在網絡技術快速發展的今天，根據用戶特殊的需求，有時需要研發特殊的私有網絡協議，以使網絡的性能得到優化。研究新的網絡協議，必須進行仿真以驗證性能，但是網絡結構復雜，性能指標多樣，并且不同的協議需要的具體測試環境不同，因此很難用純軟件的方式(如NS2、OPNET)給出網絡協議運行性能的有效描述。另一方面，如果針對每一種網絡協議搭建專門的測試平臺，則需要大量的人力、經費和時間。而采用軟硬件相結合的方法搭建一種通用網絡協議實驗平臺，既能很好地測試出整個設計的性能，又能大幅度節約開發成本，縮短開發時間，是一種切實可行的方法。
　　為此，本文提出一種通用網絡協議實驗平臺的軟硬件設計方案，并詳細介紹該平臺的軟硬件設計方法。
1 系統設計的思路
　　該網絡實驗平臺設計的目的是:針對不同的私有網絡協議，開發者可以根據協議標準有針對性地修改網絡層" title="網絡層">網絡層和傳輸層的程序代碼，然后通過本系統測試其協議的性能。所以，該系統應該是一個與協議無關且可程控的數據傳輸通道" title="傳輸通道">傳輸通道。數據包經過該系統傳輸后，更多的工作由傳輸層、網絡層和上層應用程序完成。該系統的整體框架結構如圖1所示。

　　為了保證實驗平臺的通用性及可操作性，采用PC機和與PCI總線接口的網絡設備卡(以下簡稱PCI接口卡)組建該平臺。
　　近年來，Linux操作系統獲得了突飛猛進的發展，它強大的功能、良好的界面、高效率以及全開放的特性使其具有很強的吸引力。基于以上考慮，在PC機中采用Linux操作系統。按Linux操作系統的設計標準，私有網絡協議軟件需要包含傳輸層代碼、網絡層代碼以及與設備相關的驅動程序，并運行在系統“核心態”中。在本實驗平臺中，不需要用戶關心驅動程序的設計，但允許將網絡層和傳輸層代碼運行在Linux“用戶態”中。
　　PCI接口卡是基于PCI總線的，它通過合理選擇接口芯片屏蔽PCI總線協議的多余功能，并使用FPGA芯片把上層傳輸過來的數據包進行相應的處理(詳見第2節)，然后傳遞到物理層設備。
2 實驗平臺的硬件設計
2.1 PCI接口卡結構
　　PCI接口卡由PCI總線接口芯片、數據處理模塊FPGA、數據緩存模塊RAM和有線傳輸驅動模塊LVDS(Low Voltage Differential Signaling Driver)等四部分組成，模塊間的數據傳輸如圖2所示。

2.2 芯片的選擇
　　Winbond 公司以太網控制芯片 W89C840AF支持高達100Mbps的雙向數據傳輸，該芯片不但具有良好的PCI總線接口設計，而且還有一整套的網絡數據傳輸機制，技術成熟。所以在此選用W89C840AF，并借用該芯片的網絡數據傳輸機制，通過對芯片合理配置，實現一條從驅動程序到物理層設備的透明數據傳輸通道，來滿足設計要求。
　　FPGA芯片只要能夠提供足夠多的I/O口和內部硬件資源即可。RAM是為了滿足不同網絡協議以及算法對存儲器的需要而設置的，對于不同的私有網絡協議，根據實際需要選用適當容量的RAM即可，沒有很苛刻的要求。本系統中FPGA芯片選用ACEX1K50TC144，RAM芯片選用CY7C006AC_PLCC，主要考慮的是芯片的速率高、使用簡單并且價格低廉。
　　有線傳輸信號驅動模塊選用LVDS芯片對(ds90c401,ds90c402),該芯片對的優點是速率高(155Mbps串行數據傳輸)、傳輸距離遠、靈敏度高、功耗小。
2.3 PCI接口卡的功能
　　PCI總線接口芯片(W89C840AF)把從PCI總線上傳輸過來的數據封裝成“以太幀”的格式^[1]，傳遞給FPGA(RAM可以對傳輸的數據進行緩沖)，FPGA去掉前8byte的“以太幀頭”從而獲得數據包。然后根據不同網絡協議的數據包格式，在FPGA中靈活地設計相應的邏輯功能。如作者目前在研的衛星ATM網絡實驗系統，定義了一種私有的ATM協議，數據處理單元將完成以下任務：識別信元頭，按優先級對信元進行排隊、存儲、打包并轉發等。
　　FPGA要完成以上功能，其內部模塊需包括以下幾個模塊：“數據接口”、“控制接口”、“命令執行單元”、“實驗網物理層訪問控制單元”和“信道模擬單元”，如圖3所示。

　　FPGA把打包后的串行數據傳向LVDS，信號經過LVDS驅動后傳到接收方。
　　在接收方，數據的處理與此相反，不再贅述。
2.4　W89C840AF與FPGA之間的接口設計
　　在PCI接口卡電路板中，芯片之間的接口設計" title="的接口設計">的接口設計有三部分：FPGA與W89C840AF之間的接口；FPGA與RAM之間的接口；FPGA與LVDS之間的接口。后面兩個接口比較簡單，所以下面主要介紹FPGA與W89C840AF之間的接口設計。
　　W89C840AF與FPGA之間的數據接口如圖4所示。MTXCLK和MRXCLK分別是發送數據和接收數據的參考時鐘，必須設置為25MHz。MTXEN和MRXDV是數據幀傳輸的指示信號，MTXD[3:0]和MRXD[3:0]為4bit寬的數據傳輸接口。

　　W89C840AF芯片與FPGA之間除了傳輸數據外，還需要交換控制信息。由于W89C840AF芯片I/O接口有限，可以借用W89C840AF芯片的EECK、EEDI、EEDO三條控制線與FPGA交換控制信息。這里構建一個類似I²C串行總線協議的控制總線，其結構和工作時序如圖5所示。

3 實驗平臺的軟件設計
　　為了實現從處于“用戶態”的應用程序到處于“核心態”的驅動程序間的雙向數據傳輸通道，按照Linux操作系統的網絡相關代碼的劃分規則，實驗網絡結構中用戶層以下的代碼需要嵌入到Linux操作系統的核心代碼樹中，經過對內核的重新編譯，運行在Linux操作系統的“核心態”，這樣做比較復雜。鑒于以上原因，在本設計中采用了以下處理方法：考慮到“用戶態”內部所有軟件模塊的通信比較簡單，通過調用UDP/IP協議的socket，在下層利用UDP/IP數據包拆解/封裝程序，構造出一個如圖6所示的數據傳輸通道。在這里，把 “透明通道”定義為“過渡層”。
　　使用UDP/IP協議會涉及到Linux操作系統處理IP協議的相關內容，特別需要注意以下三個方面：(1)去掉系統中所有其它網絡硬件設備，關閉所有Linux操作系統的網絡服務，關閉Linux操作系統防火墻；(2)設置本設備的IP地址為192.168.0.1(實驗專用IP地址)，綁定實驗網絡設備為192.168.0.X子網網關，更改“/etc/network”文件設置系統為“可以轉發IP包”；(3)調用一個IP Socket發送數據，在特定端口上監聽數據包的到達。