CN102684964A

CN102684964A - 一种万兆以太网接口卡及以太网组网方法

Info

Publication number: CN102684964A
Application number: CN2012101418701A
Authority: CN
Inventors: 李彧; 许迎春; 苗澎; 沈文博; 陈祝清
Original assignee: Nanjing Infeono Network Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Nanjing Infeono Network Science & Technology Co Ltd
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2012-09-19

Abstract

本发明提出一种万兆以太网接口卡及其网络连接方法。通过在以太网接口卡上加入多个流量复制端口，将10Gbps的数据流量复制到多个输出SFP端口上，并通过复制端口把一个机架上的多台服务器连接至一个统一的输入端口上，从而减少网络延迟并降低系统成本。

Description

一种万兆以太网接口卡及以太网组网方法

技术领域

本发明属于网络技术领域，特别的，属于以太网接口卡设备。

背景技术

随着数据中心和云计算的迅速发展，高速，低延迟的数据中心网络架构成为各个网络厂商的研究重点。目前，基于万兆以太网(10 Gigabit Ethernet，10GE)的数据中心网络连接已经成为了主流，图1显示了现有的数据中心网络结构的简化图。外部网络接口通过接口路由器101连接至数据中心，数据通过多台交换机传输至多台服务器104。多台交换机通过级联形成二层网络架构，出口路由器101发送数据至多台第一层交换机102，并通过第一层交换机102发送至多台第二层交换机103，再通过第二层交换机将数据发送至多台服务器104。图2为现有技术中服务器上的万兆以太网接口卡的硬件设计。数据通过1-2个SFP+(small form factor plus)的光模块201-202输入至以太网控制器桥接器芯片203，并通过PCIE（高速个人电脑接口，Personal Computer Interface Express）接口输送至服务器CPU（中央微处理器，center process Unit）。2个SFP+光模块通常只使用一个或者配置为1发送1接收，同交换机相连。

这样的网络设计能满足传统的网络需求，但是由于数据流从输入端口路由器到达服务器要经过多级的以太网交换和传输，一方面增大了网络的延迟，另一方面，由于交换机到多台服务器间需要连接多条光纤，增加了网络布线的成本和难度。另一方面，当处理的数据包含组播类型时，通过交换机进行数据复制，增大了交换机的负载。因此，有必要提出一种新的以太网接口卡和相应的网络布线方法，以降低传输延迟和降低系统成本。

发明内容

为了解决万兆以太网传输延迟和组网方法的问题,本发明提出一种万兆以太网接口卡，多个SFP+输入数据接口、多个SFP+复制输出接口、数据流分路器以及以太网控制器桥接芯片等部分，所述的万兆以太网接口卡，其接收数据通过数据流分路器复制发送至多个SFP+接口。

所述的以太网接口卡，其数据流分路器工作在10Gbps的串行数据率上。

所述的以太网接口卡，其以太网控制器桥接芯片包括数据报文过滤单元，根据MAC地址，IP地址和组播地址进行报文过滤以从10GE的数据流中过滤出本机所需的报文数据。

所述的以太网控制器桥接芯片，基于FPGA实现。

所述的以太网接口卡，其在数据路径上包括具有EDC功能的物理层芯片。

所述的数据流分路器，通过主机控制选择多个输入端之一的数据进行复制。

所述的万兆以太网接口卡，其数据数据流分路器由多个1:2高速缓冲器以及高速2×2交叉点开关芯片构成，其中通过所述多个SFP+输入数据接口输入的数据经过多个1：2高速缓冲器分别被复制成2份第一数据组和第二数据组，第一数据组输入至所述以太网控制器桥接芯片作为输入。第二数据组输入至所述2x2交叉点开关芯片，并通过所述2x2交叉点开关芯片输出至多个SFP+复制输出接口。

本发明的另一方面，还提供了一种基于所述的万兆以太网接口卡的以太网组网方法，以太网数据经交换机分发至多台配备具有所述的万兆以太网接口卡的服务器，并通过复制端口连接至下一台服务器，以此类推。

