FC Anahtar Çip MT Bağlantı Noktası Yumuşak Çekirdeğinin Tasarımı ve Uygulanması
Zhang Zhiyu1, Xu Yaobin1, Cao Jiying2, Qiao Xiong1
(1. Otomasyon ve Bilgi Mühendisliği Okulu, Xian Teknoloji Üniversitesi, Xian, Shaanxi 710048; 2. Bilgi Mühendisliği Fakültesi, Changan Üniversitesi, Xian, Shaanxi 710064)
: Ağ teknolojisinin hızla gelişmesiyle birlikte, FC anahtarları ağ protokol analizi ve arıza bulma işlevleri için yeni zorluklar ortaya çıkarır. İlk olarak, FC anahtar protokolü işleme yongasına dayalı monitör bağlantı noktası (MT) yazılım çekirdeğinin çalışma prensibi önerildi; daha sonra monitör bağlantı noktasının yumuşak çekirdeği tasarlandı ve uygulandı; son olarak, sanal simülasyon platformu ve FPGA doğrulama platformu altındaki MT bağlantı noktasının işlevi Ve performans ayrı ayrı simüle edilir ve test edilir. Sonuçlar, bu yeni akıllı izleme modunun yalnızca ağ denetimi ve sorun giderme için değil, aynı zamanda trafik istatistikleri için de kullanılabileceğini gösteriyor.
: FC anahtarı; MT bağlantı noktası; sanal simülasyon; FPGA doğrulaması
: TN47 belge tanımlama kodu: ADoi: 10.19358 / j.issn.1674-7720.2016.24.011
Alıntı biçimi Zhang Zhiyu, Xu Yaobin, Cao Jiying, ve diğerleri.FC anahtar yonga MT portu J yumuşak çekirdeğinin tasarımı ve uygulaması. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2016,35 (24): 36-39.
0 Önsöz
Amerikan Ulusal Standartlar Komitesi'nin X3T11 çalışma grubu, 1988-Fiber Kanal (FC) protokolünde [1] yüksek hızlı bir seri iletişim protokolü formüle etmeye başladı. 1997 yılında, Fiber Kanal protokol standardı ilk kez 1 Gb / sn hızla çıktı ve şimdi 32 Gb / sn hızla altıncı nesle geliştirildi. Fiber Kanal, yüksek bant genişliği, yüksek güvenilirlik, güçlü çok yönlülük ve uzun bağlantı mesafesi avantajlarına sahiptir [2]. Fiber Kanal esas olarak iki alanda kullanılır, biri depolama alanı ağı ve diğeri aviyonik ortamdır. Şu anda, yurtiçi ve yurtdışındaki akademisyenler, anahtarlama yapısı ve programlama algoritması hakkında çok sayıda araştırma yaptı.Farklı araştırma yöntemlerine göre, anahtarlama yapısı planlama algoritması, saf teorik analiz yöntemi ve hızlı sezgisel programlama algoritması olarak ikiye ayrılabilir.
Saf teorik analiz yöntemi, esas olarak iş hacmi, gecikme ve hizmet garantisi kalitesi gibi zamanlama algoritmalarının teorik temelini tartışır. Yabancı bilim adamları, iş hacmi, hız ve gecikme sağlamak için yüksek performanslı çekirdek anahtarlar ve yönlendiriciler kullanmayı önermişlerdir ve bu algoritmanın giriş ve çıkış bağlantı noktaları üzerinde paralel yürütülmesi ölçeklenebilirdir [3]. Yerli bilim adamları, garantili oranla öncelikli gerçek zamanlı bir programlama algoritması önerdiler [4].
Hızlı sezgisel çizelgeleme algoritması, donanım tarafından uygulanması kolay bir çizelgeleme algoritmasıdır. Esasen uygulanabilirliğinden başlar ve performans değerlendirme göstergeleri olarak küçük çapraz nokta önbelleği, yüksek verimlilik, düşük karmaşıklık ve kolay donanım uygulaması kullanır. CARVAJAL G ve diğerleri, EDF (En Erken Son Tarih) planlama mekanizmasını desteklemek için veri bağlantı katmanının üzerine gerçek zamanlı bir katman eklemeyi önerdiler.Ethernet protokol mimarisinin standardına göre gerçek zamanlı veri paketlerinin kanalda gerçek zamanlı iletim için programlanmasına gerek yoktur [5].
