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摘 要

随着传感网、物联网产业兴起与繁荣，交通、安防、电网、医疗、家居、工业、农业等领域已进入智能化、信息化时代。本文以实现光传感/通信综合网络国家地方联合工程研究中心提出的“综合传感网”中光传送层为目标，调研了近期光以太网的发展趋势以及软件定义网络、网络功能虚拟化、OpenFlow协议等新兴技术，设计了边缘节点结构并研究了基于以太网的数据交换/汇聚技术，开展了相关的仿真与实验工作。

论文首先充分调研了802.3ae 10G以太网协议以及以太网接口标准，讨论了协议中定义的PCS/PMA层、MAC层的结构和功能以及CSMA/CD机制。基于VC709评估套件和Vivado集成开发环境，给出了Vivado集成开发环境的流水灯实例。接着，分析了PCS/PMA模块和MAC模块的接口，基于Example Design模块设计并实现了两IP核的连接，实现了以太网1000BASE-FX接口的数据回环，并对实验结果进行了分析。最后，给出了边缘节点功能，设计了基于以太网的数据端口汇聚实验，分析了有无优先级汇聚逻辑的实验结果，并对该结构下以太网报文时延特性进行了建模分析。实验验证了汇聚逻辑设计。

关键词：光网络，综合传感网（ISN），以太网，光数据流汇聚，FPGA

EDGENODEDATASWITCHING/AGGREGATIONTECHNOLOGYIN OPTICALTRANSPORTLAYERofINTEGRATED SENSINGNETWORK

Abstract

With the development of sensing network and the Internet of things, the intelligentization and informationization of transportation, security, power, health, home, industry and agriculture are coming true. The thesis is based on the realization of optical transport layer in Integrated Sensing Network, proposed by the National Research Center for Optical Sensing/Communication Integrated Networking. Recent trends and emerging technologies of the optical Ethernet are investigated, such as Software-Defined Network (SDN), Network Functions Virtualization (NFV) and OpenFlow. The architecture ofthe edge node is designed and the switching/aggregation functions based on the Ethernet areinvestigated.

Firstly, the IEEE 802.3ae standard and the interface of the Ethernet are summarized and the functions of the PCS/PMA and MAC layer are discussed. The VC709 Evaluation Board and the development environment-Vivado designed suit are also introduced, using which the Flow Lighting Experiment is carried out. The code of the interface in the PCS/PMA and MAC module is analyzed. The two modules are connected based on their Example Design, realizing the data loopback with Ethernet 1000BASE-FX interface. Lastly, the functions of the edge node are described. Data convergence experiment based on the Ethernet ports is designed. Then, the principles and the advantages/shortcomings of the convergence logic with/without priority are analyzed. And the latency of Ethernet packets under the proposed structure is discussed. The convergence logic is verified by the experiment based on FPGA board.

KEY WORDS: Optical Network, Integrated Sensing Networking (ISN), Ethernet, Optical Flow Aggregation, FPGA

目录

摘要 I

第1章 绪论 5

1.1 综合传感网 5

1.1.1 背景与意义 5

1.1.2 综合传感网架构 6

1.1.3 综合传感网传送层 7

1.2 光以太网技术研究进展 9

1.2.1 软件定义网络 9

1.2.2 网络功能虚拟化 11

1.2.3 OpenFlow协议 12

1.2.4 主要应用 13

1.3 本文工作意义、目的与安排 14

1.3.1 本文工作意义与目的 14

1.3.2 本文工作安排 14

第2章 以太网协议及数据处理工具 15

2.1 IEEE 802.3ae协议^[3] 15

2.1.1 802.3ae协议 15

2.1.2 10G以太网和OSI参考模型的关系 16

2.1.3 10G以太网的一些子层 17

2.2 Ethernet接口 18

2.2.1 PCS/PMA层 18

2.2.2 MAC层 19

2.3 FPGA集成开发环境 19

2.3.1 硬件描述语言及模块化开发方法 19

2.3.2 FPGA烧写流程 20

2.3.3 硬件IP核使用方法 22

2.4 小结 23

第3章 ETHERNET 1000BASE-FX接口实现 24

3.1 PCS/PMA模块接口及分析^[4] 24

3.1.1 介绍 24

3.1.2 模块分析 25

3.2 MAC模块接口及分析^[5] 26

3.2.1 介绍 26

3.2.2 模块分析 26

3.3 1000BASE-FX接口环回实验 27

3.4 小结 30

第4章 光以太网节点及数据汇聚研究 31

4.1 光以太网节点结构设计 31

4.1.1 边缘节点框图 31

4.1.2 边缘节点功能 32

4.1.3 节点数据汇聚设计 33

4.1.4 节点数据汇聚时延分析 33

4.2 节点数据汇聚分析 35

4.2.1 有优先级汇聚 35

4.2.2 无优先级汇聚 36

4.3 3端口以太网节点数据汇聚实验 37

4.3.1 实验配置 37

4.3.2 实验结果与分析 37

4.4 小结 39

第5章 总结 41

参考文献 42

致谢 43

绪论

随着传感网规模和复杂性的不断增长，需要构建全新、可在传感网区域内支持相应服务和应用的可靠可行网络体系。在物联网以及新一代网络的基础上，东南大学光传感/通信综合网络国家地方联合工程研究中心提出了综合传感网（ISN）的概念，将ISN分为感知、传送、业务、应用四个层次。其中，传送层是ISN中执行感知数据汇聚、交换、传送功能的重要部分。

ISN的传送层，相当于网络7层协议中的逻辑链路层，以前多采用通过本层内硬件的控制面对数据面进行控制，实现相应的用户服务。但对于虚拟网络，使用这种方法来管理如此复杂和易变的环境将会更加的耗时和耗资。为了简化管理大型的虚拟网络的任务，需要创建一个更加动态的、灵活的、网络结构，由此提出了软件定义网络。软件定义网络作为新的网络结构，主张将网络的控制面与数据面分离，实现对网络的集中管理，使网络能提供更强的服务配置。网络功能虚拟化则与软件定义网络相辅相成，加强了软件定义网络，而OpenFlow协议则作为软件定义网络的协议，规范了软件定义网络。通过借鉴这些，认知光网络等光网络研究前沿，综合利用较为成熟的计算机网络技术，设计与物联网各项业务流量特征匹配的具有QoS分级保证的物联网高性能网络。

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