附图说明

图1显示的是传统的设备的组网方法

图2显示的是传统的设备网络接口卡的硬件设计

图3显示的是本发明的设备网络接口卡的硬件设计

图4显示的是本发明的网络接口卡的数据流分路器的框图

图5显示的是本发明的网络接口卡的以太网控制器桥接芯片的框图

图6显示的是本发明的服务器组网结构图

具体实施方式

参考图3进行说明。图3是本发明中网络服务器上的网络接口卡的硬件组成框图。网络接口卡(NIC network interface card)由多个SFP+模块301-304数据流分路器305，万兆以太网物理层设备305（10GE PHY），以太网控制器桥接芯片307，随机存储器（RAM，random access memory）308,非易失性存储器（ROM， read only memory）309，电源310以及PCIE接口311等部分等部分构成。

万兆以太网(10GE)的光纤数据从接口卡的侧面输入至接口卡的SFP+模块。SFP+是用于10Gbps以太网和8.5Gbps光纤通道(Fibre Channel)系统的可插拔光纤模块尺寸规格。 SFP+具紧凑的外形尺寸，而且功耗不到1W。此外，它还提供10Gbps器件的高安装密度，使得SFP+具有与SFP(small form factor小型可插拔)行业标准相同的体积。本发明的数据接口卡上安装4个SFP+模块，其中2个类似现有技术中的SFP+接口，另2个作为快速流量复制输出端口。在图3中，SFP+模块301，302作为网络输入输出接口，303和304则是复制流量输出端口。SFP+模块可以插入10Gb多模或者单模光模块，用于中长距离的数据连接，例如3米至10公里，或者是插入符合SFP+接口的万兆屏蔽双绞线铜缆，用于在网络接口卡和网络接口卡之间的短距离连接，例如1-5米之内的数据传输。

万兆以太网物理层(PHY)芯片用来对输入的光纤数据流进行色散补偿(electronic dispersion compensation，EDC)。通过例如最大可能性序列侦测(Maximum Likelihood Sequence Detection，MLSD)等技术，从带有抖动和噪声的数据码流中恢复出时钟信号，并对数据流进行重定时（retiming），以消除抖动和噪声。为了降低系统延迟，EDC只针对光收端应用。内建数字信号处理器可提供多个诊断及自我测试的功能。更多的，PHY芯片可以包含PRBS31/PRBS9产生器、检查器及计数器，以及具备MDIO & I2C管理接口接至以太网控制器桥接芯片。典型的PHY芯片例如Clariphy公司的推出的应用于网络的EDC PHY芯片CL1011。PHY芯片的输入输出均为线路速率的串行数据流，对于10GE来说，工作速率为10.3125Gbps。

经过phy芯片305后的10G数据串行数据获得了重新定时的信号质量。该信号进入数据流分路器306进行数据复制。数据流分路器306由数据流复制部分和数据流选择部分构成。图4显示了本发明的数据流分路器的一种构成方法，由1:2高速缓冲器401和402，高速2×2交叉点开关403芯片构成。输入的2路数据A和B经过1：2高速缓冲器分别被复制成2份A1,A2和B1,B2。其中信号A1和B1分别输入至以太网控制器桥接芯片作为输入。另2路信号A2和B2输入至2x2交叉点开关芯片403。403的每个输出端口可以分别选择为输入信号A2或者B2，在本发明中，2个输出信号均选择一路输入，也就是两个输出信号C1和C2或者同为输入的信号A2或者同为输入的信号B2。C1和C2信号输出至SFP+模块301和304。数据流分路器上的所有的器件均工作在线路的串行数据速率上，也就是，对于10GE数据，工作在10.3125Gbps速率上。

以太网控制器桥接芯片307是整个网络接口卡的核心芯片。芯片的内部框图如图5所示。芯片内部由MAC模块501，报文过滤模块502，TCP卸载模块503，控制模块504以及PCIE接口模块505等构成。一般情况下，以太网控制器桥接芯片307都由商用的ASIC芯片实现，例如broadcom公司的BCM57710等系列芯片。相比于传统以太网控制器桥接芯片，本发明中的以太网控制器桥接芯片307需要一个根据MAC（media access controller）地址，IP地址和组播地址进行报文过滤的可配置过滤器，以从10GE的数据流中过滤出本机所需的报文数据。因此，优选的，本发明中的以太网控制器桥接芯片307可以采用一现场可编程门阵列（FPGA）来实现。输入的数据流首先经过MAC 501的处理，过滤去非本机MAC地址的报文；其次数据报文经过报文过滤模块502后，过滤出归属于本机的IP报文，过滤可以基于IP地址，或者是vlan ID，或者是组播组地址，或者UDP/TCP端口号等相关的网络信息，具体的过滤字段，由应用层和协议层软件设置。经过过滤后的数据报文可以由TCP/IP卸载引擎进行协议处理加速或者通过PCIE端口发送至中央处理器(CPU)进行处理。

