張志禹1，許耀斌1,曹繼英2，喬雄1

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

        摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，FC交換機(jī)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(jī)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(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；最后在虛擬仿真平臺和FPGA驗(yàn)證平臺下對MT端口的功能和性能分別進(jìn)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(jì)。

　　關(guān)鍵詞：FC交換機(jī)；MT端口；虛擬仿真；FPGA驗(yàn)證

　　中圖分類號：TN47文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2016.24.011

　　引用格式：張志禹，許耀斌,曹繼英，等. FC交換機(jī)芯片MT端口軟核的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35（24）：36-39.

0引言

　　美國國家標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)以及連接距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)［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(xué)者對交換結(jié)構(gòu)及其調(diào)度算法進(jìn)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(shí)延、服務(wù)質(zhì)量保證等性能。國外學(xué)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(shí)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(kuò)展性［3］。國內(nèi)學(xué)者提出一種保證速率的優(yōu)先級實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)的調(diào)度算法，主要從其實(shí)用性出發(fā)，以交叉點(diǎn)小緩存、高效、低復(fù)雜度、硬件易實(shí)現(xiàn)作為性能評價(jià)指標(biāo)。CARVAJAL G等人提出了在數(shù)據(jù)鏈路層之上添加實(shí)時(shí)層以支持EDF(Earliest Deadline First)調(diào)度機(jī)制，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包無需按照以太網(wǎng)協(xié)議架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)在通道內(nèi)實(shí)時(shí)調(diào)度傳輸［5］。

1FC交換機(jī)芯片的體系結(jié)構(gòu)

　　FC交換機(jī)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(jī)域ID標(biāo)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(jī)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(shí)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(shí)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(jī)芯片的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　如圖2所示，交換機(jī)芯片的監(jiān)控功能包括以下幾個(gè)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1FC交換機(jī)芯片體系結(jié)構(gòu)

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

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

2FC交換機(jī)MT端口工作原理

　　FC交換機(jī)芯片MT端口模塊中包含以下子模塊：監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)緩沖區(qū)寫控制模塊、信息ID查詢控制模塊、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)緩沖區(qū)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)調(diào)度模塊、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送控制模塊、網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送處理模塊以及網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)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(diǎn)相連。MT端口只能被動(dòng)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)。寄存器配置有時(shí)標(biāo)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。

3FC交換機(jī)MT端口設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　FC交換機(jī)MT端口設(shè)計(jì)包含信息ID查詢控制模塊設(shè)計(jì)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)緩沖區(qū)寫控制模塊設(shè)計(jì)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)調(diào)度模塊設(shè)計(jì)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送控制模塊設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送處理模塊設(shè)計(jì)以及網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)接收處理模塊設(shè)計(jì)。下面將分別對子模塊設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)描述。

　　3.1信息ID查詢控制模塊的設(shè)計(jì)

　　該模塊的設(shè)計(jì)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(jìn)行信息ID的合法性檢測。同時(shí)，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(jìn)行比較，判斷被監(jiān)控幀的有效性。

　　3.2監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)緩沖區(qū)寫控制模塊的設(shè)計(jì)

　　該模塊的設(shè)計(jì)思路是根據(jù)監(jiān)控模式、時(shí)標(biāo)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(shí)序轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的FIFO接口時(shí)序，同時(shí)，對幀進(jìn)行時(shí)標(biāo)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(jì)了對FC幀的接收處理狀態(tài)機(jī)，根據(jù)接收到的幀內(nèi)容及幀標(biāo)識信號，將幀進(jìn)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(jī)如圖4所示。

　　3.3監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)調(diào)度模塊的設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)調(diào)度模塊實(shí)現(xiàn)了線卡端口和網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)的FC數(shù)據(jù)幀輸出請求之間的優(yōu)先級調(diào)度，設(shè)計(jì)中采用輪詢優(yōu)先圖6信息ID監(jiān)控仿真波形級調(diào)度策略。

　　圖7MT端口FPGA平臺驗(yàn)證環(huán)境線卡端口及網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)的幀輸出優(yōu)先級調(diào)度用狀態(tài)機(jī)來完成。數(shù)據(jù)調(diào)度模塊狀態(tài)機(jī)如圖5所示。狀態(tài)機(jī)有N+3個(gè)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(diǎn)。

　　3.4監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送控制模塊的設(shè)計(jì)

　　MT端口MAC幀發(fā)送控制模塊實(shí)現(xiàn)了將監(jiān)控?cái)?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(shí)序，將幀發(fā)送到MT端口MAC中。

　　3.5MT端口幀發(fā)送處理模塊設(shè)計(jì)

　　網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)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(diǎn)待發(fā)送數(shù)據(jù)幀的存儲操作。

　　3.6MT端口幀接收處理模塊設(shè)計(jì)

　　MT端口幀接收控制模塊實(shí)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(jìn)行控制，根據(jù)接收到的幀內(nèi)容及幀類型標(biāo)識信號，將數(shù)據(jù)幀存入相應(yīng)緩沖區(qū)或丟棄（非ELS幀）。

4FC交換機(jī)MT端口仿真驗(yàn)證

　　4.1MT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(jìn)行分析說明。

　　網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)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(gè)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。

　　4.2FC交換機(jī)MT端口FPGA平臺驗(yàn)證

　　4.2.1FPGA驗(yàn)證平臺的環(huán)境

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

　　4.2.2FPGA驗(yàn)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(jìn)行解析，解析結(jié)果如圖8所示。

　　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(jì)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(jìn)制時(shí)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(gè)線卡端口進(jìn)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(jìn)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(yàn)證板上正確工作。

　　4.2.3監(jiān)控流量統(tǒng)計(jì)

　　FC幀最短幀為9個(gè)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)，驗(yàn)證時(shí)FC幀長度取256個(gè)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(dú)享帶寬時(shí)流量應(yīng)為200 MB/s。計(jì)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(shí)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(kuò)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(dú)享帶寬的流量為212.5 MB/s，在FPGA驗(yàn)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。

　　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(jì)表分析可得，輸入數(shù)據(jù)端口唯一時(shí)，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(xì)分析。全雙工無阻交換模式下，端口吞吐量為425 MB。

5結(jié)論

　　目前這款FC交換機(jī)協(xié)議處理芯片的MT端口軟核虛擬驗(yàn)證工作已經(jīng)完成，F(xiàn)PGA平臺上的測試證明該芯片運(yùn)行良好。從MT端口軟核設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上來說，可對下一個(gè)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。

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