CN102098216B

CN102098216B - 一种基于共享存储的航空全双工交换式以太网afdx协议交换引擎

Info

Publication number: CN102098216B
Application number: CN2010106001531A
Authority: CN
Inventors: 高磊; 沈磊; 庄国万; 张效赢
Original assignee: China Aeronautical Radio Electronics Research Institute
Current assignee: China Aeronautical Radio Electronics Research Institute
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2030-12-21
Also published as: CN102098216A

Abstract

本发明公开了一种基于共享存储的AFDX协议交换引擎，该交换引擎包括交换端口、共享存储交换结构、虚拟链路配置表、MIB模块、全局计数器、共享缓存存储器访问接口和交换机终端接口。本发明提供的交换引擎可被广泛用于现有国内外军/民用飞机航电总线的研发，具有显著的市场前景和经济效益。

Description

一种基于共享存储的航空全双工交换式以太网AFDX协议交换引擎

技术领域

本发明涉及航空通信网络技术，具体涉及一种AFDX协议交换引擎。

背景技术

航空全双工交换式以太网(Avionic Full-Duplex Switched Ethernet，AFDX/ARINC 664)是在航电系统中用于信息传输的确定性飞机数据网路总线。航空全双工交换式以太网络采用标准的IEEE802.3技术，采用的以太网硬件设备、电缆和测试设备已有大量COTS产品被广泛应用和验证，从而降低了飞机数据总线网络的成本。

根据ARINC664规范，AFDX交换机与商用以太网交换机主要有以下几点不同：

1)支持基于虚拟链路(Virtual Link，简称VL)的单播和组播；

2)支持基于虚拟链路的流量控制策略；

3)支持基于虚拟链路的两种优先级设置；

4)支持基于端口的数据缓冲空间大小配置；

5)交换机的交换过程具有确定的可预计延迟时间；

6)拥有一个符合AFDX规范的终端接口。

这些不同之处决定了AFDX交换芯片的交换结构与商用交换芯片的交换结构不完全相同。首先商用交换芯片的路由表变成了固定的虚拟链路配置表，路径选择要根据虚拟链路信息实现单播和多播功能，其次AFDX交换芯片添加了基于虚拟链路的流量策略控制和优先级机制。同时AFDX交换芯片交换结构的设计要保证帧在传递过程中具有可确定的延时。

交换机交换芯片内部结构设计可分为基于输入队列和基于输出队列(共享存储)两种结构。基于输入队列的交换机结构为每个输入端口都设置有缓冲区。输入端口进入的数据帧先缓存于输入端口缓冲区中，形成通信输入队列。交换机的交换控制逻辑根据输出端口的状态，异步地从输入队列中取出数据帧，从交换机的交换实体中，转发输出；基于输出队列的交换机结构为每个输出端口都设置有输出缓冲区。输入端口进入的数据帧，直接通过交换控制逻辑，进入输出端口的输出缓冲区中，形成通信输出队列。交换机的输出端口异步地从输出队列中取出数据帧，从通信端口中输出，实现数据交换。输出队列交换机结构通常采用共享存储方式来实现。

输入队列交换机结构和输出队列交换机结构通信机制基本相同，实现过程具有很多相似之处。不同之处，主要体现在缓冲区的位置不同。输入队列交换机和输出队列交换机的比较如表1所示。表中N为交换机的端口数。

从表1可见，输出队列交换机结构具有系统吞吐量高、通信实时性好等优点。但是，输出队列交换机的共享存储器要求达到2*N*B的通信带宽，N为交换机的端口数，B为链路带宽。

表1交换机结构的比较

AFDX交换机是网络的关键组成部分，而AFDX交换机的研制则离不开AFDX协议交换引擎的设计。

交换引擎一般有几种设计结构，一种是基于高速总线的交换结构，这种结构的交换机在多个输入端口向同一个输出端口发送数据时，容易产生缓冲区溢出问题；另一种是基于输入队列的交换结构，这种结构的交换机具有阻塞问题，影响交换机的系统吞吐量。

发明内容

本发明针对现有交换引擎所存在的缺陷，而提供一种新型的AFDX协议交换引擎，该AFDX协议交换引擎采用了基于共享内存的交换结构。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种基于共享存储的AFDX协议交换引擎，所述交换引擎包括交换端口、共享存储交换结构、虚拟链路配置表、MIB模块、全局计数器、共享缓存存储器访问接口和交换机终端接口；