1FC anahtar çip mimarisi
FC anahtar yongası, çok hatlı kart bağlantı noktaları ve MT bağlantı noktaları arasında veri alışverişi sağlayabilen ve FC MAC denetleyicileri ve Zamanlayıcılar gibi yonga üzerindeki kaynakları ve ayrıca anahtar etki alanı kimliği tanımlama arabirimleri, bağlantı durumu göstergeleri ve Çoklu kanallar ve çoklu hızlar altında tam çift yönlü yüksek hızlı seri SerDes arayüzü. Yonga, FC anahtarlarında, FC ağının yüksek hızlı ve engelsiz değişimi, veri izleme, iletişim yapılandırması, saat senkronizasyonu ve ağ yönetimi işlevlerini tamamlamak için kullanılır. Çip, çeşitli görev alt sistemleri arasındaki yüksek hızlı fiber kanal ara bağlantısını hızlı bir şekilde gerçekleştirebilen bir FC fiber kanal anahtarlama ağını kolayca oluşturmak için kullanılabilir. FC anahtar çipinin mimarisi Şekil 1'de gösterilmektedir.
Şekil 2'de gösterildiği gibi, anahtar çipinin izleme işlevi aşağıdaki yönleri içerir:
(1) Giriş bağlantı noktasını izleme veri işlevini destekleyin;
(2) Çıkış portunu izleme veri işlevini destekleyin;
(3) Özel alan çerçeveleri içeren verileri izleme işlevini destekleyin; Şekil 1FC anahtar çip mimarisi
(4) Ağ yönetim düğümü (CPU) ile çerçeve gönderme ve alma işlevini destekleyin;
(5) İlgili çip dahili kayıt yapılandırmasını tamamlamak için izleme ve yönlendirme şemalarının çevrimiçi dinamik yüklemesini destekleyin.
2FC anahtar MT bağlantı noktası çalışma prensibi
FC anahtar çipi MT port modülü, aşağıdaki alt modülleri içerir: veri tamponu yazma kontrol modülü, bilgi kimliği sorgu kontrol modülü, izleme veri tamponu, izleme veri programlama modülü, izleme veri iletim kontrol modülü, ağ yönetimi düğümü veri iletim işleme modülü ve Ağ yönetimi düğümü veri alma ve işleme modülü. Çalışma prensibi Şekil 3'te gösterilmiştir.
MT bağlantı noktası modülü, hat kartı bağlantı noktasına ve ağ yönetimi düğümüne bağlanır. MT bağlantı noktası, veri çerçevelerini hat kartı bağlantı noktasından yalnızca pasif olarak alabilir ve izleme modu, giriş izleme, çıktı izleme ve bilgi kimliği izleme olarak bölünmüştür. Ağ yönetimi düğümü, MT bağlantı noktasıyla iletişim kurabilir ve MT bağlantı noktası, çerçeveleri ağ yönetim düğümünden iletebilir veya alınan ELS çerçevesini ağ yönetimi düğümüne iletebilir. Yapılandırma zaman damgası ekleme ayarını, izleme işlevi ayarını ve bilgi kimliği ara bellek yapılandırmasını ve diğer işlevleri kaydedin.
3FC Anahtarının MT Portunun Tasarımı ve Uygulanması
FC anahtar MT bağlantı noktası tasarımı, bilgi kimliği sorgu kontrol modülü tasarımı, izleme veri arabelleği yazma kontrol modülü tasarımı, izleme veri programlama modülü tasarımı, izleme veri iletim kontrol modülü tasarımı, ağ yönetimi düğümü veri iletim işleme modülü tasarımı ve ağ yönetimi düğümü veri alma işlemlerini içerir Modüler tasarım. Alt modül tasarımı aşağıda ayrıntılı olarak anlatılacaktır.
