FC交換機芯片MT端口軟核的設(shè)計與實現(xiàn)

張志禹，許耀斌,曹繼英，喬 雄

(1.西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048；2.長安大學 信息工程學院,陜西 西安 710064)

FC交換機芯片MT端口軟核的設(shè)計與實現(xiàn)

張志禹1，許耀斌1,曹繼英2，喬 雄1

(1.西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048；2.長安大學 信息工程學院,陜西 西安 710064)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，F(xiàn)C交換機對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分析、故障的定位等功能提出新的挑戰(zhàn)。首先提出基于FC交換機協(xié)議處理芯片的監(jiān)控端口(Monitor Port, MT)軟核的工作原理；然后對監(jiān)控端口軟核進行了設(shè)計與實現(xiàn)；最后在虛擬仿真平臺和FPGA驗證平臺下對MT端口的功能和性能分別進行仿真和測試。結(jié)果表明，這種新的智能監(jiān)控模式不僅能夠用于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管和故障排除，而且可用于流量統(tǒng)計。

FC交換機；MT端口；虛擬仿真；FPGA驗證

0 引言

美國國家標準委員會的X3T11工作組于1988年開始制定了一種高速串行通信協(xié)議——光纖通道(Fibre Channel，F(xiàn)C)協(xié)議[1]。1997年，光纖通道協(xié)議標準首次面世，速度為1 Gb/s,現(xiàn)在已發(fā)展到第六代，速度為32 Gb/s。光纖通道具有高帶寬、高可靠性、通用性強以及連接距離遠等優(yōu)點[2]。光纖通道主要在兩大領(lǐng)域中應(yīng)用，一是存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，二是航空電子環(huán)境。目前，國內(nèi)外學者對交換結(jié)構(gòu)及其調(diào)度算法進行了大量的研究，根據(jù)研究方法的不同，交換結(jié)構(gòu)調(diào)度算法整體上可以分為純理論分析法和快速啟發(fā)式調(diào)度算法。

純理論分析法主要探討調(diào)度算法的理論基礎(chǔ)，例如吞吐量、時延、服務(wù)質(zhì)量保證等性能。國外學者提出利用高性能核心交換和路由器來確保吞吐量、速率和時延，并且這種算法在輸入和輸出端口上的并行執(zhí)行具有擴展性[3]。國內(nèi)學者提出一種保證速率的優(yōu)先級實時調(diào)度算法[4]。

快速啟發(fā)式調(diào)度算法是一種易于硬件實現(xiàn)的調(diào)度算法，主要從其實用性出發(fā)，以交叉點小緩存、高效、低復雜度、硬件易實現(xiàn)作為性能評價指標。CARVAJAL G等人提出了在數(shù)據(jù)鏈路層之上添加實時層以支持EDF(Earliest Deadline First)調(diào)度機制，實時數(shù)據(jù)包無需按照以太網(wǎng)協(xié)議架構(gòu)的標準在通道內(nèi)實時調(diào)度傳輸[5]。

1 FC交換機芯片的體系結(jié)構(gòu)

FC交換機芯片集成了嵌入式片上處理器，可提供多路線卡端口、MT端口之間數(shù)據(jù)交換，且包含F(xiàn)C MAC控制器、Timer等片上資源，以及交換機域ID標識接口、鏈路狀態(tài)指示接口和多路多種速率下全雙工高速串行SerDes接口。該芯片用于FC交換機中，完成FC網(wǎng)絡(luò)高速無阻交換、數(shù)據(jù)監(jiān)控、通信配置、時鐘同步及網(wǎng)絡(luò)管理等功能。使用該芯片可以方便地構(gòu)建FC光纖通道交換網(wǎng)，以此為基礎(chǔ)可以快速實現(xiàn)用于各任務(wù)子系統(tǒng)間的光纖通道高速互聯(lián)。FC交換機芯片的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖2所示，交換機芯片的監(jiān)控功能包括以下幾個方面：

(1)支持監(jiān)控輸入端口的數(shù)據(jù)功能；

(2)支持監(jiān)控輸出端口的數(shù)據(jù)功能；

(3)支持監(jiān)控含有特殊字段幀的數(shù)據(jù)功能；

圖1 FC交換機芯片體系結(jié)構(gòu)