所述交换端口接收来自物理层的数据帧并送入接收缓存，所述交换端口接收来自共享存储交换结构的待发送数据帧并送入数据发送通道，最后将数据帧送入物理层芯片；所述交换端口对接收缓存中的数据帧进行链路层校验，并根据接收数据帧的虚拟链路号查找所述虚拟链路配置表中相关信息，实现ARINC664规范要求的帧过滤功能和流量控制；

所述共享存储交换结构从所述交换端口接收合法数据及其转发信息和优先级信息进行支持两级优先级的线速转发；

所述虚拟链路配置表保存基于虚拟链路的数据转发、优先级、帧过滤和流量控制所需要的相关信息，并由交换机终端负责加载更新；

所述全局计数器与所述共享存储交换结构进行数据交换，记录交换芯片内部的全局时间；

所述MIB模块与所述共享存储交换结构进行数据交换，记录交换引擎在数据转发过程中产生的各种转发信息和交换引擎的状态信息；所述MIB模块记录的信息由交换机终端来读取，并通过SNMP协议上报给网络管理机；

所述共享缓存存储器访问接口由所述共享存储交换结构调用，实现对外部存储器的访问控制；

所述交换机终端接口实现所述MIB模块、共享存储交换机构以及虚拟链路配置表与交换机终端的数据交换；

在本发明的优选实例中，所述交换端口包括MAC模块、虚拟链路表访问接口、帧过滤和流量控制模块、发送缓存单元、接收缓存和调度单元、发送共享存储器接口、接收共享存储器接口，

所述MAC模块分别与所述发送缓存单元和接收缓存和调度单元进行数据交换，用于以太网链路层的数据帧接收和发送；

所述虚拟链路表访问接口分别与所述帧过滤和流量控制模块、接收缓存和调度单元进行数据交换，用于实现对虚拟链路表的读取和修改；

所述帧过滤和流量控制模块与所述接收缓存和调度单元进行数据交换，根据接收缓存中的数据帧的相关信息完成链路层校验、过滤和流量控制；

所述接收缓存和调度单元用于完成虚拟链路配置表中相关信息的查找和流量控制的调度；

所述发送缓存模单元用于接收来自共享存储交换结构待发送的帧；

所述发送共享存储器接口与所述发送缓存模单元交换数据，用于实现与共享存储交换结构交换数据；

所述接收共享存储器接口与所述接收缓存和调度单元交换数据，用于实现与共享存储交换结构交换数据。

所述共享存储交换结构包括串-并转换模块、并-串转换模块、时钟分片单元、共享存储器控制器、共享存储器、空地址指针队列、多播计数单元、输出队列端口和输入输出调度器。

进一步的，所述共享存储器为外部SRAM存储单元。

进一步的，所述输出队列端口的输出队列中设置两组优先级队列，分别代表高优先级队列和低优先级队列。

根据上述技术方案得到的交换引擎可以满足AFDX协议要求的，并且具有以下优点：

1.满足任意端口的全线速数据转发；

2.支持基于虚拟链路的单播和组播；

3.支持基于虚拟链路的流量控制策略；

4.支持基于虚拟链路的两种优先级设置；

5.支持基于端口的数据缓冲空间大小配置；

6.交换引擎的交换过程中具有确定的可预计延迟时间；

7.拥有一个符合AFDX规范的终端接口；

8.无缓冲区溢出和队列阻塞问题，系统吞吐量高。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为常规基于共享存储器的交换结构框图。

图2为本发明的结构框图。

图3为本发明中交换端口逻辑框图。

图4为本发明中共享存储交换结构框图。

图5为两级优先级的输出端口逻辑框图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明依据对AFDX交换机的特性分析和仿真，其所提供的AFDX协议交换引擎采用了基于共享存储的交换结构。在AFDX交换引擎中选用基于共享存储的交换结构具有以下优势：