3.1 Bilgi kimliği sorgu kontrol modülünün tasarımı
Bu modülün tasarım fikri, bilgi kimliğinin geçerliliğini kontrol etmek için özel çerçeve bilgisinin bilgi kimliğini F portundan CAM tablosuna çıkarmaktır. Aynı zamanda, izlenen çerçevenin geçerliliğini belirlemek için CAM tablosunu yasal bilgi ID'si ile sorgulamanın sonucunu MT port bilgisi numara kaydının değeri ile karşılaştırın.
3.2 İzleme veri tamponu yazma kontrol modülünün tasarımı
Bu modülün tasarım fikri, izleme modu, zaman damgası etkinleştirme ve diğer ilgili sinyallerin ayarlarına göre F port MAC istemci portundan gelen sinyal zamanlamasını standart bir FIFO arayüz zamanlamasına dönüştürmek ve aynı zamanda çerçeveye zaman damgası vurmak veya özel bir çerçeve oluşturmaktır. Bilgi kimliği sorgulama talebi ve diğer işlemler.
Bu modül, FC çerçevelerini almak ve işlemek için bir durum makinesi tasarlar Alınan çerçeve içeriğine ve çerçeve tanımlama sinyaline göre çerçeve buna göre işlenir ve işlenen çerçeve karşılık gelen tampona çıkarılır Durum makinesi Şekil 4'te gösterilir. Göstermek.
3.3 İzleme veri planlama modülünün tasarımı
Veri programlama modülü, hat kartı bağlantı noktasının FC veri çerçevesi çıktı talebi ile ağ yönetim düğümü arasındaki öncelikli programlamayı gerçekleştirir ve yoklama önceliği, simülasyon dalga biçimi seviyesinde programlama stratejisini izlemek için tasarımda kullanılır.
Şekil 7 MT bağlantı noktası FPGA platform doğrulama ortamı Hat kartı bağlantı noktasının ve ağ yönetim düğümünün çerçeve çıktı önceliği programlaması bir durum makinesi tarafından tamamlanır. Veri programlama modülünün durum makinesi Şekil 5'te gösterilmektedir. Durum makinesinin N + 3 durumu vardır, yani Boşta durumu, P_0 durumu ~ P_N + 1 durumu; P_0 ~ P_N durumu, N + 1 yol kartı bağlantı noktalarına karşılık gelir ve P_N + 1, 1 ağ yönetim düğümüne karşılık gelir.
3.4 İzleme veri aktarım kontrol modülünün tasarımı
MT portu MAC çerçeve iletim kontrol modülü, izleme verisi FIFO'daki FIFO arayüzünün veri sinyalini MAC istemci iletim arayüzüne dönüştürmenin zaman sırasını gerçekleştirir ve çerçeveyi MT portu MAC'e gönderir.
3.5MT bağlantı noktası çerçevesi gönderme ve işleme modülü tasarımı
Veri işleme modülünü gönderen MT bağlantı noktası çerçevesine ağ yönetim düğümü, ağ yönetim düğümünden gönderilecek olan veri çerçevesinin depolama işlemini tamamlar.
3.6 MT bağlantı noktası çerçevesi alma ve işleme modülü tasarımı
MT bağlantı noktası çerçevesi alan kontrol modülü, veri çerçevelerinin filtrelenmesini, alma ve depolama işlevlerini gerçekleştirir ve ELS olmayan çerçevelerin atılmasını belirleyebilir ve gösterebilir. Bu modülün işlevi, MT portu tarafından alınan ELS çerçevesini, alınan çerçeve içeriğine ve çerçeve tipi tanımlama sinyaline göre kontrol etmektir, veri çerçevesi karşılık gelen tamponda depolanır veya atılır (ELS olmayan çerçeve).
4FC anahtar MT bağlantı noktası simülasyon doğrulaması
4.1 MT bağlantı noktası sanal platform simülasyonu
Sınırlı alan nedeniyle, aşağıdaki yalnızca bilgi kimliği izleme senaryosundan elde edilen sanal simülasyon dalga biçimini analiz eder ve açıklar.
