基于FPGA的IPV6数字包的拆装实现

笔者在参加国家“863”重大专题项目“高速密码芯片及验证平台系统”的过程中，遇到了将IPV6数据包的包头和数据部分拆开，然后在数据部分送密码芯片进行加/解密处理，最后再将处理后的数据部分与包头重新封装为数据包的课题。以往对IP包进行拆装多利用软件实现，但本项目涉及到配合高速密码芯片（处理速度在2Gbit/s以上）工作的问题，显然利用软件实现IP包的拆装在速度上达不到要求。为此，笔者运用FPGA（型号为Xilinx公司的XC2VP20-FF86CGB0345）来实现IPV6数据包的拆装。该FPGA内部逻辑框图如图1所示。



其工作流程为：2.5GHz的标准IPV6数据包串行差分信号通过ROCKETIO高速通道后转换为16位125MHz并行信号，再经信号转换模块进一步转换为66位62.5MHz并行信号后进入FIFO1缓存，然后对其输出数据进行判断，若是报头则送入FIFO3缓存，若是数据部分则送入FIFO2缓存，最后将FIFO2数据送往密码芯片进行处理；经密码芯片处理的数据首先放入FIFO4进行缓存，然后控制FIFO3和FIFO4将一个数据包的头和数据写入FIFO5中，重新封装成一个完整的数据包；重新封装的IPV6数据包经过信号转换模块变为16位125MHz的并行信号，并通过ROCKETIO高速通道转换为2.5GHz高速串行差分信号送出。

可以看出，经过以上流程，实现了一个数据包的拆分和重新封装。

1 IPV6数据包的拆分

用FPGAP实现IPV6数据包的拆分，主要是通过控制几个FIFO的数据输入输出来实现的。FPGA内部的拆分单元电路的物理连接如图2所示，其中FIFO的作用是缓存IPV6数据包，FIFO2的作用是缓存IPV6数据包的数据部分，FIFO3的作用是缓存IPV6数据包的包头。   

图中的三个FIFO都是由Xilinx公司的开发工具ISE6.1自带的Core IP生成的。其中FIFO1和FIFO3是同步FIFO，工作时钟为频率62.5MHz，输入输出数据宽度都是66bit；FIFO2是异步FIFO，输入时钟频率为62.5MHz，输出时钟频率为50MHz（密码芯片的工作时钟频率为50MHz），输入输出数据宽度都是64bit。



FIFO1的输入数据为IPV6数据包。可以看出，该数据是以并行的66bit信号传输的，即每一时钟周期并行传送66bit数据，其中每个周期的高两位（即65位和64位）为数据包的头尾标志，这是IPV6路由器内部根据实际处理需要加上的，“10”表示一个完整数据包的第一周期，“11”表示数据包的中间内容，“01”表示一个完整数据包的最后一个周期。因为IPV6数据包的包头是固定长度的，为40字节（等于5×64bit），故数据的前五个周期为IPV6数据包的包头，包头后面跟的就是数据包的数据部分。

下面讨论IPV6数据包的包头和数据部分的拆分过程。

首先判断FIFO1输入端数据的头尾标志DATA（65"64）与FIFO1的满标志FULL1，如果DATA（65"64）=“10”且FULL1=“0”，即判断到一个完整数据包的开始且FIFO1未满，则使FIFO1的写使能WR_EN1有效，写入数据；如果DATA（65"64）=“01”，好判断到一个完整数据包结束时，则使WR_EN1无效，这样一个完整的数据包就缓存到了FIFO1时。

当判断到FIFO1的空标示EMPTY1=“0”，即FIFO1非空间，令FIFO1的读使能信号RD_EN1有效，将FIFO1中的数据读出，直到EMPTY1=“1”，即FIFO1空为止。对读出的数据设定一计数器COUNTER1进行计数，当DONT1不为0即FIFO1输出端有信号时开始计数。当0＜COUNTER1＜=5时，令FIFO3的写使能信号WR_EN3有效，将数据包的包头写FIFO3缓存；当COUNTER1＞5时，令WR_EN3无效，WR_EN2有效，将IPV6数据包的数据部分送FIFO2缓存，准备送密码芯片处理，直到头尾标志DOUT1（65"64）=“01”时，将COUNTER1清零，在判断到COUNTER1为0后，将WR_EN2置为无效。注意：FIFO1的输出端口是66位，FIFO2的输入端口是64位的，故在FIFO1向FIFO2写数据的过程中，应将FIFO1的输出端口信号DOUT（63"0）传送给FIFO2的输入端口DIN2（63"-）。当判断到FIFO2非空间，将其读使能信号RD_EN2置为有效，即可向密码芯片送出数据。            



