FPGA技术在网络互联领域的应用
网络互联综述
网络互联就是把分布在不同地理区域的计算机与专门的外部设备用通信线路互联成一个规模大、功能强的网络系统，从而使众多的计算机可以方便地互相传递信息，共享硬件、软件、数据信息等资源。通俗来说，网络就是通过电缆、电话线、或无线通讯等互联的计算机的集合。目前，网络互联技术已成为信息社会的必需技术，人们可以通过网络通信、娱乐以及办公，有效地提高了生活效率和质量。
从另外一个角度讲，由于网络的应用背景的不同，必然导致网络和相关互联技术的多样性。目前，最常见的网络有计算机网络、电信网络以及广播电视网络三大类，三者都经过长时间的发展，形成了各自完整的技术体系。新千年后，为了将网络互联推向极致，形成全方位的、统一的互联网络，各国学者和研究机构都提出了三网融合的概念。所谓三网融合，指电信网、广播电视网、计算机网高层次业务应用的融合，表现为技术上趋向一致，网络层上可以实现互联互通，业务层上互相渗透和交叉，应用层上使用统一的通信协议，有利于网络资源实现最大程度的共享。
目前的电信网以ATM技术为主，计算机网络以IP技术为主，广播电视网主要利用卫星技术，因此下面对ATM技术和IP技术进行一个简单的讨论。
ATM的概念起源于1983年美国贝尔研究所Joh Tumer提出的快速分组交换(FPS)和1984年法国电信CENT提出的异步时分交换(ATD)思想。1990年国际电信联盟正式建议将ATM作为宽带综合业务数字网(B-ISDN)的基础技术和技术体制，全面开始ATM标准、基础理论和实际技术的研究。ATM将信息划分为48个字节定长信元和5个字节控制信息的信元头，它继承了分组交换的统计复用技术，用户若无信息发送，可不占用时隙，该时隙可让别的用户使用，从而提高了信道利用率。并全部用硬件处理信息，简化了传统分组交换协议的层次，网络节点不需要执行复杂的差错控制和流量控制等功能，处理时延大大降低，因而交换机速率可以达到很高(155.25Mb/s、622.08Mb/s、2.448Gb/s……)，ATM具有分组交换和电路交换的优点： (1)传输速率可以灵活改变，既可以传送交换速度低至1kb/s的遥测信号，又能支持变速业务；(2)交换时延低，既支持非实时性业务，又支持实时性业务，同时提供数据、话音、图像、电视和多媒体等业务，实现各种业务的综合应用； (3)信道利用率高，采用统一的统计时分技术，实现信元的复用和交换。
IP技术最初只用于少量计算机组成的网络互连，它不同于电信网络的设计思想，电信网络力图由网络自身提供所有业务，用户终端尽可能是廉价、易用的设备。而IP协议信奉的是“端到端”思想，并认为网络所需提供的只是端到端的连接，所有增值功能都在网络之外由终端完成。IP是Internet的网络层协议和重要的技术基础，因此，人们说到IP往往就意味着Internet，就意味着无连接通信方式和无连接通信技术。Internet是一个路由器加专线的存储转发型网络，而IP协议实质上是一种不需要预先建立连接，而直接依赖于IP分组头信息决定分组转发路径的数据协议，IP协议具有其他通信协议所没有的突出优点：(1)IP为一种网络互连协议，容易实现异种网络互连；(2)IP协议采用无连接技术，特别适合于电子邮件、信息检索等非实时的短报文通信；(3)具有统一的寻址体系，网络可扩展性强；(4)IP协议采用独立服务的模块化结构，可以支持多种不同应用，容易增加新业务。