随机存储器308,非易失性存储器309连接至以太网控制器桥接芯片307。随机存储器308用于数据报文的队列缓存，非易失性存储器309用于存储以太网控制器桥接芯片307的固件以及配置信息，例如固化的MAC地址等。电源310用于将PCIE接口供应的5V和12V直流电源变换成3.3v，1.2V等低压直流电源，供给接口卡上的各个部件。PCIE接口311形成于板卡边缘的金手指（golden thumb），插接于主板上的PCIE插槽中和主板进行通讯。

以下详细描述本发明的以太网接口卡的配置过程。

步骤1，服务器上电，枚举PCIE设备，发现以太网接口卡

步骤2，操作系统启动，加载以太网接口卡驱动程序

步骤3，驱动程序根据用户的配置，控制数据流分路器选择SFP+模块302或者SFP+模块303的输出作为复制端口SFP+模块301和SFP+模块304的数据输入。

步骤4，配置以太网控制器桥接芯片的报文过滤模块502，对输入的数据流进行过滤，通过配置报文过滤模块502对MAC地址过滤，或者对IP组播地址过滤，或者对协议和端口过滤，过滤出传输给本机MAC地址的数据报文，或者组播报文，或者指定的协议报文。经过TCP卸载模块对报文的预处理后，由CPU对报文进行进一步处理。

以下参考图6详细描述本发明的机架间组网方法

上行数据通过交换机或者路由器接入数据中心，通过多个10GE光纤端口分发到多个机架。每个标准机架上布置1-N台服务器，每台服务器均接有本发明的以太网接口卡。

下行（从交换机往服务器方向）的光纤插入第一台服务器的以太网接口卡的光纤输入端，并从第一台服务器的复制端输出至第二台服务器的输入端，并从第二台服务器的复制端输出至第三台服务器的输入端，以此类推。这样，通过万兆以太网的接口卡上的复制端口，就可以将输入的数据以极低的延迟发送至各台服务器。

本发明的有益效果：通过在万兆以太网接口卡上设计数据复制单元，可以更改现有的以太网数据中心数据组网方法，同时，提供下行数据到服务器的超低延迟的传送方法，节省了系统功耗。

Claims

1.一种万兆以太网接口卡，包括多个SFP+输入数据接口、多个SFP+复制输出接口、数据流分路器以及以太网控制器桥接芯片等部分，其特征在于：所述的万兆以太网接口卡，其接收数据通过数据流分路器复制发送至多个SFP+复制输出接口。

2.如权利要求1所述的万兆以太网接口卡，其数据流分路器工作在10Gbps的串行数据率上。

3.如权利要求1所述的万兆以太网接口卡，其以太网控制器桥接芯片包括数据报文过滤单元，根据MAC地址，IP地址和组播地址进行报文过滤以从10GE的数据流中过滤出本机所需的报文数据。

4.如权利要求3所述的以太网控制器桥接芯片，基于FPGA实现。

5.如权利要求1所述的万兆以太网接口卡，其在数据路径上包括具有EDC功能的物理层芯片。

6.如权利要求1所述的万兆以太网接口卡，其数据流分路器通过主机控制选择多个输入端之一的数据进行复制。

7.如权力要求1所述的万兆以太网接口卡，其数据数据流分路器由多个1:2高速缓冲器以及高速2×2交叉点开关芯片构成，其中通过所述多个SFP+输入数据接口输入的数据经过多个1：2高速缓冲器分别被复制成2份第一数据组和第二数据组，第一数据组输入至所述以太网控制器桥接芯片作为输入。

8.第二数据组输入至所述2x2交叉点开关芯片，并通过所述2x2交叉点开关芯片输出至多个SFP+复制输出接口。

9.一种基于如权利要求1所述的万兆以太网接口卡的以太网组网方法，其特征在于：

以太网数据经交换机分发至多台配备具有所述的万兆以太网接口卡的服务器，并通过复制端口连接至下一台服务器，以此类推。