CN103634238A - 一种支持afdx协议交换引擎的数据监控的交换机及交换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持AFDX协议交换引擎的数据监控的交换机，包含正常转发的交换结构、监控交换结构和监控配置表，监控交换结构包含2N个监控输入端口和2个数据监控输出端口，监控输入端口分别连接交换机的N个输入端口和正常转发的交换结构的N个输出端口，监控输入端口根据监控配置表对输入输出数据监控并加上监控标识转发至2个数据监控输出端口。本发明不影响AFDX交换机的正常交换，还可以对AFDX交换机输入输出端口的数据进行监控。

Description

一种支持AFDX协议交换引擎的数据监控的交换机及交换方法

技术领域

本发明涉及航空电子技术领域，特别是涉及AFDX交换机。

背景技术

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。

如何能够实时监控交换机的输入输出数据，就必须在交换引擎中加入相应的数据监控设计，同样可以采用共享存储方式来实现数据的监控。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的发明目的在于提供一种支持AFDX协议交换引擎的数据监控的交换机，实现正常的数据交换和监控数据隔离；可以监控被正常交换过滤的帧；为监控数据帧增加时间戳和错误类型。

本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：

一种支持AFDX协议交换引擎的数据监控的交换机，包含正常转发的交换结构，所述正常转发的交换结构包含N个输入端口、N个输出端口和参数配置表，负责根据参数配置表中的参数进行数据过滤，将正常的数据的转发，还包含监控交换结构和监控配置表，负责监控数据的转发和过滤，所述监控交换结构包含2N个监控输入端口和2个监控输出端口，监控输入端口分别连接交换机的N个输入端口和正常转发的交换结构的N个输出端口，监控输入端口根据监控配置表对输入输出数据监控并加上监控标识转发至2个监控输出端口。

优选地，所述监控交换结构还包含：

串-并转换模块:将监控输入端口的串行以太网数据转换为并行数据输入到监控共享存储器；

并-串转换模块：将监控共享存储器中的并行数据转换为串行以太网数据输出；

时钟分片单元：提供供监控共享存储控制器对2N个监控输入端口和2个监控输出端口进行时间片轮询访问的定时周期；

监控共享存储控制器：按时钟片对监控共享存储器进行轮询访问；

监控空地址指针队列：监控共享存储器中空地址的管理；

多播计数单元：多路转发时的计数控制；

监控输出队列、监控输出队列调度器：完成监控输出队列数据的调度工作。

优选地，所述监控配置表中定义的监控参数有：

监控状态：是否需要监控；

监控速度：10M、100M；

监控模式：虚拟链路监控或端口监控；

监控输入端口：需要监控的输入端口号；

监控输出端口：需要监控的输出端口号；

监控VL：表示需要监控的VL。

优选地，所述正常转发的交换结构还包含存储控制器、共享存储器、空闲地址指针队列、输出队列调度器；

存储控制器用于对输入端发出请求以时钟片轮询的方式做出仲裁，从空闲地址指针队列中取出一个空地址，将数据写入这个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；

输出队列调度器以时钟片轮询的方式从每一个输出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空间中读出帧数据并向输出端口发送。

本发明的另一目的在于提供一种支持AFDX协议交换引擎的数据监控的交换机的交换方法，包含以下步骤：

A）交换机的输入数据在进入交换机的时候同时输入正常转发的交换结构的输入端口和监控交换结构的监控输入端口；

B）对进入正常转发的交换结构的数据根据参数配置表进行过滤，将错误帧丢弃，正常数据进行存储转发输出到输出端口及监控输入端口；

C）监控输入端口解析输入数据的信息并提取出虚拟链路号，根据该虚拟链路号通过监控交换结构与CPU的接口读取监控配置表，读入监控参数，判断该数据是否需要被监控；

D），根据参数配置表和监控配置表判断数据帧的转发信息和数据帧的错误信息并添加到数据帧中；

E）监控数据输入监控交换结构存储转发；

F）监控交换结构的监控输出端口负责为输出数据添加附加信息帧尾和附加CRC，信息帧尾包含输入输出标识、输入端口信息、输出端口信息、错误帧错误类型标识、时间戳信息。

优选地，所述步骤E中监控数据输入监控交换结构存储转发包含以下步骤：

E.1)、在监控输入端口，当有数据帧到来时，监控输入端口发出请求，监控共享存储控制器以时钟片轮询的方式做出仲裁;

E.2)、获得控制权的监控输入端口从监控空闲地址指针队列中取出一个空地址，将数据帧写入这个空地址所指向的监控共享存储器空间，以及在多播计数单元的相应位置写入多播的扇出个数；