ATM与IP各自的技术特点也反映出电信界和计算机界各自的特点，电信在过去的一个世纪内逐步发展，并几乎一直受到政府规范的制约，电信产品和服务要求高可靠性和终端设备之间的互操作性。而计算机行业的产品以更新快而闻名，并要求低成本，但可容忍一定程度的不可靠。虽然，ATM 面临IP的诸多挑战，但目前ATM仍然是城域网的主要选择，原因主要是在可扩展性、可维护性、QoS、容错性、流量控制等方面，ATM优势很多，近来普遍看好的解决方案是使ATM与IP相结合技术而应用于广域网，使用ATM技术来承载IP，这种方法可以综合利用二者的长处。IP与ATM技术相结合的难点在于二者不同的连接技术、寻址方式和相应的选路功能、选路规程和地址结构等。目前，IP与ATM相结合的技术有：ATM Forum定义的LANE、IETF定义的CIPOA、ATM Forum定义的MPOA，尤其是IETF考虑制定的多协议标记交换(Multi-Protocol Label Switching，MPLS)，它提出了一种将第三层数据流(如IP)映射到第二层(如ATM和帧中继这样的交换式网络)的方法。
在我国，2008年初，国务院办公厅发布国办2008年1号文件，强调要推进三网融合。要求有关部门加强宽带通信网、数字电视网和下一代互联网等信息网络资源的统筹规划和管理，促进网络和信息资源共享。在确保广播电视安全传输的前提下，建立和完善适应三网融合发展要求的运营服务机制。然而，三网融合的命题在2008年里终究没有能够取得实质突破，被人们寄予厚望的大部制改革，没有在推进三网融合方面带来多少变化。电信网与广电网主管部门的分立使得通过政府机构改革推进三网融合的期望变为了泡影。在全球的其他国家，上述现象也依然存在，因此网络互联技术仍然在三大领域独立发展，虽然从技术上有着融合的条件，并且新技术仍围绕着融合的方向发展，但目前由于融合的成本以及其他诸多方面的因素，现实距离三网合一的目标还有一定距离。
Xilinx公司的网络互联开发资源
Xilinx公司提供了丰富的网络互联开发资源，可完成不同领域各类网络应用的开发。
1．以太网类开发资源
以太网是公认的网络和系统对系统协议，它具有很高的灵活性、可靠性和性能。Xilinx 以太网解决方案涵盖低成本 10/100 以太网应用和多端口千兆位级以太网应用。Virtex-5 FPGA 采用 65nm 工艺制造而成，整合了4个三态以太网 MAC 硬模块，支持各种 PHY 接口，从采用 SelectIO技术的 MII 和到采用 GTP 收发器的 SGMII。内嵌的硬三态 MAC可有效减少设计和验证工作 ，并且为每个以太网 MAC 释放了大约 1800 个逻辑单元。此外，Xilinx还提供了两类嵌入式处理器选项在 Xilinx FPGA 内实现以太网解决方案：MicroBlaze 软处理器和集成式 PowerPC 处理器。EMAC Lite 是采用 MicroBlaze 软处理器的设计的推荐以太网 IP。EMAC Lite 是内置式三态 MAC 和软 IP 处理器之间的轻量级接口。Platform Studio 利用 EMAC Lite 轻松实现了 MAC 和 MicroBlaze 处理器的集成。功能强大的高性能处理器本地总线（PLB）接口有助于您发挥硬处理器的最大功能，并轻松连接集成式 PowerPC 处理器和三态 MAC。Platform Studio 可以轻松实现 IP 集成。
此外Xilinx还支持工业以太网。所谓工业以太网，是指其在技术上与商用以太网(IEEE802.3标准)兼容，但材质的选用、产品的强度和适用性方面应能满足工业现场的需要。工业以太网技术的优点表现在：以太网技术应用广泛，为所有的编程语言所支持；软硬件资源丰富；易于与Internet连接，实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接；可持续发展的空间大等等。Xilinx以知识产权(IP)核形式提供可扩展的EtherCAT从控制功能。EtherCAT是一个创新型高性能工业以太网方案，获得了全世界众多厂商和用户群的支持。Xilinx Spartan 系列的EtherCAT IP核让设备供应商可以按照要求扩展EtherCAT功能，并在同样的芯片中添加自己的功能，从而降低硬件成本，将帮助客户实现降低现场总线成本的目标，同时突破性能和拓扑障碍。
