ネットワーキング

高トラフィックのネットワークの中で色々な機器が最大限高速にデータのやり取りができるようにするには、安定かつ高性能なルータが必要です。強力なプロセッサと十分な量のメモリを搭載したEthernetルータはデータの詰まりを解消し、メッセージの読み込みやバッファ時間を短縮し、対応時間を高速化します。旧世代のルータは多くの場合プロセッサがMIPSで、搭載メモリはネットワークの需要に対応するには足りません。ただし、人が日々作り出すデータは膨大で、さらにWi-Fi、Ethernet、USB、SFP、QSFPなどのプロトコルが登場していて、高性能なだけでなく、再プログラミング可能なルータが不可欠になっています。FPGAは高性能と再プログラム性を両立しているため、ルータにFPGAを実装するのがトレンドになっています。メインのプロセッサとしてFPGAを採用すれば、例えば暗号化と圧縮のハードウェアモジュールを追加してネットワークデータのセキュリティを確保しつつ容量を圧縮するなど、セキュリティカメラに最適な実装が可能です。

 

アルデックは Xilinx® Zynq™ FPGA ベースのネットワークソリューションを提供します。このソリューションでは、Ethernetルータをアルデックの開発した TySOM-2A-7Z030 組込み開発ボード(図1)およびFMC-NET ドーターカード(図2)を用いて設計しています。

図1: TySOM-2A-7Z030 図2: FMC-NET

 

TySOM-2A-7Z030 組込み開発ボードはEthernet RJ-45コネクタを2本、USB 2.0ポートを4本、Wi-Fi/Bluetoothチャンネルを1本搭載しています。またFMC-NET ドーターカードもEthernetを4本、Wi-Fi/Bluetoothチャンネル1本、QSFP+コネクタ1個とSATAコネクタを4本搭載しています。そのため、このルータにはWAN/LAN機能が付いたEthernetコネクタが6本、Wi-Fi/Bluetoothチャンネル2本、QSFP+ 1個、USBコネクタとSATAコネクタが4本ずつ搭載されています。EthernetコネクタはノートPCやデスクトップをネットワークに接続するのに使えます。USBポートはハードディスクやプリンタなどの外部デバイスをネットワークに接続するのに便利です。QSFP+コネクタはサーバとネットワークの間でのデータ伝送など、高速データ伝送に適用可能です。SATAコネクタはハードディスクやフラッシュストレージなどをネットワークに接続するのに使えます。

 

ZynqデバイスはFPGA(プログラマブルロジック、PL)とARMプロセッサ(プロセッシングシステム、PS)を両方とも搭載したシステムです。ZynqのPS側では、ARMプロセッサ上でOpenWrt Linuxディストリビューションが動作し、全デバイスの制御が行われます。OpenWrtではパッケージ管理機能もある書き込み可能なファイルシステムが使えますので、スタティックなファームウェアを作る必要はありません。これによって、ベンダ依存のアプリケーションの選択・設定から解放され、パッケージを使ってデバイスをあらゆる用途にカスタマイズできます。開発者から見ると、OpenWrtはファームウェアを全部自作することなくアプリケーションを構築できるフレームワークです。ユーザーにとっては、あらゆるカスタマイズが可能で、今までにないデバイスの使い方を開くことができます。OpenWrtについて詳しくは、OpenWrt のページをご覧ください。

 

ZynqのPL側では、Ethernet MACモジュールとAXI 1G/2.5Gが使われています。また、QSFP+向け10Gb Ethernetサブシステムコアがインプリメントされています。FMC-NETドーターカードはPL側に接続するもので、ペリフェラル拡張の役割を果たします。図3はZynqデバイス内部のPL/PSの接続を図示したものです。

 

図3: Zynqデバイス内部のPSとPLの接続 

 

デザインの機能性をさらに深く掘り下げると、ルータはネットワークパッケージをEthernetインタフェースを経由して伝送します。パッケージの送受信にかかるステップは次の通りです。

 

OpenWrt → CPU → AXI → MAC → RGMII → PHY → Ethernet ポート → 伝送ネットワークパケット

OpenWrt ← CPU ← AXI ← MAC ← RGMII ← PHY ← Ethernet ポート ← 受信ネットワークパケット

 

主な機能

  • TySOM - Xilinx Zynqベースのハードウェア・プラットフォーム
    • ソフトウェア実行用のデュアルコアARM Cortex A9
    • カスタムハードウェア用FPGA - アクセラレータとインタフェース
    • オンボードワイヤレス・ペリフェラル - Wi-Fi, Bluetooth
    • オンボードの有線通信 - USB 2.0 x4、Ethernet x2、HDMI, UART
    • 1x FMCコネクタ
  • FMC-NET
    • IEEE 1588 SOF付属のEthernet PHY 10/100/1000 x4
    • デュアルバンドWi-FとBluetooth WiLink-8モジュール
    • 1x QSFP+ 4レーンで最大40Gb/s
    • SATAデバイスポート x4
  • OpenWrtのリファレンスデザイン
    • プログラマブルロジックにインプリメントしたEthernet MAC x4
    • ネットソリューション用の専用のオペレーティングシステムとシステム制御用インタフェース

 

ソリューション内容

  • TySOM-2A-7Z030 組込み開発ボード
  • FMC-NET ドーターカード
  • TySOM ボードの技術文書とチュートリアル
  • FMC-NET ボードの技術文書
  • OpenWrt リファレンスデザインのイメージとソースコード
  • (オプション)Riviera-PRO 高機能RTLシミュレーション・デバッグ用プラットフォーム
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