以太网数据帧的前向纠错系统、方法及编码、解码装置与流程

本发明涉及以太网通信领域，具体涉及一种以太网数据帧的前向纠错系统、方法及编码、解码装置。

背景技术：

以太网是一项被广泛应用的技术，绝大多数的局域网均采用以太网标准。并且近些年来，随着以太网传输速率和传输距离的提升，越来越多的广域网也开始采用以太网标准。高速率、长距离的信息传输对物理信道提出了较高的要求，但是由于噪声、色散和衰减等原因会造成以太网传输误码率的提升。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种以太网数据帧的前向纠错系统、方法及编码、解码装置，以解决上述的至少一项技术问题。

(二)技术方案

本发明的一方面提供了一种以太网数据帧的前向纠错编码装置，包括：

第一编码器和第二编码器，用于对x组k字节的第一数据组交替进行前向纠错编码处理，得到x组对应的n-k字节的第一校验位，其中，所述第一数据组由第一以太网数据帧分组得到，x、k和n均为正整数，且n＞k；

第一先进先出缓存器，与所述第一编码器和第二编码器电性连接，用于缓存第一编码器和第二编码器输出的第一校验位；以及

数据输出选择控制器，电性连接第一编码器、第二编码器和第一先进先出缓存器，用于选择、控制输出第一编码器和第二编码器输出的第一数据组和第一校验位，同时得到第一编码数据帧。

可选地，该系统还包括：第三先进先出缓存器和第四先进先出缓存器，分别与第一编码器和第二编码器电性连接，用于交替缓存并分别输出所述k字节的第一数据组至所述第一编码器和第二编码器。

本发明的另一发明，还提供了一种以太网数据帧的前向纠错解码装置，包括：一第二先进先出缓存器、第一解码器和第二解码器，其中，

该第二先进先出缓存器，与第一解码器和第二解码器电性连接，用于缓存外部输入的第二编码数据帧，并输出x组n字节的第二编码数据组至第一解码器和第二解码器，其中，所述x组第二编码数据组由所述第二编码数据帧剔除帧结束符后分组得到；以及

第一解码器和第二解码器，用于交替对所述第二编码数据组剔除n-k字节的第二校验位，得到x组k字节的第二数据组，并将所述第二数据组进行组合得到第二以太网数据帧，其中，x、k和n均为正整数，且n＞k。

本发明的又一方面，还提供了一种以太网数据帧的前向纠错系统，第一编码器、第二编码器、第一先进先出缓存器、数据输出选择控制器、一第二先进先出缓存器、第一解码器和第二解码器，其中，

第一编码器和第二编码器，用于对x组k字节的第一数据组交替进行前向纠错编码处理，得到x组对应的n-k字节的第一校验位，其中，所述第一数据组由第一以太网数据帧分组得到，x、k和n均为正整数，且n＞k；

第一先进先出缓存器，与所述第一编码器和第二编码器电性连接，用于缓存第一编码器和第二编码器输出的第一校验位；

数据输出选择控制器，电性连接第一编码器、第二编码器和第一先进先出缓存器，用于选择、控制输出第一编码器和第二编码器输出的第一数据组和第一校验位，同时得到第一编码数据帧；

第二先进先出缓存器，与所述第一解码器和第二解码器电性连接，用于缓存外部输入的第二编码数据帧，并输出x组n字节的第二编码数据组至第一解码器和第二解码器，其中，所述x组第二编码数据组由所述第二编码数据帧剔除帧结束符后分组得到；以及

第一解码器和第二解码器，用于交替对所述第二编码数据组剔除n-k字节的第二校验位，得到x组k字节的第二数据组，并将所述第二数据组进行组合得到第二以太网数据帧。

可选地，所述前向纠错编码与前向纠错解码采用rs码，所述rs码为rs(255，239)码，所述k为239，所述n为255。

可选地，所述第一编码数据帧依次为x组第一数据组、x组第一校验位和帧结束符；或者所述第一编码数据帧依次为第一组第一数据组和第一校验位、第二组第一数据组和第一校验位，至第x组第一数据组和第一校验位，以及帧结束符；

所述第二编码数据帧依次为x组第二数据组、x组第二校验位和帧结束符；或者所述第二编码数据帧依次为第一组第二数据组和第二校验位、第二组第二数据组和第二校验位，至第x组第二数据组和第二校验位，以及帧结束符。