Ağ yönetimi düğümü, izleme modu kayıt değerini 0x3 olarak yapılandırır ve bu, bilgi kimliği izleme modunu temsil eder; CAM tablosundaki izlenmesi gereken özel alanın değerini yapılandırır. Hat kartı bağlantı noktasına farklı FC çerçeveleri girin ve çerçeve içeriğinde eşleşebilecek bazı özel alanlar vardır ve bazıları eşleştirilemez. Simülasyon sonucu Şekil 6'da gösterilmektedir.
Şekil 6'dan CAM konfigürasyon tablosundaki son özel alanın değerinin 0x100 olduğu ve MT portu tarafından izlenen veri çerçevesinin özel alan bilgisini de içerdiği görülebilmektedir.
4.2 FC anahtarı MT bağlantı noktası FPGA platform doğrulaması
4.2.1 FPGA doğrulama platformunun ortamı
FPGA prototip doğrulama kartı, tüm prototip doğrulama sisteminin çekirdeğidir.FC anahtar protokolü işleme çipinin prototip doğrulama kartı, anahtar çipi FPGA prototipinin tüm temel işlevlerinin ve sistem işlevlerinin testini ve doğrulanmasını tamamlayabilir. Anahtar çip sisteminin entegre RTL kodu, FPGA araçları tarafından sentezlenir ve gerçekleştirilir ve gerçek anahtar çipinin işlevini gerçekleştirmek için FPGA çipine indirilir. Bu araştırmada oluşturulan MT bağlantı noktası FPGA platform doğrulama ortamı Şekil 7'de gösterilmektedir.
4.2.2 FPGA doğrulama platformu testi
Optik fiber bağlantı üzerindeki FC çerçeve iletimini izlemek için Finisar test cihazını MT bağlantı noktasının fiber optik bağlantısına bağlayın. Fiber bağlantı çevrimiçi olduktan sonra, yakalanan veri paketi Finisar test cihazında analiz edilebilir ve analiz sonucu Şekil 8'de gösterilir.
Şekil 8, MT bağlantı noktasının, bilgi kimliği izleme modunda hat kartı bağlantı noktası 0'dan hat kartı bağlantı noktası 1'e gönderilen verileri izlediğini göstermektedir CAM tablosu yapılandırmasının değeri, mantıksal tasarımda 256'lık CAM tablosu derinliğine karşılık gelen 16'h1 ila 16'h100 arasında değişir. . İzleme aralığına ait olan bu çerçevenin MSGID değeri 4'tür, bu nedenle MT portunda doğru şekilde izlenebilir. TYPE alanı 0x49 ve CSCTL alanı 0x04 olup, çerçevenin bir ASM çerçevesi olduğunu ve önceliğin 4 olduğunu gösterir. Bilgi veri uzunluğu değeri 16h5F3tür ve ondalığa dönüştürüldüğünde 1523 olur ve MT tarafından izlenen çerçevenin ultra uzun bir çerçeve olduğunu belirtir.
Giriş verilerini izleme modu, MT bağlantı noktasının yalnızca bir hat kartı bağlantı noktasını izlemesidir; bilgi kimliği izleme modu, hat kartı bağlantı noktasının giriş verileri ve CAM tablosunda yapılandırılan hassas bilgiler üzerinde MSGID sorgu kontrolü gerçekleştirebilen özel bir giriş veri izleme modudur. CAM tablosu sorgusu başarıyla eşleşirse, çerçeve MT bağlantı noktasına yansıtılacaktır. Yukarıdaki sonuçların analizi, MT bağlantı noktasının FPGA prototip doğrulama kartında doğru şekilde çalışabileceğini göstermektedir.