1)共享存储器结构对多播具有很好的支持；

2)共享存储器结构可以保证确定性的延时；

3)共享存储器结构支持变长包的转发；

4)在10M/100M带宽的情况下，可以满足共享存储器结构所需的转发带宽要求。

参见图1，常规的基于共享存储器的交换结构主要由空闲地址指针队列、存储控制器、共享存储器、输出队列和输出队列调度器等组成。

基于共享存储器的交换结构的工作方式如下所述：

在输入端，当输入端有数据帧到来时，输入端发出请求，调度器以时钟片轮询的方式做出仲裁。

获得控制权的输入端从空闲地址指针队列中取出一个空地址，将帧数据写入该空地址所指向的共享存储器空间，并将这个空地址和其他相关信息写入对应输出端口的输出队列中。

在输出端，调度器同样以时钟轮询的方式从每一个端口非空的输出队列中读出被缓存的帧的存储地址和其他信息，根据存储地址从共享存储器中读出帧数据并向输出端口发送。

基于上述原理，本发明提供一种基于共享存储的AFDX协议交换引擎。

参见图2，交换引擎主要组成部分包括交换端口、共享存储交换结构、虚拟链路配置表、MIB模块、全局计数器、共享缓存存储器访问接口和交换机终端接口。

交换端口：它主要负责完成以下三个功能：

a)接收来自物理层的数据帧并送入接收缓存；

b)接收来自交换结构的待发送数据帧并送入数据发送通道，最后将数据帧送入物理层芯片；

c)对接收缓存中的数据帧进行链路层校验，包括是否超过以太网最大长度、是否小于以太网最小长度、CRC错误和非整字节对齐错误，其次根据接收数据帧的虚拟链路号查找虚拟链路配置表相关信息实现ARINC664规范要求的帧过滤功能和流量控制。

共享存储交换结构：负责从交换端口接收合法数据及其转发信息和优先级信息进行支持两级优先级的线速转发；

虚拟链路配置表：保存了基于虚拟链路的数据转发、优先级、帧过滤和流量控制所需要的关键信息，由交换机终端负责加载更新；

全局计数器：AFDX交换引擎要根据帧间隔时间做出流量控制策略，还要在输出时判断帧的最大延时时间没有超过要求，同时交换引擎要实现交换机与网络系统的时间同步，所以交换引擎需要一个全局计数器来记录芯片内部的全局时间，可以用来计算帧间隔时间和帧在存储器中等待的最大延时；

MIB模块：记录了交换引擎在数据转发过程中产生的各种转发信息和交换引擎本身的状态信息，由交换机终端来读取这些信息并通过SNMP协议上报给网络管理机；

共享缓存存储器访问接口：实现了对外部存储器的接口访问控制功能，由交换结构调用；

交换机终端接口：实现了管理处理器和交换引擎的访问接口，实现MIB模块、共享存储交换机构以及虚拟链路配置表与交换机终端的数据交换。处理器通过该接口实现对交换机的配置和MIB信息的读取。

在本发明的交换引擎中，交换端口和交换结构模块完成了AFDX协议交换引擎核心的流量管理、多优先级和线速转发等功能。

其中交换端口包括链路层协议模块和与交换结构的接口。交换端口要完成以下几个功能：

1)数据接收：输入的数据帧经过PHY的RMII接口送入到MAC层。MAC层接收到有效数据帧后，通过数据接收通道，送入到接收缓存中。

2)链路层数据校验：对接收缓存中的数据帧进行链路层校验，包括：

帧的长度在以太帧的要求范围(64-1518字节)；

帧CRC校验；

帧整字节对齐校验。

3)帧过滤和流量控制：实现ARINC664规范要求的帧过滤功能和流量控制。从接收缓存区中通过链路层校验的帧头中获取虚拟链路号，通过虚拟链路号查找虚拟链路表中的相关信息，包括进入端口号，转发端口信息、允许的流量值、上一次数据帧时间计数器、虚拟链路帧长度范围等，根据信息对数据帧进行过滤检查，符合规则的帧被转发，否则该帧丢弃。过滤和流量控制包括：

检查帧的目的地址格式是否有效，包括帧的32位固定位；

判断目的端口处于工作状态；

帧的流量是否超过允许范围；

帧是否来自规定的交换端口；

帧的长度小于等于Smax(该虚拟链路规定的最大字节数)；

帧的长度大于等于Smin(该虚拟链路规定的最小字节数)。

4)数据发送：交换结构将待发送的数据帧及其长度等信息送入MAC层。MAC层通过数据发送通道，采用RMII接口将数据帧送入PHY中。

参见图3，本发明中的交换端口包括MAC模块、虚拟链路表访问接口、帧过滤和流量控制模块、发送缓存单元、接收缓存和调度单元、发送共享存储器接口、接收共享存储器接口。

1)MAC模块：负责以太网链路层的数据帧接收和发送。可以省略掉普通MAC控制器中的流量控制模块。它通过RMII接口与片外的PHY芯片通讯；其分别与发送缓存单元和接收缓存和调度单元进行数据交换。