可选地，所述以太网数据帧的前向纠错系统基于fpga芯片。

本发明的又一方面，还提供了一种以太网数据帧的前向纠错编码方法，包括步骤：

对第一以太网数据帧分组，得到x组k字节的第一数据组；

交替处理所述第一数据组，得到x组对应的n-k字节的第一校验位，其中，x、k和n均为正整数，且n＞k；以及

将所述第一数据组尾后依次加入所述第一校验位以及帧结束符，得到并输出第一编码数据帧，完成以太网数据帧的前向纠错编码。

可选地，对于长度不足k字节的第一数据组，在其组尾填充0，直至该组数据的长度为k字节，且对于填充0的第一数据组，在编码结束后丢弃其中填充的0。

本发明的再一方面，还提供了一种以太网数据帧的前向纠错解码方法，其中，包括步骤：

对外部输入的第二编码数据帧分组，得到x组n字节的第二编码数据组；

交替对第二编码数据组剔除n-k字节的第二校验位，得到x组k字节的第二编码数据组，其中，x、k和n均为正整数，且n＞k；以及

将所述第二数据组进行组合得到第二以太网数据帧，完成以太网数据帧的前向纠错解码。

(三)有益效果

本发明相较于现有技术具有以下优点：

1、本发明将fec编解码技术与以太网技术融合，并提出利用乒乓操作和fifo缓存，解决因冗余校验位造成的传输速率不匹配的问题。通过对以太网数据帧应用fec编解码技术，有效降低了高速率、长距离通信对物理信道的要求，实现通信双方的可靠通信。

2、本发明通过实现以太网数据帧的前向纠错编码和前向纠错解码，减少了数据的出错率，提高了数据传输的准确性。

3、本发明可有效降低通信对物理信道的要求，提高通信的可靠性。

4、本发明所有的编码和解码处理均是在物理层完成，容易实现。

附图说明

图1为本发明实施例的以太网数据帧的前向纠错系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的以太网数据帧的前向纠错编码装置编码时速率匹配结构的示意图；

图3为本发明实施例的以太网数据帧的前向纠错解码装置解码时速率匹配结构的示意图；

图4为本发明实施例的k字节的数据组的结构示意图；

图5为本发明实施例的编码数据帧结构示意图；

图6是本发明实施例的典型应用场景示意图；

图7为本发明实施例的以太网数据帧的前向纠错编码方法步骤流程图；

图8为本发明实施例的以太网数据帧的前向纠错解码方法步骤流程图。

具体实施方式

现有的多种以太网标准内均未包含信道编解码的内容，由此，本发明提出一种包含前向纠错内容的以太网数据帧结构，将fec(前向纠错)编解码技术与以太网技术融合。因为fec编码后会增加校验位，从而造成传输速率的不匹配。本发明基于乒乓操作，将数据交替存入存储器中，保持数据能够不间断地得到处理(例如采用了两个编码器和两个解码器)和fifo(先进先出)缓存的结构，可以通过多占用资源，从而解决因冗余校验位造成的传输速率不匹配的问题。通过对以太网数据帧应用fec编解码技术，有效降低了高速率、长距离通信对物理信道的要求，实现通信双方的可靠通信。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1为本发明实施例的以太网数据帧的前向纠错系统的结构示意图，如图1所示，本发明实施例的一方面，提供了一种以太网数据帧的前向纠错系统1，包括以太网数据帧的前向纠错编码装置101和以太网数据帧的前向纠错解码装置102。

本发明实施例的另一方面，提供了一种前向纠错编码装置101(请参照图1)，包括：第一编码器(编码器1)、第二编码器(编码器2)、第一先进先出缓存器(fifo缓存器1)和数据输出选择控制器。

第一编码器和第二编码器用于对x组k字节的第一数据组交替进行前向纠错编码处理，得到x组对应的n-k字节的第一校验位，其中，所述x组k字节的第一数据组由第一以太网数据帧分组得到，x、k和n均为正整数，且n＞k；

第一先进先出缓存器，与所述第一编码器和第二编码器电性连接，用于缓存第一编码器和第二编码器输出的第一校验位；

数据输出选择控制器，电性连接第一编码器、第二编码器和第一先进先出缓存器，用于选择、控制输出第一编码器和第二编码器输出的k字节的第一数据组和第一校验位，同时得到第一编码数据帧。数据输出选择器可以控制数据输出的顺序及速率，从而保证数据的输出顺序，避免数据传输的紊乱。

在本实施例中，第一编码数据帧依次为x组第一数据组、x组第一校验位和帧结束符；或者所述第一编码数据帧依次为第一组第一数据组和第一校验位、第二组第一数据组和第一校验位、至第x组第一数据组和第一校验位，以及帧结束符。

