CN102377778A - 一种基于以太网的远程非对称端通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于以太网的远程非对称端通信方法，要解决的技术问题是提供一种基于以太网的非对称端通信方法，实现外部控制器与基于FPGA且无CPU的弱智能网络设备之间的远程通信。该方法提出一种外部控制器与基于FPGA且无CPU的弱智能网络设备之间的基于以太网的通信框架，定义外部控制器与基于FPGA且无CPU的弱智能网络设备进行交互的通信协议，定义交互命令类型、格式和报文封装等，实现外部控制器与基于FPGA且无CPU的弱智能网络设备之间的远程通信。通过本方法，用户可以在网络中部署基于FPGA且无CPU的弱智能网络设备，利用外部控制器实现对基于FPGA且无CPU的弱智能网络设备的远程管理配置，对基于FPGA的网络开发应用有重要意义。

Description

一种基于以太网的远程非对称端通信方法

技术领域

本发明涉及计算机网络技术领域，具体涉及基于以太网的远程非对称端通信方法。

背景技术

基于FPGA的方法开发设计的网络设备受到网络研究者的广泛关注。FPGA逻辑可重构的特性为网络设备原型的快速开发、网络功能的测试和验证等提供了更为灵活的开发设计方法。但是，相对于CPU复杂的运算和控制而言，FPGA只能实现顺序的或基于状态机的逻辑功能，具有弱智能性；另一方面，FPGA受限于片上资源和处理能力，在FPGA中实现复杂的状态控制开销巨大，而网络设备的功能往往是复杂且不确定的，这些都给基于FPGA的开发设计带来了困难。目前，在基于FPGA的网络设备设计中，为了简化FPGA的逻辑复杂度而采取的一种方法是在硬件平台中以FPGA为核心实现网络设备的逻辑功能，利用外部控制器中的CPU来实现对基于FPGA且无CPU的网络设备的管理配置。但是，由于CPU和FPGA之间的非对称性，两者之间难以实现对等的交互。

目前，基于FPGA设计开发的硬件设备与CPU通信有以下几种方式：

(1)通过局部总线与CPU相连，以本地设备的形式搭载到主机上，通过局部总线与CPU进行通信。采用此种方法，设备只能以本地设备的形式存在，CPU和FPGA之间的通信需要底层设备驱动的支持，平台相关性强，且主机搭载设备的形式难以在网络中部署；

(2)利用CAN、RS232、RS485等串行总线方式与CPU进行轻量级的数据通信。此种方法适用于系统结构和功能简单的设备，传输网络半径和传输性能都非常有限；

(3)采用IP软核或硬核的方式实现精简的网络协议栈，与CPU进行网络通信。此种方法需嵌入式处理器支持，成本高，硬件开销大且修改困难。

上述方法都不适合基于FPGA且无CPU的弱智能网络设备(以下简称基于FPGA的弱智能网络设备)与外部控制器之间的通信。一方面，网络设备都在网络中部署，需要具备远程管理配置的能力，且对数据传输有一定的性能要求；另一方面，基于FPGA的弱智能网络设备采用FPGA作为处理核心，没有CPU或网络处理器，片上资源和处理能力都有限。为此，我们需要设计一种外部控制器与基于FPGA的弱智能网络设备之间的远程通信方法，实现外部控制器与基于FPGA的弱智能网络设备之间的远程通信。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于以太网的远程非对称端通信方法，实现外部控制器与基于FPGA且无CPU的弱智能网络设备之间的远程通信。该方法提出一种外部控制器与基于FPGA的弱智能网络设备之间的基于以太网的通信框架，定义外部控制器与基于FPGA的弱智能网络设备进行交互的通信协议，定义交互命令格式、类型和报文封装等，实现外部控制器与基于FPGA的弱智能网络设备之间的远程通信。通过本方法，用户可以在网络中部署基于FPGA的弱智能网络设备，利用外部控制器实现对基于FPGA的弱智能网络设备的远程管理配置，对基于FPGA的网络开发应用有重要意义。

本发明采用如下技术方案：

一种基于以太网的远程非对称端通信方法，包括：

1、外部控制器与基于FPGA的弱智能网络设备进行交互的通信框架。

基于FPGA的弱智能网络设备的FPGA芯片中设管理模块，管理模块配置静态MAC地址和IP地址，外部控制器与FPGA管理模块进行通信，FPGA管理模块完成报文的接收和发送、报文解析、命令解析和报文生成等功能。