2)虚拟链路表访问接口：根据虚拟链路号对虚拟链路表的读取和修改接口；其分别与帧过滤和流量控制模块、接收缓存和调度单元进行数据交换。

3)帧过滤和流量控制模块：根据帧的相关信息完成链路层校验和过滤和流量控制；其与接收缓存和调度单元进行数据交换。

4)接收缓存和调度单元：完成虚拟链路配置表中相关信息的查找和流量控制的调度。

5)发送缓存单元：接收来自交换结构待发送的帧。

6)发送共享存储器接口：负责与共享存储交换结构交换数据；其与发送缓存单元交换数据。

7)接收共享存储器接口：负责与共享存储交换结构交换数据；其与接收缓存和调度单元交换数据。

基于上述方案形成的交换端口，其实现流量控制的实现方法如下：

AFDX交换机要根据帧间隔时间(时间信用量)做出流量控制策略，所以系统需要一个全局计数器来记录系统时间，用来计算同一虚拟链路两帧帧间隔时间。假设计数器为48位，每一个时钟周期增加一次。一个周期为20ns，2^48*20ns约为65天，保证交换机在使用过程中不会出现重复计数。

表2给出了虚拟链路配置表中跟流量控制相关的部分。

表2

上一帧时间计数器：记录了该虚拟链路上一帧的时间戳，从全局计数器中取得；

帧允许信用量Smax：在交换引擎工作过程中为固定值。表示允许该虚拟链路通过的最小信用量值。该值ARINC664规定的BAG；

帧信用量余量ACmax：在交换引擎工作过程中为固定值。表示允许该虚拟链路通过的最小信用量值加上抖动(Jitter)的值；

帧信用量余量ACremain：记录了该虚拟链路上一帧通过后所剩的信用量余量，可以在交换引擎工作过程中更改。

流量控制根据ARINC664协议要求采用了漏桶算法。下面给出了结合虚拟链路配置表中相关信息采用基于帧的流量(信用量)控制计算过程。

当每一帧到达交换引擎时，根据该帧的虚拟链路号读取虚拟链路配置表中的相关信息。利用当前全局时间计数器减去配置表中读出的上一帧时间计数器再加上该虚拟链路的帧信用量余量ACremain，计算得到AC_i，代表同一虚拟链路两帧时间间隔余量，这样就得到了帧的当前信用量，进而可以采用下面三个策略：

(1)如果当前信用量AC_i小于Smax，则该帧丢弃。该虚拟链路的虚拟链路配置表中的流量控制信息保持不变；

(2)如果当前信用量AC_i大于Smax小于ACmax，帧可以转发。回写该虚拟链路的虚拟链路配置信息，将虚拟链路的上一帧时间计数器值修改为当前全局计数器的计数值，帧信用量余量ACremain值修改为AC_i减去Smax；

(2)如果当前信用量AC_i大于ACmax，帧可以转发，回写该虚拟链路的虚拟链路配置信息，将虚拟链路的上一帧时间计数器值修改为当前全局计数器的计数值，帧信用量余量ACremain值修改为帧信用量余量ACmax减去Smax。

本发明中的共享存储交换结构主要完成支持优先级的帧的存储转发功能。如图4所示，其包括串-并转换模块、并-串转换模块、时钟分片单元、共享存储器控制器、地址管理单元、输出队列端口和输入输出队列调度器。

其中，共享存储器为外部SRAM存储单元。

上述共享存储交换结构具体实施时，由于以太网的数据帧最长为1518字节，为了便于实现，可将共享存储器划分为若干2Kbytes大小的存储块，地址管理单元就负责这些存储块的分发和回收。

地址管理单元主要包含空地址队列和多播计数单元。空地址指针队列保存了当前所有未使用的存储块地址，而多播计数单元则记录了已使用存储块的多播扇出信息。

输出队列端口中的输出队列的容量取决于外部存储器的大小，每一个输出端口都包含了两路输出队列，分别存储高优先级和低优先级帧信息。输出队列的每一项保存了数据帧所占用的存储块地址和帧长度等信息。