2．ATM和光网络
通过不断提高密度、特性和性能，网络和电信系统中的 Xilinx FPGA 的任务已经从在不同的ASSP、ASIC、存储器和处理器之间架起逻辑桥梁，延伸到满足更大范围的关键性能和应用的需要，包括包处理、网络时序、接口/MAC、成帧器/映射器、ATM 单元处理、Xilinx 嵌入式处理系统的通信以及安全解决方案。此外赛灵思联盟计划合作伙伴Avalon Microelectronics公司为40Gbps 应用提供的IP产品可为有线网络设计人员的40G系统设计提供更多基于Virtex-5 LXT FPGA的解决方案。这些40Gbps 应用IP产品包括符合SxI-5的SFI-5 物理层内核、40G SONET-768/SDH-256内核（支持POS）以及43G OTU-3（支持 G.709 FEC 或其它增强FEC）。
3．车载网络
目前的车载系统需要具备上百个专用的点对点连接，以满足开关、传感器、电机和控制器处理无数潜在的通信需求。Xilinx 与工业协会合作提供车载网络或多路技术，此技术可以通过一个串行数据总线在分布的电子模块间时进行传输，从而无需使用专用、庞大、昂贵而且复杂的点对点连线。通过将一个单独线缆上的多个信号进行时分复用，采用一系列数据总线来减少线缆数量。将信息发送到控制每项功能的独立控制模块，如防抱死制动、方向灯和仪表盘显示器。目前，Xilinx提供了多种车载网络，包括MOST、CAN以及FlexRay。
本专题安排
由于网络互联的相关内容种类繁多，本专题按照通俗习惯进行内容安排，分为以太网、ATM、光传送网络以及汽车网络这4个专题，没有将无线网络纳入其中。虽然，ATM和光传送网络的关系非常密切，但我们认为ATM和IP网络是两类典型的对比网络技术，因此将ATM和光传送网络分别介绍。其中，汽车网络属于一个新兴应用，并且在近年获得了非常迅猛的发展，因此本专题对其进行专门介绍。
网络互联就是把分布在不同地理区域的计算机与专门的外部设备用通信线路互联成一个规模大、功能强的网络系统，从而使众多的计算机可以方便地互相传递信息，共享硬件、软件、数据信息等资源。通俗来说，网络就是通过电缆、电话线、或无线通讯等互联的计算机的集合。目前，网络互联技术已成为信息社会的必需技术，人们可以通过网络通信、娱乐以及办公，有效地提高了生活效率和质量。
从另外一个角度讲，由于网络的应用背景的不同，必然导致网络和相关互联技术的多样性。目前，最常见的网络有计算机网络、电信网络以及广播电视网络三大类，三者都经过长时间的发展，形成了各自完整的技术体系。新千年后，为了将网络互联推向极致，形成全方位的、统一的互联网络，各国学者和研究机构都提出了三网融合的概念。所谓三网融合，指电信网、广播电视网、计算机网高层次业务应用的融合，表现为技术上趋向一致，网络层上可以实现互联互通，业务层上互相渗透和交叉，应用层上使用统一的通信协议，有利于网络资源实现最大程度的共享。
目前的电信网以ATM技术为主，计算机网络以IP技术为主，广播电视网主要利用卫星技术，因此下面对ATM技术和IP技术进行一个简单的讨论。
ATM的概念起源于1983年美国贝尔研究所Joh Tumer提出的快速分组交换(FPS)和1984年法国电信CENT提出的异步时分交换(ATD)思想。1990年国际电信联盟正式建议将ATM作为宽带综合业务数字网(B-ISDN)的基础技术和技术体制，全面开始ATM标准、基础理论和实际技术的研究。ATM将信息划分为48个字节定长信元和5个字节控制信息的信元头，它继承了分组交换的统计复用技术，用户若无信息发送，可不占用时隙，该时隙可让别的用户使用，从而提高了信道利用率。并全部用硬件处理信息，简化了传统分组交换协议的层次，网络节点不需要执行复杂的差错控制和流量控制等功能，处理时延大大降低，因而交换机速率可以达到很高(155.25Mb/s、622.08Mb/s、2.448Gb/s……)，ATM具有分组交换和电路交换的优点： (1)传输速率可以灵活改变，既可以传送交换速度低至1kb/s的遥测信号，又能支持变速业务；(2)交换时延低，既支持非实时性业务，又支持实时性业务，同时提供数据、话音、图像、电视和多媒体等业务，实现各种业务的综合应用； (3)信道利用率高，采用统一的统计时分技术，实现信元的复用和交换。