外部控制器向基于FPGA的弱智能网络设备发送管理配置消息时，首先将管理配置消息转化为对FPGA中寄存器、FPGA内部存储单元和FPGA外部存储单元的读写操作等命令，按照非对称端通信协议规定的命令格式对命令进行报文封装并发送报文到FPGA管理模块；FPGA管理模块收到报文后，在MAC层控制模块中检查以太网帧头部信息，在报文解析模块中检查IP头部信息，若为管理配置报文，则将管理配置命令送命令解析模块，命令解析模块解析命令，将时序信号发送到局部总线进行相应的处理；命令执行完成后，返回结果通过局部总线发送到命令解析模块，报文生成模块按照命令格式对返回结果进行报文封装，在MAC层控制模块中生成CRC后发送报文到外部控制器。

2、外部控制器与基于FPGA的弱智能网络设备进行交互的非对称端通信协议。

非对称端通信协议运行于IP层之上，包括握手协议和访问控制命令，命令定义如表1所示。其中，握手协议包括连接建立和连接释放，访问控制命令包括单个地址和连续地址的读请求、单个地址和连续地址的写请求、读响应、写响应和中断。

表1非对称通信协议命令定义

外部控制器主动向FPGA管理模块发起连接建立请求，通过三次握手建立连接。在连接过程中可获取设备信息，协商工作模式等。连接建立后，外部控制器与FPGA管理模块之间建立起会话句柄，两者之间的会话和数据传输都基于此句柄进行。外部控制器主动向FPGA管理模块发起连接释放请求，通过两次握手释放连接，重置FPGA资源状态，关闭会话句柄。

在会话过程中，外部控制器与FPGA管理模块的交互采用报文确认机制，利用报文序列号进行报文的确认，每一个报文有一个报文序列号(Req_Seq)，对应的应答报文以相同的值作为确认序列号(ACK_Seq)，以此保证数据传输的正确性。

外部控制器和FPGA管理模块之间的非对称通信采用软硬件超时重传机制。若FPGA管理模块中发生硬件超时，管理模块会发送错误信息到外部控制器，外部控制器收到错误信息后，重新发送操作命令；若外部控制器超时未收到FPGA管理模块的应答报文，则外部控制器等待一段时间后重新发送操作命令。

3、非对称端通信协议的命令格式定义以及命令的报文封装格式。

命令格式定义如下：

(1)连接建立命令格式(0x01)

连接建立命令包括连接请求、请求确认和连接确认三种命令。

Type字段8bit，表示命令类型，0x01为连接建立命令；

保留字段8bit，置为全0，无特别意义，留作扩展用；

Parameter字段16bit，前14位保留置0，同步标识位syn_flag为低1位，，例如连接请求时Parameter字段为0x0001。

在连接建立和连接释放命令中，Parameter字段定义为：

前14位保留

fin_flag

syn_flag

Data字段为设备状态或工作模式等信息，可在具体实现时自行定义。

(2)连接释放命令格式(0x02)

连接释放命令包括释放请求和释放确认两种命令。

Type字段8bit，表示命令类型，0x02为连接释放命令；

保留字段8bit，置为全0，无特别意义，留作扩展用；

Parameter字段16bit，前14位保留置0，中止标识位fin_flag为低2位，例如释放请求时Parameter字段为0x0002。

(3)读请求命令格式(0x03)

Type字段8bit，表示命令类型，0x03为读请求命令；

保留字段8bit，置为全0，无特别意义，留作扩展用；

Parameter字段16bit，表示是否连续请求，为1表示杂散读写，只读取一个地址的数据，大于1表示从连续地址中读取数据，其值为连续读取的地址数，最大为366；

Addr字段32bit，表示读请求的首地址。

(4)写请求命令格式(0x04)

Type字段8bit，表示命令类型，0x04为写请求命令；

保留字段8bit，置为全0，无特别意义，留作扩展用；

Parameter字段16bit，表示是否连续请求，为1表示杂散读写，只写入一个地址的数据，大于1表示向连续地址中写入数据，其值为连续写入的地址数，最大为366；

Addr字段32bit，表示写请求的首地址；

Data字段表示要写入的数据。

(5)读响应命令格式(0x05)

Type字段8bit，表示命令类型，0x05为读响应命令；

保留字段8bit，置为全0，无特别意义，留作扩展用；

Parameter字段16bit，表示读取是否成功，非零成功，其值为读取成功的条目数；

Data字段表示读出的数据。

(6)写响应命令格式(0x06)

Type字段8bit，表示命令类型，0x06为写响应命令；

保留字段8bit，置为全0，无特别意义，留作扩展用；

Parameter字段16bit，表示写入是否成功，非零成功，其值为写入成功的条目数。

(7)中断命令格式(0x07)