输入输出调度器采用了时钟片轮循的机制为每个输入和输出端口进行调度管理，包括空存储块的分配，共享存储器的访问控制，输出队列的访问控制等。

上述方案形成的共享存储交换结构的工作方式与前述的常规共享存储交换结构的工作方式相同，此处不加以赘述。

本发明中的共享存储交换结构的多播工作方式如下：

共享存储交换结构在为全局共享存储器维护一个空地址指针队列的基础上，还维护一个多播计数单元。在输入端，当输入的数据帧为多播帧，它在获得一个空地址后，在多播计数单元的相应位置写入多播的扇出个数。

在输出端，当从输出队列中读出一帧信息并转发时，根据其存储地址从多播计数单元中读出多播计数个数并减一，当多播计数个数计为0时，表明该存储块对应的所有多播扇出都被正常转发后，将该存储块地址送入空地址指针队列中。在这种情况下，单播即为多播扇出为1的特例。

交换结构同时还负责记录各个输入端口的服务情况(占用共享存储器的大小等)，输出队列的服务情况(输出队列的帧个数等)、输出端口工作状态(是否正常工作等)和其它一些状态信息。

参见图5，本发明提供的交换引擎采用了高、低优先级队列来实现优先级排队。在每个输出队列端口的输出队列中设置两组优先级队列，分别代表高优先级队列和低优先级队列。在端口的通信调度过程中，采取严格的高优先级优先传输的机制，即只要高优先级队列中存在数据，则优先从高优先级队列中取出数据进行转发，只有在高优先级队列中没有数据，才从低优先级队列中查找数据，这样就保证在交换芯片内部，高优先级数据包总是可以得到优先传输。

AFDX交换机是AFDX网络的关键组成部分，而AFDX交换机的研制则离不开AFDX协议交换引擎的设计。故本发明可被广泛用于现有国内外军/民用飞机航电总线的研发，具有显著的市场前景和经济效益。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种基于共享存储的航空全双工交换式以太网AFDX协议交换引擎，其特征在于，所述交换引擎包括交换端口、共享存储交换结构、虚拟链路配置表、MIB模块、全局计数器、共享缓存存储器访问接口和交换机终端接口；

所述交换端口接收来自物理层的数据帧并送入接收缓存和调度单元，所述交换端口接收来自共享存储交换结构的待发送数据帧并送入数据发送通道，最后将数据帧送入物理层芯片；所述交换端口对接收缓存和调度单元中的数据帧进行链路层校验，并根据接收数据帧的虚拟链路号查找所述虚拟链路配置表中相关信息，实现ARINC664规范要求的帧过滤功能和流量控制；

所述交换机终端接口实现所述MIB模块、共享存储交换机构以及虚拟链路配置表与交换机终端的数据交换。

2.根据权利要求1所述的一种基于共享存储的航空全双工交换式以太网AFDX协议交换引擎，其特征在于，所述交换端口包括MAC模块、虚拟链路表访问接口、帧过滤和流量控制模块、发送缓存单元、接收缓存和调度单元、发送共享存储器接口、接收共享存储器接口，

所述帧过滤和流量控制模块与所述接收缓存和调度单元进行数据交换，根据接收缓存和调度单元中的数据帧的相关信息完成链路层校验、过滤和流量控制；

所述发送缓存单元用于接收来自共享存储交换结构待发送的帧；

所述发送共享存储器接口与所述发送缓存单元交换数据，用于实现与共享存储交换结构交换数据；

3.根据权利要求1所述的一种基于共享存储的航空全双工交换式以太网AFDX协议交换引擎，其特征在于，所述共享存储交换结构包括串-并转换模块、并-串转换模块、时钟分片单元、共享存储器控制器、共享存储器、空地址指针队列、多播计数单元、输出队列端口和输入输出调度器。

4.根据权利要求3所述的一种基于共享存储的航空全双工交换式以太网AFDX协议交换引擎，其特征在于，所述共享存储器为外部SRAM存储单元。

5.根据权利要求3所述的一种基于共享存储的航空全双工交换式以太网AFDX协议交换引擎，其特征在于，所述输出队列端口的输出队列中设置两组优先级队列，分别代表高优先级队列和低优先级队列。