IP技术最初只用于少量计算机组成的网络互连，它不同于电信网络的设计思想，电信网络力图由网络自身提供所有业务，用户终端尽可能是廉价、易用的设备。而IP协议信奉的是“端到端”思想，并认为网络所需提供的只是端到端的连接，所有增值功能都在网络之外由终端完成。IP是Internet的网络层协议和重要的技术基础，因此，人们说到IP往往就意味着Internet，就意味着无连接通信方式和无连接通信技术。Internet是一个路由器加专线的存储转发型网络，而IP协议实质上是一种不需要预先建立连接，而直接依赖于IP分组头信息决定分组转发路径的数据协议，IP协议具有其他通信协议所没有的突出优点：(1)IP为一种网络互连协议，容易实现异种网络互连；(2)IP协议采用无连接技术，特别适合于电子邮件、信息检索等非实时的短报文通信；(3)具有统一的寻址体系，网络可扩展性强；(4)IP协议采用独立服务的模块化结构，可以支持多种不同应用，容易增加新业务。
ATM与IP各自的技术特点也反映出电信界和计算机界各自的特点，电信在过去的一个世纪内逐步发展，并几乎一直受到政府规范的制约，电信产品和服务要求高可靠性和终端设备之间的互操作性。而计算机行业的产品以更新快而闻名，并要求低成本，但可容忍一定程度的不可靠。虽然，ATM 面临IP的诸多挑战，但目前ATM仍然是城域网的主要选择，原因主要是在可扩展性、可维护性、QoS、容错性、流量控制等方面，ATM优势很多，近来普遍看好的解决方案是使ATM与IP相结合技术而应用于广域网，使用ATM技术来承载IP，这种方法可以综合利用二者的长处。IP与ATM技术相结合的难点在于二者不同的连接技术、寻址方式和相应的选路功能、选路规程和地址结构等。目前，IP与ATM相结合的技术有：ATM Forum定义的LANE、IETF定义的CIPOA、ATM Forum定义的MPOA，尤其是IETF考虑制定的多协议标记交换(Multi-Protocol Label Switching，MPLS)，它提出了一种将第三层数据流(如IP)映射到第二层(如ATM和帧中继这样的交换式网络)的方法。
在我国，2008年初，国务院办公厅发布国办2008年1号文件，强调要推进三网融合。要求有关部门加强宽带通信网、数字电视网和下一代互联网等信息网络资源的统筹规划和管理，促进网络和信息资源共享。在确保广播电视安全传输的前提下，建立和完善适应三网融合发展要求的运营服务机制。然而，三网融合的命题在2008年里终究没有能够取得实质突破，被人们寄予厚望的大部制改革，没有在推进三网融合方面带来多少变化。电信网与广电网主管部门的分立使得通过政府机构改革推进三网融合的期望变为了泡影。在全球的其他国家，上述现象也依然存在，因此网络互联技术仍然在三大领域独立发展，虽然从技术上有着融合的条件，并且新技术仍围绕着融合的方向发展，但目前由于融合的成本以及其他诸多方面的因素，现实距离三网合一的目标还有一定距离。
Xilinx公司的网络互联开发资源
Xilinx公司提供了丰富的网络互联开发资源，可完成不同领域各类网络应用的开发。
1．以太网类开发资源
