CN103107923B - 一种基于片上系统技术的光纤通道网络数据监控系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于片上系统技术的光纤通道网络数据监控系统及方法，包括一个基于片上系统技术的嵌入系统控制板，包含两个光纤通道光接口，和与之相连的两块固态硬盘，构成一个光纤通道接口到磁盘阵列的高速数据处理系统。实现高速度、低功耗、长时间监控和存储的应用要求。

Description

一种基于片上系统技术的光纤通道网络数据监控系统及方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种基于光纤通道协议(FiberChannel)的通信网络交换和传输技术，具体涉及一种基于片上系统技术的光纤通道网络数据监控系统及方法。
背景技术
军用航空电子系统简称航电是战机的“大脑”，它承载了决定战机性能的通信/导航/识别(CNI)、电子战等绝大多数任务。随着战机任务需求的提高及电子技术的发展，机载电子系统各个功能区内部和功能区之间都存在着各种传输要求，对带宽和传输延时的要求越来越高。
随着综合化的深入，采用统一的光互联网络成为航空电子系统内部互联的必然趋势。光纤通道协议是美国国家标准协议委员会(ANSI)下属的X3T11工作小组制定的一种具有高速串行能力的传输协议，具有高可靠性、高带宽、实时性高的特点。在众多的候选标准中，光纤通道协议脱颖而出，成为下一代战机航空电子系统的互联标准。
光纤通道数据监控系统的功能是对光纤通道机载网络进行数据的实时显示和存储，以及对存储的数据进行即时分析处理。监控系统不仅可以接收光纤通道交换机发送的光纤通道数据，还可以直接与另一个光纤通道监控系统进行互连。目前的商用光纤通道光纤通道协议分析系统，如国外FINISAR公司、AM公司的产品，只能部分满足光纤通道数据监控需求，仅支持短时(约几秒钟的高速突发数据)的监控和分析，并且需要板载大容量DDR2SDRAM存储器和工控计算机。通常的光纤通道网络数据监控方案如图1所示，包括1个光纤通道数据接口卡模块、1个Intel多核工控计算机主板和一块磁盘阵列卡，以及外加一个SATA2磁盘阵列。光纤通道网络数据通过光纤进入数据接口卡，在光纤通道数据接口卡上经过串并转换、缓存，经PClExpress总线送入工控计算机，工控计算机通过应用程序实时分析过滤输入数据，并根据用户需要，选择相应的数据通过阵列卡存储到磁盘阵列。
采用上述方案时，为了实时处理高达4Gb/s的光纤通道网络数据，光纤通道数据接口卡需要大容量的DDR2SDRAM存储器作为缓存(一般至少1GBYTE)；工控主板也必须是高性能的多核主板，才能对输入数据进行高速监控存储。上述方案有体积太大，功耗过高，成本高的缺点。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于片上系统技术的光纤通道网络数据监控系统及方法，是一种对光纤通道机载网络进行数据的实时存储，以及对存储的数据进行即时分析、数据包过滤和分类处理的监控系统及方法。通过板载FPGA中设计的嵌入式microblaze处理器启动DMA传输，以及高效率的流水线技术(避免了工控计算机的低效率、高功耗)，完成光纤通道光纤通道接口到磁盘阵列的数据通道高速、无阻塞的转发数据，实现了高速监控和存储。既可以在功能上取代通常的光纤通道网络数据监控方案，又具有节约资源，体现低成本、低功耗、体积小的特点。
其技术方案如下：
一种基于片上系统技术的光纤通道网络数据监控系统，包括1块带光纤通道光接口和固态硬盘接口(SATA2)的嵌入系统控制板、一个由两块固态硬盘组成的磁盘阵列。通过光纤通道进入嵌入系统控制板的光纤通道网络数据，经过光电变换、串并转换，由光纤通道协议处理模块解析得到光纤通道帧格式的数据，以下称为数据帧。根据数据过滤配置方案的不同，数据帧分为两种数据流向。第一种数据流向：由FPGA中设计的嵌入式microblaze处理器对输入的数据帧进行分析，选择相应的数据帧通过固态硬盘接口存储到磁盘阵列中；第二种数据流向：数据帧先缓存到DDR2SDRAM存储器，通过中断信号将指定数据帧从USB3.0接口转发至用户处理板。USB3.0接口转发数据需要单独的USB控制器芯片进行控制。
进一步优选，通过单个大容量FPGA主芯片实现多个固态硬盘的控制和光纤通道光纤通道协议以及USB3.0通信管理，板载FPGA中设计的嵌入式microblaze处理器启动DMA传输(避免了采用专用处理器)，以及高效率的流水线技术(避免了工控计算机的低效率、高功耗)，完成光纤通道光纤通道接口到磁盘阵列的数据通道高速、无阻塞的转发数据。降低了系统成本和功耗，实现在峰值数据速率(400MByte/s)下的长时间连续存储的高性能，达到了高速度、低功耗、长时间监控和存储的应用要求。
一种基于片上系统技术的光纤通道网络数据监控方法，包括以下步骤：
(1)上电后，FPGA从固态硬盘中加载启动配置文件和过滤配置文件，解析文件内容，配置启动条件和数据帧过滤条件；
(2)等待启动帧，当收到启动帧时，开始记录经过数据过滤配置方案的数据帧：
(3)根据数据过滤配置方案的不同，记录的数据帧分为两种数据流向：
a、数据帧在数据过滤配置方案1的选择下，过滤后的数据帧在嵌入式microblaze处理器的控制下，通过固态硬盘接口SATA2实时地交替存储至由两块固态硬盘构成的磁盘阵列中；