E.3）、根据数据帧的转发信息将这个空地址和其他相关信息写入对应监控输出端口的监控输出队列中；

E.4）、在监控输出端口，监控输出队列调度器同样以时钟轮询的方式从每一个监控输出端口非空的监控输出队列中读出被缓存的数据帧的存储地址和其他信息，根据存储地址从监控共享存储器中读出数据帧以及从多播计数单元中读出多播计数个数并减一向监控输出端口发送，当多播计数个数不为0时，则继续向监控输出端口发送该数据帧，当多播计数个数为0时，表明该监控共享存储区对应的所有多播扇出都被正常转发后，将该监控共享存储区地址送入空地址指针队列中。

优选地，所述步骤B的正常数据进行存储转发包含以下步骤：

B.1、当输入端有数据帧到来时，输入端发出请求，存储控制器以时钟片轮询的方式做出仲裁；

B.2、获得控制权的输入端从空指针队列中取出一个空地址，将数据帧写入这个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；

B.3、在输出端，输出队列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。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于有利于监控AFDX交换机网络中的传送信息并分析，基于共享存储结构的AFDX交换引擎的数据监控设计方法可实时监控交换机收发数据，作为AFDX交换芯片中数据监控的核心关键技术，本发明适用范围广，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。

附图说明

图1是本发明一种支持AFDX协议交换引擎的数据监控的交换机的结构图；

图2是基于共享存储器的正常数据的交换结构框图；

图3是基于共享存储器的监控交换结构框图；

图4是交换机监控参数表配置

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

从图1中可以看出交换机中有两个交换结构，一个是正常转发的交换结构，一个是监控交换结构。正常转发的交换结构负责正常数据的转发和过滤，监控交换结构负责监控数据的转发。正常转发的交换结构和监控交换结构是隔离的。交换机的输入数据在进入交换机的时候相当于进行了数据拷贝，拷贝的数据接入监控交换结构的输入端口。对于正常转发的交换结构，它有24个输入端口和24个输出端口；对于监控交换结构，它有48个监控输入端口和2个数据监控输出端口。监控交换结构的其中24个监控输入端口的输入就是交换机的外部输入的拷贝数据，另24个监控输入端口的输入是正常转发的交换结构的输出，所以监控交换结构可以监控所有的输入数据，也可以监控所有的输出数据。

监控交换结构的输入端口通过查找监控配置表判断该数据是否需要被监控（根据端口监控和虚拟链路监控），根据正常转发的交换结构的参数配置表对数据帧进行判断，判断是否为错误帧，如超长包、超短包、信用量出错、字节未对齐、延迟超长等信息,对于错误帧，添加错误信息的帧尾。监控交换结构的数据监控输出端口负责为输入数据打上时间戳和附加CRC，共16字节。所有监控信息均可从正常交换结构中获得。

正常转发的交换结构负责正常数据的转发和过滤，图2给出了一般的基于共享存储器的正常转发的交换结构逻辑框图。它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，存储控制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，将帧数据写入这个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，输出队列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。

监控交换结构主要完成各端口输入输出数据的存储转发功能。图3给出了它的逻辑框图。它主要由串-并转换模块、并-串转换模块、时钟分片单元、监控共享存储控制器、监控空地址指针队列、多播计数单元、监控输出队列和监控输出队列调度器等组成。其中，监控共享存储器为内部SRAM存储单元。

以太网的数据帧最长为1518字节，加上监控标识字段16字节。为了便于实现，我们将监控共享存储器划分为若干2Kbytes大小的存储块，监控空地址指针队列、多播计数单元就负责这些存储块的分发和回收。监控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。

监控输出队列的容量取决于监控共享存储器的大小，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。

监控输出队列调度器采用了时钟片轮循的机制为每个监控输入端口和监控输出端口进行调度管理，包括空存储块的分配，监控共享存储器的访问控制，监控输出队列的访问控制等。

下面我们介绍一下基于共享存储交换结构的多播工作方式。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。

监控配置表通过与CPU的接口，读入交换机监控参数。图4为监控配置表参数内容及字段长度。监控状态为是否需要监控；监控速度为10M、100M；监控模式为虚拟链路监控或端口监控；监控输入端口和监控输出端口表示需要监控的输入输出端口号；监控VL表示需要监控的VL。

通过读取监控配置表信息，监控交换引擎可实现对指定输入输出端口或指定虚拟链路（VL）进行监控。

监控输出端口采用以太网协议芯片，将输出队列中的数据转换为AFDX协议格式输出。支持10M/100M数据输出。

Claims (7)