以太网是公认的网络和系统对系统协议，它具有很高的灵活性、可靠性和性能。Xilinx 以太网解决方案涵盖低成本 10/100 以太网应用和多端口千兆位级以太网应用。Virtex-5 FPGA 采用 65nm 工艺制造而成，整合了4个三态以太网 MAC 硬模块，支持各种 PHY 接口，从采用 SelectIO技术的 MII 和到采用 GTP 收发器的 SGMII。内嵌的硬三态 MAC可有效减少设计和验证工作 ，并且为每个以太网 MAC 释放了大约 1800 个逻辑单元。此外，Xilinx还提供了两类嵌入式处理器选项在 Xilinx FPGA 内实现以太网解决方案：MicroBlaze 软处理器和集成式 PowerPC 处理器。EMAC Lite 是采用 MicroBlaze 软处理器的设计的推荐以太网 IP。EMAC Lite 是内置式三态 MAC 和软 IP 处理器之间的轻量级接口。Platform Studio 利用 EMAC Lite 轻松实现了 MAC 和 MicroBlaze 处理器的集成。功能强大的高性能处理器本地总线（PLB）接口有助于您发挥硬处理器的最大功能，并轻松连接集成式 PowerPC 处理器和三态 MAC。Platform Studio 可以轻松实现 IP 集成。
此外Xilinx还支持工业以太网。所谓工业以太网，是指其在技术上与商用以太网(IEEE802.3标准)兼容，但材质的选用、产品的强度和适用性方面应能满足工业现场的需要。工业以太网技术的优点表现在：以太网技术应用广泛，为所有的编程语言所支持；软硬件资源丰富；易于与Internet连接，实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接；可持续发展的空间大等等。Xilinx以知识产权(IP)核形式提供可扩展的EtherCAT从控制功能。EtherCAT是一个创新型高性能工业以太网方案，获得了全世界众多厂商和用户群的支持。Xilinx Spartan 系列的EtherCAT IP核让设备供应商可以按照要求扩展EtherCAT功能，并在同样的芯片中添加自己的功能，从而降低硬件成本，将帮助客户实现降低现场总线成本的目标，同时突破性能和拓扑障碍。
2．ATM和光网络
通过不断提高密度、特性和性能，网络和电信系统中的 Xilinx FPGA 的任务已经从在不同的ASSP、ASIC、存储器和处理器之间架起逻辑桥梁，延伸到满足更大范围的关键性能和应用的需要，包括包处理、网络时序、接口/MAC、成帧器/映射器、ATM 单元处理、Xilinx 嵌入式处理系统的通信以及安全解决方案。此外赛灵思联盟计划合作伙伴Avalon Microelectronics公司为40Gbps 应用提供的IP产品可为有线网络设计人员的40G系统设计提供更多基于Virtex-5 LXT FPGA的解决方案。这些40Gbps 应用IP产品包括符合SxI-5的SFI-5 物理层内核、40G SONET-768/SDH-256内核（支持POS）以及43G OTU-3（支持 G.709 FEC 或其它增强FEC）。
3．车载网络
目前的车载系统需要具备上百个专用的点对点连接，以满足开关、传感器、电机和控制器处理无数潜在的通信需求。Xilinx 与工业协会合作提供车载网络或多路技术，此技术可以通过一个串行数据总线在分布的电子模块间时进行传输，从而无需使用专用、庞大、昂贵而且复杂的点对点连线。通过将一个单独线缆上的多个信号进行时分复用，采用一系列数据总线来减少线缆数量。将信息发送到控制每项功能的独立控制模块，如防抱死制动、方向灯和仪表盘显示器。目前，Xilinx提供了多种车载网络，包括MOST、CAN以及FlexRay。
本专题安排
由于网络互联的相关内容种类繁多，本专题按照通俗习惯进行内容安排，分为以太网、ATM、光传送网络以及汽车网络这4个专题，没有将无线网络纳入其中。虽然，ATM和光传送网络的关系非常密切，但我们认为ATM和IP网络是两类典型的对比网络技术，因此将ATM和光传送网络分别介绍。其中，汽车网络属于一个新兴应用，并且在近年获得了非常迅猛的发展，因此本专题对其进行专门介绍。
文章出处：与非网