b、数据帧在数据过滤配置方案2的选择下，过滤后的数据帧在DDR2SDRAM控制器的控制下，通过控制器接口缓存到DDR2SDRAM中，最终通过中断或查询方式，从USB3.0接口将数据发送到用户处理板去显示。
本发明的有益效果：
本发明的技术方案既能满足对光纤通道网络端口的长时间高速监控和存储的应用需求，又能降低实现成本，不需要昂贵的大容量DDR2SDRAM存储器以及工控计算机。
附图说明
图1为背景技术光纤通道网络数据监控方案示意图；
图2为本发明基于片上系统技术的光纤通道网络数据监控系统的原理图；
图3为本发明一种基于片上系统技术的光纤通道网络数据监控方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
参照图2，光纤通道网络数据通过光纤通道进入嵌入系统控制板，经过光纤通道光接口包含的光模块进行光电变换，得到的串行数据先由FPGA的I/O口中的ISERDES模块进行串并转换，再由FPGA中的光纤通道协议处理模块根据光纤通道通信协议，得到光纤通道帧格式的数据，以下称为数据帧。经过光纤通道协议处理模块解析后的数据帧，根据在FPGA中设计的数据过滤配置方案，分为两种数据流向。第一种数据流向：数据帧通过一种数据过滤配置方案，由FPGA中设计的嵌入式microblaze处理器对输入数据进行分析，并根据用户需要，选择相应的数据通过固态硬盘接口存储到磁盘阵列中；第二种数据流向：数据帧通过另一种数据过滤配置方案，先缓存到板载DDR2SDRAM存储器(缓存容量设置为32MB)，当用户处理板需要观察指定数据帧时(指定的光纤通道帧格式的数据由过滤配置方案选择)，便产生一个中断信号，通知嵌入系统控制板将指定数据帧转发至用户处理板。FPGA先将缓存到DDR2SDRAM中的数据帧取出来，然后通过USB3.0接口将用户指定的数据帧发送到用户处理板进行显示。USB3.0接口转发数据需要单独的USB控制器芯片进行控制。
实施方式的难点和创新之处是利用FPGA内部丰富的逻辑资源，通过硬件编程，完全基于自主技术和单个FPGA芯片来设计(采用国外现成的商用芯片，知识产权受制于人)，实现系统所需光纤通道协议处理模块、SATA协议处理模块，以及相应的桥接模块。利用I/O口的ISERDES资源设计串并转换模块，实现串行数据到并行数据的转换，通过光纤通道协议处理模块得到光纤通道帧格式的数据；对软CPU核编程来实现嵌入式microblaze处理器，避免使用专用处理器，对输入数据进行分析，控制数据交替存储到由两块固态硬盘构成的磁盘阵列。
参照图3，一种基于片上系统技术的光纤通道网络数据监控方法，包括以下步骤：
(1)上电后，FPGA从固态硬盘中加载启动配置文件和过滤配置文件，解析文件内容，配置启动条件和数据帧过滤条件；
(2)等待启动帧，当收到启动帧时，开始记录经过数据过滤配置方案的数据帧；
(3)根据数据过滤配置方案的不同，记录的数据帧分为两种数据流向：
a、数据帧在数据过滤配置方案1的选择下，过滤后的数据帧在嵌入式microblaze处理器的控制下，通过固态硬盘接口SATA2实时地交替存储至由两块固态硬盘构成的磁盘阵列中；
b、数据帧在数据过滤配置方案2的选择下，过滤后的数据帧在DDR2SDRAM控制器的控制下，通过控制器接口缓存到DDR2SDRAM中，最终通过中断或查询方式，从USB3.0接口将数据发送到用户处理板去显示。
以上所述，仅为本发明最佳实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于片上系统技术的光纤通道网络数据监控系统，其特征在于，包括1块带光纤通道光接口和固态硬盘接口(SATA2)的嵌入系统控制板、一个由两块固态硬盘组成的磁盘阵列，通过光纤通道进入嵌入系统控制板的光纤通道网络数据，经过光电变换、串并转换，由光纤通道协议处理模块解析得到光纤通道帧格式的数据为数据帧，根据数据过滤配置方案的不同，数据帧分为两种数据流向；第一种数据流向：由FPGA中设计的嵌入式microblaze处理器对输入的数据帧进行分析，选择相应的数据帧通过固态硬盘接口存储到磁盘阵列中；第二种数据流向：数据帧先缓存到DDR2SDRAM存储器，通过中断信号将指定数据帧从USB3.0接口转发至用户处理板。
2.一种基于片上系统技术的光纤通道网络数据监控方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)上电后，FPGA从固态硬盘中加载启动配置文件和过滤配置文件，解析文件内容，配置启动条件和数据帧过滤条件；
(2)等待启动帧，当收到启动帧时，开始记录经过数据过滤配置方案的数据帧；
(3)根据数据过滤配置方案的不同，记录的数据帧分为两种数据流向：
a、数据帧在数据过滤配置方案1的选择下，过滤后的数据帧在嵌入式microblaze处理器的控制下，通过固态硬盘接口SATA2实时地交替存储至由两块固态硬盘构成的磁盘阵列中；
b、数据帧在数据过滤配置方案2的选择下，过滤后的数据帧在DDR2SDRAM控制器的控制下，通过控制器接口缓存到DDR2SDRAM中，最终通过中断或查询方式，从USB3.0接口将数据发送到用户处理板去显示。
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