基于RJ017的远程网桥的设计与实现

引言

网桥工作在数据链路层，它控制数据流向，处理传送错误，提供物理寻址和管理对物理介质的访问；分析输入帧，根据帧中包含的信息做出转发决定，将这些帧转发到目的地；使局域网各网段成为隔离开的冲突域，从而减轻扩展的局域网上的负荷；扩大物理范围，增加整个局域网上工作站的数目；互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率的局域网；在网络出现故障时，一般只影响个别网段，从而提高了可靠性。
网桥有本地和远程网桥。本地网桥为处于一地的局域网网段间提供直接连接；远程网桥则通过电信网连接不同区域的局域网。图1显示这两种不同网桥的构造。
远程网桥对网络互连提出了几个难题。其中一个是局域网(LAN)与广域网(WAN)之间数据速率的差别。虽然几种高速WAN出现在地理上分散的网络中，LAN速率仍然比WAN速率要高很多倍。LAN和WAN速率之间的巨大的差异阻止用户在WAN上运行对于延时敏感的LAN程序。本文所设计的远程网桥虽不能提高WAN速率，但它可以通过一个适当的缓冲器(DRAM)来弥补两者之间的速率差异。如果一个能够处理10Mbps发送速率的局域网设备想通过一个2Mbps广域网与另一个远程局域网设备通信，本地网桥必须调整10M的数据流以致它不会淹没2M的广域网。这需要通过网桥设备上的缓冲器来存储进入的高速数据，然后在广域网上以它能适应的速率发送。这个缓冲器要能够接收触发数据而不使其溢出。

图1 本地网桥和远程网桥结构

RJ017芯片介绍
以色列的RAD公司生产的RJ017(ChipBridge)是一种用其单一芯片就能完成远程网桥功能、且与IEEE802.3协议相兼容的高性能特定用途集成电路芯片。
该芯片结构框图如图2所示，由局域网控制部分、同步/异步广域网控制部分、DRAM接口、内部时钟产生器及复位信号组成。在片上有UTP、AUI(连接单元接口)等多种LAN接口,从而可以工作在多种LAN方式，可输出NRZ解码信号，易于与其它以太网芯片相连；广域网工作在同步方式时速率可达40Mbps，应用片内的波特率发生器，异步方式数据传输速率可达115.2Kbps；局域网表可自动学习和更新，并可存储10，000个地址；DRAM缓存容量可存储256帧，其中从WAN到LAN方向可缓存48帧，LAN到WAN方向可缓存208帧；采用100针的PQFP封装。
广域网子系统包含一个同步/异步HDLC控制器，使得在同步方式下可工作到40MBPs，在异步方式下可工作到115.2KBPs接口。在异步工作方式下，可以使用外部时钟源或者是通过设置内部波特率产生器产生9.6KBPs到115.2KBPs的标准时钟频率。
RJ017除需一个256K×16的DRAM、40M晶振外，可独自工作而不需要依赖主机，而DRAM可以直接与RJ017相连。由上可知，RJ017是一个综合LAN和WAN子系统，可以实现在单一芯片完成完整远程以太网网桥的高性能ASIC。

图2 RJ017结构框图

图3 系统结构框图

图4 LAN接口电路设计

G703接口远程网桥设计
系统结构及工作原理
系统从本地局域网处接收发送局域网数据，在E1接口处接收发送广域网数据。通过ChipBridge来完成不同格式、速率、协议数据的转化，其中使用DRAM来缓存不同速率的数据，然后转发到另一方。40MHz晶振是RJ017正常工作所必须的频率。RJ017的WAN侧处理码型为NRZ码， E1数据为码型， E1接口模块则完成NRZ码与码的互换，局域网侧的数据为曼彻斯特编码。其框图如图3所示，虚框部分为本系统所需完成部分。
RJ017芯片设置
应用中局域网工作方式的设置为：LMODE[0..4]　　10000；即将其设为UTP工作模式。广域网工作方式设置为同步方式，即WMODE置为低电平。管脚FLTDIS置为低电平，即使网桥仅存储转发那些目标地址不是本局域网的帧。
UTP模式LAN接口设计
ChipBridge的局域网侧的电路连接如图4所示。本部分主要完成RJ45头与ChipBridge处的电平转换、形成ChipBridge所需的差分信号、预加重信号与参考电压等。

图5 WAN接口模块框图　

WAN接口电路设计
对于本系统而言，由于E1信号采用双极性HDB3码，RJ017无法直接对其进行处理。因此，发送方必须先进行码型转换，将双极性HDB2码转换为单极性NRZ码之后才能送到RJ017；同理，发送方RJ017的输出为单极性NRZ码，不适宜线路传输，所以必须将其编码为适合传输的双极性HDB3码。
系统采用Intersil公司生产的CD22103 HDB3码编译码器作为码型转换的核心芯片。CD22103内部包含NRZ- HDB3编码、解码单元、误码检测、告警电路、以及工作、自环选择开关等，它满足ITU_T G.703建议，且输入输出电平与TTL电平兼容。
码型转换模块的原理图如图5所示。它包括输入线路接口、输出线路接口、解码时钟提取和编译码器四部分。其中，输入线路接口完成阻抗匹配和双极性向单极性的转换。输出线路接口完成阻抗匹配和单极性向双极性的转换。而解码时钟提取电路则通过锁相环提取E1信号的位时钟，并将其作为CD22103的解码时钟。位时钟提取电路采用DPLL技术，以74HC/HCT297为核心芯片。片外VCO的中心频率为32.768MHz。
对于码型转换模块而言，作为发送方时，来自外部的E1信号(双极性HDB3码)通过输入接口形成两路单极性HDB3码，CD22103对这两路信号进行或运算，由CP3引脚输出信号。其中，时钟提取电路从CP3中恢复出位时钟信息，作为CD22103的解码钟。CD22103在这个时钟的作用下完成解码，并由NRZo引脚输出到RJ017进行处理；作为接收方时，由RJ017产生编码所需的数据和时钟，编码器对其进行编码，输出两路单极性HDB3码并送到输出接口，最后形成双极性HDB3码送到线路。　

结语
本文讨论了一个基于RJ017的E1接口远程网桥的设计实现，并对系统的各个模块和该网桥的工作原理作了简要描述。本系统已通过测试，经过在与一端局的数据连接传输的检验中，该G.703接口的远程网桥具有较好网络速率，可以实时的传送音频、视频数据，具有很好的实际运用价值。E1数字信号(2.048Mbps)广泛应用于长距离干线的数据或语音传输业务，而具有G.703接口的远程网桥实现对于偏远地区计算机的互联网接入提供了一种实用的解决方案。

参考文献
1 RAD　Corporation　RJ017.pdf　2000
2 Stallings,W., Local and Metropolitan Area Networks,5th Ed,Macmillan,1997
3 《锁相技术》　张厥盛　西安电子科技大学出版社　2000
4 《计算机网络》(第三版) 谢希仁 大连理工大学出版社 2000