在本实施例中，为了进一步保证数据不间断地得到处理，从而解决速率不匹配的问题，也采取了第三先进先出缓存器(fifo缓存器3)和第四先进先出缓存器(fifo缓存器4)，分别与编码器1与编码器2电性相连，用于交替缓存并分别输出所述k字节的第一数据组至所述编码器1和编码器2。

本发明实施例的另一方面，还提供了一种前向纠错解码装置102(请参照图1)，包括：第二先进先出缓存器(fifo缓存器2)、第一解码器(解码器1)和第二解码器(解码器2)。

第二先进先出缓存器(fifo缓存器2)，与两个解码器电性连接，用于缓存外部输入的第二编码数据帧，并输出x组n字节的第二编码数据组至两个解码器，其中，所述x组第二编码数据组由所述第二编码数据帧剔除帧结束符后分组得到，且该第二编码数据帧的数据排列方式可以与第一编码数据帧相同，也可以不同。

两个解码器(解码器1和解码器2)，用于对所述第二编码数据组交替进行前向纠错解码处理：剔除其中的第二校验位，得到x组k字节的第二数据组，并将所述k字节的第二数据组进行组合得到第二以太网数据帧。其中，x、k和n均为正整数，且n＞k。

由此可见，通过本发明提供的以太网数据帧的前向纠错系统1，可以实现数据在两个编码器和两个解码器中的交替处理，加快了以太网数据帧前向纠错的进程。此外，该系统还包括前向纠错编码装置101和解码装置102，实现了以太网数据帧的前向纠错编码和前向纠错解码，减少了数据传输的出错率，提高了数据传输的准确性，若错误在可纠范围内，通过译码检查并纠正错误，可以抵抗信道带来的干扰，提高通信系统的可靠性。

根据本发明的一种实施方式，该系统可以基于fpga芯片，因为fpga芯片并行处理能力强、具有灵活可开发的性质(通过改变其加载程序)，本发明提供的以太网数据帧的前向纠错系统基于乒乓操作和fifo结构，可通过多占用fpga资源来解决数据传输速率不匹配的问题，同时实现数据流的高速处理、流水线式算法以及数据的无缝缓冲和处理。

图2为本发明实施例的以太网数据帧的前向纠错编码装置编码时速率匹配结构的示意图，如图2所示，在前向纠错编码过程中，第一以太网数据帧先经过分组，得到x组k字节的第一数据组。根据本发明的一种实施例，为了进一步解决数据处理速率不匹配的问题，采取了第三先进先出缓存器(fifo缓存器3)和第四先进先出缓存器(fifo缓存器4)，分别与编码器1与编码器2电性相连接，用于交替缓存并分别输出所述k字节的第一数据组至所述编码器1和编码器2。

编码器1将fifo缓存器3输出的当前第一数据组进行前向纠错解码处理，得到该数据组对应的n-k字节的校验位，与此同时下一组k字节的第一数据组缓存至fifo缓存器4。当前k字节的第一数据组前向纠错编码完成之后，将编码器1中的n-k字节的第一校验位缓存入fifo缓存器1。同时下一个第一数据组由该fifo缓存器4输出至编码器2进行编码，编码结束后编码器2中的第一校验位依次缓存入fifo缓存器1。当下一组数据来临时，编码器1已经处于闲置状态，可以对新的第一数据组进行编码。当所有第一数据组均编码完成后，将fifo缓存器1内的校验位全部输出。

在本发明实施例中，该系统中的前向纠错编码采用rs码，所述rs码为rs(255，239)码，所述k为239，所述n为255，也就是说，第一以太网数据帧经过分组得到的第一数据组为239个字节，第一校验码为16个字节，第一编码数据组为255个字节。在其他实施例中，第一校验码还可以为32个字节，n为255，k为223。

图3为本发明实施例的以太网数据帧的前向纠错解码装置解码时速率匹配结构的示意图，如图3所示，在前向纠错解码装置解码过程中，先将外部发送的第二编码数据帧缓存在fifo缓存器2中，解码器1和解码器2交替接收第二编码数据组，进行前向纠错解码处理，并剔除第二编码数据组中的第二校验位，得到x组k字节的第二数据组，并将所述k字节的第二数据组进行组合得到第二以太网数据帧，从而完成以太网数据帧的前向纠错解码。由于解码延时的存在，在一组数据帧和校验位输入解码器1后，开始将下一组数据帧和校验位输入解码器2进行解码处理。这样在解码器1解码完成，解码后数据输出完成之时，解码器2解码完成开始输出数据。这样可以实现连续解码后数据的输出，恢复出编码前以太网数据帧，实现前向纠错的编解码过程，降低出错率，保证数据传输的准确性。