4.2.3 Trafik istatistiklerini izleme
FC çerçevesinin en kısa çerçevesi 9 alandır ve en uzun çerçeve 537 alandır, bunlardan 1 alanı 4 B'ye eşittir ve FC'ye karşılık gelen veri aralığı 36 B ~ 2148 B'dir. İzlenen trafiğin istatistiklerini kolaylaştırmak için, FC çerçeve uzunluğu doğrulama sırasında 256 alan, yani 1 KB veri alır. FC bağlantısının hızının 2 Gb / s olduğu, yani bant genişliğinin 2 Gb / s olduğu varsayıldığında, kullanıcı özel bant genişliğine sahip olduğunda trafik 200 MB / s olmalıdır. Hesaplama yöntemi aşağıdaki gibidir:
Akış = bant genişliği × 1000 × 0.8 / 8
0,8 kodlama faktörü, 8b / 10b dönüştürme sırasında bant genişliği kullanım oranıdır Veri 8 bit ise, veri 8b / 10b kodlamadan sonra 10 bitlik veriye genişletilir ve bant genişliği kullanım oranı% 80'dir. Dönüştürme faktörü 8, 8 bitlik verilerin 1 B verilerine dönüştürülmesini temsil eder.
Bu makalede, kullanıcının maksimum özel bant genişliği trafiği 212,5 MB / sn'dir. Tam çift yönlü hatasız hız testi, FPGA doğrulama platformunda yapılır. Hat kartı bağlantı noktası tarafından enjekte edilen veriler, Tablo 1'de gösterildiği gibi özel alanlara sahip çerçeve verileri içerir. .
Aşağıda özel bir veri aktarım yöntemi verilmiştir: Hat kartının giriş bağlantı noktası benzersizdir, hedef bağlantı noktası 0 ve 1'dir ve hedef bağlantı noktasına gönderilen veri çerçevelerinin oranı sırasıyla yaklaşık% 20 ve% 80'dir. MT bağlantı noktası izleme trafiği tabloda gösterilmiştir 2 gösterilmektedir. İzleme trafiği istatistikleri tablosunun analizine göre, giriş veri portu sadece olduğunda, verilerin% 20 ve% 80'i 0 ve 1 numaralı hat kartı portlarına çıkarılır ve port hızları sırasıyla 41 MB / s ve 169 MB / s'dir. Bilgi kimliği izleme, yalnızca tüm verilerde özel alanlara sahip çerçeve bilgilerini izler, bu nedenle burada ayrıntılı analiz yapılmayacaktır. Tam çift yönlü engelsiz anahtarlama modunda, bağlantı noktası çıkışı 425 MB'dir.
5. Sonuç
Şu anda, bu FC anahtar protokolü işleme yongasının MT bağlantı noktası yazılım çekirdeğinin sanal doğrulaması tamamlanmıştır ve FPGA platformundaki test, yonganın iyi çalıştığını kanıtlamaktadır. MT port yumuşak çekirdeğinin tasarımından ve uygulamasından, bir sonraki sürüm için ve diğer ilgili yongaların geliştirilmesi için belirli bir referans sağlayabilir ve akıllı izleme teknolojisi, geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir.
Referanslar
[1] Luo Ye, F AERDMA teknolojisinin araştırılması ve gerçekleştirilmesi D Chengdu: Çin Elektronik Bilimi ve Teknolojisi Üniversitesi, 2010.
[2] Lin Qiang, Xiong Huagang, Zhang Qishan Fiber Kanala Genel Bakış J. Bilgisayarların Uygulama Araştırması, 2006, 23 (2): 913.
3 CHUANG S T, IYER S, MCKEOWN N. Arabellekli çapraz çubuklarda performans garantileri için pratik algoritmalar J. IEEE INFOCOM, 2005, 2 (7): 981991.
4 Huang Yongkui Fiber Kanal Standardı ve Aviyonikte Uygulanması J Av. Aviyonik Teknolojisi, 2004, 34 (4): 112.
5 CARVAJAL G, WU C W, FISCHMEISER S. Anahtarlamalı gerçek zamanlı Ethernet için iletişim mimarilerinin değerlendirilmesi J. Bilgisayarlarda IEEE İşlemleri, 2014,63 (1): 218229.