1.一种支持AFDX协议交换引擎的数据监控的交换机，包含正常转发的交换结构，所述正常转发的交换结构包含N个输入端口、N个输出端口和参数配置表，负责根据参数配置表中的参数进行数据过滤，将正常的数据的转发，其特征在于交换机还包含监控交换结构和监控配置表，负责监控数据的转发和过滤，所述监控交换结构包含2N个监控输入端口和2个监控输出端口，监控输入端口分别连接交换机的N个输入端口和正常转发的交换结构的N个输出端口，监控输入端口根据监控配置表对输入输出数据监控并加上监控标识转发至2个监控输出端口。

2.根据权利要求1所述的一种支持AFDX协议交换引擎的数据监控的交换机,其特征在于所述监控交换结构还包含：

串-并转换模块:将监控输入端口的串行以太网数据转换为并行数据输入到监控共享存储器；

并-串转换模块：将监控共享存储器中的并行数据转换为串行以太网数据输出；

时钟分片单元：提供供监控共享存储控制器对2N个监控输入端口和2个监控输出端口进行时间片轮询访问的定时周期；

监控共享存储控制器：按时钟片对监控共享存储器进行轮询访问；

监控空地址指针队列：监控共享存储器中空地址的管理；

多播计数单元：多路转发时的计数控制；

监控输出队列、监控输出队列调度器：完成监控输出队列数据的调度工作。

3.根据权利要求1所述的一种支持AFDX协议交换引擎的数据监控的交换机，其特征在于所述监控配置表中定义的监控参数有：

监控状态：是否需要监控；

监控速度：10M、100M；

监控模式：虚拟链路监控或端口监控；

监控输入端口：需要监控的输入端口号；

监控输出端口：需要监控的输出端口号；

监控VL：表示需要监控的VL。

4.根据权利要求1所述的一种支持AFDX协议交换引擎的数据监控的交换机，其特征在于所述正常转发的交换结构还包含存储控制器、共享存储器、空闲地址指针队列、输出队列调度器；

存储控制器用于对输入端发出请求以时钟片轮询的方式做出仲裁，从空闲地址指针队列中取出一个空地址，将数据写入这个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；

输出队列调度器以时钟片轮询的方式从每一个输出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空间中读出帧数据并向输出端口发送。

5.根据权利要求1所述的一种支持AFDX协议交换引擎的数据监控的交换机的交换方法，包含以下步骤：

A）交换机的输入数据在进入交换机的时候同时输入正常转发的交换结构的输入端口和监控交换结构的监控输入端口；

B）对进入正常转发的交换结构的数据根据参数配置表进行过滤，将错误帧丢弃，正常数据进行存储转发输出到输出端口及监控输入端口；

C）监控输入端口解析输入数据的信息并提取出虚拟链路号，根据该虚拟链路号通过监控交换结构与CPU的接口读取监控配置表，读入监控参数，判断该数据是否需要被监控；

D）根据参数配置表和监控配置表判断数据帧的转发信息和数据帧的错误信息并添加到数据帧中；

E）监控数据输入监控交换结构存储转发；

F）监控交换结构的监控输出端口负责为输出数据添加附加信息帧尾和附加CRC，信息帧尾包含输入输出标识、输入端口信息、输出端口信息、错误帧错误类型标识、时间戳信息。

6.根据权利要求5所述的交换方法,其特征在于所述步骤E中监控数据输入监控交换结构存储转发包含以下步骤：

E.1)、在监控输入端口，当有数据帧到来时，监控输入端口发出请求，监控共享存储控制器以时钟片轮询的方式做出仲裁;

E.2)、获得控制权的监控输入端口从监控空闲地址指针队列中取出一个空地址，将数据帧写入这个空地址所指向的监控共享存储器空间，以及在多播计数单元的相应位置写入多播的扇出个数；

E.3）、根据数据帧的转发信息将这个空地址和其他相关信息写入对应监控输出端口的监控输出队列中；

E.4）、在监控输出端口，监控输出队列调度器同样以时钟轮询的方式从每一个监控输出端口非空的监控输出队列中读出被缓存的数据帧的存储地址和其他信息，根据存储地址从监控共享存储器中读出数据帧以及从多播计数单元中读出多播计数个数并减一向监控输出端口发送，当多播计数个数不为0时，则继续向监控输出端口发送该数据帧，当多播计数个数为0时，表明该监控共享存储区对应的所有多播扇出都被正常转发后，将该监控共享存储区地址送入空地址指针队列中。

7.根据权利要求5所述的交换方法,其特征在于所述步骤B的正常数据进行存储转发包含以下步骤：

B.1、当输入端有数据帧到来时，输入端发出请求，存储控制器以时钟片轮询的方式做出仲裁；

B.2、获得控制权的输入端从空指针队列中取出一个空地址，将数据帧写入这个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；

B.3、在输出端，输出队列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。

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