图4为本发明实施例的k字节的数据组的结构示意图，如图4所示，以k字节为单位对以太网数据帧进行分组，得到x组k字节的数据组，其中每组数据组包括：前导码1、帧开始符2、目的地址3、源地址4、数据长度5、数据类型6、数据和填充7和帧校验序列8。图5为本发明实施例的编码数据帧结构示意图，如图5所示，编码数据帧分为第一编码数据帧和第二编码数据帧，其中的字段1～8与图2中的k字节的数据组的定义一致，字段8之后增加的字段9为校验位，字段10为编码数据的帧结束符。

在以太网数据帧分组时，由于以太网数据帧中数据长短不固定，分组时尾组可能会出现长度不足k字节的情况。这种情况下对尾组数据进行0填充，即填充数据0至数据帧达到k字节。对分组后的数据帧进行fec编码处理，每个数据帧经过编码后可以得到n-k字节的校验位。尾组数据如有0填充，则在编码结束后将填充的数据去除。此外，前向纠错解码方式应与前向纠错编码采取的编码方式相对应。

图6为本发明实施例的典型应用场景示意图，如图6所示，在该典型应用场景中，作为编码端的计算机设备，计算机1向以太网交换机1发射要传送的电信号数据，以太网交换机1将所述电信号数据转换成以太网数据帧(光信号)，再将该以太网数据帧输出至前向纠错编解码器1进行前向纠错编码处理，得到编码数据帧。在解码端，前向纠错编解码器2接收通过光纤传输的编码数据帧，并进行前向纠错解码处理，得到以太网数据帧，并输出至以太网交换机2。最后，以太网交换机2将该以太网数据帧转换成电信号传输至计算机2，从而完成以太网数据帧的前向纠错。此外，该应用场景的信号传输通道也是可逆的，也就是说，计算机1、以太网交换机1和前向纠错编解码器1可以作为解码端，计算机2、以太网交换机2和前向纠错编解码器2可以作为编码端。

本发明实施例的又一方面，还提供了一种以太网数据帧的前向纠错编码方法，图7为本发明实施例的以太网数据帧的前向纠错编码方法步骤流程图，如图7所示，在本实施例中，该方法基于fpga芯片，包括步骤：

s701、对第一以太网数据帧分组，得到x组k字节的第一数据组；

其中，在分组时，对于长度不足k字节的第一数据组，在其组尾填充0，直至该组数据的长度为k字节，且对于填充0的第一数据组，在编码结束后丢弃其中填充的0。

s702、交替处理所述第一数据组，得到x组对应的n-k字节的第一校验位，其中，x、k和n均为正整数，且n＞k；

具体地，前向纠错编码可以采用rs码，所述rs码为rs(255，239)码。第一数字组的字节长度k选择239，第一编码数据帧的字节长度n为255，校验位的字节长度n-k为16。另外，在其他实施例中，n-k也可以32，同时n与k作相对修改，n为255，k为223。

s703、将所述第一数据组尾后依次加入所述第一校验位以及帧结束符，得到并输出第一编码数据帧，完成以太网数据帧的前向纠错编码；

得到的第一编码数据帧有两种排列方式，依次可以为第一x组数据组、x组第一校验位和帧结束符；或者依次为第一组第一数据组和第一校验位、第二组第一数据组和第一校验位，……，第x组第一数据组和第一校验位，以及帧结束符。

本发明实施例的再一方面，还提供了一种以太网数据帧的前向纠错解码方法，图8为本发明实施例的以太网数据帧的前向纠错解码方法步骤流程图，如图8所示，包括步骤：

s801、对外部输入的第二编码数据帧分组，得到x组n字节的第二编码数据组；

其中，第二编码数据组可以与第一编码数据组的排列方式相同，也可以不一致。

s802、交替对第二编码数据组剔除n-k字节的第二校验位，得到x组k字节的第二编码数据组，其中，x、k和n均为正整数，且n＞k。

s803、将所述第二数据组进行组合得到第二以太网数据帧，完成以太网数据帧的前向纠错解码；

为与前述前向纠错编码方式保持一致，前向纠错解码可以采用rs码，所述rs码为rs(255，239)码。第二数字组的字节长度k选择239，第二编码数据帧的字节长度n为255，第二校验位的字节长度n-k为16。另外，在其他实施例中，n-k也可以32，同时n与k作相对修改，n为255，k为223。

一般来说，若错误在可纠范围内，通过译码检查并纠正错误，可以抵抗信道带来的干扰，提高通信系统的可靠性。同时也实现了以太网数据帧的前向纠错编码和前向纠错解码，降低了数据传输的出错率，提高了数据传输的准确性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。