Type字段8bit，表示命令类型，0x07为中断命令；

保留字段8bit，置为全0，无特别意义，留作扩展用；

Parameter字段16bit，标识中断类型；

Data字段为中断消息，可在实际开发中根据具体应用确定消息内容。

外部控制器与基于FPGA的弱智能网络设备之间基于以太网传输命令和数据，所有命令和数据封装在以太网帧中。以太网帧头部中帧类型字段为0x0800，表示封装为IP报文。在IP头部中将非对称端通信协议的协议标识定为253，命令和数据封装在IP负载中，最大报文长度为1518字节(包括以太网帧尾部校验和)。对于连接建立命令、连接释放命令和中断命令，每个IP报文中只封装一条命令；但每个IP报文中可封装多条读写请求命令(或读写响应命令)，在报文中用count字段(8bit)表示报文中包含的命令条目数。

采用本发明可以达到以下技术效果：

可以实现外部控制器与基于FPGA的弱智能网络设备之间的远程通信。通过此方法，基于FPGA的弱智能网络设备可以在网络中部署，用户可以通过外部控制器对基于FPGA的弱智能网络设备进行远程管理配置；

基于FPGA的弱智能网络设备采用通用的以太网管理配置接口，非对称端通信协议的函数接口可以在现有的多种平台上通过socket方式实现，具有较强的平台无关性，为基于FPGA的弱智能网络设备的远程管理配置提供良好的兼容性和可移植性。

附图说明

图1是本发明外部控制器与FPGA管理模块交互的通信框架；

图2是本发明外部控制器与FPGA管理模块建立连接示意图；

图3是本发明外部控制器与FPGA管理模块释放连接示意图；

图4是本发明非对称端通信协议报文封装示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。

图1是外部控制器与FPGA管理模块交互的通信框架。为说明外部控制器与FPGA管理模块的交互流程，以外部控制器向FPGA管理模块发送管理配置消息为实施例进行说明。

在外部控制器中：

步骤1、将管理配置消息转化为对应的非对称端通信协议命令，按照非对称端通信协议规定的命令格式，根据管理配置消息提供的参数，利用非对称端通信函数接口对命令进行封装；

步骤2、封装好的命令作为IP报文的负载部分，添加IP头部信息(源、目的地址，协议标识等)，封装IP报文；

步骤3、对IP报文进行以太网帧封装，添加以太网帧头部信息，封装好的以太网帧通过网卡发送到FPGA管理模块。

在FPGA管理模块中：

步骤4、管理配置接口收到报文后，在MAC层控制模块中检查以太网帧头信息，检查目的MAC地址是否为自己的MAC地址，若是则进行CRC校验，CRC校验无误后，将IP报文送报文解析模块；若报文为ARP请求，则构造ARP应答报文并发送；

步骤5、在报文解析模块中判断IP报文头部中协议标识是否为非对称端通信协议标识，若是则对IP报文进行解封装，提取命令送命令解析模块；

步骤6、在命令解析模块中对命令进行解析，若为连接请求或连接释放命令，则构造相应的应答命令；若为访问控制命令，则将命令转换为时序信号发送到局部总线，FPGA完成相应的处理。

命令完成后，FPGA管理模块返回执行结果到外部控制器。在FPGA管理模块中：

步骤7、返回结果通过局部总线发送到命令解析模块，命令解析模块按照非对称端通信协议规定的命令格式对返回结果进行封装，并将封装好的数据送入报文生成模块；

步骤8、在报文生成模块中对数据进行IP报文封装；在MAC层控制模块中进行以太网帧封装，生成CRC，发送报文到外部控制器；

步骤9、外部控制器收到报文后，利用非对称端通信协议提供的函数接口，检查IP头部中的协议标识等信息，若为交互消息，则将返回结果提交到管理配置程序处理。

图2是外部控制器与FPGA管理模块建立连接示意图，外部控制器主动向FPGA管理模块发起连接建立请求，通过三次握手建立连接。

第一次握手：外部控制器发送连接请求报文到FPGA管理模块，初始化报文序列号Req_Seq，将Parameter字段置0x0001，即同步标识位syn_flag置1，表示建立连接请求；

第二次握手：FPGA管理模块收到外部控制器的连接请求报文后，若同意建立连接，则返回一个请求确认报文，将连接请求报文中的报文序列号作为报文确认序列号ACK_Seq，将Parameter字段置0x0001，即同步标识位syn_flag置1，表示接受连接请求；

第三次握手：外部控制器收到FPGA管理模块的请求确认报文后，返回一个连接确认报文给FPGA管理模块，将Parameter字段置0x0000，即同步标识位syn_flag置0；FPGA管理模块收到连接确认报文，连接建立完成，准备好数据传输。