圖2 MT端口功能框圖

圖3 MT端口工作原理圖

(4)支持與網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(CPU)之間的幀收發(fā)功能；

(5)支持監(jiān)控、路由方案的在線動態(tài)加載，用以完成相應(yīng)的芯片內(nèi)部寄存器配置。

2 FC交換機MT端口工作原理

FC交換機芯片MT端口模塊中包含以下子模塊：監(jiān)控數(shù)據(jù)緩沖區(qū)寫控制模塊、信息ID查詢控制模塊、監(jiān)控數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、監(jiān)控數(shù)據(jù)調(diào)度模塊、監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)送控制模塊、網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送處理模塊以及網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點數(shù)據(jù)接收處理模塊。其工作原理如圖3所示。

MT端口模塊與線卡端口以及網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點相連。MT端口只能被動接收來自線卡端口的數(shù)據(jù)幀，而監(jiān)控模式分為輸入監(jiān)控、輸出監(jiān)控和信息ID監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點可與MT端口互相通信，MT端口可以轉(zhuǎn)發(fā)來自網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點的幀，或者將接收到的ELS幀轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點。寄存器配置有時標插入設(shè)置、監(jiān)控功能設(shè)置以及信息ID緩沖區(qū)配置等功能。

3 FC交換機MT端口設(shè)計實現(xiàn)

FC交換機MT端口設(shè)計包含信息ID查詢控制模塊設(shè)計、監(jiān)控數(shù)據(jù)緩沖區(qū)寫控制模塊設(shè)計、監(jiān)控數(shù)據(jù)調(diào)度模塊設(shè)計、監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)送控制模塊設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送處理模塊設(shè)計以及網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點數(shù)據(jù)接收處理模塊設(shè)計。下面將分別對子模塊設(shè)計進行詳細描述。

3.1 信息ID查詢控制模塊的設(shè)計

該模塊的設(shè)計思路是將來自F端口的特殊幀信息的信息ID輸出到CAM表中，進行信息ID的合法性檢測。同時，將信息ID合法的CAM表查詢的結(jié)果與MT端口信息數(shù)目寄存器的值進行比較，判斷被監(jiān)控幀的有效性。

3.2 監(jiān)控數(shù)據(jù)緩沖區(qū)寫控制模塊的設(shè)計

該模塊的設(shè)計思路是根據(jù)監(jiān)控模式、時標使能等相關(guān)信號的設(shè)置，將來自F端口MAC客戶端口的信號時序轉(zhuǎn)化為標準的FIFO接口時序，同時，對幀進行時標插入或產(chǎn)生特殊幀信息ID查詢請求等操作。

本模塊設(shè)計了對FC幀的接收處理狀態(tài)機，根據(jù)接收到的幀內(nèi)容及幀標識信號，將幀進行相應(yīng)處理操作，并將處理后的幀輸出至對應(yīng)緩沖區(qū)，其狀態(tài)機如圖4所示。

圖4 FC幀的接收處理狀態(tài)機

3.3 監(jiān)控數(shù)據(jù)調(diào)度模塊的設(shè)計

數(shù)據(jù)調(diào)度模塊實現(xiàn)了線卡端口和網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點的FC數(shù)據(jù)幀輸出請求之間的優(yōu)先級調(diào)度，設(shè)計中采用輪詢優(yōu)先級調(diào)度策略。

圖6 信息ID監(jiān)控仿真波形

圖7 MT端口FPGA平臺驗證環(huán)境

線卡端口及網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點的幀輸出優(yōu)先級調(diào)度用狀態(tài)機來完成。數(shù)據(jù)調(diào)度模塊狀態(tài)機如圖5所示。狀態(tài)機有N+3個狀態(tài)，分別為Idle狀態(tài)、P_0狀態(tài)～P_N+1狀態(tài)；P_0～P_N狀態(tài)對應(yīng)N+1路線卡端口，P_N+1對應(yīng)1路網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點。

