Ethernet Switch IP-core for Wireless Backhaul Systems

Shevchenko A.A., Maslennikov R.O., Makhlyshev M. (RadioGigabit LLC), Kobyakov R.S. (RadioGigabit LLC, Lobachevsky State University of Nizhni Novgorod)
Abstract - This article presents design a 3-port Ethernet switch IP-core for a point-to-point wireless backhaul system. The IP-core is dedicated for implementation of in-band management via switching of Ethernet frames between the external Ethernet interface, the data interface of the radio modem and the net-work interface of the CPU. The switch supports 10/100/1000 Mbps data rates and routes Layer-2 frames based on their Ethernet MAC addresses, virtual network identifiers (IEEE 802.1Q VLAN ID) and logical interconnections between Ether-net MAC interfaces (port-based VLANs). The switch architec-ture and FPGA hardware implementation features are present-ed. The switch architecture is optimized for specific requirements of the in-band management application and characteristics of the transmitted traffic. The following main requirements are taken into account: • Switching of the Ethernet frames between three ports based on MAC addresses [3]. • The major part of traffic is transmitted between the Ethernet interface and the radio modem. Therefore, frame commutation is based on a hybrid scheme that combines a “cut-through” approach for most frames and full buffer-ing in the cases of a flooding or a target output port occu-pation by another transmission. • The maximum input data rate for each port is 1 Gbps with independent support on different ports of 10 and 100 Mbps. • The receiver of the radio modem includes a buffer for in-put data therefore the size of ingress port buffers can be decreased up to several maximum frame lengths. • Ethernet Flow Control standard [4] is supported for loss-less data transmission in case of exceeding the egresses port maximum bandwidth that protects input buffers against an overflow and received frames damaging. • The network switch topology can include different virtual LANs and frames are routed between ingress and egress ports via VLAN header information according to IEEE 802.1Q specification [5] and software-defined rules for each port and VLAN ID. • Port-Based VLAN determines a logical interconnection between each switch port pair and allows or denies data transferring in each direction. The switch IP core was prototyped and verified using the Xil-inx XC7Z020T FPGA device. The resource utilization estimates are the following: • Flip-Flop count: 5202 (4.89%) • LUT count: 2588 (4.86%) • BRAM count: 21 (12.29%) Presented results demonstrated efficient hardware resource utilization allow to consider as appropriate for practical imple-mentation.

Keywords - IP-core, Ethernet switch, FPGA, system-on-a-chip, wireless backhaul.

Сложнофункциональный блок сетевого коммутатора Ethernet для радиорелейной системы связи

Шевченко А.А., Масленников Р.О., Махлышев М. (ООО "Радио Гигабит", г. Нижний Новгород), Кобяков Р.С. (ООО "Радио Гигабит", Нижегородский ГУ им. Н.И. Лобачевского, г. Нижний Новгород)
Аннотация - В статье рассматривается разработка сложнофункционального блока трехпортового сетевого коммутатора Ethernet для реализации на ПЛИС. Коммутатор предназначен для внутриканального управления радиорелейной станцией и объединения внешнего сетевого интерфейса, интерфейса данных радиомодема и сетевого интерфейса центрального процессора. Блок коммутатора поддерживает скорости передачи данных 10/100/1000 Мбит/с, коммутацию Ethernet кадров на канальном уровне на основе MAC адресов, технологии виртуальных сетей (VLAN) – IEEE 802.1Q и port-based. При разработке коммутатора учтены особенности архитектуры РРС и характеристики передаваемых данных с целью минимизации объема используемых ресурсов ПЛИС. Представлено описание требований, архитектуры и особенностей аппаратной реализации коммутатора, а также схемы его интеграции в состав «системы-на-кристалле». Для разработанного сложнофункционального блока приведены характеристики использования аппаратных ресурсов ПЛИС и результаты тестирования.

Ключевые слова - СФ-блок, сетевой коммутатор Ethernet, ПЛИС, система на кристалле, радиорелейная система связи.