2 IPV6数据包的重新封装

用FPGA实现IPV6数据包的重新封装，同时是通过控制几个FIFO的数据输入输出来实现的，FPGA同部的重新封装单元电路的物理连接如图3所示，其FIFO4的作用是缓存密码芯片送出的加解密处理后的数据；FIFO5的作用是缓存重新封装后的IPV6数据；FIFO3与拆分单元共用，作用是缓用IPV6数据包头。

图中的FIFO4和FIFO5也都是由Xilinx公司的开发工具ISE6.1自带的Core IP生成的，其中FIFO4是异步FIFO，输入时钟为50MHz，输出时钟为62.5MHz，输入输出数据宽度都是66bit；FIFO5是同步FIFO，工作时钟为62.5MHz，输入输出数据宽度都是66bit。

密码芯片对数据进行加/解密处理完毕之后，在送出处理数据前，首先向外部系统发送一64bit长的连接指令，指明处理数据所用的加解密算法和数据长度。例如，在对数据进行2DES加密处理的情况下，接收指令格式（16位制）如图4所示，其中高56位为指令编码，低8位为将要输出的处理数据的长度。



因此，在接收处理数据时，首先判断是否有接收指令，如果有接收搦令，则其接收指令中的数据长度放寄存器中进行寄存，并设定计数器COUNTER2开始计数。当0＜COUNTER2＜=数据长度时，则令FIFO4的写使能WR_EN4有效；当COUNTER2为其它值时，WR_EN4无效。当0＜COUNTER2＜数据长度时，将“11”写入DIN4（65"64），将64bit处理数据写入DIN4(63"0);当COUNTER2=数据长度时，即接收到最后一周期的处理数据时，将“01”写入DIN4（65"64），将64bit处理数据写入DIN4（63"0），并将COUNTER2清零。这样，密码芯片处理后的数据就按格式要求缓存到FIFO4中了。

这时，包头已经缓存到FIFO3中了，处理后的数据已经按格式要求缓存到FIFO4中了，最后要做的就是控制FIFO3和FIFO4，把一个完整的IPV6数据包写入FIFO5中。具体做法是：设定计数器COUNTER3，当FIFO3和FIFO4都非空时，COUNTER3开始计数。当COUNTER3＞0时，将FIFO5的写使能信号WR_EN5置为有效；当COUNTER3=0时，WR_EN5置为无效。当0＜COUNTER3＜6时，令FIFO3的读使能RD_EN3有效，FIFO3将输出数据DOUT3（65"0）写入FIFO5的输入端DIN5（65"0）；当COUNTER3＞l=6时，令RD_EN3无效，RD_EN4有效，将FIFO4的输出数据DOUT4（65"0）写入FIFO5的输入端DIN5（65"0），直到DOUT4（65"64）=“01”时，将COUNTER3清零，RD_EN4置为无效。这样，一个完整的IPV6数据包就重封装在FIFO5中了，当判断到FIFO5非空间，就可以令RD_EN5有效，向外输出处理后的完整的IPV6数据包了。



从上述讨论可以看出，本课题在FPGA中采用了五个FIFO，并设定了三个计数器控制这五个FIFO的输入输出来实现对IPV6数据包的拆分和重新封装。总的来看，整个FPGA设计思路巧妙，电路结构简单，达到了预期的处理速度。图5是整个测试系统在对1024字节的IPV6数据包进行拆包、送密码芯片加密。重装封装处理后测试仪控制软件界面上显示的收包数据统计。从该图可以看出，整个系统对IPV6数据包的处理速度达到了2.372Gbit/s，而这样的处理速度用软件是不可能达到的。