主要元 器件 、接 口、通 信 总线 、与之 配合 测试使 用 的机 箱 、 测 试软 件 等 。最后 ，对该 测试 卡进 行 ＩＰｖ６协 议栈 的测 试验 证 、分析 表 明 ，该 测试 卡 可 满足 网络设 备 的 ＩＰｖ６测 试 ，性 能 优 良、网络 可 达 。经 过检 验 ，该 测 试 卡符 合 国家在 测试 领 域 的 要求 及标 准 ，性价 比较 同类更 高 ，因此具 有广 阔 的应用 前景 。
ＦＩＦＯ中 ，然 后提 取 包 头 、控 制 字 等 信 息 再 存 入 到 内 的时 钟 资 源 。ＦＰＧＡ 的 外 围 有 各 种 接 口，如 ＤＤＲ２
部 的 Ｂｌｏｃｋ ＲＡＭ 中 Ｊ。输 出 的数 据进 入 Ｌ２／Ｌ３层 ＳＤＲＡＭ 接 口、ＲＧＭＩＩ接 口、Ｌｏｃａｌ Ｂｕｓ接 口等 ，这些 外部
Ｋ ｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＩＰｖ６ ｎｅｔｗｏｒｋ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｓｔａｃｋ；Ｔｅｓｔ ｃａｒｄ；ＦＰＧＡ ｃｈｉｐ；Ｐａｃｋｅｔ；Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆ ｌｏｗ；Ｐａｃｋｅｔ ｌｏｓｉｎｇ ｒａｔｅ