圖5 數(shù)據(jù)調(diào)度模塊狀態(tài)機

3.4 監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)送控制模塊的設(shè)計

MT端口MAC幀發(fā)送控制模塊實現(xiàn)了將監(jiān)控數(shù)據(jù)FIFO中的FIFO接口的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為MAC客戶端發(fā)送接口的時序，將幀發(fā)送到MT端口MAC中。

3.5 MT端口幀發(fā)送處理模塊設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點到MT端口幀發(fā)送數(shù)據(jù)處理模塊完成對來自網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點待發(fā)送數(shù)據(jù)幀的存儲操作。

3.6 MT端口幀接收處理模塊設(shè)計

MT端口幀接收控制模塊實現(xiàn)了數(shù)據(jù)幀的篩選、接收存儲功能，并能識別和指示非ELS幀丟棄等。本模塊功能為對MT端口接收到的ELS幀進行控制，根據(jù)接收到的幀內(nèi)容及幀類型標識信號，將數(shù)據(jù)幀存入相應(yīng)緩沖區(qū)或丟棄(非ELS幀)。

4 FC交換機MT端口仿真驗證

4.1 MT端口虛擬平臺仿真

由于篇幅有限，以下只對信息ID監(jiān)控情景得到的虛擬仿真波形進行分析說明。

網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點配置監(jiān)控模式寄存器值為0x3，表示為信息ID監(jiān)控模式；配置CAM表中需要被監(jiān)控的特殊字段值。往線卡端口輸入不同的FC幀，幀內(nèi)容中特殊字段有能被匹配到的，也有不能被匹配到的。仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖6中看到配置CAM表的最后一個特殊字段值為0x100，則在MT端口監(jiān)控到的數(shù)據(jù)幀中也包含該特殊字段信息。

4.2 FC交換機MT端口FPGA平臺驗證

4.2.1 FPGA驗證平臺的環(huán)境

FPGA原型驗證板是整個原型驗證系統(tǒng)的核心，F(xiàn)C交換機協(xié)議處理芯片的原型驗證板可以完成對交換機芯片F(xiàn)PGA原型所有基本功能和系統(tǒng)功能的測試驗證。交換機芯片系統(tǒng)集成后的RTL級代碼，經(jīng)FPGA工具綜合、實現(xiàn)，下載到FPGA芯片中，實現(xiàn)真實交換機芯片的功能。本研究搭建的MT端口FPGA平臺驗證環(huán)境如圖7所示。

4.2.2 FPGA驗證平臺測試

在MT端口的光纖鏈路上接入Finisar測試儀，用以監(jiān)測光纖鏈路上的FC幀傳輸。光纖鏈路上線后，在Finisar測試儀上可以對抓到的數(shù)據(jù)包進行解析，解析結(jié)果如圖8所示。

圖8 測試儀解析MT端口的FC數(shù)據(jù)

圖8表示MT端口在信息ID監(jiān)控模式下監(jiān)測到從線卡端口0發(fā)往線卡端口1的數(shù)據(jù)，其中CAM表配置的值從16’h1到16’h100，符合邏輯設(shè)計中CAM表深度256。該幀的MSGID值為4，屬于監(jiān)測范圍，所以在MT端口能夠正確監(jiān)控。TYPE字段為0x49且CSCTL字段為0x04，表明該幀為ASM幀且優(yōu)先級為4。信息數(shù)據(jù)長度值為16’h5F3，換算到十進制時值為1523，表明MT監(jiān)控到的幀為超長幀。

輸入數(shù)據(jù)監(jiān)控模式是MT端口只對一個線卡端口進行監(jiān)控，而信息ID監(jiān)控模式是特殊的輸入數(shù)據(jù)監(jiān)控模式，可以對線卡端口的輸入數(shù)據(jù)與CAM表配置的敏感信息進行MSGID查詢控制，只要CAM表查詢匹配成功，該幀就會被鏡像到MT端口。由上述結(jié)果分析可知，MT端口能夠在FPGA原型驗證板上正確工作。

4.2.3 監(jiān)控流量統(tǒng)計

FC幀最短幀為9個字段，最長幀為537字段，其中1字段等于4 B，F(xiàn)C對應(yīng)的數(shù)據(jù)范圍是36 B～2148 B。為了便于對監(jiān)控的流量進行統(tǒng)計，驗證時FC幀長度取256個字段，即1 KB數(shù)據(jù)。假設(shè)FC鏈路的速率為2 Gb/s，即帶寬為2 Gb/s，那么用戶獨享帶寬時流量應(yīng)為200 MB/s。計算方法如下：