图3是外部控制器与FPGA管理模块释放连接示意图，外部控制器主动向FPGA管理模块发起连接释放请求，通过两次握手释放连接。

第一次握手：外部控制器向FPGA管理模块发送释放连接请求，将Parameter置0x0002，即中止标识位fin_flag置1；

第二次握手：FPGA管理模块收到释放连接请求的报文后，重置FPGA状态，将Parameter置0x0002，即中止标识位fin_flag置1，返回ACK确认，外部控制器收到ACK确认后，关闭会话。

图4是本发明非对称端通信协议报文封装示意图，以向寄存器中写入数据为例说明交互过程中报文内容的变化。在FPGA中定义一个32位寄存器，地址为0x10000000。外部控制器向该寄存器中写入数据0x12345678，假设此时报文序列号Req_Seq为x，则报文中count字段为1，表示报文中封装有一条命令；Type字段为0x04，表示为写请求命令；Parameter字段为0x0001，表示为向单个地址写入数据；Addr字段为0x10000000，表示写入地址；Data字段为0x12345678，表示写入的数据。若操作成功，FPGA管理模块会返回应答报文到外部控制器，其中，ACK_Seq为x，count字段为1，表示报文中封装有一条命令；Type字段为0x06，表示为写响应命令，Parameter字段为0x0001，表示单个地址写入数据成功。

Claims (6)

1.一种基于以太网的远程非对称端通信方法，其特征在于，该方法包括：

(1)外部控制器与基于FPGA的弱智能网络设备进行交互的通信框架；

(2)外部控制器与基于FPGA的弱智能网络设备进行交互的非对称端通信协议；

(3)非对称端通信协议的命令格式定义以及命令的报文封装格式。

2.根据权利要求1所述的一种基于以太网的远程非对称端通信方法，其特征在于，基于FPGA的弱智能网络设备的FPGA芯片中设管理模块，管理模块配置静态MAC地址和IP地址，外部控制器与FPGA管理模块进行通信，FPGA管理模块完成报文的接收和发送、报文解析、命令解析和报文生成等功能。

3.根据权利要求1所述的一种基于以太网的远程非对称端通信方法，其特征在于，外部控制器向基于FPGA的弱智能网络设备发送管理配置消息时，首先将管理配置消息转化为对FPGA中寄存器、FPGA内部存储和FPGA外部存储单元的读写操作命令，按照非对称端通信协议规定的命令格式对命令进行报文封装并发送报文到FPGA管理模块；FPGA管理模块收到报文后，在MAC层控制模块中检查以太网帧头部信息，在报文解析模块中检查IP头部信息，若为管理配置报文，则将管理配置命令送命令解析模块，命令解析模块解析命令，将时序信号发送到局部总线进行相应的处理；命令执行完成后，返回结果通过局部总线发送到命令解析模块，报文生成模块按照命令格式对返回结果进行报文封装，在MAC层控制模块中生成CRC后发送报文到外部控制器。

4.根据权利要求1所述的一种基于以太网的远程非对称端通信方法，其特征在于，非对称端通信协议运行于IP层之上，包括握手协议和访问控制命令，其中，握手协议包括连接建立和连接释放，访问控制命令包括单个地址和连续地址的读请求、单个地址和连续地址的写请求、读响应、写响应和中断。

5.根据权利要求1所述的一种基于以太网的远程非对称端通信方法，其特征在于，命令格式定义如下：

(1)连接建立命令格式(0x01)；

(2)连接释放命令格式(0x02)；

(3)读请求命令格式(0x03)；

(4)写请求命令格式(0x04)；

(5)读响应命令格式(0x05)；

(6)写响应命令格式(0x06)；

(7)中断命令格式(0x07)。

6.根据权利要求1所述的一种基于以太网的远程非对称端通信方法，其特征在于，外部控制器主动向FPGA管理模块发起连接建立请求，通过三次握手建立连接；

第一次握手：外部控制器发送连接请求报文到FPGA管理模块，初始化报文序列号Req_Seq，将Parameter字段置0x0001，即同步标识位syn_flag置1，表示建立连接请求；

第二次握手：FPGA管理模块收到外部控制器的连接请求报文后，若同意建立连接，则返回一个请求确认报文，将连接请求报文中的报文序列号作为报文确认序列号ACK_Seq，将Parameter字段置0x0001，即同步标识位syn_flag置1，表示接受连接请求；

第三次握手：外部控制器收到FPGA管理模块的请求确认报文后，返回一个连接确认报文给FPGA管理模块，将Parameter字段置0x0000，即同步标识位syn_flag置0；FPGA管理模块收到连接确认报文，连接建立完成，准备好数据传输。

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