流量=帶寬×1 000×0.8/8

其中編碼因子0.8為8b/10b轉(zhuǎn)換時帶寬利用率，假如數(shù)據(jù)為8位，經(jīng)過8b/10b編碼之后數(shù)據(jù)擴展為10位數(shù)據(jù)，帶寬利用率為80%。轉(zhuǎn)換因子8代表8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成1 B數(shù)據(jù)。

本文中用戶最高獨享帶寬的流量為212.5 MB/s，在FPGA驗證平臺上做全雙工無誤碼率的測試，其中線卡端口注入的數(shù)據(jù)包含有特殊字段的幀數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

下面給出一種特殊的數(shù)據(jù)傳輸方式，線卡輸入端口唯一，目的端口分別為0、1，且數(shù)據(jù)幀發(fā)往目的端口的比重分別約占20%和80%，則MT端口監(jiān)控流量如表2所示。由監(jiān)控流量統(tǒng)計表分析可得，輸入數(shù)據(jù)端口唯一時，將數(shù)據(jù)20%和80%比例輸出到線卡端口0和1，端口速率分別為41 MB/s和169 MB/s。信息ID監(jiān)控只是監(jiān)控所有數(shù)據(jù)中存在特殊字段的幀信息，在此不做詳細分析。全雙工無阻交換模式下，端口吞吐量為425 MB。

表2 目的端口不唯一時流量監(jiān)控表

5 結(jié)論

目前這款FC交換機協(xié)議處理芯片的MT端口軟核虛擬驗證工作已經(jīng)完成，F(xiàn)PGA平臺上的測試證明該芯片運行良好。從MT端口軟核設(shè)計和實現(xiàn)上來說，可對下一個版本以及其他相關(guān)芯片的研發(fā)提供一定的借鑒，并且該智能監(jiān)控技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 羅燁. FC-AE-RDMA技術(shù)的研究與實現(xiàn)[D]. 成都:電子科技大學, 2010.

[2] 林強, 熊華鋼, 張其善. 光纖通道綜述[J]. 計算機應(yīng)用研究, 2006, 23(2): 9-13.

[3] CHUANG S T, IYER S, MCKEOWN N. Practical algorithms for performance guarantees in buffered crossbars[J]. Proceedings of IEEE INFOCOM, 2005, 2(7):981-991.

[4] 黃永葵. 光纖通道標準及其在航空電子中的應(yīng)用[J]. 航空電子技術(shù), 2004, 34(4): 1-12.

[5] CARVAJAL G，WU C W，F(xiàn)ISCHMEISER S.Evaluation of communication architectures for switched real-time Ethernet[J]. IEEE Transactions on Computers,2014,63(1):218-229.

Design and implementation of MT port soft-core based on FC switch chip

Zhang Zhiyu1,Xu Yaobin1,Cao Jiying2,Qiao Xiong1

(1.School of Automation and Information Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China;2.College of Information Engineering,Chang’an University,Xi’an 710064,China)

With the rapid development of network technology, FC switch proposes new challenges for network protocol analysis, fault location function and so on. This paper firstly puts forward working principle based on FC switch protocol processing chip of MT soft-core. Then the MT soft-core is designed and implemented. Finally,under the virtual simulation platform and FPGA verification platform, the function and performance of MT port are simulated and tested respectively. The result shows that this new intelligence monitoring mode not only can be used for network monitoring and troubleshooting, but can be used for traffic statistics.

FC switch; MT port; virtual simulation; FPGA verification

TN47

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.24.011

張志禹，許耀斌,曹繼英，等. FC交換機芯片MT端口軟核的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微型機與應(yīng)用，2016,35(24)：36-39.

2016-06-29)

張志禹(1966-)，男，博士，研究生導師，主要研究方向：地震反演和信號處理。

許耀斌(1990-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：通信與信號處理。E-mail：343208854@qq.com。

曹繼英(1990-)，女，碩士，主要研究方向：計算機應(yīng)用研究。